Tema 2: Propiedades fisicas y Ensayos.Parte I: Propiedades fisicas de los Materiales

"Comportamiento de los materiales frente aacciones fisicas exteriores"

Parte II: Ensayos fisicos de Caracterizacion deMateriales

"Procedimientos de ensayo para caracterizar elcomportamiento fisico de los Materiales"

Objetivos Docentes:

"Conocer las propiedades fisicas de losmateriales de construcci6n y evaluar sucomportamiento frente a las acciones fisicas".

"Conocer los diferentes tipos de ensayosfisicos de materiales e interpretar losresultados experimentales".

Tema 2 (Parte I): Propiedades fisicas delos Materiales.

1.Aspecto y forma. Peso y densidad. Porosidad.

2. Acciones fisicas: comportamiento hidrico, termicoy acustico de los materiales. Heladicidad.

3. Reacci6n al fuego.

4. Durabilidad y mecanismos de degradaci6n de losmateriales.

5. Protecci6n de los materiales frente a accionesexteriores.

Tema 2 (Parte I): Propiedades fisicas delos Materiales.

1.Aspecto y forma. Peso y densidad. Porosidad.

2. Acciones fisicas: comportamiento hidrico, termicoy acustico de los materiales. Heladicidad.

3. Reacci6n al fuego.

4. Durabilidad y mecanismos de degradaci6n de losmateriales.

5. Proteccion de los materiales frente a accionesexteriores.

Propiedades fisicas

Definicion:"Son los parametres que definen el comportamiento delos materiales frente a acciones exteriores."

Pueden variar con el tiempo (durabilidad yenvejecimiento) 0 por las condiciones ambientales.

El comportamiento de los materiales frente a accionesde tipo fisico esta ligado a su microestructura.

Las propiedades se pueden detenninar medianteensayos de caracterizacion.

Aspecto de los materiales

El aspecto de los materiales es la apariencia observadaa simple vista.

Se aprecian propiedades a nivel cualitativo, como son:../ Apariencia extema (color, textura, brillo,

homogeneidad, etc.)../ Apariencia intema (tamaiio de grano, homogeneidad,

porosidad, huecos, etc.)../ Otras propiedades: densidad, dureza, flexibilidad,

transparencia, combustibilidad, etc.

Forma de los materiales Los materiales de construcci6n son solidos, por 10 que

tienen una forma estable. La forma se determina midiendo las dimensiones

extemas de las muestras de materiales 0 productos. Existen variaciones dimensionales entre muestras 0

productos aparentemente iguales. Las tolerancias son los limites de las variaciones

dimensionales con respecto a las dimensionesnominales (te6ricas).

Propiedades absolutas y relativas

Las propiedades de los materiales se pueden referir auna muestra concreta 0 al material en general.

Muestra

Material--_ Propiedades absolutas--_ Propiedades relativas

MasaAbsolutas Peso

Volumen

RelativasDensidadPorosidadCompacidad

Peso Es la fuerza que ejerce un cuerpo debido a su masa y a

la accion de un campo gravitacional.

En funcion del agua que contiene un cuerpo (dentro delos poros de su estructura) se distinguen:

Peso natural: en equilibrio con el ambiente.

Peso seco: sin agua en los poros (parte solida)

Peso saturado: todos los poros abiertos llenos de agua.

Peso sumergido: peso seco menos el empujehidrostatico (Principio de Arquimedes).

Volumen Es la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo.

El volumen de un cuerpo consta del volumen queocupa la parte salida (Vs61ido)y los huecos (Vhuecos).

Se define como Volumen aparente la sum a de ambos.

IYap = Ysolido +Y huecos I Se puede calcular a partir del peso:

V == Psat - Psumap

'Y

Siendo 'Y la densidad delliquido

(1 g/cm? en el easo del agua)

Densidad

Es el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen.(La masa se obtiene mediante el peso seco.)

Determina el grado de empaquetamiento de lasparticulas del material.

Se distingue entre densidad real y aparente:

d = Pseco - Pseco' rap V p P

ap sat - SUITI

d (p )- Psecoreal esp ec ifico - V

solido

Porosidad y Compacidad Son dos parametres que se usan para definir la

proporcion entre solido y huecos de un material.

La Porosidad es la fraccion volumetrica de poros delmaterial y la Compacidad la fraccion solida (en %).

Ptotal (0/0 ) = V hllecos . 100 C(% ) = Vs61ido . 100Vsolido +Vhllecos Vsolido + Vhllecos

Ambos parametres son complementarios:

POROS ABIERTOS Y CERRADOS

H+o-- AI);erto

V~~_ ....-Abte1to

Estructura de un material poroso

Porosidad total, abierta y cerrada Los parametres de Porosidad y Densidad estan

relacionados:d -dp ('Y< ) = real aparente . 100

total 0 dreal

La Porosidad total (%) es suma de los huecosaccesibles (abierta) y no accesibles (cerrada).

Ptotal (0/0 ) = Pabierta (%)+ Peen-ada(0/0 ) La Porosidad abierta se puede calcular:

r. (01 ) = Vporos ab .100= 1- dap .100 = Psat - Pseeo .100abierta /0

Yap drelativa Psat - Psum

Acciones fisicas sabre los materiales Los materiales se yen sometidos a acciones fisicas del

ambiente en que se encuentran.

Los materiales tienden al equilibrio con el ambiente.

Se producen flujos de energia y materia a traves de laparte s6lida y los huecos (difusi6n).

Las propiedades, composici6n y estructura del materialdeterminan su Comportamiento frente a las acciones.

TermicasHidricas

Tipos de acciones fisicas AcusticasLuminicasMecanicas (Tema 3)

Comportamiento [rente a acciones termicas

El calor es una forma de energia (se mide en cal 0 J).

Cuando existe una diferencia de temperatura entre doscuerpos, se produce un flujo de calor (de +T a -T).

El cuerpo que recibe el calor reflej a una parte, absorbeotra y el resto la transmite.

El comportamiento de los materiales [rente al calor seevalua mediante tres parametres:

Dilatacion termicaConductividad termicaInercia termica

Transferencia de Calort; >T21AMBIENTE 1 1-1----~I AMBIENTE 2 I

CALOR CALORINCIDENTE TRANSMITIDO

~D ~oc==>(/ I

CALORREFLEJADO CALOR

ABSORBIDO

Dilataci6n termica

Los Materiales cambian de dimensiones al modificar sutemperatura.

EI Coeficiente de dilataci6n termica determina alincremento dimensional relativo.

Volumetrico Lineal

1a=-

L1 I1Va =-

v V I1T

Si el material es is6tropo el coeficiente lineal es unico.

Conductividad termica Es la propiedad de los materiales para transmitir calor

por conducci6n (entre dos ambientes con diferente T).

Se produce por transmisi6n de energia de vibraci6nentre atomos y moleculas vecinas.

El Coeficiente de Conductividad termica de un material:"Mide el flujo de calor a traves de un material de 1 m deespesor y 1 m? de superficie, durante una hora, cuandola diferencia de temperatura entre sus caras es de 1C."

Q. e kcalrnA= ~TSt Cm2h

Inercia termica EI equilibrio termico entre un material y su entomo no

se produce de manera instantanea.

Definicion:"tiempo que tarda un material en cambiar su temperatura"

Calor Especifico (c): Cantidad de calor necesaria paraaumentar 1C la temperatura de 1g de masa de undeterminado material.

Comportamiento [rente a acciones hidricas

El agua esta presenta en el ambiente en forma de agualiquida y de vapor de agua.

La presencia de agua y el estado en que aparece en elambiente afecta a los materiales.

El comportamiento de los materiales frente al agua seevalua mediante tres parametres:

AbsorcionPermeabilidadRetraccion

Absorci6n de agua

Es la capacidad de un material de captar agua yretenerla en su volumen.

Depende de la porosidad del material y del tipo deporo.

Se cuantifica mediante el Coeficiente de absorci6n:

c ., (~)= Psat - Pseco . 100absorcion 0 P

seco

Absorci6n por Capilaridad

Las humedades capilares sonaquellas que se producencuando un muro, pilar 0cualquier elemento constructivoesta en contacto con el suelo(Ia tierra en donde se asienta eledificio) y la humedad de estees absorbida por aquel,produciendose humedad. Estipico en s6tanos.

Observese en la imagen que elladrillo de la derecha (colorrojo) tiene una zona masobscura (indicada con unaflecha) que es el aguaabsorbida (capilaridad).En cambio, el material de laizquierda esta hidrofugado yno absorbe agua.

Absorci6n por Capilaridad Los materiales con poros largos y de pequefio diametro

(capilares) son capaces de absorber agua facilmente.

Este fenomeno se debe a la tension superficial del aguadentro de los capilares (menisco) .

H

H(m) = 40" cosODp g

Absorci6n por Capilaridad

H( ) 4a, cosem =1 ,'---_----..."" iiiiijjD"j_r_, g_,

;~~ . ----- -...,I -= \."'--_-...J - \..'--__

--_--

Permeabilidad Es la propiedad por la que un fluido puede pasar a

traves de un material.

Se distingue entre permeabilidad al agua y al vapor deagua.

La Permeabilidad al agua se produce en los materialesa traves de sus poros (capilaridad y por presion).

La Permeabilidad 0 Difusividad al vapor de agua es lafacilidad que presentan los materiales al paso del vapor

El inverso de la Difusividad es la Resistividad al vapor.

1r; =d ~ (MN sj g.m)v

HPermeabilidad al agua

e

pgH

Influencia de la porosidad en la PermeabilidadPermeabilidad Porosidad cerrada Capilaridad

I ~O c ~ ojMuy debil I 0 o O Io nula I' 0 .,.0 0 Q 0 eO" I Nula

Ie () 0"~ 4D o. jPorosidad abierta

Fuerte

Debil

Porosidad abierta

Debil

Fuerte

Retracci6n y Entumecimiento La variaci6n del contenido de agua (liquida y vapor) en

los materiales puede producir variacionesdimensionales.

Los materiales que modifican sus dimensiones sedenominan higrosc6picos (madera, morteros, ladrillos)

El fen6meno de aumento de dimensiones se denominaEntumecimiento y la disminuci6n Retracci6n.

Coeficiente de entumecimiento (variaci6n relativa):Volumetrico Lineal

~v~H

~L~H

Comportamiento frente a acciones acusticas

El Sonido es una vibraci6n perceptible auditivamente. Se trata de un tipo de energia que se transmite en forma

de ondas, con una velocidad y frecuencia determinadas. Se mide por la Presi6n acustica (1 Pa = IN/m2) y la

energia sonora incidente (dB).

El comportamiento de los materiales frente al sonido seevalua mediante el Coeficiente de absorci6n acustica:

"Cociente entre la energia sonora absorbida e incidente."

Depende de la frecuencia y tipoy forma del material.

Comportamiento luminico de los materiales

La luz es una forma de energia. Los materiales pueden reflejar, absorber 0 transmitir la

luz que incide en ellos. Existen tres casos puros de comportamiento luminico:../'Si refleja la luz, es brillante y opaco .../'Si absorbe la luz, es mate y opaco .../'Si transmite la luz, es transparente. EI comportamiento luminico de los materiales depende

de su espesor, color, textura superficial, etc.

Ig

Exterior

Factor SolarFs=T+AJ

Interior

Laminados de Piedra (fachada traslucida)

Heladicidad

Un material poroso es susceptible de quebrarse por laacci6n de ciclos de hielo-deshielo del agua que contieneen sus poros.(EI agua se convierte en hielo, aumentando su volumen).

Se estima calculando el M6dulo de Saturaci6n:

MS(%)= Pabierta 100Ptotat

Existe riesgo de heladicidad de un material cuando elM6dulo de Saturaci6n es > 70%.

Comportamiento [rente al fuego Condiciona la respuesta de los materiales frente a fuego.

La accion de fuego afecta a todas las propiedades de losMateriales, de modo reversible 0 irreversible.

EI fuego produce dos efectos principales:

Pirolisis: Rotura por fuego con descomposicion quimica.

Produce perdida de componentes, descomposicion delmaterial y combustion.

Perdida de resistencia mecanica: Los cambios en lamicroestructura reducen la capacidad mecanica.

Figura 4: Spa/ling en pilar de concreto

Figura 5: carbonizecion de madera(Foto de Edna Moura)

Reacci6n y Resistencia al fuego Reaccion al fuego: Es la respuesta de los materiales

frente a fuego. Es una caracteristica propia de un materialo producto y determina la magnitud relativa con la quepuede favorecer el inicio y desarrollo de un incendio.

No confundir con Resistencia al Fuego.

Resistencia al fuego: es la caracteristica quecorresponde a una solucion constructiva (elemento 0sistema constructivo), por la cual se determina lacapacidad de resistir en el tiempo, a la accion del fuego.Los cambios en la microestructura reducen la capacidad

, .mecaruca.

Durabilidad y mecanismos de degradacion

La durabilidad define el tiempo en que un materialmantiene sus propiedades.

Depende del tipo de material y exposici6n a los agentesextemos (ambiente y acciones externas).

Los mecanismos de degradaci6n de los materiales sonlos procesos de perdida de propiedades.

Las acciones pueden ser de varias naturalezas y, enfunci6n del tipo de material, producen diferentesmecanismos de degradaci6n.

Acciones y mecanismos de Degradacion

Quimicas

Biologicas

Fisicas

Mecanicas

Oxidacion y corrosion

Ataques de acidos y bases

Consumicion

Putrefaccion

Termicas y fuego

Hidricas

Radioactivas y electrornagneticas

Desgaste

FracturaDeformacion

Protecci6n de los materiales frente aacciones exteriores.

Los materiales expuestos a ambientes agresivos tienenque protegerse para mantener su durabilidad.

Las acciones a considerar son de tipo fisico y quimico. Los agentes a considerar son:

- Viento (produce erosi6n)- Agua (produce humedades, oxidaci6n y pudrici6n)- Rayos UVA (producen envej ecimiento)- Fuego- Contaminantes- Ambiente salino- Aguas subterraneas