Materiales Compuestos: Definición y Clasificación

Los materiales compuestos están formados por dos fases:

• Matriz: Proporciona resistencia térmica y ambiental. Es la fase continua.
• Refuerzo: Proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto. Es la fase dispersa.

La matriz y el refuerzo están separados por la interfase.

Las propiedades de los materiales compuestos dependen de:

• Propiedades de la matriz y del refuerzo.
• Contenido y orientación del refuerzo.
• Método de producción del material compuesto.

Clasificación de los Materiales Compuestos

Según la forma de los constituyentes:

• Composites fibrosos: El refuerzo es una fibra (alta relación longitud-diámetro). Pueden ser continuas o discontinuas (aleatorias o unidireccionales). Ejemplo: epoxi con fibra de vidrio.
• Composites particulados: El refuerzo son partículas equiaxiales. Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo.
• Composites estructurales: Combinación de materiales compuestos y materiales homogéneos.

Según la naturaleza de los constituyentes:

• Composites de matriz orgánica (polímeros): Baja densidad, permiten obtener piezas complicadas. Son los más utilizados.
• Composites de matriz metálica (aleaciones de aluminio, titanio y magnesio): Mayor duración, elevada conductividad térmica y eléctrica, no absorben humedad, mayor resistencia al desgaste.
• Composites de matriz mineral (cerámica): (Alúmina, CSi). Resisten altas temperaturas, pero son frágiles y tienen baja resistencia a choques térmicos.

Según el tamaño de la fase dispersa:

• Microcomposites: Tamaño del refuerzo del orden de la micra (10^-6 m). Dificultad de procesado.
• Nanocomposites: Tamaño del refuerzo del orden del nanómetro (10^-9 m).

El Cemento: Componentes y Propiedades

El cemento es un conglomerante hidráulico (material inorgánico). El cemento Portland y sus derivados son los más empleados en la construcción, formados por mezclas de caliza, arcilla y yeso.

Existen dos tipos de clínker:

• Clínker de Portland: Base de los Cementos Comunes (CEM).
• Clínker aluminoso: Componente principal del Cemento de Aluminato de Calcio (CAC).

Cementos Comunes (CEM)

Clínker de Portland: Obtenido por sinterización de una mezcla de materias primas, conteniendo elementos en forma de óxidos y pequeñas cantidades de otras materias.

Núcleo cemento: Clínker de Portland junto con otros componentes minoritarios, excluyendo el regulador de fraguado y aditivos.

Composición Potencial del Cemento

• Compuestos secundarios:
  • Cal libre: Se expande si se hidrata durante el endurecimiento.
  • Magnesia: Contenido limitado al 5% por su carácter expansivo.
  • Álcalis: Reactivos con áridos silíceos, generando sales expansivas.
• Componentes principales:
  • Clínker de cemento Portland: Al menos dos tercios de calcio y el resto de óxido de aluminio, óxido de hierro y otros.
  • Escoria granulada de horno alto: Enfriamiento rápido de la escoria en estado de fusión.
  • Cenizas volantes: Precipitación electrostática o mecánica de partículas pulverulentas.
  • Cenizas volantes silíceas: Polvo fino con propiedades puzolánicas.
  • Cenizas volantes calcáreas: Propiedades hidráulicas y/o puzolánicas.
  • Esquisto calcinado: Producido en horno especial a 800ºC.
  • Caliza: Componente del cemento.
  • Sulfato de calcio: Controla el fraguado.
  • Aditivos: Mejoran la fabricación o propiedades del cemento (máximo 1% en masa).

Propiedades de los Cementos

• Finura de molido: Evaluada mediante superficie específica (métodos Blaine y BET) y tamaño medio (granulometría láser).
• Densidad: Varía entre 3 y 3.2 g/cm³.
• Calor de hidratación: En cementos Portland comunes, la mitad del calor se libera entre el primer y tercer día.

Empleos de los Cementos

• Morteros:
  • Solidarizar elementos (bloques, ladrillos).
  • Agarre de baldosas y azulejos.
  • Revestimiento (enfoscados y revocos).
• Hormigones: Uso estructural (en masa, armados o pretensados). El cemento de aluminato de calcio se usa en:
  • Hormigón refractario.
  • Reparaciones rápidas de urgencia.
  • Basamentos y bancadas temporales.

Hormigón: Características y Tipos

El hormigón es un material de construcción a base de cemento, arena, gravas o piedras y agua. Se caracteriza por su alta maleabilidad, consistencia, bajo coste y rápido secado. Tiene aplicaciones en cimentaciones, forjados, columnas, puentes, viaductos, edificios, etc.

Composición del Hormigón

• Conglomerante: Cemento artificial (ej. cemento Portland).
• Áridos: Desintegración natural o artificial de rocas y residuos reciclados.
• Agua de amasado: Interviene en la hidratación del cemento. Debe cumplir parámetros de calidad (pH, sólidos disueltos, sulfatos, cloruros).

Tipos de Hormigón

• Hormigón en masa: Grandes volúmenes (dimensiones superiores a 3 metros).
• Hormigón estructural: Amplía la durabilidad en obras civiles o edificación.
• Hormigón ligero (celular): Reduce la densidad y mejora el aislamiento térmico y acústico.
• Hormigón armado: Unión de hormigón con estructura metálica de hierro para mayor resistencia.
• Hormigón pretensado: Mejora la debilidad a la tracción, construido industrialmente con acero.
• Hormigón pulido: Alisa superficies, resistente a humedad y grietas.

Proceso de Fabricación del Hormigón

Se realiza en plantas dosificadoras, en:

• Amasadoras fijas: Las materias primas se pesan y mezclan para verter en camiones.
• Móviles: Las materias primas se pesan y vierten en el camión para la homogenización.

Ensayo de asentamiento con cono de Abrams: Ensayo sencillo en obra. Mide la consistencia del hormigón fresco.

Ensayos de Materiales Cerámicos de Construcción

• Ensayos de resistencia a flexión en tejas de arcilla: Mide la carga de rotura.
• Ensayos de permeabilidad en tejas de arcilla: Determina el factor de permeabilidad IF.
• Ensayos de resistencia a la helada en tejas de arcilla: Ciclos de congelación y descongelación.
• Determinación de la absorción de agua en ladrillos de arcilla cocida.
• Determinación de la expansión por humedad de ladrillos y revoltones de arcilla cocida.
• Ensayo de flexión en revoltones cerámicos de arcilla cocida.
• Ensayo para la determinación de la carga de rotura transversal en adoquines de arcilla cocida.
• Ensayo de resistencia a la abrasión en adoquines de arcilla cocida.
• Ensayo de determinación del valor de resistencia al deslizamiento.

Materiales Cerámicos: Estructura y Propiedades

Los materiales cerámicos son compuestos de metales y no metales. Son aislantes térmicos, eléctricos y resistentes en ambientes agresivos, altas temperaturas y compresión. Son duros y frágiles. Aplicaciones: ladrillos, baldosas, alfarería, cristales, fibras de vidrio, materiales refractarios, dispositivos electrónicos.

Estructura de los Materiales Cerámicos

Formados por monocristales o policristales:

• Estructura cristalina: Depende de la carga eléctrica y tamaños de los iones.
• Estructura formada por silicatos: Silicio y oxígeno unidos (feldespatos, anfíboles y arcillas). Tipos:
  • Silicatos simples: Tetraedro, un átomo de silicio y oxígeno.
  • Silicatos laminares (filosilicados): Tetraedros comparten tres iones de oxígeno (colinita, talco, moscovita).
  • Silicatos reticulares: Redes tridimensionales (ej. feldespatos).

Propiedades de los Materiales Cerámicos

• Físicas y Mecánicas: Dureza, resistencia a químicos, aislantes térmicos y eléctricos.
• Térmicas: Bajas conductividades térmicas, resistencia al calor.
• Eléctricas: Buenos aislantes (baja y alta tensión).
• Mecánicas: Dureza, resistencia a compresión y tracción, baja densidad, resistencia a la corrosión, fluencia en caliente, fragilidad, falta de elasticidad y plasticidad.

Vidrio: Propiedades y Ensayos

El vidrio se fabrica a partir de materiales inorgánicos que se funden a altas temperaturas y se enfrían a estado sólido sin cristalización (estructura amorfa).

Propiedades del Vidrio

• Ópticas: Transparentes o translúcidos.
• Eléctricas: Resistividad eléctrica (aislantes).
• Térmicas: Aislantes térmicos, resistencia al fuego y choque térmico.
• Mecánicas: Alta resistencia mecánica y frágiles.

Ensayos del Vidrio

• Cristal plano: Resistencia a la determinación del módulo de rotura a flexión.
• Medida de la dureza Knoop.
• Resistencia a la presión interna de envases de cristal.
• Resistencia al choque térmico en envases de cristal.
• Resistencia a la carga vertical en envases de cristal.
• Determinación de la temperatura de ablandamiento (Punto Littleton).

Conceptos Adicionales

Tracción: Esfuerzo al que está sometido un material al estirarlo. Cada material tiene un límite de tracción antes de romperse.

Temperatura vítrea (Tg): Temperatura a la que un material amorfo (polímero o vidrio) cambia de un estado rígido y frágil a uno más flexible y gomoso.