uso de fibras de bagazo de caña en concreto tratamiento de las

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
REGIÓN XALAPA
USO DE FIBRAS DE BAGAZO DE CAÑA EN CONCRETO.
TRATAMIENTO DE LAS FIBRAS CON PARAFINA
PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
PRESENTA:
RENÉ HERNÁNDEZ VICENTE
Director de tesis:
M.I. Rabindranarth Romero López
Xalapa, Veracruz, México.
2008
Agradecimientos
Universidad Veracruzana
Facultad de Ingeniería Civil
Agradecimientos
A mis padres por todo el respaldo, la motivación y su confianza incondicional que me
han brindado, gracias a ellos eh conseguido lograr una meta más en mi vida. A mis
hermanos gracias por su paciencia. En general a toda mi familia, gracias.
Con cariño a mis compañeros y amigos que hemos compartido grandes momentos,
eternamente agradecido.
A la empresa CEMEX, por permitirme trabajar en su laboratorio, gracias por todas las
facilidades y asesoría.
Gracias a mi director de tesis M.I. Rabindranarth Romero López por la confianza,
apoyo, sus enseñanzas y su valioso tiempo.
·2·
Índice
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ÍNDICE
INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................5
CAPÍTULO I CONCRETO CON FIBRAS. ...............................................................................................8
1.1 Antecedentes sobre el uso de fibras en concreto. ......................................................... 9
1.2 Propiedades y características...................................................................................... 19
1.2.1 Trabajabilidad ....................................................................................................... 19
1.2.2 Durabilidad............................................................................................................ 20
1.2.3 Tenacidad ............................................................................................................. 20
1.2.4 Resistencia ........................................................................................................... 21
CAPÍTULO II BAGAZO DE CAÑA. DEGRADACIÓN Y PRESERVACIÓN. ........................................22
2.1 Antecedentes y Problemática ...................................................................................... 23
2.2 Justificación................................................................................................................. 30
2.3 Degradación de los materiales .................................................................................... 33
2.4 Tratamientos para conservar la Materia Orgánica ....................................................... 39
2.5 Parafina....................................................................................................................... 40
2.5.1 Historia ................................................................................................................ 40
2.5.2 Generalidades ...................................................................................................... 42
2.5.3 Obtención de la Parafina....................................................................................... 43
2.5.4 Características, propiedades y usos de la parafina .............................................. 44
CAPÍTULO III PROPORCIONAMIENTO DE LA MEZCLA DE CONCRETO CON FIBRAS. ............46
3.1 Metodología y pruebas realizadas ............................................................................... 47
3.2 Pruebas realizadas a los agregados finos. .................................................................. 49
3.2.1 Análisis granulométrico. ........................................................................................ 52
3.2.2 Módulo de finura (MF)........................................................................................... 52
3.2.3 Impurezas orgánicas e inorgánicas....................................................................... 53
3.2.4 Densidad relativa .................................................................................................. 55
3.2.5 Porciento de absorción ......................................................................................... 59
3.2.6 Contenido de humedad de la arena. ..................................................................... 60
3.2.7 Pesos volumétricos secos: suelto y compactado .................................................. 62
3.2.8 Sanidad ................................................................................................................ 65
3.3 Pruebas a los agregados gruesos (grava) ................................................................... 67
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Índice
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3.3.1 Características generales, muestreo..................................................................... 67
3.3.2 Densidad relativa y absorción de la grava............................................................. 68
3.3.3 Contenido de humedad......................................................................................... 70
3.3.4 Peso volumétrico seco suelto y seco compacto .................................................... 71
3.4 Proporcionamiento de la mezcla ................................................................................. 72
3.5 Metodología para la elaboración de los especímenes. ................................................ 78
CAPÍTULO IV RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DEL CONCRETO CON FBC.............................82
4.1 Resistencia a la compresión........................................................................................ 83
4.1.1 Modos de falla ...................................................................................................... 85
4.1.2 Factores que afectan la resistencia a la compresión............................................. 86
4.1.3 Relación entre las resistencias a la compresión-tensión y compresión-flexión. ..... 89
4.2 Ensaye de los cilindros................................................................................................ 94
4.3 Análisis de los resultados ............................................................................................ 97
4.4 Gráficas..................................................................................................................... 101
CONCLUSIONES.................................................................................................................................103
RECOMENDACIONES ........................................................................................................................106
GLOSARIO ..........................................................................................................................................107
SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS .........................................................................................................109
APÉNDICE ...........................................................................................................................................111
BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................................................113
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Introducción
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INTRODUCCIÓN
La gran demanda de materiales para la construcción de viviendas ha ido en aumento
a la par del crecimiento de la población debido a la necesidad de mayor número de
viviendas, y en la mayoría de los casos, la población no cuenta con recursos
suficientes para la compra de dichos materiales, por lo que se buscan alternativas de
esos materiales mediante la utilización de los desechos de las industrias. Esta
demanda de materiales de la cual se está hablando está relacionada con la
extracción inmoderada de los recursos naturales, provocando un desequilibrio
ecológico creciente.
Los desechos en la mayoría de las industrias no son aprovechados al cien por ciento,
prefieren arrojarlos al medio ambiente, perjudicándolo. Veracruz con sus 22 ingenios
es un gran productor de caña a nivel nacional. En la zafra del periodo 2006/07, en el
estado, se obtuvieron 5,455,252 ton de bagazo. De acuerdo a las Estadísticas de la
Agroindustria de la Caña de Azúcar (1998-2007) que emite la Unión Nacional de
Cañeros, A.C-CNPR el porcentaje de bagazo en caña es en promedio 28.79%.
Debido a la gran demanda de materiales para la construcción de buena calidad, a
que esta región en particular cuenta con recursos naturales aprovechables se busca
por medio de este trabajo incorporar el uso de Fibras de Bagazo de Caña (FBC) en
las mezclas de concreto simple sustituyendo en parte al agregado grueso, grava,
para proporcionarle propiedades similares a las de cualquier concreto simple y tratar
de mejorarlas en algunos aspectos. De esta manera se estaría cuidando el medio
ambiente, aplicando el concepto de desarrollo sostenible aunado a esto, se busca
que los materiales obtenidos cumplan con los requisitos de calidad y durabilidad que
requiere la sociedad.
Como las FBC es materia orgánica, es necesario protegerlas de las condiciones de
temperatura, humedad, insectos y sustancias químicas que permitan su degradación,
por lo anterior es necesario evitar el contacto directo entre la mezcla de concreto y
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Introducción
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las fibras. La parafina ya ha sido utilizada para ese propósito dando buenos
resultados, por esta razón en este trabajo se usará este tratamiento para observar el
comportamiento mecánico del concreto, además de que este método de tratamiento
resulta fácil, rápido y económico.
En el Capítulo I se hace un resumen de la metodología empleada y de los resultados
a los que llegaron investigaciones anteriores acerca del uso de fibras en concreto.
Los tipos de fibras que se utilizaron, las condiciones en que se trabajaron así como
los distintos tratamientos que se le dieron a las fibras para preservarlas. También se
describen las propiedades más importantes del concreto, que se ven modificadas por
la incorporación de algún tipo de fibra, como la trabajabilidad y la tenacidad.
En el Capítulo II se describen los antecedentes acerca de los usos que se le han
dado a las FBC, la problemática que se intenta resolver y su justificación, además, de
manera general se tratará el tema de la degradación de los materiales, del concreto y
de las FBC, así como algunos tratamientos que se han utilizado en otras
investigaciones para evitar su degradación. Un tratamiento que ha dado buenos
resultados y el cual se empleó en este trabajo, es el uso de parafina como
recubrimiento de la superficie de las FBC protegiéndola de los agentes
degradadores.
En el Capítulo III se hace mención de las diferentes pruebas realizadas a los
agregados tanto finos como gruesos, necesarias para el diseño de la mezcla. Se
explica el método empleado para el proporcionamiento de los materiales con los
datos obtenidos de las pruebas anteriores, en la última parte de este capítulo se
describe la metodología llevada a cabo para la elaboración de las mezclas, del
colado de los especímenes así también como el curado al que fueron sometidos.
En el Capítulo IV se tratan los aspectos generales sobre la resistencia a la
compresión, la prueba para obtenerla, los modos de falla, los factores que se ven
involucrados en los resultados y su relación con la resistencia a tensión, se explica la
·6·
Introducción
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manera de obtenerla a partir de los resultados de f’c. Se describe el procedimiento de
los ensayes de los especímenes y finalmente se analizaron los resultados obtenidos
mediante tablas y gráficos.
En la última parte de este trabajo el lector encontrará el significado de los símbolos y
abreviaturas empleados en la redacción de los capítulos, así como un amplio glosario
con palabras técnicas que no son de uso común, por último están disponibles las
gráficas utilizadas para el proporcionamiento de la mezcla, todo esto para la
completa comprensión del trabajo.
El objetivo general de este trabajo es analizar el comportamiento de las resistencias
a compresión del concreto reforzado con FBC, a las cuales se les tratará con
parafina para protegerlas de los agentes degradadores.
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Capítulo I Concreto con Fibras.
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CAPÍTULO I CONCRETO CON FIBRAS.
FOTO: DE LA ELABORACIÓN DE LOS ESPÉCIMENES.
Resumen
En este capítulo se mencionan algunas investigaciones que se han realizado sobre el
uso de fibras naturales en concreto, entre las cuales se encuentran las de coco, de
lechuguilla y de bagazo de caña. Se describen los resultados obtenidos en esas
investigaciones, para que con base a ello y a los datos obtenidos en este trabajo se
pueda hacer un análisis completo y se formulen las conclusiones pertinentes sobre el
comportamiento de la resistencia del concreto con fibras.
Se comentan las propiedades y características que han sido mejoradas con este tipo
de concreto y en que se ve afectado de acuerdo a los diferentes contenidos de fibra
que se han utilizado.
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Capítulo I Concreto con Fibras.
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1.1 Antecedentes sobre el uso de fibras en concreto.
De acuerdo con Éxodo 5:6, los egipcios usaron paja para reforzar los ladrillos de
lodo. Existen evidencias de que la fibra de asbesto fue utilizada para reforzar los
postes de arcilla hace aproximadamente 5,000 años.1
El concreto hidráulico que contiene algún tipo de fibras como refuerzo se llama
concreto reforzado con fibra (CRF).
Actualmente se están utilizando fibras de varias formas y tamaños fabricadas con
acero, plástico, vidrio y materiales naturales; sin embargo, para la mayoría de los
objetivos estructurales y no estructurales, la fibra de acero es la más comúnmente
usada de todas.2
La mayoría de los concretos reforzados con algún tipo de fibras requiere atención en
los procedimientos de mezclado, colado, y acabado. El tamaño y contenido de fibra
determina el tamaño máximo del agregado y el volumen de la pasta. Por lo que
mezclas de CRF se pueden obtener por más de un método; pero todos los métodos
tienen como factor común la dispersión uniforme de las fibras. Se ha encontrado que
como aumenta el tamaño máximo del agregado la trabajabilidad disminuye3.
Las fibras se utilizan como ingrediente del concreto para controlar o evitar4:
1. Agrietamiento por asentamiento plástico. Se presenta durante las primeras
horas del acabado del concreto por el asentamiento del agregado. Las fibras
restringen el movimiento del agregado.
2. Agrietamiento por contracción plástica. Ocurre en las primeras 24 horas del
acabado del concreto. Es causado por la pérdida de agua en la superficie del
1
Paulo & Kumar Mehta, 1998, pág. 288
Ibíd. pág. 286
3
Muciño Castañeda, 2003, pág. 51
4
Ibíd. pág. 24
2
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Capítulo I Concreto con Fibras.
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concreto reduciendo el volumen del concreto. El cambio de volumen origina
desplazamientos que inducen esfuerzos que exceden la capacidad de
deformación del concreto. Las fibras disminuyen la magnitud del esfuerzo
inducido.
Además se utilizan para mejorar la resistencia al impacto y aumentar la resistencia al
desgaste del concreto endurecido.
El contenido de fibras en un concreto permite continuar soportando cargas
considerables aun a deflexiones que excedan la deflexión por fractura del concreto
simple. Esto se debe a que las fibras forman un puente que no permite que se
propaguen las grietas. Este puente falla debido a la extracción de la fibra o a una
pérdida de adherencia. En la figura 1.1 se ilustra lo anterior.
Figura 1.1Comportamiento a la deflexión por carga de concreto simple y reforzado con fibra.
Fuente: K. MEHTA & P. MONTEIRO, “Concreto, estructura, propiedades y materiales”, 1998.
De acuerdo a resultados sobre el estudio del comportamiento del CRF se ha notado
que no hay una mejora sustancial en la resistencia con respecto a un concreto
simple, sin embargo, el CRF es mucho más tenaz y resistente al impacto.
Una de las investigaciones que se han realizado con respecto a los aditivos para
incrementar las propiedades del concreto, es en el área de pavimentos donde se ha
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Capítulo I Concreto con Fibras.
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buscado la incorporación de un refuerzo que favorezcan la estabilidad, durabilidad y
seguridad.
En los concretos hidráulicos para pavimentos, se han usado fibras de polipropileno
las cuales absorben el agrietamiento por contracción plástica del concreto, el cual es
causado por las condiciones atmosféricas a la que está expuesto el pavimento.
La contribución de las fibras de polímeros es en el área de reducción de grietas por
contracción de concretos frescos y resistencia al impacto en concretos endurecidos.
La adición de fibras puede interferir con la trabajabilidad o arrastre de aire,
reduciendo de esta manera la resistencia del compuesto.5
Balaguru y Khajuria (1996) realizaron un estudio sobre el comportamiento de fibras
de polímeros en el concreto hidráulico. Para llevar a cabo este estudio utilizaron dos
tipos de concreto (normal y ligero), así como seis contenidos de fibra (0, 0.45, 0.60,
1.20, 1.80 y 2.40 kg/cm3). Se usaron especímenes cilíndricos para las pruebas de
compresión y ruptura por tensión, especímenes prismáticos para conocer la
resistencia a la flexión y discos cilíndricos para pruebas de resistencia a impactos.
Después de realizadas las pruebas, concluyeron que la adición de fibras (arriba de
2.40 kg/cm3) no cambia significativamente las resistencias a la compresión, flexión y
ruptura por tensión. 6
Además de las fibras de polipropileno se han usado fibras de acero y vidrio, dando
buenos resultados, sin embargo el interés por utilizar los recursos renovables y a
bajo costo, han demostrado que el uso de fibras naturales puede servir como
refuerzo en un concreto.
Una investigación reciente sobre el uso de fibras naturales, fue el caso del uso de
fibras de lechuguilla como refuerzo en concreto, la cual tuvo por objetivo encontrar
materiales
5
6
de
construcción
que
sean
Garnica Anguas & Gómez López, 2002
Ibíd. pág. 186
· 11 ·
económicos
y
durables,
para
la
Capítulo I Concreto con Fibras.
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autoconstrucción de viviendas por los propios campesinos y la aplicación de
tecnologías adecuadas que permitieran el uso de fibras naturales para reducir costos
en la construcción.
Específicamente esta investigación, la del uso de lechuguilla, pretendía encontrar
tratamientos adecuados en la fibra, que permitan aumentar la durabilidad del
compuesto reduciendo el deterioro que sufre la misma en el medio alcalino propio del
concreto.
El programa de la anterior investigación consistió en pruebas a las fibras y ensayes
en los especímenes de concreto reforzado con fibras naturales (CRFN). Para la
caracterización de las fibras se obtuvo su diámetro, longitud promedio, porcentaje de
absorción de agua, densidad absoluta y porosidad. También, se observó su
morfología con micrografías de la sección transversal de la fibra.
Se usaron seis sustancias (aceite de linaza, aceite de linaza más resina natural,
parafina, parafina más resina natural, sellador para madera y creosota)
para
impregnar unas muestras de fibra, las cuales iban a ser sometidas a un medio
alcalino producido por una solución de hidróxido de calcio y agua. Se utilizaron dos
relaciones de agua-cemento (a/c): 0.65 y 0.35. Los especímenes de concreto fueron
reforzados con fibra sin tratamiento y con fibra impregnada con las sustancias al 1%
del volumen total de la mezcla. Se investigaron fibras cortas y largas aleatoriamente
distribuidas, para lo cual se usaron fibras tratadas y cortadas a diferentes longitudes.
Así también, la cantidad de fibra se investigó probando los siguientes porcentajes del
volumen total de la mezcla: 0.5, 1, 1.5 y 2 por ciento. Todos los especímenes se
ensayaron a 14 días.
En esa investigación se utilizaron fibras compradas en una compañía ixtlera de la
ciudad de Santa Catarina N.L., México.
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Capítulo I Concreto con Fibras.
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Las fibras fueron lavadas con agua potable para eliminar la presencia de
carbohidratos libres, posteriormente fueron secadas al sol. Se hicieron pruebas de
absorción de agua en las fibras, pruebas de porosidad, densidad absoluta y se
evaluó el esfuerzo último a tensión. La tendencia en las pruebas a tensión fue que a
mayor diámetro de la fibra soporta más carga. Sin embargo, las fibras con diámetros
mayores tienen mayor área específica, por lo que la carga de falla se distribuye en
una mayor área transversal de la fibra resultando que el esfuerzo último disminuye al
aumentar el diámetro.
Los resultados llegados en estas pruebas fueron similares a los encontrados por
otros investigadores previamente.
Para el tratamiento de las fibras se analizaron las seis sustancias mencionadas con
anterioridad, resultando que las más efectivas eran los aceites y la parafina.
La impregnación con los aceites se realizó por inmersión de la fibra seca en la
sustancia a 80ºC durante 5 min, posteriormente la fibra se sumerge en la misma
sustancia a 24ºC durante el mismo periodo de tiempo. Este ciclo se repitió tres veces
buscando que la sustancia penetrara completamente en la fibra.7
Para la impregnación con las parafinas, éstas se calentaron hasta los 100ºC
sumergiendo la fibra seca en la sustancia durante 5 min. La fibra impregnada se
colocó dentro de un horno a 100ºC - 110ºC durante 15 min, esto redujo la formación
de grumos de parafina en las fibras mejorando la disgregación de las mismas antes y
durante el mezclado.8
Las fibras tratadas fueron expuestas a una solución concentrada de hidróxido de
calcio disuelto en agua para simular el medio alcalino del concreto. Se notó que a
mayor tiempo de exposición de las fibras en la solución disminuía el esfuerzo último
7
8
Juárez Alvarado, Rodríguez, & Rivera, 2004
Ibíd.
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Capítulo I Concreto con Fibras.
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a tensión. El tratamiento que conservó un nivel de esfuerzo alto con respecto al
inicial fue la parafina.
Se examinaron el efecto del volumen y la longitud de la fibra. Además de la
capacidad de adherencia para diferentes tamaños de fibra, concluyendo que las
fibras largas adicionadas en bajas cantidades, es decir, con porcentajes bajos del
volumen total de la mezcla, proporcionan al concreto la capacidad para soportar
mayores cargas de flexión en comparación con el concreto simple.
Otra investigación similar y reciente fue la que llevo por título “Uso de fibra de estopa
de coco para mejorar las propiedades mecánicas del concreto”. La metodología
llevada a cabo por este trabajo consistió en la elaboración de cinco mezclas de
concreto, considerando la longitud de la fibra y el porcentaje de adición de la fibra
como variables. Se trabajaron con dos longitudes de fibra en dos cantidades de
adición de fibra.
El tratamiento de la fibra consistió en sumergir la fibra en una lechada de cal (10 gr
por litro) durante un periodo de 48 horas; al cabo de este tiempo la fibra se enjuaga
repetidas veces con abundante agua. El tratamiento con solución de cal limpia la
fibra tanto de impurezas provenientes del fruto durante su pelado (aceite, agua,
pulpa, etc.) como durante su confinamiento (mugre, polvo, etc.) y del ataque
microbiológico por parte de hongos y levaduras. Además protege a la fibra del
deterioro debido a la alta alcalinidad de la pasta de cemento y mejora la adherencia,
ya que le confiere cierta aspereza.9
Se trabajó la fibra en estado saturado, por lo que no fue necesario agregar agua. Se
hicieron especímenes para pruebas a comprensión y tensión, al ensayarlos se
observó que la mezclas que contenían fibra con longitud mayor la deformación fue
inferior en comparación con las mezclas de menor diámetro.
9
Quintero García & González Salcedo, 2006
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Capítulo I Concreto con Fibras.
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En cuanto a la resistencia a la flexión el hecho de utilizar volúmenes bajos y
longitudes altas o, en su defecto, volúmenes altos y longitudes bajas, favorece la
ductilidad del material.
Figura 1.2 Probetas ensayadas a compresión.
Fuente: Quintero & González, 2006.
El efecto de la fibra sobre el concreto se observa en las figuras 1.2 y 1.3, existe un
efecto positivo por la incorporación de la fibra al concreto, ya que al momento de la
falla el concreto se mantiene unido, de lo cual se deduce una buena adherencia de la
fibra a la matriz; es el llamado fenómeno de puenteo que genera la fibra, el cual
impide que la grieta progrese en el material. En la figura 1.3, la viga de la izquierda
no contiene fibra y se puede notar como la viga es partida en dos, mientras que la
viga de la derecha con fibra se mantuvo unida.10
10
Quintero García & González Salcedo, 2006
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Capítulo I Concreto con Fibras.
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Figura 1.3 Vigas ensayadas a flexión.
Fuente: Quintero & González, 2006.
De igual manera, en este trabajo con fibras de coco, los mejores resultados se
obtuvieron con un porcentaje bajo de fibra, para este caso fue de 1.5 por ciento,
también se confirmó el aporte de la fibra al concreto, mejorando sus características
mecánicas. Se recomienda que la aplicación de este concreto con fibra de estopa
sea en elementos sometidos a flexión (vigas y losas).
Una investigación reciente fue la que se llevó a cabo en Colombia, acerca del
comportamiento mecánico del concreto reforzado con fibras de bagazo de caña de
azúcar con el fin de recomendar su uso en zonas rurales.
Se fabricaron especímenes en concreto adicionando las fibras retenidas por el tamiz
N°4 (4,76 mm) y el tamiz N°6 (3,56 mm) cuyo porcent aje de fibras en relación con el
peso del agregado grueso adicionado para cada probeta, fue del 0.5, 2.5 y 5.0 %.11
Siguiendo las recomendaciones de investigaciones anteriores, se lavó la fibra de
bagazo para eliminar la presencia de carbohidratos libres, luego se secó el bagazo
para evitar problemas de ataque de hongos y plagas.
11
Osorio Saraz & Varón Aristizabal, 2007
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Capítulo I Concreto con Fibras.
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Las fibras fueron inmersas en hidróxido de calcio al 0.5% durante 24 hrs a una
temperatura de laboratorio, esto para permitir una baja degradación de la fibra. El
cemento utilizado fue cemento tipo portland tipo I, con adiciones de cloruro de calcio
al tres por ciento, como acelerante del fraguado. La relación a/c fue de 0.55 para los
seis tipos de mezclas elaboradas (dos tamaños de fibra y para cada una, tres
porcentajes de adición de fibra).
La resistencia a compresión se comportó inversamente proporcional con respecto a
la adición de fibra en el concreto, presentando diferencias significativas en los
resultados. 12
Esta investigación permitió concluir que a menores tamaños y porcentajes de fibras
naturales en el compuesto, se tiende a obtener valores de resistencia a la
compresión más cercanos a un concreto patrón. Lógicamente, existen otras variables
que influyen en la resistencia final del compuesto como es el tipo de cemento
utilizado, las características de la arena, la relación a/c y el tipo de curado, entre
otros.13
Las fibras que se comportaron mejor fueron las retenidas por la malla Nº. 6, longitud
entre 15 y 25 mm, porcentaje de adición a la mezcla entre 0.5 y 2.5 por ciento en
relación al peso total del agregado grueso. También se observó una disminución en
la densidad del material. Todo esto corrobora con investigaciones hechas a otros
tipos de fibras naturales, como el bambú, coco, entre otros.
En Cuba, el uso de bagazo de caña combinado con cemento para la construcción de
viviendas ha resultado todo un éxito.
En un artículo de la Fundación Nacional Cubano Americana (2004), se menciona que
Cuba construyó 700 viviendas del bagazo de caña de azúcar debido al éxito obtenido
12
13
Osorio Saraz & Varón Aristizabal, 2007
Ibíd.
· 17 ·
Capítulo I Concreto con Fibras.
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en la construcción de 20 hogares en 2004 y a los bajos costos que representa,
afirmaron promotores en enero de ese mismo año.
Cuba potencia desde hace varios años la diversificación de sus producciones
azucareras, particularmente tras la baja experimentada por los precios del azúcar en
el mercado mundial.
En este caso, el bagazo fue combinado con cemento para la fabricación de tableros
bagazo-cemento, los cuales son muy apropiados para la construcción de casas
prefabricadas a bajo costo, edificios y construcciones industriales y comerciales.
En ese material se conjugan las ventajas de los tableros desarrollados con las
resinas sintéticas, como la buena resistencia mecánica y facilidad para el maquinado,
y propiedades del cemento, como la resistencia al fuego y al ataque de hongos, entre
otras.
Recientemente en la facultad de Ingeniería Química, región Xalapa, se llevó a cabo
una investigación sobre el uso y derivados del bagazo, en la cual señalan que a partir
del bagazo se pueden obtener más de 50 productos y subproductos, como pañales,
alimento para ganado, papel para la imprenta y edulcorantes por mencionar unos
cuantos.
En esta investigación se menciona que en México se producen al año 6.5 km de
toneladas métricas de FBC, de esa cantidad el 93% se utiliza como combustible, 6.5
de materia fina se destina para la fabricación del papel y el restante se desecha. Sin
embargo el uso como combustible en los mismos ingenios, genera contaminación a
causa del bióxido de carbono que se produce en la combustión.
· 18 ·
Capítulo I Concreto con Fibras.
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1.2 Propiedades y características
Las propiedades de CFB dependen del tipo de cemento, agregados, el tipo,
geometría, tamaño y textura de la fibra. De acuerdo a investigaciones consultadas,
se puede decir que entre las propiedades que tiene un CRF se pueden mencionar las
siguientes:
1.2.1 Trabajabilidad
La trabajabilidad se puede definir como el esfuerzo requerido para manipular una
cantidad de mezcla de concreto, que está compuesta por dos componentes
principales que son, la consistencia (facilidad de fluir) y la cohesividad (tendencia a
sangrar o segregar).
El contenido de fibras proporciona una considerable estabilidad a la masa de
concreto fresco, por lo que, independientemente del tipo de fibra que se trate, la
pérdida de la trabajabilidad es proporcional al volumen de fibras en el concreto.
La estabilidad es un índice tanto de la capacidad de retención de agua (lo opuesto al
sangrado), como de la capacidad de retención del agregado grueso (lo opuesto a la
segregación). La cohesividad se encarga de la medida de estas dos características.
La consistencia en este tipo de mezclas son muy bajas, no obstante, la facilidad de
colocación y la compactación del concreto son mucho mejores de lo que se supone
con su baja consistencia.
De acuerdo a la influencia que pueden tener en la consistencia y/o cohesividad, la
trabajabilidad de las mezclas de concreto es controlada por el contenido de agua, el
contenido de cemento, la graduación del agregado y otras características físicas,
· 19 ·
Capítulo I Concreto con Fibras.
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aditivos y factores que afectan la perdida de revenimiento14. Y para este trabajo por
el tipo, características y contenido de fibras en la mezcla.
Durante las primeras etapas del desarrollo del concreto reforzado con fibra, algunos
investigadores recomendaron la conveniencia de utilizar no más de 25 por ciento por
peso del agregado grueso de 9 mm de tamaño máximo. En general, el requerimiento
de la adecuada trabajabilidad en mezclas que contienen fibras puede alcanzarse por
inclusión de aire, con aditivos plastificadores, con un contenido más alto de la pasta
de cemento y con el uso de fibras unidas con pegamento.15
La mezcla de concreto que no puede colocarse fácilmente o compactarse totalmente,
no podrá rendir la resistencia esperada ni cumplir con las características de
durabilidad, no es estético y los costos por su manejo serán altos.
1.2.2 Durabilidad
La durabilidad de la masa de concreto es una propiedad que no preocupa mientras
se cumpla con la resistencia buscada. Sin embargo, el tipo de concreto del que trata
esta investigación contiene FBC, las cuales al estar expuestas a ambientes agresivos
puede provocar afectaciones en el comportamiento del concreto, ante esta situación
se ha dado un tratamiento previo con parafina para impermeabilizar las FBC. Según
investigaciones anteriores sobre el tema, las FBC con parafina han aportado al
concreto, resistiendo a esfuerzos de compresión y a flexión.
1.2.3 Tenacidad
Es la energía total absorbida para romper un espécimen de concreto a la flexión.
Esta propiedad se ha visto incrementada con la adición de fibras ya que en las zonas
de microgrietas al momento de aplicar una carga las fibras no permiten que se
14
15
Paulo & Kumar Mehta, 1998, pág. 232
Ibíd.
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Capítulo I Concreto con Fibras.
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prolonguen las microgrietas resistiendo aun más en comparación con un concreto
simple.
1.2.4 Resistencia
De acuerdo a los resultados llegados en investigaciones antecedentes, la resistencia
a compresión en un concreto con fibras no varía mucho con respecto a la de un
concreto simple, la contribución más importante está en la tenacidad a la flexión del
material, estas propiedades se ven mejoradas con el incremento en el contenido de
fibras. Sin embargo el estudio de la resistencia del concreto se analizará con más
detalle en el capítulo IV.
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Capítulo II Bagazo de Caña. Degradación y Preservación.
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CAPÍTULO II BAGAZO DE CAÑA. DEGRADACIÓN Y PRESERVACIÓN.
FOTO: UNIVERSO, EL PERIÓDICO DE LOS UNIVERSITARIOS AÑO: 7 NÚM. 284
Resumen
En este capítulo el lector encontrará los antecedentes sobre el uso que se le ha dado
al bagazo de caña, se describe la problemática a la que se trata de darle solución,
para ello se describe la justificación del presente trabajo, se hablará sobre la
degradación que sufren la materia orgánica y el concreto, la posible afectación que le
provoca el uno al otro, por ello se busca un medio para conservarlos, es decir, un
tratamiento para preservarlos de manera que conserven sus propiedades y
características originales por un periodo de tiempo considerable.
Un tratamiento que ha dado resultados satisfactorios, es con parafina, la cual protege
al concreto de los azúcares residuales que contienen las fibras, al mismo tiempo que
las protege de la reacción del cemento con el agua y del agua misma, ya que el
contacto directo con ellos provocaría su descomposición temprana.
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2.1 Antecedentes y Problemática
Además del azúcar y la panela, la agroindustria de la caña da origen a otros
productos como el bagazo, el cual se utiliza como combustible y en la elaboración de
pulpa de papel, la cachaza, y mieles de varios grados. Estos subproductos,
debidamente industrializados, son materia prima para elaborar alcoholes, butadieno,
etileno, ácido acético y cítrico, acetaldehído, etc.; el sector tiene así la posibilidad de
diversificarse ampliamente.16
El bagazo es definido por la sociedad internacional de técnicos de la caña de azúcar
como el residuo de la trituración de la caña en uno o varios molinos.
En la fabricación del azúcar, la caña que se utiliza lleva consigo hojas, raíces y
materias extrañas. La caña se corta y se desmenuza en molinos de martillos de tres
o más cuchillos o rotatorios, después se extrae el jugo haciendo pasar la masa por
uno o varios molinos de tres rodillos. El empleo de presiones elevadas y el uso de
agua sobre el material exprimido hacen posible extraer de 90 a 98% del contenido de
sacarosa de la caña. El residuo fibroso resultante de esta operación es el bagazo.17
El bagazo es de un color que varía entre amarillo-gris sucio y verde pálido. Es
voluminoso y el tamaño de sus partículas no es uniforme.18
El bagazo tiene varios derivados, entre ellos se encuentran:
Pulpa quimimecánica del bagazo
Pulpa química para papel
Pulpa para disolver
Pulpa absorbente
Papel periódico
Papeles de imprenta y para escribir de pulpa quimimecánica
16
Terranova, 1995, pág. 238
Córtes García & Hernández, 2007
18
Ibíd.
17
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Papeles de imprenta y para escribir de pulpa química
Papeles estucados con pulpa química y quimimecánica
Medio para corrugar
Carboximetil celulosa
Celulosa microcristalina
Polvo de celulosa
Medios filtrantes
Fármacos a partir de la lignina del bagazo
Tableros de partículas de bagazo
Tableros de bagazo cemento
Tableros de fibras del bagazo
Productos moldeados del bagazo
Tableros de fibras de densidad media
Furfural
Resina furfural-acetona
Resina para fundición
Primario anticorrosivo furano-asfáltico
Fármacos furánicos
Alcohol furfurílico
Resina de alcohol furfurílico
Carbón activado
Bagazo predigerido
Bagacillo predigerido con cal (predical)
Xilitol
Como se observa, el número de derivados del bagazo es amplio, además de que
tiene ventajas sobre otras fibras vegetales, ya que es una fuente renovable, aún más
efectiva que las fibras de la madera y tiene gran participación en la economía en
zonas productoras de azúcar de caña.
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Uno de los factores que define el derivado que dará origen el bagazo es el costo y
características del material a obtener, las operaciones de traslado, el tipo de
almacenamiento, proceso de desmedulado, etc. Otro factor importante a considerar
es el tratamiento mecánico que se esté empleando, si el tratamiento es de desfibrado
permite un mayor desprendimiento de la médula que será separada de forma más
eficiente en la etapa de desmedulado, sin introducir mayores afectaciones a la
longitud promedio de las fibras. En cambio si es de corte de las fibras; dificulta el
desmedulado, habría pérdidas por el tamaño de las partículas y se complicaría la
unión para el caso de la elaboración de papel.
Desde hace años se ha tenido la inquietud de buscar más alternativas para el uso de
fibras vegetales, en un caso específico las del bagazo de caña en concreto, las
cuales ha sido objeto de estudio por varias universidades con el propósito de generar
menos desechos y obtener materiales de construcción con una buena calidad y a
bajo costo, con ello logrando la sustentabilidad del medio ambiente.
Se ha estudiado en otros países el comportamiento de la resistencia del concreto con
la incorporación del bagazo de caña, y sustituyendo en el mismo porcentaje el
agregado grueso, los estudios han arrojado que la resistencia del concreto se
comporta de una manera favorable con 2% de agregado de FBC.
También se ha recomendado que antes de agregar el bagazo sobre la mezcla es
conveniente hacerle un tratamiento previo con resinas ó sustancias hidrófobas,
evitando contacto con la humedad, lo cual causaría la degradación temprana de las
fibras. El tratamiento que ha dado los mejores resultados es la parafina, por el tipo de
manejo que requiere, el costo que genera, además de su capacidad de conservar la
materia orgánica.
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Problemática
A partir de que las fibras de asbesto fueron relacionadas con potenciales peligros
para la salud se inició la búsqueda de posibles sustitutos que le proporcionaran al
concreto las propiedades tan favorables que el asbesto le daba, además de ser
competitivos en calidad y precio19
La fibras de acero, vidrio y recientemente las de polipropileno son alternativas viables
para reforzar al concreto. Sin embargo la tecnología requerida para usar este tipo de
fibras, los procesos industriales y la mano de obra especializada, hacen que estas
alternativas no sean tan aceptadas.
Como pasa en la mayoría de las industrias, los desechos pocas veces son
reutilizados y son arrojados al medio ambiente. En la agroindustria de la caña se
presentan varios problemas con los desechos, en el caso del bagazo:
El riesgo de incendios por las cantidades de bagazo seco almacenado,
Los métodos de almacenamiento (requieren equipo y área disponible),
Gases originados por la fermentación,
La pudrición atrae hongos, bacterias e insectos,
En caso de utilizarlo como combustible genera altos costos de trabajo y
limpieza de los hornos, mayor supervisión, molestia del hollín.
Por estos motivos los encargados de los ingenios prefieren vender todo el bagazo
para que sea procesado y enviarlos a las fábricas para producir derivados, para
evitar riesgos y costos innecesarios.
Entre los usos del bagazo, como ya se ha mencionado, ha sido motivo de estudio
para ser considerado como un refuerzo en un concreto simple, sustituyendo un
porcentaje de agregado grueso.
19
Juárez Alvarado, Rodríguez, & Rivera, 2004
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En comparación con los demás derivados del bagazo el hecho de utilizarlo como un
agregado en un concreto su procesamiento sería mínimo y sencillo, sin necesidad de
contar con tecnología compleja, ni mano de obra especializada.
Sin embargo, el inconveniente que se tiene al agregarlo a una mezcla donde uno de
los componentes es el agua, es que el bagazo por estar en un estado seco, absorbe
una cantidad considerable de humedad, lo cual alteraría la relación agua-cemento
(a/c) de la mezcla, y al mismo tiempo provocaría el inicio del proceso microbiológico
causantes del elevado deterioro del bagazo.
La relación a/c de una mezcla es determinante para lograr la resistencia adecuada
de acuerdo el uso que se le vaya a dar. El cuidado de esta relación es estricto, por lo
tanto el agua absorbida por el bagazo se debe tener contemplada para la mezcla, o
en caso contrario saturar completamente la fibra antes de vaciarla a la mezcla,
tratando de que no pueda absorber más agua.
La fibra posee una alta permeabilidad. Al saturarse absorben una cantidad de agua
de casi el 100 % de su peso seco. En el caso de fibras sin ningún tratamiento previo
absorberán agua durante el mezclado, la cual deberá adicionarse para evitar la
pérdida de trabajabilidad de la mezcla. Además, el agua que absorben las fibras
origina una inestabilidad en su volumen que propicia la pérdida de adherencia con la
matriz de concreto.20
Los agentes degradadores de la fibras inician cuando la fibra entra en contacto
directo con el agua, provocando la disminución gradual de sus propiedades y
características, lo cual para la mezcla sería inútil como refuerzo.
Por otra parte, el azúcar residual en altas concentraciones causa efectos inhibidores
o retardadores sobre el fraguado del cemento. Para eliminar ese azúcar residual, es
20
Juárez Alvarado, Rodríguez, & Rivera, 2004
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necesario almacenar el bagazo desmedulado en forma de pacas a 50% de humedad
por un tiempo de tres meses, con el objetivo de reducir el porcentaje de azúcar
residual hasta valores menores de 0.5 por ciento.
Por todo lo anterior se ha tratado de proteger el bagazo de la humedad con varias
sustancias; para la fabricación productos moldeados de bagazo se utilizan
encolantes, los de mayor uso son la urea formaldehído, el fenol formaldehído y la
melanina formaldehído, las cuales se emplean de acuerdo al nivel de humedad que
estará expuesto el producto.
Algunos tratamientos para conservar la materia orgánica, son bastante complejos,
necesitan equipo, mano de obra especializada y las sustancias que se utilizan suelen
ser costosas y hasta peligrosas.
El uso de FBC en una mezcla de concreto es una alternativa de utilización de los
productos residuales o subproductos de la caña de azúcar, sin embargo por tratarse
de materia orgánica, la descomposición del bagazo es inevitable, aunque
sometiéndolo a cierto tratamiento puede ser protegido de la humedad y de esta
manera retardar el proceso de descomposición.
En cuanto a los problemas que tienen que ver con el concreto, está el uso de
agregados extraídos de canteras, es decir, que para hacer un concreto es necesario
tanto de agregado grueso (grava) y agregado fino (arena), lo cual genera la
explotación del subsuelo. No hay una extracción controlada de nuestros recursos
naturales, de modo que causa un daño irreversible al medio.
El manejo de una mezcla de concreto es difícil por el peso de los agregados, sin
embargo, se sabe que adicionando más agua de la necesaria para la reacción con el
cemento, es más fácil de trabajar. Pero esta cantidad de agua adicional, en la
mayoría de los casos, no se considera en el proporcionamiento de la mezcla por
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consiguiente provoca una alteración en la relación agua-cemento y esto se refleja en
la resistencia final, la cual suele ser diferente a la esperada.
Otro de los aspectos problemáticos del concreto es la fragilidad que éste presenta
por ser un material rígido. Los impactos o constantes de carga provocan que el
concreto truene y que se presenten grietas, lo cual podría ser un riesgo para la
construcción, además de que se estaría generando gastos de mantenimiento y
conservación innecesarios.
El costo de los materiales para la construcción es alto y en algunas regiones del país
es común encontrar viviendas hechas con otros materiales, en el estado de Veracruz
podemos encontrar casas construidas con adobe, bambú y palma, éste tipo de
viviendas son susceptibles a las acciones de los fenómenos naturales por el tipo de
material del cual están fabricados. El no contar con un material de construcción de
buena calidad resulta peligroso y genera gastos de reconstrucción, en caso de que la
construcción falle.
En el aspecto económico Veracruz es un importante productor de caña de azúcar,
estamos hablando de grandes cantidades de bagazo sin aprovechar, pero los niveles
de pobreza en Veracruz son salvajes, la población apenas cuenta para adquirir los
productos de la canasta básica, ya ni se mencione de contar con un patrimonio como
es una vivienda, ya que los gastos de los materiales son altos para este sector de la
población. Es importante para el estado el desarrollo de la economía de la zona
aprovechando lo que se produce en todo lo posible, generando nuevos empleos y
materiales de construcción económicos, sin afectar la calidad y garantía que éstos
nos brindan.
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2.2 Justificación
Pañales, papel para imprenta, alimento para ganado y edulcorantes son algunos de
los más de 50 productos y subproductos de alto valor comercial que podrían
generarse en Veracruz a partir del uso del bagazo de la caña de azúcar, aseguró en
una conferencia de prensa, Shaila Hernández García, egresada de la Facultad de
Ingeniería Química de la Universidad Veracruzana (UV).
El bagazo tiene una enorme ventaja sobre los demás residuos agrícolas ya que los
costos de recolección, transporte, molienda y lavado se cargan íntegramente a la
producción del azúcar, aparte de requerir muy poco tratamiento preliminar a la hora
de entregarlo a las plantas procesadoras.
El propósito de utilizarlo en un concreto simple, es darle uso a los residuos de los
ingenios, para el caso del bagazo utilizarlo como refuerzo para el concreto.
Proporcionar materiales para la construcción de buena calidad ayudando a la
economía de la zona, aprovechando los recursos naturales con que se cuenta.
Por ser fibra vegetal no afecta al organismo del ser humano como pasaba cuando se
utilizaba el asbesto el cual causaba serios riesgos contra la salud provocando cáncer
de pulmón.
No se requiere de equipo especial para tratar las FBC, el uso de parafina como
sustancia hidrófoba no requiere de mano de obra especializada, todo eso hace que
el uso de la fibra como refuerzo para el concreto sea una alternativa viable.
Otras fibras que se han utilizado en la elaboración de una mezcla de concreto, son
las de vidrio, acero y polipropileno que han resultado buenas en términos de
aportación en la resistencia, sin embargo la tecnología requerida y la mano de obra
especializada elevan los costos, y para esta zona del país lo que se necesita es
conseguir materiales para la construcción de buena calidad a bajo costo.
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El ser utilizado como un refuerzo en un concreto simple disminuiría los costos por
almacenamiento y se reducirían riesgos para los ingenios, además de que estarían
obteniendo dinero de la venta del bagazo.
Con respecto al problema de la degradación de las fibras vegetales, una manera de
conservar la materia orgánica, es la utilización de la parafina. El bagazo protegido
con una capa delgada de parafina evita la absorción de agua retardando la
degradación del material. La parafina es fácil de manejar sólo basta sumergir las
FBC desmenuzado en una emulsión de parafina por un periodo corto de tiempo para
proporcionarle una capa protectora que no le permita un nivel el contacto directo con
el agua. Consecuentemente también se estaría protegiendo el cemento de los
azúcares residuales que pudieran quedar en las FBC. De esta manera se estaría
protegiendo a las fibras vegetales y al cemento estableciendo una barrera entre
ambos.
Los costos por tratamiento con parafina son mínimos comparados con otros tipos de
materiales, ya que es fácil de conseguir y su manejo no requiere de mano de obra
especializada y mucho menos, de equipos costosos.
El agua necesaria para una mezcla de concreto sería la misma si no se utilizara FBC,
esto se cumple siempre y cuando la fibra de bagazo sea previamente tratada a fin de
evitar una descompensación en la relación agua-cemento ó en otro caso, saturar
completamente las FBC.
Respecto a los agregados del concreto, se sustituiría un porcentaje de agregado
grueso por las fibras de bagazo de caña. Lo que provocaría una reducción en la
demanda de ellos.
El concreto, como se ha mencionado antes, es un material rígido, por lo cual
presentan fallas por acumulación y aplicación de esfuerzos, expansión y contracción
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por efecto de la temperatura, y todo esto se ve reflejado en grietas a simple vista. La
fibra trata de reducir esa rigidez al concreto presentando un grado de elasticidad, el
cual permitiría absorber los esfuerzos evitando agrietamientos, con esto se pretende
aumentar la resistencia a la tensión por flexión además de la resistencia a la
compresión.
El costo de una mezcla de concreto con la ayuda de las fibras de bagazo de caña
tendría una reducción, sin poner en riesgo la calidad del material.
México es unos de los 10 principales productores de caña de azúcar, en cuanto al
estado de Veracruz se cuenta con 22 ingenios que representan el 36 por ciento de la
planta azucarera nacional.
Unas ventajas del reciclaje son; el ahorro de energía, aprovechamiento de los
materiales
naturales,
reducción
de
desechos
sustentabilidad ambiental.
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sólidos,
en
otras
palabras,
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2.3 Degradación de los materiales
Es conocido que prácticamente todos los materiales sufren degradación de sus
propiedades mecánicas a lo largo del tiempo por la aplicación de cargas cíclicas, o
simplemente como consecuencia de su exposición a condiciones ambientales
agresivas.
La degradación es el proceso de disminución gradual de las características originales
de un material. Los procesos de degradación están agrupados en cuatro categorías
generales: físicos, químicos, mecánicos y biológicos. Estos cuatro tipos de
degradación no actúan independientemente, si no que hay una interacción entre
ellos, deteriorando el material desde su estructura interna.
La degradación física se debe a deterioros de las propiedades causadas por la
humedad, y cambios en la dimensión y en la estructura molecular por energía
lumínica y térmica.
La degradación química se debe a la exposición directa con compuestos químicos.
La hidrólisis es probablemente el proceso de degradación químico más común.
La degradación mecánica puede tomar varias formas: desgaste, aspereza, desgarro,
fracturas, agujeros, pliegues, arrugas, distorsiones, cortes, abolladuras, etc.
En cuanto a la degradación biológica se refiere al daño causado por un agente
degradante, entre ellos está el humano, roedores, aves, reptiles, insectos y hongos y
bacterias.
En el bagazo el proceso de degradación con más posibilidad de presentarse es por
degradación física por contacto con la humedad y la degradación química por la
reacción química del cemento-agua, con menos probabilidad la degradación
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biológica, una vez en el concreto es difícil que lo ataquen los insectos, y con el paso
del tiempo puede presentarse la degradación mecánica.
Para el caso del presente trabajo nos enfocaremos a prevenir la degradación física y
química que se puede presentar en el bagazo.
Los componentes del bagazo se pueden apreciar en la tabla 2.1.
Tabla 2.1 Componentes del bagazo.
Fuente: Córtes García & Hernández, 2007
COMPONENTE
FIBRA DE BAGAZO
(portadora
de
elementos
estructurales que permiten el uso
del bagazo en la industria de los
derivados)
SÓLIDOS INSOLUBLES
(tierra, piedras y otras materias
extrañas)
SÓLIDOS SOLUBLES
(sacarosa)
AGUA
%
45
2-3
2-3
50
La composición química del bagazo de caña está formada por celulosa, hemicelulosa
y lignina, como principales polímeros naturales además de otros componentes
extraños.
La 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 presentar de
acuerdo a dos diferentes mecanismos.
Uno es el desfibramiento, el cual sucede cuando la celulosa constituida por cadenas
lineales de glucosa se disuelve cuando reacciona con el ion OH- , produciendo CH2OH el cual se desprende de la cadena molecular. De esta manera el
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desfibramiento es continuo durante la exposición al medio alcalino y, ocurre a
temperatura ambiente por debajo de los 75ºC.21
El otro mecanismo de descomposición de la celulosa es la hidrólisis alcalina. Esta
causa la división de las cadenas moleculares, y se combina con el mecanismo
anterior ya que la división de la cadena molecular origina la exposición de unidades
finales reductivas. Este mecanismo se lleva a cabo generalmente a temperaturas
alrededor de los 100ºC. Estas temperaturas son difíciles que se presenten en
elementos constructivos convencionales.22
La lignina consiste de sustancias aromáticas, y es la matriz que une las microceldas
de celulosa. Se fragmenta fácilmente en un medio alcalino y su color llega a ser
amarillo y café cuando se oxida. La lignina se reblandece entre los 70ºC - 80ºC y es
parcialmente líquida a los 120ºC.23
La descomposición química de la lignina y la hemicelulosa es la principal causa del
deterioro por fragilización de la fibra en el concreto. La alcalinidad del agua en el poro
de la matriz de cemento disuelve la lignina. Se rompe la unión de las microceldas
individuales las cuales absorben el hidróxido de calcio producto de las reacciones de
hidratación del cemento. La fibra pierde su flexibilidad y se fragmenta en pequeñas
unidades longitudinales perdiendo su capacidad de reforzar al concreto.24
Por tratarse de materia orgánica tiende a degradarse con el paso del tiempo y más
aún si las condiciones en que se encuentra presentan un nivel de humedad,
temperatura y oxígeno que permita el crecimiento de organismos biológicos
destructores, llegando a destruir las fibras que la componen.
La preservación es el conjunto de técnicas por medio de las cuales se aplican
sustancias a los materiales para evitar que sean afectadas por agentes destructores.
21
Juárez Alvarado, Rodríguez, & Rivera, 2004
Ibíd.
23
Ibíd.
24
Ibíd.
22
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La durabilidad del concreto depende de las condiciones ambientales y de servicio. La
porosidad superficial, la distribución de tamaños de los poros, el tipo de cemento y
agregados son los principales factores que intervienen en la durabilidad del concreto.
Los poros permiten el paso de agentes ambientales al interior del concreto. El tipo de
cemento y del agregado establecen la velocidad de reacción de estos agentes para
modificar la estabilidad del concreto.25
El concreto es una material resistente, sin embargo cuando se le someten a
esfuerzos altos y condiciones ambientales agresivas, llega un momento en que se
alcanza el límite de su resistencia, presentando agrietamientos o en ciertos casos
una descomposición.
La degradación de un concreto, tomando en cuenta como causa sólo las condiciones
ambientales, está condicionado a ciertas características y propiedades de su
estructura.
Durante el colado y vibrado del concreto siempre quedan algunas burbujas de aire.
Por esta razón se dice que el concreto es un material poroso, ya que existen
espacios entre las partículas de agregado que no son llenados de manera completa,
además de la porosidad del mismo agregado.
La porosidad del concreto interviene en su degradación ya que el número de vacíos
pueden estar o no intercomunicados entre sí, si hay una comunicación entre los
vacíos, el concreto es permeable al agua y a sustancias químicas que contenga.
Tanto la permeabilidad como la porosidad de un concreto, dependen de la relación
a/c, la permeabilidad controla la velocidad con la que pasan los fluidos a través de la
masa de concreto.
25
Muciño Castañeda, 2003, pág. 5
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Esta velocidad es importante en el curado del concreto, se mencionará más adelante
porque el curado es un factor en la resistencia a la compresión y a la tensión por
flexión.
Ya se ha comentado con anterioridad que los factores que pueden dañar al concreto
pueden ser físicos, químicos,
biológicos ó mecánicos. Entre los físicos se
encuentran la erosión, abrasión, impacto, hielo-deshielo; entre los químicos las
aguas puras, marinas ácidas y sulfáticas; entre los biológicos los microorganismos,
algas y moluscos; y los mecánicos tienen que ver con el estado de esfuerzos al que
se encuentre sometido. Estos, a su vez, pueden coexistir y actuar de forma
simultánea, teniendo entonces que considerar efectos combinados.
El agua sirve para hacer el concreto, pero también interviene en su degradación, y
esto se debe a que funciona como medio de transporte para las sustancias que lo
deterioran. Su participación en la mayoría de las causas del deterioro del concreto
por ataque físico ó químico se señalará a continuación, teniendo siempre presente
que por lo general los efectos suelen ser combinados.
Ataque físico
Mehta y Gerwick agruparon las causas físicas del deterioro del concreto en dos
categorías; desgaste de la superficie la cual puede ser por abrasión, erosión ó
cavitación, y agrietamiento provocado por cambios de volumen, carga estructural ó
exposición a temperaturas extremas.
La abrasión es el desgaste en seco, un ejemplo de ello se puede observar en la
superficie de rodamiento de un pavimento que presenta un desgaste después de que
un número considerable de vehículos transitan sobre él.
La erosión es causada por el paso de partículas sólidas que utilizan a un fluido como
medio de transporte, siendo las estructuras hidráulicas las más afectadas por este
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fenómeno. El daño provocado por la erosión depende del tamaño de las partículas, la
velocidad con que pasan, la cantidad, la densidad, la forma, y su dureza, además de
la resistencia del concreto ó su porosidad.
La cavitación se presenta cuando las burbujas de vapor llegan a una zona de
impacto, como un cambio de dirección, donde explotan provocando una picadura
local severa.
Los cambios de volumen que provocan el agrietamiento se deben a los efectos de la
humedad y a la cristalización de sales. Un ejemplo de ello puede ser cuando uno de
los lados de un muro de contención permeable está expuesto a una solución salina,
al momento de la evaporación, el vapor penetra en los poros dejando sales que al
cristalizarse provocan presiones causantes del agrietamiento.
El agrietamiento por carga estructural se debe a dos causas; a una sobrecarga e
impacto o por qué una carga es aplicada con una alta frecuencia, a lo que se le
conoce como carga cíclica.
En los concretos que están expuestos a ciclos de congelamiento-descongelamiento,
se presenta una presión hidráulica y una presión osmótica que provocan el
agrietamiento del concreto, un medio para reducir el daño por la acción de
congelamiento es la inclusión de aire.
Las estructuras de concreto son las más resistentes contra el fuego, sin embargo
cuando se presentan temperaturas extremas, se puede dar el caso de un
descascaramiento de la superficie.
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Ataque químico
Mehta y Gerwick agruparon a las causas químicas del deterioro en tres categorías;
hidrólisis de los componentes de la pasta de cemento por agua suave; reacciones
por cambio de cationes entre los fluidos agresivos y la pasta de cemento; y
reacciones que conducen a la formación de productos expansivos, tales como el
ataque por sulfatos, la expansión álcali-agregado y la corrosión del acero en el
concreto.
Debido a que el concreto rara vez está expuesto al ataque químico, a lo extenso del
tema y al tipo de concreto que se está estudiando no se profundizará sobre las
causas químicas, sólo cabe mencionar que la presencia más común de sulfatos se
puede ver en estructuras de concreto ubicadas cerca del mar.
2.4 Tratamientos para conservar la Materia Orgánica
Para que se pueda prolongar la vida útil de la materia orgánica es necesario
protegerla de determinadas condiciones que causen su deterioro, por mucho tiempo
se ha tratado de conservar toda clase de materia orgánica; alimentos y plantas. Y
cada día se busca el mejor medio para lograrlo.
En el caso del bagazo para poder ser utilizado en una mezcla de concreto, se ha
tratado de protegerlo de la humedad que presenta la mezcla. Además de que se
estaría evitando el contacto de los azúcares residuales con la mezcla, lo cual en
dado caso de presentarse causaría efectos retardantes en el fraguado del cemento.
Los preservantes pueden ser compuestos químicos, puros ó mezcla de compuestos.
Los tratamientos utilizados en investigaciones anteriores sobre el uso de fibras
naturales como refuerzo en un concreto, son: aceite de linaza, aceite de linaza más
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resina natural, parafina, parafina más resina natural, sellador para madera, creosota,
hidróxido de calcio ó cal.
El aceite de linaza se extrae en caliente de la semilla del lino, de color ambarino, se
oxida y polimeriza con facilidad, produciendo una película elástica. Las propiedades
del aceite de linaza son: incoloro, brillante, transparente, buen poder de relleno, fácil
de aplicación, excelente brochabilidad, secado rápido, elástico y muy buena
resistencia a la intemperie. Después de la aplicación del aceite se deja secar a
temperatura ambiente por un lapso de 6 a 8 hrs aproximadamente.
Otros tratamientos han sido con cloruros, capas finas de Igol-T o negrolin. Se han
obtenido buenos resultados con lavado realizado con solución de cloruro de calcio al
5% por 24 horas.
2.5 Parafina
2.5.1 Historia
La cera de abeja ya era usada por los egipcios hace miles de años, la cual era
utilizada para la fabricación de velas. Desde entonces han surgido una variedad de
aplicaciones para este tipo de cera, sin embargo en la actualidad ya no es usada
debido a su alto costo y sus aplicaciones limitadas, es preferible usar la cera extraída
del petróleo, la parafina.
La información que se presenta en esta sección es original del trabajo de Pérez
Morales (1995), complementada con otras fuentes y el criterio propio, para la
compresión del lector puede consultar la fuente. Existen 3 tipos básicos de ceras:
Ceras de origen animal. La cera de abeja fue probablemente la primera conocida por
el hombre, posteriormente otros materiales con propiedades semejantes recibieron el
nombre de ceras. La cera de abeja es la más importante de las ceras de origen
animal y es producida por la secreción digestiva de las abejas que forman las
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celdillas del panal, de donde se le extrae ya sea quemando dicho panal o hirviéndolo
en agua. La cera fundida se filtra para retirarle las impurezas, se somete a extracción
por solventes y se blanquea por tratamiento químico o exposición a la luz solar. La
cera de abeja es notable por su plasticidad, ductibilidad y facilidad en la formación de
emulsiones estables. Existen otras ceras de insectos semejantes a la de abeja, como
las obtenidas de un insecto nativo de la India.
Ceras de origen vegetal. Las ceras más importantes desde el punto de vista
comercial, se encuentran recubriendo las hojas o el tallo de ciertos arbustos y
plantas, que generalmente se localizan en las zonas tropicales. La presencia de la
cera en las superficies de las hojas o tallo tienen como finalidad, la de formar una
barrera contra la pérdida de humedad de la planta, lo cual sería fatal para ella. La
cera de Carnauba se encuentra presente en forma de un polvo ligero sobre ciertas
palmas del Brasil. La cera se retira de las hojas por un procedimiento de corte
semejante al rasurado, después se purifica por extracción mediante solventes. La
cera Carnauba es de las más duras, amorfa, lustrosa y con un ligero y agradable olor
aromático.
La cera de candelilla se obtiene de una planta euforbiácea que crece al Norte de
México y al sur de Texas. Los tallos de tales plantas se sumergen en agua hirviente,
la cera así fundida se pasa a un recipiente, en el cual se retira el agua y se dejan
sedimentar las impurezas. Se encuentran en la naturaleza otras ceras diferentes,
como las de palma, caña de azúcar, arroz, lino, etc., sus propiedades no son muy
significativas y algunas veces los costos de producción resultan elevados, por lo cual
el interés comercial sobre estas ceras es reducido.
Actualmente se produce en México una cera de características notables; de gran
dureza, de punto de fusión tan alto o mayor que el de la cera de Carnauba y que
puede ser empleada para las mismas aplicaciones que ésta; es la cera de henequén.
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Ceras de origen mineral. Entre las más importantes se encuentra la cera que se
obtiene del carbón mineral (Coke), proveniente de ciertos yacimientos encontrados
en Filadelfia, Checoslovaquia y Rusia; pero de mayor importancia que todas las
anteriores son las ceras derivadas de los aceites minerales (ceras del petróleo).
Estas ceras son de bajo precio y pueden ser aplicadas en una gran cantidad de
procesos.
2.5.2 Generalidades
La parafina es una mezcla de hidrocarburos, sólida y cristalina, completamente
derivada de la porción del petróleo crudo designada, destilado de parafina ó del
destilado de esquistos, o de la síntesis de hidrocarburos por solidificación a
temperatura baja, por extracción con disolvente.
Se caracteriza por su estado sólido a la temperatura atmosférica (25 grados
centígrados) se deforma relativamente poco a esta temperatura, incluso bajo presión
considerable, tiene poca viscosidad, se especifica su punto de fusión entre 47 y 65
grados centígrados. Las parafinas se definen como ceras que se presenta de modo
natural en diversas fracciones del petróleo crudo.
Las parafinas se dividen en dos grupos:
a. Parafinas normales (macro)
b. Parafinas microcristalinas
Parafinas normales (macros). Son generalmente de punto de fusión más bajo que las
microcristalinas y después de fundidas tienen menos viscosidad. La estructura de
éstas es en base a cristales bien formados y definidos, el tipo de placas y agujas,
debido principalmente a la forma de las moléculas, que son de cadena recta, con una
cantidad pequeña de cadenas ramificadas. Por lo general, las ramificaciones son de
un carbono situado cerca de uno de los extremos de la cadena principal, hay en total
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un promedio de menos de un átomo de carbono de cadena ramificada por molécula y
las cantidades de compuestos cíclicos están en cantidades insignificantes.
Parafinas microcristalinas. Estas parafinas se caracterizan porque tienen pesos
moleculares más altos que las normales. Estos pesos moleculares varían desde 400
a 700 y sus moléculas contienen como promedio de 49 a 50 átomos de carbono.
Aunque estas parafinas contienen algunas moléculas de cadenas rectas, son de
cadenas ramificadas en mayor proporción que las normales. Además, las cadenas
probablemente se disponen al azar y contienen un promedio de tres átomos de
carbono por cadena lateral, y el contenido de compuestos cíclicos es apreciable.
2.5.3 Obtención de la Parafina
El crudo del cual se obtiene la parafina se usa como fuente de aceite lubricante.
Ordinariamente son tres los tipos principales de ceras que se encuentran en el aceite
crudo: Ceras parafínicas, ceras residuales y petrolatos.
Dentro de las parafinas que se obtienen en las refinerías, todas están constituidas
por compuestos aromáticos y alquenos (Etileno), estas ceras se obtienen por
polímeros de adición principalmente, y que debido al proceso empleado y a sus
constituyentes reciben el nombre de plásticos, fibras y elastómeros.
Existen dos grupos de ceras:
Grupo 1. Aquellas que se obtienen de los aceites ligeros, que se diferencian
únicamente
por su grado de refinación y cuya composición química es de
hidrocarburos lineales (Parafinas normales o macrocristalinas).
Grupo 2. Las ceras derivadas de los aceites residuales, que consisten
fundamentalmente de una mezcla de parafinas normales e isoparafinas y reciben el
nombre de ceras microcristalinas, debido al tamaño relativamente pequeño de sus
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cristales, comparado con el tamaño de los cristales en forma de agujas de las ceras
parafínicas normales.
Para separar las ceras parafínicas del aceite, el destilado con las ceras debe ser
enfriado a temperaturas lo suficientemente bajas, para que ésta cristalice y el
producto resultante pueda ser filtrado bajo presión. El caso más favorable ocurre
cuando la cera forma una torta, por lo tanto el aceite se drena fácilmente, entonces
se dice que el destilado es presionable, en caso contrario se dice que es no
presionable. La cera se retira en el filtro prensa, puede ser suave o semisólida y el
contenido de aceite se encuentra entre 10 y 35 por ciento. Por las prensas
hidráulicas se hace pasar el destilado ceroso enfriado, el aceite que contiene fluye a
través de las lonas filtrantes, quedándose en ella la cera. La cera filtrada se trata
entonces con ácido sulfúrico y se retiran los lados ácidos. Por último, la cera se lava
hasta lograr la eliminación total del aceite.
2.5.4 Características, propiedades y usos de la parafina
Las características de cada cera varían de acuerdo con la naturaleza del aceite de
donde provienen. La naturaleza de las ceras y parafina hacen que éstas tengan
propiedades importantes. De manera general se enlistan sus principales propiedades
y características:
•
Resistencia al agua y vapor de agua.
•
Dureza
•
Flexibilidad
•
No inflamable
•
No oxidante
•
No corrosivo
•
No explosivo
•
No toxico
•
No asfixiante
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•
No irritante
•
No radioactivo
•
Apariencia y color: masa incolora o blanca, más o menos traslúcida, con
estructura cristalina.
•
Es inolora e insípida y ligeramente grasosa al tacto
•
Es soluble en cloroformo, éter, benceno y disulfuro de carbono
La mayor cantidad de estas ceras se usan en la industria del papel, para fabricación
de cajas, envases para leche, envases para alimentos frigorizados, etc., la parafina
es la materia prima más importante en la composición de las mezclas utilizadas para
dichos fines.
Los recubrimientos protectores para frutas, queso, madera, metales y hule,
usualmente contienen ceras parafínicas. Las ceras se emplean también en grandes
cantidades en la industria electrónica, para la fabricación de cosméticos,
medicamentos y productos dentales. Se usan así mismo en la elaboración de
lubricantes especiales que deben soportar temperaturas elevadas, para suavizar
fibras textiles, como componentes de crayones, adhesivos, cerillos, removedores de
pintura y barnices. La industria textil emplea grandes cantidades de cera para la
protección de artículos contra el agua.
La aplicación de ceras retarda la penetración de aire y humedad, incrementando así
la vida de los materiales y previniendo el deterioro de la superficie por abrasión y
raspaduras.
Las características de la parafina, el costo, la disponibilidad, el manejo, sus
propiedades como impermeabilizante, hacen que resulte viable el uso de la cera de
parafina como tratamiento para las fibras de bagazo de caña. Con esto se logra
proteger, tanto las fibras de bagazo de caña de la alcalinidad del cemento, como el
cemento de los azúcares residuales y a la mezcla de concreto de una pérdida agua
por absorción de humedad de las fibras.
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Capítulo III Proporcionamiento de la mezcla de concreto con fibras.
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CAPÍTULO III PROPORCIONAMIENTO DE LA MEZCLA DE CONCRETO CON
FIBRAS.
FOTO: DOSIFICACIÓN DE LOS MATERIALES PARA LA ELABORACION DE LOS ESPECIMENES.
Resumen
En este capítulo se explica el manejo que se le dieron a las fibras antes de
agregárselas a la mezcla de concreto.
Debido a la variabilidad en las características y propiedades que presentan los
materiales de un lugar a otro, es necesario realizarles varias pruebas con el propósito
de diseñar una mezcla de calidad, es decir, determinar las cantidades exactas de
cada material para realizar un metro cúbico de mezcla. Por tal motivo, en este
capítulo se pone a disposición del lector los procedimientos de tales pruebas
manejando datos de los materiales utilizados para este trabajo. Más adelante,
también encontrará la descripción del método, paso a paso, para obtener el
proporcionamiento, incluyendo las cantidades de fibras que se manejaron, así como
el programa establecido para la elaboración de los especímenes.
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Capítulo III Proporcionamiento de la mezcla de concreto con fibras.
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3.1 Metodología y pruebas realizadas
A continuación se describe la metodología empleada en esta investigación, así como
las pruebas realizadas a los agregados y a las FBC, a fin de manejar la proporción
de materiales más óptima para la mezcla de concreto.
Los materiales empleados fueron Cemento Portland tipo I CCR-30, FBC proveniente
del ingenio la concepción, municipio de Jilotepec, Veracruz. Los agregados gruesos y
finos utilizados son los con que se cuenta en la región.
Las FBC poseen cierto nivel de azucares residuales por lo que se procedió a su
lavado, como se recomienda en Osorio Saraz & Varón Aristizabal (2007), el propósito
de este lavado es eliminar la presencia de carbohidratos libres, luego se secó al sol
para evitar problemas de ataque de hongos y plagas. En la figura 3.1 se observa las
FBC utilizadas, y en la figura 3.2 el proceso de desmenuzado a fin de evitar
aglomeraciones.
Figura 3.1 FBC, Ingenio la
Concepción, Jilotepec.
Figura 3.2 Proceso de desmenuzado
de la FBC.
Posteriormente las FBC se pasaron por la malla Nº. 6 (Fig. 3.3 y 3.4) para que el
tamaño de las FBC sea lo más uniforme posible y teniendo el antecedente que estas
fibras han resultado favorables en investigaciones anteriores. Este proceso también
permite eliminar el polvo y materia extraña que pudieran afectar el fraguado del
cemento.
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Capítulo III Proporcionamiento de la mezcla de concreto con fibras.
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En esta investigación se pretende analizar el comportamiento de las resistencias de
un concreto con FBC, tratadas previamente con parafina, a través de ensayes a
compresión.
Figura 3.3 Granulometría de las FBC.
Figura 3.5 Parafina utilizada para el
tratamiento de las FBC.
Figura 3.4 FBC retenidas en la mala Nº 6.
Figura 3.6 Momento en que la parafina
se derrite.
La parafina utilizada fue adquirida en una ferretería local, este tipo de parafina es
estándar viene en presentación de barra, se vende por kg el precio es alrededor de
$40.00/kg (figura 3.5 y 3.6).
Las FBC se saturaron en la parafina por un periodo de tiempo de 5 min, de tal
manera que permitiera la absorción completa, durante ese periodo se mantuvo la
fibra en constante movimiento a fin de que toda la fibra estuviese en contacto con la
parafina y para evitar grumos. La justificación de utilizar parafina como tratamiento
está fundamentado en estudios realizados por otros investigadores acerca del tema,
consultar bibliografía.
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Capítulo III Proporcionamiento de la mezcla de concreto con fibras.
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Para secar y evitar que se formen grumos entre las fibras se realizó lo siguiente, con
ayuda de unas tenazas, se tomaron pequeñas cantidades de fibras con las cuales se
dejaban escurrir las fibras y luego se secaban a temperatura ambiente sin dejar que
se juntaran entre ellas. De esta manera las fibras quedaron totalmente impregnadas
con la parafina y no se observaron grumos. Posteriormente se verificó la
impermeabilidad adquirida, se tomó una muestra de 500 gr de FBC con parafina y se
dejaron por 24 hrs saturadas en agua, al final de ese periodo se volvieron a pesar
registrando un peso de 725.50 gr, es decir las FBC presentaron un 45.10% de
absorción, con esto se afirma que la permeabilidad de las FBC fue disminuida.
Para saber la cantidad de fibra a utilizar es necesario calcular primero las cantidades
de agregados (gruesos y finos), agua y cemento para la mezcla de concreto, en este
caso la relación a/c a emplear será de 0.45.
Para obtener una mezcla con relación a/c de 0.45, o cualquiera que fuese la relación,
es necesario conocer algunas propiedades de los agregados, como lo son; su
humedad, porcentaje de absorción, densidad relativa, peso volumétrico y su
granulometría.
A continuación se describen las pruebas realizadas a los agregados tanto gruesos
como finos, así como los resultados obtenidos. Dichos resultaron serán utilizados al
final de este capítulo para el cálculo del proporcionamiento de la mezcla.
3.2 Pruebas realizadas a los agregados finos.
El agregado fino consistirá de arena natural, arena manufacturada o combinación de
ambas, que pasa el tamiz de 9.5 mm, casi pasa completamente el tamiz Nº 4 (4.75
mm) y es predominante retenido en el tamiz Nº 200 (0.075 mm). La arena natural
consistirá de arena de río, arena de mar o arena de tajo. La arena manufacturada
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consistirá de polvo de piedra en su condición natural o lavado que se ajusta a los
requisitos de calidad especificados.26
Deben ser partículas durables, limpias, duras, resistentes, y libres de productos
químicos adsorbidos, recubrimiento de arcilla y de otros materiales finos que
pudieran afectar la hidratación y la adherencia de la pasta de cemento.27
Para tomar una muestra representativa del agregado fino, se llevó a cabo la prueba
de cuarteo, la cual consiste en:
1. Se toma una cantidad suficiente del agregado para trabajar (aproximadamente lo
de un saco),
2. Se vacía en una superficie plana, dura y seca, libre de sustancias y polvo,
3. Se cambia de posición todo el material con la ayuda de una pala, cuando se vacía
el material se debe girar alrededor de su nueva posición, al terminar de mover todo el
material, se regresa a su posición original, de tal manera que se cambie tres veces
de posición, lo cual ayudará a homogenizar el material.
4. Al final, el material debe quedar en su posición inicial, como el material queda con
forma de cono, se procede a aplanarlo con la misma pala, a fin de que tengamos un
plano para dividir,
5. Existen cuarteadores especiales, sin embargo, en este caso solo se dividió en
cuatro partes idénticas con la ayuda de una tabla de madera, de esta manera se
obtienen cuatro muestras representativas.
En forma aleatoria se toman cuartos opuestos para que la muestra sea lo más
representativa posible, a la cual se le harán las pruebas necesarias. La prueba de
26
27
Normas Oficial decreto 10854-MEIC
Baltazar Zamora, 2008
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cuarteo se realizó de manera similar con el agregado grueso. En la figura 3.7 se
puede observar las cuatro muestras representativas que resultaron para el caso del
agregado grueso.
Figura 3.7 Cuarteo del agregado grueso.
Después del cuarteo las muestras se colocaron en superficies secas y limpias para el
secado al sol, como se puede apreciar en las figuras 3.8 y 3.9.
Figura 3.8 Secado al sol de las muestras
de agregado fino.
Figura 3.9 Secado al sol de las muestras
de agregado grueso.
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3.2.1 Análisis granulométrico.
La granulometría más conveniente para el agregado fino depende del tipo de trabajo,
de la riqueza de la mezcla, y del tamaño máximo del agregado grueso. Mientras la
relación a/c se mantenga constante y la relación fino a grueso se elige
correctamente, se puede hacer uso de un amplio rango en la granulometría sin tener
un efecto apreciable en la resistencia. Entre mayor sea la uniformidad en la
granulometría, mayor será la economía. Los límites de la norma ASTM C 33 con
respecto al tamaño de las cribas se indican a continuación.28
Tabla 3.1 Límites de la norma ASTC C 33 respecto al tamaño de las cribas.
Fuente: Baltazar Zamora, 2008.
9.52 mm (3/8”)
Porcentaje
que pasa
en peso
100
4.75 mm (No. 4)
95 a 100
2.36 mm (No. 8)
80 a 100
1.18 mm (No. 16)
50 a 85
0.60 mm (No. 32)
25 a 60
0.30 mm (No. 50)
10 a 30
0.15 mm (No. 100)
2 a 10
Tamaño de la malla
3.2.2 Módulo de finura (MF).
El MF del agregado fino es útil para estimar las proporciones de los agregados finos
y gruesos en las mezclas de concreto. Entre mayor sea el MF, más grueso será el
agregado. El MF se obtiene conforme la norma ASTM C 125, sumando los
porcentajes acumulados en peso de los agregados retenidos en una serie
especificada de mallas y dividiendo la suma entre 100. Las mallas que se utilizan son
la de 0.15 mm (No. 100), 0.30 mm (No. 50), 0.60 mm (No. 30), 1.18 mm (No. 16),
2.36 mm (No. 8), 4.75 mm (No. 4), 9.52 mm (3/8”), 19.05 mm (3/4”), 38.10 mm (1 ½”),
76.20 mm (3”), y 152.40 mm (6”).
28
Baltazar Zamora, 2008
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Para más detalle sobre la obtención del MF consultar el manual de prácticas de
laboratorio de concreto (Baltazar Zamora, 2008). En las figuras 3.10 y 3.11 se puede
observar la prueba de granulometría.
Figura 3.10 Material retenido por la malla.
Figura 3.11 Granulometría del agregado fino.
3.2.3 Impurezas orgánicas e inorgánicas.
a) Ensayo de impurezas orgánicas presentes en la arena
Objetivo:
Determinar la cantidad de materia orgánica en la arena para elaborar concreto por
medio de colorimetría.
Equipo y material que se utiliza:
•
Frasco graduado en ml. Solución de Hidróxido de sodio (sosa cáustica)
•
Agua Arena en estudio, solución de acido Tánico, representa el color No. 3
(amarillo paja).
Procedimiento:
1. Se llena el frasco graduado de 300 ml. hasta la marca de 110 ml. con la muestra
de arena que se va ensayar.
2. Añadir la solución de Hidróxido de sodio al 3%, hasta la marca de 175 ml.
3. Se agita el frasco fuertemente por un tiempo de un minuto.
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4. Pasadas las 24 hrs. Observar el color del líquido y se compara con la solución
patrón, si el color es más oscuro que el amarillo paja; esta arena tendrá exceso de
materia orgánica.
El exceso de materia orgánica en el concreto, inhibe una reacción química completa
entre el cemento y el agua.
b) Ensayo de impurezas inorgánicas en la arena para concreto
Objetivo:
Determinar la cantidad de finos (arcillas y limos) presentes en la arena para concreto;
los cuales, arriba de cierta cantidad se consideran nocivos en la elaboración de
concreto.
Equipo y material que se utiliza:
• Probeta graduada de 250 ml de capacidad
• Solución de sal al 1%
• Agua
• Regla o vernier
Procedimiento:
1. Colocar 50 ml. de la solución de sal al 1% en la probeta graduada.
2. Añadir arena hasta que su altura sea de 100 ml.
3. Agregar solución hasta llegar a la marca de 150 ml., se tapa la boca de la probeta
y se agita manualmente por un minuto.
4. Dejar la probeta en sedimentación por 3 hrs. Como los granos de arena son más
pesados se asientan primero que los finos.
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5. Se mide la capa de arcilla y se obtiene el porcentaje que ésta representa con
respecto a la altura inicial. Esta capa no deberá exceder el 6%.
Un agregado puede alterar el comportamiento mecánico de un concreto si contiene
compuestos que reaccionen químicamente con el cemento portland y que afecten
significativamente el volumen de la pasta o del agregado mismo ó ambos, interferir
con la hidratación normal del cemento y otros productos secundarios dañinos.
3.2.4 Densidad relativa
La densidad relativa (peso específico) es la relación entre el peso de un material y el
peso de un volumen absoluto igual de agua, es decir, el volumen de agua que se
desplaza por la inmersión del material. Se usa en los cálculos de proporcionamiento
para determinar el volumen ocupado por el agregado en la mezcla. La densidad
relativa varía entre 2.4 y 2.9 en la mayoría de los agregados naturales.
Objetivo:
Determinar la densidad relativa de la arena para elaborar concreto hidráulico
empleando un matraz de fondo plano de 500 ml de capacidad y su correspondiente
curva de calibración.
Equipo y material que se utiliza:
• Matraz aforado a 500 ml.
• Balanza con aproximación al 0.1 gr.
• Cono truncado
• Pisón
• Termómetro
• Embudo
• Probeta de 500 ml. de capacidad
• Pizeta o gotero
• Pipeta
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• Bomba de vacíos
• Horno o estufa
• Franela o papel absorberte
• Curva de calibración del matraz
• Charola de aluminio
• Espátula
• Cristal de reloj
• Arena saturada y superficialmente seca
Procedimiento:
Para la determinación de la densidad relativa de arena
1. Se satura la arena por 24 hrs., se le retira el agua y se obtiene un estado de
saturado superficialmente seco; esto se logra al tender la arena en una superficie
limpia y seca, moviéndola de un lugar a otro, para que por efecto del sol y el viento
se logre el estado superficialmente seco, para lograr esto, se utiliza el cono truncado,
el cual se llena con arena en dos capas, dándole 15 golpes con el pisón a la primera
capa y 10 golpes a la segunda, se enrasa y se retira el cono sin hacer movimientos
laterales; si la arena se queda con la forma del cono quiere decir que tiene exceso de
humedad, por lo cual se sigue secando y se repite el proceso antes mencionado
hasta que al quitar el cono la arena se desmorone lentamente, esto será cuando la
arena se encuentre en el estado saturado superficialmente seco. Las figuras 3.12,
3.13 y 3.14 ilustran este paso.
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Figura 3.12 Secado de la arena para
retirar el exceso de humedad.
Figura 3.13 Prueba del cono.
Figura 3.14 Forma de la muestra después
de quitar el cono.
2. Se pesan dos muestras de arena de 200 gramos cada una (Wsss) se vierte agua
en el matraz hasta la mitad de la parte curva, se vacía una muestra en el matraz
utilizando un embudo y en la parte inferior del matraz se coloca un fólder por si se
cae parte de la muestra poder recogerla y vaciarla al matraz. La otra muestra se seca
totalmente, puede ser en la estufa o en el horno, para posteriormente medir el peso
seco de la arena (Ws).
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(a)
(b)
Figura 3.15 (a) y (b) Obtención del peso de las muestras.
3. Se extrae el aire atrapado en el suelo empleando una bomba de vacíos; el material
con el agua se agita sobre su eje longitudinal, se conecta a la bomba de vacíos por
30 segundos.
4. Se repite el paso anterior unas 5 veces.
5. Se completa la capacidad del matraz con agua hasta la marca de aforo, de tal
manera que la parte inferior del menisco coincida con la marca de 500 ml.
Figura 3.16 Llenado del matraz.
6. Se pesa el matraz + arena + agua (Wmwa)
7. Se toma la temperatura de la suspensión, con esta, se entra en la curva de
calibración del matraz y se obtiene el peso del matraz + agua hasta la marca de aforo
(Wmw)
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8. Se sustituyen los valores obtenidos en la fórmula siguiente y se obtiene la
densidad.
Dr =
Ws
(Ws+Wmw)-Wmws
Ecuación 3.1
Donde:
Dr = Densidad relativa o gravedad específica
Los datos obtenidos de los materiales a utilizar son:
Ws
= 199.00 gr
Wmw = 775.45 gr
Wmws = 870.00 gr
Sustituyendo en la ecuación 3.1, se tiene:
Dr =
199.00
= 1.91
(199.00-775.45) - 870.00
3.2.5 Porciento de absorción
Objetivo:
Determinar la cantidad de agua que absorbe la arena para concreto expresando esa
cantidad en porcentaje con respecto a su peso seco.
Procedimiento:
1. De la muestra que se puso a secar en la prueba anterior, se revisa con el cristal de
reloj para verificar que la arena ya haya perdido toda el agua, de ser así se deja
enfriar y se obtiene su peso seco (Ws)
2. Se obtiene el porcentaje de absorción por medio de la siguiente fórmula:
Absorción =
Wsss - Ws
Ws
· 59 ·
X
100
Ecuación 3.2
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Datos obtenidos:
Wsss = 200.00 gr
Ws
= 199.00 gr
Sustituyendo los datos en la ecuación 3.2, se tiene:
Absorción = 200.00 - 199.00
199.00
X
100 = 0.50%
3.2.6 Contenido de humedad de la arena.
Objetivo:
Definir la cantidad de humedad que tiene una muestra de arena, con respecto al
peso seco de la muestra. Esta prueba se realiza antes de hacer una mezcla de
concreto, con la finalidad de hacer los ajustes en la cantidad de agua para la mezcla.
Procedimiento:
Método rápido.
1. Se anota el número de la charola y se pesa, anotándola como tara (T).
2. Se vacía la arena húmeda en la charola y se pesa, anotándola como tara + arena
húmeda (T + Ah).
3. Se pone a secar la arena en la estufa moviéndola algunas veces para que sea
más rápido el secado, se coloca encima el cristal de reloj para comprobar que la
arena ya no tenga humedad; esto ocurrirá cuando ya no se empañe el cristal.
4. Posteriormente, se deja enfriar (charola y suelo)
5. Se procede a pesar, lo que sería charola + arena seca (T + A´s)
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6. Y se realizan los cálculos para determinar el contenido de humedad por el método
rápido.
Humedad =
(T+Ah) - (T+A´s)
A´s
X
100 =
Wh - Ws
Ws
X
100
Ecuación 3.3
La obtención de los porcentajes de absorción y humedad de la arena, permiten
determinar los pesos correctos de la mezcla, así como el contenido neto de agua en
el concreto; por lo cual se recomienda tener un buen conocimiento sobre el
procedimiento de las pruebas.
Los poros que presenta la arena pueden o no contener agua, la cual debe ser
considerada a la hora del cálculo del proporcionamiento.
La cantidad de agua a utilizar en la mezcla de concreto debe ajustarse a las
condiciones de humedad de los agregados de manera que cubra los requerimientos
de agua.
Si el contenido de agua no se mantiene constante, la resistencia a la compresión,
trabajabilidad y otras propiedades variarán de una mezcla a otra.
Las diferentes mezclas no se realizaron en un mismo día, y por ende, en las mismas
condiciones climáticas, por lo cual se determinaron para cada mezcla los porcentajes
de absorción y humedad correspondientes, a fin de evitar alteraciones en la relación
agua/cemento.
A continuación se muestra un ejemplo del cálculo de la humedad del agregado fino:
Datos:
Wh = 400.00 gr
Ws = 372.00 gr
· 61 ·
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Sustituyendo en la ecuación 3.3:
Humedad =
400.00 - 372.00
372.00
X
100 = 7.53%
3.2.7 Pesos volumétricos secos: suelto y compactado
El peso volumétrico, también llamado peso unitario o densidad en masa, es el peso
de un material que ocupa un volumen unitario especificado.
El peso volumétrico aproximado de un agregado usado en un concreto de peso
normal varia aproximadamente entre 1,200 kg/m3 y 1,760 kg/m3.
La cantidad de mortero en el diseño de la mezcla depende de la cantidad de vacíos
que presenta los agregados. Y la cantidad de vacíos depende de la geometría de las
partículas; un agregado anguloso genera mayor cantidad de vacíos, mientras que un
agregado redondeado disminuye la cantidad. Una granulometría mejorada es
recomendable para reducir la cantidad de vacíos.
La norma ASTM C 29 describe los métodos para determinar los pesos volumétricos
de los agregados y el contenido de vacíos.
a) Peso volumétrico seco y suelto de la arena
Objetivo:
Obtener la cantidad de suelo en kilogramos que se puede obtener por metro cúbico,
al vaciar material en un recipiente de volumen conocido y sin darle acomodo a las
partículas.
Equipo y material que se utiliza:
• Cucharón de lámina
• Recipiente de volumen conocido
· 62 ·
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• Regla o solera de 30 cms.
• Balanza de 20 kgs. de capacidad y 5 grs. de aproximación.
Procedimiento:
1. La arena se seca al sol y se cuartea.
2. Se pesa el recipiente vacío.
3. Empleando el cucharón se toma material y se deja caer dentro del recipiente,
desde una altura de 5 cm., hasta que se llene, evitando que el material se
reacomode por movimientos indebidos; después se procede a enrasar utilizando la
regla de 30 cm.
Figura 3.18 Tara después de haber sido
enrasada.
Figura 3.17 Llenado de la tara.
4. Se pesa el recipiente conteniendo el material y se anota el peso con aproximación
de 5 gr.
5. Se calcula el peso volumétrico del material, seco y suelto con la siguiente fórmula:
P.V.S.S. =
Wm
Vr
Ecuación 3.4
Donde:
Wm
= Peso del material (kg),
Wm
= (Peso del recipiente + material) – (Peso del recipiente),
Vr
= Volumen del recipiente (m3).
· 63 ·
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A continuación se muestra el cálculo realizado para los agregados empleados en
este trabajo:
Datos:
Peso de recipiente + material
=
7.94 kg
Peso del recipiente
=
4.12 kg
Volumen del recipiente
=
0.00281 cm3
Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación 3.4, se tiene;
P.V.S.S. =
7.94 - 4.12
0.00281
= 1,359.43 kg/cm 3
b) Peso volumétrico seco y compactado
Objetivo:
Obtener la cantidad de arena en kilogramos que se puede lograr por metro cúbico, al
vaciar material en un recipiente de volumen conocido y dándole reacomodo a las
partículas por medio de golpes con una varilla punta de bala.
Equipo y material que se utiliza:
• Cucharón de lámina
• Recipiente de volumen conocido
• Regla o solera de 30 cms.
• Balanza de 20 kgs. de capacidad y 5 grs. de aproximación
• Varilla punta de bala
Procedimiento:
1. La arena se seca al sol y se cuartea.
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2. Se pesa el recipiente vacío.
3. Empleando el cucharón se toma material y se deja caer dentro del recipiente
desde una altura de aproximadamente 5 cms., se llena el recipiente en 3 capas,
dándole 25 golpes a cada capa con la varilla punta de bala, una vez lleno se procede
a enrazar con la regla de 30 cm.
4. Se pesa el recipiente conteniendo el material y se registra el peso con
aproximación de 5 gr.
5. Se calcula el peso del material seco compactado con la ecuación 4 (ver inciso a).
Datos:
Peso de recipiente + material
= 8.05
Peso del recipiente
= 4.12
Volumen del recipiente
= 0.00281
Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación 3.4, se tiene;
P.V.S.S. =
8.05 - 4.12
0.00281
= 1,398.58 kg/cm 3
3.2.8 Sanidad
El procesamiento del agregado se divide en 2 pasos:
1. Procesamiento básico: triturado, lavado y cribado para obtener una granulometría
y limpieza del material adecuadas.
2. Beneficio: el mejoramiento del material por otros métodos de procesamiento, como
lo son:
· 65 ·
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- Separación en un medio pesado
- Cribado en agua
- Clasificación en un medio ascendente
- Trituración
En la separación en un medio pesado, se hace pasar a los agregados en un medio
pesado compuesta por minerales pesados finamente molidos más agua en
proporciones de tal manera que tenga un peso especifico menor que el de las
partículas de los agregados y mayor al de las partículas deletéreas. Las partículas de
mayor peso se hunden y las más ligeras flotan, de esta manera se consigue la
separación.
En el cribado en agua se separan las partículas con pequeñas diferencias de peso
específico pulsando una corriente de agua. Las pulsaciones de agua hacia arriba a
través de una criba mueven el material más ligero para formar una capa arriba del
material más pesado, posteriormente se quita la capa de arriba.
El triturado sirve para quitar las partículas blandas del agregado grueso.
· 66 ·
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3.3 Pruebas a los agregados gruesos (grava)
3.3.1 Características generales, muestreo
Los agregados gruesos o gravas, son materiales extraídos de rocas de cantera,
triturados o procesados, cuyas partículas comprenden tamaños mayores a 5.00 mm
y generalmente entre 9.50 mm y 38.00 mm.
Los agregados deben cumplir con ciertas especificaciones para ser usados de
manera eficiente.
Deben consistir en partículas durables, limpias y libres de productos químicos
absorbidos, recubrimiento de arcilla y otros materiales finos que pudieran afectar la
hidratación y la adherencia de la pasta de cemento.
El tamaño máximo de los agregados afecta la economía de la mezcla. Generalmente
se necesita más agua y cemento para agregados de menor tamaño que para
tamaños mayores.
El tamaño máximo del agregado está en función del tamaño y geometría del
elemento a colar, los espacios dejados por el acero, es decir, la cantidad de acero y
su distribución. Por lo común, el tamaño máximo del agregado grueso no debe
sobrepasar:
1. Un quinto de la dimensión más pequeña del miembro de concreto.
2. Tres cuartos del espaciamiento libre entre barras de refuerzo.
3. Un tercio del peralte de las losas.
Estas reglas se pueden omitir si en la opinión del ingeniero, el concreto tendrá la
trabajabilidad suficiente para colocarse sin que se formen huecos o vacíos.
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3.3.2 Densidad relativa y absorción de la grava.
Objetivo:
Determinar la densidad de la grava utilizando el principio de Arquímedes pasa saber
el volumen que ocupa la grava y también el porcentaje de absorción de la grava.
Ambos resultados tienen aplicación en el diseño de la mezcla de concreto.
Equipo y material que se utiliza:
• Balanza con aproximación al 0.1 gr.
• Horno o estufa
• Franela
• Canastilla
• Charola de aluminio
• Espátula
• Cristal de reloj
Procedimiento:
1. Se dejan las gravas en saturación por 24 hrs.
2. Se les retira el agua y se secan superficialmente con una franela ligeramente
húmeda, se pesa una cantidad de material cercana a los 500 gr., obteniéndose de
esa forma el peso saturado y superficialmente seco de la grava (Wsss).
Figura 3.19 Secado superficialmente de la muestra de grava.
· 68 ·
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3. Se procede a determinar el volumen desalojado de la grava (Vdes), para esto se
utiliza el principio de Arquímedes, pesando el material en una canastilla sumergida
en agua, obteniendo así el peso del material sumergido (Wsum).
Vdes =
Wsss - Wsum
w
Ecuación 3.5
Donde:
γw = peso especifico del agua = 1 gr/cm3
4. Sin que haya pérdidas de material se vacía la grava en una charola para ponerla al
secado total en horno o estufa, para así obtener el peso seco del material (Ws).
5. Se obtiene el porciento de absorción de las gravas mediante la ecuación 3.2,
6. Se determina la densidad relativa (Dr) o gravedad específica del material mediante
la siguiente fórmula que es la misma que la ecuación 3.1, expresada de otra manera:
Dr =
Ws
Vol des - Vol abs
X
w
Ecuación 3.6
Donde:
γw = peso especifico del agua = 1 gr/cm3
Vol des y Vol abs en cm3
De acuerdo a los resultados obtenidos, se tiene lo siguiente:
Datos:
Wsss
=
884.60 gr
Ws
=
792.00 gr
Vol des
=
467.00 ml
Vol abs
=
92.60 ml
· 69 ·
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Sustituyendo en las ecuaciones de absorción y densidad relativa se tiene;
Absorción =
884.60 - 792.00
792.00
Dr =
100 = 11.69%
X
y,
792.00
467.00 - 92.60
X
1 = 2.12
3.3.3 Contenido de humedad
Objetivo:
Conocer la cantidad de agua que posee el material con respecto a su peso seco.
Esta prueba se hace antes de realizar la mezcla para hacer los ajustes
correspondientes a la cantidad de agua de mezclado.
Se usará la misma fórmula que para la humedad de los agregados finos.
Humedad =
Wh - Ws
Ws
X
100
Ecuación 3.3
Equipo y material que se utiliza:
• Estufa
• Balanza con aproximación al 0.1 gr.
• Charola y capsula de aluminio
• Espátula
• Cristal de reloj
Procedimiento:
Método rápido
1. Se anota el número de la charola y se pesa, anotándola como Tara (T).
2. Se vacía el material húmedo a la charola y se pesa, anotándolo como Tara +
Material húmedo (T+Sh).
· 70 ·
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3. Se pone a secar el material en la estufa, moviéndola algunas veces para que sea
más rápido el secado, se coloca encima el cristal de reloj para comprobar cuando el
material ya no tenga humedad, esto ocurrirá cuando el cristal ya no se empañe.
4. Posteriormente se deja enfriar (charola y material).
5. Se pesa todo, charola y material seco (T + S’s)
6. Se realizan los cálculos para saber la cantidad de humedad por el método rápido.
Como se mencionó en el caso de la arena, las condiciones ambientales no fueron las
mismas para las mezclas, por lo que se necesito obtener la humedad para cada
caso.
Datos:
Wh
=
600.00 gr
Ws
=
569.80 gr
Sustituyendo en la ecuación de la humedad, se tiene;
Humedad =
600.00 - 569.80
569.80
X
100 = 5.30%
3.3.4 Peso volumétrico seco suelto y seco compacto
Para obtener los pesos volumétrico seco suelto y seco compacto, el procedimiento
de las pruebas, así como las ecuaciones, es el mismo que el usado para los
agregados finos. Solo varían los pesos del material y, el peso y volumen de la tara.
P.V.S.S. = 1560.00 kg/m3
P.V.S.C. = 1699.85 kg/m3
· 71 ·
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3.4 Proporcionamiento de la mezcla
El proporcionamiento no es más que, la determinación de las cantidades correctas
de los agregados gruesos y finos, de agua y cemento, para que la mezcla sea de
buena calidad y económica. Generalmente el diseño del proporcionamiento se hace
para la elaboración de un metro cúbico de mezcla de concreto.
Las características y propiedades de los agregados varían de una región a otra, por
lo cual, debe hacerse el diseño de la mezcla para cada caso a fin de lograr la
optimización de los materiales y así las alcanzar las resistencias deseadas.
A continuación se explica el método empleado para obtener el proporcionamiento de
la mezcla usada en este trabajo, los datos utilizados son los mismos obtenidos en las
pruebas descritas anteriormente sobre los agregados gruesos y finos.
El proporcionamiento se realizó mediante el método de curvas y nomogramas de
Abrams.
Diseño de proporcionamiento de materiales para concreto hidráulico
Datos de proyecto
Condiciones de mezclado
:
Comunes
Relación agua/cemento
:
0.45
Revenimiento propuesto
:
4” (10 cm)
Tamaño máximo del agregado
:
1”
· 72 ·
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Tabla 3.2 Características de los materiales a utilizar.
T. Máx.
Módulo
de Finura
P.V.S.S.
Material
Densidad
Cemento
3.15
1520.00
Agua
1.00
1000.00
Grava
2.10
Arena
1.90
1“
2.40
Absorción
Humedad
1560.00
11.70 %
5.30 %
1359.00
0.50 %
7.50 %
3
(kg/cm )
Con las características de los materiales y los datos obtenidos de las pruebas se
procede a realizar el proporcionamiento.
A continuación se explica de manera general el método para el proporcionamiento de
la mezcla de concreto, las gráficas que se mencionan se pueden consultar en el
apéndice.
Paso 1.
Se define la resistencia para la relación agua/cemento (a/c) de 0.45. En la gráfica
A.1, en el eje horizontal se busca la relación a/c en peso de 0.45, se señala la
intersección con la curva A, para condiciones rígidas de trabajo, en ese punto se
traza una línea perpendicular al eje que marca las resistencias a la ruptura por
compresión a 28 días, que está dado en kg/cm2. La resistencia del concreto para una
relación agua-cemento de 0.45 en condiciones rígidas de trabajo, resulto de 250
kg/cm2
Paso 2.
Cálculo de la relación grava-arena (g/a). Con el módulo de finura de la arena y el
tamaño máximo del agregado grueso se entra en la figura 1 de la gráfica A.2, se
señala el punto de intersección entre el módulo de finura de 2.40 con la línea de
grava agregado máximo de 1”. La relación g/a es de: 1.75
· 73 ·
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Paso 3.
Contenido de Agua. En la figura 2 de la gráfica A.2 se busca el contenido neto de
agua (kg/cm3), para esto es necesario entrar con la relación g/a (1.75), se marca el
punto de intersección con la curva de grava agregado máx. 1”, se traza la línea
perpendicular al eje de contenido neto de agua, para saber el contenido neto de
agua. Para este caso resulto ser de 177.00 kg/cm3.
Paso 4.
El siguiente paso es la corrección por revenimiento, en este caso no es aplicable, por
el hecho de que la gráfica es para un revenimiento de 4”, el cual coincide con el dato
de proyecto.
Paso 5.
Cálculo de los porcentajes de grava y arena. Los porcentajes de cada agregado se
determinan con la relación g/a mediante las siguientes fórmulas.
% grava (%g)
=
100 g/a
=
1 + g/a
100 x 1.75
1 + 1.75
= 63.64% de grava
% arena (%a)
=
100
=
1 + g/a
100
1 + 1.75
= 36.36% de arena
Paso 6.
Cálculo de la densidad de la mezcla de agregados (Dag). Para el cálculo de la Dag
se sustituyen las densidades y los porcentajes de los agregados en la siguiente
fórmula:
Dag =
100
%g
%a
+
Dg
Da
=
100
63.64
2.10
36.36
+
1.90
=
2.02
Paso 7.
Cálculo de la cantidad de cemento y de la relación agregado-cemento. Para
determinar la cantidad de cemento para la mezcla, se despeja de la relación a/c, y
· 74 ·
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con el agua neta calculada anteriormente se procede a su cálculo, quedando para
este caso un contenido de cemento de:
Cemento =
Agua
177.00
=
= 393.33 kg/cm3
Rel a/c
0.45
Para la relación agregado-cemento (P), se necesitan los datos de cantidad de
cemento, relación a/c, densidad del cemento y la densidad de la mezcla de
agregados, se utiliza la siguiente fórmula, quedando de la siguiente manera:
P =
(
1000
c
P =
(
1000
393.33
- rel a/c -
0.45
-
1
Dc
)
X
Dag
=
1
3.15
)
X
2.02
= 3.59
Paso 8.
Conversión de porcentajes a pesos de los agregados. Para convertir los porcentajes
calculados anteriormente a cantidad en peso, se utilizan las siguientes fórmulas,
sustituyendo los datos de los pasos 5 y 7, quedando de la siguiente manera:
=
%g x P x C
100
=
63.64 x 3.59 x 393.33
= 898.56 kg
100
Arena =
%a x P x C
100
=
36.36 x 3.59 x 393.33
= 513.47 kg
100
Grava
Paso 9.
Corrección por humedad. Para este paso es necesario hacer un resumen de las
cantidades de materiales que se requieren para la elaboración de un metro cúbico de
mezcla de concreto, de acuerdo a lo calculado en pasos anteriores se tiene lo
siguiente:
Cemento
=
393.33 kg
Agua
=
177.00 kg
Grava
=
898.56 kg
Arena
=
513.47 kg
· 75 ·
Capítulo III Proporcionamiento de la mezcla de concreto con fibras.
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La corrección por humedad se debe hacer ya que esto determina la resistencia final
del concreto. Como se puede notar en las pruebas anteriores, los agregados poseen
cierto nivel de humedad y capacidad de absorción que al no considerarse provocan
alteraciones en la relación a/c.
La corrección por humedad tiene por el objetivo compensar las cantidades de agua,
entre los agregados (por concepto de absorción y humedad) y el contenido neto de
agua por metro cúbico arrojados por el diseño, con la finalidad de que siempre se
mantenga constante la relación a/c. También es importante el contenido de agua
para determinar la trabajabilidad de la mezcla.
Corrección por humedad para el agregado grueso (grava):
Grava:
Porcentaje de absorción = 11.70 %
Porcentaje de humedad = 5.30 %
Diferencia
Grava corregida = 841.06 kg
Agua absorbida = 57.51 kg
= 6.4 %
Según los datos obtenidos mediante las pruebas descritas anteriormente, se puede
notar que la capacidad de absorción de la grava (11.70%) es mayor que la humedad
(5.30%) que posee, esto significa que la grava absorberá el agua por concepto de
humedad y el (6.4 %) restante lo tomará del agua de mezcla, si se llegara a dar este
caso alteraría la relación a/c afectando la resistencia final.
Para compensar esos 6.4% que absorberá la grava, se procede de la siguiente
manera; se le resta a la cantidad de grava en peso, el 6.4%, así de tener 898.56 kg
pasará a 841.06 kg. La diferencia (57.51 kg) pasa a ser agua para la mezcla, es
decir los 57.51 kg se sumara a los 177.00 kg.
El mismo razonamiento se aplica para compensar el agregado fino (arena), sólo que
en este caso la absorción fue menor que la humedad, por lo tanto, a la arena se le
sumo el porcentaje y al agua se le resto. Quedando de la siguiente forma:
· 76 ·
Capítulo III Proporcionamiento de la mezcla de concreto con fibras.
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Arena:
Porcentaje de absorción = 0.5 %
Arena corregida = 549.41 kg
Porcentaje de humedad = 7.5 %
Agua absorbida = -35.94 kg
Diferencia
= -7.0%
Paso 10.
Determinar las cantidades a utilizar. Hasta este paso ya se ha calculado las
cantidades de los materiales para elaborar un metro cúbico de mezcla de concreto
para una resistencia de 250 kg/cm3, solo queda calcular las cantidades necesarias
para la elaboración de los cilindros.
Cemento
:
393.33 kg
Agua
:
198.57 lt
Grava
:
841.06 kg
Arena
:
549.41 kg
Ahora obtenemos las cantidades en peso para los cilindros que se necesitan.
Tabla 3.3 Cantidades en peso y volumen de los materiales para elaborar 1 y 9 cilindros.
Material
Cemento
Agua
Grava
Arena
Cantidad
(peso)
2.09
1.05
4.46
2.91
1 cilindro
(volumen)
2.09
1.05
2.86
2.14
· 77 ·
9 cilindros
(volumen)
31.3
15.8
42.9
32.1
Capítulo III Proporcionamiento de la mezcla de concreto con fibras.
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3.5 Metodología para la elaboración de los especímenes.
El programa consistió en la elaboración cilindros de 15 cm de diámetro por 30 cm de
alto, manejando una relación constante a/c de 0.45, con tres porcentajes de fibra,
0.00%, 2.00% y 4.00%, a ensayar a 7, 14 y 28 días, se elaboraron por triplicado para
cada condición, con un total de 27 cilindros. La fibra a utilizar fue previamente tratada
con parafina.
Se tomó una muestra (3 kilogramos aprox.) de FBC suficiente para ser tratada con
parafina, la parafina fue adquirida en un negocio de materiales de la localidad. De la
parafina se tomó una cantidad suficiente (2 kilogramos aprox.) que permitiera la
impregnación completa de la muestra. Se derritió la parafina en una cacerola limpia,
luego se sumergió la muestra de FBC por un periodo de 5 minutos, moviendo
constantemente. Para secar la parafina se escurrió el exceso de parafina y se colocó
en una superficie tratando que las fibras no quedasen juntas para evitar que se
formaran aglomeraciones, el secado es a temperatura ambiente. El propósito de
impregnar las FBC con parafina es que no absorban agua de la mezcla, que los
azúcares residuales no afecten el fraguado del cemento y prever la degradación de
las fibras.
Para el colado de los cilindros. Se elaboraron una primera serie de 9 cilindros con las
cantidades obtenidas en el proporcionamiento, estos especímenes servirán de
control.
Para determinar las cantidades de fibra que se van a añadir a las mezclas, se
obtuvieron mediante el porcentaje en relación al peso del agregado grueso, es decir,
para el colado de los especímenes con 2.00% de FBCP, se obtuvo el 2.00% de la
cantidad total de agregado grueso, esa cantidad es la que se va a añadir de FBCP.
Ese mismo peso se le restará a la cantidad total de agregado grueso.
Lo mismo sucede para el caso del 4.00%, quedando de la siguiente manera:
· 78 ·
Capítulo III Proporcionamiento de la mezcla de concreto con fibras.
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Si para un cilindro se necesitan 4.46 kg de grava
2% de fibra equivalen a 0.089 kilogramos y 4.37 kg de grava,
4% de fibra equivalen a 0.178 kilogramos y 4.28 kg de grava.
Los cilindros se colaron en series de 9 debido a las limitaciones de equipo. El colado
se efectuó cumpliendo las normas vigentes, se limpió el área de mezclado, se
humedeció, se pesaron los materiales en una balanza de precisión.
Primero se mezclaron los materiales finos (cemento y arena) hasta que se
homogenizarán, luego se añadió la grava, posteriormente el agua y finalmente la
fibra correspondiente, se mezcló todo.
Se utilizaron moldes metálicos con dimensiones de 15 cm de diámetro y 30 cm de
alto, previamente lubricados con aceite para su fácil desmoldeo, se llenaron en tres
capas iguales, se varilló en cada capa en forma de espiral de afuera hacia dentro con
la varilla punta de bala, penetrando toda la capa y una pulgada aprox. de la capa
subyacente, así también en cada capa se golpeó de abajo hacia arriba, solamente a
la altura de la capa correspondiente. Al final se enraso y no se movió el cilindro de su
posición inicial hasta el siguiente día.
El descimbrado se llevo a cabo a las 24 hrs del colado, se marcaron los cilindros
para su posterior identificación y se llevaron al tanque de almacenamiento, para
cumplir la edad establecida previamente.
· 79 ·
Capítulo III Proporcionamiento de la mezcla de concreto con fibras.
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Figura 3.20 Mezcla de concreto con FBCP.
Figura 3.21 Mezcla de concreto con
FBCP.
Figura 3.22 Homogenización de la
mezcla.
Figura 3.23 Consistencia de la
mezcla.
Figura 3.24 Llenado de cilindros. Golpeo.
Figura 3.25 Golpeo de cilindros con la
varilla punta de bala.
· 80 ·
Capítulo III Proporcionamiento de la mezcla de concreto con fibras.
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Figura 3.26 Llenado de cilindros.
Figura 3.27 Enrasado de los cilindros.
Figura 3.28 Cilindros
colados.
Figura 3.29 Cilindros descimbrados.
Comparación de contenido de fibra.
Figura 3.30 Cilindros en el tanque de
almacenamiento.
· 81 ·
Capítulo IV Resistencia a la compresión del concreto con FBC.
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CAPÍTULO IV RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DEL CONCRETO CON FBC.
FOTO: ESPÉCIMEN EN LA MÁQUINA DE ENSAYE.
Resumen
En este último capítulo se explica de manera general el concepto de resistencia a la
compresión, el ensayo para obtenerla, los modos de falla que se pueden presentar,
su relación con la resistencia a la tensión, el ensayo para obtener esta última y las
maneras de determinarla a partir de f’c, también se describen los factores que
pudieran afectar en un momento dado a los resultados obtenidos de los ensayes.
Después se menciona el proceso al que fueron sometidos todos los especímenes de
concreto con FBC para obtener su resistencia a compresión a siete, catorce y
veintiocho días. Se presentan los resultados a los que se llego con este tipo de
concreto, posteriormente se hace un análisis de las posibles causas que originaron
su comportamiento.
· 82 ·
Capítulo IV Resistencia a la compresión del concreto con FBC.
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4.1 Resistencia a la compresión
La resistencia a la compresión se obtiene mediante la aplicación de carga a un
espécimen, el cual puede ser de tres tipos: cilindros, cubos y prismas. En la mayoría
de los países, incluyendo a México se utilizan los cilindros con una relación de
esbeltez igual a 2, las dimensiones típicas del cilindro son de 15x30 cm.
La resistencia a la compresión no debe considerarse como la propiedad más
importante del concreto endurecido, la durabilidad, impermeabilidad y estabilidad
volumétrica pueden ser más importantes. Sin embargo, por costumbre y facilidad de
control, se ha utilizado esta resistencia, obtenida en laboratorio, como un indicador
de la calidad del concreto considerando que conforme aumenta la resistencia a la
compresión aumenta el valor de las otras propiedades.29
De acuerdo con el Dr. René Muciño Castañeda, los factores que afectan la
resistencia del concreto se clasifican en cuatro categorías:
1. Materiales constituyentes,
2. Métodos de preparación,
3. Condiciones de curado, y
4. Condiciones de ensayo.
La modificación de uno de los materiales constituyentes (cemento, agua, agregado
fino y agregado grueso) afecta a los otros tres para lograr un concreto homogéneo.
La relación a/c afecta directamente la resistencia a la compresión de la mezcla.
Se ha descubierto que existen microgrietas muy finas en la zona de contacto entre el
agregado grueso y la pasta de cemento, antes de que el concreto soporte carga.
Conforme se vaya sometiendo el concreto a una carga, esas microgrietas se
propagan en longitud y en profundidad, influyendo en la resistencia del concreto.
29
Muciño Castañeda, 2003, pág. 89
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Las microgrietas están en función de la adherencia de la pasta con el agregado, la
adherencia depende de la textura, forma y tamaño del agregado. La textura depende
del origen del agregado, puede ser lisa o áspera. Con respecto a la forma, el
agregado angular es poco más resistente que el redondeado.
Los métodos de preparación del concreto consideran que la colocación y
compactación de la mezcla de concreto y las condiciones de curado influyen en el
grado de hidratación de la pasta de cemento.30
Las condiciones de curado también determinan la resistencia a la compresión,
cuando una mezcla se hidrata en forma lenta muestra mayor resistencia que los
hidratados con mayor rapidez. Siempre y cuando los otros factores que intervienen
se mantengan constantes.
El curado tiene por objetivo evitar la pérdida de humedad y controlar la temperatura
del concreto hasta que alcance la resistencia deseada. El método de curado
depende del tipo de estructura de concreto y de la temperatura ambiente.
En el caso de pavimentos en condiciones climáticas buenas el curado puede llevarse
a cabo mediante encharcamiento o por inmersión; otras estructuras pueden curarse
por rociado o por neblinado, o por medio de cubiertas saturadas de agua que
conservan la humedad, como yute y algodón. Otros métodos de curado se logran
sellando la superficie con aplicación de papel de curado a prueba de agua, hojas de
polietileno o compuestos de curado que forman una membrana. Cuando la
temperatura de ambiente es baja, el concreto debe protegerse del congelamiento
aplicándole cubiertas aislantes.31
La velocidad de aplicación de la carga a los especímenes interviene en la resistencia
a compresión. Conforme se va aumentando la velocidad de aplicación de carga
aumenta de igual manera la resistencia a la compresión. Cuando la carga se aplica
30
31
Muciño Castañeda, 2003, pág. 89
Paulo & Kumar Mehta, 1998, pág. 229
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durante poco tiempo, el concreto muestra un comportamiento no lineal y presenta
propagación de microgrietas al 40 por ciento de su resistencia última. Las
microgrietas se inician en la zona de adherencia agregado-pasta y se propagan en
la pasta. Cuando se aplica la carga lentamente el concreto sufre flujo plástico, o
deformación a esfuerzo constante; el microagrietamiento, en este caso, se inicia al
60 por ciento de la resistencia última. Por lo anterior, la resistencia y deformación del
concreto dependen del tiempo.32
La resistencia de un material se define como la capacidad de soportar esfuerzos sin
fallar. Las fallas son identificables mediante la aparición de grietas internas o
externas. En las pruebas de tensión la resistencia máxima se logra cuando el
espécimen se fractura, mientras que en las pruebas de compresión no es necesario
que las fallas sean visibles sino que el espécimen sea incapaz de soportar una carga
mayor sin fracturarse.
Como se ha mencionado con anterioridad, las pruebas para medir las resistencias a
la tensión y a la flexión del concreto resultan complicadas, por lo que se han
establecido correlaciones para ser calculadas a partir de la resistencia a compresión.
Generalmente las resistencias a la tensión y flexión varían en un 10 y 15 por ciento
respectivamente de la resistencia a la compresión.
4.1.1 Modos de falla
Los modos de falla que se pueden presentar en un concreto varían de acuerdo al tipo
de esfuerzo, y a que los agregados gruesos usados son de diferente tamaño,
porosidad, densidad, forma y textura. Estas características de los agregados junto
con la relación a/c determinan la porosidad del concreto. Las microgrietas que
existen en la zona de transición entre la matriz y el agregado grueso, bajo la
aplicación de una carga llega un momento en que se intercomunican provocando la
32
Muciño Castañeda, 2003, pág. 5
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expansión de la microgrieta llegando a la falla en la superficie del espécimen, que por
lo general la falla esta de 20 a 30º de la dirección de la carga.
4.1.2 Factores que afectan la resistencia a la compresión
Los factores que afectan la resistencia a la compresión son varios y se puede
presentar un efecto combinado de ellos. Las propiedades y las proporciones de los
materiales que forman la mezcla de concreto, el grado de compactación y las
condiciones de curado son algunos de los más importantes.
Sin lugar a duda el factor prioritario es la relación entre la relación a/c y la porosidad,
ya que afecta la porosidad tanto de la matriz de la pasta de cemento como de la zona
de transición entre la matriz y el agregado grueso. Paulo & Kumar Mehta (1998)
clasifican a los factores en:
o Características y proporciones de los materiales,
o Condiciones de curado y,
o Parámetros de prueba.
Las características y proporciones de los materiales
Los materiales varían de una zona a otra, por consiguiente las propiedades y
características también. La mayoría de las proporciones que se recomiendan por
distintas fuentes difieren con la realidad, sin embargo sirven como parámetros para el
trabajo realizado.
Ya se ha mencionado como la relación a/c y el grado de hidratación afecta la
porosidad del concreto y en consecuencia su resistencia final.
En cuanto al tipo de cemento usado para la elaboración de cualquier mezcla, la
hidratación no se lleva a cabo del mismo modo, un cemento portland tipo III se
hidrata más rápidamente que un cemento portland tipo I.
· 86 ·
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El efecto que tiene el agregado en la resistencia final de un concreto, según la
literatura publicada, en la mayoría de los casos no representa un factor de
importancia, sin embargo, algunos de ellos afirman que la forma, textura de la
superficie, la granulometría y tipo de mineral afectan la zona de transición con la
matriz de cemento y por lo tanto en la resistencia final.
Los espacios entre los agregados varían de acuerdo el tamaño del mismo, en los
agregados de mayor tamaño hay más microgrietas que en los de tamaño menor,
esto se traduce en que a mayor porosidad es más débil la zona de transición.
La consistencia influye en la resistencia final del concreto, en las mezclas con
agregados de mayor tamaño se requiere menos cantidad de agua en comparación
que una mezcla con agregados de menor tamaño.
El agua tiene dos funciones, proporcionar a la mezcla un grado de trabajabilidad, a la
cual se le denomina agua de mezclado, y la parte que actúa con el cemento la cual
se llama agua de reacción. Generalmente el agua utilizada en las mezclas es agua
potable, rara vez se utiliza agua contaminada, por lo que no es un factor que afecte
la resistencia final del concreto.
Condiciones de curado
Ya se mencionó el objetivo del curado, evitar la pérdida de humedad y controlar la
temperatura del concreto hasta que alcance la resistencia deseada. Para un curado
adecuado se tienen que tomar en consideración el tiempo, humedad y la
temperatura.
En condiciones normales cuanto más sea el periodo de curado, mayor será la
resistencia alcanzada.
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Después del colado de una estructura de concreto se comienza con el proceso de
secado, si el concreto no se encuentra en condiciones de humedad ideales, la
retracción por secado provoca que las microgrietas sean más débiles causando una
disminución en la resistencia. Se recomienda un periodo mínimo de siete días de
curado para un concreto que contiene cemento portland normal.
A mayor temperatura al momento del colado y curado, menor será la resistencia
última.
Parámetros de prueba
Como parámetros de prueba se pueden señalar a los parámetros que tienen que ver
con las características de los especímenes y a los parámetros de carga respecto al
nivel y duración del esfuerzo, y la velocidad a la cual se aplica el esfuerzo.
Los parámetros de los especímenes se refieren a la geometría de los moldes y a las
condiciones de humedad. Los moldes comunes tienen forma cilíndrica, las medidas
estándar de los moldes para pruebas a compresión son de 15 cm de diámetro por 30
cm de alto, se utilizan otros tamaños de moldes pero según pruebas realizadas los
moldes con relación longitud/diámetro igual a 2 y con un diámetro menor de 45 cms.
son los más adecuados. En Europa se utilizan los cubos que varían entre 10 y 30 cm
de lado, para las pruebas a la compresión. También se pueden utilizar los prismas
de concreto simple, ensayados con la dirección de la carga paralela al eje
longitudinal del prisma.
Las condiciones de curado influyen la resistencia a la compresión de un espécimen.
El proceso de curado esta especificado en las normas, para pruebas de compresión
se sugiere que el espécimen se encuentre curado. Hay dos criterios de curado: el
curado de laboratorio en donde la temperatura y la humedad se mantienen dentro de
ciertos límites, y el curado en el cual los especímenes se someten al mismo tipo de
condiciones ambientales a los que estará expuesto.
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El nivel y duración de aplicación de carga afectan de la manera siguiente, cuando la
carga es menor que f’c última, la duración para que ocurra la falla es larga, si es
cercano que f’c, la falla se puede presentar inmediatamente. Con respecto a la
velocidad de aplicación, a alta velocidad de aplicación mayor es el valor de la
resistencia, la velocidad recomendada es de 2.46 kg/seg33. Otro aspecto a considerar
son las cargas cíclicas o repetidas, la cuales disminuyen el módulo de elasticidad del
concreto, aumentando en longitud y profundidad las microgrietas.
4.1.3 Relación entre las resistencias a la compresión-tensión y compresiónflexión.
Se ha mencionado que la resistencia a la compresión es un parámetro para medir
otras resistencias. Las pruebas para tensión y flexión son complicadas por lo que se
establecieron una relación entre ellas y la resistencia a la compresión.
La resistencia a la flexión se expresa como el módulo de ruptura de un concreto y
tiene por objetivo medir la resistencia a la falla por momento de una viga o losa de
concreto no reforzada.
Cuando
se
tienen
resistencias
a
la
compresión
altas,
la
relación
de
tensión/compresión es baja.
Prueba de resistencia a la ruptura por flexión
El módulo de ruptura (MR) se determina mediante las pruebas ASTM C78 (cargada
en los puntos tercios) ó ASTM C293 (cargada en el punto medio).
Para la realización de esta prueba se utiliza una viga con una sección transversal de
7.6 cm y 38 cm de largo, la cual se somete a repeticiones de carga flexionante. La
33
Paulo & Kumar Mehta, 1998, pág. 47
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carga normalmente se aplica a los tercios medios de la probeta, a una velocidad de 1
a 2 cargas por segundo y una duración de 0.1 seg.34
Figura 4.1 Diagrama de prueba de flexión del concreto utilizando el método de carga en el tercio
medio (ASTM C-78)
Fuente: Garnica Anguas & Gómez López, 2002, pág. 179
Para el espécimen de prueba de concreto ensayado como se muestra en la Figura
4.1, la resistencia máxima a la flexión (módulo de ruptura) se calcula con la fórmula
para la flexión de la viga simple con carga en el tercio medio:
R=
PL
2
bd
Ecuación 4.1
Donde:
R = Resistencia a la flexión, MPa
P = Carga máxima aplicada, MPa
L = Distancia entre los apoyos del espécimen, mm
b = Ancho del espécimen, mm
d = Altura del espécimen, mm
34
Garnica Anguas & Gómez López, 2002
· 90 ·
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La ecuación 4.1 sólo se ocupa cuando el espécimen se rompe entre los dos puntos
interiores de carga (tercio medio de la viga). Si la viga falla fuera de estos puntos por
no más de 5% de la distancia entre los apoyos (L), la ecuación se remplaza por:
R =
3P a
2
bd
Ecuación 4.2
Donde:
a = Distancia promedio entre el punto de fractura y el apoyo más cercano
Si la falla ocurre más cerca de los apoyos, los resultados deben ser desechados.
Aunque el concreto tiene una relación esfuerzo-deformación no lineal, la ecuación
4.2 asume una relación lineal. El estado esfuerzo-deformación lineal asumido es
verdadero para el tercio medio del espécimen de la prueba. Sin embargo, la
diferencia entre el esfuerzo actual y el asumido se incrementa exponencialmente
para esfuerzos medidos fuera del tercio medio del espécimen y alrededor de los
extremos de los apoyos. Los especímenes que se fracturan fuera del tercio medio de
la viga producirán, por lo tanto, resultados erróneos en las pruebas.35
Prueba de resistencia a la ruptura por tensión
La prueba de ruptura por tensión es llevada a cabo sobre un cilindro estándar
ensayado sobre su costado en compresión diametral como se muestra en la Figura
4.2, utilizando el procedimiento de prueba ASTM C-496 (ASTM, 1997). Una carga es
aplicada al espécimen con un índice de 690 a 1380 kPa/min hasta que falla el
espécimen. El elemento de concreto sobre el diámetro vertical está sujeto a
esfuerzos de compresión vertical y de tensión horizontal. El esfuerzo de tensión
horizontal para que ocurra la falla, el cual es la resistencia a la tensión, se calcula de
la siguiente manera36:
ft =
35
36
2P
πLD
Ecuación 4.3
Garnica Anguas & Gómez López, 2002, pág. 179
Ibíd. pág. 180
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Donde:
ft = Resistencia a la tensión, kPa
P = Carga aplicada a compresión, N
L = Longitud del cilindro, mm
D = Diámetro del cilindro, mm
La resistencia a la tensión medida en pruebas de ruptura a la tensión tiende a ser
menor que aquella medida en la resistencia a la flexión- carga en el tercer punto. La
relación entre las dos oscila típicamente de 0.6 a 0.737.
Figura 4.2 Prueba de resistencia a la ruptura por tensión mostrando el cilindro ensayado sobre su
costado en compresión diametral.
Fuente: Garnica Anguas & Gómez López, 2002
37
Ibíd.
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Conversión de información de resistencia a la compresión del concreto en resistencia
a la flexión
Varios investigadores han desarrollados una correlación para obtener la resistencia a
la flexión a partir de la resistencia de compresión. Las fórmulas son convenientes
cuando las características y propiedades de los componentes, tipo de agregado
granular, contenido de aire y el curado son similares a los utilizados en las mezclas
para la cual se desea conocer la resistencia a flexión. La fórmula de la PCA se usa
comúnmente por muchas agencias. La tabla 4.1 muestra algunas fórmulas utilizadas
por varias fuentes.
Tabla 4.1 Modelos para relacionar la resistencia a la compresión con la flexión.
Fuente: Garnica Anguas & Gómez López, 2002.
Fórmula
fr = 9.50
fr = 0.62
fr = 8.30
Fuente
(esfuerzo en psi)
Modelo de la PCA
(esfuerzo en MPa)
ACI
(esfuerzo en psi)
Teychenne
fr = 0.30 (f’c)0.66 (esfuerzo en MPa)
Comité Europeen du Beton
fr = k2 (f’c)k1 (k2 oscila de 3 a 6, k1 de 0.3 a
0.8, esfuerzo en psi)
fr = 8.3/(4 + 12000/f’c) (esfuerzo en psi)
fr
f’c
Neville
Sozen, et al.
resistencia a la flexión del concreto en MPa o psi y
resistencia a la compresión.
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4.2 Ensaye de los cilindros
Para dar mayor veracidad en los resultados, todos los cilindros se ensayaron en el
laboratorio de materiales de la planta de CEMEX ubicada en el municipio de
Banderilla, Veracruz.
El laboratorio cuenta con una Prensa marca ELE internacional, el procedimiento que
se efectuó para el ensaye de cada cilindro fue el siguiente; un día antes de la fecha
de ensaye se trasladaron los cilindros a la planta en el menor tiempo posible,
tratando de que no se perdiera el estado húmedo. Llegando al sitio de ensaye se
colocaban en el tanque de almacenamiento mientras se cumplía la fecha de ensaye.
La cámara de curado contenía cal para quitar la grasa que aun tenían los
especímenes en la superficie debido al desmolde.
Los cilindros se retiraron del tanque de almacenamiento para ser ensayados, se
cabecearon con un tipo de azufre certificado color café, luego se dejó secar el azufre
por un lapso de una hora para permitir la buena adherencia, mientras transcurría ese
lapso, los cilindros fueron cubiertos con una franela húmeda.
Una vez transcurrido la hora, se colocaron en la base de la prensa, y se comenzó a
aplicar carga, cuidando en todo momento la velocidad de aplicación. El Ingeniero a
cargo del laboratorio afirmó que no es necesario aplicar la carga hasta que se
observe una grieta, se dice que llego hasta su límite cuando las agujas ya no
avancen y se mantengan en la misma posición por un periodo de cinco segundos.
Esto se debe a que en el interior del espécimen ya se formaron grietas, es decir, el
espécimen ya falló, sin embargo para ilustrar el comportamiento del espécimen se
dejo en algunos casos, seguir la carga hasta que se observara con más detalle las
grietas aunque esto no se recomienda debido a que daña el funcionamiento de la
prensa.
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Después del ensaye, se desecharon los cilindros. Este procedimiento se llevó a cabo
con todos los cilindros, tomándose un registro de las resistencias obtenidas.
A continuación se muestran algunas imágenes del cabeceado y de los ensayes:
(a)
(b)
Figura 4.3 (a) Preparación de los cilindros para cabecear.
(b) Cabeceo de cilindros
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Figura 4.4 Cilindro en el momento de aplicación
de la carga.
Figura 4.5 Cilindro después de la aplicación de
la carga.
(a)
(b)
Figura 4.6 Fallas en espécimen.
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4.3 Análisis de los resultados
Aún cuando se sigan las especificaciones cuidadosamente y el proceso lo realicen
operadores experimentados, los resultados que se obtengan no serán uniformes.
Siempre existirá dispersión en los datos, como en cualquier proceso de medición.
Estas dispersiones pueden ser inherentes al tipo de ensaye, por errores accidentales
o porque no hubo uniformidad en el material ensayado.38
El programa consistió en la elaboración de 3 especímenes para cada tipo de mezcla,
con un total de 27 especímenes a ensayar. A continuación se muestran los
resultados registrados en los ensayos a compresión de cada cilindro.
Para la mezcla sin adición de fibras con la misma relación a/c se obtuvieron los datos
registrados en la tabla 4.2, esta tabla muestra los resultados de los 3 especímenes
ensayados a 7, 14 y 28 días, los datos fueron ordenados de mayor a menor para
cada edad. Estos datos servirán para comparar los resultados de los especímenes
con contenido de 2.00 y 4.00% de FBC. Como es de esperarse las resistencias en
los 3 especímenes sufren un aumento conforme aumenta la edad de curado.
2
Contenido
de fibra (%)
0.00 %
38
Espécimen
Tabla 4.2 Resistencias obtenidas (kg/cm ) en los ensayes a compresión de los especímenes sin
ningún contenido de fibras.
Edad (días)
7
14
28
1
346.22 380.84 398.16
2
324.29 373.92 367.00
3
310.45 355.45 356.61
González Cuevas & Robles Fernández, 2006
· 97 ·
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La tabla 4.3 muestra los datos que se obtuvieron en los especímenes con contenido
del 2.00% de fibras. De la misma manera, que en los resultados anteriores, se puede
ver claramente el aumento de resistencia conforme aumenta la edad de curado.
2
Contenido
de fibra (%)
2.00 %
Espécimen
Tabla 4.3 Resistencias obtenidas (kg/cm ) en los ensayes a compresión de los especímenes con
2.00% contenido de fibras.
Edad (días)
7
14
28
1
335.84 334.68 365.84
2
333.53 312.75 364.69
3
270.05 309.29 336.99
La tabla 4.4 muestra los datos que se obtuvieron en los especímenes con contenido
del 4.00% de fibras. En esta tabla se ve un mayor aumento en las resistencias en
comparación con los especímenes elaborados con 2.00% de contenido de fibras.
2
Contenido
de fibra (%)
4.00 %
Espécimen
Tabla 4.4 Resistencias obtenidas (kg/cm ) en los ensayes a compresión de los especímenes con
4.00% contenido de fibras.
Edad (días)
7
14
28
1
330.06 345.07 375.07
2
316.22 345.07 370.45
3
297.79 336.99 364.68
Para un mejor análisis en la tabla 4.5 se muestran las resistencias promedio de los 3
especímenes obtenidas de los ensayes a compresión de las mezclas con diferente
contenido de fibra y a distinta edad.
· 98 ·
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2
Tabla 4.5 Resistencias promedio obtenidas (kg/cm ) en los ensayes a compresión de los
especímenes, con diferentes contenidos de fibra tratada con parafina.
Edad (días)
Contenido
de fibra (%)
7
14
28
0.00 %
326.99
370.07
373.92
2.00 %
313.14
318.91
355.84
4.00 %
314.69
342.37
370.07
Se puede ver claramente como los resultados en las mezclas reforzadas con 4.00%
de fibra arrojaron las resistencias más elevadas. A los 7 días de curado las
resistencias promedio no variaron mucho, sin embargo a los 14 días el aumento es
mayor en la mezcla sin contenido de fibras, mientras que la mezcla con 4.00% de
fibras presenta un considerable aumento, en la mezcla con 2.00% la variación es
muy pobre. A los 28 días de curado la mezcla testigo siguió aumentando aunque
ligeramente en comparación a la registrada a los 14 días, la mezcla con contenido de
4.00% logró acercarse a la resistencia del testigo a esa misma edad, pero no fue el
caso de la mezcla con 2.00% la cual si aumento pero no con la misma intensidad que
la del 4.00%
Además de la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión también es un
índice de la calidad de un concreto, esta resistencia es útil para el diseño de losas de
pavimento. Para dar una idea acerca de las resistencias a flexión. A continuación se
obtendrán a partir de los resultados anteriores.
· 99 ·
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Resistencia a la flexión utilizando la fórmula de ACI.
Tabla 4.6 Resistencias a flexión sacadas con la fórmula de ACI a partir de las resistencias a
compresión de la tabla 4.5 a 28 días.
Contenido
de fibra (%)
f’c
kg/cm2
f’c
MPa
MPa (kg/cm2)
0.00 %
373.92
36.66
3.75 (38.25)
2.00 %
355.84
34.89
3.66 (37.33)
4.00 %
370.07
36.28
3.73 (38.05)
Aparte de las resistencias a compresión y flexión, otra variable a considerar en este
trabajo es la variación de los pesos en los especímenes, por lo que, a continuación
se muestran los pesos de los especímenes medidos antes de su ensayo, en el
mismo laboratorio, equipo proporcionado por la empresa CEMEX.
Tabla 4.7 Tabla con los pesos de los especímenes en kilogramos.
Edad (días)
Contenido
7
de fibra (%)
14
28
1
2
3
1
2
3
1
2
3
0.00 %
9.38
9.42
9.67
9.40
9.35
9.60
9.29
9.45
9.80
2.00 %
9.34
9.27
9.29
9.41
9.35
9.34
9.35
9.54
9.30
4.00 %
9.25
9.19
9.25
9.50
9.26
9.22
9.40
9.46
9.30
En esta tabla se puede observar como los pesos no varían considerablemente, el
tratamiento con la parafina no permitió la absorción de humedad a las fibras por lo
que no hubo un incremento en su peso, aunado a esto, el porcentaje de fibras es
muy poco comparado con el volumen total del espécimen.
· 100 ·
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4.4 Gráficas
Para un mejor detalle de los resultados obtenidos se presentan una serie de gráficas
que muestran los resultados obtenidos con los diferentes porcentajes de
adicionamiento de fibras.
Gráficamente se observa como la mezcla testigo alcanza la mayor resistencia a los
28 días, seguida de ella la mezcla con el 4.00% contenido de fibras representada por
la línea negra aumenta linealmente, también es claro el bajo incremento que
experimenta la mezcla con el 2.00% de fibras, representada en la gráfica por una
línea azul.
Gráfica 4.1 Resistencias promedio obtenidas en los ensayes.
· 101 ·
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La variación en los pesos con respecto a los cilindros testigos es alrededor de 200
gramos, y en relación al peso total de la mayoría de los cilindros es mínimo, por lo
que no se puede afirmar que existe una disminución en los pesos por la adición de
fibras, al menos no a esta escala y con los contenidos de fibras trabajos en esta
investigación.
Es notable como los cilindros con 2.00% resultaron más pesados que los elaborados
con una mezcla de 4.00%, y esto puede ser real, sin embargo por el tamaño de las
muestras y la forma de colado, la uniformidad en los agregados no se presenta de la
misma manera en todos los especímenes, por lo anterior se considera la variación en
los pesos como no trascedente en este trabajo.
Gráfica 4.2 Pesos promedio de los cilindros ensayados.
· 102 ·
Conclusiones del Trabajo
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CONCLUSIONES DEL TRABAJO
De acuerdo a los resultados obtenidos las características y propiedades de las FBC
son ideales para contribuir de manera positiva en el comportamiento mecánico de un
concreto simple reforzado con ellas. La flexibilidad y resistencia de las fibras son
importantes, ya que disminuyen la propagación de las grietas que se forman en el
concreto cuando se somete a grandes esfuerzos. Estas fibras ayudaron a que el
elemento de concreto se mantuviera unido al formarse puentes entre cada grieta.
El tratamiento de las FBC con parafina evitó que éstas absorbieran una cantidad de
agua considerable de la mezcla de concreto, de esta manera se cuidó durante todo
el proceso la relación a/c; y por otro lado, se protegió el cemento de una posible
afectación en el fraguado que pudieran originar los azúcares residuales de las FBC.
Además, el tratamiento con parafina no representa un peligro por su uso, los costos
no soy altos comparados con otros materiales que también sirven para preservar la
materia orgánica, y su manejo no requiere equipo especial. Por todo lo anterior este
tratamiento se considera adecuado para la preservación de las FBC.
El concreto presentó resistencias altas en las mezclas con un contenido de fibra del
4.00%, en las cuales casi se alcanzó la misma resistencia que el espécimen que
sirvió de control, con una variación del 1% a los 28 días. Con el 2.00% las
resistencias también aumentaron, sin embargo, no lo hicieron con el mismo
incremento que la mezcla con el 4.00% de FBC, terminando con una variación del
4.8% con respecto a la resistencia a los 28 días del espécimen de control. La
explicación del porqué con más contenido de fibra (4.00%) logró alcanzar valores
altos en los ensayes a compresión, similares a la mezcla que no contenía FBC, y
porque con el 2.00% las resistencias obtenidas fueron por debajo de las dos
anteriores, es porque: el contenido de 2.00% de FBC no fue suficiente y solo permitió
que las grietas se propagarán con mayor libertad, es decir, las mismas fibras
formaron el trayecto de la grieta facilitando su ruptura; y con el 4.00% el trabajo en
conjunto de las fibras fue favorable para soportar las cargas, evitando la ruptura.
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Conclusiones del Trabajo
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Los pesos más bajos que se registraron fueron en las mezclas con el contenido de
FBC (2.00 y 4.00%), tal como se esperaba, sin embargo la variación en el peso de
los especímenes es mínimo comparados con los pesos de los especímenes de
sirvieron de control, alrededor de los 100 ó 200 gramos, esto se debe a que el
volumen de las fibras en comparación con el volumen total es poca, además de que
la uniformidad de los agregados no fue la misma en todos los especímenes, aunado
a lo anterior, la parafina no permitió la absorción de agua en las fibras, lo que indica
que el tratamiento con la parafina tuvo una buena funcionalidad.
Se llegó a resultados satisfactorios, la mejor mezcla se logró con el 4.00% de FBC
previamente tratada con una capa de parafina, la cual alcanzó una resistencia similar
a la de un concreto simple utilizando agregados de las mismas características, con la
misma relación a/c, las mismas condiciones de trabajo, curado y ensaye.
El empleo de este tipo de concreto se recomienda para estructuras de poca
exigencia estructural, como los son bardas de colindancia, firmes de poco tránsito,
muros divisorios en viviendas y banquetas de calles con poco transito, se debe evitar
cualquier contacto directo con la humedad.
En este trabajo se logró cumplir con un objetivo, encontrar materiales de
construcción de buena calidad y utilizando recursos naturales aprovechables con los
cuales se dispone en esta región de Veracruz, la mezcla de concreto con 4.00%
contenido de FBC alcanzó una gran resistencia y el peso fue ligeramente disminuido.
El tratamiento con parafina puede funcionar como un preservador de la materia
orgánica. Este trabajo es el resultado de una búsqueda de alternativas para la
utilización de recursos naturales y obtener productos orgánicos, aplicando el
concepto de desarrollo sostenible.
Durante el proceso de este trabajo se pusieron a prueba algunos conocimientos
adquiridos durante la carrera; como el procedimiento de las pruebas que se realizan
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Conclusiones del Trabajo
Universidad Veracruzana
Facultad de Ingeniería Civil
a los agregados, tanto gruesos como finos, para obtener datos y así, realizar el
proporcionamiento de los materiales. Poner en práctica el criterio desarrollado para
presentar de manera técnica resultados, realizar los análisis correspondientes, y
buscar las explicaciones de las posibles causas que originan un suceso, de manera
que se traten de cumplir con los objetivos establecidos al inicio del trabajo. También
se formó un hábito de lectura con el propósito de desarrollar un trabajo fuertemente
fundamentado y que sea de utilidad.
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Recomendaciones
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RECOMENDACIONES
El 2.00% de contenido de FBC ha dado buenos resultados en investigaciones
anteriores, sin embargo en este trabajo el porcentaje que resultó con mejores
resultados fue el de 4.00%. Se podrían trabajar en investigaciones futuras más
variantes en los porcentajes.
El tratamiento con parafina resultó adecuado, la mezcla no necesitó de agua
adicional por concepto de absorción por parte de la FBC. Sin embargo, por las
características de la parafina se puede considerar que la superficie de transición con
el concreto es lisa, lo cual provocaría que las microgrietas se propagaran con más
velocidad. Aunado a esto la trabajabilidad del concreto se reduce con el incremento
en el contenido de fibras. Intentar con otros materiales para la preservación de las
fibras resulta una buena opción.
Para que una investigación sea veraz, confiable y que aporte a su entorno, social y
ambiental, debe efectuarse con el equipo y materiales adecuados de tal manera que
la realización de las pruebas contribuya con los objetivos establecidos. Las técnicas
para la obtención de las propiedades de los agregados deben efectuarse de la
manera correcta, se recomienda llevar una bitácora de las prácticas realizadas
anotando todos los factores que pudieran afectar los resultados finales.
Los métodos para el cálculo del proporcionamiento de una mezcla de concreto varían
de una a otra fuente, los resultados llegados en la mayoría de los casos coinciden,
sin embargo, cuando no sucede esto, la experiencia se pone en práctica y aquí es
donde queda el criterio de cada ingeniero, de cual método emplear. Se pueden tomar
como parámetros otros proporcionamientos hechos con los mismos materiales y en
las mismas condiciones de trabajo.
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Glosario
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GLOSARIO
Curado del concreto. Proceso que se inicia después del colado de una pieza y
consiste en conservar en condiciones de máxima humedad al concreto durante el
tiempo inicial del fraguado para favorecer la evolución de su resistencia y de su
durabilidad.
Elastómeros. Son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico, es
decir, se deforman al someterlos a una fuerza pero recuperan su forma inicial al
suprimir la fuerza.
Esquistos. Constituyen un grupo de rocas metamórficas de grado medio, notables
principalmente por la preponderancia de minerales laminares tales como la mica, la
clorita, el talco, la hornablenda, grafito y otros.
Euforbiácea. Se dice de las plantas angiospermas dicotiledóneas, hierbas, arbustos
o árboles, muchas de las cuales tienen abundante látex, con frecuencia venenoso,
flores unisexuales y frutos secos dehiscentes; p. ej., la lechetrezna y el ricino.
Fraguado del concreto. Por fraguado del concreto se entiende el instante en que la
viscosidad aumenta bruscamente.
Humedad relativa. Es la relación entre la cantidad de agua presente en la atmosfera
y la cantidad necesaria para la saturación, referido todo a una misma temperatura.
Se expresa en porcentaje.
Isoparafinas. Parafinas que entre ellas su estructura molecular interna es igual.
Micrografías. Imagen de un objeto obtenida con el microscopio. Descripción e
interpretación de los objetos vistos con el microscopio.
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Glosario
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Petrolatos. Son grasas con base de petróleo igual que los aceites minerales.
Presión osmótica. Mínima presión necesaria para impedir el paso de las moléculas
del disolvente puro hacia una disolución a través de una membrana semipermeable.
Revenimiento. Prueba que se realiza al concreto fresco, con el fin de determinar la
trabajabilidad del mismo.
Sangrado. Característica de las mezclas de concreto húmedo, se define como un
fenómeno cuya manifestación externa es la aparición de agua en la superficie
después de que el concreto ha sido colocado y compactado, pero antes de que
fragüe (es decir, cuando la sedimentación no podrá ya tener lugar). (Paulo & Kumar
Mehta, 1998)
Segregación. Se define como la separación de los componentes del concreto fresco
de manera que no queden uniformemente distribuidos. Hay dos clases de
segregación. La primera, que es característica de las mezclas de concreto seco,
consiste en la separación del mortero del cuerpo del concreto (por ejemplo, debido a
la sobrevibración). El sangrado es el segundo caso. (Paulo & Kumar Mehta, 1998)
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Símbolos y Abreviaturas
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SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
ASTM
American Society for Testing and Materials.
ACI
American Concrete Institute
C
Cantidad de cemento.
CEMEX
Cementos Mexicanos.
CRF
Concreto reforzado con fibras.
CRFN
Concreto reforzado con fibras naturales.
Dag
Densidad de la mezcla de agregados.
Dr
Densidad relativa
FBC
Fibras de bagazo de caña.
FBCP
Fibras de bagazo de caña con parafina.
f’c
Resistencia a la compresión.
f’r
Resistencia a la tensión por flexión.
Kgf
Kilogramos-fuerza.
MF
Módulo de finura.
MPa
Megapascal, 10.2 kgf/cm2.
MR
Módulo de ruptura.
P
Relación agregado-cemento.
PCA
Portland Cement Association.
PVSS
Peso volumétrico seco suelto.
PVSC
Peso volumétrico seco compacto.
T
Peso de la tara T+Sh
T + Ah
Peso de la tara con arena húmeda.
T + A´s
Peso de la tara con arena en estado seco.
T+Sh
Peso de la tara con el material húmedo.
T + S’s
Peso de la tara con el material seco.
Vdes
Volumen desalojado.
Wh
Peso húmedo.
Wmwa
Peso del matraz, con arena y agua.
Wmw
Peso del matraz, con agua.
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Símbolos y Abreviaturas
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Ws
Peso del material sumergido
Wsss
Peso saturado superficialmente seco.
Ws
Peso seco.
γw
Peso especifico del agua.
a/c
Relación agua-cemento
g/a
Relación grava-arena
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Apéndice
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APÉNDICE
Gráfica A.1 Curvas de Abrams
Fuente: Apuntes de Exploración y Comportamiento de Suelos.
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Apéndice
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Gráfica A.2 Proporcionamiento de mezclas de concreto por el método de Curvas y Nomogramas.
Fuente: Apuntes de Exploración y Comportamiento de Suelos.
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Bibliografía
Universidad Veracruzana
Facultad de Ingeniería Civil
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