Fiber cement products fabrication from leather
residues.
Calderón
Segundo Hugo.[1=
],
Parada Rivera Mabel Mariela.[2],
Andrade Avalos Mónica Lilián[3] &=
amp;
Borja Mayorga Danielita Fernanda[4]
Recibido: 27-05-2019 / Revisado=
: 25-06-2019 /Aceptado: 24-07-2019/ Publicado: 30-07-2019
Substitution of chrysotile in fibro cement boar=
ds
becomes relevant because it may be included as a dangerous product in the E=
cuadorian
legislation, due to its possible carcinogenic effects. The incorporation of
leather residues (LR) in fibro cement boards were studied elaborating test
probes containing 5%, 6%, 7%, 10% and 13.66% of leather residues. The quality properties considered were:
modulus of rupture (MOR), bulk density (Bd) and absorption of water % (Abs =
%). The requirements
were MOR > 4MPa (NTE INEN 2080:1996), Bd > 1, 37 g/ml and % Abs <2=
8% (Tubasec C.A. own standard). The 10% LR mix satisfied t=
he máximum quality requirements (MOR=3D6,46 MPa, Bd=3D1,46 g/ml, %Abs=3D27,88 %),
including the Chi-square test of
statistical significance (CHI2=
=3D0,666).
The
13,66% LR mix had the best perform=
ance
with respect to the modulus of rupture, but it did not satisfied the bulk
density nor the absorption of wate=
r%
(MOR=3D6,53 MPa, Bd=3D1,33 g/ml, %=
Abs=3D34 %).
Keywords=
: Fiber cement, chrysotile, leather resid=
ues,
construction material.
Resumen
El
estudio de la sustitución del crisotilo, que se utiliza en láminas de fibro
cemento, se hace pertinente ante la posibilidad=
de
que dicho material sea incluido como producto peligroso dentro de la Normat=
iva
Ecuatoriana, por sus posibles efectos cancerígenos. Para estudiar la incorp=
oración
de residuos de cuero (RC) en las láminas=
se
fabricaron probetas con 5%, 6%, 7%, 10%
y 13,66% de residuos de cuero. Las
propiedades de calidad evaluadas fueron: módulo de rotura (MOR), densidad
aparente (Da) y % de absorción de agua (%Abs). =
Los requisitos a cumplir fu=
eron
MOR >4MPa (NTE INEN 2080:1996), Da >1,37g/ml y %=
Abs
<28% (Norma interna Tubasec C.A.).
Palabras clave<=
/span>: Fibro cemento, cr=
isotilo,
residuos cuero, material construcción.
Introducción.
Los residuos sólidos de la industria del cuero aparecen como una
alternativa al crisotilo en las láminas de
fibrocemento, utilizadas en la construcción de viviendas como paredes
interiores. El crisolito brinda a los productos de
fibrocemento mayor resistencia, durabilidad y acabado. El crisotilo es un mineral que cristal=
iza en
el sistema monoclínico o triclínico formando fibras. Su fórmula química es =
Mg3(Si2O5)(OH)4 y se le conoce con el nombre de amianto o asbesto. =
La
búsqueda de un material sustituto al crisotilo =
se
debe a que se ha demostrado que es un material cancerígeno y existe la
posibilidad que sea prohibido su uso en Ecuador.
En los ańos anteriores a 1988, los estudios realizados en personas q=
ue
trabajaban en las minas o en fábricas, para relacionar el crisotilo
como causante del mesotelioma, no había sido confirmado de manera categóric=
a (Dunningan, 1988). Ahora bien, en estudios más recient=
es se
estableció que los asbestos con crisotilo eran =
la
causa de asbestosis y cáncer de pulmón (Smith y col., 1996) y también la ca=
usa
de mesotelioma (Frank y col., 1998; Yano y col.,
2009; Egilman y col., 2011). Otros estudios tam=
bién
confirmaron que en la fabricación de textiles, donde se usaba 100% crisotilo, el riesgo de desarrollar cáncer de pulmón =
era
muy alto (Dement y col., 1994).
Entre los usos del crisotilo se pueden
mencionar: aislante para tuberías y equipos, techos, lámina para paredes,
pastillas de freno, aislante para cables eléctricos, pinturas antifuego, textiles, entre otros (Ro=
wson, 1978; Virta,
2006). Los residuos de cuero han sido investigados para ser usados, en
combinación con yeso, en la producción de láminas para cielos rasos (Faim y col., 2002). El uso de los residuos de cuero p=
ara
ser incorporados en ladrillos de arcilla también ha sido estudiado (Aguiar y
col., 2002). Aunque los ladrillos resultaron menos resistentes, su menor pe=
so y
mayor porosidad les permitiría ser usados como aislantes. Senthil
y col., 2015 estudiaron la combinación de residuos de cuero con goma natural de latex para producir
láminas, cuyo uso sería en suelas de zapatos y otros productos para recubie=
rtas
interiores del hogar.
Adicionalmente, debe mencionarse que los residuos de la industria del
cuero pueden contener restos de cromo hexavalente el cual es peligroso para=
el
medio ambiente. Por lo tanto, la incorporación de estos residuos en materia=
les
de construcción o en fibras poliméricas, ayudaría a disminuir este problema=
de
su eliminación (Sekaran
y col., 2017; Lakraflia y col., 2012; El-Sabbagh y col., 2010).
En el afán de
promover la mejora continua y la innovación,
la búsqueda de
nuevos materiales que puedan
servir como sustitutos del =
crisotilo, se hace pertinente ante la posibilidad de =
que
éste último sea incluido como material peligroso dentro de la Normativa
Ecuatoriana.
En este orden =
de
ideas, se plantea el estudio de la sustitución del crisotilo, que se utiliza en láminas=
de fibro cemento en la siguiente proporción en peso: 7% =
crisotilo, 76% cemento y 17% aditivos, por
residuos de la industria del cuero.
Procedimiento Experimental=
Materiales y métodos
Cemento Portland
Cemento Chimbo=
razo
Portland Puzolánico Tipo IP producido con Clinker, adiciones minerales y
sulfato de calcio. Sus características técnicas se muestran en la Tabla 1.<=
/span>
Tabla 1.
Características técnicas cemento Portland
|
Requisitos Químicos |
|
|
MgO (%) |
1,99 |
|
SO3(%) |
1,75 |
|
Pérdida por ignición(%) |
2,14 |
|
Requisitos Físicos |
=
|
|
Peso específico(g/ml) |
2,85 |
|
Expansión en autoclave(%) |
0,0013=
|
|
Fraguado Vicat Inicial(minuto) |
160 |
|
Fraguado Vicat Final(minuto) |
240 |
|
Resistencia a Compresión |
=
|
|
3 días (MPa) |
18 |
|
7 días (MPa) |
26 |
|
28 días (MPa) |
37 |
Toba o roca volcánica
Roca ígnea volcánica molida a un tamiza=
do
de malla N°200.
Residuos o virutas de cuero
Residuos sólidos de cuero provenientes =
de
la empresa Curtiem=
bre
TUNGURAHUA. S.A., Riobamba, Ecuador. En la Figura 1 se muestra el material utilizado=
.
Figura 1. Virutas o residuos de cuero.
Aditivos
Compuestos químicos confidenciales de la
Empresa Tubasec C.A., Riobamba, Ecuador. La mez=
cla
denominada estándar posee crisotilo (±7%) entre=
los
aditivos.
Elaboración de las probetas
Para estudiar la posibilidad de sustitu=
ir
el crisotilo por residuos de cuero en las lámin=
as de
fibrocemento, se elaboraron probetas con las diferentes proporciones de
residuos o virutas de cuero y se compararon las semejanzas en calidad con las manufacturadas por la E=
mpresa
TUBASEC C.A. El procedimiento utilizado en la fabricación de las probetas se
muestra en la Figura 2.
Figura 2. Procedimiento para la elaboración de las
probetas.
El tamańo de las probetas fue fabricado=
de
acuerdo a la norma NTE INEN 2080:1996. Las dimensiones de las mismas fue
250x250x20 mm.
Composición de las mezclas
Las mezclas a ser estudiadas se muestra=
n en
la Tabla 2.
Tabla 2.
Composición de las mezclas a ser estudiadas
|
|
% Cemento=
|
% Toba |
% Res. Cu=
ero |
% Aditivo=
s |
|
Estándar<=
span
style=3D'mso-bidi-font-weight:bold'> |
76,17<= o:p> |
3,58 |
- |
20,25<= o:p> |
|
Mezcla 1<=
span
style=3D'mso-bidi-font-weight:bold'> |
76,17<= o:p> |
3,58 |
5 |
15,25<= o:p> |
|
Mezcla 2<=
span
style=3D'mso-bidi-font-weight:bold'> |
76,17<= o:p> |
3,58 |
6 |
14,25<= o:p> |
|
Mezcla 3<=
span
style=3D'mso-bidi-font-weight:bold'> |
76,17<= o:p> |
3,58 |
7 |
13,25<= o:p> |
|
Mezcla 4<=
span
style=3D'mso-bidi-font-weight:bold'> |
76,17<= o:p> |
2,09 |
10 |
11,74<= o:p> |
|
Mezcla 5<=
span
style=3D'mso-bidi-font-weight:bold'> |
76,17<= o:p> |
2,58 |
13,66<= o:p> |
7,59 |
Propiedades físicas y mecánicas
Una vez preparadas las probetas (siguie=
ndo
el procedimiento mostrado en la Figura 2) se procedió a seleccionar aquellas
que no tuvieran grietas y que fueran las más uniformes en su espesor. Las
propiedades de calidad evaluadas fueron: módulo de rotura, densidad aparent=
e y
absorción de agua (NTE INEN 2080, 1996; NTE INEN 208=
2,
1996). El módulo de rotura se midió utilizando u=
na
Máquina Universal de Ensayos (NESTOR) a una tasa de extensión de 5 mm/min. =
(Ver
Figura 3). La densidad aparente de la probeta
se calculó con el peso seco de la probeta (secado a 105°C por 24hr) =
y su
volumen medido por desplazamiento de líquido. La absorción de agua se deter=
minó
mediante la diferencia entre el peso seco y el peso saturado (después de 24=
hr sumergido en agua).
Figura 3. Máquina Universal de Ensayos
Se considera una relación factible de l=
as
variables de calidad, aquellas mezclas que mantengan las mismas tendencias =
en
el tiempo de fraguado, con respecto a la mezcla estándar o patrón (con crisotilo).
Normativa a cumplir
Las probetas deben cumplir con las
especificaciones que se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3.
Especificaciones a cumplir
|
|
NTE INEN =
2080 |
TUBASEC C=
.A. |
|
Módulo de Rotura (MPa) Min. |
4 |
10 <=
b> |
|
Densidad Aparente (g/ml) Min. |
=
|
1,37 |
|
Absorción de Agua (%) Max. |
=
|
28 |
Población de estudio
Se seleccionaron 162 probetas, luego de
descartar aquellas defectuosas, para las pruebas de calidad, 27 para cada
mezcla y estándar (27x6). Se seleccionaron las 27 mejores para cada grupo; =
sin
grietas, lo más planas posibles y espesor constante medido en varios puntos=
. Se
escogieron nueve probetas para los
distintos tiempos de fraguado, 7, 14 y 21 días respectivamente.
Análisis Estadístico
Se presentan los valores promedios y desviación estándar de las
variables medidas. Se aplicó la prueba Chi Cuadrado (p<0,5 y 2 grados de
libertad) a los valores de la MOR de las probetas estándar (7, 14 y 21 días=
) en
conjunto con cada una de las composiciones de residuos de cuero, para la
verificación de la independencia de dos variables y así verificar el cumpli=
miento
de la normativa NTE INEN 2084:1996.
Resultados y Discusión
La primera prueba que se le realiza a las probetas es su resistencia=
a
la flexión o módulo de rotura (MOR), el cual se calcula a través de la Ecua=
ción
1:
P=3D Carga promedio(N)
L=3DDistancia entre apoyos (0,215 m NTE INEN 2080:1996)
A=3D Ancho de la probeta (0,25 m NTE INEN 2080:1996)
e=3D Espesor de la probe=
ta (m)
El MOR se calcula para las probetas estándar y para cada una de las
probetas con las mezclas consideradas (5%,6%,7%,10% y 13,66% de residuos de
cuero, mezclas 1, 2, 3, 4 y 5 respectivamente). Las Figuras 4 y 5 muestran =
los
valores del MOR en función de los días de fraguado considerados para los ca=
sos
estudiados. Adicionalmente, se incluye el valor de la norma NTE INEN 2084:1=
996.
Figura 4. MOR de las probetas en función de los días de fraguado para=
las
probetas estándar, Norma, 5%, 6% y 7% de residuos de cuero.
Figura 5. MOR de las probetas en función de los días de fraguado para=
las
probetas estándar, Norma, 10% y 13,66% de residuos de cuero.
El primer aspecto a destacar al ver las Figuras 4 y 5 es la tendencia
creciente del MOR a medida que aumenta el tiempo de fraguado, tanto para la
probeta estándar como para todas las mezclas con cuero, lo cual es razonable
debido a que mientras más seca la probeta mayor es la fuerza necesaria para
romperla. Otro aspecto resaltante es que el MOR de la probeta patrón o está=
ndar
es mayor que todas las mezclas con residuos de cuero en todos los tiempos de
fraguado, duplicándola en algunos casos. Finalmente, también se puede obser=
var
que todas las probetas de las mezclas cumplen con la Norma de 4 MPa, except=
o 2
probetas de la mezcla de 7%.
Los valores promedio y su desviación estándar para el MOR de todas l=
as
probetas se muestran en la Tabla 4. Como puede observarse en la Tabla 4, to=
dos
los valores promedio obtenidos cumplen con la norma NTE INEN 2084:1996, cuyo
valor para láminas de fibrocemento Categoría 1, Tipo B es 4 MPa.
Tabla 4. Valores
promedio y desviación estándar del MOR
|
|
MOR |
Desviació=
n |
|
Probetas<=
span
style=3D'mso-bidi-font-weight:bold'> |
Promedio,=
MPa |
Estándar<= o:p> |
|
Estándar<= o:p> |
10,12<= o:p> |
1,186<= o:p> |
|
Mezcla 1<= o:p> |
5,85 |
0,510<= o:p> |
|
Mezcla 2<= o:p> |
6,02 |
1,077<= o:p> |
|
Mezcla 3<= o:p> |
4,70 |
0,558<= o:p> |
|
Mezcla 4<= o:p> |
6,46 |
0,531<= o:p> |
|
Mezcla 5<= o:p> |
6,53 |
0,692<= o:p> |
Adicionalmente, la prueba estadística CHI2 se aplicó a la
serie de datos de todas las mezclas, tomando como relación la serie de dato=
s de
las probetas estándar, que cumple en forma excedida, con la norma NTE INEN
2084:1996. Las filas (3) de datos considerados fueron los tiempos de fragua=
do
(7, 14 y 21 días) y las columnas (2) los MOR de las probetas estándar y los MOR de las probetas con residuos =
de
cuero. Se consideró como hipótesis nula, H0, el cumplimiento con=
la
norma NTE INEN 2084 y como hipótesis 1, H1, el no cumplimiento c=
on
la norma. El valor de CHI2 teórico para 2 grados de libertad y u=
na
probabilidad mayor de 50% es 1,386=
3. Si
CHI2 calculado< CHI2 teórico, se rechaza H1. Si CHI2 calculado> CHI2 teórico, se rechaza =
H0.
En la Tabla 5 se enseńa el análisis CHI2.
Tabla 5. Prueba CHI2 para los datos de =
los
distintos contenidos de residuos de cuero
|
CHI2=
|
|
CHI2=
|
|
|
Calculado=
|
|
Teórico |
|
|
Mezcla 1<= o:p> |
1,827<= o:p> |
> |
1,3863=
|
|
Mezcla 2<= o:p> |
1,761<= o:p> |
> |
1,3863=
|
|
Mezcla 3<= o:p> |
1,457<= o:p> |
> |
1,3863=
|
|
Mezcla 4<= o:p> |
0,666<= o:p> |
< |
1,3863=
|
|
Mezcla 5<= o:p> |
2,659<= o:p> |
> |
1,3863=
|
La Tabla 5 muestra, que al
usar la prueba estadística CHI2=
, la única mezcla que cump=
le
con la norma NTE INEN 2084:1996 es la Mezcla 4, que corresponde a un conten=
ido
de residuos de cuero de 10%.
La densidad aparente de las
láminas de fibrocemento debe ser reportada por el fabricante. Para el caso =
que
nos concierne, la empresa TUBASEC C.A. ha establecido un valor de referencia
mínimo de 1,37 g/ml. Las Figuras 6 y 7 enseńan la densidad aparente de las
probetas estándar, la norma y para cada una de las probetas con las mezclas
consideradas (5%, 6%, 7%, 10% y 13=
,66%
de residuos de cuero, mezclas 1, 2, 3, 4 y 5 respectivamente).
La densidad aparente (Da) =
se
calculó utilizando la ecuación 2, con la masa en gramos y el volumen desplazad=
o en
mililitros.
En la Figura 6 se puede
observar que la tendencia de la densidad de las probetas estándar es
decreciente con el tiempo de fraguado. Las tendencias de las mezclas de 5%,=
6%
y 7% de cuero son crecientes, lo que es contrario al comportamiento del pat=
rón.
En relación al cumplimiento del valor referencial de 1,37 g/ml, todas las
mezclas lo cumplen.
Figura 6. Densidad Aparente de las probetas en función de los
días de fraguado para las probetas estándar, Norma, 5%, 6% y 7% de residuos=
de
cuero.
En la Figura 7 se puede
observar que las tendencias de las Da de las mezclas de 10% y 13,66% de cue=
ro
son decrecientes al igual que la tendencia de las probetas estándar, lo cua=
l es
el comportamiento deseado. Las probetas de 10% cumplen con la norma referen=
cial
de 1,37 g/ml mientras las de 13,66%, en su mayoría no cumplen. Se especula =
que
la densidad del cuero estaría afectando los límites sugeridos al llegar a d=
icha
proporción.
Figura 7. Densidad Aparente de las probetas en función de los
días de fraguado para las probetas estándar, Norma, 10% y 13,66% de residuo=
s de
cuero
En la Tabla 6 se observan los valores promedio y su desviación estándar=
de
las densidades. Los datos muestran que en promedio la única mezcla que no
cumple con el valor referencial es la de 13,66% de cuero. Todas las mezclas
resultan más livianas que la estándar y eso se explica por el contenido de
cuero cuya densidad es menor.
Tabla 6. Valores promedi=
o y
desviación estándar de la densidad aparente de las probetas
|
Densidad
Aparente |
Desviació=
n |
|
|
Probetas<=
span
style=3D'mso-bidi-font-weight:bold'> |
Promedio,
g/ml |
Estándar<= o:p> |
|
Estándar<= o:p> |
1,58 |
0,036<= o:p> |
|
Mezcla 1<= o:p> |
1,48 |
0,031<= o:p> |
|
Mezcla 2<= o:p> |
1,48 |
0,032<= o:p> |
|
Mezcla 3<= o:p> |
1,46 |
0,044<= o:p> |
|
Mezcla 4<= o:p> |
1,46 |
0,033<= o:p> |
|
Mezcla 5<= o:p> |
1,33 |
0,046<= o:p> |
La cantidad de agua absorbida (%Abs) por las
probetas, luego de sumergida por 24 horas, se midió como otra variable de
calidad de las láminas de fibrocemento. Esta propiedad está relacionada con=
la impermeabilidad
y flexibilidad del material. La cantidad de agua se determinó como el
porcentaje absorbido y se calculó mediante la ecuación 3.
En la Figura 8 se puede
observar que la tendencia del % de absorción de agua de las probetas estánd=
ar
es creciente con el tiempo de fraguado. Las tendencias de las mezclas de 5%=
, 6%
y 7% de cuero son decrecientes, lo=
que
es contrario al comportamiento del patrón, esto significa que estas
proporciones de cuero se podrían estar consolidando de tal forma que su
porosidad es menor con el paso del tiempo y por lo tanto absorben menos agu=
a.
Figura 8. Absorción de agua de las probetas en función de los días de
fraguado para las probetas estándar, Norma, 5%, 6% y 7% de residuos de cuer=
o.
En la Figura 9 se puede observar que las tendencias del % de absorción =
de
agua de las mezclas de 10% y 13,66% de
cuero son crecientes, igual al comportamiento del patrón, lo cual es la res=
puesta
deseada.
Figura 9. Absorción de agua de las probetas en función de los días de
fraguado para las probetas estándar, Norma, 10% y 13,66% de residuos de cue=
ro.
En la Tabla 7 se muestran los valores promedio y su desviación estándar=
del
% de absorción de agua. El valor referencial a cumplir es un % de absorción
máximo de 28%. Los datos enseńan que en promedio la única mezcla que no cum=
ple
con el valor referencial es la de 13,66% de cuero (mezcla 5). Sin embargo,
también puede notarse, que los valores promedio de las demás mezclas están =
muy
cerca del valor referencial (0,12% a 0,82% por debajo).
Tabla 7. Valores promedio y desviación estándar =
de
la absorción de agua de las probetas
|
Absorción=
|
Desviació=
n |
|
|
Probetas<= o:p> |
Promedio,=
% |
Estándar<= o:p> |
|
Estándar<= o:p> |
23,51<= o:p> |
1,378<= o:p> |
|
Mezcla 1<= o:p> |
27,68<= o:p> |
1,422<= o:p> |
|
Mezcla 2<= o:p> |
27,08<= o:p> |
1,669<= o:p> |
|
Mezcla 3<= o:p> |
27,78<= o:p> |
2,896<= o:p> |
|
Mezcla 4<= o:p> |
27,88<= o:p> |
1,623<= o:p> |
|
Mezcla 5<= o:p> |
34,18<= o:p> |
2,488<= o:p> |
Conclusiones
Se pudo demostrar la factibilidad de utilizar residuos o virutas de la
industria de cuero ecuatoriana como componente de las láminas de fibrocemen=
to
fabricadas en la empresa Tubasec C.A.
Aunque todas las mezclas cumplieron con el requisito del módulo de rotu=
ra
(MOR>4 MPa, NTE INEN 2084:1996), las mezclas 5%, 6% y 7% presentaron
tendencias opuestas a la mezcla estándar (con crisotil=
o)
tanto en la densidad aparente como en el % absorción de agua, por lo cual
quedaron descartadas por no cumplir con los criterios de calidad establecid=
os.
Las mezclas 4 (10% cuero) y 5 (13,66% de cuero) fueron las que cumplier=
on
con los requisitos de calidad.
La mezcla 4, fue la que cumplió con la mayor cantidad de requisitos de
calidad (MOR=3D6,46 MPa, Da=3D1,46 g/ml >1,37 g/ml, %Abs=3D27,88%
<28%), incluyendo la prueba que verifica la significancia estadísti=
ca (CHI2=3D0,666<1,3863).
La mezcla 5 tuvo el mejor desempeńo con respecto a la resistencia a la
flexión o módulo de rotura, pero estuvo fuera del rango referencial, tanto =
de
la densidad aparente como del % absorción de agua (MOR=3D6,53 MPa, Da=3D1,3=
3 g/ml
<1,37 g/ml, %Abs=3D34% >28%). Cabe mencio=
nar que
la norma NTE INEN 2080 solo exige reportar la densidad aparente y el % de
absorción de agua. Los valores mostrados son normas internas de la empresa =
Tubasec C.A.
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PARA CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Calderón, S. H., Parada Rivera, M., Andrade Lilián, M., & Bor= ja Mayorga, D. (2019). Elaboración de productos de fibrocemento a partir de residuos de cuero. Ciencia Digital, 3(3.2), 314-331. https://doi.org= /10.33262/cienciadigital.v3i3.2.763
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[1=
] Escuela Superior Politécnica de Chimb=
orazo,
Facultad de Ciencias, Chimborazo, Ecuador hcalderon@espoch.edu.ec.
[2=
] Escuela Superior Politécnica de Chimb=
orazo,
Facultad de Ciencias, Chimborazo, Ecuador, mparada@espoch.edu.ec.
[3=
] Escuela Superior Politécnica de Chimb=
orazo,
Facultad de Ciencias, Chimborazo, Ecuador, moandrade@espoch.edu.ec.
[4=
] Escuela Superior Politécnica de Chimb=
orazo,
Facultad de Ciencias, Chimborazo, Ecuador, dborja@espoch.edu.ec.
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