Origen de las rocas

La corteza de la tierra se formó hace 4500 millones de años. La estructura actual de la litósfera se alcanzó hace unos 10.000 años. Actualmente, un 70% de la superficie está cubierta por agua y 30% la constituyen los continentes. los que están formados por diferentes tipos de rocas. El proceso de enfriamiento de la tierra y formación de los continentes es muy complejo. En esta curso se describirá brevemente el proceso de formación de las rocas y luego se analizará el uso de ellas como material de construcción. Las teorías señalan 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 energía al espacio. Origen de las Rocas

El calor de un cuerpo tiene el poder de controlar su actividad debido a que su energía debe ser transportada, por cualquier medio, desde los puntos más calientes hacia los puntos más fríos. El proceso de enfriamiento hace que se genere actividad en un planeta. Los cuerpos planetarios se enfrían a través de: Origen de las Rocas Convección 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 convección de la atmósfera y océanos, en donde el aire y agua son transportados desde las cálidas regiones ecuatoriales hacia las regiones frías de los polos. Radiación de energía infrarroja directamente de la superficie al espacio.

La Tierra tiene un diámetro de 12.756 km. Su interior está 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 Núcleo interno: es un núcleo sólido de metal de níquel y hierro. Su diámetro es de 1.200 km. Núcleo externo: es una masa de metal de níquel y hierro fundido. Manto: es una capa densa formada por roca de silicato sólida. Corteza: es un material rocoso de silicato.

La corteza está fractura en varias grandes placas que se mueven lentamente una respecto a otra. Las cordilleras de montañas se forman cuando dos placas chocan y sus bordes son forzados hacia arriba. Las placas se mueven aproximadamente unos 25 mm al año, de manera que hace millones de años los continentes y los océanos estaban en diferente posición. Hace aproximadamente 250 millones de año, la mayoría de la Tierra estaba conectada entre sí 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 está por debajo de los océanos, llamada corteza oceánica, es mucho más delgada que la corteza continental. Tiene sólo 5 kilómetros de grosor, mientras que la corteza continental llega a alcanzar 65 kilómetros de espesor. La corteza oceánica está formada por materiales más densos que los de la corteza continental. Las placas tectónicas están formadas por la corteza terrestre y por la parte superior del manto que está por debajo. A la corteza y al manto superior se les denomina litósfera y puede extenderse hasta 80 kilómetros de profundidad. La litósfera está dividida en placas gigantes que ajustan como piezas de un rompecabezas alrededor del globo terráqueo (Placas Tectónicas). Estas placas se mueven levemente cada año, a medida que se desplazan sobre parte del manto más o menos fluida llamada astenósfera. Estructura interior de la tierra

Debido a las altas presiones de la superficie, la astenósfera es sólida aún cuando está sometida a altas temperaturas de alrededor de 1600º Celsius. Sin embargo, a esta temperatura, los minerales están a punto de licuarse, se hacen maleables y pueden ser empujados y moverse en respuesta al calor de la Tierra. A través 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 través del proceso de la tectónica de placas. Este proceso hace que las montañas se eleven aún más y que los océanos se expandan. Estructura interior de la tierra La subducción se produce cuando dos secciones de la litósfera 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 está suficientemente caliente, es decir, del orden de 1000º C. Este fenómeno está relacionado a la formación de montañas.

Formación de rocas El material fundido que se encuentra bajo la litósfera se denomina magma. Este material está tan caliente que brilla en color blanco. El magma puede ser diferente dependiendo de su composición química. En términos generales se puede decir que es una mezcla de elementos como silicio, oxígeno, hierro, sodio y potasio. Si fluye hacia sectores más fríos su color se tona amarillo y luego, sí continúa enfriándose, cambia a intensidades diversas de rojo. A medida que se enfría lentamente, los minerales se van cristalizando formando las rocas ígneas intrusitas, como el granito. Si el magma encuentra una grieta en la litósfera, puede ascender hasta la superficie. El material que sale a la superficie de la Tierra se denomina lava, la cual se enfría rápidamente formando las rocas ígneas extrusivas, como el basalto.

Rocas ígneas Las rocas ígneas se dividen en dos grupos: Rocas ígneas intrusivas Estas rocas también se denominan rocas plutónicas. Se forman en las profundidades de la Tierra cuando el magma, o roca derretida asciende a través de una grieta o recámara subterránea dentro sin salir al exterior. Roca ígnea extrusiva Las rocas ígneas extrusivas o rocas volcánicas, se forman cuando el magma fluye hasta la superficie de la Tierra y hace erupción o fluye sobre la superficie de la Tierra en forma de lava y luego se enfría y forma las rocas. Las rocas de basalto o basálticas son el tipo más común de rocas ígneas extrusivas. Esta roca es la más común en la corteza terrestre y cubre la mayoría de los fondos de los océanos.

Rocas sedimentarias y metamórficas Desde el momento mismo que las rocas eruptivas afloran a la superficie de la tierra comienza el proceso de descomposición. Hay factores externos tales como acción del agua , del viento , roca y seres vivos . DISGREGACION MECANICA DE UNA ROCA. La disgregación mecánica se efectúa en tres etapas: disyunción, desintegración granular y fragmentación. Disyunción en bloques . En casi todos los yacimientos de rocas existe una red de hendiduras (grietas) que divide la masa de rocas en poliedros más o menos regulares. Desintegración granular . Una roca es un conjunto de granos unidos entres si por la acción de moléculas en estado caótico 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 más pequeños son los granos, mayor es el espacio intergranular y mayor es también la disgregación granular. Fragmentación . Por la acción química de los agentes atmosféricos, los granos son atacados y transformados en otros minerales. ROCAS METAMORFICAS. Son rocas eruptivas o sedimentarias transformadas por diversos factores, siendo el más importante la presión. Se producen por transformación de los cristales. Ejemplos, pizarra, mármol.

Rocas sedimentarias y metamórficas METEORIZACION DE LAS ROCAS. La meteorización es el conjunto de factores climáticos 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 más la roca. El fenómeno es progresivo cada año. Al descongelarse el agua, arrastra partículas de la roca. Acción de los ácidos . Las raíces de los árboles y los microorganismos producen sustancias ácidas que atacan a cierto tipo de rocas. Este fenómeno es más frecuente en las zonas de clima templado o cálido. Acción del viento . Produce un efecto de desgaste de tipo mecánico. En las zonas ventosas, las rocas suelen ser lisas. Acción del agua . Además 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 actúa en forma física en el segundo caso actúa como agente químico (disuelve). El agua también puede erosionar las rocas desgastándolas.

Rocas sedimentarias y metamórficas ROCAS SEDIMENTARIAS Todas las rocas sedimentarias se forman en el exterior y toda la materia que las constituyen provienen de la corteza terrestre. Por eso se llaman también rocas exógenas. Por provenir de la desintegración de otras rocas, no muestran granos pues sus cristales son pequeñísimos. Es frecuente encontrar restos fosilizados de vegetales y animales. Por su origen se las agrupa en: Rocas detríticas . Se originan por la destrucción mecánica de rocas eruptivas. Ejemplos: arenas, gravas, conglomerados y areniscas. Rocas químicas . Se forman por acción química o disolución y posterior precipitación en otro lugar. Ejemplos, arcillas, calizas, yeso, etc. Rocas de origen orgánico . Proceden del depósito de caparazones de pequeños protozoos, moluscos y algas. Ejemplos, trass, Tierra de Trípoli.

Agregados pétreos para materiales compuestos En la elaboración de hormigones y morteros de cemento y asfaltos se utilizan agregados minerales inertes, que deben cumplir con diversos requisitos físicos y químicos establecidos por diferentes normas. En particular, para el caso de morteros y hormigones de cemento, la NCh 163 Los agregados se dividen según su tamaño en rocas, bolones, grava, arena y material fino, que incluye limos y arcillas. En términos generales, las partículas que conforman un agregado deben cumplir los siguientes requisitos generales: Características partícula: Tenaces: deben ser resistentes, duras e indeformables. Peso específico: existen agregados ligeros, normales y pesados. Estabilidad físico-química: no deben reaccionar con el agua ni con los compuestos hidratados de la pasta de cemento o asfalto. Características superficiales: Origen: Existe el agregado natural o de canto rodado y al artificial o chancado. Superficie específica: la superficie específica es la suma de las superficies de las partículas por unidad de masa. A mayor superficie específica mejor será la adherencia al aglomerante , pero al mismo tiempo es mayor la demanda de aglomerante. Contaminación superficial: las partículas que provienen de machaqueo pueden contener cantidades excesivas de polvo en la superficie lo que reduce la adherencia al aglomerante. Características de conjunto: Densidad: es la relación entre la masa del conjunto de partículas y su volumen. Granulometría: es el estudio de la distribución de tamaños de partículas de un material granular.

Agregados pétreos para materiales compuestos DENSIDAD DE UN AGREGADO La 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 pétreos se tienen dos densidades: Densidad real : es la densidad considerando el volumen de material sólido, incluyendo los poros inaccesibles existentes en su interior. Densidad aparente : es la densidad considerando el conjunto de partículas y los espacios entre ellas. En este caso se identifica la densidad aparente suelta y la densidad aparente compactada. Grava Arena NCh 165 Mm ASTM C - 33 NCh 165 Mm ASTM C – 33 80 63 50 40 25 20 13 10 3” 2 ½ “ 2” 1 ½ “ 1” ¾ “ ½” 3/8” 5 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/m3 Densidad Aparente T/m3 Arena 2,65 1,65 Grava 2,75 1,75

Agregados pétreos para materiales compuestos GRANULOMETRÍA Mediante la granulometría se puede determinar la distribución porcentual de los tamaños de partículas contenidas por un agregado. Para el estudio de la granulometría 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 utilización de las series dada por la norma ASTM C- 33

Agregados pétreos para materiales compuestos La división entre los diferentes tipos de agregados, según el tamaño, es: Arena 0 – 5 mm. Arena con gravilla 0 – 12 mm. Gravilla 5 – 12. Grava 12 – 20 mm.

Agregados pétreos para materiales compuestos Para el análisis granulométrico 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 gráfico en escala semi-logarítmica 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 pétreos para materiales compuestos En un mortero u hormigón se debe utilizar una granulometría óptima, la que se define como aquella que, para una misma consistencia y relación a/c, le corresponde un consumo mínimo de cemento, dando, además, el mínimo de segregación. De esta manera se logra la mayor compacidad del agregado minimizando el consumo de cemento. Para completar la caracterización de una granulometría y establecer si es adecuada para su uso en mortero u hormigón se deben calcular los siguientes indicadores: Módulo de finura (MF) : indica que tan fino o grueso es un material granular. Cálculo de la Humedad Donde : W = % de humedad wt = Peso del material natural (húmedo) Ws = Peso del material seco en estufa a 110 -150°c hasta peso constante.

Tipos de aglomerantes INTRODUCCIÓN Los aglomerantes son materiales capaces de contener a otros sin reaccionar con ellos, estos últimos se denominan agregados o áridos. Debido a esto, los materiales formados por un aglomerante y uno o más materiales aglomerados se denominan “materiales compuestos”. Ejemplos de este tipo de materiales son el hormigón, 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 hormigón. Se pueden ver claramente la pasta, los agregados y los poros al interior de la masa del material

Tipos de aglomerantes TIPOS DE AGLOMERANTES Dependiendo del proceso mediante el cual un aglomerante endurece y adquiere resistencia, se tienen: Aglomerantes térmicos: estos aglomerantes adquieren resistencia por enfriamiento, por ejemplo el cemento asfáltico y el azufre. Aglomerantes polimérico: estos aglomerantes adquieren resistencia mediante reacciones de polimerización, como sucede con las resinas epóxicas. Aglomerantes aéreos e hidráulicos: los aglomerantes aéreos endurecen en contacto con el aire y los hidráulicos en presencia de agua. A este tipo de aglomerante pertenecen la cal, el cemento y el yeso. Las reacciones de fraguado de los aglomerantes poliméricos e hidráulicos son exotérmicas, es decir, liberan calor , lo que se debe considerar cuando se trabaja con ellos, para evitar fisuración de los materiales finales o estructuras .

Tipos de aglomerantes Aglomerantes aéreos e hidráulicos Cal: En la naturaleza se encuentra la caliza o carbonato cálcico, la que corresponde a óxido de calcio quemado, es decir, ha reaccionado con dióxido de carbono. Industrialmente, la caliza es molida en un horno, lo que permite obtener óxido de calcio en estado sólido. Este óxido es muy activo y se conoce con el nombre de “cal viva” debido a su alta reactividad y su carácter corrosivo . Este es un material altamente alcalino, es decir, tiene un pH muy alto. La cal viva se mezcla con agua para formar hidróxido de calcio o cal hidratada , la que se comercializa como adición para la elaboración 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 construcción de edificaciones. Yeso: El yeso se encuentra en la naturaleza como un mineral denominado “Selenita” y químicamente corresponde a un sulfato de calcio dishidratado . Industrialmente, se muele en un horno a una temperatura de 130º para deshidratarlo y transformarlo en un polvo blanco capaz de reaccionar con el agua.

Tipos de aglomerantes Aglomerantes aéreos e hidráulicos Cemento hidráulico: El cemento hidráulico o cemento Pórtland se obtiene de la sinterización de caliza con algunas arcillas, tales como óxido de aluminio o alúmina , óxido de silicio o sílice y óxido 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 rápidamente y rigidiza , de modo que, desde el punto de vista de la construcción y aplicaciones en ingeniería, 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 Pórtland . Para ver en detalle el proceso de fabricación del cemento Pórtland, se recomienda visitar los sitios web www.melon.cl y www.polpiaco.cl . El clinker está compuesto por: Silicato tricálcico (C3S) Silicato dicálcico (C2S) Aluminato tricálcico (C3A) Ferroaluminato tetracálcico (C4AF)

Tipos de aglomerantes Aglomerantes aéreos e hidráulicos Cemento hidráulico: Dependiendo del porcentaje de caliza, alúmina, sílice y óxido de fierro que se utilice en la fabricación del clinker, se tienen cementos con diferentes propiedades, como se puede ver en la Tabla 3.1, donde aparece la clasificación de cementos Pórtland según la norma ASTM C-150. Un factor relevante es la actividad de los componentes del clinker y el calor que liberan. Los componentes más 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 hidratación. Clasificación de los diferentes tipos de cementos Pórtland según ASTM C-150 (*) Moderada resistencia a los sulfatos y bajo calor con ganancia normal de resistencia. Tipo Nombre C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF CŜH 3 Calor a 7 días I Ordinario 50 25 12 8 5 330 II (*) 45 30 7 12 5 250 III Fraguado rápido 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

Hidratación del cemento Portland Hidratación del cemento Portland Cemento hidráulico: Cuando el cemento Pórtland 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 esquemáticamente como varía la formación 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: Disolución del polvo de cemento en agua y formación de los primeros hidratados en tono a lo granos de cemento. 2 Horas: Formación de cristales de etringita. 4 horas: Se observa la presencia de hidróxido de calcio. Se inicia el fraguado. 9 Horas: La estructura ya está rígida y más compacta. Algunos poros empiezan a perder agua y quedan vacíos.

Hidratación del cemento Portland Hidratación del cemento Portland Los principales compuestos hidratados que se obtienen como productos de la hidratación son: Silicato cálcico hidratado (CSH) : Constituye el principal componente ocupando entre un 50 y 60% del volumen sólido de pasta. Debido a su pequeño tamaño, es el principal responsable de la resistencia de la pasta. Hidróxido de calcio (CH) : ocupa alrededor de un 25% del volumen sólido de pasta. Esta formado por cristales de hexagonales planos de tamaño mucho mayor que el CSH. Dado el carácter alcalino del hidróxido de calcio, el hormigón tiene un pH cercano a 12,5, lo que contribuye a producir una pasivación 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 está formado por la etringita, que aparece en las primeras horas, y por los sulfoaluminatos hidratados. Estos últimos compuestos se producen después de 18 horas, por disolución 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 imágenes de la etringita y monosulfoaluminatos hidrtados.

Cementos especiales Debido a la alta solubilidad del hidróxido de calcio, se investigó una forma de fijarlo químicamente. Analizando la forma de construir de los romanos, se pudo ver que la incorporación de cenizas volcánicas ricas en sílice no cristalina, la que es capaz de reaccionar y formar CSH. Estos compuestos ricos en sílice activa se denominan puzolanas. Puzolanas Existen diferentes tipos de puzolanas, tanto naturales como artificiales, las principales son: Ceniza volcánicas : se encuentran en la naturaleza, como resultado de erupciones volcánicas. En Chile son muy abundantes, especialmente en la Región Metropolitana. Ceniza volantes : se obtienen en las centrales termoeléctricas como resultado de la combustión del carbón. Escorias de alto horno : Se obtienen del proceso de fabricación del acero.

Cementos especiales Cementos especiales Los 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 Pórtland. La mayoría de los cementos que se fabrican y producen en Chile son de este tipo, donde se muestra la clasificación de los cementos chilenos, según la norma NCh 148. Clasificación de cementos chilenos por composición, según NCh 148. Denominación Proporción de componentes Clinker Puzolana Escoria Portland 100% - - Portland Puzolánico $70% # 30% - Pórtland Siderúrgico $70% - # 30% Puzolánico 50 – 70% 30 – 50% - Siderúrgico 25 – 70% - 30 – 75%

Fraguado y endurecimiento Cuando se mezcla el cemento con agua, inicialmente se obtiene una mezcla plástica deformable, pero trascurridas algunas horas, esta pasta se empieza a rigidizar, hasta que se torna sólida. Este proceso de rigidización 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 esquemáticamente el incremento de resistencia en el tiempo en el siguiente esquema. Evaluación de la resistencia de una pasta en función del tiempo

Cementos chilenos En Chile, los cementos se clasifican por composición , como se mostró en la Tabla anterior, y también 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. Clasificación de los cementos chilenos por resistencia El tiempo de fraguado se determina mediante el ensayo de Vicat , el que consiste en registrar la penetración de una aguja, presionada con un peso constante, en una pasta de cemento. La resistencia a compresión y flexotracción se determina con un mortero normalizado, con el que se elaboran probetas prismáticas de 4 x 4 x 16 cm, las que se ensayan a 7 y 28 días. Grado Tiempo fraguado HH:MM Resistencia compresión kgf/cm2 Resistencia flexotracción kgf/cm2 Inicio mínimo Fin máximo 7 días 28 días 7 días 28 días Alta Resistencia 0:45 10:00 250 350 45 55 Corriente 1:00 12:00 180 250 35 45

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