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• Maximiliano Pimentel

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a. ¿Qué es el cemento? El cemento es un conglomerante hidráulico, es decir, un material inorgánico finamente molido que amasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece por medio de reacciones y procesos de hidratación y que, una vez endurecido conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua. b. ¿Cómo de descubrió? Desde la antigüedad se emplearon pastas y morteros elaborados con arcilla o greda, yeso y cal para unir mampuestos en las edificaciones. El cemento se empezó a utilizar en la Antigua Grecia utilizando tobas volcánicas extraídas de la isla de Santorini, los primeros cementos naturales. En el siglo I a. C. se empezó a utilizar en la Antigua Roma, un cemento natural, que ha resistido la inmersión en agua marina por milenios, los cementos Portland no duran más de los 60 años en esas condiciones; formaban parte de su composición cenizas volcánicas obtenidas en Pozzuoli, cerca del Vesubio. La bóveda del Panteón es un ejemplo de ello. En el siglo XVIII John Smeaton construye la cimentación de un faro en el acantilado de Eddystone, en la costa Cornwall, empleando un mortero de cal calcinada. El siglo XIX, Joseph Aspdin y James Parker patentaron en 1824 el Portland Cement, denominado así por su color gris verdoso oscuro similar a la piedra de Portland. Isaac Johnson, en 1845, obtiene el prototipo del cemento moderno, con una mezcla de caliza y arcilla calcinada a alta temperatura. En el siglo XX surge el auge de la industria del cemento, debido a los experimentos de los químicos franceses Vicat y Le Chatelier y el alemán Michaélis, que logran cemento de calidad homogénea; la invención del horno rotatorio para calcinación y el molino tubular y los métodos de transportar hormigón fresco ideados por Juergen Heinrich Magens que patenta entre 1903 y 1907. c. ¿De qué está hecho?

Caliza (L), Caliza (LL), Cenizas volantes calcáreas (W): Las cenizas volantes se obtienen por precipitación electrostática o mecánica de partículas pulverulentas arrastradas por los flujos gaseosos de hornos alimentados con carbón pulverizado. La ceniza volante calcárea es un polvo fino que tiene propiedades hidraúlicas y/o puzolánicas., Cenizas volantes silíceas (V): Las cenizas volantes se obtienen por precipitación electrostática o mecánica de partículas pulverulentas arrastradas por los flujos gaseosos de hornos alimentados con carbón pulverizado. La ceniza volante silícea es un polvo fino de partículas esféricas que tiene propiedades puzolánicas., Clínker (K): El clínker de cemento portland es un material hidráulico que se obtiene por sintetización de una mezcla especificada con precisión de materias primas (crudo, pasta o harina)., Clínker Aluminato de Calcio: El clínker de cemento de aluminato de calcio es un material hidráulico que se obtiene por fusión o sinterización de una mezcla homogénea de materiales aluminosos y calcáreos conteniendo elementos, normalmente expresados en forma de óxidos, siendo los principales los óxidos de aluminio, calcio y hierro (Al2O3, CaO, Fe2O3), y pequeñas cantidades de óxidos de otros elementos (SiO2, TiO2, S=, SO3, Cl-, Na2O, K2O, etc.). El componente mineralógico fundamental es el aluminato monocálcico (CaO Al2O3)., Escoria granulada de horno alto (S): La escoria granulada de horno alto se obtiene por enfriamiento rápido de una escoria fundida de composición adecuada, obtenida por la fusión del mineral de hierro en un horno alto. Esquistos calcinados (T): El esquisto calcinado, particularmente el bituminoso, se produce en un horno especial a temperaturas de aproximadamente 800ºC y finamente molido presenta propiedades hidráulicas pronunciadas, como las del cemento Portland, así como propiedades puzolánicas. , Humo de Sílice (D): El humo de Sílice se origina por la reducción de cuarzo de elevada pureza con carbón en hornos de

arco eléctrico, para la producción de silicio y aleaciones de ferrosilicio, y consiste en partículas esféricas muy finas., Puzolana natural (P): Las puzolanas naturales son normalmente materiales de origen volcánico o rocas sedimentarias de composición silícea o silico-aluminosa o combinación de ambas, que finamente molidos y en presencia de agua reaccionan para formar compuestos de silicato de calcio y aluminato de calcio capaces de desarrollar resistencia., Puzolana natural calcinada (Q): Las puzolanas naturales calcinadas son materiales de origen volcánico, arcillas, pizarras o rocas sedimentarias activadas por tratamiento térmico. d. ¿Cómo se fabrica? 

Trituración y molienda de la materia prima Las principales materias primas son silicatos y aluminatos de calcio, que se encuentran bajo la forma de calizas y arcillas explotadas de canteras, por lo general ubicadas cerca de las plantas de elaboración del Clinker y del cemento. Otras materias primas son minerales de fierro (hematita) y sílice, los cuales se añaden en cantidades pequeñas para obtener la composición adecuada.



Homogeneización y mezcla de la materia prima Luego de triturarse la caliza y arcilla en las canteras mismas, de las cuales se la transporta a la planta de procesamiento, se le mezcla gradualmente hasta alcanzar la composición adecuada, dependiendo del tipo de cemento que se busque elaborar, obteniéndose el polvo crudo.



Calcinación del polvo crudo: obtención del clinker Una vez homogeneizado el polvo crudo, se procede a calcinarlo en hornos que funcionan a altas temperaturas (hasta alcanzar los 1450 grados centígrados), de modo que se "funden" sus componentes y cambia la composición química de la mezcla, transformándose en Clinker.



Transformación del Clinker en cemento Posteriormente el Clinker se enfría y almacena a cubierto, y luego se le conduce a la molienda final, mezclándosele con yeso (retardador del fraguado), puzolana (material volcánico que contribuye a la resistencia del cemento) y caliza, entre otros aditivos, en cantidades que dependen del tipo de cemento que se quiere obtener. Como resultado final se obtiene el cemento.

e. ¿Cómo funciona? El endurecimiento hidráulico del cemento se debe principalmente a l hidratación de los silicatos de calcio, aunque también pueden participar en el proceso de endurecimiento otros compuestos químicos, como por ejemplo, los aluminatos.

A. Asfalto a. ¿Qué es el asfalto? El asfalto, también denominado betún, es un material viscoso, pegajoso y de color plomo (gris oscuro). Se utiliza mezclado con arena o gravilla para pavimentar caminos y como revestimiento impermeabilizante de muros y tejados. En las mezclas asfálticas es usado como aglomerante para la construcción de carreteras, autovías o autopistas. Está presente en el petróleo crudo y compuesto casi por completo de betún bitumen. El asfalto es una sustancia que constituye la fracción más pesada del petróleo crudo. Se encuentra a veces en grandes depósitos naturales, como en el lago Asfaltites o mar Muerto, lo que se llamó betún de Judea. Su nombre recuerda el lago Asfaltites (el mar Muerto), en la cuenca del río Jordán. b. ¿Cómo de descubrió? El asfalto es un componente natural de la mayor parte de los petróleos. La palabra Asfalto, deriva del acadio, lengua hablada en Asiría, en las orillas del Tigris superior, entre los años 1400 y 600

A.C. En esta zona se encuentra en efecto la palabra "Sphalto" que significa "lo que hace caer". Luego la palabra fue adoptada por el griego, pasó al latín y, más adelante, al francés (asphalte), al español (asfalto) y al inglés (asphalt). Estudios arqueológicos, indican que es uno de los materiales constructivos más antiguos que el hombre ha utilizado. En el sector de la construcción, la utilización más antigua se remonta aproximadamente al año 3200 A.C. Excavaciones efectuadas en TellAsmer, a 80 km al noreste de Bagdad, permitieron constatar que los Sumerios habían utilizado un mastic de asfalto para la construcción. Dicho mastic, compuesto por betún, finos minerales y paja, se utilizaba en la pega de ladrillos o mampuestos, en la realización de pavimentos interiores (de 3 a 6 cm de espesor), para tratamientos superficiales externos de protección y como revestimiento impermeable en los baños públicos. Este género de aplicaciones se repite en numerosas regiones de Mesopotamia, al igual que en el Valle del Indo (Mohenjo-Daro). A la sazón, los Egipcios le habían encontrado otra aplicación al betún, como relleno del cuerpo en trabajos de momificación, práctica que se extiende aproximadamente hasta el año 300 A.C. Teniendo en cuenta el gran número de aplicaciones posibles y conocidas de los ligantes hidrocarbonados, es normal que se encuentren numerosas alusiones en la literatura al respecto. Es así como en la Biblia, se menciona en varias oportunidades su uso- a propósito del Arca de Noé, de la Torre de Babel, de la Cuna de Moisés, de las Murallas de Jericó, etc. Numerosas citaciones figuran en casi todos los libros Griegos o Latinos, que según los casos, describen los yacimientos de betún natural o de asfalto, la fabricación del alquitrán de madera, los diversos usos o curiosas propiedades de este producto.

Los Arabes desarrollaron un uso medicinal al asfalto, el cual se extendió hasta nuestra época. Se utiliza para el tratamiento de enfermedades a la piel y como desinfectante tópico. Dada las propiedades combustibles que presentan los ligantes hidrocarbonados, es que en la antigüedad se utilizaban con fines bélicos o destructivos, en forma de bolas de betún encendidas las cuales eran catapultadas y en forma de baños incandescentes, prolongándose hasta la Edad Media. Por último, cabe destacar el papel desempeñado por los ligantes hidrocarbonados en el calafateo y protección de los cascos de las embarcaciones. El betún natural fue descubierto a mediados del siglo XVI, en la Isla de Trinidad, por Cristóbal Colón. Un siglo más tarde, Sir Walter Raleigh quedó asombrado ante este Lago de Betún y tomó posesión de él para la CoronaBritánica. Se puede considerar que el 19 de agosto de 1681, abrió una nueva era para los ligantes hídrocarbonados, dado que los ingleses Joakin Becher y Henry Serie registraron una patente relativa a "un nuevo método para extraer brea y alquitrán del carbón de piedra", que según sus autores permitía obtener un alquitrán tan bueno como el de Suecia. Mientras tanto, en 1712, el griego Eirini D'Eyrinis hizo otro descubrimiento: el yacimiento de asfalto de Va¡ de Travers en Suiza y luego el yacimiento de Seyssel en el Valle del Ródano. A partir de estos yacimientos se elaboró el "mastic de asfalto", aplicado a revestimientos de caminos y senderos. Las primeras aplicaciones tuvieron lugar en las afueras de Burdeos y en Lyon. En el año 1781, Lord Dundonald realiza los primeros estudios relativos a la calidad y utilización de la alquitrán de hulla y barniz de hulla. En 1824, la firma Pillot et Eyquem comenzó a fabricar adoquines se asfalto, que en 1837 se utilizaron para pavimentar la Plaza de la Concordia y los Campos Elíseos en París.En 1852, la construcción

de la carretera Paris-Perpiñan utilizó el asfalto de Val Travers, significando el comienzo de una nueva forma de construcción vial. En 1869, se introduce el procedimiento en Londres (con asfalto de Val de Travers), y en 1870 en los Estados Unidos con similar ligante. Desde esta época, el "asfalto" se implantó sólidamente en las vías urbanas y propició significativamente su uso vial. La construcción del primer pavimento, tipo Sheet Asphalt, ocurre en 1876 en Washington D.C., con asfalto natural importado. En 1900 aparece la primera mezcla asfáltica en caliente, utilizada en la rue du Louvre y en la Avenue Victoria en París, la cual fue confeccionada con asfalto natural de la Isla de Trinidad. A partir del año 1902, se inicia el empleo de asfaltos destilados de petróleo en los Estados Unidos, que por sus características de pureza y economía en relación a los asfaltos naturales, constituye en la actualidad la principal fuente de abastecimiento. La aparición y desarrollo de la circulación automovilística en las carreteras de aquel entonces - de macadam a base de agua provocaban grandes nubarrones de polvo, ello dio origen a los tratamientos superficiales a base de emulsiones en el año 1903, con objeto de enfrentar dicho inconveniente. En 1909 en Versalles, sobre el firme de una carretera con un tráfico diario de 5000 vehículos, se construyó una capa de aglomerado bituminoso de 5 cm de espesor. Así pues, en los albores del siglo XX, ya existían los principales componentes de la técnica de revestimientos bituminosos. Su desarrollo y perfeccionamiento, es tarea que incumbe a los profesionales del asfalto del siglo XX.

c. ¿De qué está hecho? Composición

La composición del asfalto es una “Enciclopedia” de Química Orgánica. En un análisis detallado de los asfaltos encontramos: saturados, anillos nafténicos y aromáticos, sencillos o múltiples, radicales ácidos, aldehídos, cetonas, está constituido por cadenas de Peso Molecular de hasta 200.000. La composición química de los asfaltos es muy compleja, básicamente está

constituida

por

cadenas

de

moléculas

compuestas

fundamentalmente por carbono, hidrógeno, azufre, oxigeno, nitrógeno y complejos de vanadio níquel, hierro, calcio y magnesio. La composición específica de un asfalto en particular dependerá de la procedencia del petróleo crudo del cual procede. El análisis químico del asfalto es muy laborioso, sin embargo, es posible distinguir dos grandes grupos que lo constituyen: los asfaltenos y maltenos. Dentro del grupo de los maltenos, podemos distinguir a tres grupos estructurales con propiedades definidas y son los saturados, aromáticos y resinas. Estructura Química de los Asfaltos Cuando el asalto es disuelto en n-heptano, los materiales duros son precipitados, estos materiales son llamados asfaltenos, nombre propuesto por Boussingault en 1837. Existen otras fracciones asfálticas precipitadas por otros solventes, pero esta es la mejor manera de distinguir a estos materiales como insolubles en n-pentano. Las sustancias solubles en n-heptano se denominan en general petrolenos, también llamados maltenos. Las resinas se encuentran en los petrolenos, pueden ser parcialmente precipitadas por algunos

solventes o adsorbidas de los petrolenos por medio de arcillas u otras minerales activados, estas resinas, previamente adsorbidas, pueden pasar a un proceso de desorción del mineral por solventes previamente seleccionados. Los carbenos son materiales duros presentes en los asfaltenos de algunos asfaltos. Estos son solubles en disulfuro de carbono pero insolubles en tetracloruro de carbono.

Asfaltenos Son estructuras complejas de compuestos aromáticos de color negro o marrón que contienen además del carbón otros elementos químicos tales como nitrógeno, azufre, oxígeno , en general , son compuestos polares, de alto peso molecular.

Maltenos Son sustancias solubles en normal h-heptano y está constituido por resinas, saturados y aromáticos. Son compuestos muy polares de color marrón o marrón claro, sólido o semisólido, soluble en n-heptano y, al igual que los asfaltenos, son compuestos de carbón, hidrógeno y cantidades menores de nitrógeno, oxígeno y azufre. Las resinas son materiales muy adhesivos y actúan como dispersantes o peptizantes de los asfaltenos.

Aromáticos Los aromáticos constituyen entre el 40 y 65 % de la composición total de los asfaltos, son las fracciones de menor peso molecular en la

estructura de los asfaltos, representan la mayor proporción de los dispersantes de los asfaltenos peptizados. Los aromáticos son compuestos donde predominan las moléculas insaturadas de peso molecular de entre 300 a 2000, no polares, con especial capacidad para actuar como disolventes de otras cadenas hidrocarbonadas de alto peso molecular.

Saturados Son cadenas lineales y ramificadas, saturadas, no polares.

1. TEORÍA DE BOUSSINESQ

Existen varios tipos de superficies cargadas que se aplican sobre el suelo. Para saber de qué manera se distribuyen los esfuerzos aplicados en la superficie al interior de la masa de suelo se debe aplicar la solución del

matemático

francés Joseph

Boussinesq (1883)

quién

desarrolló

un método para el cálculo de incremento de esfuerzos (esfuerzos inducidos) en cualquier punto situado al interior de una masa de suelo.

La solución de Boussinesq determina el incremento de esfuerzos como resultado de la aplicación de una carga puntual sobre la superficie de un semi-espacio infinitamente grande; considerando que el punto en el que se desea hallar los esfuerzos se encuentra en un medio homogéneo, elástico e isotrópico. A continuación se detalla el significado de las hipótesis realizadas por Boussinesq. Estas definiciones son realizadas para el contexto específico

de

incremento

de

esfuerzos.

· Semiespacio infinitamente grande. Significa que la masa de suelo está limitada en uno de sus lados mientras que se extiende infinitamente en las otras direcciones. Para el caso de suelos, la superficie horizontal es el lado limitante.

Figura (b). Bulbo de presión para una fundación cuadrada (Coduto, 1998).

· Material homogéneo. Un material se considera homogéneo cuando presenta las mismas propiedades a lo largo de todos sus ejes o direcciones. Cuando se trabaja con suelos, esta hipótesis se refiere solamente a que el módulo de elasticidad, módulo cortante y el coeficiente de Poisson deben ser constantes; lo que implica la no existencia de lugares duros y lugares blandos que afecten considerablemente la distribución de esfuerzos. Sin embargo, es posible admitir la variación del peso unitario de un lugar a otro.

Debido a que el suelo no es un material completamente homogéneo, el tomar en cuenta esta hipótesis introduce siempre algún porcentaje de error.

· Material isotrópico. Significa que tanto el módulo de elasticidad, módulo cortante y el coeficiente de Poisson son los mismos en todas las direcciones. La mayoría de los suelos cumplen con este criterio, pero existen materiales, tales como los lechos rocosos sedimentarios que no lo cumplen.

· Material con propiedades lineales elásticas de esfuerzo-deformación. Significa que a cada incremento de esfuerzos está asociado un incremento correspondiente de deformación. Esta hipótesis implica que la curva esfuerzo-deformación es una línea recta que no ha alcanzado el punto de fluencia.

La solución original de Boussinesq (1885) para la determinación del incremento de esfuerzos en el punto A de la Figura, debido a una carga puntual Paplicada en la superficie; fue realizada Inicialmente para el sistema de coordenadas polares

.

Para este sistema, el incremento de esfuerzos en el punto A es:

Donde: n’ = Coeficiente de Poisson referido a esfuerzos efectivos.

Figura Solución de Boussinesq para el sistema de coordenadas polares.

Posteriormente, estas ecuaciones fueron transformadas al sistema de coordenadas rectangulares, Fig., donde el valor de z es medido en forma descendente y es igual a la profundidad del plano horizontal que contiene al punto donde se calculan los esfuerzos, siendo x y y las dimensiones laterales. Las ecuaciones presentadas por Boussinesq para el cálculo de esfuerzos se presentan a continuación:

Donde:

Coeficiente de Poisson referido a esfuerzos efectivos.

Figura Solución de Boussinesq para el sistema de coordenadas rectangulares.

Las ecuaciones sirven para determinar el incremento de esfuerzos normales horizontales (esfuerzos laterales) y dependen del coeficiente de Poisson del medio; mientras que la ecuación dada para el incremento de esfuerzo normal vertical

es independiente de tal coeficiente.

La ecuación puede rescribirse de la siguiente forma:

Donde:

La variación de I1 para varios valores de r/z está dada en la primera Tabla.

La segunda Tabla muestra valores típicos para el coeficiente de Poisson de

varios tipos de suelo.

Tabla Variación de

para varios valores de

.

Tabla Valores del coeficiente de Poisson para diferentes tipos de suelo

Ejercicios A. Calcule el esfuerzo que produce una carga concentrada de 15 ton a una profundidad de 6 m.

i.

usando la fórmula de Boussinesq

ii.

usando la tabla propuesta por Boussinesq

B. con los datos del problema resuelto anteriormente, calcular el esfuerzo a una distancia de 4 m medido horizontalmente a partir del punto de aplicación de la carga. i.

Usando la fórmula de Boussinesq

ii.

Usando la tabla propuesta por Boussinesq

C. En la siguiente figura se presenta el terraplén de una carretera. Encontrar los esfuerzos en el centro del terraplén y en uno de sus extremos a profundidades de 10, 20,30 metros. D. Calcule el problema anterior por medio de la fórmula para una carga trapezoidal de longitud infinita.

2. PAVIMENTOS COMPUESTOS O ESPECIALES A. Compuestos En términos amplios, un pavimento semirígido ó compuesto es aquel en el que se combinan tipos de pavimentos diferentes, es decir, pavimentos "flexibles" y pavimentos "rígidos", normalmente la capa rígida esta por debajo y la capa flexible por encima. Es usual que un pavimento compuesto comprenda una capa de base de concreto o tratada con cemento Portland junto con una superficie de rodadura de concreto asfáltico. La estabilidad de suelos por medio de ligantes hidráulicos (cemento Portland) permite que se obtengan materiales con capacidad de soporte suficiente para construir capas para base en pavimentos sujetos a cargas pesadas como ser camiones o aeronaves. Este pavimento, también conocido como pavimento compuesto, es muy similar al flexible, pero también al de tipo rígido. La parte flexible suele estar en la parte superior, mientras que la rígida en la parte inferior. Además es común que posea una capa de cemento o

concreto. Gracias al cemento, es estable y puede soportar cargamentos muy pesados, como aviones o camiones. B. Especiales

3. CLASIFICACIÓN DE SUELOS El método usado actualmente, conocido como Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), deriva del Sistema de Clasificación de Aeropuertos (SCA). El SCA divide a los suelos en dos grandes fracciones: la gruesa, formada por partículas mayores que la malla No. 200 y menores que la malla No. 3’’ y la fina, formada por partículas que pasan la malla No. 200. La fracción gruesa se subdivide en gravas y arenas, teniendo como frontera la malla No. 4. La fracción fina se subdivide en grupos, tomando en cuenta sus características de plasticidad, las cuales están relacionadas con las propiedades mecánicas e hidráulicas que interesan al ingeniero civil. Es conveniente entrar ahora al SUCS, ya que la subdivisión que hace este sistema es similar al que hace el SCA, aunque más extenso. Para la fracción gruesa existen las gravas (G) y arenas (S) con 4 categorías para cada uno de ellos: bien graduada (W), mal graduada (P), con presencia de finos no plásticos (M) y con finos plásticos (C). Para la fracción fina, existen tres subdivisiones: limos inorgánicos (M), arcillas inorgánicas (C) y limos y arcillas orgánicas (O). Para cada uno de ellos existen dos clasificaciones: alta compresibilidad (H) y baja compresibilidad (L). Además existe un término “independiente” para suelos altamente orgánicos (Pt). La clasificación de los suelos gruesos no presenta problemas mayores, por lo que incluso, es posible hacerlo por inspección visual. Pero, en la fracción fina no es posible hacerlo por inspección visual, por lo que su clasificación está en función de sus propiedades mecánicas, específicamente el límite líquido, el límite plástico y el índice de plasticidad. Estos índices son utilizados en la carta de plasticidad, donde, al graficar los valores de los índices, es posible conocer la clasificación del suelo.

Ejercicios A. Clasificar el suelo. Retenido en la malla 200: 20% (respecto al total) Pasa la malla No. 4: 92% (respecto al total) Cu=4; Cc01.5 En la fracción fina: LL=250% LP=100% El suelo tiene apreciable contenido de materia orgánica. B. Clasifique el siguiente suelo: Retenido en la malla No. 4: 10% Pasa No. 4 y es retenido en la 200: 60% Pasa 200: 30% Cu=4; Cc=2 En la fracción fina: LL=40% LP=25% C. Clasifique el siguiente suelo: 2% del material se retiene en la malla No. 4 90% del material pasa la malla No. 4 y se retiene en la malla No. 200 8% del material pasa la malla No. 200 De la curva granulométrica Cu=8; Cc=2 En la fracción fina: LL=45% Ip=14% D. Clasifique el siguiente suelo: Retenido en la malla No. 200: 20% Pasa la malla No. 4: 92% de la muestra total Cu=4; Cc=1.5 En la fracción fina:

LL=250% LP=150% No hay contenido apreciable de materia orgánica. E. Clasifique el siguiente suelo: Pasa la malla No. 200: 8% Pasa la malla No. 4: 60% de la fracción gruesa. Cu=7; Cc=5 En la fracción fina: LL=60% LP=40%