uso de fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en concreto · 2017-04-26 · las fibras que...

Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22 7

Uso de fibras naturales delechuguilla como refuerzoen concretoCésar A. Juárez Alvarado, Patricia Rodríguez LópezDoctorado en Ingeniería de Materiales, [email protected] Rivera VillarrealDepartamento de Tecnología del Concreto, Instituto de Ingeniería [email protected]. de los Ángeles Rechy de Von RothDepartamento de Tecnología de la Madera, FCF-UANL.

RESUMENEsta investigación pretende encontrar materiales de construcción que

sean económicos y durables. Las fibras de acero, de vidrio o poliméricas,son alternativas viables pero costosas. Las fibras naturales pueden ser unaposibilidad real para los países en desarrollo, ya que están disponibles engrandes cantidades y representan una fuente renovable continua. La fibraes afectada principalmente por la alcalinidad de la matriz de concreto. Ladurabilidad del compuesto dependerá entonces de la protección que tengala fibra y de las características de impermeabilidad propias de la matriz.PALABRAS CLAVE

Concreto, refuerzo, fibra natural, resistencia a la flexión, curado, colado, reacciónde hidratación, durabilidad.

ABSTRACTThis research aims to find construction materials which are inexpensive

and durable. Steel, glass and polymer fibers are feasible, but expensivealternatives. Natural fibers can be a real possibility for developing coun-tries, due to the fact that these kinds of fibers are available in great quanti-ties and that the source where they are obtained is renewable. The fiber isaffected mainly by the alkalinity of the concrete matrix. The composite’sdurability will depend on the protection the fiber has, and on the imperme-ability features of the matrix.KEYWORD

Concrete, reinforced, natural fiber, bending strength, curing, casting, hydrationreaction, durability.

A partir de que las fibras de asbesto fueron relacionadas con potencialespeligros para la salud1 se inició la búsqueda de posibles sustitutos que leproporcionaran al concreto las propiedades tan favorables que el asbesto le daba,

Proyecto galardonado conel Premio de InvestigaciónUANL 2002, en la categoríade Ingeniería y Tecnología,otorgado en la SesiónSolemne del ConsejoUniversitario de la UANL el11 de Septiembre de 2003.

8 Ingenierías, Enero-Marzo 2004, Vol. VII, No. 22

además de ser competitivos en calidad y precio. Lasfibras de acero, de vidrio y más recientemente las depolipropileno, son alternativas viables para reforzaral concreto. Sin embargo, otro grupo de fibrasllamadas naturales o vegetales han sido motivo devarios estudios para su posible aplicación comorefuerzo del concreto.

Materiales reforzados con fibras naturales sepueden obtener a un bajo costo usando la mano deobra disponible en la localidad y las técnicasadecuadas para su obtención. Estas fibras sonllamadas típicamente fibras naturales no procesadas.Sin embargo, las fibras naturales pueden serprocesadas químicamente para mejorar suspropiedades. Estas fibras son generalmente derivadasde la madera. Estos procesos son altamenteindustrializados y no se dispone en los países endesarrollo. A tales fibras se les conoce como fibrasnaturales procesadas.2

Aunque históricamente muchas fibras han sidousadas para reforzar varios materiales deconstrucción, ha sido hasta años recientes que loscientíficos se han dedicado a estudiar a las fibrasnaturales como refuerzo, ya que anteriormente suuso se limitaba exclusivamente a la producción deropa, colchones y cobijas.

Las fibras naturales están disponiblesrazonablemente en grandes cantidades en muchospaíses en desarrollo y representan una fuenterenovable continua.3 México es un país que poseeabundante producción de fibras naturales sobre todolas de la familia del agave.4 De esta familia la másconocida es el “sisal” que puede ser obtenida en lapenínsula de Yucatán; otras especies de la mismafamilia son el “maguey” y la “lechuguilla”. El primerocrece principalmente en el Valle del Mezquital ubicadoen el estado de Hidalgo, mientras que la lechuguillanormalmente se desarrolla en la zona noreste deMéxico. Es esta última fibra natural el motivo delpresente estudio. En la figura 1 se puede observar laplanta de lechuguilla.

La región ixtlera del noreste del país quecomprende los estados de Coahuila, Zacatecas,Nuevo León, San Luis Potosí y Tamaulipas tienegraves carencias en vivienda.5 Algunasalternativas para disminuir esta problemática bienpueden ser:

• La autoconstrucción de la vivienda realizada porlos mismos campesinos y,

• Aplicar la tecnología adecuada que les permitautilizar fibras naturales para reducir los costos deconstrucción, sobre todo si se utiliza como refuerzoen el concreto.6

A finales de los años 60s, se llevó a cabo en otrospaíses una evaluación sistemática de las propiedadesde ingeniería de las fibras naturales y de loscompuestos formados por estas fibras con el cemento.Los resultados de las investigaciones indican que lasfibras pueden ser usadas con éxito para fabricarmateriales de construcción. Posteriormente sedesarrollaron procesos de manufactura apropiadospara la producción comercial en varios países deAmérica Central, África y Asia.

Los productos hechos con cemento portland yfibras naturales no procesadas tal como el sisal, coco,caña de azúcar, bambú, yute, madera etc., se hanprobado para determinar sus propiedades deingeniería y su posible uso en la construcción en almenos 40 diferentes países. 8

Aunque los resultados fueron alentadores, seencontraron algunas deficiencias respecto a sudurabilidad. Estas deficiencias al parecer sonresultado de la reacción entre la alcalinidad de lapasta de cemento y las fibras, además de lasusceptibilidad al ataque de microorganismos enpresencia de la humedad.9

Esta investigación pretende encontrartratamientos adecuados en la fibra, que permitanaumentar la durabilidad del compuesto reduciendo el

Fig. 1. Planta de lechuguilla (Agave lechuguilla).7

Uso de fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en concreto / César A. Juárez Alvarado, et al


deterioro que sufre la misma en el medio alcalinopropio del concreto.

DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMAEXPERIMENTAL

El programa consistió en pruebas a las fibras yensayes en los especímenes de concreto reforzadocon fibras naturales (CRFN). Para la caracterizaciónde las fibras se obtuvo su diámetro, longitud promedio,% de absorción de agua, densidad absoluta yporosidad. También, se observó su morfología conmicrografías de la sección transversal de la fibra.Las propiedades mecánicas obtenidas fueron elesfuerzo último a la tensión y la elongación a laruptura. Para minimizar el deterioro de las fibras sepropuso impregnarlas con seis diferentes sustanciasrepelentes al agua que fueran económicas y nodañaran al concreto. Para una impregnación máseficiente se estudió la variación de la tensión super-ficial y la altura de capilaridad con relación a latemperatura de estas sustancias. De los resultadosobtenidos se seleccionaron las posibles sustanciasprotectoras. Posteriormente se impregnaron conestas sustancias lotes de 120 fibras cada uno, loscuales fueron sometidos a un medio alcalino (pH =12.5) producido por una solución de hidróxido decalcio y agua. Se ensayaron a tensión a los 0, 1, 2, 3,4, 5, 6, 9 y 12 meses de exposición al medio alcalino.Además, se determinó el porcentaje de absorción deagua en fibras previamente impregnadas con lassustancias protectoras.

Los especímenes de CRFN se fabricaron conagregados de caliza propios de Nuevo León, México.La granulometría de los agregados finos fue lasiguiente: Porcentajes parciales de 2.5, 7.5, 22.5, 25,22.5, 14 y 6 % retenidos en las mallas # 4, 8, 16, 30,50, 100 y material que pasa la malla 100respectivamente. Con esta granulometría al concretose le conoce comúnmente como mortero.

Se utilizaron dos relaciones Agua/Cemento (A/C): 0.65 y 0.35 con un consumo de cemento de 381kg/m3 y 707 kg/m3 respectivamente, con el fin deestudiar el comportamiento con matrices permeables(A/C = 0.65) y matrices densas (A/C = 0.35). Losespecímenes de concreto fueron reforzados con fibrasin tratamiento y con fibra impregnada con las

sustancias, al 1 % del volumen total de la mezcla(13.8 kg/m3) y con una longitud de la fibra de 20 a 30mm, en forma preliminar para definir a la mejorsustancia protectora.

Se fabricaron por triplicado para todas lascondiciones y las dos relaciones A/C, especímenesde 75 x 75 x 280 mm para la resistencia a flexión omódulo de ruptura de acuerdo a la norma ASTM C78-94. Una primera serie de 15 especímenes seensayaron a los 14 días con curado estándar hasta elmomento del ensaye. Otra segunda serie de igualnúmero se mantuvo en el cuarto de curado durante10 meses, posteriormente fue sometida a 10 ciclosde humedecimiento y secado antes de ensayarse.Cada ciclo consistió en 12 h en un horno a 70ºC enambiente húmedo y 12 h en un horno a 70ºC enambiente seco. Adicionalmente, se fabricaronespecímenes para flexión sin ningún contenido defibra para las dos relaciones A/C. Fueron curados yensayados de igual manera que los especímenes confibra de la primera serie.

Una vez que fue seleccionada la sustanciaprotectora para la fibra, se procedió a tratar dedeterminar el volumen de fibra en la mezcla y lalongitud de la misma que proporcionara la mayorresistencia a flexión o módulo de ruptura según seindica en la norma ASTM C 78-94. Se investigaronfibras cortas y largas aleatoriamente distribuidas, paralo cual se usaron fibras tratadas y cortadas a lassiguientes longitudes: 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 y300 mm. Así también, la cantidad de fibra se investigóprobando los siguientes porcentajes del volumen to-tal de la mezcla: 0.5, 1, 1.5 y 2%. Todos losespecímenes se ensayaron a los 14 días.

RESULTADOS EXPERIMENTALES Y DISCUSIÓNPropiedades físico-mecánicas de la fibra

Las fibras de lechuguilla fueron compradas enuna compañía ixtlera de la ciudad de Santa CatarinaN.L., México. Esta empresa las comercializa en elextranjero principalmente como materia prima. Todaslas fibras que fueron utilizadas en esta investigaciónse lavaron con agua potable para eliminar lapresencia de carbohidratos libres, posteriormentefueron secadas al sol. Todas las pruebas realizadasa las fibras fueron hechas en el laboratorio a una

Uso de fibras naturales de lechugilla como refuerzo en concreto / César Juárez Alvarado, et al


temperatura de 23ºC. El diámetro de la fibra fuemedido en ambos extremos con un vernier digital de0.01 mm de precisión, el diámetro mayor correspondeal extremo anexo al tallo y disminuye gradualmentehasta la punta (ver tabla I). La longitud total estambién variable con un promedio de 451 mm, lo queresulta menor a las longitudes reportadas para el si-sal y el maguey. 10

origina una inestabilidad en su volumen que propiciala pérdida de adherencia con la matriz de concreto.En la tabla II se puede observar que el agua seabsorbe rápidamente con poco tiempo de saturación,esto puede deberse a la acción capilar de lasmicroceldas de la fibra.

La alta absorción de agua está relacionada con laporosidad de la fibra. Se realizaron pruebas deporosidad en dos muestras de fibra sin ningúntratamiento. La muestra 1 contenía fibras condiámetros de 0.15 a 0.25 mm y la muestra 2 estabaformada por fibras con diámetros de 0.25 a 0.35 mm.El equipo utilizado es un porosímetro de intrusión demercurio, el cual inyecta el metal a presión en todala muestra saturando sus poros, en la tabla III seresumen los resultados obtenidos en la prueba.

Cantidad defibras

Diámetromáximo

mmDiámetro

mínimo mmLongitudtotal mm

Promedio

100 0.26 0.16 451

Desviación estándar

100 0.07 0.05 58

Tabla I. Valores típicos de diámetro y longitud de lafibra.

Fig. 2. Sección transversal de una fibra de lechuguilla.

MuestraTiempo desaturación

minW seco g

W Saturadosuperficial-mente seco

g

W del aguaabsorbida

Absorciónrelativa alW seco %

1 5 0.95 1.71 0.76 80

2 15 0.99 1.77 0.78 79

3 30 0.99 1.83 0.84 85

4 60 0.95 1.85 0.90 95

5 1440 (24 h) 0.95 1.88 0.93 98

Tabla II. Porciento de absorción de agua en las fibras.

MuestraVolumenacumulado(mm3/g)

Areaespecífica(m2/g)

Promediodel radiodel poro(10-10)

Promediodel radiodel poro(10-10)

Densidadbruta

(g/cm3)

Densidadbruta

corregida(g/cm3)

Porosidadtotal de lamuestra

(%)

1 167.5214 10.70 530880 190 1.28 1.63 21.44

2 197.9167 13.25 266070 190 1.30 1.75 25.72

Tabla III. Resumen de prueba de porosidad en las fibras.

Las fibras están formadas por microceldasindividuales unidas entre sí por medio de lahemicelulosa y la lignina.11 En la micrografía de lafigura 2 se pueden observar las microfibras integradasentre sí las cuales forman la morfología general de lafibra.

Esta microestructura origina que la fibra poseauna alta permeabilidad. Al saturarse absorben unacantidad de agua de casi el 100 % de su peso seco.En el caso de fibras sin ningún tratamiento previoabsorberán agua durante el mezclado, la cual deberáadicionarse para evitar la pérdida de trabajabilidadde la mezcla. Además, el agua que absorben las fibras

Las fibras con diámetros de 0.25 a 0.35 mm de lamuestra 2 tienen una mayor cantidad de microceldas,ya que poseen poros más pequeños pero con mayorárea específica lo que permite acumular un mayorvolumen de mercurio. Por lo que resulta, que las fi-bras de mayor diámetro registran una mayor porosi-



dad que las fibras de diámetros de 0.15 a 0.25 mm.La densidad bruta es similar entre ambas muestras ytambién se acerca al valor de la densidad absolutareportado a continuación.

Para fines de realizar los proporcionamientos delCRFN se obtuvo la densidad absoluta de la fibra quees la relación entre el peso seco de la fibra y elvolumen seco de la misma. En la tabla 4 se presenta

momento de la ruptura de la fibra se tomaba la lecturaen el micrómetro obteniendo la elongación última, lalongitud de calibración fue de 90 mm. En la figura 4se pueden observar comportamientos típicos de lafibra durante el ensaye.

Debido a la alta variabilidad en lo referente aldiámetro de la fibra, se realizaron 160 ensayos a

No. demuestra

Densidaddel aguag/cm3

Volumen defibras SSS

cm3

Peso defibras sss

g

Volumen defibras secas

cm3

Peso defibras secas

g

Densidadabsolutade la fibra

g/cm3

1 1 8.71 10.51 3.71 5.00 1.35

2 1 8.55 10.35 3.55 5.00 1.41

3 1 8.65 10.35 3.65 5.00 1.37

Promedio = 1.38

No.muestra

Pesow1 g

Pesow2 g

Pesow3 g

Pesow4 g

w2-w-1 g

w4-w3g

(w2-w1)--(w4-w5)

g

1 188.52 685.70 199.03 687.50 497.18 488.47 8.74

2 188.53 686.00 198.88 687.80 497.47 488.92 8.55

3 188.52 686.10 198.87 687.80 497.58 488.93 8.65

Tabla IV. Densidad absoluta de la fibra.

Fig. 3. Croquis del dispositivo para ensayes a tensión.

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

Elongación de la Fibra ( mm )

Carg

a (

N )

20 mm

f = 0.20 mm

f = 0.19 mmf = 0.21 mm

f = 0.20 mm

Fig. 4. Curvas típicas de carga vs elongación.

un resumen de los datos usados para el cálculo delas densidades.

El esfuerzo último a la tensión de la fibra fueevaluado como la relación entre la carga de falla y eldiámetro promedio entre los puntos de sujeción de lafibra montada en el dispositivo de pruebaesquematizado en la figura 3.

La carga se fue aplicando en forma gradualmediante pesos conocidos midiendo la elongación dela fibra con un micrómetro de carátula de 0.01 mmde precisión. Este aparato registraba el deslizamientode uno de los puntos de sujeción de la fibra. Al

tensión aproximadamente, tratando de obtener unadecuado índice de confiabilidad en los resultados.

En la mayoría de los ensayes a tensión elcomportamiento de la fibra presentó una tendencia aser elastoplástico hasta la falla. Esto puede debersea que algunas microceldas fluyen individualmente ose separan entre sí, pero las restantes aún puedenmantener la carga, sin embargo, la deformación espermanente. En la figura 5 se puede apreciar la

Nomenclatura:w1= Peso del matraz de aforación.w2= Peso del matraz con agua.w3= Peso del matraz con la fibra saturadasuperficialmente seca.w4= Peso del matraz con agua y con fibra saturadasuperficialmente seca.



variación de la carga de falla con respecto al diámetrode la fibra. La tendencia es que a mayor diámetro lafibra soporta más carga. Sin embargo, las fibras condiámetros mayores tienen mayor área específica, porlo que la carga de falla se distribuye en una mayorárea transversal de la fibra resultando que el esfuerzoúltimo disminuye al aumentar el diámetro. Esto sepuede observar en la figura 6.

La tendencia de los resultados es un esfuerzoúltimo a tensión de 400 MPa y una deformaciónunitaria de 0.1000 mm/mm aproximadamente. Los

valores de esfuerzos en la fibra aquí reportados, asícomo sus propiedades físicas son similares a losencontrados por otros investigadores.2,6,8

TRATAMIENTO A LA FIBRA PREVIO ALMEZCLADO

Para reducir la cantidad de agua que puede ab-sorber la fibra, y adicionalmente darle una proteccióncontra el medio alcalino de la pasta de cemento, seconsideró utilizar sustancias que fueran hidrófobas yeconómicas para no encarecer el proceso:

• Aceite de linaza.

• Aceite de linaza + resina natural.

• Parafina.

• Parafina + resina natural.

• Sellador para madera.

• Creosota.

El aceite de linaza se extrae en caliente de lasemilla del lino, de color ambarino, se oxida ypolimeriza con facilidad, produciendo una películaelástica. La parafina es una sustancia sólida atemperatura ambiente, con punto de fusión alrededorde los 67ºC, compuesta por una mezcla dehidrocarburos. A la resina natural utilizada se leconoce como brea, la cual se obtiene de varios árbolesconíferos, a temperatura ambiente es sólida de coloroscuro y frágil. A temperaturas entre los 90ºC y 100ºCse convierte en una sustancia viscosa, puede sermezclada con solventes como el aguarrás y no essoluble en el agua. El sellador para madera y lacreosota son productos industrializados y de fácildisponibilidad en el mercado.

Aprovechando las propiedades de alta absorciónque tiene la fibra, se buscó la temperatura óptima delas diferentes sustancias para que la impregnaciónpor capilaridad fuera adecuada. Una forma inicialde evaluar la capilaridad es la tensión superficial delos líquidos. Las moléculas situadas en la superficiedel líquido experimentan menos atracción por partede las otras moléculas que aquellas que seencuentran en el interior de la fase líquida y paraseparar esas moléculas de la superficie o dicho deotra manera, aumentar el área de la superficie inter-facial líquido - vapor; es necesario realizar untrabajo. 12 Este trabajo o tensión superficial es

0

5

10

15

20

25

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

Diámetro ( mm )

Carg

a Ú

ltim

a a

la T

ensi

ón (

N )

Fig. 5. Variación de la carga última a tensión conrespecto al diámetro de la fibra.

0.0000

0.0500

0.1000

0.1500

0.2000

0.2500

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Diámetro ( mm )

De

form

ació

n U

nita

ria

Últim

a

(mm

/mm

)

Fig. 6. Variación del esfuerzo último a tensión y ladeformación unitaria última con respecto al diámetrode la fibra.



inversamente proporcional al ascenso capilar y esmenor cuando el líquido aumenta su temperatura.

Las unidades típicas de la tensión superficial sonunidades de fuerza/ unidades de longitud. En la pruebarealizada se colocó un pequeño anillo metálico sobrela superficie de la sustancia, mediante un mecanismomecánico se determinaba la fuerza necesaria paraseparar el anillo de la superficie del líquido. Lasunidades de la tensión superficial registradas sonpropias del dispositivo utilizado, sin embargo, esto noafecta ya que los resultados son comparativos entrelas diferentes sustancias. En la figura 7 se puedeobservar que la creosota y el sellador para maderatienen una tensión superficial relativamente mayor

fusión es de 67ºC, esto impedía tomar las lecturascorrespondientes.

La impregnación con los aceites se realizó porinmersión de la fibra seca en la sustancia a 80ºCdurante 5 min, posteriormente la fibra se sumerge enla misma sustancia a 24ºC durante el mismo periodode tiempo. Este ciclo se repitió tres veces buscandoque la sustancia penetrara completamente en la fibra.

Para la impregnación con las parafinas, éstas secalentaron hasta los 100ºC sumergiendo la fibra secaen la sustancia durante 5 min. La fibra impregnadase colocó dentro de un horno a 100ºC - 110ºC du-rante 15 min, esto redujo la formación de grumos deparafina en las fibras mejorando la disgregación delas mismas antes y durante el mezclado.

DURABILIDAD DE LA FIBRALa descomposición en un medio alcalino de la

celulosa, que es la principal unidad estructural de lafibra, así como también de la hemicelulosa, se puedepresentar de acuerdo a dos diferentes mecanismos.Uno es el desfibramiento, el cual sucede cuando lacelulosa constituida por cadenas lineales de glucosase disuelve cuando reacciona con el ion OH -,produciendo -CH2OH el cual se desprende de lacadena molecular. De esta manera el desfibramientoes continuo durante la exposición al medio alcalino y,ocurre a temperatura ambiente por debajo de los75ºC.13

El otro mecanismo de descomposición de lacelulosa es la hidrólisis alcalina. Esta causa la divisiónde las cadenas moleculares, y se combina con elmecanismo anterior ya que la división de la cadenamolecular origina la exposición de unidades finalesreductivas. Este mecanismo se lleva a cabogeneralmente a temperaturas alrededor de los 100ºC.Estas temperaturas son difíciles que se presenten enelementos constructivos convencionales.

La lignina consiste de sustancias aromáticas, yes la matriz que une las microceldas de celulosa. Sefragmenta fácilmente en un medio alcalino y su colorllega a ser amarillo y café cuando se oxida. La ligninase reblandece entre los 70ºC - 80ºC y es parcialmentelíquida a los 120ºC.

De acuerdo con H. E. Gram13 la descomposiciónquímica de la lignina y la hemicelulosa es la principal

50

60

70

80

90

100

110

120

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Temperatura oC

Un

idad

es d

e T

en

sió

n (

Du

no

uys )

Agua Destilada Aceite de Linaza Parafina

Creosota Sellador Parafina + Resina

Aceite + Resina

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Temperatura ( oC )

Ascen

so

Cap

ilar

( m

m )

Aceite de Linaza Parafina Parafina + Resina Aceite + Resina

Fig. 7. Tensión superficial y capilaridad de las sustanciascon respecto a la temperatura.

que las otras sustancias aún con temperaturas de80ºC. Esto debido a su alta viscosidad por lo que laimpregnación de la fibra por capilaridad se dificultaríacon estas sustancias.

De tal modo que la impregnación se llevó a cabocon las sustancias y a las temperaturas que resultaroncon mayor ascenso capilar. Esto es, los aceites auna temperatura de 80ºC y las parafinas a 100ºC. Laparafina sola y con resina presenta valores únicamentea temperaturas mayores a 70ºC ya que su punto de



causa del deterioro por fragilización de la fibra en elconcreto. La alcalinidad del agua en el poro de lamatriz de cemento disuelve la lignina. Se rompe launión de las microceldas individuales las cualesabsorben el hidróxido de calcio producto de lasreacciones de hidratación del cemento. La fibra pierdesu flexibilidad y se fragmenta en pequeñas unidadeslongitudinales perdiendo su capacidad de reforzar alconcreto.

Para simular el medio alcalino del concreto, fibrastratadas se expusieron a una solución concentradade hidróxido de calcio disuelto en agua a temperaturade laboratorio 23ºC. La tendencia del esfuerzo últimoa tensión fue disminuir al ser mayor el tiempo de

sina (4:1) y aceite de linaza + resina + aguarrás(4:1:4).

Se obtuvo el porcentaje de absorción de agua paralas fibras tratadas con las diferentes sustancias ypara la fibra sin ningún tratamiento. Obteniendo unareducción del 35% aproximadamente en comparacióncon lo reportado en la tabla II. Siendo muy similar entodas las fibras impregnadas la cantidad de aguaabsorbida (ver figura 9).

Sin

tra

tam

ien

to

(0.3

0)

Ac

eit

e d

e l

ina

za

(0.3

1)

Ac

eit

e +

re

sin

a

(0.3

1) P

ara

fin

a

(0.5

3)

Pa

rafi

na

+ r

es

ina

(0.3

1)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

Tiempo de Exposición = 12 meses

(R f

ina

l/R

in

icia

l)

Fig. 8. Efecto del medio alcalino en el esfuerzo a tensiónde las fibras tratadas (arriba). Relación de esfuerzosostenido después de la exposición al medio alcalino(abajo).

Sin

tra

tam

ien

to

(98

)

Ac

eit

e d

e l

ina

za

(64

)

Ac

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e +

re

sin

a

(61

)

Pa

rafi

na

(67

)

Pa

rafi

na

+ r

es

ina

(64

)

0

20

40

60

80

100

Tiempo de Saturación = 24 h

% d

e A

bs

orc

ión

Re

lati

va

al

W

se

co

de

la

Fib

raFig. 9. Porcentaje de absorción de agua en fibrastratadas.

exposición, ver figura 8, sin embargo, las fibrasimpregnadas con parafina mantuvieron el nivel deesfuerzo más alto con respecto al inicial, alrededordel 53 % del esfuerzo.

Las fibras impregnadas con las otras sustanciasmantuvieron un esfuerzo a la tensión bajo muy simi-lar al de las fibras sin ningún tratamiento. Además,se volvieron frágiles y quebradizas después del sextomes de exposición. Las proporciones utilizadas paralas sustancias fueron las siguientes: parafina + re-

ENSAYES EN MORTEROS REFORZADOS CONFIBRAS

El concreto o el mortero sin ningún refuerzo tienegeneralmente una alta resistencia a la compresión,esto es adecuado para muchas aplicaciones. Sinembargo, cuando se requiere propiedades específicascomo resistencia a la tensión, a la flexión, alagrietamiento, es necesario reforzarlo. Los diferentestipos de fibras como son las de acero, vidrio, plásticasy naturales le proporcionan al concreto ductilidad ycapacidad de absorber energía. La más importantecontribución de las fibras es la de incrementar latenacidad del compuesto.14

Las propiedades mecánicas del CRFN sonafectadas por muchos factores. Algunos de estosson el tipo, la geometría, la forma y la superficie dela fibra, las propiedades de la matriz de cemento, laproporción de la mezcla, el método de mezclado, decolado y de curado.15

En esta investigación se evaluó el comportamientode especímenes de CRFN con dos diferentesrelaciones A/C. La relación de 0.65 con un consumode cemento de 381 kg/m3 resultó ser una mezclatrabajable y de fácil manejo con la fibra. Sin em-bargo, en el estado endurecido presentó una alta



permeabilidad, su aplicación puede ser en elementosconstructivos de bajo costo y de autoconstrucción.Para la relación de 0.35 con consumo de cementode 707 kg/m3 fue necesario agregar 10 ml de aditivosuperfluidificante por kg de cemento, la mezclaresultante fue trabajable y la adición de las fibras serealizó adecuadamente. Este concreto de mayordensidad e impermeabilidad resulta conveniente paraaplicaciones estructurales de mayor costo, no seconsidera viable para la autoconstrucción.

La longitud y el volumen de la fibra fueron de 20a 30 mm y 1% del volumen total de la mezcla (13.8kg/m3) respectivamente, manteniéndose constantesen todos los colados ya que se trataba inicialmentede evaluar la eficiencia de los tratamientos en la fibra.La mezcla fue realizada en una revolvedora con unacapacidad de 40 L. Primero se homogeneizaron losagregados con su agua de absorción y con el aguade absorción de la fibra, posteriormente se agregó elcemento y el agua de reacción, se mezcló duranteun minuto, se dejó reposar un minuto y nuevamentese mezcló durante otro minuto. El aditivo se agregódurante el minuto de reposo para la relación A/C de0.35. Las fibras se adicionaron durante el minuto delsegundo periodo de mezclado tratando de evitar quese agruparan, lo que se consiguió parcialmente yaque al vaciar a los moldes se tuvo en algunos casosque separar la fibra manualmente.

La mezcla se vació en moldes metálicos de tresbarras por molde para fabricar especímenes de 75 x75 x 280 mm, el vaciado fue realizado en dos capasiguales correspondientes a la mitad de la altura delmolde (75 mm). Se compactó con una varilla de aceropunta de bala diámetro de 9.5 mm (3/8¨) dando 30golpes por capa distribuidos en toda el área. Así como12 golpes al molde metálico con un martillo de gomapara cada capa. Se fabricaron tres barras de morteroreforzado con fibra sin tratar y tratada con las cuatrodiferentes sustancias protectoras, para las dosrelaciones A/C. Todos los especímenes semantuvieron en sus moldes durante 24 hprotegiéndolos de la pérdida de humedad yposteriormente se colocaron dentro de un cuarto decurado con 95 % de humedad relativa hasta elmomento de su ensaye.

Una primera serie de 18 barras para cada relaciónA/C se ensayó a los 14 días de edad de acuerdo a la

norma ASTM C 78-94. Se obtuvo su módulo deruptura a flexión, el cual es un índice de la tenacidad

del compuesto. Adicionalmente se registró ladeflexión al centro del claro de las barras utilizandoun micrómetro de carátula con una precisión de 0.01mm como se puede ver en la figura 10.

Fig. 10. Ensaye a flexión para obtener el módulo deruptura de especímenes de CRFN.

Fig. 11. Comportamiento a flexión y módulo de rupturade especímenes de CRFN de relación A/C = 0.65


0

2

4

6

8

10

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Deflexión ( mm )

Carg

a (

KN

)

Sin Fibra Sin Tratamiento Aceite de Linaza

Aceite + Resina Parafina Parafina + Resina

Edad 14 días

A/C = 0.65


La figura 11 registra los resultados de los ensayesa flexión en las barras con relación A/C = 0.65. Sepuede observar que el tratamiento con parafina lepermite al compuesto tener el doble de módulo deruptura en comparación con los otros tratamientos,sin embargo, la resistencia a flexión no se incrementóen comparación con el mortero sin fibras. De estaforma, los especímenes sin fibra resistieron mayorcarga, pero su falla es frágil. Este tipo de falla no sepresentó en los especímenes con fibra.

El sangrado que se presenta en concretos conalta relación A/C, posiblemente influyó para que laresistencia a flexión de los especímenes con fibrafuera menor que la de los especímenes sin refuerzo.

En los especímenes con relación A/C = 0.35donde el sangrado se reduce sustancialmente, seregistra mayor módulo de ruptura de acuerdo a lafigura 12. De igual forma, el tratamiento con parafinapropicia nuevamente un mejor comportamiento aflexión en los especímenes e incluso un mayor módulode ruptura. De acuerdo a los resultados obtenidos, elmedio alcalino de la matriz de cemento a la edad de14 días no es factor que reduzca la resistencia aflexión, ya que las barras reforzadas con fibras sintratamiento mantuvieron un adecuado nivel deresistencia. De tal manera, es posible que sean ladisminución de la adherencia y el sangrado losprincipales factores que causaron dichocomportamiento.

Cada curva carga vs deflexión de las figuras 11 y12 es producto del promedio de tres especímenes demortero, y su área representa la capacidad de ab-sorber energía o la tenacidad del compuesto. Enambas relaciones A/C la curva con mayor áreacorresponde al mortero reforzado con fibraimpregnada con parafina.

El comportamiento observado en los especímenesdurante el ensaye a flexión, fue de mínima deflexiónhasta que se alcanza la carga máxima donde aparecela primera grieta. Posteriormente el espécimen nosostiene la carga, la cual disminuye rápidamente hastaun nivel del 20 % de la carga máximaaproximadamente. En ese punto la carga es sosteniday va disminuyendo paulatinamente, mientras que ladeflexión se incrementa sustancialmente. No seobservó la formación de pequeñas grietas adicionalesa la primera. Al aparecer la primera grieta fue

incrementando su ancho durante la aplicación de lacarga, por lo que únicamente se generó un solo planode falla. Esto posiblemente se deba a que la fibra noes capaz de transmitir por adherencia los esfuerzosde tensión a la matriz no agrietada, se observó que lafibra falló por tracción lo que refuerza loanteriormente mencionado.

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, unasegunda serie de 15 barras para ambas relacionesA/C. Todas las barras permanecieron en el cuartode curado durante 10 meses y posteriormente fueronexpuestas a 10 ciclos. Cada ciclo consistió en 12 hdentro de un horno a 70ºC en ambiente húmedo y 12h en un horno a 70ºC en ambiente seco.

Del mismo modo que los resultados enespecímenes de 14 días de edad, se mantuvo unatendencia muy semejante. El tratamiento con parafinale permite a los especímenes mantener una adecuadaresistencia a flexión. Como puede observarse en lafigura 13 el efecto de la alcalinidad de la pasta decemento parece empezar a ser factor en la resistenciaa flexión de los especímenes con fibra sin tratar, yaque para la relación A/C = 0.35 tiene uno de los másbajos módulos de ruptura.

Fig. 12. Comportamiento a flexión y módulo de rupturade especímenes de CRFN de relación A/C = 0.35.


0

2

4

6

8

10

12

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Deflexión ( mm )

Ca

rga

( K

N )

Sin Fibra Sin Tratamiento Aceite de Linaza

Aceite + Resina Parafina Parafina + Resina

Edad 14 días

A/C = 0.35


De acuerdo con los resultados de la figura 13, lafibra tratada con parafina después de 10 meses en elambiente alcalino propio de la matriz de cemento ydespués de ser sometida a variaciones de humedada 70ºC de temperatura, parece mantener la capacidadde reforzar al compuesto.

Según los resultados de los ensayes a flexiónmostrados en la figura 13, las fibras que fuerontratadas con los aceites y la resina son las másafectadas por la reacción alcalina de la matriz decemento. Esta reacción propició que la adherenciaentre la matriz y la fibra disminuyera, fragilizando ala fibra y por consiguiente, su resistencia a flexiónse reduce considerablemente.

EFECTO DEL VOLUMEN Y LA LONGITUD DELA FIBRA

Según Aziz, Paramaswivam y Lee3, la resistenciaúltima del concreto con fibras depende principalmentedel tipo, de la longitud y del volumen en la mezcla dela fibra. La relación de la longitud y el volumen defibra difiere para cada tipo de fibra natural. Unacantidad alta de fibra dificulta el mezclado y éstastienden a apelmazarse, generando inadecuadaadherencia lo que disminuye su resistencia.

Fig. 13. Efecto de los ciclos humedecimiento y secadoen la resistencia a flexión de especímenes de CRFN.

Fig. 14. Efecto del volumen y la longitud de la fibra en laresistencia a flexión. Las fibras largas incrementan elmódulo de ruptura con respecto al concreto simple.

Para estudiar este efecto se fabricaronespecímenes para ensayes a flexión reforzados confibra tratada con parafina, ya que según los resultadosreferentes al porcentaje de absorción y la resistenciaal medio alcalino de la fibra, así como, el efecto delas sustancias protectoras en la resistencia a flexiónde especímenes, la parafina resultó ser el mejor pro-tector de la fibra en comparación con las otrassustancias estudiadas en esta investigación. Losvolúmenes de fibra con respecto al total de la mezclafueron de 0.5, 1, 1.5 y 2%. Y para cada volumencorrespondió las siguientes longitudes de fibra: 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 y 300 mm.

La figura 14 muestra los resultados encontradoscon estas variables respecto a la flexión. De acuerdocon los resultados obtenidos, para las dos relacionesA/C el comportamiento es muy similar. Como puedeobservarse en la figura, la fibra con longitud de 300mm aumentó la resistencia a flexión de las barras.Siendo la combinación con un volumen de fibra de0.5% la que resultó con mayor incremento en suresistencia. Comparada con las barras sin fibra la



resistencia a flexión aumentó un 20% para ambasrelaciones A/C. Se puede observar una tendenciaen la resistencia a flexión, la cual disminuyó conformese incrementó el volumen de fibra.

Es posible que la fibra larga tuviera mayoradherencia debido a su longitud. Esto se confirma alexaminar la superficie de falla de los especímenesensayados, en donde se pudo observar que las fibrascortas normalmente tuvieron un tipo de falla deextracción debido a la falta de adherencia. Mientrasque las fibras largas presentaron una falla por rupturade la fibra, lo que indica una adecuada adherencia.

Shah16 explica que el compuesto soportará cargascrecientes después del primer agrietamiento de lamatriz, si la resistencia a la extracción de las fibrasen la primera grieta es mayor que la carga al primeragrietamiento. En la sección agrietada, la matriz noresiste tensión alguna y las fibras soportan toda lacarga aplicada al compuesto. Con una cargacreciente en el compuesto, las fibras tenderán atransferir el esfuerzo adicional a la matriz a travésde esfuerzos de adherencia. Si estos esfuerzos deadherencia no exceden la resistencia de adherencia,entonces puede haber agrietamiento adicional en lamatriz. Este proceso de múltiple agrietamientocontinuará hasta que fallen las fibras o que la pérdidade adherencia local acumulada conduzca a laextracción de la fibra. Según observaciones durantelos ensayes, en los especímenes con fibras cortas lafalla por flexión se inició al agrietarse la matriz. Enese momento la carga disminuyó, lo que indica quela fibra no fue capaz de transferir por adherencia losesfuerzos a la matriz, el ancho de la grieta aumentósin presentarse otros planos de falla hasta que la fibrafue extraída. Para el caso de especímenes con fibraslargas, al agrietarse la matriz la fibra fue capaz desostener la carga de agrietamiento, sin embargo, nopudo soportar cargas crecientes. Al igual que conlas fibras cortas, únicamente se presentó un planode falla, pero la fibra falló por ruptura. Es posibleque la fibra no pudiera soportar más carga despuésdel agrietamiento al no transferir efectivamente losesfuerzos a la matriz debido a su bajo módulo deelasticidad. Es decir, la fibra es flexible con altacapacidad de elongación que impide soportar cargascrecientes una vez agrietada la matriz de concreto.

CONCLUSIONES1. Las fibras de lechuguilla tienen significativas

propiedades físico mecánicas tal como suresistencia última a tensión, que les permite serconsideradas como posible refuerzo en el con-creto.

2. El tratamiento protector con parafina, le permitea la fibra reducir su capacidad de absorción deagua. Además, de mantener un porcentajeaceptable de su resistencia última a la tensióndespués de haber estado expuesta durante un añoa un ambiente húmedo y alcalino, lo que resultasumamente crítico.

3. La fibra de lechuguilla permite un comportamientodúctil después del agrietamiento de la matriz deconcreto.

4. Las fibras largas adicionadas en bajas cantidades,es decir, con porcentajes bajos del volumen totalde la mezcla, proporcionan al concreto lacapacidad para soportar mayores cargas de flexiónen comparación con el concreto simple.



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