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Desarrollo de paneles ligeros a base a fibras Orgánicas en matriz de

cemento Pórtland"

Dr. Ing. Jorge Acevedo CátaCentro de estudio de construcción

y Arquitectura Tropical

Objetivo General

• Demostrar que a través de una metodología adecuada de diseño de mezclas a base de cemento Pórtland con fibras orgánicas se puede obtener un material alternativo con propiedades físicas, mecánicas, térmicas y de durabilidad, adecuado para la fabricación de paneles ligeros para ser utilizado en la vivienda de forma competitiva.

Metodología para el diseño de mezclas.La metodología utilizada abarcó los pasos siguientes:• Caracterización de los componentes, fibra y matriz.• Diseño del experimento con la selección de las variables

a utilizar y los rangos de éstas. Determinación de la presión negativa requerida

• Determinación de las propiedades a evaluar del elemento de fibra orgánica en matriz de cemento Pórtland y las edades de ensayo

• Procesamiento y análisis de los resultados.• Determinación de la dosificación óptima para las

propiedades requeridas• Análisis de la durabilidad- Determinación del coeficiente de ablandamiento- Ensayos de humedecimiento y secado- Análisis de microscopía electrónica- Pruebas de intemperismo de paneles expuestos en

exteriores bajo condiciones naturales

Propiedades de la fibra

• La fibra escogida fue la de caoba (Swietenia macrophylla) por ser abundante en sureste mexicano, con las propiedades siguientes:

• Diámetro promedio de 0.8 mm y longitud promedio de 2.5 mm.

• Densidad de 0.670 gr/cm3

• El contenido de humedad promedio 36% (ASTM C1185)• Absorción máxima es de 66%• Módulo de elasticidad (9.4 GPa),• Durabilidad antes los hongos: polystictus versicolor 35%

moderadamente resistente y lenzites trabea (15%) resistente.

Microscopia Electrónica de la fibra

Composición Química del Cemento MayaOXIDO (%) EN PESO

CaO 63SiO2 22

Al2O3 6Fe2O3 2.5MgO 2.6K2O 0.6Na2O 0.3SO3 2.0

Compuestos Contenido (%)C3S 39.63C2S 33.13C3A 11.67

C4AF 7.61

Diseño del experimento• El diseño no es más que la

organización del experimento mediante un esquema previamente establecido, que tiene las propiedades óptimas, desde el punto vista del trabajo experimental y de las exigencias estadísticas.

• Para el estudio de dependencias no lineales existe un amplio diapasón de variaciones de los factores. Es necesario tomar modelos de segundo orden, en este caso se obtienen ecuaciones de regresión cuadráticas.

Ecuaciones de regresión cuadráticas

• Las ecuaciones de regresión cuadráticas, que en su aspecto general para K factores es:

2222

211121122211

^xbxbxxbxbxbbY oi +++++=

• Para el caso particular de dos factores la ecuación será:

jijiiji

k

iiii

k

iioi xxbxbxbbY ∑∑∑

≠==

+++= 2

11

^

Modelo del hexágono

7 - 10

5

32

1 4

23

−

0

23

-1 -0.5 0 0.5 1

Matriz del Experimento

X1 X2 X12 X2

2 X1 X2

1 -1 0 1 0 0

2 -0.5 0.87 0.25 0.75 0.43

3 0.5 0.87 0.25 0.75 0.43

4 1 0 1 0 0

5 0.5 0.87 0.25 0.75 0.43

6 -0.5 0.87 0.25 0.75 0.43

7 0 0 0 0 0

8 0 0 0 0 0

9 0 0 0 0 0

10 0 0 0 0 0

Diseño del experimento adoptado

Determinación de la presión y el tiempo

Matriz del experimento

X1 X2 X1*2 x2

*2 x1x2 Yi

1 -1 0 1 0 0 21,02 -0,5 0,87 0,25 0,75 - 0,43 18,03 0,5 0,87 0,25 0,75 0,43 28,74 1 0 1 0 0 23,35 0,5 - 0,87 0,25 0,75 - 0,43 21,16 -0,5 -0,87 0,25 0,75 0,43 33,77 0 0 0 0 0 23,28 0 0 0 0 0 26,39 0 0 0 0 0 25,5

10 0 0 0 0 0 24,1

Resistencia a compresión

Experimento Fibra/cemento Agua cemento

Resistencia en MPa

1 0,5 O,75 21,02 1,0 1,00 18,03 2,0 1,00 28,74 2,5 0,75 23,35 2,0 0,50 21,16 1,0 0,50 33,77 1,5 0,75 23,28 1,5 0,75 26,39 1,5 0,75 25,5

10 1,5 0,75 24,1

RESISTENCIA A LA FLEXION (28 DÍAS)

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

-1 -0,5 0 0,5 1

DOSIFICACIONES

Rf (

MPa

)

0,5 0,75 1

Absorción en %

Relación fibra-cemento

Relación agua-cemento0,5 0,75 1

0.5 28,0 26,3 35,3

1.0 25,5 22,0 29,2

1.5 25,9 20,6 25,9

2.0 29,2 22,0 25,5

2.5 35,3 26,3 28,0

Durabilidad del hormigón reforzado con fibrasorgánicas (Antecedente)

• La fibras orgánicas se han utilizados en matriz de yeso durante siglos sin ningún problemas de durabilidad.

• A inicio de la década del 80 se comenzó el uso de las fibras orgánicas en matriz de cemento para la fabricación de láminas onduladas similares a la de asbesto cemento en Centro América y Dominicana con resultados nefastos.

• Al hacer el estudio sobre esta situación Grans demostró

Durabilidad del hormigón reforzado con fibrasorgánicas

Los principales agentes de degradación son: • La incompatibilidades química, que se da por dos

circunstancias: 1).- la elevada alcalinidad del agua provoca porosidades en la matriz alrededor de la fibra en donde se acumula hidróxido de calcio que al aumentar la temperatura provoca una sensible aceleración de la degradación; y 2).- Cuando la lignina y la hemicelulosa se descomponen debido al alto contenido de pH en el agua se debilita la adherencia con la matriz, transformando a la fibra en un material inerte dentro del compuesto.

• La incompatibilidad física, se debe al exceso de agua en el refuerzo y a la falta de un elemento aglutinador entre la matriz y el refuerzo.

Estudios de durabilidadSe realizaron ensayos en dos vertientes:

• Descomposición de la fibra, se acudió a la microscopía electrónica de barredura (MEB) que permitió observar el comportamiento de la fibra a lo largo del tiempo, conjuntamente con ello, el análisis de la composición química de cada una de las regiones, se hizo a través de un analizador de Rayos “X” (EDS).

• La incompatibilidad física entre la matriz y el refuerzo se determinó a través de dos ensayos acelerados de laboratorio:

- Coeficiente de ablandamiento- Humedecimiento y secado.

• Adicionalmente dejaron paneles expuesto a la intemperie para evaluar su comportamiento a través de los años

Relaciones f/c = 1.0 y a/c = 0.5, 1 año de edadMuestra V6

Análisis químico puntual de rayos X por energía dispersa (EDS) en muestras del V6 de 12 meses de

exposición en condiciones naturales

ELEMENTOS FIBRAZONA DE

TRANSICION MATRIZC 41,14 27,49 20,15O 45,55 52,39 48,88

Na 0,83 0,69 0,64Si 0,41 3,53 3,58

SK 0,23 0,31 0,49Ca 11,53 15,80 23,86Al 0,33 1,46 0,77

Mg 0,37Fe 0,38 0,92 0,54

Relaciones f/c = 1.0 y a/c = 0.5, 2 años de edadMuestra V 6

Análisis químico puntual de rayos X por energía dispersa (EDS) en muestras del V6 de 24 meses de

exposición en condiciones naturales

ELEMENTOS FIBRAZONA DE

TRANSICION MATRIZ

C 44,51 18,67 14,13O 45,32 52,85 49,72

Na 0,47 0,25 0,31Si 0,98 3,68 3,99SK 0,24 0,41 0,73Ca 6,82 19,99 28,70Al 0,16 0,69 0,93Mg 0,20 0,23Fe 0,75 0,46

Relaciones f/c = 1.0 y a/c = 0.5, 3 años de edadMuestra V 6

Análisis químico puntual de rayos X por energía dispersa (EDS) en muestras del V6 de 36 meses de

exposición en condiciones naturales

ELEMENTOS FIBRAZONA DE

TRANSICION MATRIZC 48,13 22,43 8,74O 43,38 47,41 32,43

Na 0,24 0,29 0,36Si 1,08 3,85 7,38SK 0,16 0,14 0,24Ca 5,79 20,10 36,24Al 0,13 0,50 0,78Mg 0,03 0,07 0,24Fe 0,56 1,58

Comportamiento del coeficiente de ablandamiento

MUESTRAREL f/c

REL a/c

Coeficiente de ablandamiento

1 0.5 0.75 0,792 1.0 1.0 0,793 2.0 1.0 0,914 2.5 0.75 0,765 2.0 0.5 0,676 1.0 0.5 0,957 1.5 0.75 0,888 1.5 0.75 0,919 1.5 0.75 0,90

10 1.5 0.75 0,92

•

Propiedades Físicas

• Longitud de las fibras en cm. 15 a 20 • Densidad de las fibras g /cm2 1.40• Elongación en rotura 30 %• Diámetro en mm. 0.1 a1.5• Modulo de rigidez Dinas /cm2 1.89

Composición química de la fibra de coco

• Lignina 45.84%• Celulosa 43.44%• Hemicelulosa 0.25%• Pectina y otros compuestos relacionados

3.00%• Agua Soluble 5.25%• Cenizas 2.22 %

Dosificaciones de mortero 1:2, y diferentes relaciones a/c y f/c

DOSIFICACION POR METRO CÚBICO

MATERIAL MUESTRAS ( kg )

KG # 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 # 7

CEMENTO 608 554 537 528 555 564 554

ARENA 1216 1108 1073 1056 1110 1128 1108

AGUA 334 332 322 290 277 282 304

FIBRA 24.3 33.2 53.6 63.4 57.6 55.4 44.3

Ensayo a Flexo tracción a 14 días

Muestra

Dosificación Flexión

cemento

Arena A/C F/C MPa

1 1 2 0.55 0.04 3.6

2 1 2 0.60 0.06 4.4

3 1 2 060 0.10 3.8

4 1 2 0.55 0.12 4.3

5 1 2 0.55 0.10 4.2

6 1 2 0.50 0.06 4.8

7.1 1 2 0.55 0.08 4.0

7.2 1 2 0.55 0.08 4.3

7.3 1 2 0.55 0.08 5.2

7.4 1 2 0.55 0.08 4.0

8 1 2 0.50 0 5,2

9 1 2 0.55 0 4,8

10 1 2 0.60 0 4,6

Ensayo a Flexo tracción a 14 días

Muestra

Dosificación Densidad

cemento

Arena A/C F/C Kg./dm3

1 1 2 0.55 0.04 2.18

2 1 2 0.60 0.06 2.03

3 1 2 060 0.10 1.99

4 1 2 0.55 0.12 1.94

5 1 2 0.55 0.10 2.00

6 1 2 0.50 0.06 2.01

7.1 1 2 0.55 0.08 2.01

7.2 1 2 0.55 0.08 2.01

7.3 1 2 0.55 0.08 2.00

7.4 1 2 0.55 0.08 2.01

8 1 2 0.50 0 2,05

9 1 2 0.55 0 2.03

10 1 2 0.60 0 2.01

Forma de la fractura

Casa Fabricadas por el Ministerio de la Industria

Azucarera con Paneles de Bagazo de caña de azúcar en San José de las Lajas,

Cuba