Mejoramiento de las propiedades mecánicas del adobe compactado

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1 vol. 5 núm. 1 Naturaleza y Desarrollo enero - junio 2007 Mejoramiento de las propiedades mecánicas del adobe compactado Valentín Juventino Morales-Domínguez, Margarito Ortiz-Guzmán y Rafael Alavéz-Ramírez CIIDIR Unidad Oaxaca, IPN. Hornos 1003, Sta. Cruz Xoxocotlán, México, C.P México Valentin_md@yahoo.com.mx Resumen El adobe compactado presenta mejores características mecánicas que el adobe tradicional, sin embargo, requiere de estudios y experimentaciones para mejorar su calidad. Para el desarrollo de la investigación se elaboraron series de cinco adobes compactados, sin cementante y estabilizados con ocho porcentajes de cemento que variaron entre el 2 % y el 16 % en peso. Las probetas fueron sometidas a ensayos de flexión, compresión y absorción para observar su comportamiento. Empleando adobes estabilizados con 8% de cemento se construyeron muretes junteados con morteros cemento-suelo en proporciones volumétricas de 1:2 a 1:5 y se realizaron pruebas de adherencia. Los resultados revelan una mejoría en la resistencia del adobe para porcentajes de cemento del 2 % al 8 % con 28 días de curado, y buena adherencia cuando se emplearon morteros 1:2 y 1:3 para su junteo. Palabras clave: Adobe compactado, construcción, mejoramiento, viviendas. Abstract Compressed adobe possesses better mechanical characteristics than traditional adobe. Although this requires study and experimentation in order to improve quality. For the development of this research, a series of five compressed adobes were made, without cement and stabilized with eight percent cement. This caused a weight variation between 2% and 16%. The samples were tested for flexim, compression and absorption in order to observe their performance. Walls cemented with cement-soil mortar were constructed from adobes stabilized with 8% cement, in volumetric proportions from 1:2 to 1:5. Adherence tests were carried out. The results show an improvement in resistance of the adobe with proportions of cement from 2% to 8% for 28 days of curing. This showed good adherence when mortar in proportions of 1:2 and 1:3 were used in their joining. Key words: compacted adobe, construction, improvement, housing. Introducción Los procesos constructivos de viviendas originan actividades con impactos negativos hacia el medio ambiente, tanto por los materiales que se emplean como por los procesos mismos. El adobe es un material regional, empleado para la construcción de muros en viviendas, y cuyo proceso de fabricación es amigable con el medio ambiente, sin embargo su uso ha ido decreciendo, debido a su mal comportamiento ante sismos e inundaciones, por lo que los reglamentos de construcción no le confieren valor estructural alguno. El adobe compactado surge como una alternativa para retomar el uso del suelo como material de construcción, debido a que presenta mejores características mecánicas, al mejorar el proceso de fabricación y propiedades estructurales proporcionadas por el proceso de compactación (Khedari et al., 2005), (Ghavami et al., 1999), (Youngquist et al., 1996), (Walter et al., 1995), (Reddy, 1998), pero requiere de estudios y experimentaciones para mejorar su calidad. El objetivo del presente trabajo de investigación, fue mejorar las características mecánicas del adobe compactado respecto a estudios previos que se han venido desarrollando en el estado de Oaxaca (Jiménez et al., 1990), mediante la adición de diferentes porcentajes de cemento Pórtland. «Por otra parte muchas personas consideran que vivir en casas construidas con barro es sinónimo de retraso cultural y de insalubridad, debido al desprestigio que ha sufrido este material al ser considerado subdesarrollado y de mala calidad», (Viqueira 2004), es por ello importante mejorar las técnicas y materiales sin que pierdan sus propiedades naturales. Materiales y métodos Estudio de mezclas para el mejoramiento del adobe Para elaborar el adobe compactado, se seleccionó y caracterizó un banco de material, que fuera representativo del material de mayor explotación de los valles centrales de Oaxaca -que generalmente es empleado en la construcción de terracerías-, cuyas propiedades granulométricas y plásticas son adecuadas para la fabricación de los adobes. Se buscó que las características de los adobes compactados tuvieran la menor variación posible, por lo que se intentó disminuir variables como: 41

2 Valentín Juventino Morales-Domínguez, Margarito Ortiz-Gúzman y Rafael Alavéz-Ramirez temperatura, humedad, grado de compacidad, mezclado y manejo de los especímenes, entre las más importantes, que nos dieran productos muy heterogéneos, para eso se procedió a hacer el diseño de mezclas. Se elaboró una hoja de cálculo en donde con los datos de: dimensiones de los adobes y número de estos, peso húmedo de una muestra del suelo por estabilizar incluyendo su cápsula, peso seco de una muestra del suelo por estabilizar incluyendo su cápsula, peso de la cápsula, % en peso del estabilizante cemento-, peso específico seco por alcanzar y humedad de compactación, y con la propuesta tentativa de una cierta cantidad de material, se obtuvo: la cantidad de material húmedo requerido para elaborar cada adobe compactado, la cantidad de agua requerida para mezclado y necesaria para alcanzar la humedad especificada, incluyendo la relativa al cemento por agregar, la cantidad de cemento para estabilizar, la cantidad de suelo propuesta y el peso total de la muestra húmeda y estabilizada (figura 1). Una vez realizados los cálculos se elaboraron las mezclas en una revolvedora con motor de gasolina y capacidad de un saco, mezclando entre 5 y 10 minutos, cuidando que no se aglutinaran los agregados. Terminado el tiempo de mezclado, el material se depositó en una tina humedecida y se disgregaron los escasos grumos que se presentaron. La mezcla elaborada fue cubierta con franelas húmedas para que el material no perdiera humedad, se tomaron porciones de la mezcla y fueron pesadas en una charola previamente humedecida y de peso conocido; dicho material fue depositado en el molde de la máquina compactadora y se le aplicó por medio de una palanca la carga necesaria para elaborar el adobe compactado (figura 2). Una vez compactado el adobe se extrajo cuidadosamente del molde y fue transportado al lugar de su curado, con mucho cuidado, para evitar deformarlo. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO INTERDISCIPLINARIO DE INVESTIGACIÓN PARA EL DESARROLLO INTEGRAL REGIONAL, UNIDAD OAXACA OBRA: Material de banco. ENSAYE NUMERO: UBICACIÓN: San Javier Xoxocotlán, Oax. FECHA DE INICIACION: ESTUDIO: mezclas para la elaboración de adobes compactados. FECHA DE INFORME: SOLICITÓ: Ingeniero Margarito Ortiz Guzmán SONDEO N MUESTRA N 1 20-Oct Oct-05 1 DATOS PESO ESPECIFICO SECO MAXIMO DE LABORATORIO = 2032 kg/m 3 TOTAL DE MATERIAL HUMEDO NECESARIO = kg HUMEDAD OPTIMA= 10.5 % TOTAL DE LA MEZCLA = kg PESO DE LA MUESTRA TOTAL = 36 kg PESO DE LA MUESTRA TOTAL (SECA) = kg HUMEDAD DE COMPACTACIÓN = 9.5 % CEMENTO POR AGREGAR = % PESO ESPECÍFICO DEL ADOBE SECO = 1780 kg/m 3 CEMENTO POR AGREGAR = kg GRADO DE COMPACTACIÓN = % RELACION AGUA CEMENTO = PESO DE LA MUESTRA HÚMEDA = kg AGUA DE MEZCLADO POR AGREGAR = L NÚMERO DE ADOBES = 5 PIEZAS MATERIAL NECESARIO = kg AGUA DE MEZCLADO TOTAL POR AGREGAR = L PESO PARA UN ADOBE COMPACTADO = kg Humedad del suelo Prueba No. Cápsula No. Peso cápsula + suelo húmedo Peso cápsula + suelo seco Peso del agua Peso de la cápsula Peso del suelo seco gr gr gr gr gr gr DONDE: L = litros c = compactación A = agua w = humedad l = largo P = peso w 1 = 2.94 a = ancho V = volumen Agua por agregar h = altura g = peso espécifico deseado w 2 w 1 Pm A A % % gr cm 3 L % agua ADOBE COMPACTADO Prueba l a h V No. Peso compactado Peso vol. seco Figura 1. Hoja de cálculo para el diseño de adobes compactados c c/100 g g/1000 w 2 (100+w 2 )/100 V Pw cm cm cm cm 3 kg kg/cm 3 % kg/m 3 kg/m 3 % dm 3 kg , ,

3 vol. 5 núm. 1 Naturaleza y Desarrollo enero - junio 2007 Figura 4. Ensayo a la compresión del adobe compactado mencionada anteriormente. La resistencia (R) en la prueba de compresión se calculó con la siguiente ecuación: Figura 2. Elaboración del adobe compactado Para este experimento se fabricaron cinco piezas de adobe sin cemento que sirvieron como especímenes control, por otra parte, se elaboraron ocho mezclas con porcentajes de cemento que fueron del 2% al 16% -variando un 2% entre cada mezcla-dosificadas en peso, de cada mezcla se analizaron lotes de cinco piezas cada uno (Secretaria de Comunicaciones y Transportes de México, 2000) para hacer un total de 45 piezas ensayadas, las piezas se almacenaron durante 28 días bajo cubierta, protegidas de los rayos del sol y del viento, pasado este tiempo los adobes compactados fueron sometidos a ensayos de flexión, compresión y absorción, para observar su comportamiento. Las pruebas en adobe fueron hechas bajo los criterios que dicta la norma de construcción muestreo y prueba de materiales (Secretaria de Comunicaciones y Transportes de México, 2000). Las pruebas de flexión de adobe se realizaron en una prensa hidráulica de 5 toneladas de capacidad (figura 3) mientras que para las pruebas de compresión de adobe se usó una prensa de 120 toneladas de capacidad máxima (figura 4), ambas con carga a velocidad constante. La fractura total de los especímenes se alcanzó en un lapso de uno a dos minutos como lo indica la norma R P A (1) Donde P es la carga aplicada (kg) y A es el área de aplicación de la carga P (cm2). La resistencia (R) (kg/cm2) en la prueba de flexión fue calculada con la fórmula: R 3PL 2bd 2 (2) Donde P es la carga máxima indicada en la máquina de prueba (kg), L es la distancia que hay entre los apoyos del espécimen (cm), b es el ancho promedio del espécimen (cm) y d es el espesor o peralte promedio del espécimen (cm). La absorción (figura 5) se calculó mediante la ecuación: %abs 100 x( P2 P1 ) P1 (3) Donde P1 es el peso seco del espécimen (gr), P2 es el peso saturado del espécimen después de una inmersión de 24 horas en agua fría (gr). Figura 3. Ensayo a la flexión del adobe compactado Figura 5. Detalle de la prueba de absorción 43

4 Valentín Juventino Morales-Domínguez, Margarito Ortiz-Gúzman y Rafael Alavéz-Ramirez Estudio de mezclas cemento suelo para el junteo del adobe Fueron analizados cinco muretes conformados cada uno por tres piezas de adobes compactados (NMX-C ), para lo cual se elaboraron 60 piezas de adobes compactados estabilizados con 8 % de cemento en peso, siguiendo el procedimiento empleado en el estudio de mezclas para el mejoramiento del adobe; las piezas se almacenaron durante 28 días, protegidas de los rayos del sol y del viento antes de su uso. El mismo suelo utilizado en la elaboración de los adobes compactados fue analizado como una arena, para emplearlo en las mezclas de mortero, así mismo, para el diseño de las mezclas de mortero utilizadas en el junteo de los adobes compactados, fue empleado como base el Método de las Curvas de Abrams. Cabe mencionar que éste método no contempla diseño de mezclas de mortero, para tal efecto fue necesario adecuarlo y mediante una hoja de cálculo automatizada (figura 6), se obtuvieron dosificaciones volumétricas de cemento y suelo, las cuales se transformaron en peso para trabajarlas en el laboratorio. Por otra parte, el consumo de agua fue determinado con base en mezclas de prueba para garantizar la trabajabilidad del mortero. Una vez realizados los cálculos se procedió a elaborar las mezclas de suelo y cemento, que fueron pesados en una báscula de precisión y se midió el agua con la ayuda de una INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO INTERDISCIPLINARIO DE INVESTIGACIÓN PARA EL DESARROLLO INTEGRAL REGIONAL, UNIDAD OAXACA Prop. 1:2 en volumen Arena Banco San Javier. Cemento Cruz Azul tipo II con puzolana (CPP30R) Arena Grava Cemento Agua P.V.S.S. Kg./m3: Densidad: Absorción: Módulo de finura: 2 Tamaño máximo: Nº 4 1 " Condiciones de trabajo: R (N=normal, R=rígidas) Fatiga de carga: 180 kg/cm 2 Revenimiento: 10 cms. Relación A/C en peso: 0.69 Cons. De agua: lts. Relación G/S en peso: 0.00 Rel. A/C en vol.: Cemento: L Rel. G/S en vol.: Agua+cemento: L Grava+arena: Lts. Arena: L Grava: 0.00 Lts. Cantidades en Pesos MATERIALES: Litros Densidad Kilogramos Unitarios Cemento: Agua: Arena: Grava: Peso en Volumen Relación en Volúmenes Peso en MATERIALES: Kilogramos en litros volumen absolutos Kg/m 3 Cemento: Agua: Arena: Grava: Figura 6. Hoja de cálculo para el diseño de mezclas de mortero 44

5 vol. 5 núm. 1 Naturaleza y Desarrollo enero - junio 2007 probeta graduada, una vez preparados todos los materiales fueron mezclados en una revolvedora de motor eléctrico con capacidad de 20 litros, previo a la introducción de los materiales, la revolvedora se humedeció para que no absorbiera humedad de la mezcla. El tiempo de mezclado fue entre 2 y 5 minutos, hasta homogeneizar la mezcla; terminado el tiempo de mezclado, el material fue depositado en una charola húmeda y se iniciaron los trabajos de junteo de adobes, según lo indica la norma Determinación del esfuerzo de adherencia de los ladrillos cerámicos y el mortero de las juntas (NMX-C ), los adobes se marcaron a un tercio de su longitud, quedando ésta libre de mortero, posteriormente se humedecieron mediante su inmersión en agua durante 15 segundos y se unieron tres piezas con el mortero fabricado (figura 7). Figura 8. Ensayo de adherencia en muretes de adobe compactado Resultados Figura 7. Elaboración de probetas para la prueba de adherencia. Para este experimento se elaboraron cuatro mezclas con proporciones 1:2, 1:3, 1:4 y 1:5 de cemento y suelo respectivamente, para cada mezcla se elaboraron cinco especímenes conformados por tres adobes compactados cada uno. De cada una de las mezclas se elaboraron seis cubos con dimensiones de 5 x 5 x 5 cm, para determinar la resistencia del mortero. Los especímenes de adobe se dejaron bajo cubierta, protegidos del viento y los rayos solares, durante 28 días, en tanto que la mitad de los cubos elaborados tres por mezcla- se dejaron junto a los adobes y los tres restantes se introdujeron al cuarto húmedo con una humedad relativa del 96% y temperaturas promedio de 23 ºC. A los 28 días después de elaboradas las mezclas, se ensayaron los cubos de mortero y los especímenes de adobe compactado (figura 8). El banco de materiales presenta un material clasificado como una arena arcillosa con un límite líquido de 23.3 %, límite plástico de 15.8 %, índice plástico de 7.5 % y contracción lineal de 4.7 %; acusa una granulometría fina con un módulo de finura de 1.31 y 31% de material pasa la malla número 200, una densidad de 2.44 y una absorción de 6.8%. Después de realizadas las pruebas se encontró que la resistencia a la compresión de los adobes compactados, tanto a la primera grieta como a la ruptura total, se incrementó notablemente con los contenidos del 4% al 8% de cemento en la mezcla, respecto a los adobes control; a partir del 8% y hasta el 16% se observan incrementos moderados (figura 9); respecto a las pruebas de flexión se observó una pérdida de ésta al adicionarle cemento a la mezcla, misma que es recuperada en los porcentajes de 12% y superiores de cemento (figura 10). Respecto a las pruebas de absorción en agua durante 24 horas, se detectó una ligera disminución conforme se incrementó la presencia de cemento en la mezcla (figura 11). Por otra parte las pruebas de adherencia mostraron que los mejores resultados se obtuvieron con morteros 1:2 y 1:3 en volumen de cemento y suelo (figura 12). Durante la experimentación se observó una marcada diferencia entre las resistencias a la compresión, obtenidas entre los cubos de mortero curados y los que no fueron curados (figura 13). La prueba de adherencia en muretes fue desarrollada en un marco de carga con capacidad máxima de 30 toneladas. Para el cálculo del esfuerzo de adherencia (A) fue empleada la siguiente ecuación: 3P A 4 al Donde P es la carga máxima que logra despegar los ladrillos (kg), 1 es el largo del ladrillo (cm) y a la otra dimensión (cm). (4) 45 Discusión Se observaron bajas resistencias de los adobes compactados con porcentajes bajos de material estabilizante, lo que se atribuye a las reacciones químicas de las mezclas debido a que con pequeñas cantidades de cemento, se produce un efecto de encapsulamiento de las partículas de arcilla sobre las del cemento, obteniéndose por ello una estructura interna débil, y que sucede entre los valores de 3% a 5% de cemento en peso (De la Fuente, 1995). Durante la prueba de absorción

6 Valentín Juventino Morales-Domínguez, Margarito Ortiz-Gúzman y Rafael Alavéz-Ramirez 120 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN POR PORCENTAJE DE CEMENTO 100 Resistencia (kg/cm 2 ) % de cemento Resist. a la ruptura Resist. a la primera grieta Figura 9. Resistencia de los adobes compactados RESISTENCIA A LA FLEXIÓN POR PORCENTAJE DE CEMENTO Resistencia (kg/cm 2 ) % de cemento Figura 10. Resistencia a la flexión de los adobes AB S OR C IÓN P OR P OR C E N T AJE D E C EME N T O Absorción % % de cem ento Figura 11. Prueba de absorción, en donde el primer valor muestra el deterioro del adobe 46

7 vol. 5 núm. 1 Naturaleza y Desarrollo enero - junio 2007 ES FUERZO DE ADHERENCIA PROMEDIO :2 Resistencia kg/cm :3 1:4 1: Proporción volumétrica Figura 12. Adherencia de mortero cemento-suelo con el adobe compactado 210 RES IS TENCIA A LA COMPRES IÓN EN CUBOS DE MORTERO A LA EDAD DE 28 DIAS 180 Resistencia (kg/cm 2 ) Curados Partes de arena por una de cemento Sin curar Figura 13. Efectos del curado en el mortero cemento-suelo de agua se observó que los adobes elaborados sin cemento se disgregaron durante las primeras horas de prueba, algunos de los adobes que se elaboraron con un 2% de cemento en peso, se disgregaron en el transcurso de la realización de la misma y el resto de los adobes compactados elaborados con un 4% hasta un 16% de cemento en peso, mantuvieron su forma original aunque con bajos porcentajes de cemento presentaron despostilladuras; consideramos que esta prueba es importante ya que uno de los principales problemas del adobe tradicional es su mal comportamiento ante el intemperismo y su comportamiento al ser sumergidos en agua nos indican cualitativamente su resistencia ante este fenómeno. Las mezclas elaboradas con el material de banco y cemento para el junteo de los muretes de adobe compactado, presentaron una buena trabajabilidad, parecida a un mortero cemento-cal-arena, comúnmente usado en el junteo de 47 muros de arcilla recocida. El esfuerzo de adherencia disminuyó conforme aumentó la proporción del suelo en la mezcla; comparando los resultados con los requisitos de la norma N-CMT /02 Ladrillos y bloques cerámicos, se obtuvo que la mezcla 1:2 satisface el grado de calidad A y la 1:3 el B. Conclusiones La adición del cemento tipo Pórtland como estabilizante en los adobes compactados, contribuye a mejorar notablemente las características mecánicas. El estudio de mezclas es necesario para definir la cantidad de cemento adecuado para asegurar un buen comportamiento estructural del adobe compactado. El curado mediante riegos de agua a los muros es importante para tener mejores resistencias en las juntas.

8 Valentín Juventino Morales-Domínguez, Margarito Ortiz-Gúzman y Rafael Alavéz-Ramirez Es factible utilizar el material con el que se fabrican los adobes compactados, para la elaboración de morteros con cemento Pórtland y emplearlos en el junteo de los adobes. El mejoramiento del adobe fomenta el uso de la tierra como material de construcción. Agradecimientos Se reconoce el apoyo financiero para el desarrollo de este proyecto al CIIDIR-IPN a través del proyecto mejoramiento del adobe compactado para la construcción económica de viviendas en el estado de Oaxaca, clave SIP También se reconoce el apoyo de la Fundación Harp Helú. Referencias De la Fuente Lavalle, E., Suelo-cemento, usos propiedades y aplicaciones. Editorial IMCYC, México. Ghavami K, Filho RDT and Barbosa N, Behaviour of composite soil reinforced with natural fibers, Cement & Concrete Composites, 21, pp Jiménez R. T, et. al. (1990). Guía para la fabricación de adobe compactado, utilizando máquina manual construida en el CIIDIR Unidad Oaxaca. Cuaderno de Investigación N 10 del CIIDIR Unidad Oaxaca, México. Khedari Joseph, Watsanasathaporn Pornnapa and Hirunlabh Jongjit, Development of fibre-based soil-cement block with low thermal conductivity, Cement & Concrete Composites, 27, pp Reddy B.V., Steam-cured stabilized soil blocks for masonry construction, International Journal Energy Building, 29, pp Rodríguez Viqueira, M., La arquitectura de tierra. Introducción a la arquitectura bioclimática. Ed. Limusa. UAM. p. 81. Secretaria de Comercio y Fomento Industrial, Norma Mexicana NMX-C Determinación del Esfuerzo de Adherencia de los ladrillos cerámicos y el mortero de las juntas. México. Secretaria de Comercio y Fomento Industrial, Norma Mexicana NMX-C Determinación de la Resistencia a la Compresión de Cementantes Hidráulicos. México. Secretaría de Comunicaciones y Transportes, Normas de construcción: Muestreo y Pruebas de materiales, Parte Segunda, Tomo IX: México. Secretaría de Comunicaciones y Transportes, N-CMT /02 Ladrillos y bloques cerámicos Libro: CMT. Características de los materiales, parte 2: México Youngquist J.A., Agricultural fibers for use in building components, Newa: The Center for Resourceful Building Technology and environmental Building, pp Walker P.J.,1995. Strength, durability and shrinkage characteristics of cement stabilized soil blocks, Cement & Concrete Composites, 17, pp