Fibra de caña de azúcar en el concreto simple para veredas y pavimento rígido by Gusstock Concha, Adolfo Gustavo Concha Flores

Fibra de caña de azúcar en el concreto simple para veredas y pavimento rígido Simple cane sugar fiber for sidewalks and rigid pavement Bustamante Huayta R1, Palacios Inga J.2 y Rodríguez Marin CH.2 1

Universidad Continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Industrial 2 Universidad Continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Civil 2 Universidad Continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Civil Avenida San Carlos N.-1980, Urbanización San Antonio, Huancayo - Perú Email: 177335076@continental.edu.pe 2 71490225@continental.edu.pe 2 72525556@continental.edu.pe

Resumen

Abstract

Esta investigación pretende profundizar en la utilización mecánica de las fibras vegetales “fibra de caña de azúcar” como parte de la estructura del concreto convencional, tales como: pavimentos y veredas. El concreto es uno de los materiales con mayor utilización en la industria de la construcción. Para su elaboración se requiere principalmente de materiales naturales no renovables extraídos del suelo y de las corrientes superficiales de los ríos, así como también de cemento y agua. La incorporación de fibras al concreto ha proporcionado un comportamiento dúctil a los elementos de construcción diseñados para esfuerzos a flexión, compresión y retracción. Las fibras naturales representan un recurso renovable continuo y con grandes cantidades de masas. Desde la antigüedad, el uso de las fibras naturales, eran empleadas para reforzar materiales en las construcciones. Por ejemplo, la paja era usada como refuerzo en la fabricación de adobe de arcilla para contrarrestar la tensión por el secado y reducir el agrietamiento. La ventaja de la incorporación de las fibras naturales en los concreto, se evidencia en el incremento de la tenacidad y de la resistencia al impacto; en estado fresco, permite controlar la contracción plástica en el periodo de fraguado. Como referencia adicional la incorporación de fibra al concreto controla la aparición de fisuras durante el tiempo de vida útil del elemento y ofrece mayor resistencia a la fatiga.

This research aims to deepen the mechanical use of vegetable fibers "sugarcane fiber" as part of the structure of conventional concrete, such as pavements and sidewalks. Concrete is one of the most widely used materials in the construction industry. For its elaboration it is mainly required of non-renewable natural materials extracted from the soil and the surface currents of the rivers, as well as cement and water. The incorporation of fibers into concrete has provided ductile behavior to construction elements designed for bending, compression and retraction efforts. Natural fibers represent a continuous renewable resource with large amounts of masses. Since ancient times, the use of natural fibers, were used to reinforce materials in buildings. For example, straw was used as a reinforcement in the manufacture of clay adobe to counteract the stress by drying and reduce cracking. The advantage of incorporating natural fibers in concrete is evidenced by the increase in toughness and impact resistance; In the fresh state, it allows to control the plastic contraction during the setting period. As an additional reference, the incorporation of fiber into concrete controls the appearance of cracks during the life of the element and offers greater resistance to fatigue.

Palabras clave: fibras de bagazo de caña de azúcar, vías de construcción, concreto sostenible.

Keywords: sugarcane bagasse fibers, construction roads, sustainable concrete.

Introducción Hace poco menos de 50 años, el asbesto comenzó a ser utilizado en muchos países. La industria de la construcción usó a gran escala las fibras minerales de asbesto en una matriz de cemento (Studinka, 1989). Sin embargo, debido a diversas investigaciones sobre las fibras de asbesto, en las cuales se evidencian efectos adversos sobre la salud humana (Luis et al., 2009), se iniciaron búsquedas para el reemplazo de este compuesto mineral, estos sustitutos debían de proporcionar las mismas propiedades positivos del asbesto al estar incorporado con el concreto, y mejorar el mercado comercial con la calidad, sostenibilidad y el precio (Juárez, Valdez, & Durán, 2004). Las fibras de acero, de vidrio y más recientemente las de polipropileno, son alternativas viables para reforzar al concreto (Stromathoides et al., 2010). Sin embargo, existe otro grupo conocido como Fibras Naturales (FN) o vegetales que han sido motivo de diversas investigaciones. Materiales reforzados con FN se pueden obtener a un bajo costo usando la mano de obra disponible en la localidad y las técnicas adecuadas para su obtención (ACI-544-1R, 2002). No obstante, las FN pueden ser procesadas químicamente para mejorar sus propiedades y son generalmente derivadas de la madera. Estos procesos son altamente industrializados y costosos, es por ellos que no resultan ser tan atractivos para los países en desarrollo (Alexander & Saraz, 2007). Se denomina bagazo al residuo de materia después de extraído el líquido presente en ella. Una clase de bagazo es el residuo leñoso (fibras) de la caña de azúcar. En estado fresco estos bagazos contienen un 40% de agua. Suelen utilizarse como combustible de las propias azucareras (Alexander & Saraz, 2007). La fibra de la caña de azúcar tiene una importancia particular, en cuanto a su estructura, además de ser un material combustible para la industria azucarera y otras, es una valiosa materia prima para otras industrias tales como la del papel, maderas artificiales, entre otros. El uso de la fibra de bagazo para

material manufacturado es otra alternativa de solución para el uso de este tipo de materiales. Si se compara el uso de las fibras naturales con materiales sintéticos, estas tienen dos grandes ventajas, su baja densidad y su reutilización (Reis, 2006). Es por ello que el bagazo de caña de azúcar junto que el cemento y sus aditivos, aportan al concreto una mejor adhesión, menor peso, resistencia a la tracción y comprensión, y mejorando su acuática de aislamiento (Jara Rodriguez & Palacios Ambrocio, 2015).

Objetivo Esta investigación pretende analizar los diferentes estudios sobre el comportamiento y el enfoque frente el desarrollo sostenible, sobre la utilización de un material alternativo de construcción, que permite reducir la extracción y uso de materiales convencionales, así mismo reducir los costos, brindar seguridad en cuanto a sus propiedades y necesidades de resistencia según sus usos. Marco teórico Concreto El concreto se define como la mezcla de un material aglutinante (cemento Portland), materiales de relleno (agregados) y agua que al endurecer forma un sólido compacto, que adquiere propiedades de carácter mecánico, físico y químico; así mismo se transforma en un material de construcción ampliamente utilizado a nivel mundial, usado como elemento estructural y no estructural (Niño, 2010). Cemento portland El cemento Portland es la mezcla de materiales calcáreos y arcillosos u otros materiales que contienen sílice, alúmina u óxidos de hierro, procesados a altas temperaturas y mezclados con yeso. Llamado así por la similitud con una piedra que abunda en Portland, Inglaterra. Este material tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia del agua, presentándose un proceso de reacción química que se conoce como hidratación. Hoy en día se fabrican diversos tipos de cemento para satisfacer diferentes

necesidades y para cumplir con propósitos específicos (Niño, 2010). Agregados Los agregados son el mayor constituyente del concreto, generalmente componen más del setenta por ciento (70%) del material en un metro cubico de concreto y son los que hacen que este sea un material económico de construcción. En combinación con esta proporcionan resistencia mecánica, al concreto en estado endurecido y controlan los cambios volumétricos que normalmente tienen lugar durante el fraguado del cemento (Enrique Rivva López, 2000). Se han clasificado en agregado grueso y agregado fino, fijando un valor en tamaño de 4,76 mm a 0,075 mm para el fino o arena y de 4,76 mm en adelante para el grueso. Frecuentemente, la fracción de agregado grueso es subdividida dentro de rangos, tales como, 4,76 mm a 19 mm para la gravilla y de 19 mm a 51 mm para la grava (Niño, 2010). Agua para el concreto Es un ingrediente fundamental en la elaboración de concreto debido a que desempeña una función importante en estado fresco y endurecido. Generalmente se hace referencia a su papel en cuanto a la cantidad para proveer una relación agua/cemento acorde con las necesidades de trabajabilidad y resistencia. El agua en el concreto reacciona químicamente con el cemento para pasar a formar parte de la fase sólida del gel, de la misma manera hay una cantidad que se evapora, pero no se encuentra libre en su totalidad (Rivera, 2013). Fibra Natural del Bagazo de Caña de Azúcar El bagazo de caña de azúcar pertenece a la categoría de fibra natural, orgánico y vegetal, constituido principalmente por celulosa. Se conoce con el nombre de bagazo, al residuo fibroso que queda después del proceso de extracción del agua. Este residuo de la agroindustria cañera “bagazo” es utilizado como carburante en el proceso de elaboración de azúcar en las moliendas. Es importante evidenciar que dicha industria

está aún muy lejos del aprovechamiento efectivo que podría ofrecer el bagazo, como materia prima para la elaboración de productos industriales, y así mejorar los ingresos económicas provenientes por la venta de este sub producto de la agro industria (Carvajal, 2015). Características físico-anatómico del bagazo de caña de azúcar Las fibras vegetales están constituidas por ligamentos fibrosos, que a su vez se componen de micro fibrillas dispuestas en bandas de diferentes espesores y ángulos de orientación, las cuales son ricas en celulosa. Las características morfológicas y las propiedades físico del bagazo de caña de azúcar, lo catalogan como un material adecuado para ser usado como Fibra de refuerzo, el bagazo está constituido por los siguientes valores: Humedad: 46-52 %; sólidos particulados: 40-46 %; y sólidos solubles: 6-8 % (Alarcon et al., 2006). Por otro lado, los sólidos particulados están formados por dos tipos de estructuras bien diferenciadas: las fibras y la medula. Las fibras están formadas por células cilíndricas y tejidos vasculares de paredes duras, las cuales se encuentran en la corteza y en la parte interior. Por su parte, la medula está formado por células parenquimatosas de forma irregular y de paredes finas con poca fuerza estructural, que se encuentran en la zona central de la caña y son de carácter esponjoso pudiendo absorber hasta 20 veces su propio peso en agua. La parte fibrosa es muy apropiada para la obtención de pulpa para la fabricación de papel y la producción de elementos aglomerados en forma de tableros (Aguilar Rivera, 2011). En la tabla 1., se describe las propiedades más típicas del bagazo de caña. Tabla 1. Propiedades de la fibra de Bagazo de caña de azúcar. Especificaciones Continuo/Disperso Orientación Matriz Longitud (mm) Diámetro promedio (mm)

Bagazo disperso aleatoria cemento 26 0,24

Gravedad específica 1,25 (g/cm3) Absorción de humedad % 78,5 Contenido de humedad % 12,1 Resistencia última mpa 196,4 Módulo de elasticidad gpa 16,9 Resistencia a la adherencia Fuente: ( E.E. Sera, L. Robles-Austriaco & R.P. Pama, 1990). Natural Fibers as Reinforcement. La fibra de cáñamo en la construcción En el campo de la construcción la fibra de cáñamo los usos son ilimitados gracias a sus propiedades mecánicas, térmicas y acústicas, así mismo es un material sostenible y ecológico. Según las estadísticas el sector de la construcción representa el 40% del consumo de energía en el mundo, con un 40% adicional del uso de materias primas. Del mismo modo, la industria de la construcción tiene una importante contribución en las emisiones globales de carbono, que asciende a 57% es decir, más que todos los demás sectores juntos. De este 57% el 47% es generado por el uso de los edificios (calentadores, iluminación, aire acondicionado) y el 9 proviene de la fabricación de materiales de construcción. Desde la revolución industrial la concentración de CO2 en la atmosfera se ha incrementado en un 30% (TerrerosRoojas & Carvajal-Corredor, 2016). El cáñamo posee grandes ventajas acústicas, térmicas y bioclimáticas, como también protege contra algunos tipos de radiaciones del exterior y reduce campos electromagnéticos. Actualmente Francia es el país en donde su aplicación y producción es masiva, realizando rellenos combinando mortero, cal y cáñamo, muy utilizado para proyectos que requieran material aislante y térmico; así mismo en Alemania, reino unido, Holanda y España se está empezando a utilizar la fibra como una nueva alternativa de construcción (Reyna, 2016).

Materiales y métodos Se realizaron ensayos para determinar la resistencia a la compresión en cilindros de concreto reforzado con fibras de bagazo de caña, para ello se preparó una mezcla con la variedad de caña Integral RD 7511 y concreto 1:2:3 bajo la norma NI 550 y 673. Se fabricaron probetas en concreto 1:2:3, (cemento, arena y grava) adicionando las fibras retenidas por el tamiz N°4 (4,76 mm) y el tamiz N°6 (3,56 mm) cuyo porcentaje de fibras en relación con el peso del agregado grueso adicionado para cada probeta, fue del 0,5, 2,5 y 5,0 %. Estos porcentajes fueron definidos una vez realizados ensayos preliminares, y fueron los que mejores resultados han dado en estudios con otras fibras (Juárez y Beraldo 2004). El bagazo seleccionado presentó un porcentaje de humedad promedio del 35% en base seca. Se realizó un lavado previo de las fibras a utilizar como fibrorefuerzo para eliminar la presencia de carbohidratos libres luego se efectuó el secado del bagazo para evitar problemas de ataque de hongos y plagas (Juárez, 2004). Posteriormente, se efectuó un corte en la fibra entre 15 y 25 mm de longitud (Juárez, 2004). Tratamiento aplicado a las partículas. Las partículas o fibras de bagazo fueron inmersas en Hidróxido de calcio al 5,0 % durante 24 horas a una temperatura de laboratorio de 24°C, para darle una protección del medio alcalino de la pasta de cemento (Juárez, 2004). Elaboración de la mezcla. Para la elaboración de los cilindros se caracterizaron las arenas y el triturado empleado en la elaboración de las mezclas, utilizando las mallas (Norma 174 Icontec citadas por el IPC 1994). Se creó una mezcla patrón manteniendo una relación de cemento, arena y grava de 1:2:3

y una relación Agua/Cemento (a/c) de 0,55 recomendada por Fördös (1988) de tal manera que la cantidad de agua diera a la mezcla un fácil manejo a la hora del mezclado, vaciado y desmoldado, además de una resistencia óptima, manteniendo siempre constantes la humedad en cada uno de estos elementos. A la mezcla compuesta por concreto y partículas de bagazo se le adicionó cloruro de calcio al 3,0 %, en relación a la masa de cemento como acelerante del fraguado, siguiendo las recomendaciones realizadas por Beraldo (2004); obteniéndose finalmente fibras con una humedad superior al 100% con el fin de evitar la pérdida de trabajabilidad y una incompatibilidad química entre la fibra y el cemento. Para la elaboración de los cilindros del 0.5, 2,5 y 5,0% con adición de fibra como reemplazo en parte del agregado grueso, se mantuvo una relación en la mezcla de 1:2:2,98: 0,015; 1:2:2,92: 0,075 y 1:2:2,85:0,15 (cemento, arena, grava y fibra) respectivamente. Se elaboraron 6 tipos de mezcla, en donde permanecieron constantes la cantidad de cemento, arena y la relación a/c, variando únicamente la cantidad de agregado grueso, representado en peso de la fibra de bagazo (Norma 174 Icontec citadas por el IPC 1994).

Procedimiento Para El Montaje De Los Cilindros De Prueba Previamente al llenado de los moldes, estos fueron impregnados con una película delgada de aceite mineral; y se seleccionó la muestra de hormigón para el ensayo a compresión (Norma Icontec 454). Los cilindros preparados permanecieron en reposo y después 24 horas de haber sido elaborados se procedió a desmoldarlos. Inmediatamente después los cilindros fueron sometidos a un proceso de curado en tanques de agua durante 14 días. Ensayo de las probetas.

Para el ensayo de las probetas a compresión se utilizó probetas cilíndricas de diámetro igual 6” (15 cm.) y altura igual a 12” (30cm.) (Normas Icontec 550 y 673). Para cada tamaño de fibra (tamiz N°4 y N°6) se elaboraron tres probetas, con contenidos de fibra al 0.5, 2.5 y 5% del peso total del agregado grueso. A cada probeta le fue determinada la resistencia a la compresión axial, a los 14 días de fraguado del compuesto, fallada para esto en la prensa hidráulica o maquina universal de ensayos (Norma N, I. 550 y 673). Análisis Estadístico. El modelo estadístico utilizado correspondió a una Análisis de Variancia ANOVA de 22, con tres repeticiones, con un α = 0,05, es decir un nivel de confianza del 95%. Este modelo permitió definir la incidencia de cada uno de los factores más representativos en la resistencia a la compresión y su interacción. Para determinar el tamaño muestral se hizo una prueba piloto con dos réplicas por tratamiento para cada probeta con diferentes adiciones de fibras. Este tamaño se determinó por medio de las curvas características de operación, que es una gráfica de la probabilidad de error tipo II contra el parámetro f que refleja la medida en la cual la hipótesis nula es falsa. El valor de n fue probado para n=3 y se obtuvo una potencia deseada mayor o igual a 95%, por lo que el tamaño maestral fue considerado como adecuado.

Resultados La Tabla 1, muestra los análisis de varianza para determinar la incidencia de varios parámetros en la resistencia a compresión. Los resultados estadísticos permiten concluir que los factores como los días de fraguado, el porcentaje de la fibra adicionada y abertura del tamiz, resultaron significativos (P<0,05), sobre la resistencia a compresión.

Tabla 1. Los resultados estadísticos permiten concluir que los factores como los días de fraguado, el porcentaje de la fibra adicionada y abertura del tamiz, resultaron significativos (P<0,05), sobre la resistencia a compresión

Grupos

Valor medio

Límite inferior

Límite Superior

Número de observaciones

Testigo 0,5 2,5 5,0 Grupos

15,70 13,43 4,92 1,65 Valor medio

15,31 12,71 4,19 0,92 Límite inferior

16,46 14,16 5,46 2,38 Límite Superior

18 18 18 18 Número de observaciones

Testigo 0,5 2,5 5,0

15,70 16,88 8,60 2,42

15,31 16,16 7,87 1,69

16,46 17,61 9,33 3,14

18 18 18 18

Tabla 2. Muestra los intervalos de Duncan con un nivel de confianza del 95%. La resistencia a compresión se comportó inversamente proporcional con respecto a la adición de fibra en el concreto, presentando diferencias significativas en los resultados.

Numero de tamiz

Fuente de variación Día Fibra Tamiz Día*fibra Día *tamiz Fibra*tamiz Día*fibra*tamiz Residual Total (corregido)

4 4 4 Numero de tamiz 6 6 6

Suma de cuadrados 15,21 1060,61 62,41 7,15 0,49 15,76 0,08 17,85

Grados de libertad 1 2 1 2 1 2 2 24

1179,55

Media de cuadrados 15,21 530,3 62,41 3,57 0,49 7,88 0,04 0,74

Valor de F 20,45 713,14 83,93 4,8 0,66 10,6 0,05

Valor de P 0,0001 0 0 0,0176 0,4249 0,0005 0,9467

Fuente: Elaboración propia. 2019 Fuente: Elaboración propia. 2019

resistencia de compresion 2,5

2,5 Testigo 0

. Figura 1. Los resultados estadísticos permiten concluir que los factores como los días de fraguado, el porcentaje de la fibra adicionada y abertura del tamiz, resultaron Fuente: Elaboración propia

Se observa del grafico N°1 que los resultados estadísticos permiten concluir que los factores como los días de fraguado, el porcentaje de la fibra adicionada y abertura del tamiz, resultaron significativos (P<0,05), sobre la resistencia a compresión

Figura 2. los resultados estadísticos de la resistencia a la comprensión en la probeta estipulan que hay una mayor resistencia cuando las partículas sean más pequeñas Fuente: Elaboración propia

Como se observa en las tablas y en las figuras N°2 la resistencia a compresión se comportó inversamente proporcional con respecto a la adición de fibra en el concreto, presentando diferencias significativas en los resultados.

Tabla 3. Los resultados estadísticos permiten concluir que los factores como los días de fraguado, el porcentaje de la fibra adicionada y abertura del tamiz, resultaron significativos (P<0,05), sobre la resistencia a compresión. Grupos

Valor medio

Límite inferior

Límite superior

Número de observaciones

Testigo

2325,83

2312,7

2338,97

Número del tamiz 4

0,5

2258,92

2245,78

2272,06

2,5

2025,96

2012,82

2039,1

1950,52

1937,38

1963,65

Grupos

Valor medio

Límite inferior

Límite superior

Número de observaciones

Testigo

2325,83

2312,7

2338,97

Número del tamiz 6

0,5

2266,18

2253,04

2279,31

2,5

2034

2020,86

2047,14

1998,1

1984,96

2011,23

Fuente: Elaboración propia. 2019

resistencia de compresion

Testigo Testigo

500

1000 1500 2000 2500

Figura 3. Los resultados estadísticos permiten concluir que los factores como los días de fraguado, el porcentaje de la fibra adicionada y abertura del tamiz, resultaron significativos (P<0,05), sobre la resistencia a compresión. Fuente: Elaboración propia. 2019

Como se observa en la tabla y figura N°3 muestra la variación de la resistencia a compresión de las probetas utilizadas. Se encontró que, en probetas con el mismo porcentaje de fibras, y una variación en el tamaño de la abertura del tamiz, se produce una disminución en la resistencia cuando el tamaño de fibra es mayor. Para porcentajes de fibra del 0.5, 2,5 y 5%, se reduce la resistencia en un 20,4, 42,8 y 31,7% respectivamente, de las fibras pasadas por el tamiz N°4 con respecto al tamiz N°6. Se encontró además que el mejor valor de resistencia se obtuvo en la probeta elaborada con una adición de fibra del 0,5 % que

pasa por el tamiz N°6, cuyo valor incluso es mayor que la probeta testigo.

Discusión Según lo observado en la muestra los intervalos de Duncan con un nivel de confianza del 95%. La resistencia a compresión se comportó inversamente proporcional con respecto a la adición de fibra en el concreto, presentando diferencias significativas en los resultados que podemos afirmar en la tabla 1 Alguna de estas variaciones de resistencia se debe también al tamaño de partículas de bagazo de la caña ya que más pequeña sea las partículas la resistencia aumenta y la disminución del agregado disminuye. (Niño, 2010). La rasgos de las probetas después del fraguado se observó que la adherencia de las fibras a la matriz del concreto es aceptable en aquellos perímetros donde la fibra es uniforme, sin embargo se presentan espaciamientos entre la fibra y la matriz de concreto, debido a la ausencia de áridos finos, a la variación del diámetro en la sección transversal de la fibra, a la irregularidad de la longitud y posiblemente a la degradación que sufre la fibra natural debida al ataque químico que le produce los elementos alcalinos contenidos en el cemento. Pese al tratamiento realizado; lo anterior puede generar una menor resistencia en el concreto fibroreforzado, debido a que estos espacios disminuyen la compacidad en el concreto. Estos aspectos presentados coinciden con los obtenidos por Beraldo (2004) y Bilba et al (2006) en compuestos con otras fibras naturales.

Conclusiones La fibra de bagazo de caña utilizada en la elaboración del concreto reforzado a compresión le imparte propiedades mecánicas importantes al compuesto, principalmente las probetas con adiciones de fibra entre el 0,5 y 2,5% en relación al peso total del agregado grueso, y cuyas fibras con longitudes entre 15 y 25 mm son retenidas en el tamiz N°6, las cuales alcanzan resistencia a compresión a los 14 días de fraguado entre 8,6 y 16,88 MPa, estando por encima de probetas sin adición de fibras. La resistencia a compresión del concreto reforzado con fibras de bagazo de caña es inversamente proporcional al porcentaje de la fibra adicionada y al diámetro de las partículas, aspecto que coincide con lo encontrado en ensayos realizados en otras fibras como el coco, el bambú, entre otros.

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