QUÍMICA DE LOS MATERIALESTrabajo Monográfico Asignatura: Química Alumno: Roldán, Carlos Ignacio Año: 2010 Introducción La química es la ciencia que estudia tanto la composición, estructura y propiedades de la materia, como los cambios que esta experimenta durante las relaciones químicas y su relación con la energía. Esta se encuentra dividida en varias ramas, la que nos compete es la rama de la química inorgánica. La química inorgánica estudia la formación, composición, estructura y reacciones químicas de elementos y compuestos que no poseen enlaces carbono-hidrogeno. Los compuestos inorgánicos se clasifican según como actúan en óxidos, bases, ácidos y sales. Generalmente, los estudiantes de ingenierías, tales como la civil, que son ingenierías más bien orientadas hacia la física, piensan que no es importante el estudio de la química. Pues cuan equivocados están, la ingeniería en general trata de analizar todos los fenómenos de la naturaleza en pos de generar un beneficio para el humano. La química juega un papel fundamental en ello pues sirve para conocer la estructura de cada elemento, material, etc. ¿Y para qué sirve esto? Pues sirve para conocer la respuesta que tendrán las estructuras ante ciertas condiciones y así saber que material es conveniente, además de minimizar los factores de error. En lo que respecta a la ingeniería civil, la mayoría de los alumnos que cursan la carrera tienen la idea de dedicarse a la parte estructural y no tienen en cuenta que la ingeniería civil es en realidad una ingeniería multidisciplinaria. En la rama sanitaria y ambiental, se utiliza mucho la química, por ejemplo se hacen estudios sobre la calidad del agua constantemente, para de esa forma saber si la misma es apta para ser suministrada a la población o si requiere de algún proceso previo para mejorar su calidad. No solamente eso, en lo que respecta a la parte estructural también tiene mucha influencia. Esto se debe a que se deben estudiar las propiedades, comportamiento y resistencia de los materiales de construcción que se utilizaran. Por ejemplo, cualquier tipo de metal que se utilice tiene distintas propiedades y estas se pueden mejorar significativamente si se combinan dos o más tipos de metales formando una aleación. Por otra parte, el concreto, que es creado a partir de arena, grava, cemento y agua, donde la unión de estos últimos dos genera una reacción química necesaria para que el cemento fragüe. Entonces, todas las ingenierías necesitan de la química, y aunque no se note, la ingeniería civil está muy relacionada con la química. Si no fuera por los avances de la misma no existirían hoy en día las obras que existen. Materiales de Construcción La superficie de la tierra está compuesta por una innumerable cantidad de elementos, minerales, sales, etc. Muchos de estos se utilizan actualmente para la construcción. Por ejemplo, la arena que no es más que roca disgregada y tiene un papel fundamental en la fabricación del concreto. La elección de estos materiales depende de dos cosas fundamentales. La primera son las condiciones climáticas del lugar en el que se realizara la construcción. Obviamente, existen diferentes materiales y métodos para la construcción en distintos lugares del mundo gracias a esto. La segunda es el aspecto económico, ya que el trabajo de un ingeniero no es solamente realizar la obra sino que también minimizar los recursos y tiempo necesarios. Debido a la diversidad de uso que tienen los materiales de construcción, se requiere distintos materiales de modo que entre si nos dé un amplio rango de propiedades de las cuales nos podamos beneficiar, por ejemplo que sean fuertes algunos a altas temperaturas y otros a bajas temperaturas, la resistencia a la erosión, etc. Estas propiedades específicas de los materiales nos sirven para separarlos en distintos grupos. Estas propiedades a su vez se dividen en: y y Propiedades Físicas: por ejemplo la densidad, higroscopicidad, conductividad, durabilidad, resistencia térmica, etc. Propiedades Mecánicas: por ejemplo la plasticidad, elasticidad, fuerza, resistencia a la erosión, etc. Los grupos más comunes de materiales de construcción son, lo materiales cementantes, los materiales cerámicos, las maderas, los metales y las rocas. Solamente nos abocaremos a los materiales cementantes y cerámicos. Materiales Cementantes Entre las diferentes categorías que se mencionaron previamente se encuentran los materiales cementantes. Estos son materiales aglomerantes que tienen propiedades de adherencia y cohesión requeridas para unir fragmentos minerales entre sí, formando así una masa sólida de resistencia y durabilidad adecuadas. Dentro de esta categoría se encuentran los cementos, cales, asfaltos, etc. Siendo los más importantes los cementos y las cales. En base a ellos se forma por ejemplo el hormigón que tiene un gran uso en lo que respecta a la construcción. El cemento Se denomina cemento en general a aquellos materiales con propiedades de adhesión y cohesión que son capaces de unir partículas solidas en una masa dura y compacta. En la antigüedad se usaban morteros (mezclas firmes y resistentes a las aguas dulces y marinas) de barro cocido, yeso o cal para unir la mampostería. Fueron los romanos, alrededor de 100 a.C., quienes utilizaron por primera vez el cemento para fabricar hormigón. El cemento que ellos utilizaban era una mescla de cenizas volcánicas con cal viva. El mejor ejemplo del uso de este cemento en la construcción es el Panteón ubicado en Roma. En lo que respecta al cemento moderno, el primero en hacer algún descubrimiento significativo fue James Parker que en 1796 descubrió el primer tipo de cemento hidráulico por casualidad al calcinar nódulos de caliza arcillosa. Posteriormente, Joseph Aspedin en 1824 que formo patento el cemento Portland llevando a una mezcla de caliza y arcilla a temperaturas suficientes para liberar gas carbónico. Se lo denomina cemento Portland por su color gris oscuro verdoso que lo asemeja a la piedra Portland. Pero, debido a que las temperaturas alcanzadas en los hornos no eran muy elevadas se lograba un cemento de baja calidad. Fue en 1845 que Issac C. Johnson logro clinkerizar la mezcla que da lugar al cemento utilizando temperaturas aun mayores, logrando así un cemento muy similar al moderno. En la actualidad, se sigue utilizando el cemento Portland por su bajo costo, a la vez que se realizan investigaciones para mejorar su sostenibilidad mediante el agregado de aditivos. Existe un sinfín de tipos de cementos, su principal división es en hidráulicos y no hidráulicos, siendo los hidráulicos los que se endurecen en el agua brindando así un producto estable y los no hidráulicos los que no. Composición Química Los tres principales componentes del cemento moderno son la cal, la alúmina y la sílice. Estos generalmente tienen agregados de óxido de hierro, magnesio, trióxido de azufre y álcalis. Obviamente, con el pasar de los años la composición del cemento Portland fue cambiando con el pasar de los años. Principalmente fue un aumento en la cantidad de cal y una leve disminución en la de sílice. La composición del cemento Portland actual es aproximadamente: y y y y y y y CaO: controla la fuerza y solidez de la mezcla, si no hay suficiente reduce la fuerza y el tiempo de fraguado. Aproximadamente se encuentra entre 60% y 65% en la mezcla. SiO2: dota de fuerza al cemento, en exceso aumenta el tiempo de fraguado. Se encuentra entre un 17% y 25 %. Al2O3: es el responsable de el rápido tiempo de fraguado, en exceso reduce la fuerza. Esta entre un 3% y un 8%. Fe2O3: ayuda a la fusión entre los distintos elementos y le da el color grisáceo a la mezcla. Ocupa entre un 0.5% y 6%. MgO: no solamente le brinda el color, sino que también le da dureza, pero si se encuentra en exceso provocara grietas en el mortero y hormigón, así como también falta de solidez. Aproximadamente se coloca entre un 0.5% y 4%. Na2O + K2O 0.5%-1.3% son residuos que se generan en la mezcla que en TiO2 0.1%-0.4% caso de estar en exceso generan agrietamientos P2O5 0.1%-0.2% y eflorescencia. SO3: hace que el cemento se solido. Entre un 1%-2%. Si bien se especifica que es lo que le brinda cada compuesto a la mezcla vale la pena resaltar que la velocidad de fraguado del cemento depende de la ecuación SiO2/(Al2O3 + Fe2O3). El Clinker Todos los constituyentes del cemento nombrados anteriormente se mezclan y calientan para formar el clinker. Los compuestos que se forman en el proceso de calentado tienen la propiedad de fraguar y endurecerse en la presencia del agua. A estos compuestos se lo conoce con el nombre de compuestos de Bogue pues fue él quien los descubrió, luego Le-Chatelier y Tornebohm se refirieron a ellos con otros nombres. Estos compuestos son: y Silicato tricálcico (3CaO.SiO2) se lo conoce como Alite y se lo simboliza como C3S. Es el mejor material de cementación, se trata aproximadamente de un 25%-50% del cemento. Hace al clinker más fácil de moler, aumenta la resistencia a la descongelación y a la congelación, fragua rápidamente generando altas temperaturas y desarrollando la dureza y fuerza. El calor de hidratación es 500 J/g. Silicato dicálcico (2CaO.SiO2) se lo conoce como Belite y se lo simboliza como C2S. Entre 25%-40% del cemento. Se hidrata y endurece lentamente, y tarda mucho tiempo en agregar fuerza. El calor de hidratación es 260 J/g y y y Aluminato tricálcico (3CaO.Al2O3) se lo conoce como Celite y se lo simboliza C3A. Se encuentra en 5%-11% del cemento. Reacciona rápidamente con el agua y tiene a cambios de volumen originando grietas. Su calor de hidratación es bastante alto, 865 J/g. Ferroaluminato tetracálcico (4CaO.Al2O3.Fe2O3) se lo conoce como Felite y se lo simboliza C4AF. Se encuentra entre 8%-14% del cemento. Es el responsable del fraguado instantáneo pero genera menos calor. El calor de hidratación es de 420 J/g. Así como descubrió estos elementos, Bogue también formulo un método para calcular la cantidad de cada uno de estos compuestos presentes en el clinker. El método estaba basado en enfriar el clinker hasta llegar al equilibrio y plantear las siguientes ecuaciones: %C4AF = 3'04Fe2O3 %C3A = 2'65Al2O3 í 1'69Fe2O3 %C3S = 4'07CaO í 7'60SiO2 í 1'43Fe2O3 í 6'72Al2O3 %C2S = 2'86SiO2 í 0'75C3S De esta manera se evita realizar la estequiometria de los compuestos que tienen masas moleculares muy altas y difíciles de trabajar. Hidratación del Cemento Existe una reacción química que tiene lugar entre los compuestos activos del cemento (Alite, Belite, Celite y Felite) y el agua. Cuando el cemento entra en contacto con el agua los productos de hidratación se comienzan a depositar en la periferia externa del núcleo del cemento hidratado. Esta reacción se produce lentamente, aproximadamente demora de 2 a 5 horas y se la conoce como periodo de inducción. A medida que avanza la hidratación, el proceso de difusión del agua hacia los núcleos deshidratados se hace más y más difícil, por lo que la tasa de hidratación se reduce con el tiempo. Mientras se lleva a cabo la hidratación el cemento consta de un gel, el cemento sin reaccionar, hidróxido de calcio, agua y otros componentes menores. A medida que se va hidratando el cemento se forman los cristales de los diferentes compuestos que van llenando lentamente el espacio previamente ocupado por el agua, resultando en el endurecimiento de la masa y posteriormente el desarrollo de la fuerza. La reacción de los productos y sus compuestos son: C3S + H2O C2S + H2O C3A + H2O C-S-H + Ca(OH)2 C-S-H + Ca(OH)2 C3AH6 3CaO·3Al2O3·CaSO4 C3A + H2O + CaSO4 C4AF + H2O C3AH6 + CFH Cabe aclarar que todos estos procesos son de carácter exotérmico. Ademas, C-SH es conocido como gel de tobermorita, que son cristales hidratados extremadamente pequeños. Este representa entre un 50% y 60% del volumen total de los sólidos del cemento hidratado, y por lo tanto tiene un gran papel a la hora de determinar las propiedades del mismo. El Ca(OH)2 que se libera cuando se genera el gel se cristaliza en el espacio libre disponible. A esta cristalización se la conoce como portlandita y ocupa entre un 20% y 25% del volumen total de los sólidos. Si la hidratación debe continuar el gel debe estar saturado con agua. Los cristales de hidróxido de calcio formados en el proceso anterior se disuelven liberando iones oxhidrilo que son muy importantes para la protección de refuerzo en el concreto. A medida que avanza el proceso de hidratación los dos cristales se van entrelazando cada vez más fuertemente. Para poder completar el proceso de hidratación del cemento se necesita aproximadamente un 38% de agua por peso de cemento es necesaria. De este 38% un 15% forma lo que se conoce como agua del gel que llena los poros del gel de cemento. El otro 23% es la que se combina con los componentes del cemento y lleva el nombre de agua ligada. La Cal Antes de que se invente el cemento Portland el material cementante más común era la cal. Muchos palacios y monumentos antiguos fueron hechos a base de cal. A pesar de que el cemento Portland la reemplazo casi totalmente, en algunos lugares, sigue siendo una alternativa barata al mismo. Sin embargo, no se suele encontrar cal en la naturaleza. El material que se utiliza para fabricarla es carbonato de calcio que se obtiene de calcinar piedra caliza. Aunque también se puede obtener calcinando conchas, corales y otras sustancias calcáreas. Se dice que la cal de coral es la más pura de todas. Como se dijo previamente a la cal se la obtiene de calcinar la piedra caliza. Esto se logra aproximadamente a los 800 °C: CaCO3 + 42.52 kcal CaO + CO2 Algunas de las características más importantes de la cal son: 1. Buena plasticidad y maleabilidad. 2. Se endurece fácilmente y es resistente a la humedad. 3. Las excelentes propiedades cementantes la hacen adecuada para trabajos de albañilería. 4. Al secarse no sufre mucha contracción debido a su alta capacidad para retener agua. Composición La cal pura no existe, esta tiene ciertas impurezas: y y Carbonato de magnesio: esta presente en proporciones variables. Hasta un 5% de este le da a la cal excelentes propiedades hidráulicas. Arcilla: es la principal responsable de las propiedades hidráulicas de la cal, aunque también hace que esta sea menos soluble en el agua. Generalmente se encuentra entre un 10% y un 30% de la cal. Sílice: cuando esta en grandes proporciones la cal tiene propiedades cementantes e hidráulicas pobres. Compuestos del hierro: en temperaturas altas el hierro se combina con la cal y los silicatos formando compuestos de silicato más complejos. Las cales hidráulicas necesitan entre un 2% y 5% de oxido férrico. Materia carbonosa: esta no suele estar presente en la cal, y si lo esta indica la pobre calidad de la misma. Sulfatos: cuando están presente reducen la velocidad de apagado de la cal. Álcalis: cuando se requiere cal pura el álcali es indeseable. Sin embargo tener aproximadamente un 5% le mejora la hidraulicidad. y y y y y Formación El proceso de formación de cal consiste esencialmente en calentar piedra caliza a temperaturas suficientes como para que libere dióxido de carbono. Sin embargo, la quema puede dañar seriamente las propiedades de la cal, por lo que piedras calizas de alto grado de magnesio no deben ser quemadas a más de 1000 °C y las ricas en calcio a menos de 1300 °C. Una parte del CaO resultante se combina con SiO2, Al2O3 y Fe2O3 formando silicatos, aluminatos y ferritas de calcio. La cal tiene una estructura porosa al arder. La piedra caliza libera dióxido de carbono, que constituye aproximadamente un 49% de su peso pero su volumen se reduce solamente un 10% lo que quiere decir que la cal tiene una estructura porosa. Apagado de la Cal Aproximadamente luego de 10 minutos de haber rociado a la cal viva con agua esta se convierte en polvo. Esta se utiliza para diversos procesos en la ingeniería. Este proceso también se conoce como hidratación de la cal. CaO + H2O Ca(OH)2 + 15.6 kcal En la reacción expresada arriba, el calor de hidratación se genera a los 350 °C. La energía liberada en este proceso hace que los trozos de cal viva se dividan y hagan polvo. En el proceso de hidratación, el calor generado no es suficiente para pulverizar la cal por lo que generalmente se lo hace antes del proceso. Quemar de más o de menos la piedra caliza hace que el proceso de apagado sea más lento y lesiona la resistencia del mortero. Teóricamente el requisito de agua para el apagado de la cal es del 32% del peso del CaO, pero en realidad se utiliza el doble o triple de esta cantidad, dependiendo de la composición, el grado de ardor y el método de apagado utilizado, pues el calor liberado vaporiza gran parte del agua. Para evitar fallas se suele colocar agua entre 1.5 o 2 veces la cantidad de cal. La cal grasa se apaga en 2 o 3 horas mientras que la cal hidráulica entre 12 y 48 horas. Se debe tener gran cuidado a la hora de apagar la cal por completo, y esto se debe hacer ni bien se la saca del horno. Si no se realiza así, al entrar en contacto con el acido carbónico de la atmosfera en presencia de la humedad termina formando carbonatos de cal. Como consecuencia la cal pierde sus propiedades y no es apta para la construcción de estructuras solidas. H2CO3 Ca(OH)2 + CO2 H2O + CO2 CaCO3 + H2O El apagado de la cal viene acompañado de un aumento de volumen de entre el 2.5 a 3 veces el inicial, excepto en la cal hidráulica que es solo el 50%. Materiales Cerámicos Cuando hablamos de materiales cerámicos nos referimos a los materiales policristalinos y a los productos formados por el horneado de arcillas naturales con aditivos minerales a altas temperaturas, y por la sintonización de óxidos metálicos y sustancias inorgánicas con alto punto de fusión. La palabra cerámica se aplica a un amplio rango de silicatos, óxidos metálicos y sus combinaciones. El carbono, boro, silicio, ciertos carburos, silicatos, hidruros refractarios y sulfuros son considerados también cerámicos. Como material de construcción, los cerámicos pueden ser ladrillos, porcelana, vidrio, etc. La arcilla es el más común de los materiales cerámicos, y generalmente el oxido de magnesio se utiliza como material refractario pues puede soportar altas temperaturas sin derretirse. Los materiales cerámicos se dividen en productos de barro cocido, vidrio o refractarios. Refractarios Estos materiales son capaces de soportar altas temperaturas en diferentes procesos industriales. Un refractario no solo debe tener alta resistencia térmica sino que también debe poder soportar la acción química del material que se calienta y soportar la carga mecánica. Este tipo de materiales tienen gran estabilidad, tanto dimensional como química pues no pierden ni su forma ni su composición. Su principal tarea es confinar el calor dentro de los hornos para evitar que este no se disipe a la atmosfera. Los refractarios no son compuesto puros y por lo tanto no tienen puntos de fusión fuertes. Entonces, lo que se determina es la temperatura de ablandamiento y no el punto de fusión. La capacidad de un material de soportar temperaturas superiores a los 1580 °C sin ablandarse se conoce como refractariedad y viene expresada en °C. A la refractariedad se la mide por la temperatura de ablandamiento o el punto de fusión del material. Uno de los métodos para hacerlo es el del cono pirométrico que se realiza con la ayuda de conos o pirámides tetraédricos de, 20 mm de base y 40 mm de alto, hechos del material con el que se quiere ensayar. Lo que se hace es calentarlos hasta que se doblan y tocan la base. Luego, se compara este valor con el de un estándar conocido. El valor obtenido se conoce como equivalente del cono pirométrico. Algunas de las propiedades más importantes de los refractarios son: y y y y y Vidrio El vidrio es una sustancia amorfa que tiene una textura homogénea. Es un material solido, frágil y transparente. La mayoría de las cristales ordinarias álcalisilicato de cal y álcali-silicato de plomo tienen una resistencia a la tracción y a la compresión de alrededor de 30 a 60 N/mm2 y 700 a 1000 N/mm2, Su capacidad para soportar altas temperaturas y choques térmicos. Su capacidad de deformación es mínima. Se mantienen químicamente inactivos a altas temperaturas. Resistentes a la acción fundente de brasas y a la acción corrosiva de gases. Son buenos aislante térmicos y baja conductividad eléctrica. respectivamente, y el módulo de elasticidad en el rango de 0.45 × 105 a 0.8 × 105 N/mm2. Los materiales que forman el vidrio son: y Sílice: se lo utiliza en forma de cuarzo puro, piedra arenisca y piedra pulverizada. Para que la calidad del vidrio sea buena la sílice debe estar libre de hierro. Como la temperatura de fusión es de 1710 °C se le deben agregar carbonatos de sodio o potasio para disminuirla alrededor de los 800 °C. También hace que la sílice liquida sea más viscosa y maleable. Cal: se lo utiliza en forma de piedra caliza, yeso o mármol puro. Al agregarle cal se logra un vidrio apto para el soplado, dibujo, laminado, etc. También le da la resistencia y durabilidad al mismo aunque un exceso en la cal llevara a un producto final muy fino como para ser usado en la fabricación de los objetos. Bicarbonato: es un acelerador de la fusión del vidrio. Potasa: hace que el vidrio sea resistente al fuego. Oxido de plomo: imparte el color y el brillo, cuando se lo agrega en un 15% o 30% para sustituir la cal reduce el punto de fusión, da buena manejabilidad, pero la transparencia se va perdiendo a medida que el cristal se hace cada vez más frágil. Cullets: son vidrios rotos que se agregan como fundentes para prevenir la volatilización del álcali durante el proceso de formación del vidrio. Sin embargo, puede reducir la resistencia del vidrio al ataque químico, hacerlo soluble al agua, o llevar a una desvitrificación parcial o total en el enfriamiento. y y y y y Para fabricar vidrio se mezclan cal, arena y bicarbonato en proporciones definidas con agua y luego se los funde. Entro los 1100 °C y los 1200 °C se forma una masa espumosa y pegajosa. Al elevarse la temperatura, se torna en una sustancia liquida y las burbujas suben a la superficie. En el caso de el vidrio normal, las reacciones que tienen lugar son: CaCO3+SiO2 Na2CO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2 Na2SiO3 + CO2 Luego de que se escapa todo el dióxido de carbono, se agregan decolorantes como el MnO2 para acabar con los compuestos de hierro y carbono. Luego, se sigue calentando hasta que la masa queda libre de burbujas. Aproximadamente cuando alcanza 800 °C el vidrio está listo para que le den su forma. Barro Cocido Entre los materiales estructurales, unos de los más importantes son los de barro cocido. Las materias primas utilizadas para su fabricación son arcilla mezclada con cuarzo, arena, aserrín y carbón pulverizado. Los productos de barro cocido son, en su mayoría, fabricado por el moldeo, secado y calentado de una masa del mismo. Mientras mayor sea el peso específico del barro cocido mayor será su fuerza. De acuerdo a la estructura y el método de fabricación, algunos de los materiales usados en la construcción que derivan del barro cocido son los ladrillos de barro cocido, la terracota, la porcelana, etc. Plasticidad, resistencia a la tracción, porosidad, y el color luego del quemado son algunas de las propiedades físicas de los productos de barro cocido. El conocimiento de estas propiedades es más benéfico que un análisis químico para determinar la calidad del material. Conclusión A partir de esta monografía, se observa la importancia de la química en la construcción. Muchas veces se piensa que no es importante, que la construcción es simplemente realizar cálculos estructurales sin cambiar los materiales normalmente utilizados. Esto está muy bien para un técnico, pero para un ingeniero no, pues lo que busca no es realizar los cálculos estructurales y dejarlo ah. El ingeniero es un tecnólogo, y como tal tiene el trabajo no solo de realizar, sino que también de mejorar la calidad de las estructuras y abaratar el coste de las mismas. Esto, no se podría lograr si no se mejoran los materiales utilizados y para hacer esto se deben tener en cuenta los procesos químicos para cada uno de ellos. Por ejemplo, antiguamente se utilizaban otros métodos de cementación tales como la cal, el yeso o el barro cocido, pero estos no tienen comparación con el cemento. Si bien este último es un poco más caro que los otros materiales, es mucho más fuerte, se endurece solamente agregando agua y lo hace a mayor velocidad que los demás, etc. Sin embargo, en un principio el cemento no era muy bueno como material para la construcción. Este se fue mejorando gradualmente, agregando o quitando aditivos, cambiando proporciones, etc. a medida que se conocieron los procesos químicos que tenían lugar en su fabricación. Esto no quiere decir que la cal haya quedado obsoleta pues existen muchos lugares donde todavía se la usa. Es más, muchas veces se la ve combinada con cemento y demás cosas para formar hormigón que es uno de los materiales más utilizados en la construcción hoy en día. Entonces, por más que no lo parezca, la química es muy importante en las ingenierías que se dedican a las construcciones. Conocer las estructuras de los materiales es muy beneficioso a la hora de elegirlos pues se pueden tener en cuenta procesos como la erosión del agua sabiendo cómo esta afecta a la estructura del material. Bibliografía http://lahmia.wordpress.com/2010/01/28/historia-del-cemento/ http://publiespe.espe.edu.ec/academicas/hormigon/hormigon01.htm Building Materials.