QUIMMATER - Química de Materiales

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1 Unidad responsable: Unidad que imparte: Curso: Titulación: Créditos ECTS: ETSECCPB - Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona ECA - Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental GRADO EN INGENIERÍA DE OBRAS PÚBLICAS (Plan 2010). (Unidad docente Obligatoria) 7,5 Idiomas docencia: Catalán, Castellano Profesorado Responsable: Otros: PATRICIA TERESA PARDO TRAFACH ANDREU CODINA MENDOZA, PATRICIA TERESA PARDO TRAFACH, PATRICIA ROVIRA BASTUS Horario de atención Horario: Patricia Pardo Miércoles 16-18h Viernes 12-13h Módulo B1, Despacho 112 upc.edu Competencias de la titulación a las cuales contribuye la asignatura Específicas: Conocimiento teórico y práctico de las propiedades químicas, físicas, mecánicas y tecnológicas de los materiales más utilizados en construcción. Transversales: 591. COMUNICACIÓN EFICAZ ORAL Y ESCRITA - Nivel 1: Planificar la comunicación oral, responder de manera adecuada a las cuestiones formuladas y redactar textos de nivel básico con corrección ortográfica y gramatical USO SOLVENTE DE LOS RECURSOS DE INFORMACIÓN - Nivel 1: Identificar las propias necesidades de información y utilizar las colecciones, los espacios y los servicios disponibles para diseñar y ejecutar búsquedas simples adecuadas al ámbito temático APRENDIZAJE AUTÓNOMO - Nivel 1: Llevar a cabo tareas encomendadas en el tiempo previsto, trabajando con las fuentes de información indicadas, de acuerdo con las pautas marcadas por el profesorado. 1 / 10

2 Metodologías docentes Tomando como hilo conductor la química de los cementos, a lo largo del curso se irán introduciendo los conceptos de química que permitirán entender la estructura de la materia y la naturaleza de sus principales transformaciones. La estructura de cada tema será la siguiente: 1) Se facilitarán apuntes sobre los conceptos químicos relevantes que aparezcan en cada tema. El alumnado deberá estudiar dichos conceptos de manera autónoma. 2) Se llevará a cabo una sesión para clarificar las dudas surgidas en el estudio de los conceptos químicos necesarios para la comprensión del tema. 3) Se dará una explicación teórica en la que los conceptos anteriores se aplicarán al estudio de cementos. 4) Los conceptos estudiados se aplicarán a la resolución de problemas y ejercicios prácticos sobre cementos. Eventualmente, se introducirá algún tema complementario relacionadocon el estudio de otros materiales de construcción, como por ejemplo, los metales o los materiales cerámicos. Se utilizará material de apoyo en formato de plan docente detallado mediante el campus virtual ATENEA: contenidos, programación de actividades de evaluación y de aprendizaje dirigido y bibliografía. Objetivos de aprendizaje de la asignatura Conocimientos teórico y práctico de las propiedades químicas, físicas, mecánicas y tecnológicas de los materiales más utilizados en construcción. 1. Capacidad para identificar, obtener la composición y estructura de los materiales de construcción, mediante diferentes técnicas experimentales. 2. Capacidad para diseñar un programa de análisis de materiales de una estructura o infraestructura. 3. Capacidad para realizar una valoración crítica de los resultados de un programa de análisis de materiales realizado en una estructura. Conocimientos científicos básicos de la química de los materiales (calor, equilibrio, ordenación atómica, cristales, polímeros y geles) Conocimientos de estructura, tipos y propiedades de materiales de construcción (conglomerantes, diagramas de fases, corrosión). Conocimiento de los métodos experimentales de determinación de la composición y estructura de los materiales de construcción. Asentar y consolidar los conceptos fundamentales de química adquiridos en el bachillerato. En el caso de que estos conocimientos no se tengan, proporcionar herramientas al alumnado para que los puedan alcanzar y les permitan el correcto seguimiento de la asignatura. Proporcionar conocimientos básicos de la estructura de la materia que permitan la interpretación de las propiedades químicas, físicas y mecánicas de los materiales a partir de las interacciones atómicas, así como el establecimiento de relaciones entre su estructura microscópica y sus propiedades macroscópicas. Estudiar los principales tipos de procesos químicos, los factores que influyen en ellos y las consecuencias que comportan. Proporcionar los conocimientos básicos que permetiran comprender la química de los materiales de construcción más habituales, así como de los procesos de degradación que estos pueden sufrir. Introducir al alumnado en el estudio de los materiales de construcción utilizados por el ingeniero técnico de obras públicas en su ejercicio profesional, a partir del estudio de los materiales conglomerantes. 2 / 10

3 Horas totales de dedicación del estudiantado Dedicación total: 187h 30m Grupo grande/teoría: 55h 29.33% Grupo mediano/prácticas: 14h 7.47% Grupo pequeño/laboratorio: 6h 3.20% Actividades dirigidas: 7h 30m 4.00% Aprendizaje autónomo: 105h 56.00% 3 / 10

4 Contenidos Tema 01. Introducción Dedicación: 12h Grupo grande/teoría: 4h Grupo mediano/prácticas: 1h Aprendizaje autónomo: 7h Presentación de la asignatura Conceptos fundamentales de química Morteros de cal y yeso como materiales de construcción Historia del cemento Portland. Problemática ambiental y producción sostenible. Alternativas al cemento Portland Describir los objetivos y funcionamiento del curso, la metodología docente y las normas de evaluación. Establecer los conceptos fundamentales de química que se considerarán sabuts. Dar herramientas al alumnado que no haya hecho química en el bachillerato para que pueda adquirir los conceptos mencionados. Describir las principales características de los morteros de cal y yeso utilizados en construcción. Hacer un repaso de los hechos más significativos en la historia del cemento Pórtland, tanto desde el punto de vista científico como tecnológico. Describir brevemente los retos que marcarán los próximos años de la industria cementera. Tema 02. Fabricación del cemento Portland Dedicación: 14h 23m Grupo grande/teoría: 2h Grupo mediano/prácticas: 2h Grupo pequeño/laboratorio: 2h Aprendizaje autónomo: 8h 23m Estructura atómica. Tabla periódica. Enlace químico. Sólidos Materias primas. Etapas del proceso de fabricación. Emisiones de gases. Técnicas de análisis para el control del proceso Dosificación y preparación de las mezclas Uso de arcillas para la fabricación de materiales cerámicos en construcción Determinación de los parámetros de red de compuestos cristalinos a partir de los datos obtenidos por un software de simulación de DRX Repasar los conceptos de química necesarios para el seguimiento del tema. Conocer las características de las materias primas empleadas para la fabricación del cemento Portland, así como los principales aspectos relativos al proceso de producción. Aprender a calcular la composición adecuada de la mezcla de materias primas para la fabricación de un cemento. Conocer las características y propiedades de los materiales cerámicos Conocer el tipo de información que permite obtener la técnica de Difracción de Rayos X 4 / 10

5 Tema 03. Formación del clínker del cemento Portland Dedicación: 21h 36m Grupo grande/teoría: 5h Grupo mediano/prácticas: 4h Aprendizaje autónomo: 12h 36m Diagramas de fases de dos componentes Problemas de diagramas de fases de dos componentes Entalpía. Ley de Hess Componentes del cemento. Estructura de fases. Reacciones del proceso de clinkerización. Influencia de los elementos minoritarios. Cálculo de la entalpía de formación del clinker Aprender a interpretar la información de un diagrama de fases en sistemas de dos componentes Resolver problemas a partir de lo aprendido en la sesión anterior Repasar los conceptos de química necesarios para el seguimiento del tema. Aprender cuáles son los procesos químicos que transforman las materias primas en un clinker de cemento Estudiar la influencia de los elementos minoritarios presentes en las materias primas en las reacciones de clinkerización. Determinar la energía necesaria para la formación del clinker Tema 04. Hidratación del cemento Portland Dedicación: 12h Grupo grande/teoría: 4h Grupo mediano/prácticas: 1h Aprendizaje autónomo: 7h Reacciones de hidratación. Termodinámica de las reacciones de hidratación. Etapas en el desarrollo de la microestructura. Técnicas de monitorización de la hidratación. Determinación por calorimetría del calor de hidratación de un cemento Estudiar los mecanismos y las fuerzas impulsoras de las reacciones de hidratación de un cemento Conocer las diferentes etapas en la hidratación de un cemento, así como las técnicas experimentales que permiten hacer el seguimiento de la hidratación Calcular el calor de hidratación de un cemento 5 / 10

6 Tema 05. Microestructura de la pasta de cemento hidratada Dedicación: 16h 48m Grupo grande/teoría: 3h Grupo mediano/prácticas: 2h Grupo pequeño/laboratorio: 2h Aprendizaje autónomo: 9h 48m Componentes de la pasta de cemento hidratada. Estructura de fases. Estructura del CSH. Estructura de las fases de Al y Fe. Influencia de los elementos minoritarios. Técnicas de caracterización de la microestructura. Determinación de la relación Ca / Si. Describir la estructura y las propiedades de los diferentes compuestos de hidratación de un cemento. Conocer cómo la presencia de diferentes elementos minoritarios puede modificar las propiedades de los compuestos de hidratación. Aprender a utilizar diferentes técnicas experimentales para caracterizar y cuantificar la microestructura de una pasta hidratada. Tema 06. Propiedades físico-químicas y mecánicas de las pastas de cemento Dedicación: 16h 48m Grupo grande/teoría: 4h Grupo mediano/prácticas: 1h Grupo pequeño/laboratorio: 2h Aprendizaje autónomo: 9h 48m Introducción a las propiedades de los materiales de construcción Problemas de propiedades de los materiales de construcción Porosidad y permeabilidad. Calor de hidratación. Tiempo de inicio y final de toma. Resistencia mecánica. Retracción. Ensayos y especificaciones. Conocer las propiedades más importantes en la caracterización de los materiales de construcción Aprender a calcular, a partir de los resultados experimentales, el valor de las propiedades más importantes en los materiales de construcción Conocer las propiedades que caracterizan normativamente un cemento, así como los ensayos para su determinación y los valores que establece la normativa actual para cada una de ellas. 6 / 10

7 Tema 07. Durabilidad y fenómenos de degradación Dedicación: 36h Grupo grande/teoría: 9h Grupo mediano/prácticas: 6h Aprendizaje autónomo: 21h Reacciones ácido-base. Mecanismos de transporte. Durabilidad química. Carbonatación. Descalcificación. Reacción álcali-sílice. Ataque por sulfatos. Acción del agua de mar Durabilidad física. Resistencia al fuego. Cristalización de sales. Acción de los ciclos hielo-deshielo. Uso de metales en construcción Aceros. Tipos y características. Diagramas Fe-C. Corrosión. Reacciones de oxidación-reducción. Tipos de corrosión. Métodos de protección Técnicas de medición de la corrosión Repasar los conceptos de química necesarios para el seguimiento del tema. Describir los principales fenómenos químicos que causan la degradación de un cemento Describir los principales fenómenos físicos que causan la degradación de un cemento Conocer los principales materiales metálicos utilizados en construcción, así como sus características y aplicaciones Conocer los diferentes tipos de aceros, así como sus características y aplicaciones Aprender a determinar la microestructura y las propiedades de un acero a partir de su diagrama de fases Conocer los principios químicos de los fenómenos de corrosión, así como los métodos más utilizados para su prevención Conocer los principales parámetros de medida de la corrosión en construcción, así como su determinación numérica 7 / 10

8 Tema 08. Otros cementos Dedicación: 21h 36m Grupo grande/teoría: 4h Grupo mediano/prácticas: 1h Grupo pequeño/laboratorio: 4h Aprendizaje autónomo: 12h 36m Cementos de características especiales Cementos con adiciones Cementos de aluminato de calcio Normativa de cementos RC-08 Estudio de caso a partir de la visualización de un vídeo y de la información proveniente de diversas fuentes Conocer los tipos de cementos adecuados para diferentes aplicaciones específicas Estudiar los tipos de cementos formados por un % variable de clinker Portland y diferentes adiciones Estudiar las características, propiedades y aplicaciones de los cementos de aluminato de calcio Conocer los aspectos prinicipales de la normativa de cementos RC-08 Analizar las causas de degradación de un material en un caso real Evaluar el impacto económico y social de las decisiones técnicas Tema 09. Sostenibilidad y nuevos materiales cementíceos Dedicación: 12h Grupo grande/teoría: 3h Grupo mediano/prácticas: 2h Aprendizaje autónomo: 7h Eficiencia energética en la producción del clínker de cemento. Combustibles alternativos. Materias primas alternativas. Captura y almacenamiento de CO2. Problemas de sostenibilidad Nuevos ligantes cementíceos Conocer los aspectos más importantes en la introducción de criterios de sostenibilidad ambiental en la producción de cementos Determinar la eficiencia energética de un procés. Calcular el volumen de emisión de gases contaminantes en la fabricación de un cemento Describir brevemente las últimas innovaciones en la formulación de ligantes hidráulicos 8 / 10

9 Tema 10. Retención y liberación de contaminantes en sistemas cementíceos Dedicación: 16h 48m Grupo grande/teoría: 2h Grupo mediano/prácticas: 3h Grupo pequeño/laboratorio: 2h Aprendizaje autónomo: 9h 48m Definición y mecanismos de lixiviación. Ensayos de lixiviación Establecimiento de valores límite de emisión. Predicciones a largo plazo. Estudio de caso Definir el concepto y los principales mecanismos de lixiviación y su importancia ambiental Conocer los principales tipos de ensayos para determinar el potencial de lixiviación de un material Aprender los criterios utilizados para la determinación de valores límite de emisión de contaminantes y de predicciones a largo plazo Conocer, a través de un ejemplo práctico, cómo se realiza el estudio de mecanismos de retención de contaminantes Sistema de calificación Se calificarán 3 actividades de síntesis (AS) que se llevarán a cabo las semanas 5, 10 y 15 del cuatrimestre (esta distribución puede cambiar en función del calendario). El peso de cada actividad de síntesis será el siguiente: AS1 20% AS2 20% AS3 50% El 10% restante se evaluará en base a los informes obligatorios y personales que se deben entregar después de cada una de las prácticas de laboratorios. La calificación final se obtendrá a partir de la siguiente expresión: Calificación Final = 0.20*AS1+0.20*AS2+0.50*AS3+0.10*Calificación de Laboratorio Criterios de calificación y de admisión a la reevaluación: Los alumnos suspensos en evaluación ordinaria que se hayan presentado regularmente a las pruebas de evaluación de la asignatura tendrán opción a realizar una prueba de reevaluación en el periodo fijado en el calendario académico. La calificación máxima en el caso de presentarse al examen de reevaluación será de cinco. En el caso de ausencias justificadas durante el periodo de evaluación ordinaria que hayan impedido realizar exámenes de parte de los contenidos de una asignatura, y con aprobación previa del Jefe de Estudios de la titulación, el alumno podrá recuperar en el examen de reevaluación tanto aquella parte de la asignatura que no ha sido previamente evaluada como aquella que haya sido suspendida. La limitación en la calificación máxima no se aplicará a las partes evaluadas por primera vez. 9 / 10

10 Normas de realización de las actividades Si no se realiza alguna de las actividades de laboratorio o de evaluación continua en el periodo programado, se considerará como puntuación cero. Es requisito indispensable para aprobar la asignatura haber realizado las prácticas de laboratorio (sesión presencial y sesión no presencial) y haber entregado el informe correspondiente y haber realizado la actividad 0 que se propondrá en el aula. Bibliografía Básica: Petrucci, R. H.; Harwood, W. S.; Herring, F. G. Química general. 8a ed. Madrid: Pearson Prentice Hall, ISBN Whitten, K.W.; Davis, R.E.; Peck, M.L. Química general. 5a ed. Madrid: McGraw-Hill, ISBN Butler, I. S.; Grosser, A. E. Problemas de química. Barcelona: Reverté, ISBN Fernández Cánovas, M.. Hormigón. Madrid: Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, ISBN Pardo, P. Apunts específics de l'assignatura. Apunts Campus digital, Callister, W.D. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. 2a ed. México, DF: Limusa Wiley, ISBN Ministerio de Fomento. RC-08 : instrucción para la recepción de cementos : con los comentarios de los miembros de la Comisión Permanente del Cemento. Madrid: Ministerio de Fomento, ISBN Complementaria: López Cancio, J. A. Problemas de química. Madrid: Prentice Hall, ISBN Masterton, W.L.;Hurley, C. N. Química: principios y reacciones. 4a Edició. Madrid: Thomson, ISBN Olba, A. Química general : equilibri i canvi. Valencia: Universidad de Valencia. Servicio de publicaciones, ISBN Paraira, M., Parejo, C. Introducción a la formulación y nomenclatura química inorgánica-orgánica : normas I.U.P.A.C.. Barcelona: Vicens Vives, ISBN Ruiz, A.... [et al.]. Química general. Madrid: McGraw-Hill, ISBN Teijón, J. M.... [et al.]. La Química en problemas. 2a ed. Tébar, ISBN Mehta, P. K. Concrete: structure, properties and materials. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, ISBN Neville, Adam M. Properties of concrete. 4th and final edition. Harlow, Essex: Longman, ISBN / 10