Desarrollo de paneles ligeros a base a fibras Orgánicas en matriz

Desarrollo de paneles ligeros a base a
fibras Orgánicas en matriz de
cemento Pórtland"
Dr. Ing. Jorge Acevedo Cáta
Centro 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 Maya
OXIDO
(%) EN PESO
CaO
63
SiO2
22
Al2O3
6
Fe2O3
2.5
MgO
2.6
K2O
0.6
Na2O
0.3
SO3
2.0
Compuestos
Contenido (%)
C3S
39.63
C2S
33.13
C3A
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:
^
k
k
i =1
i =1
Y i = bo + ∑ bi xi + ∑ b x + ∑ bij xi x j
2
ii i
i≠ j
• Para el caso particular de dos
factores la ecuación será:
^
Yi = bo + b1 x1 + b2 x2 + b12 x1 x2 + b11 x12 + b22 x22
Modelo del hexágono
2
3
2
1
3
7 - 10
4
0
−
5
3
2
-1 -0.5
0
0.5 1
Matriz del Experimento
X1
X2
X12
X22
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
0.25
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
0.87
Diseño del experimento adoptado
Determinación de la presión y el tiempo
Matriz del experimento
1
X1
-1
X2
0
X1*2
1
x2*2
0
x1x2
0
Yi
21,0
2
3
-0,5
0,5
0,87
0,87
0,25
0,25
0,75
0,75
- 0,43
0,43
18,0
28,7
4
5
1
0,5
0
- 0,87
1
0,25
0
0,75
0
- 0,43
23,3
21,1
6
-0,5
-0,87
0,25
0,75
0,43
33,7
7
8
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
23,2
26,3
9
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
21,0
2
1,0
1,00
18,0
3
2,0
1,00
28,7
4
2,5
0,75
23,3
5
2,0
0,50
21,1
6
1,0
0,50
33,7
7
1,5
0,75
23,2
8
1,5
0,75
26,3
9
1,5
0,75
25,5
10
1,5
0,75
24,1
RESISTENCIA A LA FLEXION (28 DÍAS)
4,00
3,50
R f (MPa)
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
-1
-0,5
0
0,5
DOSIFICACIONES
0,5
0,75
1
1
Absorción en %
Relación fibracemento
Relación agua-cemento
0,5
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 fibras
orgánicas (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 fibras
orgánicas
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 durabilidad
Se 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 edad
Muestra V6
Análisis químico puntual de rayos X por energía
dispersa (EDS) en muestras del V6 de 12 meses de
exposición en condiciones naturales
ELEMENTOS
FIBRA
ZONA DE
TRANSICION
C
41,14
27,49
20,15
O
45,55
52,39
48,88
Na
0,83
0,69
0,64
Si
0,41
3,53
3,58
K
0,23
0,31
0,49
Ca
11,53
15,80
23,86
Al
0,33
1,46
0,77
MATRIZ
S
Mg
Fe
0,37
0,38
0,92
0,54
Relaciones f/c = 1.0 y a/c = 0.5, 2 años de edad
Muestra 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
FIBRA
ZONA DE
TRANSICION
C
44,51
18,67
14,13
O
45,32
52,85
49,72
Na
0,47
0,25
0,31
Si
0,98
3,68
3,99
K
0,24
0,41
0,73
Ca
6,82
19,99
28,70
Al
0,16
0,69
0,93
Mg
0,20
0,23
Fe
0,75
0,46
MATRIZ
S
Relaciones f/c = 1.0 y a/c = 0.5, 3 años de edad
Muestra 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
FIBRA
ZONA DE
TRANSICION
C
48,13
22,43
8,74
O
43,38
47,41
32,43
Na
0,24
0,29
0,36
Si
1,08
3,85
7,38
K
0,16
0,14
0,24
Ca
5,79
20,10
36,24
Al
0,13
0,50
0,78
Mg
0,03
0,07
0,24
0,56
1,58
MATRIZ
S
Fe
Comportamiento del coeficiente de
ablandamiento
REL
f/c
REL
a/c
Coeficiente de
ablandamiento
1
0.5
0.75
0,79
2
1.0
1.0
0,79
3
2.0
1.0
0,91
4
2.5
0.75
0,76
5
2.0
0.5
0,67
6
1.0
0.5
0,95
7
1.5
0.75
0,88
8
1.5
0.75
0,91
9
1.5
0.75
0,90
10
1.5
0.75
0,92
MUESTRA
Propiedades Físicas
•
•
•
•
•
Longitud de las fibras en cm.
Densidad de las fibras g /cm2
Elongación en rotura
Diámetro en mm. •
Modulo de rigidez Dinas /cm2
15 a 20
1.40
30 %
0.1 a1.5
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
MUESTRAS
MATERIAL
( kg )
KG
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
CEMENTO
608
554
537
528
555
564
554
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
ARENA
Ensayo a Flexo tracción a 14 días
Muest
ra
Dosificación
Flexión
ceme
nto
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
Muest
ra
Densidad
Dosificación
ceme
nto
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