Characterization of
Composite Mortar with Cabuya Fibers Obtained in
Riobamba City.
=
Marco
Antonio Ordońez Vińan. [1], =
Jessica
Arcos Logrońo. [2],<=
/span> William Ibań=
ez
Moreno. [3]
Recibido: 28-04-2019 / Revisado: 04-05-2019 /Acepta=
do: 08-06-2019/
Publicado: 05-07-2019
Typography: Time New Roman 12 line spacing 1.15 (1=
50 -
300 words). The following study analyses the influence on the mechanical and
thermal properties of mortars when Cabuya Negr=
a fibres (Agave Americana) are added.
Based on Ecuadorian construction regulations, the
ideal mixture of the cement matrix was defined. This cement matrix was used=
as
a base for the addition of different Agave fibres
concentrations.
The fibre lengths cons=
idered
in the study were 15 mm, using a random distribution. Regarding the
reinforcement configurations, four nominal volumetric fractions of fibre were used: 0.25, 0.50, 0.75 and 1.0 %. The
manufactured samples were tested using four standard trials: thermal
conductivity, specific heat, resistance to bending and compression. The res=
ults
obtained showed that the reinforced mortar using a volumetric fraction of 0=
.5%
Agave fibre present the best fluency of a mater=
ial
suitable for coating. Therefore, 0.5% volumetric fraction was also defined =
as
the most suitable Agave concentration for the mixture. As result, the
resistance to bending and compression increase 9 and 11% respectively compa=
red
to the cement matrix without Agave fibres. In
addition, the thermal conductivity and the specific heat were also improved=
13
and 18% respectively.
Resumen.
El siguiente estudio analiza la influencia sobre l=
as propiedades
mecánicas y térmicas de los morteros de cemento al adicionar fibras de cabu=
ya
negra (Agave Americano).
En base a las normas de construcción utilizadas en
Ecuador, se determinó la mezcla ideal para la matriz c=
ementicia,
que servirá de referencia al momento de agregar las diferentes concentracio=
nes
de fibra de cabuya.
Las longitudes consideradas para la fibra fueron 1=
5 mm
y la distribución es de tipo aleatoria. Para las diferentes configuraciones=
de
refuerzo se agregaron cuatro fracciones volumétricas nominales de fibra: 0.=
25;
0.50; 0.75; y 1.0 %. Los especímenes fabricados fueron sometidos a ensayos =
de
conductividad térmica, calor específico, resistencia a flexión y compresión.
Los resultados obtenidos mostraron que el mortero reforzado con una fracción
volumétrica de fibra de cabuya de 0.50 % exhibió la fluidez ideal de un
material apto para recubrimientos, limitando así la cantidad máxima de fibra
que puede agregarse para formar el material. Como resultado se determina qu=
e la
resistencia a la compresión y a la flexión del material compuesto es mayor =
con
respecto a la matriz cementicia 9 y 11%
respectivamente, se determina también que la conductividad térmica y el cal=
or
específico en comparación con la m=
atriz cementicia mejoraron 13 y 18 % respectivamente.
P=
alabras
claves: Caracterización
térmica, Conductividad térmica, Mortero, Fibra de cabuya.
Intro=
ducción.
En
muchas civilizaciones de la antigüedad, las fibr=
as
se usaron para reforzar materiales (Vidaud, 2015).
Por
ejemplo, la paja se usaba como refuerzo en los adobes de arcilla para contr=
olar
la tensión por el secado y reducir el agrietamiento (Gutiérrez Jiménez, Oteiza San José, Monjo Carri=
ó,
& Rey González, 2008). Posteriormen=
te,
en la era moderna el asbesto comenzó a ser utilizado frecuentemente en much=
os
países. La industria de la construcción usó a gran escala las fibras minerales de asbesto en una matriz de ce=
mento (Mari, 1990). Sin embargo,
debido a que se detectaron algunos dańos a la salud como la asbestosis al
fabricar productos de asbesto-cemento, su aplicación disminuyó
considerablemente. Debido a esto, se buscó entonces sustituir el asbesto po=
r fibras de otros materiales las cuales resultaro=
n ser
una alternativa viable (Akers & Studinka, 1989).
Estudios
previos han sido realizados en México, Singapur y Brasil utilizando fibras vegetales bajo condiciones regulares, ex=
isten
también estudios donde se analiza el deterioro del concreto con fibras vegetales expuesto a medios alcalinos y a
ciclos de humedecimiento y secado (FEA, n.d.; Paramasivam, Nathan, & Das Gup=
ta,
1984; Ramakrishna, Sundararajan, & Kothandaraman, 2010)
En
el Ecuador la producción de cerámicas para revestimientos cumplen con normas
establecidas, aunque los métodos de producción son meras copias de producto=
s y
estándares extranjeros, de tal manera que no ha existido algún tipo de
investigación en el área específica sobre=
fibras de cabuya; sin embargo existen estudios
referenciales que indican la inclusión de materiales como plástico,
determinándose su viabilidad financiera y
ambiental (Aguirre, 2013)
Se
han estudiado características con diferentes conᤙ=
7;guraciones
de materiales compuestos con la fibra de =
cabuya
como material disperso con los diferentes diámetros de fibras
existentes en el medio, aprovechando sus características de resistencia y
durabilidad, instituciones tales como la ACI, ASTM, de origen Americano, han desarrollado programas de investigación=
en
sus respectivos países empleando en todos los casos, materia prima propia de
sus regiones. Lo cual hace que aquellas normas internacionales para el dise=
ńo
de concretos y morteros reforzados o no reforzados no se apliquen para
materiales propios dentro del país (Dávila et al., 2011).
Como
potenciales fuentes de materia prima, el estudio se enfoca hacia las fibras vegetales de la cabuya, debido a que son
especies propagadas en gran escala en la provincia de Chimborazo, y que no =
han
sido utilizadas para ningún proceso que les agreguen valor para su adecuado
consumo en la industria de la construcción; de tal manera que es necesario =
por
medio del presente estudio, realizar la caracterización de estas especies, =
con
el fin de integrarlas como materias prima=
s, y
así determinar su impacto en el sector de la construcción y a nivel social y
económico.
De
lo expuesto anteriormente se determina la importancia de realizar una
investigación que aporte información genérica relacionada con la utilizació=
n de
fibras de cabuya como refuerzo en mortero=
s con
un agregado propio de la región, justificando
con la poca o nula información que existe sobre este material compuesto y s=
us
características térmicas y mecánicas dentro de las alternativas para la
construcción.
Metodologia.
Materiales
Se
utilizó como refuerzo fibra de cabuya negra Las ᤙ=
7;bras
fueron adquiridas en el mercado General Dávalos, dichas fibras
fueron extraídas de plantas cultivadas en el cantón Guano, la parroquia San
Gerardo. Las muestras se obtuvieron a partir de los bultos.
Como
matriz del material compuesto se empleó mortero de cemento compuesto de are=
na
proveniente de la cantera Hnos. Castro Cerro Negro con código 3322 y de cem=
ento
HIDRAULICO tipo PORTLAND.
Métodos
Se
considera una investigación exploratoria, debido a que el tema estudiado ac=
erca
de un material compuesto con fibras natur=
ales a
base de fibras de cabuya, ha sido poco
analizado en el país, pero con el sustento técnico de los ensayos que se
realizaron se logró determinar la influencia
que tiene sobre las propiedades mecánicas (Borri & Bucci, 2013; Con & Colectividad,
2015; De, De Sistemas, Fernando, Arteaga, & Armendariz, 2008; Gutiérrez
Jiménez et al., 2008; Las et al., 2014; Velasco Roldán, Goyos Pérez, Delgado
García, & Amores, 2016).
Dosificación
del mortero.
La
dosificación del mortero viene recomendad=
a en
base a la Norma (INEN 488,2009).
Elaboración
de las probetas de material compuesto.
Debido
a que no se disponen de datos previos sobre la mezcla de fibras
de cabuya y morteros de cemento en los cuales basarse, se decide realizar un
barrido preliminar de proporciones cemento/arena manteniendo constante las
proporciones de los componentes de la matriz cementici=
a
y se varía la concentración de las fibras=
de
cabuya. Esta experiencia sirve para determinar el nivel de trabajabilidad d=
e la
muestra.
Luego
del análisis de las experiencias más cercanas con @=
257;bras
vegetales como refuerzo de materiales constructivos, se puede observar que
existe un espectro muy amplio de porcentajes de refuerzo que van desde el 0=
,5 %
al 16 % inclusive
varios ensayos coinciden en que el uso de fibras
en una proporción de 0.5 % en peso es la más adecuada, tanto para tensión c=
omo
para compresión, independientemente de la edad de la probeta a la hora de h=
acer
el ensayo.
El comportamiento gen=
eral
es una reducción de la resistencia a medida que el refuerzo
Ensayo
de fluidez en morteros.
Este
tipo de ensayo se emplea para determinar si el contenido de agua que se
encuentra en la mezcla es suficiente para
proporcionar fluidez en el mortero, para =
esto
se utilizó la Norma (INEN 2502,2009) y se emplea la relación mostrada en la
Ecuación 1.
Donde:
=
=
Resistencia
a flexión y compresión de morteros
El estudio se centró básicamente en el estudio de =
la
resistencia de las probetas tanto a flexión
como a compresión bajo la Norma (INEN 198,2009), esta norma establece los
métodos para determinar la resistencia a flexión=
y a la compresión de morteros de cemento hidráulico.
El
ensayo consiste en aplicar una carga con una velocidad de 5 kPa/s en el cen=
tro
de la probeta que se coloca de forma biapoyada =
con
una luz de 100 mm. La resistencia a flexión se calcula a partir de la siguiente
expresión:
Donde:
Rf =
: Resistencia a la
M :
Momento flector (módulo de rotura) [Nmm].
b :
Arista de la sección cuadrada del prisma [mm].
=
Pf =
: Carga a la rotura a =
la flexión [N].
l :
Distancia entre los apoyos [mm].
Como
l =3D 100mm y b =3D 40mm la ecuación anterior se simpl=
ifica
a:
Para
el ensayo de compresión se utiliza la máquina universal con una velocidad de
carga de 240 kPa/s sobre una superficie
cuadrada de 4 x 4 cm2 correspondiente a uno de los lados de las
probetas resultantes de la rotura del ensayo de ᤙ=
8;exión.
La resistencia a la compresión se determina por medio de la siguiente ecuac=
ión:
Donde:
Rc<=
/i> : Resistencia a la
compresión [MPa].
Pc :
Carga de rotura a la compresión [N].
b :
Arista de la sección cuadrada del prisma [mm].
Como
b =3D 40mm la ecuación anterior se simplifica a:
Conductividad
térmica.
Para
la prueba de conductividad se ejecuta según lo indicado en la norma (ASTM:
C177, 1992), se prepararon diez muestras de mortero con las concentraciones=
de fibra de cabuya indicadas en la tabla, las
dimensiones de los especímenes deben ser de 300 mm x 300 mm x 50 mm. La conductividad térmica se denota por la siguien=
te
expresión:
Donde:
Calor
específico.
Para
determinar el calor específico de las mue=
stras
a diferentes temperaturas se hizo referencia a la norma (ASTM E1269, 2001) =
que
establece un método de prueba estándar para determinar la capacidad calóric=
a específica mediante calorimetría diferencial de=
barrido.
Donde:
Cp(s) : Capacidad calorífica específica de la muestra. [J(gK)-1].
Ds
:
Desplazamiento vertical entre el porta-muestras y la muestra de las curvas
térmicas DSC en un temperatura. [mW]
Resu=
ltados.
Dosificación del
mortero.
Para
la dosificación del mortero para esta investigación se determina la combina=
ción
óptima a partir del ensayo de fluidez sie=
ndo la
indicada la dosis 2 de la Tabla
1, misma que sirve como base para =
la
elaboración del material compuesto.
Tabla 1. Dosificación del mortero.
|
|
Cemento |
Arena |
Relación A/c |
|
Dosis 1 |
1 |
2,75 |
0,485 |
|
Dosis 2 |
1 |
2 |
0,65 |
|
|
|
|
|
Elaboración de las
probetas de material compuesto.
Para
la elaboración de las muestras se construyeron seis moldes prismáticos en acero con dimensiones 40 x 40=
x 160
mm a los cuales se les aplicó un agente desencofrante<=
/span>
a los moldes para facilitar el desprendimiento cuando se encuentren
endurecidos. Una vez elaborada las mezclas de mortero con las dosificaciones mencionadas en la Tabla
1, se llenan los moldes en dos cap=
as,
cada capa se compactada 32 veces en 4 rondas y en cada ronda se compacta co=
n 8
golpes en dirección perpendicular a la anterior como se indica en la ĄError!
No se encuentra el origen de la referencia.. Se deben
completar 4 rondas de apisonado del mortero en un prisma antes de pasar al
siguiente.
Al
finalizar la compactación se retira con u=
na
espátula el exceso de mortero que hay en el borde del molde y se alisa la <=
span
class=3DSpellE>superficie.
Figura.
Ensayo de =
fluidez
en morteros
La fluidez del mortero
endurecido a los 28 dias se determina en la Tabla
2, donde la muestra M3 presenta el
flujo en el rango permisible del mortero para revestimientos.
Tabla 2. =
Fluidez de
materiales compuestos de mortero - cemento en función de la fracción
volumétrica de fibra de 28 dias de curado.
|
DETERMINACIÓN FLUIDEZ (FLUJO) (фprom-фbase)*100/фbase) |
||||
|
MUESTRA |
AGUA (g.) |
ф (mortero) (cm.) |
ф (base) (cm.) |
FLUJO (%) |
|
M1 |
325 |
21,7 |
10 |
116,5 |
|
21,6 |
10 |
|||
|
21,7 |
10 |
|||
|
21,6 |
10 |
|||
|
M2 |
325 |
20,6 |
10 |
103 |
|
20,2 |
10 |
|||
|
20,2 |
10 |
|||
|
20,2 |
10 |
|||
|
M3 |
325 |
19,8 |
10 |
96,5 |
|
19,3 |
10 |
|||
|
19,7 |
10 |
|||
|
19,8 |
10 |
|||
|
M4 |
325 |
18 |
10 |
81,5 |
|
18,3 |
10 |
|||
|
18,1 |
10 |
|||
|
18,2 |
10 |
|||
|
M5 |
325 |
17,2 |
10 |
69,75 |
|
17 |
10 |
|||
|
16,9 |
10 |
|||
|
16,8 |
10 |
1.1.1 =
Resistencia a flexión
y compresión de morteros
La flexión a tres puntos se
incrementó respecto al de la matriz cementicia =
para
todos los materiales compuestos de mortero - cabuya, como se muestra en la =
Figura.
2. Para los materiales
fabricados con fibra de cabuya de 15 mm en todas las fracciones volumétricas
analizadas, el módulo a la flexión sufrió un incremento comprendido entre e=
l 6
y 16%.
Tabla
|
FLEXIÓN 28D SECO |
||||
|
|
KN |
TON |
|
Rf Mpa |
|
M1 |
2,1070 |
0,2149 |
0,2094 |
4,8128 |
|
2,4110 |
0,2459 |
|||
|
2,5610 |
0,2612 |
|||
|
2,0000 |
0,2039 |
|||
|
M2 |
2,2210 |
0,2265 |
0,2236 |
5,1386 |
|
2,3130 |
0,2359 |
|||
|
1,9460 |
0,1984 |
|||
|
2,1640 |
0,2207 |
|||
|
M3 |
2,5310 |
0,2581 |
0,2310 |
5,3097 |
|
2,6160 |
0,2668 |
|||
|
2,0510 |
0,2091 |
|||
|
2,0000 |
0,2039 |
|||
|
M4 |
2,5370 |
0,2587 |
0,2523 |
5,7995 |
|
2,4230 |
0,2471 |
|||
|
2,6130 |
0,2665 |
|||
|
2,4120 |
0,2460 |
|||
|
M5 |
2,9170 |
0,2975 |
0,3017 |
6,9339 |
|
3,2900 |
0,3355 |
|||
|
2,8590 |
0,2915 |
|||
|
3,0000 |
0,3059 |
Figura=
. 2 <=
/span>Flexión de
materiales compuestos de mortero - cemento en función de la fracción
volumétrica de fibra de 28 dias de curado.
Los
resultados del ensayo de
flexión permitieron verificar el aumento en la rigidez de los
materiales compuestos obtenidos en relación a la matriz cementicia,
apreciando la marcada influencia de la fibra en estas propiedades mecánicas=
.
Los
resultados del ensayo a compresión se incrementó
respecto al de la matriz cementicia para todos =
los
materiales compuestos de mortero - cabuya, como se muestra en la REF _Ref499593425 \h \* MERGEFORMAT Figura.
3=
Figura.
2. Para los materiales
fabricados con fibra de cabuya de 15 mm en todas las fracciones volumétricas
analizadas, la compresión sufrió un incremento comprendido entre el 2 y 29%=
.
Tabla
|
COMPRESION 28D SECO |
||||
|
|
TON |
KN |
|
Rc Mpa |
|
M1 |
3,1090 |
30,4888 |
3,1155 |
19,0954 |
|
3,1210 |
30,6064 |
|||
|
2,8580 |
28,0273 |
|||
|
3,0040 |
29,4591 |
|||
|
3,0230 |
29,6454 |
|||
|
3,1220 |
30,6162 |
|||
|
M2 |
3,2250 |
31,6263 |
3,1900 |
19,5520 |
|
3,0890 |
30,2926 |
|||
|
3,1210 |
30,6064 |
|||
|
3,1370 |
30,7633 |
|||
|
3,1680 |
31,0674 |
|||
|
3,1550 |
30,9399 |
|||
|
M3 |
3,5650 |
34,9606 |
3,5115 |
21,5225 |
|
3,0720 |
30,1259 |
|||
|
3,6640 |
35,9314 |
|||
|
3,2950 |
32,3128 |
|||
|
3,5610 |
34,9214 |
|||
|
3,4580 |
33,9113 |
|||
|
M4 |
3,7910 |
37,1769 |
3,7215 |
22,8097 |
|
3,7100 |
36,3825 |
|||
|
3,2950 |
32,3128 |
|||
|
3,8210 |
37,4711 |
|||
|
3,6540 |
35,8334 |
|||
|
3,6520 |
35,8138 |
|||
|
M5 |
4,51 |
44,21 |
4,44 |
27,18 |
|
4,27 |
41,83 |
|||
|
4,43 |
43,46 |
|||
|
4,26 |
41,82 |
|||
|
4,37 |
42,83 |
|||
|
4,36 |
42,78 |
Figura. 3 <=
/span>Compresión de
materiales compuestos de mortero - cemento en función de la fracción
volumétrica de fibra de 28 dias de curado.
Los
resultados del ensayo de
compresión permitieron verificar el aumento en la rigidez de =
los
materiales compuestos obtenidos en relación a la matriz cementicia,
pudiéndose apreciar la marcada influencia de la fibra en estas propiedades
mecánicas.
Conductividad tér=
mica.
La
conductividad térmica
incrementó respecto al de la matriz ceme=
nticia
para todos los materiales compuestos de mortero - cabuya, como se muestra e=
n la
Figura.
4. Para los materiales
fabricados con fibra de cabuya de 15 mm en todas las fracciones volumétricas
analizadas, el módulo a la flexión sufrió un incremento comprendido entre e=
l 8
y 22%.
Tabla
|
CONCENTRACIÓN |
λ (W/°K m) |
|
0 |
1,247 |
|
0,25 |
1,152 |
|
0,5 |
1,102 |
|
0,75 |
1,056 |
|
1 |
1,019 |
Figura. 4 <=
/span>Conductividad
térmica de materiales compuestos de mortero - cemento en función de la frac=
ción
volumétrica de fibra de 28 dias de curado.
Los
resultados del ensayo de
conductividad térmica de
los materiales compuestos obtenidos en relación a la matriz cementicia,
pudiéndose apreciar la marcada influencia de la fibra en estas propiedades
térmicas.
Conclusiones.
ˇ&nb=
sp;
El porcenta=
je de
fibra aceptable para la
matriz cementicia fue de 0,50 %, =
desde
el punto de vista de la fluidez al agregar una cantidad mayor de fibra
disminuye el flujo y la mezcla se vuelve menos manejable.
ˇ =
La dosifica=
ción
óptima para fabricar la matriz cementicia es 1:=
2 con
una relación de agua/cemento de 0.65, obteniendo una resistencia a los 28 d=
ías
de 31,9 kN.
ˇ<=
span
style=3D'font:7.0pt "Times New Roman"'> =
El esfuerzo máximo =
a la
compresión y
flexión, incrementaron 9 y 11% para los materiales compuestos reforzados con
fibra corta de cabuya con respecto a las correspondientes propiedades de la
matriz cementicia.
ˇ<=
span
style=3D'font:7.0pt "Times New Roman"'> =
Al usar fibras de
cabuya, el comportamiento a flexión y compresión del mortero reforzado
evidencia incremento en la ductilidad.
ˇ<=
span
style=3D'font:7.0pt "Times New Roman"'> =
La conductividad
térmica, disminuyó el 13% para los materiales compuestos reforzados con fib=
ra
corta de cabuya con respecto a las correspondientes propiedades de la matri=
z cementicia, disminuyendo así la conducción del calor.=
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Delgado García, R., & Amores, L. F. (2016). Instalación para medición de
conductividad térmica en composites basados en residuos de biomasa. =
Enfoque UTE, 7(2), 6981. Retriev=
ed
from
http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/index.php/revista/article/view/96%0=
Ahttp://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/index.php/revista/article/download=
/96/101
Vidaud, E. (2015). Una aproximaci=
ón a
los concretos reforzados con fibras, 3035.
PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Párraga Palacios, Ánge= l, Intriago Rodríguez, S., Velasco Fuentes., E., Cedeńo Quinto, V., Cedeńo Qui= nto, V., Murillo Párraga, N., & Zambrano Gavilanes, F. (2019). Producción de energía eólica en Ecuador. Ciencia Digital, 3(3), 22-32. https://doi.org/1= 0.33262/cienciadigital.v3i3.610
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[1] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Cienci=
as.
Macas, Ecuador. marco.ordonez@esp=
och.edu.ec.
[2] <=
span
lang=3DES-EC style=3D'font-size:10.0pt;line-height:115%;font-family:"Times =
New Roman",serif;
mso-fareast-font-family:"Times New Roman";mso-fareast-theme-font:major-fare=
ast;
mso-ansi-language:ES-EC'>Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facult=
ad
de Ciencias. Macas, Ecuador. paola.arcos@espoch.edu.ec.
[3] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias. Ma= cas, Ecuador. william.ibaniez@espoch.edu.ec.
[4] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias. Ma= cas, Ecuador. eduardo.cazar@espoch.edu.ec.
www.cienciadigital.org
=
Vol.
3, N°3 p. 33-48, julio - septiembre, 201