Materiales de Construcción: Cerámica, Compuestos y Rocas

Cerámica

MAT CERAM- Compuestos químicos inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos entre sí por enlaces iónicos y/o covalentes, que pueden presentar estructura cristalina y que son procesados y fabricados a altas temperaturas. Pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezclas de ambos. Se caracterizan por su gran dureza y resistencia a altas temperaturas, aunque son frágiles, de peso ligero, resistentes al desgaste, con poca fricción y propiedades aislantes.

Dos grupos de cerámicas:

• Tradicionales: Arcilla, sílice (sílex) y feldespato. Ejemplos: vidrios, ladrillos, azulejos, porcelanas.
• De ingeniería: Compuestos puros o casi puros: Al₂O₃, carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si₃N₄).

Las cerámicas son buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones de conducción y a la gran estabilidad química de sus fuertes enlaces. Un gran número de cerámicas presentan enlaces atómicos iónicos y covalentes, poseyendo estructuras cristalinas simples típicas como las estructuras del NaCl, de blenda (ZnS) y de fluorita (CaF₂).

Número de coordinación y estructuras cristalinas

La composición de los compuestos y la presencia de elementos determinan la estructura. Esta se ve influenciada por:

• La necesidad de equilibrar las cargas electrostáticas para mantener la neutralidad eléctrica en el cristal.
• El tamaño relativo de los cationes y aniones.

Estructura perovskita (CaTiO₃): Los iones Ca y O forman una celda FCC con iones Ca en las esquinas de la celda unidad y los O en el centro de las caras.

Estructura de espinela (MgAl₂O₄): Los iones O forman una red cúbica centrada en las caras e iones metálicos ocupan posiciones tetraédricas u octaédricas.

Estructura del carbono y sus alótropos: El grafito presenta una estructura hexagonal compacta con enlaces covalentes entre átomos de carbono y enlaces secundarios entre capas.

Diagrama de fases en la producción cerámica

Sistema SiO₂-Na₂O: El Na₂O se añade frecuentemente a la sílice en la manufactura del vidrio. Actúa como fundente, reduciendo el punto de fusión de 1720 ºC a 800 ºC en la composición eutéctica.

Mullita (3Al₂O₃·2SiO₂): Compuesto intermedio. Los compuestos con una cantidad apreciable de mullita presentan buena resistencia a altas temperaturas.

Propiedades de la cerámica

Son duros y frágiles, con baja resistencia al impacto y baja ductilidad. Presentan resistencia al desgaste, a la abrasión y a altas temperaturas. Su falta de plasticidad se debe a los enlaces químicos iónicos y covalentes. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones. Son deformables a elevadas temperaturas y buenos aislantes térmicos y eléctricos por la ausencia de electrones de conducción.

Propiedades magnéticas

No suelen presentar propiedades magnéticas, excepto en ferritas y granates (cerámicas ferromagnéticas). En estos materiales, los diferentes iones tienen momentos magnéticos distintos. Al aplicar un campo magnético, se produce una imantación neta.

Propiedades eléctricas

Son aislantes eléctricos con alta resistencia dieléctrica y baja constante dieléctrica. Algunos presentan facilidad para polarizarse.

Propiedades térmicas

La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a los fuertes enlaces iónicos/covalentes.

Vidrios

Cuerpo sólido, mineral, cerámico, no cristalino, frágil, homogéneo e isótropo, procedente de la fusión y enfriamiento de una mezcla de silicatos y otras sustancias.

Propiedades del vidrio

• Dureza y fragilidad
• Transparencia
• Impermeabilidad
• Gran resistencia a los reactivos químicos

Se fabrica con materiales inorgánicos a altas temperaturas. Los componentes se calientan hasta que se funden y luego se enfrían hasta un estado rígido sin cristalización. Su característica principal es su estructura amorfa: las moléculas no están distribuidas en un orden repetitivo de largo alcance como en un sólido cristalino. Suele ser transparente, aunque puede ser traslúcido u opaco. El color varía según los ingredientes empleados en su fabricación. El vidrio industrial es una sustancia amorfa fabricada a partir de sílice, fundida a altas temperaturas con boratos o fosfatos.

Productos de arcilla

Los tres componentes básicos son: arcilla, sílice y feldespato (roca ígnea, silicatos de Al, Ca, Na, K).

La arcilla es un silicato de aluminio hidratado con pequeñas cantidades de otros óxidos (TiO₂, Fe₂O₃, MgO, CaO, Na₂O y K₂O). La sílice tiene una alta temperatura de fusión y es un componente refractario de las cerámicas tradicionales. El feldespato de potasa tiene una baja temperatura de fusión y forma vidrio cuando la mezcla cerámica se cuece.

Ladrillos de construcción, tejas y azulejos se fabrican con arcilla natural.

Arcillas y porcelanas

Arcillas: Aluminosilicatos (alúmina, Al₂O₃, y sílice, SiO₂) más agua. Ejemplos: ladrillos de construcción, baldosas, tuberías de agua residuales.

Porcelanas: Aluminosilicatos que adquieren el color blanco después de la cocción a mayores temperaturas. Ejemplos: alfarería, vajillas, artículos sanitarios.

La estructura de las arcillas y porcelanas se basa en la caolinita: Al₂(Si₂O₅)(OH)₄.

Refractarios

Materiales con alta resistencia térmica que resisten ambientes calientes, tanto líquidos como gaseosos. Se hacen con mezclas de productos cerámicos.

Refractarios ácidos: Sílice y alúmina. Altas resistencias mecánicas y rigidez hasta temperaturas cercanas a sus puntos de fusión.

Refractarios básicos: Ricos en periclasa (MgO calcinada), CaO (cal) y Cr₂O₃. Alta densidad y resistencia al ataque químico.

Refractarios especiales: Óxidos de alta pureza, como alúmina, sílice, magnesia, mullita; otros son compuestos de carburos: carbón y grafito.

Vitrocerámicas

Se provoca la precipitación de pequeños cristales mediante la adición de agentes nucleantes al material fundido. Resistentes a cambios bruscos de temperatura y con alta resistencia mecánica. Ejemplo: Li₂O-Al₂O₃-SiO₂. Estos materiales presentan excelente resistencia al choque térmico y bajo coeficiente de dilatación del cerámico cristalizado.

Materiales Compuestos

Sistemas de materiales formados por la combinación de dos o más micro o macroconstituyentes diferentes en forma y/o composición, insolubles entre sí. Se pueden variar arbitrariamente la cantidad o la estructura de cada uno de ellos sin que los demás se vean afectados. Ejemplos: hormigón, mortero, madera.

Componentes de los materiales compuestos

• Fase discontinua (refuerzo): Dependen principalmente las propiedades mecánicas.
• Fase continua (matriz): Responsable de la resistencia térmica y ambiental del material.

Clasificación de los materiales compuestos

• Sin distribución: Reforzados con partículas, reforzados con fibras (poliméricas, metálicas, cerámicas).
• Compuestos laminares: Laminados (direccional, cruzado), panel o sándwich.
• Híbridos: Los compuestos que los forman son física y geométricamente similares, resultando una combinación con propiedades y características intermedias a las de los materiales individuales que lo forman.
• Aleaciones: Metal y plástico. A veces no se consideran compuestos.
• Rellenos: Compuestos físicamente diferentes: uno masivo y continuo (matriz), otro discontinuo granular o fibroso (relleno o refuerzo).
• Dispersados: Rellenos granulares uniformemente distribuidos en la matriz (areniscas, morteros).
• Estructurados: Con rellenos de carácter lineal y gran longitud (armados, tejidos).
• Reforzados: Rellenos con fibras. La matriz se rellena con elementos de poca longitud.

Aplicación de los materiales compuestos en edificación

• Aplicaciones estructurales
• Fachadas
• Cubiertas
• Particiones y acabados
• Instalaciones
• Obras de reparación

Fibras de refuerzo

Fibras minerales: Naturales (dolomita, vermiculita) y artificiales (óxido de aluminio, aluminosilicatos, carburo de silicio, boro, carbono, metálicas).

Minerales vítreas: Fibra de vidrio, lana de vidrio, lanas minerales de roca, fibras de cerámicas refractarias.

Fibras orgánicas: Naturales (algodón, lana, seda, celulosa) y sintéticas (aramida, poliamidas, poliacrilonitrilo, poliéster, polipropileno).

Fibras de carbono

Alta resistencia y rigidez a altas temperaturas. Baja densidad, conductor eléctrico y altas resistencias a tracción y compresión. El proceso de fabricación incluye: estabilización, carbonización y grafitización. Se utilizan en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales por su alta resistencia y baja densidad.

Fibras de vidrio

Elaborada a partir de materias primas tradicionales necesarias para la fabricación del vidrio: sílice, cal, alúmina y magnesita. La mezcla se tritura y se amasa hasta que es homogénea a 1500 ºC, se cuela por gravedad a través de placas con orificios de 1-2 mm de diámetro. A la salida son estirados mecánicamente hasta obtener filamentos de 5-24 micras. Se revisten con una dispersión que asegura la unión entre filamentos y la protección del hilo contra la abrasión.

Características de las fibras de vidrio

• Excelente adherencia fibra-matriz
• Resistencia mecánica específica a tracción
• Buenas propiedades dieléctricas
• Incombustibilidad
• Estabilidad dimensional
• Débil conductividad térmica
• Buena resistencia a la corrosión y a agentes químicos
• Imputrescibilidad
• Propiedades isótropas

Fibras sintéticas

Se fabrican a partir de polímeros termoplásticos como poliolefinas (polipropileno y polietileno), la poliamida (nylon) y el poliéster. Poseen unas características que los hacen ideales para aplicaciones de refuerzo de suelos.

GRC (hormigón reforzado con fibra de vidrio)

Empleo de fibra de vidrio para reforzar hormigón. El inconveniente de ser atacada por los álcalis del cemento (óxido de Na, óxido de K) se evita con el empleo de cementos de muy bajo contenido en álcalis, de fibras revestidas de epoxi o el empleo de fibras con composición con óxido de zirconio. CemFIL AR: fibra 10 veces más resistente que el polipropileno con gran resistencia a la tracción (3-4 veces la del acero).

Cuando se incorpora a la mezcla de cemento/arena, se obtiene un material ligero y similar al hormigón, con las siguientes propiedades:

• Aptitud para reducir detalles de superficie
• Ligero (reduce costos de transporte, puesta en obra e instalación)
• Aptitud para ser moldeado en formas complejas
• Gran resistencia a la propagación de fisuras
• Reduce la carga en edificios
• Reduce los cuidados de mantenimiento

Se utiliza en proporciones del 3-5% para la fabricación de productos acabados de forma prefabricada. En proporciones del 1-2% para reforzar revocos directamente en obra y controlar la retracción y la microfisuración del hormigón.

Química del medio ambiente: Aire

Mezcla de gases que constituyen la atmósfera terrestre, que permanecen alrededor de la Tierra por acción de la fuerza gravitatoria. Tiene aproximadamente un peso de 500.000 millones de toneladas. Composición aproximada: N₂ (78%), O₂ (21%), vapor de agua (entre 0-7%), ozono, CO₂, H₂ y algunos gases nobles (criptón o argón), es decir, 1% de otras sustancias.

Capas o regiones de la atmósfera

• Troposfera: Alcanza una altura media de 12 km (7 km en los polos, 16 km en los trópicos). El límite superior (tropopausa) está a 12 km sobre el nivel del mar, pudiendo oscilar entre 6-18 km.
• Estratosfera: 12-50 km de altura; en su capa superior (20-50 km) hay una gran cantidad de ozono (O₃, casi la totalidad del atmosférico), importante para la vida en la Tierra porque absorbe la mayor parte de los rayos ultravioleta del Sol. Escaso movimiento de las masas de aire que la forman.
• Mesosfera: 50-100 km de altitud; temperatura media de -10 °C; en ella los meteoritos adquieren altas temperaturas y en su gran mayoría se volatilizan y consumen.
• Ionosfera: Desde 100 km y va desapareciendo hasta los 500 km de altura. Constituida por oxígeno (O₂), la temperatura aumenta hasta 1000 °C; los rayos X y ultravioleta del Sol ionizan el aire enrarecido, produciendo átomos y moléculas cargados eléctricamente (iones) y electrones libres.
• Termosfera: La temperatura crece hasta 1500 °C a 300 km de altura.
• Exosfera: 500 km de altura y se extiende más allá de los 1000 km; está formada por una capa de helio y otra de H. Después de esta capa hay una banda de radiaciones (magnetosfera) hasta 55.000 km de altura, aunque no constituye propiamente un estrato atmosférico.

Ozono

Sustancia gaseosa de color azul, olor metálico y picante, forma alotrópica del O₂ (O₃). Puede condensarse y mostrarse en forma líquida y, si se congela, se convierte en sólido de color negruzco violeta. Está en el aire cerca de la superficie terrestre en pequeñas proporciones (20 ppm).

O₃ estratosférico: Filtro protector.

O₃ troposférico: Efecto invernadero.

Efecto invernadero

El Sol suministra energía a la Tierra (342 W/m²). El 30% se refleja, el 70% de la radiación restante es absorbida. Las corrientes térmicas, los fenómenos de vaporización y los fenómenos de condensación son responsables del estado del tiempo.

El efecto invernadero es el fenómeno por el cual determinados gases, que son componentes de una atmósfera planetaria, retienen parte de la energía que el suelo emite por haber sido calentado por radiación solar.

Radiación UV

La mayor parte de ella, de mayor contenido energético y mayor poder de penetración, es absorbida por la capa de O₃ estratosférica.

Radiación infrarroja

Absorbida por las moléculas de los gases contenidos en las diferentes capas atmosféricas (vapor de agua, CO₂, metano, óxidos de N). La Tierra absorbe la mayoría de la energía que llega a su superficie y la vuelve a emitir como calor. Los gases de la atmósfera absorben una parte del calor y lo retornan a la Tierra.

Lluvia ácida

Precipitación pluvial que presenta pH ácido (<5.6) (también en nieve, niebla, rocío). La mayoría de las sustancias ácidas provienen de las centrales térmicas, debido a la combustión de combustibles fósiles; también contribuyen los coches. Las causas de la lluvia ácida son el dióxido de azufre, el ácido sulfúrico y los óxidos de N.

Esmog fotoquímico

Contaminación del aire, principalmente en áreas urbanas, por O₃ originado por reacciones fotoquímicas y otros compuestos. Como resultado, la atmósfera presenta un color marrón rojizo. El O₃ es un compuesto oxidante y tóxico que puede provocar en el ser humano problemas respiratorios.

Rocas

Masas de cierto volumen que no tienen forma constante y que depende de agentes externos. Los minerales pueden ser autóctonos (con la masa rocosa) o alóctonos (disgregación de rocas preexistentes). Los minerales esenciales caracterizan la especie petrográfica, mientras que los accesorios entran accidentalmente en la composición rocosa.

Características de las rocas

• Adherencia: Fuerza de unión entre partículas. Igual composición química: fuerzas de cohesión. Agregadas, aglomeradas.
• Dureza: Depende de la dureza del grano y de las fuerzas de unión o del elemento cementante.
• Homogeneidad: Indica que en el material todas las partículas son de las mismas características y se hallan uniformemente distribuidas. Grietas o pelos, coqueras, nódulos.
• Resistencia mecánica: Compresión (buena), tracción (mala). Resistencia a tracción 1/30 compresión. Agua en cantera: la que contiene la roca en su estado natural, del orden del 1% en peso.
• Heladicidad: Resistencia al hielo.
• Resistencia al fuego: Mala.
• Estructura: Disposición de los constituyentes de la roca (granitoide, porfídica, estratificada, esquistosa, clástica).

Jabre: Granito con feldespato.

Explotación de rocas

• Mina: Excavación subterránea.
• Cantera: A cielo abierto. Capa superior de tierra vegetal o roca meteorizada (montera).
• Gravera: Material suelto o blando (retroexcavadora o draga). Material duro: arranque mecánico (cuña, lanza térmica), arranque explosivo (voladura).

Morfología y nomenclatura de rocas

En bloque: Sillar, sillarejo, mampuesto, losas o chapas, adoquín, peldaño, bordillos y encintados.

Sueltas: Balasto (procedente de machaqueo), macadam (igual que balasto pero para uso en viales), encachado (capa o tongada de piedra unimodular debajo de soleras).

Rocas eruptivas

De consolidación de magma.

Plutónicas: (Granito)

Filonianas: (Filones) (textura porfídica, fenocristales)

Efusive volcánicas: Las rocas eruptivas básicas se encuentran en el sima, las ácidas en el sial.

Granito (plutónica): Cuarzo, feldespato, mica. Gabarros: Nódulos de concentración de biotita. Descomposición del granito: jabre. Descomposición del feldespato: caolín. Usos: balasto, macadam, peanas, alfaizar, jambas.

Serpentina (plutónica): Silicato de magnesio hidratado (SiO₂Mg(OH)₂O).

Proceso de formación: Destrucción de rocas preexistentes, transporte (agua, viento), sedimentación mecánica, química, orgánica, transformación de sedimentos en rocas.

Basalto (volcánica): Feldespato, augita, piroxeno, olivino, magnetita.

Obsidiana: Fractura concoidea, compacta, bordes cortantes.

Pumita: Piedra pómez, porosa, brillo sedoso.

Rocas sedimentarias

Sedimentación mecánica: Fragmentos de otras rocas disgregadas, compactas.

Sedimentación química: Cristalización de sustancias disueltas en agua (algeciras, calizas, margas, dolomías).

Sedimentación orgánica: Acumulación de restos orgánicos (calizas, silíceas, carbones).

Rocas volcánicas: Rocas piroclásticas (brechas, conglomerados, tobas).

Características: Productos detríticos de otras rocas, depósitos cristalinos de sustancias disueltas en agua, depósitos de materiales orgánicos.

Áridos: Grava (>4 mm), arena (<4 mm). Yacimientos: río, playa, duna, mina. Granulometría: continua, discontinua, unimodal. Usos: mortero, hormigón.

Arcillas: Caolín (arcilla pura blanca, materia prima en cerámica).

Algeciras: Sulfato cálcico con dos moléculas de agua (CaSO₄·2H₂O).

Calizas: Tobas (precipitación de carbonato cálcico sobre plantas, algas, musgos). Cuando son porosas y con grandes coqueras: travertino.

Rocas metamórficas

Gneis: Mica, feldespato, cuarzo. Estructura hojosa. Usos: losas, peldaños, adoquín, elementos de cubrición.

Durabilidad

Capacidad para soportar durante su vida útil las condiciones de todo tipo a las que están expuestos los materiales sin aparecer indicios de degradación. Ambientes: interior, rural, montaña, urbano, industrial, marino, tropical, enterrado.