La corteza de la tierra se form hace 4500 millones de aos. La estructura actual de la litsfera se alcanz hace unos 10.000 aos. Actualmente, un 70% de la superficie est cubierta por agua y 30% la constituyen los continentes. los que estn formados por diferentes tipos de rocas.

El proceso de enfriamiento de la tierra y formacin de los continentes es muy complejo. En esta curso se describir brevemente el proceso de formacin de las rocas y luego se analizar el uso de ellas como material de construccin.

Las teoras sealan que los planetas se formaron a partir del sol, e inicialmente fueron masas incandescentes que se fueron enfriando lentamente por diferentes razones a medida que irradia energa al espacio.

Origen de las Rocas

El calor de un cuerpo tiene el poder de controlar su actividad debido a que su energa debe ser transportada, por cualquier medio, desde los puntos ms calientes hacia los puntos ms fros.

El proceso de enfriamiento hace que se genere actividad en un planeta. Los cuerpos planetarios se enfran a travs de:

Origen de las Rocas Conveccin de un material dentro de un cuerpo, el cual impulsa al material caliente desde el interior profundo hacia la superficie

Vulcanismo, el cual lleva material caliente a la superficie.

Movimiento de conveccin de la atmsfera y ocanos, en donde el aire y agua son transportados desde las clidas regiones ecuatoriales hacia las regiones fras de los polos.

Radiacin de energa infrarroja directamente de la superficie al espacio.

La Tierra tiene un dimetro de 12.756 km. Su interior est formado de roca y metal y, como se muestra en las Figuras 1.3a y b, se divide en cuatro capas principales:Estructura interior de la tierra Ncleo interno: es un ncleo slido de metal de nquel y hierro. Su dimetro es de 1.200 km. Ncleo externo: es una masa de metal de nquel y hierro fundido. Manto: es una capa densa formada por roca de silicato slida. Corteza: es un material rocoso de silicato.

La corteza est fractura en varias grandes placas que se mueven lentamente una respecto a otra. Las cordilleras de montaas se forman cuando dos placas chocan y sus bordes son forzados hacia arriba. Las placas se mueven aproximadamente unos 25 mm al ao, de manera que hace millones de aos los continentes y los ocanos estaban en diferente posicin. Hace aproximadamente 250 millones de ao, la mayora de la Tierra estaba conectada entre s y, en el transcurso del tiempo se ha separado en 7 continentes.Estructura interior de la tierra

La capa superior de la Tierra, no siempre es la misma. La corteza que est por debajo de los ocanos, llamada corteza ocenica, es mucho ms delgada que la corteza continental. Tiene slo 5 kilmetros de grosor, mientras que la corteza continental llega a alcanzar 65 kilmetros de espesor. La corteza ocenica est formada por materiales ms densos que los de la corteza continental.Las placas tectnicas estn formadas por la corteza terrestre y por la parte superior del manto que est por debajo. A la corteza y al manto superior se les denomina litsfera y puede extenderse hasta 80 kilmetros de profundidad. La litsfera est dividida en placas gigantes que ajustan como piezas de un rompecabezas alrededor del globo terrqueo (Placas Tectnicas). Estas placas se mueven levemente cada ao, a medida que se desplazan sobre parte del manto ms o menos fluida llamada astensfera.Estructura interior de la tierra

Debido a las altas presiones de la superficie, la astensfera es slida an cuando est sometida a altas temperaturas de alrededor de 1600 Celsius. Sin embargo, a esta temperatura, los minerales estn a punto de licuarse, se hacen maleables y pueden ser empujados y moverse en respuesta al calor de la Tierra.

A travs del tiempo, son muchas las fuerzas que hacen que la superficie de la Tierra, cambie. Sin embargo, la mayor fuerza que origina estos cambios, es el moviendo de la capa externa, a travs del proceso de la tectnica de placas. Este proceso hace que las montaas se eleven an ms y que los ocanos se expandan.

Estructura interior de la tierra La subduccin se produce cuando dos secciones de la litsfera chocan. Una de ellas es forzada hacia las zonas profundas de la Tierra. La placa que es forzada hacia el interior es usualmente derretida nuevamente cuando sus bordes alcanzan profundidad que est suficientemente caliente, es decir, del orden de 1000 C. Este fenmeno est relacionado a la formacin de montaas.

Formacin de rocas El material fundido que se encuentra bajo la litsfera se denomina magma. Este material est tan caliente que brilla en color blanco. El magma puede ser diferente dependiendo de su composicin qumica. En trminos generales se puede decir que es una mezcla de elementos como silicio, oxgeno, hierro, sodio y potasio. Si fluye hacia sectores ms fros su color se tona amarillo y luego, s contina enfrindose, cambia a intensidades diversas de rojo. A medida que se enfra lentamente, los minerales se van cristalizando formando las rocas gneas intrusitas, como el granito. Si el magma encuentra una grieta en la litsfera, puede ascender hasta la superficie.El material que sale a la superficie de la Tierra se denomina lava, la cual se enfra rpidamente formando las rocas gneas extrusivas, como el basalto.

Rocas gneas Las rocas gneas se dividen en dos grupos:

Rocas gneas intrusivasEstas rocas tambin se denominan rocas plutnicas. Se forman en las profundidades de la Tierra cuando el magma, o roca derretida asciende a travs de una grieta o recmara subterrnea dentro sin salir al exterior.

Roca gnea extrusivaLas rocas gneas extrusivas o rocas volcnicas, se forman cuando el magma fluye hasta la superficie de la Tierra y hace erupcin o fluye sobre la superficie de la Tierra en forma de lava y luego se enfra y forma las rocas. Las rocas de basalto o baslticas son el tipo ms comn de rocas gneas extrusivas. Esta roca es la ms comn en la corteza terrestre y cubre la mayora de los fondos de los ocanos.

Rocas sedimentarias y metamrficas Desde el momento mismo que las rocas eruptivas afloran a la superficie de la tierra comienza el proceso de descomposicin.

Hay factores externos tales como accin del agua, del viento, roca y seres vivos.

DISGREGACION MECANICA DE UNA ROCA.

La disgregacin mecnica se efecta en tres etapas: disyuncin, desintegracin granular y fragmentacin.

Disyuncin en bloques. En casi todos los yacimientos de rocas existe una red de hendiduras (grietas) que divide la masa de rocas en poliedros ms o menos regulares. Desintegracin granular. Una roca es un conjunto de granos unidos entres si por la accin de molculas en estado catico ubicadas junto a la superficie de los granos, constituyendo el espacio intergranular. Por efecto de los agentes externos, los granos se van separando constituyendo arena. Mientras ms pequeos son los granos, mayor es el espacio intergranular y mayor es tambin la disgregacin granular.

Fragmentacin. Por la accin qumica de los agentes atmosfricos, los granos son atacados y transformados en otros minerales.

ROCAS METAMORFICAS.Son rocas eruptivas o sedimentarias transformadas por diversos factores, siendo el ms importante la presin. Se producen por transformacin de los cristales. Ejemplos, pizarra, mrmol.

Rocas sedimentarias y metamrficas

METEORIZACION DE LAS ROCAS.La meteorizacin es el conjunto de factores climticos que atacan a una roca.

Ciclo hielo-deshielo. El agua se ubica en las grietas de una roca. Cuando se congela, se expande produciendo presiones suficientes como para fracturar ms la roca. El fenmeno es progresivo cada ao. Al descongelarse el agua, arrastra partculas de la roca.

Accin de los cidos. Las races de los rboles y los microorganismos producen sustancias cidas que atacan a cierto tipo de rocas. Este fenmeno es ms frecuente en las zonas de clima templado o clido.

Accin del viento. Produce un efecto de desgaste de tipo mecnico. En las zonas ventosas, las rocas suelen ser lisas.

Accin del agua. Adems del ciclo hielo-deshielo, el agua puede actuar de otras maneras. Puede disolver y arrastrar a otros lugares, como sucede con carbonatos (calizas) y sulfatos (p. Ej. Yeso). En el primer caso, el hielo acta en forma fsica en el segundo caso acta como agente qumico (disuelve). El agua tambin puede erosionar las rocas desgastndolas.

Rocas sedimentarias y metamrficas

ROCAS SEDIMENTARIASTodas las rocas sedimentarias se forman en el exterior y toda la materia que las constituyen provienen de la corteza terrestre. Por eso se llaman tambin rocas exgenas.

Por provenir de la desintegracin de otras rocas, no muestran granos pues sus cristales son pequesimos. Es frecuente encontrar restos fosilizados de vegetales y animales.Por su origen se las agrupa en:

Rocas detrticas. Se originan por la destruccin mecnica de rocas eruptivas. Ejemplos: arenas, gravas, conglomerados y areniscas.

Rocas qumicas. Se forman por accin qumica o disolucin y posterior precipitacin en otro lugar. Ejemplos, arcillas, calizas, yeso, etc.

Rocas de origen orgnico. Proceden del depsito de caparazones de pequeos protozoos, moluscos y algas. Ejemplos, trass, Tierra de Trpoli.

Agregados ptreos para materiales compuestos

En la elaboracin de hormigones y morteros de cemento y asfaltos se utilizan agregados minerales inertes, que deben cumplir con diversos requisitos fsicos y qumicos establecidos por diferentes normas. En particular, para el caso de morteros y hormigones de cemento, la NCh 163Los agregados se dividen segn su tamao en rocas, bolones, grava, arena y material fino, que incluye limos y arcillas. En trminos generales, las partculas que conforman un agregado deben cumplir los siguientes requisitos generales:

Caractersticas partcula: Tenaces: deben ser resistentes, duras e indeformables. Peso especfico: existen agregados ligeros, normales y pesados. Estabilidad fsico-qumica: no deben reaccionar con el agua ni con los compuestos hidratados de la pasta de cemento o asfalto.Caractersticas superficiales: Origen: Existe el agregado natural o de canto rodado y al artificial o chancado.Superficie especfica: la superficie especfica es la suma de las superficies de las partculas por unidad de masa. A mayor superficie especfica mejor ser la adherencia al aglomerante, pero al mismo tiempo es mayor la demanda de aglomerante. Contaminacin superficial: las partculas que provienen de machaqueo pueden contener cantidades excesivas de polvo en la superficie lo que reduce la adherencia al aglomerante.Caractersticas de conjunto: Densidad: es la relacin entre la masa del conjunto de partculas y su volumen. Granulometra: es el estudio de la distribucin de tamaos de partculas de un material granular.

Agregados ptreos para materiales compuestos

DENSIDAD DE UN AGREGADOLa densidad (d) se define como:

Siendo m la masa y V el volumen del conjunto. Sin embargo, en el caso de material particulado como los agregados ptreos se tienen dos densidades:

Densidad real: es la densidad considerando el volumen de material slido, incluyendo los poros inaccesibles existentes en su interior.

Densidad aparente: es la densidad considerando el conjunto de partculas y los espacios entre ellas. En este caso se identifica la densidad aparente suelta y la densidad aparente compactada.

Grava ArenaNCh 165 MmASTM C - 33NCh 165 MmASTM C 3380 63 50 40 25 20 13 103 2 2 1 1 3/85 2,5 1,125 0,630 0,315 0,160# 4 (4,76) # 8 (2,36) # 16 (1,18) # 30(0,600) # 50(0,300) # 100(0,150)

Material Densidad real T/m3Densidad Aparente T/m3Arena2,651,65Grava2,751,75

Agregados ptreos para materiales compuestos

GRANULOMETRAMediante la granulometra se puede determinar la distribucin porcentual de los tamaos de partculas contenidas por un agregado. Para el estudio de la granulometra se utilizan tamices de acuerdo a las series dadas por la norma NCh 165. No obstante, en Chile no se fabrican tamices y se acepta la utilizacin de las series dada por la norma ASTM C- 33

Agregados ptreos para materiales compuestos

La divisin entre los diferentes tipos de agregados, segn el tamao, es: Arena 0 5 mm. Arena con gravilla 0 12 mm. Gravilla 5 12. Grava 12 20 mm.

Agregados ptreos para materiales compuestos

Para el anlisis granulomtrico se debe hacer pasar una muestra de material seco, de masa conocida, por la serie de tamices correspondiente y luego determinar el porcentaje que pasa acumulado por cada tamiz como se muestra en la Tabla

Con el Porcentaje que pasa acumulado se hace un grfico en escala semi-logartmica

Tamiz Peso Retenido gr % retenido% Retenido acumulado % Que pasa acumulado 3/8" 0 0 0 100 # 4 15 3 3 97 # 8 110 22 25 75 # 16 80 16 41 59 # 30 55 11 52 48 # 50 95 19 71 29 # 100 105 21 92 8 Bajo # 100 40 8 100 0 Total muestra 500 100

Agregados ptreos para materiales compuestos

En un mortero u hormign se debe utilizar una granulometra ptima, la que se define como aquella que, para una misma consistencia y relacin a/c, le corresponde un consumo mnimo de cemento, dando, adems, el mnimo de segregacin.

De esta manera se logra la mayor compacidad del agregado minimizando el consumo de cemento. Para completar la caracterizacin de una granulometra y establecer si es adecuada para su uso en mortero u hormign se deben calcular los siguientes indicadores:

Mdulo de finura (MF): indica que tan fino o grueso es un material granular.

Clculo de la Humedad Donde : W = % de humedad wt = Peso del material natural (hmedo) Ws = Peso del material seco en estufa a 110 -150c hasta peso constante.

Tipos de aglomerantes

INTRODUCCIN Los aglomerantes son materiales capaces de contener a otros sin reaccionar con ellos, estos ltimos se denominan agregados o ridos. Debido a esto, los materiales formados por un aglomerante y uno o ms materiales aglomerados se denominan materiales compuestos. Ejemplos de este tipo de materiales son el hormign, el asfalto y la madera aglomerada.

En un material compuesto se pueden identificar claramente las diferentes fases que lo componen, como se puede ver

Corte de una probeta de hormign. Se pueden ver claramente la pasta, los agregados y los poros al interior de la masa del material

Tipos de aglomerantes

TIPOS DE AGLOMERANTESDependiendo del proceso mediante el cual un aglomerante endurece y adquiere resistencia, se tienen:

Aglomerantes trmicos: estos aglomerantes adquieren resistencia por enfriamiento, por ejemplo el cemento asfltico y el azufre.

Aglomerantes polimrico: estos aglomerantes adquieren resistencia mediante reacciones de polimerizacin, como sucede con las resinas epxicas.

Aglomerantes areos e hidrulicos: los aglomerantes areos endurecen en contacto con el aire y los hidrulicos en presencia de agua. A este tipo de aglomerante pertenecen la cal, el cemento y el yeso.

Las reacciones de fraguado de los aglomerantes polimricos e hidrulicos son exotrmicas, es decir, liberan calor, lo que se debe considerar cuando se trabaja con ellos, para evitar fisuracin de los materiales finales o estructuras.

Tipos de aglomerantesAglomerantes areos e hidrulicos

Cal:En la naturaleza se encuentra la caliza o carbonato clcico, la que corresponde a xido de calcio quemado, es decir, ha reaccionado con dixido de carbono.

Industrialmente, la caliza es molida en un horno, lo que permite obtener xido de calcio en estado slido. Este xido es muy activo y se conoce con el nombre de cal viva debido a su alta reactividad y su carcter corrosivo. Este es un material altamente alcalino, es decir, tiene un pH muy alto.La cal viva se mezcla con agua para formar hidrxido de calcio o cal hidratada, la que se comercializa como adicin para la elaboracin de morteros o simplemente para pintar fachadas. Debido a que forma una capa relativamente impermeable, antiguamente, se utilizaba para proteger los adobes utilizados en la construccin de edificaciones.

Yeso:El yeso se encuentra en la naturaleza como un mineral denominado Selenita y qumicamente corresponde a un sulfato de calcio dishidratado. Industrialmente, se muele en un horno a una temperatura de 130 para deshidratarlo y transformarlo en un polvo blanco capaz de reaccionar con el agua.

Tipos de aglomerantesAglomerantes areos e hidrulicos

Cemento hidrulico:El cemento hidrulico o cemento Prtland se obtiene de la sinterizacin de caliza con algunas arcillas, tales como xido de aluminio o almina, xido de silicio o slice y xido de fierro. Estos materiales se muelen a alta temperatura en un horno rotatorio y como resultado se obtiene un material compacto denominado clinker.

Si el clinker es molido finamente y se mezcla con agua, reacciona rpidamente y rigidiza, de modo que, desde el punto de vista de la construccin y aplicaciones en ingeniera, no se puede utilizar. Sin embargo, si durante la molienda se mezcla con bajos contenidos de yeso , se obtiene un material que tarda algunas horas en empezar a rigidiza, este material se conoce con el nombre de Cemento Prtland. Para ver en detalle el proceso de fabricacin del cemento Prtland, se recomienda visitar los sitios web www.melon.cl y www.polpiaco.cl.

El clinker est compuesto por:Silicato triclcico (C3S)Silicato diclcico (C2S)Aluminato triclcico (C3A)Ferroaluminato tetraclcico (C4AF)

Tipos de aglomerantesAglomerantes areos e hidrulicos

Cemento hidrulico:Dependiendo del porcentaje de caliza, almina, slice y xido de fierro que se utilice en la fabricacin del clinker, se tienen cementos con diferentes propiedades, como se puede ver en la Tabla 3.1, donde aparece la clasificacin de cementos Prtland segn la norma ASTM C-150.

Un factor relevante es la actividad de los componentes del clinker y el calor que liberan. Los componentes ms activos son el C3S y C3A y de la cantidad de estos componentes depende la velocidad de fraguado y el calor que libera un cemento durante el proceso de hidratacin.Clasificacin de los diferentes tipos de cementos Prtland segn ASTM C-150

(*) Moderada resistencia a los sulfatos y bajo calor con ganancia normal de resistencia.

Tipo Nombre C3S C2S C3A C4AF CH3 Calor a 7 das I Ordinario 50 25 12 8 5 330 II (*) 45 30 7 12 5 250 III Fraguado rpido 60 15 10 8 5 500 IV Fraguado lento 25 50 5 12 4 210 V Resistente a sulfatos 40 40 5 10 4 250

Hidratacin del cemento PortlandHidratacin del cemento PortlandCemento hidrulico:Cuando el cemento Prtland se mezcla con agua, los diferentes componentes del clinker y el yeso empiezan a reaccionar con el agua formando una serie de compuestos denominados compuestos hidratado. En las Figura a, b, c y d, se pude ver esquemticamente como vara la formacin de compuestos hidratados a 1 hora, 2 horas, 4 horas y 9 horas a partir del momento en que se mezcla el cemento con el agua.1 Hora: Disolucin del polvo de cemento en agua y formacin de los primeros hidratados en tono a lo granos de cemento.2 Horas: Formacin de cristales de etringita.4 horas: Se observa la presencia de hidrxido de calcio. Se inicia el fraguado.9 Horas: La estructura ya est rgida y ms compacta. Algunos poros empiezan a perder agua y quedan vacos.

Hidratacin del cemento PortlandHidratacin del cemento PortlandLos principales compuestos hidratados que se obtienen como productos de la hidratacin son:

Silicato clcico hidratado (CSH): Constituye el principal componente ocupando entre un 50 y 60% del volumen slido de pasta. Debido a su pequeo tamao, es el principal responsable de la resistencia de la pasta. Hidrxido de calcio (CH): ocupa alrededor de un 25% del volumen slido de pasta. Esta formado por cristales de hexagonales planos de tamao mucho mayor que el CSH. Dado el carcter alcalino del hidrxido de calcio, el hormign tiene un pH cercano a 12,5, lo que contribuye a producir una pasivacin que protege a las enfierraduras en su interior. Lamentablemente, este compuesto es muy soluble y origina problemas de durabilidad de la pasta de cemento hidratada.Sulfoaluminatos: Este grupo est formado por la etringita, que aparece en las primeras horas, y por los sulfoaluminatos hidratados. Estos ltimos compuestos se producen despus de 18 horas, por disolucin de la etringita. Estos compuestos son altamente vulnerables en presencia de sulfatos (por ejemplo agua de mar) y contacto con aluminio. En la figura 6.3b, se pueden ver imgenes de la etringita y monosulfoaluminatos hidrtados.

Cementos especiales Debido a la alta solubilidad del hidrxido de calcio, se investig una forma de fijarlo qumicamente. Analizando la forma de construir de los romanos, se pudo ver que la incorporacin de cenizas volcnicas ricas en slice no cristalina, la que es capaz de reaccionar y formar CSH. Estos compuestos ricos en slice activa se denominan puzolanas.

Puzolanas

Existen diferentes tipos de puzolanas, tanto naturales como artificiales, las principales son:

Ceniza volcnicas: se encuentran en la naturaleza, como resultado de erupciones volcnicas. En Chile son muy abundantes, especialmente en la Regin Metropolitana.Ceniza volantes: se obtienen en las centrales termoelctricas como resultado de la combustin del carbn.Escorias de alto horno: Se obtienen del proceso de fabricacin del acero.

Cementos especiales Cementos especialesLos cementos especiales son cementos que contienen puzolanas en diferentes proporciones. Debido a que las puzolanas se obtienen a bajo coste, estos cementos tienen un valor en el mercado inferior a los cementos Prtland. La mayora de los cementos que se fabrican y producen en Chile son de este tipo, donde se muestra la clasificacin de los cementos chilenos, segn la norma NCh 148.Clasificacin de cementos chilenos por composicin, segn NCh 148.

Denominacin Proporcin de componentes Clinker Puzolana Escoria Portland 100% --Portland Puzolnico $70% # 30% -Prtland Siderrgico $70% -# 30% Puzolnico 50 70% 30 50% -Siderrgico 25 70% -30 75%

Fraguado y endurecimiento Cuando se mezcla el cemento con agua, inicialmente se obtiene una mezcla plstica deformable, pero trascurridas algunas horas, esta pasta se empieza a rigidizar, hasta que se torna slida. Este proceso de rigidizacin de la pasta se denomina fraguado. Una vez que la pasta ha rigidizado empieza el endurecimiento, que se puede definir como un proceso de ganancia progresiva de resistencia. Se puede ver esquemticamente el incremento de resistencia en el tiempo en el siguiente esquema.Evaluacin de la resistencia de una pasta en funcin del tiempo

Cementos chilenos En Chile, los cementos se clasifican por composicin, como se mostr en la Tabla anterior, y tambin se clasifican por resistencia en grado corriente y grado alta resistencia. Los requisitos de cada uno de ellos se pueden ver en la siguiente tabla.Clasificacin de los cementos chilenos por resistenciaEl tiempo de fraguado se determina mediante el ensayo de Vicat, el que consiste en registrar la penetracin de una aguja, presionada con un peso constante, en una pasta de cemento. La resistencia a compresin y flexotraccin se determina con un mortero normalizado, con el que se elaboran probetas prismticas de 4 x 4 x 16 cm, las que se ensayan a 7 y 28 das.

Grado Tiempo fraguado HH:MM Resistencia compresin kgf/cm2 Resistencia flexotraccin kgf/cm2 Inicio mnimo Fin mximo 7 das 28 das 7 das 28 das Alta Resistencia 0:45 10:00 250 350 45 55 Corriente 1:00 12:00 180 250 35 45

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