fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en

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Fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en materiales de construcción Natural fibers of lechuguilla as reinforcement in construction materials Resumen Esta investigación pretende encontrar materiales de construcción que sean económicos y durables. Las fibras de acero, vidrio y poliméricas, son alternativas viables pero costosas. Las fibras naturales pueden ser una posibilidad real para los países en desarrollo, ya que están disponibles en grandes cantidades y representan una fuente renovable continua. La fibra natural es afectada principalmente por la alcalinidad de la matriz cementante del concreto. La durabilidad del compuesto dependerá entonces de la protección que tenga la fibra y de las características de impermeabilidad propias de la matriz cementante. Palabras clave: Concreto, refuerzo, fibra natural, resistencia a la flexión, curado, colado, reacción de hidratación, durabilidad Abstract This research intends to identify both inexpensive and durable construction materials. Steel, glass and polymer fibers are feasible, expensive alternatives. Natural fibers can be a real possibility for developing countries, due to the fact that these kinds of fibers are available in great quantities, while they are also renewable. Natural fiber affected mainly by the alkalinity of the cementitiuos matrix in the concrete. The durability of the composite will depend on the protection which the fiber has, and on the impermeability features of the cementitiuos matrix. Keyword: Concrete, reinforcement, natural fiber, bending strength, curing, casting, hydration reaction, durability Revista Ingeniería de Construcción Vol. 19 Nº2, Agosto del 2004 www.ing.puc.cl/ric César Juárez*, Pedro Valdez*, Alejandro Durán* * Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Autónoma de Nueva León, MÉXICO [email protected] Fecha de recepción: 30/ 12/ 2003 Fecha de aceptación: 24/ 05/ 2004 1. Introducción Desde que las fibras de asbesto fueron relacionadas con potenciales peligros para la salud (Coutts, 1998), se inició la búsqueda de posibles sustitutos que le proporcionaran al concreto las propiedades tan favorables que el asbesto le daba, y que además fuesen competitivos en calidad y precio. Las fibras de acero, de vidrio y más recientemente las de polipropileno, son alternativas viables para reforzar al concreto. Sin embargo, existe otro grupo conocido como Fibras Naturales (FN) o vegetales que han sido motivo de diversos estudios para su posible aplicación en este propósito. Materiales reforzados con FN se pueden obtener a un bajo costo usando la mano de obra disponible en la localidad y las técnicas adecuadas para su obtención, estas fibras son llamadas típicamente FN no procesadas. No obstante, las FN pueden ser procesadas químicamente para mejorar sus propiedades y son generalmente derivadas de la madera. Estos procesos son altamente industrializados, por lo que resultan económicamente no atractivos en países en desarrollo, a tales fibras se les conoce como FN procesadas (ACI 544, 1998). Las FN están disponibles razonablemente en grandes cantidades en muchos países en desarrollo y representan una fuente renovable continua (Azis et al., 1981). México es un país que posee abundante producción de FN sobre todo las de la familia del agave (Romanh, 1984). De esta familia la más conocida es el “sisal” que puede ser obtenida en la península de Yucatán, otras especies de la misma familia son el “maguey” y la “lechuguilla”. El maguey crece principalmente en el Valle del Mezquital ubicado en el estado de Hidalgo, mientras que la lechuguilla normalmente se desarrolla en la zona noreste de México (Maiti, 1995). Es esta última FN el motivo del presente estudio. En la Figura 1 se puede observar la planta de lechuguilla. La región ixtlera del noreste del país que comprende los estados de Coahuila, Zacatecas, Nuevo León, San Luis Potosí y Tamaulipas tiene graves carencias en vivienda (Rechy de von Roth, 83

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Page 1: Fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en

Fibras naturales de lechuguilla como refuerzo enmateriales de construcciónNatural fibers of lechuguilla as reinforcement inconstruction materials

Resumen

Esta investigación pretende encontrar materiales de construcción que sean económicos y durables. Las fibras de acero, vidrio y poliméricas, son alternativas

viables pero costosas. Las fibras naturales pueden ser una posibilidad real para los países en desarrollo, ya que están disponibles en grandes cantidades y

representan una fuente renovable continua. La fibra natural es afectada principalmente por la alcalinidad de la matriz cementante del concreto. La durabilidad

del compuesto dependerá entonces de la protección que tenga la fibra y de las características de impermeabilidad propias de la matriz cementante.

Palabras clave: Concreto, refuerzo, fibra natural, resistencia a la flexión, curado, colado, reacción de hidratación, durabilidad

Abstract

This research intends to identify both inexpensive and durable construction materials. Steel, glass and polymer fibers are feasible, expensive alternatives.

Natural fibers can be a real possibility for developing countries, due to the fact that these kinds of fibers are available in great quantities, while they are

also renewable. Natural fiber affected mainly by the alkalinity of the cementitiuos matrix in the concrete. The durability of the composite will depend on

the protection which the fiber has, and on the impermeability features of the cementitiuos matrix.

Keyword: Concrete, reinforcement, natural fiber, bending strength, curing, casting, hydration reaction, durability

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 19 Nº2, Agosto del 2004 www.ing.puc.cl/ric

César Juárez*, Pedro Valdez*, Alejandro Durán*

* Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Autónoma de Nueva León, MÉ[email protected]

Fecha de recepción: 30/ 12/ 2003Fecha de aceptación: 24/ 05/ 2004

1. Introducción

Desde que las fibras de asbesto fueronrelacionadas con potenciales peligros para la salud (Coutts,1998), se inició la búsqueda de posibles sustitutos quele proporcionaran al concreto las propiedades tanfavorables que el asbesto le daba, y que además fuesencompetitivos en calidad y precio. Las fibras de acero, devidrio y más recientemente las de polipropileno, sonalternativas viables para reforzar al concreto. Sin embargo,existe otro grupo conocido como Fibras Naturales (FN)o vegetales que han sido motivo de diversos estudiospara su posible aplicación en este propósito. Materialesreforzados con FN se pueden obtener a un bajo costousando la mano de obra disponible en la localidad y lastécnicas adecuadas para su obtención, estas fibras sonllamadas típicamente FN no procesadas. No obstante,las FN pueden ser procesadas químicamente para mejorarsus propiedades y son generalmente derivadas de lamadera. Estos procesos son altamente industrializados,por lo que resultan económicamente no atractivos en

países en desarrollo, a tales fibras se les conoce comoFN procesadas (ACI 544, 1998).

Las FN están disponibles razonablemente engrandes cantidades en muchos países en desarrollo yrepresentan una fuente renovable continua (Azis et al.,1981). México es un país que posee abundanteproducción de FN sobre todo las de la familia del agave(Romanh, 1984). De esta familia la más conocida es el“sisal” que puede ser obtenida en la península de Yucatán,otras especies de la misma familia son el “maguey” y la“lechuguilla”. El maguey crece principalmente en el Valledel Mezquital ubicado en el estado de Hidalgo, mientrasque la lechuguilla normalmente se desarrolla en la zonanoreste de México (Maiti, 1995). Es esta última FN elmotivo del presente estudio. En la Figura 1 se puedeobservar la planta de lechuguilla. La región ixtlera delnoreste del país que comprende los estados de Coahuila,Zacatecas, Nuevo León, San Luis Potosí y Tamaulipastiene graves carencias en vivienda (Rechy de von Roth,

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2. Descripción del programaexperimental

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2000), algunas alternativas para disminuir estaproblemática bien pueden ser, la autoconstrucción devivienda y aplicar la tecnología adecuada que les permitautilizar las FN para reducir los costos de construcción,sobre todo si se utiliza como refuerzo en el concreto(Castro y Naaman, 1981).

Figura 1. Planta de lechuguilla (Agave lechuguilla)

A finales de los años 60, se llevó a cabo envarios países una evaluación sistemática de las propiedadesingenieriles de las FN y de los compuestos formados porestas fibras con el cemento. Los resultados de lasinvestigaciones indicaron que algunas FN pueden serusadas con éxito para fabricar materiales de construcción.Posteriormente se desarrollaron procesos de manufacturaapropiados para la producción comercial en varios paísesde América Central, África y Asia, sin embargo ningunode estos procesos involucró a la lechuguilla. Los productoshechos con cemento portland y FN no procesadas talcomo el sisal, coco, caña de azúcar, bambú, yute, madera,etc., se han estudiado para determinar sus propiedadesingenieriles y su posible uso en la construcción en almenos 40 diferentes países (Azis et al., 1984). Aunquelos resultados fueron alentadores, se encontraron algunasdeficiencias respecto a su durabilidad. Estas deficienciasal parecer son resultado de la reacción entre la alcalinidadde la pasta de cemento y las FN, además de lasusceptibilidad al ataque de microorganismos en presenciade la humedad (Lewis y Mirihagalia, 1979).

Esta investigación pretende encontrartratamientos químicos adecuados en la fibra de lechuguilla,que permitan aumentar la durabilidad del compuestoreduciendo el deterioro que sufre la misma en el medioalcalino propio del concreto.

El programa consistió en pruebas a las fibras yensayes en especímenes de concreto reforzado con FN(CRFN). Para la caracterización física de las fibras sedeterminó su diámetro, longitud promedio, porcentajede absorción de agua, densidad absoluta y porosidad.También se observó para la sección transversal de lafibra, morfología por microscopía electrónica de barrido.Las propiedades mecánicas obtenidas fueron el esfuerzoúltimo a la tensión y la elongación a la ruptura.

Para minimizar el deterioro de las fibras sepropuso impregnarlas con seis diferentes sustanciasrepelentes al agua que fueran económicas y no dañaranal concreto. Para una impregnación más eficiente seestudió la variación de la tensión superficial y la alturade capilaridad con relación a la temperatura de estassustancias. De los resultados obtenidos se seleccionaronlas posibles sustancias protectoras. Posteriormente seimpregnaron con estas sustancias lotes de 120 fibras cadauno, los cuales fueron sometidos a una solución alcalina(pH = 12.5) de hidróxido de calcio y agua. Se ensayarona tensión a los 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9 y 12 meses deexposición al medio alcalino. Además, se determinó elporcentaje de absorción de agua en fibras previamenteimpregnadas con las sustancias protectoras.

Los especímenes de CRFN se fabricaron conagregados de caliza con tamaño máximo de 9 mm conuna graduación conforme a ASTM C 33. Se utilizarondos relaciones Agua / Cemento (A/C): 0.65 y 0.35, conuna dosis de cemento de 381 kg/m3 y 707 kg/m3

respectivamente, con el fin de estudiar el comportamientocon matrices permeables (A/C = 0.65) y matrices densas(A/C = 0.35). Para definir la mejor sustancia protectora,se fabricaron especimenes de referencia sin FN, así comoespecímenes de concreto reforzados con FN sintratamiento y con tratamiento al 1% del volumen totalde la mezcla (13.8 kg/m3) y con una longitud de la fibrade 20 a 30 mm. Lo anterior se realizó por triplicado paralos diferentes tratamientos y relaciones A/C. Paradeterminar la resistencia a flexión o módulo de rupturade acuerdo a la norma ASTM C 78-94 se ensayaronespecimenes de 75x75x280 mm. Una primera serie de15 especímenes se ensayaron a los 14 días con curadoestándar hasta el momento del ensaye. La segunda seriede igual número se mantuvo en el cuarto de curadodurante 10 meses, posteriormente fue sometida a 10ciclos de humedecimiento y secado antes de ensayarse.Cada ciclo consistió en 12 horas en un horno conhumedad relativa de 95% a 70ºC y posteriormente 12

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Figura 2. Sección transversal de una fibra de lechuguilla

La alta absorción de agua esta relacionada conla porosidad de la fibra. Se realizaron pruebas de porosidaden dos muestras de fibra sin ningún tratamiento. Lamuestra 1 contenía fibras con diámetros de 0.15 a 0.25mm y la muestra 2 estaba formada por fibras con diámetrosde 0.25 a 0.35 mm. El equipo utilizado es un porosímetrode intrusión de mercurio, el cual inyecta el metal apresión en toda la muestra saturando sus poros, en laTabla3 se resumen los resultados obtenidos en la prueba. Lasfibras con diámetros de 0.25 a 0.35 mm de la muestra2 tienen una mayor cantidad de microceldas, ya queposeen poros más pequeños, pero con mayor áreaespecífica lo que permite acumular un mayor volumende mercurio.

Por lo que resulta, que las fibras de mayordiámetro registran una mayor porosidad que las fibrasde diámetros de 0.15 a 0.25 mm. La densidad bruta essimilar entre ambas muestras y también se acerca al valorde la densidad absoluta. Para el diseño de losproporcionamientos del CRFN, se obtuvo la densidadabsoluta de la fibra en condición seca. En la Tabla 4 sepresenta un resumen de los datos usados para el cálculode las densidades.

El esfuerzo último a la tensión de la fibra fueevaluado como la relación entre la carga de falla y elárea promedio bruta, determinada con el diámetropromedio medido en tres diferentes secciones transversalesentre los puntos de sujeción de la fibra montada, en eldispositivo de prueba esquematizado en la Figura 3. Lacarga se fue aplicando en forma gradual mediante pesosconocidos midiendo la elongación de la fibra con unmicrómetro de carátula con precisión de 0.01 mm. Esteaparato registraba el desplazamiento de uno de los puntosde sujeción de la fibra. Al momento de la ruptura de lafibra, se tomaba la lectura en el micrómetro obteniendola elongación última, la longitud de calibración fue de

horas en un horno a 70ºC en ambiente seco (humedadrelativa aproximadamente 50%).

Una vez que fue seleccionada la sustanciaprotectora para la FN, se procedió a determinar el volumeny la longitud de la FN que proporcionara el mayor módulode ruptura de acuerdo a ASTM C 78-94. Se investigaronfibras cortas y largas distribuidas aleatoriamente, para locual se usaron fibras tratadas y cortadas con las siguienteslongitudes: 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 y 300 mm.Asimismo, se investigó la cantidad de fibra para diferentesvolúmenes absolutos de FN en la mezcla: 0.5, 1.0, 1.5y 2.0%. Todos los especímenes se ensayaron a los 14días.

3.1 Propiedades físico - mecánicas de la fibraLas FN fueron compradas en una compañía

ixtlera de la localidad, se lavaron con agua potable paraeliminar la presencia de carbohidratos libres,posteriormente fueron secadas al sol. Las pruebas fueronrealizadas en el laboratorio a una temperatura de 23ºC.El diámetro de la fibra fue medido en ambos extremoscon un vernier digital con precisión de 0.01 mm, eldiámetro mayor corresponde al extremo anexo al talloy disminuye gradualmente hasta la punta (ver Tabla 1).La longitud total es también variable con un promediode 451 mm, lo que resulta menor a las longitudesreportadas para el sisal y el maguey (Zapien, 1980).

Las fibras están formadas por microceldasindividuales unidas entre sí por medio de la hemicelulosay la lignina (Gram, 1988a). En la micrografía de la Figura2 se pueden observar las microfibras integradas entre sílas cuales forman la morfología general de la fibra. Estamicroestructura origina que la fibra posea una altapermeabilidad. Al saturarse absorben una cantidad deagua de casi el 100% de su peso seco. En el caso defibras sin ningún tratamiento previo, éstas absorberánagua durante el mezclado, por lo cual deberá agregarseagua adicional para mantener la relación A/C. Además,las variaciones en el contenido de humedad de las fibrasorigina una inestabilidad en su volumen que conduciráa una pérdida de adherencia con la matriz de concreto.

En la Tabla 2 se puede apreciar que el agua seabsorbe rápidamente con poco tiempo de inmersión,esto puede deberse a la acción capilar de las microceldasde la fibra.

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3.Resultados experimentales ydiscusión

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90 mm. En la Figura 4 se puede observar elcomportamiento típico de la fibra durante el ensaye.Debido a la alta variabilidad en lo referente al diámetrode la fibra, se realizaron 160 ensayos a tensión, tratandode obtener un adecuado índice de confiabilidad en losresultados.

En la mayoría de los ensayes a tensión elcomportamiento de la fibra presentó una tendencia a serelastoplástico hasta la falla. Esto puede deberse a quealgunas microceldas fluyen individualmente o se separanentre sí, pero las restantes aún pueden soportar carga,sin embargo, la deformación es permanente. En la Figura5 se puede apreciar la variación de la carga de falla conrespecto al diámetro de la fibra. La tendencia fue que amayor área bruta, la fibra soporta mas carga. Sin embargo,el esfuerzo último disminuye en las fibras con áreas brutasmayores ya que la carga se distribuye en una mayor áreabruta transversal (Figura 6). Los esfuerzos últimos a latensión en la fibra aquí reportados, para diámetros entre0.15 y 0.25 mm, presentan una tendencia de 600 a 300MPa, respectivamente. Todas las propiedades físico-

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mecánicas determinadas resultaron similares a lasreportadas por otros investigadores (Azis, 1984 y Castro,1981).

Figura 3. Croquis del dispositivo para ensayes a tensión

Figura 4. Curvas típicas de carga vs elongación

Figura 5. Variación de la carga última a tensión con respectoal diámetro de la fibra

Cantidad de fibras medidas Diámetro máximo Diámetro mínimo Longitud total Nº mm mm mm

PROMEDIO

DESVIACIÓN ESTÁNDAR

100 0.26 0.16 451

100 0.07 0.05 58

Tabla 1. Valores de diámetros y longitudes de FN

Tabla 2. Porcentaje de absorción de agua en las fibras

Absorción relativaal peso seco

(%)

8079859598

Muestra

12345

Tiempo desaturación

(min)

5153060

1440 (24 h)

Peso seco(g)

0.950.990.990.950.95

Peso saturadosuperficialmente

seco(g)

1.711.771.831.851.88

Peso del aguaabsorbida

(g)

0.760.780.840.900.93

Tabla 3. Resumen del análisis porosimétrico de las fibras

Volumenacumulado

(mm3/g)

167.5214197.9167

Muestra

12

Áreaespecífica

(m2/g)

10.7013.25

Promedio delradio del poro

(Å)

530880266070

Densidadbruta

(g/cm3)

1.281.30

Densidad brutacorregida(g/cm3)

1.631.75

Porosidadtotal de lamuestra

(%)

21.4425.72

Tabla 4. Densidad absoluta de la fibra

Peso defibras secas

(g)

5.005.005.00

Muestra

123

Volumen defibras saturadassuperficialmente

secas(cm3)8.718.558.65

Peso de fibrassaturadas

superficialmentesecas

(g)10.5110.3510.45

Volumen defibras secas

(cm3)

3.713.553.65

Densidad absolutade la fibra

(g/cm3)

1.351.411.37

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7 se puede observar que hasta temperaturas de 80ºC, laCr y el S tienen una tensión superficial mayor que lasotras sustancias. Esto debido a su alta viscosidad, por loque se dificultaría la impregnación por capilaridad de lafibra.

Por esta razón, la impregnación se llevó a cabocon las sustancias AL, AL+RN, P y P+RN, que resultaroncon mayor ascenso capilar. Para las sustancias AL yAL+RN la temperatura de impregnación fue 80ºC y paralas sustancias P y P+RN fue de 100ºC. La impregnacióncon AL y AL+RN se realizó por inmersión de la fibra secadurante 5 minutos, posteriormente la fibra se sumergeen la misma sustancia a 24ºC durante el mismo periodode tiempo. Este ciclo se repitió tres veces buscando quela sustancia penetrara lo más posible en la fibra.Para la impregnación con las P y P+RN, las fibras secasse sumergieron en la sustancia durante 5 minutos, acontinuación la fibra impregnada se colocó en un hornoa 105ºC 5ºC durante 15 minutos. para reducir laformación de grumos alrededor de las fibras, lograndocon esto una distribución uniforme durante el mezclado.Las FN se trataron con las diferentes sustancias en lassiguientes proporciones: AL + aguarrás (1:1), AL + RN +aguarrás (4:1:4), P no se diluyó y P + RN (4:1).

Temperatura ºC

Temperatura ºC

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Figura 6. Variación del esfuerzo último a tensión con respectoal diámetro de la fibra

3.2 Tratamiento a la fibra previo al mezcladoPara reducir la cantidad de agua que puede

absorber la fibra, así como para proporcionarle proteccióncontra el medio alcalino de la pasta de cemento, seconsideró utilizar sustancias que fueran hidrófobas yeconómicas para no encarecer el proceso tales como:

-Aceite de linaza (AL)-Aceite de linaza + resina natural (AL+RN)-Parafina (P)-Parafina + resina natural (P+RN)-Sellador para madera (S)-Creosota (Cr)

El AL es de color ámbar, se oxida y polimerizacon facilidad, generando una película elástica. La P esuna sustancia sólida a temperatura ambiente, con puntode fusión alrededor de los 67ºC. La RN utilizada se leconoce como brea, a temperatura ambiente es sólida decolor oscuro y frágil, entre 90 y 100ºC se convierte enuna sustancia viscosa, puede ser mezclada con solventescomo el aguarrás y no es soluble en el agua. El S y la Crson productos industrializados y de fácil disponibilidaden el mercado.

Aprovechando las propiedades de alta absorciónque tiene la fibra, se buscó la temperatura para la cuallas diferentes sustancias presentan la mejor impregnaciónpor capilaridad. Una forma inicial de evaluar la capilaridades la tensión superficial de los líquidos que es inversamenteproporcional al ascenso capilar y es menor cuando ellíquido aumenta su temperatura (Levine, 1996). Paradeterminar la tensión superficial se utilizó un dispositivoque consiste de un anillo metálico el cual se coloca sobrela superficie de la sustancia, mediante un mecanismomecánico se determinó la fuerza necesaria para separarel anillo de esta superficie. Los resultados obtenidos seregistran en las unidades propias del dispositivo y soncomparativos entre las diferentes sustancias. En la Figura

Figura 7. (a y b) Tensión superficial y capilaridad de lassustancias con respecto a la temperatura

a)

b)

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3.3 Durabilidad de la fibraLa descomposición en un medio alcalino de la

celulosa, que es la principal unidad estructural de la fibra,así como también de la hemicelulosa, se puede presentarde acuerdo a dos diferentes mecanismos, el desfibramientoy la hidrólisis alcalina (Gram, 1988b). De igual manera,la lignina que es la matriz que une las microceldas decelulosa, se fragmenta fácilmente en un medio alcalino.De acuerdo con H. E. Gram (Gram, 1988b) ladescomposición química de la lignina y la hemicelulosaes la principal causa del deterioro por fragilización de lafibra en el concreto. La alcalinidad del agua en el porode la matriz de cemento disuelve la lignina, se rompe launión de las microceldas individuales las cuales absorbenel hidróxido de calcio producto de las reacciones dehidratación del cemento, la fibra pierde su flexibilidady se fragmenta en pequeñas unidades longitudinalesperdiendo su capacidad de reforzar al concreto.

Para simular el medio alcalino del concreto, seutilizó una solución concentrada de hidróxido de calciodisuelto en agua a temperatura de laboratorio 23ºC, enla cuál se sumergieron las FN tratadas. Como se puedeobservar en la Figura 8, el esfuerzo último a tensión entodas las fibras tuvo una tendencia a disminuir al aumentarel tiempo de exposición en la solución alcalina. Las fibrasimpregnadas con P presentaron un 53% del esfuerzo atensión con respecto al esfuerzo inicial de referenciacorrespondiente a las fibras no expuestas a la soluciónalcalina, que resultó ser el porcentaje más alto. Las fibrasimpregnadas con el resto de las sustancias, presentaronesfuerzos últimos a la tensión bajos, similares a losobtenidos para las fibras sin tratamiento. Se observó quedespués del sexto mes de exposición, el ataque alcalinopropició que la FN se fragilizara. En la Figura 9 se observaque el efecto de los cuatro tratamientos a las FN redujoen promedio un 35% la absorción de agua en relacióna las FN sin tratar.

3.4 Ensayes en concretos reforzados con fibrasLos diferentes tipos de fibras que son utilizadas

como refuerzo son las fibras de acero, vidrio, plásticasy naturales, proporcionándole al concreto ductilidad ycapacidad de absorber energía. La más importantecontribución de las fibras es la de incrementar la tenacidaddel compuesto (Mehta y Monteiro, 1998). Las propiedadesmecánicas del CRFN son afectadas por muchos factores.

Algunos de estos son el tipo, la geometría, laforma y la superficie de la fibra, las propiedades de lamatriz de cemento, la proporción de la mezcla, el métodode mezclado, de colado y de curado (Fördos, 1988).

En es ta invest igación se evaluó elcomportamiento de especímenes de CRFN con dosdiferentes relaciones A/C. La relación A/C = 0.65 resultóser una mezcla trabajable incluso con la fibra. No obstante,en el estado endurecido presentó una alta permeabilidad,por lo que su aplicación puede limitarse a elementosconstructivos de bajo costo y de autoconstrucción. Parala relación A/C = 0.35 fue necesario agregar 10 ml de

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Figura 8. Efecto del medio alcalino en el esfuerzo a tensión delas fibras tratadas (a). Relación de esfuerzo sostenido después

de la exposición al medio alcalino (b)

b)

Figura 9. Porcentaje de absorción de agua en fibras tratadas

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a)

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aditivo superfluidificante base naftaleno por kg decemento, la mezcla resultante fue trabajable y la adiciónde las fibras se realizó adecuadamente. Este concreto demayor densidad e impermeabilidad resulta convenientepara aplicaciones estructurales de mayor costo, no seconsidera viable para la autoconstrucción. La longitudy el volumen de la fibra fueron de 20 a 30 mm y 1% delvolumen total de la mezcla (13.8 kg/m3) respectivamente,manteniéndose constantes en todos los colados ya quese trataba inicialmente de evaluar la eficiencia de lassustancias protectoras de la fibra. La mezcla fue realizadacomo lo recomienda el Comité del ACI 544 y se vacióen moldes metálicos de tres barras por molde para fabricarespecímenes de 75x75x280 mm. Se fabricaron portriplicado barras de CRFN con fibras sin tratar y tratadascon las cuatro diferentes sustancias protectoras, para lasdos relaciones A/C. Todos los especímenes se mantuvieronen sus moldes durante 24 horas protegiéndolos de lapérdida de humedad y posteriormente se colocaron dentrode un cuarto de curado con 95 % de humedad relativahasta el momento de su ensaye. Una primera serie de 18barras para cada relación A/C se ensayó a los 14 días deedad de acuerdo a la norma ASTM C 78-94. Se obtuvosu módulo de ruptura el cual es un índice de la tenacidaddel compuesto. Adicionalmente, se registró la deflexiónal centro del claro de las barras utilizando un micrómetrode carátula con una precisión de 0.01 mm como se puedever en la Figura 10. Del mismo modo, la Figura 11 registralos resultados de los ensayes a flexión en las barras conrelación A/C = 0.65. Se puede observar que el tratamientocon P le permite al compuesto tener el doble de módulode ruptura en comparación con los otros tratamientos,sin embargo, la resistencia a flexión no se incrementó encomparación con el concreto sin fibras. Los especímenessin fibra resistieron mayor carga, pero su falla es frágil.Este tipo de falla no se presentó en los especímenes confibra.

En los especímenes con relación A/C = 0.35 seregistra mayor módulo de ruptura de acuerdo a la Figura11. De igual forma, el CRFN tratadas con P tiene unmayor módulo de ruptura. De acuerdo a los resultadosobtenidos para las dos relaciones A/C, el medio alcalinode la matriz de cemento a la edad de 14 días no es factorque reduzca la resistencia a flexión, ya que el CRFN sintratamiento mantuvo un nivel de resistencia similar a latratada con P. Es posible que la disminución de laadherencia debido a los cambios volumétricos de la fibradurante el proceso de mezclado provocaran la reduccióndel módulo de ruptura en comparación con el concretosin fibras en el caso de la relación A/C = 0.65. En ambasrelaciones A/C las curvas con mayor área de las Figuras11 corresponde al CRFN tratada con parafina.

El comportamiento observado en losespecímenes durante el ensaye a flexión fue de mínimadeflexión hasta que se alcanza la carga máxima dondeaparece la primera grieta. No se observó la formaciónde pequeñas grietas adicionales a la primera. Al aparecerla primera grieta fue incrementando su ancho durante laaplicación de la carga, por lo que se generó un soloplano de falla. Esto posiblemente se deba a que la fibrano es capaz de transmitir por adherencia los esfuerzosde tensión a la matriz no agrietada, se observó que lafibra falló por extracción lo que refuerza lo anteriormentemencionado.

Para tratar de evaluar la influencia de lasvariaciones de humedad sobre el comportamiento aflexión de especímenes de CRFN, se sometió a unaprueba de ciclos humedecimiento y secado, una segundaserie de 15 barras para ambas relaciones A/C. Todas lasbarras permanecieron en el cuarto de curado durante 10meses y posteriormente fueron expuestas a 10 ciclos.Del mismo modo que los resultados en especímenes de14 días de edad, se mantuvo una tendencia muysemejante. El tratamiento con P permite al CRFN manteneruna adecuada resistencia a flexión después de los 10ciclos. Como puede observarse en la Figura 12, el efectode la alcalinidad de la pasta de cemento parece empezara ser un factor de importante en la disminución de laresistencia a flexión del CRFN sin tratar, ya que para larelación A/C = 0.35 este compuesto presenta uno de losmás bajos módulos de ruptura. Según los resultados delos ensayes a flexión mostrados en la Figura 12, las fibrasque fueron tratadas con los aceites y la resina son lasmás afectadas por la reacción alcalina de la matriz decemento. Esta reacción pudo propiciar que la adherenciaentre la matriz y la fibra disminuyera fragilizando a lafibra y por consiguiente, su resistencia a flexión sereduciera considerablemente.

Figura 10. Ensaye a flexión para obtener el módulo de rupturade especímenes de CRFN

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3.5 Efecto del volumen y la longitud de la fibraSegún Aziz, Paramaswivam y Lee (Azis, 1981),

la resistencia última del CRFN depende principalmentedel tipo, de la longitud y del volumen de la fibra en lamezcla. La relación de la longitud y el volumen de fibradifiere para cada tipo de FN. Una cantidad alta de fibradificulta el mezclado y éstas tienden a apelmazarse,generando inadecuada adherencia lo que disminuye suresistencia.

Para estudiar este efecto, se fabricaronespecímenes para ensayes a flexión reforzados con fibratratada con P, ya que según los resultados referentes alporcentaje de absorción y la resistencia al medio alcalinode la fibra, así como el efecto de las sustancias protectorasen la resistencia a flexión de especímenes, la sustanciaprotectora P resultó ser la mejor en comparación con lasotras sustancias estudiadas en esta investigación. Losvolúmenes de fibra con respecto al total de la mezclafueron de 0.5, 1.0, 1.5 y 2.0%, y para cada volumencorrespondió las siguientes longitudes de fibra: 10-20,20-30, 30-40, 40-50 y 300 mm. La Figura 13 muestra lavariación del módulo de ruptura con respecto a estasvariables.

b)

c)

d)

Figura 11. (a,b,c,d, respectivamente), comportamiento aflexión de especímenes de CRFN de relación A/C= 0.65 y 0.35

a)

b)

Figura 12. (a y b respectivamente),efecto de los cicloshumedecimiento y secado en la resistencia a flexión de

especímenes de CRFN

a)

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De acuerdo con los resultados obtenidos paralas dos relaciones A/C, el comportamiento es muy similar.Como puede observarse en la Figura 13, la fibra conlongitud de 300 mm aumentó la resistencia a flexión delCRFN siendo la combinación con un volumen de fibrade 0.5% la que resultó con mayor incremento en suresistencia. Comparada con los especímenes sin fibra laresistencia a flexión aumentó un 20% para ambasrelaciones A/C. Se puede observar una tendencia en laresistencia a flexión, la cual disminuyó conforme seincrementó el volumen de fibra. Es posible que la fibralarga tuviera mayor adherencia debido a su longitud.

Esto se confirma al examinar la superficie defalla de los especímenes ensayados, en donde se pudoobservar que las fibras cortas normalmente tuvieron untipo de falla de extracción debido a la falta de adherencia.Mientras que las fibras largas presentaron una falla porruptura de la fibra, lo que indica una mejor adherencia.

El profesor Surendra P. Shah (Shah, 1993) explicaque el compuesto soportará cargas crecientes despuésdel primer agrietamiento de la matriz, si la resistencia ala extracción de las fibras en la primera grieta es mayorque la carga que produjo el primer agrietamiento, ya queen la sección agrietada la matriz no resiste tensión algunay las fibras soportan toda la carga aplicada al compuesto.Según observaciones durante los ensayes en losespecímenes con fibras cortas, la falla por flexión se inicióal agrietarse la matriz. En ese momento la carga disminuyó,lo que indica que la fibra no fue capaz de transferir poradherencia los esfuerzos a la matriz, el ancho de la grietaaumentó sin presentarse otros planos de falla hasta quela fibra fue extraída. Para el caso de especímenes confibras largas, al agrietarse la matriz la fibra fue capaz desostener la carga de agrietamiento, sin embargo, no pudosoportar cargas crecientes. Al igual que con las fibrascortas, únicamente se presentó un plano de falla, perola fibra falló por ruptura. Es posible que la fibra no pudierasoportar más carga después del agrietamiento al notransferir efectivamente los esfuerzos a la matriz debidoa su bajo módulo de elasticidad. Es decir, la fibra esflexible con alta capacidad de elongación, lo que impidesoportar cargas crecientes una vez agrietada la matriz deconcreto.

1.Por sus significativas propiedades físico mecánicas talcomo su resistencia última a tensión, las fibras naturalesde lechuguilla representan una alternativa viable comoposible refuerzo en el concreto.

2. El tratamiento protector con parafina le permite a lafibra reducir su capacidad de absorción de agua,además de mantener un porcentaje aceptable de suresistencia última a la tensión después de haber estadoexpuesta durante un año a un ambiente húmedo yalcalino, lo que en general resulta sumamente crítico.

3. La fibra de lechuguilla permite un comportamientodúctil del compuesto después del primer agrietamientode la matriz de concreto.

4. Las fibras largas adicionadas en porcentajes bajos delvolumen total de la mezcla, proporcionan al concretola capacidad para soportar mayores cargas de flexiónen comparación con el concreto simple.

5. La densificación de la matriz mediante la disminuciónde la relación A/C ayuda a reducir la absorción deagua y a incrementar su resistencia a flexión de manerasignificativa, para los compuestos reforzados con fibras.

a)

b)

Figura 13. (a y b respectivamente), efecto del volumen y lalongitud

4. Conclusiones

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