caracterización del material compuesto raquis-cemento
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Caracterización del material compuesto Raquis-Cemento
Isabel Cristina Chica Castrillón
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Bogotá D.C.
2015
2
Caracterización del material compuesto Raquis-Cemento
Isabel Cristina Chica Castrillón
Proyecto de grado para optar por el título de
Ingeniera Civil
Asesor
Ingeniero Fernando Ramírez Rodríguez
PhD. University of Colorado
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Bogotá D.C.
2015
iii
AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo fue dirigido por el profesor Fernando Ramírez, a quien agradezco
especialmente por su colaboración incondicional y compartir su conocimiento y experiencia
conmigo para realizar esta investigación.
También a la ingeniera María Catalina Moreno, quien de manera desinteresada
ayudó en la parte experimental de la realización del proyecto. Al equipo de laboratorio de
Ingeniería Civil y Ambiental por la disposición y la calidad del servicio que me brindaron para
poder realizar los ensayos necesarios.
Finalmente, agradezco a mi familia brindarme todos los días su amor y cariño y por
apoyarme en todos los proyectos que he emprendido en mi vida, incluyendo este trabajo
de grado.
iv
CONTENIDO
1. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................... 12
2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ................................................................................. 14
3. OBJETIVOS ................................................................................................................ 14
3.1. Objetivos generales ........................................................................................... 14
3.2. Objetivos específicos ......................................................................................... 14
4. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 16
4.1. Material Compuesto .......................................................................................... 16
4.2. Hempcrete ......................................................................................................... 16
4.3. Palma Aceitera y Raquis de palma...................................................................... 19
4.3.1. Palma aceitera ............................................................................................ 19
4.3.2. Raquis de palma aceitera ............................................................................ 21
4.4. Cemento Hidráulico ........................................................................................... 23
5. METODOLOGÍA ......................................................................................................... 26
5.1. Caracterización del raquis de palma aceitera ..................................................... 26
5.1.1. Caracterización física de la fibra .................................................................. 26
5.1.2. Caracterización química de la fibra ............................................................. 30
5.2. Caracterización del Raquis-Cemento .................................................................. 32
5.2.1. Caracterización física del compuesto .......................................................... 32
5.2.2. Caracterización mecánica del compuesto ................................................... 32
5.2.3. Caracterización acústica del compuesto...................................................... 44
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................ 49
6.1. Caracterización del raquis de palma aceitera ..................................................... 49
v
6.1.1. Caracterización física de la fibra .................................................................. 49
6.1.2. Caracterización química de la fibra ............................................................. 52
6.2. Caracterización del Raquis-Cemento .................................................................. 56
6.2.1. Caracterización física del compuesto .......................................................... 56
6.2.2. Caracterización mecánica del compuesto ................................................... 58
6.2.3. Caracterización acústica del compuesto...................................................... 66
7. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 71
8. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 73
9. ANEXOS .................................................................................................................... 77
vi
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Bloque de Hempcrete (Crofton, s.f.)............................................................ 17
Ilustración 2. Cultivo de Cáñamo (Bernardo, 2014) .......................................................... 17
Ilustración 3. Fibra de Cáñamo (Arnaud & Gourlay, 2011) ................................................ 18
Ilustración 4. Palma aceitera (El Espectador, 2014) .......................................................... 19
Ilustración 5. Ilustración 3. Crecimiento del área empleada para cultivo de palma africana
en Colombia. Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA y el Sistema de
Información estadística del Sector Palmero (Fedepalma , 2014) y (Moreno, 2014) .......... 21
Ilustración 6. Racimo de fruta fresca de palma africana y racimo desfrutado o raquis
(Moreno, 2014) ................................................................................................................ 22
Ilustración 7. Proyección de la producción de raquis en Colombia en los próximos 15 años.
Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA (Fedepalma , 2014) y (Moreno, 2014)
........................................................................................................................................ 23
Ilustración 8. Raquis de palma después de proceso de molienda ..................................... 26
Ilustración 9. Moldes cilíndricos para fabricación de especímenes de Raquis-Cemento
(Pinzuar L.T.D.A., s.f.) ....................................................................................................... 36
Ilustración 10. Fundición de especímenes de Raquis-Cemento ......................................... 37
Ilustración 11. Máquina Universal Forney ........................................................................ 39
Ilustración 12. Curva esfuerzo vs. Deformación unitaria del vidrio (Ramírez Rodríguez,
Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012) ............................................................................... 40
Ilustración 13. Módulo de elasticidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación,
2012) ............................................................................................................................... 41
Ilustración 14. Límite de fluencia (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)
........................................................................................................................................ 41
Ilustración 15. Ductilidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012) ....... 42
Ilustración 16. Montaje ensayo tracción indirecta ............................................................ 43
Ilustración 17. Montaje para medición de TL del Raquis-Cemento (Cote, 2014) ............... 45
vii
Ilustración 18. Curvas esfuerzo vs. Deformación para Raquis-Cemento de 35% de cemento
........................................................................................................................................ 59
Ilustración 19. Curvas esfuerzo vs. Deformación para Raquis-Cemento de 45% de cemento
........................................................................................................................................ 60
Ilustración 20. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 35% de cemento ........................ 61
Ilustración 21. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 45% de cemento ........................ 61
Ilustración 22. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 35% de cemento a tensión ......... 65
Ilustración 23. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 45% de cemento a tensión ......... 65
Ilustración 24. Muestras de Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de
cemento) y Drywall .......................................................................................................... 66
Ilustración 25. Montaje experimental para caracterización acústica del Raquis-Cemento 67
Ilustración 26. Espectro de ruido para cada material ........................................................ 69
Ilustración 27. Subproductos generados durante el proceso de producción de aceite de
palma (Moreno, 2014) ..................................................................................................... 77
Ilustración 28. Áreas cultivadas de Palma Aceitera para los años 1997 (arriba) y 2007
(abajo) (Fedepalma , 2014) .............................................................................................. 78
Ilustración 29. Procedimiento para determinación de lignina Parte 1 (ASTM - American
Society of Testing Materials, 2013) .................................................................................. 79
Ilustración 30. Procedimiento para determinación de lignina Parte 2 (ASTM - American
Society of Testing Materials, 2013) .................................................................................. 80
Ilustración 31. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 1
(TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993) ............................... 81
Ilustración 32. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 2
(TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993) ............................... 82
Ilustración 33. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 3
(TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993) ............................... 83
viii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Subproductos sólidos en las plantas de beneficio: características y usos ........... 22
Tabla 2. Composición química del cemento (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto:
Cemento, agua y agregados, 2012) .................................................................................. 24
Tabla 3. Producción de cemento y consumo per cápita en Latinoamérica (Ramírez
Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012) ............................ 24
Tabla 4. Influencia de la relación agua/cemento en la resistencia del cemento (Guevara
Fallas, y otros, 2011) ........................................................................................................ 34
Tabla 5. Bandas de octava para la caracterización acústica del Raquis-Cemento .............. 46
Tabla 6. Clasificación del material de acuerdo a su STC .................................................... 47
Tabla 7. Resultados densidad aparente fibra .................................................................... 49
Tabla 8. Parámetros tenidos en cuenta para el cálculo de la densidad de la fibra ............. 50
Tabla 9. Cantidades (en kg) de cemento, agua y fibra para determinación de densidad de la
fibra ................................................................................................................................. 50
Tabla 10. Valores de volumen de agua, cemento y fibra obtenidos para la determinación
de la densidad de la fibra ................................................................................................. 50
Tabla 11. Temperatura registrada para ensayo de absorción ........................................... 51
Tabla 12. Resultados de absorción de agua de la fibra ..................................................... 51
Tabla 13. Resultados contenido de lignina del raquis de palma ........................................ 52
Tabla 14. Valores de parámetros para obtener el contenido de alfa-celulosa en el raquis de
palma ............................................................................................................................... 53
Tabla 15. Resultados del contenido de alfa-celulosa en el raquis de palma ...................... 54
Tabla 16. Valores de parámetros para obtener el contenido de gamma-celulosa en el
raquis de palma ............................................................................................................... 54
Tabla 17.Porcentaje de gamma-celulosa en el raquis de palma ........................................ 55
Tabla 18. Valores de alfa-, beta-, y gamma-celulosa ......................................................... 55
Tabla 19. Valores de densidad para especímenes de Raquis-Cemento de 35% de cemento
........................................................................................................................................ 56
ix
Tabla 20. Valores de densidad para especímenes de Raquis-Cemento de 45% de cemento
........................................................................................................................................ 57
Tabla 21. Parámetros tenidos en cuenta para la realización del diseño de mezclas del
Raquis-Cemento .............................................................................................................. 58
Tabla 22. Diseño de mezclas para Raquis-Cemento de 35% de cemento .......................... 58
Tabla 23. Diseño de mezclas para Raquis-Cemento de 35% de cemento .......................... 58
Tabla 24. Cantidades necesarias para fabricar los especímenes de Raquis-Cemento ........ 59
Tabla 25. Resistencia ultima a la compresión de las muestras de Raquis-Cemento........... 62
Tabla 26.Módulo de elasticidad para muestras de Raquis-Cemento ................................. 63
Tabla 27. Resultados máximo esfuerzo a tensión del Raquis-Cemento ............................. 64
Tabla 28. Dimensiones de muestras para ensayo de aislamiento acústico ........................ 66
Tabla 29. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Raquis-
Cemento (35% de cemento) ............................................................................................. 67
Tabla 30. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Raquis-
Cemento (45% de cemento) ............................................................................................. 68
Tabla 31. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Drywall ....... 68
Tabla 32. Frecuencias Críticas para el Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento
(45% de cemento) y Drywall............................................................................................. 70
Tabla 33. Valores de STC para Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45%
de cemento) y Drywall. .................................................................................................... 70
x
LISTA DE ECUACIONES
Ecuación 1. Densidad aparente ........................................................................................ 27
Ecuación 2. Cálculo volumen de fibra ............................................................................... 28
Ecuación 3. Cálculo densidad de la fibra ........................................................................... 29
Ecuación 4. Cálculo absorción de la fibra .......................................................................... 30
Ecuación 5. Cálculo del contenido de lignina .................................................................... 31
Ecuación 6. Cálculo densidad del Raquis-Cemento ........................................................... 32
Ecuación 7. Cálculo volumen de cemento ........................................................................ 35
Ecuación 8. Calculo peso de cemento............................................................................... 35
Ecuación 9. Cálculo peso de agua ..................................................................................... 35
Ecuación 10. Cálculo peso agua ........................................................................................ 35
Ecuación 11. Cálculo volumen fibra .................................................................................. 35
Ecuación 12. Cálculo peso fibra ........................................................................................ 35
Ecuación 13. Cálculo peso agua fibra ................................................................................ 36
Ecuación 14. Cálculo volumen agua fibra ......................................................................... 36
Ecuación 15. Ecuación esfuerzo........................................................................................ 39
Ecuación 16. Ecuación deformación unitaria .................................................................... 39
Ecuación 17. Cálculo módulo de elasticidad. .................................................................... 41
Ecuación 18. Cálculo máximo esfuerzo a tensión ............................................................. 44
Ecuación 19. Ecuación "Transmission Loss" ...................................................................... 44
Ecuación 20. Ecuacion "Transmission Loss" experimental ................................................ 47
Ecuación 21. Cálculo alfa-celulosa .................................................................................... 53
Ecuación 22. Cálculo gamma-celulosa .............................................................................. 54
Ecuación 23. Cálculo beta-celulosa ................................................................................... 55
11
RESUMEN
Entre los nuevos retos de la ingeniería, no solo se encuentra el innovar con
materiales que cumplan eficientemente el fin para el cual fueron diseñados, también es de
vital importancia que estos se adapten a problemáticas y necesidades de la sociedad, como
lo son la preservación y el mejor manejo de los recursos naturales. Por ello, el presente
proyecto está enfocado en caracterizar un material compuesto titulado Raquis-Cemento;
este está hecho a base de un sub-producto de deshecho llamado raquis de palma aceitera,
cemento hidráulico y agua.
Entre las propiedades que se quieren indagar acerca de Raquis-Cemento se
encuentran sus propiedades físicas y químicas, y su desempeño mecánico y acústico. Lo
anterior, se hace con el fin no solo de evaluar la viabilidad de su uso en nuestro país, sino
que también, para ser comparado con materiales de la misma índole utilizados en otras
partes del mundo como lo es el Hempcrete.
Esta investigación, se estructuró acorde a los procedimientos y metodologías
consignadas en las principales normas de testeo de materiales del mundo y de nuestro país
como la American Society of Testing Materials, la Technical Association of the Pulp and
Paper Industry y la Norma Técnica Colombiana para asegurar que los resultados obtenidos
sean confiables y comparables.
PALABRAS CLAVE
Raquis de palma aceitera, cemento hidráulico, agua, Hempcrete, material
compuesto, propiedades físicas, caracterización química, caracterización mecánica,
caracterización acústica.
12
1. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad, el mundo de la ingeniería encuentra grandes retos en el uso de
materias primas y materiales que permitan no solo cumplir eficientemente con
requerimientos funcionales ligados a sus propiedades físicas y mecánicas, sino también ser
sostenibles económica y ambientalmente. Por lo anterior, surge la idea de agregar
partículas de plantas o subproductos orgánicos de desecho para usarlos como agregados
en materiales de construcción. Lo anterior, se puede justificar por dos razones principales:
La búsqueda de la preservación de los recursos naturales, tales como agregados
minerales, cuyas condiciones de extracción cada vez son más complicadas, debido a
que, no son renovables.
La necesidad de diseñar materiales de construcción más eficientes con un menor
impacto ambiental en lo que refiere a la huella de carbono y el uso de recursos
hídricos.
Iniciando los años noventa, en el continente europeo se conceptualizó un material de
construcción hecho principalmente de cemento hidráulico y fibras vegetales de cáñamo
(fracción no fibrosa del tallo de la planta) llamado Hempcrete. Este fue diseñado con el
objetivo de ser usado en elementos no estructurales de edificaciones, ya que en los diversos
estudios que se le practicaron no revelaban propiedades mecánicas altas. Sin embargo, la
utilización de un material en construcción no solo se limita a este tipo de características, el
material compuesto investigado presentaba potencial como material aislante acústico y
térmico. Además, este material es ambientalmente sostenible puesto que permite una
reducción considerable de la huella ecológica al almacenar aproximadamente 35
kilogramos de dióxido de carbono por metro cuadrado de material (Arnaud & Gourlay,
2011).
En Colombia, no se registra uso de este material porque el cáñamo es una planta que
taxonómicamente pertenece a la familia de la marihuana (Cannabis Sativa). Es importante
aclarar que los contenidos de THC (tetrahidrocannabinol) componente psicoactivo de la
13
planta son mínimos, lo que hace que su plantación sea legal de acuerdo a la ley 30 de 1986,
a pesar de ello, el cultivo extensivo del cáñamo simplemente es inexistente. Ya que, no se
cuenta con esta planta, y por ende con su fibra en el territorio nacional, se puede recurrir
al uso de fibras locales para analizar su potencial uso en materiales de esta índole. De esta
manera, revisando el tipo de fibras con las que se cuenta en Colombia, y así mismo, la
abundancia de la planta que la produce, se pensó en la Palma Africana de Aceite o Palma
Aceitera.
Esta planta posee cultivos extensivos a lo largo de la geografía colombiana, y al igual
que el cáñamo, tiene una huella ecológica baja puesto que es capaz de almacenar en un
cultivo de 1,5 millones de hectáreas, 50 millones de toneladas de dióxido de carbono. Este
valor supera en 10 veces la cantidad de dióxido de carbono que puede almacenar un cultivo
corriente anualmente (Conil & Lugo, s.f.) lo cual es una cuantía muy superior, y en
consecuencia, representa mayores beneficios al medio ambiente. La plantación de Palma
Africana tiene como principal fin abastecer a Colombia y otros países de biocombustible;
durante los procesos de cosecha, corte y extracción de aceite, se generan gran cantidad de
residuos sólidos. Por ejemplo, una hectárea del cultivo de palma africana en Colombia
puede producir, aproximadamente, 3,8 toneladas de material fibroso seco de raquis
(Angarita, Díaz, & Lozano , 2009).
Este último, más conocido como raquis de palma, puede ser una solución para la
implementación de un material semejante al Hempcrete en nuestro país. Por ello, en este
proyecto de grado se pretende evaluar su uso en combinación con el cemento para revisar
si este nuevo material, Raquis-Cemento, funciona de manera similar o mejor al Hempcrete
en lo que refiere a sus propiedades física, mecánicas y acústicas.
14
2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN
¿Es viable la implementación del raquis de palma africana en un material compuesto en
matriz cementante?
¿Tendrá el material Raquis-Cemento un mejor desempeño en lo que refiere a propiedades
físicas, mecánicas y acústicas al del Hempcrete?
3. OBJETIVOS
3.1. Objetivos generales
Evaluar las propiedades físicas, químicas, mecánicas y acústicas del material
Raquis-cemento.
Comparar los valores obtenidos de las propiedades del Raquis-Cemento con las
propiedades del material Hempcrete.
Evaluar el uso potencial del material Raquis-Cemento como muro y cerramiento
(elementos no estructurales) en edificaciones.
3.2. Objetivos específicos
Encontrar la composición química del Raquis de Palma Africana (Lignina, alpha-
celulosa, beta-celulosa y gamma-celulosa)
Encontrar la dosificación óptima para obtener una adherencia adecuada entre el
Raquis de palma africana y el cemento hidráulico.
Realizar los correspondientes diseños de mezclas para el material Raquis-Cemento
Encontrar las diferentes propiedades mecánicas (máximo esfuerzo a compresión,
máximo esfuerzo a tensión y módulo de elasticidad) del material Raquis-Cemento.
15
Caracterizar el desempeño acústico del material Raquis-Cemento (Transmission Loss
y Sound Tramission Class)
16
4. MARCO TEÓRICO
4.1. Material Compuesto
Los materiales compuestos, son materiales multifásicos que se obtienen a través de la
combinación artificial de diferentes elementos para alcanzar las propiedades que estos
individualmente no podrían tener. Este tipo de materiales se pueden adaptar para diversas
propiedades seleccionando adecuadamente sus componentes, sus distribuciones, sus
morfologías, así como su estructura y composición de la interfaz entre sus componentes
(Chung, 2010).
Debido a su fuerte adaptabilidad, estos pueden ser diseñados para satisfacer las
necesidades tecnológicas relacionadas con la industria aeroespacial, automotriz,
electrónica, de la construcción, energética y biomédica (Chung, 2010). Un ejemplo común
de un material de esta índole es el concreto, el cual es un compuesto estructural hecho a
partir de cemento, agregado fino (arena suelta), agregado grueso (grava), y en algunos
casos, aditivos para mejorar su manejabilidad, plasticidad, etc.
Los materiales compuestos, de acuerdo al material que conforma la matriz (material
que tiene la capacidad de unir o aglutinar) se pueden clasificar principalmente en 5 clases:
de matriz polimérica, de matriz cementante, de matriz metálica, de matriz de carbono y de
matriz cerámica (Chung, 2010). Los materiales compuestos de matriz polimérica y
cementante son los más comunes debido a su bajo costo de fabricación. Los materiales
compuestos de matriz polimérica son típicamente usados para la fabricar estructuras
livianas como sillas e implementos deportivos, mientras los conformados por matriz
cementante son utilizados para viviendas y sistemas constructivos prefabricados,
aislamiento acústico y aislamiento térmico.
4.2. Hempcrete
El Hempcrete (ver Ilustración 1) es un material compuesto fabricado a partir de
cemento hidráulico, agua y fibra de cáñamo. Esta última, fue introducida al mundo de la
17
construcción a principios de los años noventa, en Francia, con el fin de implementarla en el
concreto para que este fuera más liviano (Evrard, Sorption behaviour of Lime-Hemp
Concrete and its relation to indoor comfort and energy demand, 2006).
Ilustración 1. Bloque de Hempcrete (Crofton, s.f.)
Se recurrió a esta fibra, ya que el cultivo de cáñamo presenta un rápido crecimiento y
una rotación anual, lo que la hace un recurso renovable (Mukherjee, 2012). Además, es un
cultivo que es capaz de recolectar más dióxido de carbono (CO2) en su proceso de
crecimiento y recolección, que el generado en la producción del Hempcrete. Del cáñamo se
pueden extraer fibras tanto de su corteza, como de su núcleo, sin embargo, es del núcleo
donde se originan las fibras que son utilizadas para la fabricación del Hempcrete, las cuales
tiene una apariencia y una estructura celular similar a la de la madera (De Bruijn, 2008).
Ilustración 2. Cultivo de Cáñamo (Bernardo, 2014)
18
Esta fibra es combinada con una pequeña cantidad de cemento, con el fin de reducir sus
tiempos de curado. Como resultado, se obtiene una mezcla liviana con unas propiedades
de aislamiento térmico buenas, como es indicado en estudios recientes (Mukherjee, 2012).
Ilustración 3. Fibra de Cáñamo (Arnaud & Gourlay, 2011)
En lo que refiere a densidad, el Hempcrete maneja unos rangos bajos, al estar
siempre oscilando entre valores de 390 kg/m3 y 650 kg/m3 dependiendo de su composición
de fibra, agua y cemento (Arnaud & Gourlay, 2011). Otras propiedades, como la
conductividad térmica del material (se pueden entender como una medida de aislamiento
térmico), se ven afectadas por los valores de densidad, ya que a mayor densidad, el
compuesto es capaz de impedir en mayor magnitud el paso de calor; un ejemplo de esto,
es que unas muestras de Hempcrete de 548 kg/m3 y 245 kg/m3 tienen unas conductividades
térmicas de 0,114 W/(m*K) y 0,071 W/(m*K), respectivamente (Mukherjee, 2012).
Pasando ahora a las propiedades mecánicas del material, debido a sus bajas
resistencias, es utilizado generalmente como material de relleno de marcos estructurales
(madera), o como material de aislamiento de techos, paredes y pisos (Mukherjee, 2012).
Dependiendo de las cantidades de fibra de cáñamo, cemento y agua, los valores típicos de
resistencia última a la compresión se encuentra entre 0,15 MPa y 1,2 MPa. Sin embargo, al
igual que el concreto, este valor está altamente influenciado por las condiciones de curado
y de edad del espécimen, ya que con el pasar del tiempo, se evidencia un incremento en la
resistencia (Arnaud & Gourlay, 2011).
19
Finalmente, a pesar de que el Hempcrete es un material fabricado a base de materia
orgánica, este no se descompone, debido a la presencia de cal (aportada por el cemento)
en la mezcla, además, pasado su ciclo de vida, es mayormente biodegradable (Mukherjee,
2012).
4.3. Palma Aceitera y Raquis de palma
4.3.1. Palma aceitera
La palma aceitera, o africana, es la oleaginosa con mayor comercio en el mundo, ya que se
emplea para producir biodiesel. A partir del aceite que se extrae de la misma, se realizan
alimentos, cosméticos y productos de uso personal, tales como cremas y jabones (Moreno,
2014). Esta planta tropical crece solo en tierras de clima cálido, que no estén a una altura
mayor a los 500 metros sobre el nivel del mar. Es originaria de las costas occidentales
africanas, más específicamente de Guinea, y su llegada a América se debe a que, los
portugueses usaban la planta y sus derivados en la dieta de los esclavos africanos que se
traían a Brasil (Cámara de Comercio de Cartagena, 2010).
Ilustración 4. Palma aceitera (El Espectador, 2014)
En el pasado, las poblaciones locales africanas utilizaban esta planta para diversos
usos, entre ellos la fabricación de productos alimenticios y medicinales, utilizando para ello
20
no solo sus frutos, sino también, sus fibras y savia. Sin embargo, en la actualidad su principal
uso es para la extracción del aceite de palma y palmiste y por ello, el gran número de
cultivos a gran escala alrededor del mundo (Movimiento Mundial por los Bosques
Tropicales, 2011). La palma aceitera es un cultivo que puede empezar a rendir frutos entre
los dos y tres años (mediante el uso de variedades seleccionadas y clonadas), y pueden
tener una vida productiva de 50 años, pero cabe anotar que la planta alcanza su mayor
producción entre los 20 y los 30 años (Movimiento Mundial por los Bosques Tropicales,
2011).
A pesar de que la palma aceitera proviene del continente africano y además, tiene
una área geográfica de reproducción tan limitada (entre las latitudes 20 ° norte y 20 ° sur y
hasta 500 metros sobre el nivel del mar), no ha sido impedimento para que los cultivos
estén a lo largo de todo el mundo, incluyendo el sudeste asiático, África, Latinoamérica, y
especialmente nuestro país, Colombia; donde fue introducida por el director del Jardín
Botánico de Bruselas, Florentino Claes, en 1932 (Moreno, 2014). En los años 1945 y 1949,
tanto el Gobierno Nacional, como la United Fruit Company realizaron plantaciones
pequeñas de palma de aceite; pero fue hasta el año 1957, que el Gobierno propició la
creación de plantaciones piloto, con la participación financiera del Estado e inversionistas
particulares.
El Gobierno encomendó el fomento e investigación de este cultivo al Instituto de
Fomento Algodonero (I.F.A.) quien en 1960, inició las primeras plantaciones comerciales. A
finales de 1961 se habían plantado 3400 hectáreas y desde entonces ha mostrado
incrementos permanentes en el área sembrada (Gómez Cuervo, y otros, 1990) . Este
comportamiento se puede evidenciar en la Ilustración 28 (ver página 77), donde muestra la
distribución espacial de los cultivos de palma aceitera para los años 1997 y 2007.
A causa de los diferentes usos que tiene la palma aceitera y sus subproductos, en las
últimas décadas, el mercado de aceite ha sido uno de los más dinámicos; esto se justifica
por tres razones principales: un cambio en las costumbres alimenticias de las ciudades, el
21
crecimiento de la población mundial y el mayor crecimiento económico chino e indio
(Cámara de Comercio de Cartagena, 2010).
Ilustración 5. Ilustración 3. Crecimiento del área empleada para cultivo de palma africana en Colombia. Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA y el Sistema de Información estadística del Sector Palmero (Fedepalma ,
2014) y (Moreno, 2014)
Por ello, el gobierno ha continuado con la generación de incentivos para las inversiones
en este mercado y ha destinado recursos a la investigación sobre esta planta, y su
mejoramiento genético, para aplicar este conocimiento en otras problemáticas nacionales,
como el remplazo de los cultivos ilícitos por cultivos de palma africana (Moreno, 2014). Lo
anterior, se corrobora en la Ilustración 5, donde se evidencia, claramente, un incremento
en área de las plantaciones de esta especie, y así mismo, nos permite inferir que en la
actualidad, la economía de la palma es fuerte y ocupa un gran porcentaje de participación
dentro de la economía colombiana.
4.3.2. Raquis de palma aceitera
El raquis de palma aceitera, también conocida como tusa de palma, es uno de los
subproductos generados durante el proceso de producción del aceite. Este residuo está
conformado por una porción de racimo fresco (entre el 17,7% y el 26,1%), otra que
corresponde al fruto (entre el 62% y el 72%) y lo restante, representa la humedad del racimo
(alrededor del 10%) (Agroindustria de la Palma de Aceite, s.f.).
22
Ilustración 6. Racimo de fruta fresca de palma africana y racimo desfrutado o raquis (Moreno, 2014)
A pesar de que en este proceso se generan residuos adicionales (todos los residuos
generados de la palma africana se encuentran en la Ilustración 27 , sección Anexos), como
las fibras provenientes del mesocarpio del fruto y la cascarilla de la nuez; solamente el
raquis, y los lodos generados (como efluentes y las cenizas) son los productos que no
ingresan en su totalidad al proceso de producción para complementarlo y por ello, a este
material sobrante no le queda más función que ser desechado. En la Tabla 1 se muestran
algunas propiedades de estos subproductos sólidos, así como sus principales usos cuando
son recolectados en las plantaciones de palma.
Tabla 1. Subproductos sólidos en las plantas de beneficio: características y usos
En la actualidad, se le ha intentado dar otros usos al raquis de palma africana, como
materia prima para abonos, rellenos y compostajes. Sin embargo, dada la información
expuesta en el inciso anterior (Palma aceitera), es evidente que la producción de palma, así
N P K
Tusa
o Raquis23 a 65 22 0,80 0,20 2,90
Abono orgánico en
las plantaciones
Fibra 12 a 42 13 1,40 2,80 9,00Combustible en
las calderas y abono
Cáscara
o cuesco7 a 15 6 0,60 3,30 12,70
Combustible y material
para adecuacion de vias
internas
SubproductoHumedad
(%)
Peso equivalente
al fruto
procesado (%)
Composición Química
(ppm) Uso principal
23
como las cantidades de subproductos de desecho seguirán creciendo cada día más.
Adicionalmente, si tiene en cuenta la tasa a la cual han crecido los cultivos de palma en el
país y el rendimiento promedio de producción de fruto por hectárea (entre 1994 y 2014 fue
de 16,95 toneladas por hectárea), se puede estimar la producción futura de raquis teniendo
en cuenta las proporciones entre fruto y tusa vacía, presentadas en la Ilustración 27
(Moreno, 2014).
Ilustración 7. Proyección de la producción de raquis en Colombia en los próximos 15 años. Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA (Fedepalma , 2014) y (Moreno, 2014)
A partir de la proyección de raquis de palma para los próximos 15 años, se calcula
que se producirán más de 100 millones de toneladas, que deberán ser desechados al no
tener aplicación en otras áreas.
4.4. Cemento Hidráulico
El cemento es un material artificial aglomerante, fabricado a partir de una mezcla de
arcilla y materiales calcáreos, capaz de unir sustancias disgregadas en presencia de agua
(activa las propiedades aglutinantes del cemento) y, posteriormente, se endurece para
transformarse en una masa consistente y compacta (Gran Enciclopedia Hispánica, 2014).
Su proceso de fabricación inicia con la explotación en cantera de caliza y arcilla. Una
vez recolectadas, estas se someten a un proceso de trituración hasta alcanzar tamaños
entre 25 y 30 milímetros de diámetro, para ser mezcladas y homogeneizadas. Luego, a esta
mezcla se le realiza un tratamiento térmico en horno giratorio a una temperatura entre
1400 y 1500 grados centígrados, donde a su vez, se le agrega sílice y alúmina para forman
24
una sustancia llamada Clinker (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y
agregados, 2012). Finalmente, después de que el Clinker se ha enfriado, se tritura y,
paralelamente, se le adiciona yeso y puzolana, lo que da como resultado final el cemento
(Gran Enciclopedia Hispánica, 2014). En la Tabla 2 se observa la composición química del
cemento.
Tabla 2. Composición química del cemento (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012)
Tanto la fabricación de cemento, como su industria, son de gran importancia a nivel
mundial, ya que este componente es fundamental para la fabricación de concreto, el cual
es el segundo material más utilizado en el planeta (aproximadamente 3 toneladas anuales
por persona a nivel mundial) solo superado por el agua, que a su vez es utilizado para la
fabricación de este componente (Figueroa & Díaz, 2009).
Tabla 3. Producción de cemento y consumo per cápita en Latinoamérica (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012)
25
El papel del cemento tiene un rol significativo, debido a que, es una materia prima
fundamental para el desarrollo de infraestructura, y por ende, indispensable para el
crecimiento y desarrollo de un país. A pesar de que, la industria del cemento es dinámica y
está sujeta a las tendencias de globalización, preservación del medio ambiente y
disminución de la dependencia de combustibles fósiles y materias primas de origen natural;
es una de las industrias más contaminantes a nivel mundial. Lo anterior, ya que su
producción, además de requerir materiales de origen mineral, que no son renovables,
requiere cantidades de energía importantes (110 kilowatt-hora por tonelada de cemento)
y, adicionalmente, genera grandes cantidades de emisiones la atmósfera (entre 500 y 1000
kilogramos de CO2 por tonelada de cemento) que representan aproximadamente el 5% de
la producción de CO2 a nivel mundial (Figueroa & Díaz, 2009).
No obstante, el cemento sigue y seguirá siendo utilizado por la industria de la
construcción, a pesar de las altas cifras de contaminación. Por ello, se hace necesario
investigar acerca de nuevas alternativas de bajo costo, que cumplan o superen las
especificaciones actuales que tiene el cemento y con ello, disminuir o eliminar el consumo
este insumo.
26
5. METODOLOGÍA
5.1. Caracterización del raquis de palma aceitera
En esta sección, se presentarán las metodologías y procedimientos utilizados para
encontrar algunas propiedades físicas y químicas del raquis de palma aceitera. Esto, con el
fin de saber a detalle si las propiedades encontradas afectarán de manera significativa la
realización del diseño de mezclas y la fabricación de los especímenes de Raquis-Cemento.
5.1.1. Caracterización física de la fibra
5.1.1.1. Densidad aparente
La densidad aparente se define como la relación entre el peso y el volumen de una
sustancia incluyendo los vacíos o poros que esta pueda tener (Construmática, s.f.). Aunque
este concepto es más utilizado en otros ámbitos de la ingeniería, las fibras deben venir
procesadas dependiendo del tipo de uso que se les vaya a dar (en forma de tejido, prensado,
en pedazos pequeños etc.), por ello sus arreglos son variables y como consecuencia su
densidad.
Para medir esta propiedad física, se debe tener en cuenta que esta va a ser utilizada
para su posterior mezcla con cemento, por lo cual debe tener un tamaño pequeño (en un
rango de 5 a 10 mm) que le dé manejabilidad suficiente para su mezclado y colocación. En
la Ilustración 8 se muestra la apariencia de la fibra después de su proceso de molienda.
Ilustración 8. Raquis de palma después de proceso de molienda
27
Para poder medir la densidad aparente de la fibra, es necesario tener un recipiente
de dimensiones, volumen y peso conocido. Para este caso, se utilizó un recipiente cilíndrico
con un diámetro de 10 centímetros y una altura de 10 centímetros. Ahora, se coloca la fibra
en el recipiente de tal manera que no sea compactada durante el proceso, con el fin de que
tenga el mismo arreglo y los mismos vacíos que presenta de forma natural, para así, poder
registrar su peso en una balanza.
Una vez conocido el peso del recipiente más el peso de la fibra, se procede a calcular
la densidad aparente de la fibra a partir de la siguiente expresión:
𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔
𝑚3) =
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒+𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑘𝑔) − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒(𝑘𝑔)
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑚3)
Ecuación 1. Densidad aparente
Aunque la densidad aparente no es una propiedad intrínseca del material, ya que
esta varía de acuerdo a su compactación, medir este parámetro nos da una idea de cómo
las partículas están distribuidas en un espacio de manera natural.
5.1.1.2. Densidad real de la fibra
Se entiende por densidad real la relación entre el peso y el volumen de una sustancia
sin incluir los vacíos o poros que esta pueda tener (Gran Enciclopedia Hispánica, 2014). A
diferencia de la densidad aparente, esta propiedad es fundamental del material y, a su vez,
es más difícil de medir ya que, además de tener que eliminar el volumen de los vacíos que
se presentan entre las fibras, se debe eliminar el volumen correspondiente a los poros que
presenta el material en su estructura interna. Para este proyecto, es necesario conocer con
precisión la densidad real del material, debido a que, posteriormente, este valor nos
ayudará a calcular de manera correcta el diseño de mezclas para la preparación del material
Raquis-Cemento.
Ya que, para el cálculo de esta propiedad no se tenían los montajes exigidos por la
norma ASTM D3800M-11 (Standard Test Method for Density of High-Modulus Fibers), para
28
medición de densidades en fibras, se recurrió a otro método no estandarizado para obtener
este valor.
Dado que la fibra dentro del material Raquis-Cemento estará embebida en una matriz
cementante, se quiso recrear estas condiciones para hallar el valor de la densidad. Para
realizar esto, de manera aleatoria se definió una cantidad de agua y de cemento, con peso
y volumen conocidos; asimismo, se escogió una formaleta para fundición de especímenes
de concreto, con dimensiones, peso y volumen conocidos. Teniendo ya estos materiales, se
realizó el siguiente procedimiento:
Mezclado: Aquí, se mezcló el cemento y el agua hasta obtener una mezcla
consistente de mortero (pasta de cemento). Posteriormente, se añadió la fibra
a la mezcla.
Colocación: Con la mezcla lista, se colocó toda esta en una formaleta para
fundición de especímenes de concreto, con unas dimensiones de 10 centímetros
de diámetro y 20 centímetros de altura.
Desencofrado: El espécimen de fibra y cemento se retiró de la formaleta 24
horas después de su fundición.
Curado: El espécimen no tuvo un proceso de curado especifico, únicamente, se
dejó al aire durante un periodo de una semana con el fin de obtener una muestra
totalmente seca. Esto, ya que el agregar agua u otra sustancia al espécimen
podía afectar de manera directa su peso final.
Con el espécimen fabricado, se procede a reportar su volumen, y como se tienen
todos los valores de volumen de los materiales, excepto el volumen de la fibra, se procede
a calcular este a partir de la siguiente ecuación:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑚3) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛(𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3)
Ecuación 2. Cálculo volumen de fibra
Ya con el valor del volumen ocupado por la fibra, se puede calcular la densidad de
esta a partir de la siguiente expresión:
29
𝜌𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔
𝑚3) =
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔)
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3)
Ecuación 3. Cálculo densidad de la fibra
Con este dato disponible, más adelante será posible calcular de manera precisa el
diseño de mezclas para la fabricación del Raquis-Cemento.
5.1.1.3. Absorción de la fibra
A pesar de no ser una propiedad fundamental de la materia, para este proyecto, es de
vital importancia el cálculo de ella, puesto que las fibras, naturalmente, son materiales
hidrofílicos (afines con el agua) y al combinarlas con el cemento, que también presenta esta
característica, se corre el peligro de que la mezcla no tenga el suficiente contenido de agua
que permita, no solo la adherencia entre las dos sustancias, sino también la manejabilidad
necesaria para fundir los especímenes de Raquis-Cemento.
Para determinar esta propiedad, se recurrió al uso de la norma ASTM C209-07a
(Standard Test Method for Cellulosic Fiber Insulating Board) que señala como calcular
algunas propiedades físicas de materiales hechos a base de fibras vegetales, entre estas la
absorción de agua.
Se sigue la misma metodología indicada en la norma, sin embargo, no se cumple con el
tamaño de espécimen exigida (12 pulgadas por 12 pulgadas) ya que la fibra viene de forma
suelta, por ello se pesaron 5 gramos de fibra, lo que conformará una muestra. Una vez
pesada esta, se coloca en un colador y se sumerge cuidadosamente a una pulgada de
profundidad en agua a una temperatura constante de 23°C durante 2 horas. Pasado este
tiempo, se procede a retirar el colador del agua, se deja escurrir durante 10 minutos y,
finalmente, se seca el exceso de agua superficial (ASTM - American Society of Testing
Materials, 2007). Hecho esto, se pesa inmediatamente el espécimen y se reporta el valor
obtenido.
Se calcula la absorción de agua por parte de la fibra como:
30
𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (%) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎+𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟(𝑘𝑔) − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎+𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟(𝑘𝑔)
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎(𝑘𝑔)∗ 100%
Ecuación 4. Cálculo absorción de la fibra
Con la determinación de este parámetro, se logrará realizar un mejor cálculo sobre la
cantidad de agua necesaria para la elaboración de las muestras de Raquis-Cemento, lo que
traerá como resultado un mejor diseño de mezclas.
5.1.2. Caracterización química de la fibra
5.1.2.1. Contenido de Lignina
La lignina es un componente presente en la pared celular de las células vegetales y su
función principal es ayudar en el movimiento interno de agua, debido a que, forma una
barrera contra la evaporación (Pedraza Rodríguez, 2011). Además, es la clave en la rigidez
propia de cada especie de planta, que es lo que aporta capacidad estructural a la fibra para
poder resistir aplicaciones de carga.
Para determinar el porcentaje de lignina presente en el raquis de palma, se hizo uso de
los procedimientos consignados en las normas ASTM D1106-96 (Stantard Test Method for
Acid-Insoluble Lignin in Wood) y ASTM D1107-96 (Standard Test Method for Ethanol-
Toluene Solubility of Wood).
Este proceso, consiste fundamentalmente en tratar la fibra con ácidos fuertes (solución
de H2SO4 al 72%) para hidrolizar los carbohidratos que esta tenga, y la parte que no
reacciona se considera como lignina (ASTM - American Society of Testing Materials, 2013).
Este residuo insoluble además de contener lignina, contiene grasas, resinas y ceras; por ello,
la norma ASTM D1107-96 (que hace parte del procedimiento de la norma ASTM D1106-96)
utiliza una solución de Etanol-Tolueno para remover estos componentes. El procedimiento
detallado de las dos normas se encuentra en la Ilustración 29 y la Ilustración 30 de la sección
de Anexos (ver página 77).
31
Ya que, para cada paso es necesario reportar los valores de pesos de cada componente,
la manera general de calcular el porcentaje de lignina está dada por:
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑔𝑛𝑖𝑛𝑎 (%) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑘𝑔) − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎𝑠+𝑔𝑟𝑎𝑠𝑎𝑠+𝑐𝑒𝑟𝑎𝑠(𝑘𝑔)
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎∗ 100%
Ecuación 5. Cálculo del contenido de lignina
5.1.2.2. Contenido de Celulosa y Hemicelulosa
La celulosa es una macromolécula natural, formada por una cadena lineal de moléculas
de glucosa. Es el principal componente estructural de la pared celular de las plantas
superiores y de varias especies de algas. Consta de diversos estratos, de consistencia casi
siempre rígida, que como consecuencia, confieren al vegetal su soporte (Gran Enciclopedia
Hispánica , 2014).
Por otro lado, la hemicelulosa es un heteropolisacárido que forma parte de la pared
celular de los tejidos vegetales. Aunque tiene menos resistencia mecánica que la celulosa,
estos dos componentes aparecen asociados a ésta propiedad (Gran Enciclopedia Hipánica,
2014).
Para encontrar en qué proporción se encuentra la celulosa y hemicelulosa en el raquis
de palma, se hizo uso de la norma TAPPI T203-93 (Alpha-, beta- and gamma- cellulose in
pulp), que pretende determinar los contenidos de alfa-, beta- y gamma- celulosa. Estos 3
componentes indican la celulosa no degradada de mayor peso molecular de la fibra, la
celulosa degradada y la hemicelulosa, respectivamente (TAPPI -Technical Association of the
Pulp and Paper Industry, 1993).
Con el fin de realizar este ensayo de manera correcta, es necesario que previamente el
raquis de palma a utilizarse se encuentre deslignificado (sin lignina). Una vez con esto, se
procede a extraer la fibra con 17,5% y 9,45% de soluciones de hidróxido de sodio a 25°C. La
fracción soluble de la mezcla, consiste en beta- y gamma-celulosa (esta última es
determinada volumétricamente por oxidación con dicromato de potasio), y la fracción
32
insoluble es alfa-celulosa. El procedimiento detallado de esta norma se encuentra en la de
la sección de Anexos (ver página 77).
5.2. Caracterización del Raquis-Cemento
En esta sección, se presentarán las metodologías y procedimientos utilizados para
encontrar algunas propiedades físicas, mecánicas y acústicas del material Raquis-Cemento.
Esto, para determinar la viabilidad de la utilización de este compuesto como materia prima
para partes no estructurales de edificaciones y poderlo comparar cuantitativamente con las
propiedades del Hempcrete.
5.2.1. Caracterización física del compuesto
5.2.1.1. Densidad del compuesto
Se define densidad como el “cociente entre la masa de un cuerpo y su volumen” (Gran
Enciclopedia Hispánica, 2014). Para la medición de esta propiedad del Raquis-Cemento, no
se siguió ningún procedimiento estándar, únicamente, partiendo de la definición de
densidad, se procedió a reportar el peso y el volumen de Raquis-Cemento. Ya con estos
valores, se calcula la densidad como:
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠−𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑘𝑔
𝑚3) =
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠−𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑘𝑔)
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠−𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑚3)
Ecuación 6. Cálculo densidad del Raquis-Cemento
5.2.2. Caracterización mecánica del compuesto
5.2.2.1. Diseño de mezclas
El diseño de mezclas es “el proceso de selección de ingredientes y sus cantidades para
producir el concreto más económico que satisfaga los requisitos de manejabilidad,
resistencia y durabilidad” (Ramírez Rodríguez, Diseño de Mezclas, 2012). En la actualidad,
ya existen métodos estandarizados para la realización de mezclas de concreto (ACI 211.1:
33
Método de diseño para concretos hidráulicos normales); sin embargo, debido a que el
cemento en esta ocasión no se mezclará con agregados gruesos (piedra o grava) y finos
(arenas sueltas), sino con una fibra vegetal, se hace necesario hacer el diseño de mezclas
de manera diferente, con la finalidad obtener una mezcla adaptada a los nuevos
requerimientos impuestos por el uso de raquis de palma aceitera.
Ahora, el procedimiento utilizado para la realización del diseño de mezclas del Raquis-
Cemento fue el siguiente:
Definición de contenido de cemento:
Con el propósito de definir la cantidad de cemento necesaria en la mezcla, se
hicieron pruebas previas de adherencia para encontrar la mínima cantidad de cemento
que hiciera que este y el raquis de palma tuvieran una unión correcta. Además, se
hicieron revisiones literarias acerca de materiales con características parecidas, como el
Hempcrete, para conocer datos típicos acerca de cantidad de cemento utilizada para su
fabricación.
Los valores típicos encontrados para el Hempcrete oscilan entre el 20% y 30% de
cemento (porcentaje sobre el volumen total del espécimen) (Arnaud & Gourlay, 2011),
pero al utilizar estas cantidades de cemento en conjunto con el raquis de palma, no
hubo adherencia entre los dos compuestos.
Posterior a esto, se intentó incrementar el porcentaje de cemento a fin de
corroborar que hubiera unión entre este y el raquis de palma, y también, revisar la
viabilidad del proyecto, ya que una cantidad elevada de cemento incrementaría de
forma significativa los costos. Finalmente, se obtuvo que la cantidad de cemento
necesaria para que este se uniera con el raquis de palma fue del 35%.
Este valor, junto con 45%, son los porcentajes de cemento que se utilizarán en este
proyecto para la realización de los diseños de mezclas.
Relación agua-cemento (A/C)
34
La relación agua-cemento se define como la relación entre el peso del agua y el peso del
cemento utilizada en una mezcla (Guevara Fallas, y otros, 2011). En esta relación, el agua
tiene una gran importancia, ya que, ella y su relación con el cemento, están altamente
ligados a una gran cantidad de propiedades del material final que se obtendrá, en donde,
usualmente, conforme más agua se adicione, aumenta la fluidez de la mezcla y, por lo tanto,
su manejabilidad, lo cual presenta grandes beneficios para la fabricación del compuesto. No
obstante, también comienza a disminuir la resistencia, debido a un mayor volumen de
espacios creados por el agua. Así, se puede afirmar que la resistencia del cemento, y para
el caso de este proyecto, el Raquis-Cemento, depende altamente de la relación por peso
entre el agua y el cemento (Guevara Fallas, y otros, 2011).
En la Tabla 4 se muestra la dependencia entre la relación agua-cemento y la resistencia
del cemento:
Tabla 4. Influencia de la relación agua/cemento en la resistencia del cemento (Guevara Fallas, y otros, 2011)
Dado que el cemento no será mezclado con agregados (lo que le permitiría obtener una
resistencia mayor) sino con fibras vegetales, se quiere que este alcance la mayor resistencia
posible, por lo que para este proyecto, la relación agua-cemento que se utilizará para los
diseños de mezclas será de 0,3.
Calculo de cantidades:
Para realizar el diseño de mezclas y obtener las cantidades de cemento, agua y raquis
de palma a utilizar, debemos tener como valores iniciales: las densidades de los tres
A/C f'c (MPa)
0,36 0,0041
0,40 0,0036
0,45 0,0033
0,50 0,0029
0,55 0,0027
0,60 0,0022
0,65 0,0021
0,70 0,0018
0,75 0,0016
0,80 0,0013
35
compuestos, la absorción de agua de la fibra, el porcentaje de cemento, la relación agua
cemento, y el tamaño de la formaleta donde se fundirán los especímenes.
Para calcular la cantidad de cemento a utilizar, tanto en volumen, como en peso se
utilizan las siguientes expresiones:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3) = % 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛) ∗ 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎
Ecuación 7. Cálculo volumen de cemento
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑘𝑔) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3) ∗ 𝜌𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑘𝑔
𝑚3)
Ecuación 8. Calculo peso de cemento
Teniendo ya el valor de cemento, es posible calcular la cantidad de agua necesaria a
partir de la Ecuación 9 y la Ecuación 10.
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑘𝑔) = 𝐴/𝐶 ∗ 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑘𝑔)
Ecuación 9. Cálculo peso de agua
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑚3) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑘𝑔)
𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑘𝑔𝑚3)
Ecuación 10. Cálculo peso agua
Ahora, se cuantificará la fibra necesaria para la realización de la mezcla:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎(𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑚3)
Ecuación 11. Cálculo volumen fibra
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3) ∗ 𝜌𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎
Ecuación 12. Cálculo peso fibra
Por último, al ser la fibra hidrofílica, tiene la capacidad de absorber cierta cantidad
de agua. Este requerimiento adicional de agua se calcula de la siguiente manera:
36
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔) = % 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑠𝑜) ∗ 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎
Ecuación 13. Cálculo peso agua fibra
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑘𝑔)
𝜌𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔𝑚3)
Ecuación 14. Cálculo volumen agua fibra
Realizados estos cálculos, es posible obtener el diseño de mezclas y, así mismo,
determinar de manera precisa las cantidades necesarias para preparar el Raquis-Cemento.
5.2.2.2. Fundición y curado de especímenes de Raquis-Cemento
Una vez fabricada la mezcla, se procedió a fundir los especímenes de Raquis-Cemento.
Estos fueron fabricados con base a la norma NTC-550 que explica el procedimiento para la
elaboración y curado de especímenes cilíndricos de concreto.
Las formaletas utilizadas en este procedimiento son moldes cilíndricos de 10
centímetros de diámetro y 20 centímetros de alto como los mostrados en la Ilustración 9.
Ilustración 9. Moldes cilíndricos para fabricación de especímenes de Raquis-Cemento (Pinzuar L.T.D.A., s.f.)
Antes de vaciar el Raquis-Cemento en ellos, es necesario que estos estén totalmente
engrasados para que en el proceso de desencofrado no se tengan inconvenientes y que los
cilindros queden fabricados de manera correcta. Ya que, durante la fundición no se
37
reportarán valores de asentamiento y contenido de aire de la mezcla, no es necesario contar
con aparatos como el cono de Abrams, ni tampoco con medidores de contenido de aire.
Para fabricar el compuesto, primero se mezcla el raquis de palma con su respectiva agua
de absorción y se deja saturando por un periodo de 20 minutos. Paralelamente, se mezcla
el cemento con agua (determinada con base a la relación agua-cemento) hasta formar el
mortero. Una vez pasado los 20 minutos, se combina la pasta de cemento y el raquis de
palma hasta tener una mezcla homogénea.
Con todo el montaje listo, se selecciona una herramienta de la forma y tamaño
suficiente para vaciar el contenido dentro de los cilindros y se coloca la mezcla en el molde,
garantizando la completa distribución del Raquis-Cemento en el cilindro. El especimen debe
ser fundido en tres capas y entre cada una de ellas, con una varilla compactadora, propiciar
25 golpes con el fin de compactar la muestra (NTC - Norma Técnica Colombiana, 2000).
Adicionalmente, para la fabricación del Raquis-Cemento, entre cada capa se deben
propiciar 10 golpes con un pistón, con el fin de eliminar el exceso de agua proveniente de
la fibra. Al colocar la capa final, se debe agregar la cantidad de Raquis-Cemento necesaria
para llenar todo el molde. Fundido el especimen, se debe esperar un periodo de 24 horas
para poder desencofrar los cilindros.
Ilustración 10. Fundición de especímenes de Raquis-Cemento
Debido a que, en la preparación del Raquis-Cemento se agregó una cantidad adicional
de agua para que las fibras no absorbieran el agua que el cemento requiere para activarse,
los especímenes, una vez desencofrados, no pasarán por ningún proceso de curado. Estos,
simplemente se dejaron secar al aire durante 28 y 42 días, con el fin de que el agua presente
38
en las fibras saliera de ellas y no afectara su capacidad estructural a la hora de realizar los
ensayos de tensión y compresión.
5.2.2.3. Ensayo a compresión
El ensayo a compresión es un método que consiste en aplicar carga axial a un espécimen
hasta llevarlo a la falla, con el fin de caracterizar su comportamiento y obtener su máxima
resistencia a compresión. Para la realización de este ensayo, se hizo uso del procedimiento
descrito en la norma ASTM C39/C39M-14 (Standard Test Method for Compressive Strength
of Cylindrical Concrete Specimens).
Inicialmente, es necesario tener fabricados los cilindros de Raquis-Cemento con el
tiempo de secado estipulado en la sección 5.2.2.2. de este documento (ver página 36).
Adicional a esto, es necesario tener a disponibilidad una máquina que permita aplicar carga
a los especímenes; para este caso se tenía una maquina universal Forney. Esta, además de
tener una capacidad de 180 toneladas en ensayos estáticos, posee un sistema de
adquisición de datos para tomar lecturas en tiempo real del ensayo, con el fin de obtener
la información del comportamiento de la muestra a lo largo del ensayo (Laboratorio
Integrado de Ingeniería Civil y Ambiental - Universidad de los Andes, s.f.).
39
Ilustración 11. Máquina Universal Forney
Con todo el montaje listo, solo queda verificar que la máquina esté funcionando de
manera correcta, que sus sensores se encuentren en cero y colocar el espécimen de Raquis-
Cemento en la máquina para que esta pueda aplicarle carga (ASTM - American Society of
Testing Materials, 2014). Ya que, los datos que se van a obtener de la maquina están en
unidades de fuerza (newton) y desplazamiento (m), y estos, no son una propiedad
fundamental que nos permita analizar sus datos y compararlos con otros materiales, es
necesario convertirlos a valores de esfuerzo (Pa) y deformación unitaria (adimensional), a
partir de las siguientes expresiones:
𝜎 (𝑃𝑎) =𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛)
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 (𝑚2)
Ecuación 15. Ecuación esfuerzo
𝜀 =∆ 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛 (𝑚)
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛 (𝑚)
Ecuación 16. Ecuación deformación unitaria
Con los valores en unidades estándar, es posible construir la gráfica esfuerzo vs.
deformación de material, para así, poder caracterizar su comportamiento de manera
40
detallada. A continuación, se muestra una curva típica de esfuerzo vs. Deformación unitaria
del vidrio.
Ilustración 12. Curva esfuerzo vs. Deformación unitaria del vidrio (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)
Ya con esta curva, es posible calcular no solo la resistencia ultima de un material,
sino también valores como el módulo de elasticidad, el límite de fluencia y su ductilidad. En
seguida, se muestran las definiciones de cada término, así como su manera de calcularlas.
Resistencia última
Es el máximo esfuerzo alcanzado por el material durante el ensayo de compresión,
sus unidades se encuentran en Pa (N/m2)
Módulo de elasticidad
Es equivalente a la constante de proporcionalidad de la Ley de Hooke.
Gráficamente, es la pendiente de la porción inicial lineal de la curva esfuerzo-deformación
obtenida a partir de un ensayo compresión (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-
Deformación, 2012).
41
Ilustración 13. Módulo de elasticidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)
La ecuación que permite calcular este valor es:
𝐸(𝑃𝑎) =𝜎 (𝑃𝑎)
𝜀
Ecuación 17. Cálculo módulo de elasticidad.
Límite de fluencia
“Esfuerzo correspondiente al punto de intersección de una línea paralela a la porción
inicial lineal de la curva y la curva esfuerzo-deformación” (Ramírez Rodríguez, Curvas
Esfuerzo-Deformación, 2012). Esta línea paralela pasa por el punto donde a una
deformación unitaria del 0.2%.
Ilustración 14. Límite de fluencia (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)
42
DuctilIdad
Deformación unitaria que presenta el material cuando falla (Ramírez Rodríguez, Curvas
Esfuerzo-Deformación, 2012)
Ilustración 15. Ductilidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)
Teniendo estos valores para el Raquis-Cemento, no solo es posible caracterizar el
comportamiento mecánico de este, también es posible comparar sus características con las
de otros materiales de la misma índole, como el Hempcrete.
5.2.2.4. Ensayo a tensión
El ensayo de tensión es un método que consiste en determinar la resistencia a la
tracción de probetas cilíndricas de concreto. Para obtener este valor, se hizo uso del
procedimiento descrito en la norma ASTM C496/C496M-11 (Standard Test Method for
Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens).
Este método, se caracteriza porque el especimen no recibe una carga de tensión
directamente, sino que aplica una fuerza diametral de compresión a lo largo del cilindro,
que induce fuerzas de tensión en el plano que contiene la carga aplicada. En vez de una falla
a compresión, se genera una falla a tensión porque las áreas donde se está aplicando la
43
carga están en un estado triaxial de compresión, lo que les permite resistir mucho más los
esfuerzos de compresión, que los producidos por un ensayo de compresión uniaxial (ASTM
- Amercican Society of Testing Materials, 2011). En seguida, se muestra el montaje
experimental para la realización de ensayo.
Ilustración 16. Montaje ensayo tracción indirecta
Este, está compuesto de dos barras metálicas que se utilizan para distribuir la carga
aplicada a lo largo de la longitud del cilindro. Para este ensayo, se necesita una máquina de
aplicación de carga, que al igual que en el ensayo a compresión, será la maquina universal
Forney (ver Ilustración 11).
Una vez puesto el montaje en la máquina junto con el cilindro de Raquis-Cemento,
solo queda verificar que esta esté funcionando de manera correcta y que sus sensores se
encuentren en cero (ASTM - American Society of Testing Materials, 2014). A diferencia del
ensayo de compresión, en este ensayo no es de interés obtener todos los datos registrados
para construir la gráfica de esfuerzo vs. deformación unitaria, debido a la manera en que se
logró que el espécimen sintiera un esfuerzo de tensión.
44
Ahora, una vez registrado el valor máximo de carga a tensión que experimentó el
espécimen de Raquis-Cemento durante el ensayo, se calcula el valor del esfuerzo máximo
a tensión como:
𝜎𝑚𝑎𝑥 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛(𝑃𝑎) =2 ∗ 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 (𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛𝑠)
𝜋 ∗ 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 (𝑚) ∗ 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 (𝑚)
Ecuación 18. Cálculo máximo esfuerzo a tensión
5.2.3. Caracterización acústica del compuesto
La caracterización acústica busca medir el aislamiento que puede brindar un material
como materia prima de particiones o sistemas constructivos (paredes, muros divisorios,
pisos y/o techos) a diferentes frecuencias sonoras (Cote, 2014). De acuerdo a la norma DIN
4109, el aislamiento acústico es “el aislamiento contra el aire, el impacto del sonido por
áreas ocupadas por usuarios, ruidos de sistemas de una construcción (por ejemplo tuberías
de agua), operaciones comerciales y ruido del exterior” (Giebeler, y otros, 2009). Entonces,
dada su importancia, surge la necesidad de darle un sentido cuantitativo a este parámetro
y de la misma manera la forma de medirlo o comprarlo.
Para medir esta propiedad, se hará uso del coeficiente “Transmission Loss”. El anterior
parámetro se define como el descenso acumulado de la intensidad acústica que
experimenta una onda al pasar a través de un material para llevar el sonido de un medio a
otro y sus unidades se encuentran en decibeles (Cote, 2014). Adicionalmente, la ecuación
que describe este comportamiento es la siguiente:
𝑇𝐿 = log (𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 1 (𝑒𝑚𝑖𝑠𝑜𝑟) )
𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 2 (𝑟𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟))
Ecuación 19. Ecuación "Transmission Loss"
En la Ilustración 17 se muestra el montaje experimental utilizado para medir esta
propiedad en el Raquis-Cemento:
45
Ilustración 17. Montaje para medición de TL del Raquis-Cemento (Cote, 2014)
Los elementos que lo componen son los siguientes:
Generador/ Reproductor de audio: este, es un computador equipado con un
software de licencia gratuita, llamado Audicity, encargado de generar los tonos
puros que harán parte de las bandas de octava que se utilizarán en la prueba (Cote,
2014).
Amplificador de señal: es un equipo que permitirá que la señal del computador sea
reproducida, posteriormente, en el altavoz (Cote, 2014).
Nivel de presión sonora en emisor: en este punto, se mide la intensidad del sonido
generada por el emisor (altavoz), a través de un decibelímetro que se encarga de
medir a nivel global la intensidad en decibeles que se está sintiendo en ese lugar
(Cote, 2014).
Altavoz: este, junto a su caja de resonancia, permite reproducir los diferentes tonos
puros (frecuencias independientes), este recibe el nombre de emisor (Cote, 2014).
Material o sistema constructivo bajo prueba: allí, va situada la muestra de Raquis-
Cemento, que será probada durante el experimento. Este, es el medio de
propagación (junto al aire) que debe recorrer la onda sonora para poder llegar al
receptor (Cote, 2014).
46
Nivel de presión sonora en receptor: este, es el punto de recepción de la señal
acústica y al igual que en el nivel de presión acústica del emisor se mide el nivel de
presión sonora a través de un decibelímetro (Cote, 2014).
Con este montaje, se quiere comparar la perdida por transmisión acústica (Transmission
Loss), no solo de Raquis-Cemento, sino de materiales comúnmente usados para cielorrasos
y muros divisorios no estructurales, como el Drywall, determinando los valores de
aislamiento acústico por bandas de octava.
Una banda de octava, es un conjunto de dos frecuencias donde la más alta siempre
equivale al doble de la más baja y la diferencia que hay entre estas dos, siempre, es de una
octava (White, 2009). Se utiliza, frecuentemente, para realizar análisis de ruido acústico,
donde se pretende conocer el índice de molestias de un observador humano y, para este
caso, se usará para caracterizar el comportamiento del material en cada una de las
frecuencias de prueba.
Las bandas de octava a utilizar para la caracterización del material Raquis-Cemento se
muestran en la Tabla 5.
Tabla 5. Bandas de octava para la caracterización acústica del Raquis-Cemento
Para calcular el coeficiente “Transmission Loss”, es necesario obtener la respuesta
de intensidad en el emisor y el receptor para cada una de las frecuencias que están
presentes en las bandas de octava. A pesar de que, su comportamiento se ve explicado a
Frecuencia
(Hz)
Tipo de
Frecuencia
125
250
500
1000
2000
4000
8000
Baja
Media
Alta
47
partir de la Ecuación 19 , dadas las condiciones del montaje experimental, la perdida por
transmisión acústica se puede calcular de la siguiente manera:
𝑇𝐿 = 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑜𝑟 − 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝑅𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟
Ecuación 20. Ecuacion "Transmission Loss" experimental
El anterior cálculo, se debe realizar para cada una de las frecuencias a las cuales se
expuso el material. Esto, ya que la gráfica de bandas de octava (Hz) vs. La perdida por
transmisión acústica (dB) permite obtener el espectro de ruido para el material.
Pese a que el “Transmission Loss” nos muestra el comportamiento detallado del
material, es necesario comparar su desempeño con otros materiales que sean utilizados
con frecuencia como materia prima para elementos no estructurales de edificaciones. Para
ello, existe un número que califica la efectividad de un material, o un conjunto de ellos,
para retardar la transmisión de sonido, llamado “Sound Transmission Class” o STC por sus
siglas en inglés, y puede ser calculado como el valor de la perdida por transmisión acústica
(Transmission Loss) de un material para una frecuencia de 500 Hz. Esta frecuencia, es
escogida, debido a que, el oído humano es capaz de percibir en mayor magnitud las
frecuencias bajas (Acoustical Surfaces, 2014). En la Tabla 6, se muestra la clasificación del
material de acuerdo a su STC y, de manera cualitativa, la cantidad de sonido que puede ser
percibida por parte del receptor.
Tabla 6. Clasificación del material de acuerdo a su STC
STC Clasificación
25Una conversación a volumen normal puede ser entendida
con claridad a través del material.
30Una conversación a volumen alto puede ser entendida bastante
bien a través del material.
35Una conversación a volumen alto puede ser escuchada pero no
entendida a través del material.
42Una conversación a volumen alto puede ser escuchada como un
murmullo a través del material.
50Una conversación a volumen alto no puede ser escuchada a través
del material.
48
Una vez conocido este valor, como se dijo anteriormente, es posible comparar en
términos acústicos la efectividad de los materiales y así poder hacer una evaluación más
objetiva acerca de la selección de materias primas para elementos no estructurales de una
edificación, ya que en la actualidad los requerimientos en lo que refiere este ítem son cada
vez más utilizados y más exigentes.
49
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1. Caracterización del raquis de palma aceitera
6.1.1. Caracterización física de la fibra
6.1.1.1. Densidad aparente
Para encontrar esta característica de la fibra se hicieron 3 pruebas bajo las mismas
condiciones. Los valores reportados en laboratorio tanto del volumen del recipiente,
como del peso de fibra necesario para llenar este son los siguientes:
Tabla 7. Resultados densidad aparente fibra
Dada la densidad obtenida para las tres muestras, se puede decir que el raquis de palma
es una fibra es muy liviana y que ocupa bastante espacio, esto probablemente a la cantidad
de vacíos existentes en la fibra. Comparando los valores de densidad para las tres muestras,
se observa, en términos generales, que las densidades son bastante similares; sin embargo,
por la desviación estándar obtenida, se pudieron haber incurrido en errores a la hora de
realizar el ensayo, o también, dado que los arreglos de fibra son variables, se puede incurrir
en una incertidumbre alta a la hora de la medición de la propiedad.
6.1.1.2. Densidad de la fibra
Los parámetros tenidos en cuenta para realizar la mezcla de cemento, agua y raquis de
palma fueron los siguientes:
Muestra Peso
(kg)
Volumen
(m3)
Densidad Aparente
(kg/m3)
1 0,0951 0,000785 121,146
2 0,0952 0,000785 121,274
3 0,0949 0,000785 120,892
Promedio 0,095 0,000785 121,104
Desviacion estandar 0,000 0,000 0,195
50
Tabla 8. Parámetros tenidos en cuenta para el cálculo de la densidad de la fibra
De acuerdo de los valores anteriores, las cantidades de cemento, agua y fibra que
se utilizaron se presentan a continuación:
Tabla 9. Cantidades (en kg) de cemento, agua y fibra para determinación de densidad de la fibra
Realizando la combinación de estos, el volumen final obtenido de mezcla es de
0,0011 m3. Con las densidades del agua y del cemento, se calculan los volúmenes de estos,
y para hallar el volumen de la fibra, se utilizó la Ecuación 2. Los valores obtenidos de
volumen para estos tres componentes son:
Tabla 10. Valores de volumen de agua, cemento y fibra obtenidos para la determinación de la densidad de la fibra
Ya con los valores de peso y volumen de la fibra, de acuerdo a la Ecuación 3, la
densidad de la fibra del raquis es de 432 kg/m3. Comparando el valor de la densidad real
con el obtenido para la densidad aparente de la fibra, es evidente que en este arreglo, al no
tener vacíos, la densidad es más alta. Además, al calcular de esta manera la densidad de la
fibra, se está asegurando que el valor es el correcto para el cálculo del diseño de mezclas,
donde este parámetro, representa una de las variables más importantes para realizar este
procedimiento.
Parámetro Valor Unidad
Contenido de cemento 42 %*
Relación agua-cemento 0,3 -
*porcentaje en volumen del especimen
Parámetro Valor Unidad
Agua 0,44 kg
Cemento 1,45 kg
Fibra 0,09 kg
Parámetro Valor Unidad
Agua 0,00044 m3
Cemento 0,00046 m3
Fibra 0,00020 m3
51
6.1.1.3. Absorción de la fibra
Para la medición de esta propiedad, se realizaron tres pruebas con el fin de corroborar
que los datos hayan sido medidos de manera correcta. Debido a los requerimientos exigidos
en la ASTM, los valores de temperatura reportados a la hora de medir la absorción de la
fibra son los siguientes:
Tabla 11. Temperatura registrada para ensayo de absorción
Ahora, se muestran los pesos iniciales, los pesos después del ensayo y los porcentajes
de absorción de agua para cada una de las muestras:
Tabla 12. Resultados de absorción de agua de la fibra
De manera general, se puede observar que la muestra tiene una absorción de
aproximadamente un 200% de agua, lo que equivale a que la fibra puede absorber dos veces
más su peso seco en agua. Lo anterior, es una cifra significativamente alta de agua.
Si se comparan los resultados de las tres pruebas, la desviación estándar nos indica que
entre las muestras hubo una variación del 0,166%, sin embargo, es un porcentaje
demasiado pequeño en comparación al porcentaje de absorción total que tiene la fibra ,
por lo que se considera que el valor obtenido en este ensayo fue determinado de manera
correcta. Comparando la absorción de esta fibra con la presentada por el cáñamo, este
último es capaz de absorber hasta 3 veces su peso seco en agua (Arnaud & Gourlay, 2011),
MuestraTemperatura
(°C)
1 23,4
2 23,2
3 23,4
MuestraPeso
inicial (gr)
Peso
Final (g)
% de absorción
(en peso)
1 5,010 10,030 200,200%
2 5,000 10,010 200,200%
3 5,000 10,020 200,400%
Promedio 5,003 10,020 200,267%
Desviación estándar 0,006 0,010 0,116%
52
lo cual nos indica que el valor para el raquis de palma es semejante a los requerimientos
que tienen otras fibras.
6.1.2. Caracterización química de la fibra
6.1.2.1. Contenido de Lignina
Para determinar el contenido de lignina presente en el raquis, se realizó el proceso
consignado en la sección de metodologías para dos muestras de raquis de palma. Los
valores reportados de lignina, así como, su correspondiente porcentaje sobre el peso inicial
de la fibra, son los siguientes:
Tabla 13. Resultados contenido de lignina del raquis de palma
Revisando los valores obtenidos para cada una de las muestras, estos son bastante
precisos al ser muy parecidos y tener unas desviaciones estándar ser tan pequeñas, sin
embargo, comparando estos también un valor del 12%, el cual representa el porcentaje
teórico de contenido de lignina que presenta la fibra (Moreno, 2014), es posible identificar
que hubo error en la medición experimental de este número. Lo anterior, debido a que
probablemente la eliminación tanto de las grasas como de la celulosa no se realizó de
manera correcta, lo que pudo al final aportar más peso a las muestra y en consecuencia,
aumentar el peso final de lignina. Adicionalmente, el proceso no se realizó todo en una sola
sesión, dejando la fibra expuesta a humedad, u otros componentes ambientales que
pudieron influir en el peso final de la muestra, llevándonos a realizar un cálculo erróneo
acerca del contenido de lignina.
Muestra 1 Muestra 2 PromedioDesviación
Estándar
Peso inicial fibra (gr) 0,9891 1,0018 0,9955 0,0090
Peso final lignina (gr) 0,2017 0,2184 0,2101 0,0118
% de lignina 20,39% 21,80% 21,10% 1,00%
53
6.1.2.2. Contenido de Celulosa y Hemicelulosa
Para calcular el contenido de alfa-celulosa en el raquis de palma, se hizo uso de la
siguiente expresión:
%𝐴𝑙𝑓𝑎 − 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 100 − (6,85 (𝑉1 − 𝑉2) ∗ 𝑁 ∗ 20
𝐴 ∗ 𝑊)
Ecuación 21. Cálculo alfa-celulosa
Donde,
V1 = Volumen de la titulación de la fibra, en mililitros
V2 =Volumen de la titulación del blanco, en mililitros
N = La normalidad de la solución de sulfato ferroso amoniacal
A = Volumen de la fibra filtrada usada en la oxidación, en mililitros
W = El peso de la fibra después de su secado en horno, en gramos
Los valores mencionados anteriormente, y que fueron medidos en el laboratorio
corresponden a:
Tabla 14. Valores de parámetros para obtener el contenido de alfa-celulosa en el raquis de palma
Con estos valores, el contenido de alfa-celulosa del raquis de palma para las dos
muestras son:
Valor Muestra 1 Muestra 2 Unidad
Volumen de la titulación
de la fibra 50 51,1 ml
Volumen de la titulación
del blanco47 47 ml
Normalidad de la solución de
sulfato ferroso amoniacal0,1 0,1 N
Volumen de la fibra filtrada
usada en la oxidación135 135 ml
El peso de la fibra después
de su secado en horno1,5092 1,5008 gr
54
Tabla 15. Resultados del contenido de alfa-celulosa en el raquis de palma
Ahora, para determinar el contenido de gamma-celulosa que contiene el raquis de
palma, se hace uso de la siguiente expresión:
% 𝐺𝑎𝑚𝑚𝑎 − 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 =6,85 (𝑉4 − 𝑉3) ∗ 𝑁 ∗ 20
25 ∗ 𝑊
Ecuación 22. Cálculo gamma-celulosa
Donde,
V3 = Volumen de la titulación de la solución después de la precipitación de la beta-
celulosa, en mililitros
V4 = Volumen de la titulación del blanco, en mililitros
Los valores que obtuvieron estos parámetros en el laboratorio son:
Tabla 16. Valores de parámetros para obtener el contenido de gamma-celulosa en el raquis de palma
A partir de los datos anteriores, el contenido que tiene el raquis de palma de gamma-
celulosa es:
% de alfa-celulosa
Muestra 1 20,17%
Muestra 2 27,56%
Promedio 23,87%
Desviación Estándar 5,22%
Valor Muestra 1 Muestra 2 Unidad
Volumen de la titulación
de la solución después
de la precipitación de la
beta-celulosa
36,7 35,8 ml
Volumen de la titulación
del blanco30 30 ml
55
Tabla 17.Porcentaje de gamma-celulosa en el raquis de palma
Teniendo ya los porcentajes de alfa-celulosa y gamma celulosa, se puede calcular el
porcentaje de beta-celulosa como:
% 𝑏𝑒𝑡𝑎 − 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 = 100% − (% 𝑎𝑙𝑓𝑎 − 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎 + % 𝑔𝑎𝑚𝑚𝑎 − 𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎)
Ecuación 23. Cálculo beta-celulosa
Finalmente, los valores de alfa-, beta-, y gamma- celulosa para las dos muestras de
raquis de palma son:
Tabla 18. Valores de alfa-, beta-, y gamma-celulosa
Globalmente, los resultados de la celulosa y hemicelulosa tienen valores de
desviación estándar altos. Lo anterior, debido a que durante los procesos de oxidación, la
solución experimentaba temperaturas demasiado altas, lo que podía afectar el valor de las
titulaciones, al no realizarse estas a una temperatura ambiente. Adicionalmente, durante
los procesos de filtración de la solución, se usó papel filtro ordinario, lo que pudo elevar los
contenidos de celulosa, al ser esta la materia prima principal de este papel. Comparando
los contenidos de celulosa obtenidos en este proyecto, con otros valores reportados en la
literatura, se observan diferencias importantes. Esto, ya que, típicamente, los contenidos
de celulosa se encuentran aproximadamente en un 66% (Moreno, 2014) y para nuestro
caso, estos sobrepasan el 95%, lo cual, pudo ser un error inducido por el tipo de materiales
usados para este procedimiento.
Hemicelulosa
Alfa-celulosa Beta-celulosa Gamma-celulosa
Muestra 1 20,17% 77,39% 2,43%
Muestra 2 27,56% 70,32% 2,12%
Promedio 23,87% 73,86% 2,28%
Desviación Estándar 5,22% 5,00% 0,22%
Celulosa
56
En conclusión, se puede decir que los contenidos de celulosa fueron elevados para
el raquis, en este caso específico, debido a las materias primas y materiales utilizados en el
proceso. Por ello, se hace necesario profundizar en la determinación de este contenido ya
que, probablemente, los valores obtenidos en este trabajo no fueron medidos de manera
correcta
6.2. Caracterización del Raquis-Cemento
6.2.1. Caracterización física del compuesto
6.2.1.1. Densidad del compuesto
La densidad del compuesto Raquis-Cemento se realizó con base a los especímenes
fundidos para los ensayos mecánicos que se realizarán en incisos posteriores. En total
fueron 24 cilindros con unas dimensiones de 10 centímetros de diámetro y 20 centímetros
de alto, y un volumen de 0, 0015708 m3. 12 de estos cilindros tenían un contenido de
cemento (en volumen) del 35% y los otros 12 restantes un contenido de 45%.
Los valores de peso y densidad reportados para los especímenes que contienen un 35%
de cemento son los siguientes:
Tabla 19. Valores de densidad para especímenes de Raquis-Cemento de 35% de cemento
Cilindro Peso(kg) Densidad(kg/m3)
1 2,2360 1423,4818
2 2,2310 1420,2987
3 2,1910 1394,8339
4 2,1740 1384,0114
5 2,2080 1405,6565
6 2,2330 1421,5720
7 2,1367 1360,2655
8 2,1898 1394,0700
9 2,2173 1411,5770
10 2,2202 1413,4232
11 2,1940 1396,7438
12 2,2291 1419,0891
Promedio 2,2050 1403,7519
Desviación Estándar 0,0295 18,7747
57
Tabla 20. Valores de densidad para especímenes de Raquis-Cemento de 45% de cemento
Revisando los resultados para los especímenes de 35% de cemento, encontramos una
densidad promedio cercana a los 1400 kg/m3, mientras que para los especímenes de 45%
de cemento, su densidad promedio se encuentra superior a los 1830 kg/m3. Esto se debe a
que el cemento posee una densidad mucho más alta que la del raquis de palma (3150
kg/m3), por ello, a más cantidad de cemento, mayor densidad presentará el espécimen. Si
se comparan estos valores con las densidades típicas del Hemprete (un rango de 200 a 600
kg/m3) los valores obtenidos para el Raquis-Cemento son bastante superiores, por lo que
en términos de densidad, a pesar de tener una densidad mucho menor a la del concreto,
no tiene un valor lo suficientemente bajo para estar hecho de fibras vegetales.
En lo que refiere la variabilidad presentada por los dos tipos de mezclas, esta se le
atribuye a que al hacer la mezcla, el raquis es asignado de manera aleatoria y entre todos
los cilindros, por lo que no es posible cuantificar y con exactitud no solo su cantidad de
raquis, sino también los arreglos internos que esta fibra puede tener a lo largo del material,
lo que directamente afecta el valor de densidad.
Cilindro Peso(kg) Densidad(kg/m3)
1 2,8950 1843,0142
2 2,8840 1836,0114
3 2,8800 1833,4649
4 2,9190 1858,2931
5 2,9100 1852,5635
6 2,9120 1853,8368
7 2,8575 1819,1410
8 2,8801 1833,5286
9 2,8911 1840,5314
10 2,8845 1836,3297
11 2,8838 1835,8841
12 2,8712 1827,8627
Promedio 2,8890 1839,2051
Desviación Estándar 0,0177 11,2777
58
6.2.2. Caracterización mecánica del compuesto
6.2.2.1. Diseño de mezclas
Los parámetros de entrada para realizar el diseño de mezclas se muestran en la Tabla
21:
Tabla 21. Parámetros tenidos en cuenta para la realización del diseño de mezclas del Raquis-Cemento
Siguiendo los pasos presentados en la sección de metodologías, los diseños finales para
las mezclas de 35% y 45% de cemento, se muestran a continuación:
Tabla 22. Diseño de mezclas para Raquis-Cemento de 35% de cemento
Tabla 23. Diseño de mezclas para Raquis-Cemento de 35% de cemento
Las anteriores proporciones están calculadas únicamente para fabricar un especimen
de Raquis-Cemento de 10 centímetros de diámetro por 20 centímetros de alto, y como se
desean fabricar 24 muestras (12 de 35% de cemento y 12 de 45% de cemento), las
cantidades necesarias para ello son las siguientes:
Parámetro Valor Unidades
Contenido de cemento 35% y 45% (en volumen) -
Relación agua-cemento (A/C) 0,3 -
Densidad Fibra 432 kg/m3
Densidad Cemento 3150 kg/m3
Densidad Agua 1000 kg/m3
Absorción de agua por parte de la fibra 200% (en peso) -
Tamaño de fibra 5 a 10 mm
Volumen especímenes 0,0015708 m3
Fibra
Cemento
Cemento Agua Fibra Agua Fibra
% (en volumen) 35% 33% 32% 28%
m3 0,00055 0,00052 0,00050 0,00043
kg 1,73 0,52 0,22 0,43
5-10 mm
35%Diseño 1
Fibra
cemento
Cemento Agua Fibra Agua Fibra
% 45% 43% 12% 11%
m3 0,00071 0,00067 0,00020 0,00017
kg 2,23 0,67 0,08 0,17
Diseño 25-10 mm
45%
59
Tabla 24. Cantidades necesarias para fabricar los especímenes de Raquis-Cemento
Las muestras de Raquis-Cemento ya fabricadas tienen el siguiente aspecto
6.2.2.2. Ensayo de compresión
Las curvas esfuerzo deformación obtenidas para los especímenes de Raquis-Cemento
de 35% y 45% de cemento (para tiempos de curado de 28 y 42 dias) son las siguientes:
El Raquis-Cemento con un porcentaje de cemento de 35%, tiene un claro comportamiento
elasto-plástico donde se puede evidenciar tres fases: un comportamiento elástico lineal, un
punto de fluencia y finalmente un endurecimiento por deformación hasta alcanzar la falla.
Mezcla CilindrosCemento
(kg)
Agua
(kg)
Fibra
(kg)
Agua Fibra
(kg)
Diseño 1 12 20,78 6,23 2,60 5,20
Diseño 2 12 26,72 8,02 1,02 2,03
Ilustración 18. Curvas esfuerzo vs. Deformación para Raquis-Cemento de 35% de cemento
60
Ilustración 19. Curvas esfuerzo vs. Deformación para Raquis-Cemento de 45% de cemento
Por otro lado, el Raquis-Cemento de 45% de cemento, tiene un comportamiento frágil,
donde solo es capaz de recibir carga en su rango elástico lineal, para finalmente fallar por
aplastamiento.
A pesar de que solo vario la proporción de cemento en cada una de las mezclas, los
comportamientos obtenidos para cada uno de los materiales son bastante diferentes y
como es de esperarse, a una mayor cantidad de cemento, mayor resistencia va a tener la
muestra.
La forma de falla de las dos mezclas de Raquis-Cemento, se muestra en las siguientes
imágenes:
61
Ilustración 20. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 35% de cemento
Ilustración 21. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 45% de cemento
Ahora, se procede a calcular los valores de: resistencia última, módulo de elasticidad,
límite de fluencia y ductilidad.
62
Resistencia ultima
La resistencia ultima a la compresión de las muestras de Raquis-Cemento de 35% y 45% de
cemento, se muestran a continuación:
Tabla 25. Resistencia ultima a la compresión de las muestras de Raquis-Cemento
Observando el desempeño de los dos materiales, es evidente que el Raquis-
Cemento de 45% de cemento es capaz de resistir cargas en mayor proporción, esto debido
a que la cantidad de cemento es bastante superior a la del Raquis-Cemento de 35% de
cemento. También, se puede observar que a mayor resistencia alcanzada por el material,
mayor incertidumbre acerca de su esfuerzo último, esto se debe probablemente a que si
hay una menor cantidad de fibra, esta no estará distribuida uniformemente a lo largo del
material. El Raquis-Cemento, en lo que refiere a resistencia a la compresión, es mucho
mejor que el Hempcrete (solo alcanza resistencias ultimas de máximo 1 MPa), pero cabe
aclarar que estas diferencias, como se dijo anteriormente, solo radican en la variación de
las proporciones de cemento que haya entre las muestras.
Módulo de elasticidad
El módulo de elasticidad obtenido para cada una de las muestras de Raquis-Cemento, es la
siguiente:
Muestras
Resistencia última a la compresion
Raquis-Cemento 35% de cemento
(MPa)
Resistencia última a la compresion
Raquis-Cemento 45% de cemento
(MPa)
1 (28 días) 3,19 19,15
2 (28 días) 3,15 18,18
3 (28 días) 2,55 17,58
4 (42 días) 3,35 14,47
5 (42 días) 3,43 16,00
6 (42 días) 3,43 16,57
Promedio 3,19 16,99
Desviación estándar 0,34 1,67
63
Tabla 26.Módulo de elasticidad para muestras de Raquis-Cemento
Al igual que en la resistencia ultima a la compresión, los valores del módulo de
elasticidad son mayores para el Raquis-Cemento de 45% de cemento, que para los de 35%.
Del mismo modo, las variaciones del módulo de elasticidad son más altas, entre más
proporción de cemento tenga, esto, debido a la distribución no homogénea de la fibra a lo
largo de la matriz de cemento.
Límite de fluencia
Los límites de fluencia para cada una de las muestras de Raquis-Cemento son:
A pesar de la gran variabilidad que ha habido en lo que refiere a resistencia a la
compresión y al módulo de elasticidad, es Raquis-Cemento presenta unos límites de
fluencia bastante marcados, con un poco variabilidad entre las muestras. Se puede observar
que a mayor tiempo de curado, mayor estabilidad presenta el límite de fluencia.
Muestras
Módulo de elasticidad
Raquis-Cemento 35% de cemento
(MPa)
Módulo de elasticidad
Raquis-Cemento 45% de cemento
(MPa)
1 (28 días) 410,72 2033,75
2 (28 días) 311,55 2340,55
3 (28 días) 395,28 2331,26
4 (42 días) 335,65 1852,81
5 (42 días) 142,46 1391,72
6 (42 días) 320,52 2600,57
Promedio 319,36 2091,78
Desviación estándar 95,64 430,97
Muestras
Limite de Fluencia
Raquis-Cemento 35% de cemento
(MPa)
Limite de Fluencia
Raquis-Cemento 45% de cemento
(MPa)
1 (28 días) 2,46 18,46
2 (28 días) 2,50 16,84
3 (28 días) 1,49 16,84
4 (42 días) 2,06 14,34
5 (42 días) 1,97 15,87
6 (42 días) 1,97 16,44
Promedio 2,08 16,47
Desviación estándar 0,37 1,35
64
Ductilidad
Finalmente, la ductilidad que hay entre las diferentes mezclas de Raquis-Cemento, a
diferencia de las otras propiedades, no depende de la cantidad de cemento, por el
contrario, a mayor cantidad de fibra, el material presenta una mayor ductilidad. Para el
Raquis-Cemento de 45% de cemento, este valor se encuentra a una deformación unitaria
de 0,04, mientras que para el Raquis-Cemento de 35% de cemento, la ductilidad alcanza
valores de deformación unitaria superiores a 0,07
6.2.2.3. Ensayo de tensión
Ya que para este ensayo solo nos interesa reportar los valores de máxima carga, a
continuación, se muestran los números correspondientes a la máxima carga a tensión y su
respectivo esfuerzo:
Tabla 27. Resultados máximo esfuerzo a tensión del Raquis-Cemento
La resistencia de las muestras a tensión del Raquis-Cemento evidencia un
comportamiento contrario al visto en los ensayos a compresión. Aquí, a menor fibra, menor
es la resistencia a tensión de la muestra; para el caso del Raquis-Cemento de 35% de
cemento, la resistencia a tensión equivale aproximadamente al 25% de la resistencia a la
compresión del elemento, mientras que para el Raquis-Cemento de 45% de cemento, la
resistencia a compresión, equivale al 10% de la resistencia a compresión, un valor muy
parecido a la resistencia de cemento. Una posible explicación a este fenómeno, es que las
fibras vegetales actúan como un refuerzo a nivel micro del especimen, lo que le permite
Muestras
Carga máxima a tensión
Raquis-Cemento
35% de cemento
(MN)
Esfuerzo máximo a tensión
Raquis-Cemento
35% de cemento
(MPa)
Carga máxima a tensión
Raquis-Cemento
45% de cemento
(MN)
Esfuerzo máximo a tensión
Raquis-Cemento
45% de cemento
(MPa)
1 (28 días) 0,0238 0,76 0,0651 2,07
2 (28 días) 0,0235 0,75 0,0673 2,14
3 (28 días) 0,0219 0,70 0,0711 2,26
4 (42 días) 0,0225 0,72 0,0635 2,02
5 (42 días) 0,0232 0,74 0,0632 2,01
6 (42 días) 0,0254 0,81 0,0632 2,01
Promedio 0,0234 0,7442 0,0655 2,0860
Desviación
estándar0,0012 0,0382 0,0032 0,1004
65
oponer resistencia a las cargas de tensión que se le estén aplicando; además, ya que las
fibras se encuentran dispuestas en todas las direcciones, es más fácil atacar las fallas que
aparecen no solo en el plano de aplicación de carga, sino también las que aparecen en otras
planos.
La forma de falla de los cilindros que se probaron a tensión se muestra en las
imágenes a continuación:
Ilustración 22. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 35% de cemento a tensión
Ilustración 23. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 45% de cemento a tensión
66
6.2.3. Caracterización acústica del compuesto
Con el fin de poder comparar el desempeño del Raquis-Cemento con otros materiales,
el coeficiente “Transmission Loss” fue medido, tanto para el Raquis-Cemento de 35% y 45%
de cemento, como el Drywall.
Las dimensiones que tenían las muestras de cada material, se muestran en la Tabla 28.
Tabla 28. Dimensiones de muestras para ensayo de aislamiento acústico
Las muestras fabricadas se muestran a continuación:
Ilustración 24. Muestras de Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de cemento) y Drywall
Una vez con ellas, se procede a realizar el ensayo descrito en la página 44
(Metodología Caracterización Acústica) para poder calcular los valores del coeficiente
“Transmission Loss” y así obtener el espectro de ruido y el STC de cada uno de los materiales
a probar.
Muestra Alto (cm) Ancho (cm) Espesor (cm)
Raquis-Cemento (35% de cemento) 20 20 2
Raquis-Cemento (45% de cemento) 20 20 2
Drywall 20 20 1,3
67
Ilustración 25. Montaje experimental para caracterización acústica del Raquis-Cemento
El valor de intensidad de ruido de fondo (del ambiente) obtenido a la hora de
realización del ensayo, que nos servirá como valor de referencia para comparar los niveles
de presión sonora en el emisor y el receptor, fue el siguiente:
𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 65,9 𝑑𝐵
Los resultados obtenidos de los niveles de presión sonora, tanto en el emisor, como
en el receptor y el TL (ver Ecuación 19) para cada frecuencia, son los siguientes:
Tabla 29. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Raquis-Cemento (35% de cemento)
Frecuencia
(Hz)
Frecuencia
Emisor (dB)
Frecuencia
Emisor (dB)
Transmission
Loss (dB)
125 115,4 106,2 9,2
250 118,1 101,5 16,6
500 114,8 92 22,8
1000 97,4 74 23,4
2000 110,2 88,6 21,6
4000 113,4 79,8 33,6
8000 98,9 67 31,9
Raquis-Cemento (35% de cemento)
68
Tabla 30. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Raquis-Cemento (45% de cemento)
Tabla 31. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Drywall
Con los valores de “Transmission Loss” para cada frecuencia, es posible construir el
espectro del ruido para cada material.
Frecuencia
(Hz)
Frecuencia
Emisor (dB)
Frecuencia
Emisor (dB)
Transmission
Loss (dB)
125 114,5 107,7 6,8
250 117,6 99,5 18,1
500 114,1 90 24,1
1000 97,2 73,6 23,6
2000 108,9 86,1 22,8
4000 112,5 80,6 31,9
8000 98,2 70 28,2
Raquis-Cemento (45% de cemento)
Frecuencia
(Hz)
Frecuencia
Emisor (dB)
Frecuencia
Emisor (dB)
Transmission
Loss (dB)
125 112,2 104,9 7,3
250 119,1 107 12,1
500 115,5 95 20,5
1000 95,8 76,5 19,3
2000 113,7 89,4 24,3
4000 107 76,9 30,1
8000 99,4 69,5 29,9
Drywall
69
Con el espectro de ruido de los tres materiales , es posible tener una idea general de
comportamiento de cada uno de ellos, y así mismo, observar la cantidad de sonido (en dB)
que cada material deja pasar en cada una de las frecuencias de prueba.
De acuerdo con los resultados obtenidos, en términos generales, se puede observar
que el desempeño acústico obtenido por el Raquis-Cemento es mejor que el obtenido para
el Drywall, pero este, no es significativamente alto en ninguna de las frecuencias a las cuales
se probaron. Además, cada uno de los materiales presenta un incremento es su nivel de TL,
consiguiendo su valor más alto a una frecuencia de 4000 Hz, pero para frecuencias mayores
(8000 Hz) este valor empieza a decrecer. La tendencia de los tres espectros es similar, sin
embargo, para los tres materiales se observan puntos por debajo de la tendencia, llamados
también frecuencias críticas (ver Tabla 32), donde el aislamiento es inferior al presentado
para frecuencias más bajas.
Ilustración 26. Espectro de ruido para cada material
70
Tabla 32. Frecuencias Críticas para el Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de cemento) y Drywall
Ahora, para poder comparar de manera estándar los valores obtenidos para estos
tres materiales, es necesario determinar el STC de cada uno de ellos.
Tabla 33. Valores de STC para Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de cemento) y Drywall.
Inicialmente, revisando los valores de estos tres materiales, se observa un resultado
similar al visto con el espectro de ruido: el Raquis-Cemento tiene un desempeño acústico
levemente superior al Drywall; pero teniendo en cuenta, que para esta prueba el espesor
de la muestra Drywall era significativamente menor a las muestras de Raquis-Cemento, se
podría decir que el comportamiento de los tres materiales es bastante similar.
Enfocándonos ahora, únicamente, en las muestras de Raquis-Cemento, se puede ver que a
mayor porcentaje de cemento se tiene un aislamiento superior, lo que nos puede indicar
que el componente que está impidiendo el paso de sonido, no son las fibras de raquis de
palma, sino el cemento hidráulico que hace parte del material.
Cualitativamente, y de acuerdo a la Tabla 6, es notorio que el aislamiento brindado,
tanto por el Raquis-Cemento, como por el Drywall no son buenos al permitir que una
conversación a tono normal sea escuchado con facilidad a través del material, pero
teniendo en cuenta que la capacidad de aislar sonido tiene una dependencia directa con el
espesor del material o sistema constructivo, se puede concluir que el Raquis-Cemento sería
más efectivo, siendo usado como materia prima para construcción de muros no
estructurales macizos, que siendo utilizado como recubrimiento de otros materiales de
construcción utilizados típicamente para estos fines.
Muestra Frecuencia Crítica (Hz)
Raquis-Cemento (35% de cemento) 2000
Raquis-Cemento (45% de cemento) 2000
Drywall 1000
Muestra STC (dB)
Raquis-Cemento (35% de cemento) 22,8
Raquis-Cemento (45% de cemento) 24,1
Drywall 20,5
71
7. CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos de la caracterización química de la fibra, no son
concluyentes debido que presenta altas diferencias con respecto a los valores
reportados de celulosa y hemicelulosa en la literatura.
Las propiedades físicas de las fibras vegetales dependen directamente del
contenido de vacios que estas presenten.
Las fibras vegetales absorben altas cantidades de agua, lo que resulta en
mayores requerimientos de agua cuando se quieren juntar estas con
compuestos cementantes.
La cantidad óptima de cemento, que permita la adherencia con las fibras puede
ser más baja, si la fibra es tratada previamente (deslignificada).
Para diseños de mezclas en los que se estén utilizando fibras vegetales, es de
vital importancia conocer sus propiedades físicas y químicas, con el fin de evitar
que los requerimientos impuestos por ellas, no afecten de manera significativa
el desarrollo de las propiedades aglutinantes del cemento.
El diseño de mezclas realizado para el Raquis-Cemento resulta poco viable, ya
que el alto contenido de cemento hace que el material tenga un alto costo.
Las propiedades físicas del Raquis-Cemento están estrechamente ligadas a su
contenido de cemento. Entre más cemento se tenga en el material, mayor será
la densidad de este.
La resistencia a la compresión, se ve afectada de manera negativa por la
presencia de fibras vegetales en un material de matriz cementante.
La resistencia a la tensión del Raquis-Cemento se vio mejorada por el uso de
fibras vegetales, debido a que actúan como pequeños refuerzos, impidiendo la
falla del material.
Gracias a la presencia de raquis de palma africana en el cemento, la ductilidad
de este mejoro notablemente, en comparación a otros materiales como el
concreto.
72
El aislamiento acústico de un material o sistema constructivo depende del
espesor que este tenga, a mayor espesor, más cantidad de sonido puede aislar.
En comparación con el Hempcrete, el Raquis-Cemento tiene propiedades
superiores en lo que refiere a propiedades mecánicas y aislamiento acústico, sin
embargo, dada las grandes cantidades de cemento que hay que utilizar para su
fabricación, lo hace un material mucho más costoso.
Es viable utilizar el material Raquis-Cemento como materia prima para muros
divisorios o elementos no estructurales de una edificación
73
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77
9. ANEXOS
Anexo 1
Ilustración 27. Subproductos generados durante el proceso de producción de aceite de palma (Moreno, 2014)
78
Anexo 2
Ilustración 28. Áreas cultivadas de Palma Aceitera para los años 1997 (arriba) y 2007 (abajo) (Fedepalma , 2014)
79
Anexo 3
Ilustración 29. Procedimiento para determinación de lignina Parte 1 (ASTM - American Society of Testing Materials, 2013)
Anexo 4
80
Ilustración 30. Procedimiento para determinación de lignina Parte 2 (ASTM - American Society of Testing Materials, 2013)
Anexo 5
81
Ilustración 31. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 1 (TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993)
Anexo 6
82
Ilustración 32. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 2 (TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993)
Anexo 7
83
Ilustración 33. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 3 (TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993)
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