EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FRACTURA DE LOS LADRILLOS DE BARRO FABRICADOS POR COMPRESIÓN

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1 UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA JOSÉ SIMEÓN CAÑAS EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FRACTURA DE LOS LADRILLOS DE BARRO FABRICADOS POR COMPRESIÓN TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PARA OPTAR AL GRADO DE INGENIERO MECÁNICO POR EDWIN OSWALDO CUELLAR HENRÍQUEZ JUVER CRISTIAN PORTILLO BARRERA MARIO ALFREDO RENDEROS CARTAGENA FRANCISCO ALBERTO VIDES CAÑAS OCTUBRE 2006 SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C.A.

2 RECTOR JOSÉ MARÍA TOJEIRA, S.J. SECRETARIO GENERAL RENÉ ALBERTO ZELAYA DECANA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA CELINA PÉREZ RIVERA COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA MARIO WILFREDO CHÁVEZ DIRECTOR DEL TRABAJO CARLOS ERNESTO RIVAS LECTOR MARY PATRICE MÉNDEZ HERRERA

3 AGRADECIMIENTOS. A Dios Todopoderoso. Ing. Carlos Rivas Director del Trabajo de Graduación. Universidad Centro Americana José Simeón Cañas, UCA. Ing. Mario Chávez Coordinador de la Carrera de Ingeniería Mecánica. Universidad Centro Americana José Simeón Cañas, UCA. Ing. Ismael Antonio Sánchez Jefe del Departamento de Ciencias Fluídicas y Energéticas. Universidad Centro Americana José Simeón Cañas, UCA. Padre José María Tojeira, S.J. Rector. Universidad Centro Americana José Simeón Cañas, UCA. Dr. Jorge E. González Cruz Profesor, Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad de Santa Clara, SCU. Dr. Mark Aschheim Profesor, Departamento de Ingeniería Civil. Universidad de Santa Clara, SCU. Don McCubbin Jefe del Laboratorio de Ingeniería Mecánica. Universidad de Santa Clara, SCU. Gary Smith Jefe del Laboratorio de Ingeniería Civil Universidad de Santa Clara, SCU. Barbara Colyar Directora del Departamento de Programas Internacionales. Universidad de Santa Clara, SCU. Victoria Cerna Por su valiosa colaboración en este proyecto. Jymme Lou Volta Por su valiosa colaboración en este proyecto. Dr. Martin J. Fisher Co-Fundador & Director Ejecutivo de KickStart

4 DEDICATORIA. A Dios por iluminarme a lo largo de toda la carrera y haberme concedido este triunfo en la vida. A mis padres Mario y Gladis por apoyarme y ayudarme en todo momento de mi vida, haberse esforzado tanto por mí para poder darme una buena vida. A mi hermano Luís Mario por estar ahí siempre que lo necesite y ayudarme en todo momento te agradezco mucho hermanito. A Laura Cristina por su apoyo y ejemplo. A todos los familiares y amigos que de una y otra forma me apoyaron, en especial a Victoria Cerna y Jymme Lou Volta por todo su apoyo incondicional y desinteresado, muchas gracias. Edwin Cuellar. Al Creador, por guiarme en el buen camino, escucharme y ayudarme en los momentos más difíciles de mi vida. A mis padres, por su apoyo incondicional y haber confiado en mí, por estar presentes en esos momentos de duda, proporcionándome consuelo y consejos sabios, fortaleciendo y animándome a seguir adelante. Gracias Papá y Mamá. A mi hermana Zulma, por haberme motivado y ayudado a iniciar mis estudios en la universidad. A mis dos hijos Abigail y Eduardo, por que son la luz de mis ojos, por que son mi motivación principal y lo mas hermoso que tengo en la vida. A mis hermanos, por ayudarme y aconsejarme en cada momento que lo necesité. A mis amigos, que de alguna manera me ayudaron con mis problemas, haciendo mi camino un poco más fácil. Juver Portillo. A Dios (por escucharme y alentarme cuando más lo necesité), A mi familia, todos y cada uno (por darme un apoyo tan incondicional y mantener su fe en mí), y A mis amigos (cada uno me ha enseñado algo y ha hecho de este largo camino algo llevadero y hermoso). Mario Renderos. A mis padres, Alberto y Miriam, a mis hermanas Silvia y Celina, a mi hermano Eduardo, y a todos mis familiares, profesores, jefes, amigos y aún desconocidos que me ayudaron y alentaron a seguir este camino hasta el final Francisco Vides.

5 RESUMEN EJECUTIVO. El Salvador se encuentra ubicado en una zona sísmica, por lo que es común que se den temblores con mucha frecuencia. Por ejemplo, los terremotos ocurridos el 13 de enero y 13 de febrero del año 2001 (el primero con una magnitud de 7.8 y el segundo con una de 6.62), mataron a 1100 personas, destruyeron o dañaron el 20% de los hogares en el país, dejando tanto como el 60% de la población sin hogar o residiendo en viviendas de baja calidad (EERI, 2004, vii). Fueron destruidas casas y en algunos municipios tanto como el 86% de las viviendas (sobre todo las edificadas con adobe), se dañaron mas allá de reparación (DIGESTYC 2001). El sistema de construcción mixto (que usa ladrillos de obra), es el más popular en el país. Más del 60% de todas las construcciones en El Salvador lo emplean (EERI 2004). Los objetivos de este trabajo son medir la resistencia de los ladrillos de barro sólido (comúnmente conocido en el medio salvadoreño como ladrillo de obra), y verificar si con un método de manufactura diferente la resistencia de los ladrillos se puede incrementar. Se fabricaron muestras de ladrillos realizando modificaciones al Método Tradicional, para luego medir su resistencia y compararla con la obtenida de las pruebas realizadas a ladrillos fabricados, siempre con el Método Tradicional, pero sin modificar. Las modificaciones al Método Tradicional consistieron en aplicar presión a arcilla pulverizada sin agregarle agua, para lo cual se coloco el polvo de arcilla en un molde de aluminio y se hizo uso de una prensa manual para comprimirla y dar la forma deseada al ladrillo. No se obtuvo el resultado que se esperaba; ya que al final del proceso de quemado el ladrillo resultante podía ser quebrado con las manos sin aplicar mayor fuerza. Debido a lo anterior se planteo una modificación agregar agua a la arcilla pulverizada, pero en una cantidad equivalente al 13% peso-peso. Este porcentaje fue sugerido por el Dr. Mark Aschheim, a esta mezcla arcilla agua se le aplicó de igual forma presión haciendo uso de la prensa manual y un molde de aluminio. El objetivo de las modificaciones en el método es el disminuir la cantidad de grietas que se forman en el secado de los ladrillos, ya que con el método de fabricación actual se crean muchas de ellas durante el proceso de secado. Las grietas actúan como concentradores de esfuerzos en el momento en que los ladrillos son sometidos a diferentes cargas, aumentando la posibilidad de que estos fallen. El proceso utilizado para la manufactura de estos ladrillos es artesanal, y no existe un método estandarizado en todo el país para la fabricación de los ladrillos, sino que el método de elaboración varía en cada zona, así como también las dimensiones geométricas de los ladrillos. Para manufacturarlos no se utiliza ningún tipo de maquinaria motorizada, sino que solamente herramientas manuales. El proceso comienza extrayendo de la tierra los diferentes materiales necesarios para la fabricación de los ladrillos (se necesita tierra blanca y arcilla ). Estas tierras son mezcladas hasta lograr una argamasa de barro homogénea, para luego introducirla en un molde y darle a la mezcla una forma definida. Seguidamente son expuestos al sol para su secado, este proceso depende mucho de las condiciones climáticas, ya que en épocas muy nubladas, la i

6 intensidad de los rayos del sol es menor, lo que alarga el tiempo de exposición para lograr un secado conveniente. Posteriormente son llevados al horno, donde se colocan de forma tal que los gases de combustión fluyan entre todos los ladrillos. El combustible utilizado en el proceso es leña. Esta es consumida en grandes cantidades, produciendo mucho humo y contaminando el medio ambiente. Los ladrillos son expuestos a temperaturas altas por un tiempo de entre 35 a 40 horas aproximadamente, para luego dejarse enfriar, en reposo, hasta que los ladrillos lleguen a un equilibrio térmico con el ambiente a su alrededor (se enfríen). Con esto se llega al final del proceso y están listos para ser comercializados. Se tomaron muestras de diferentes ladrilleras, fueron tres en total, dos ubicadas en Santa Ana y la otra en San Vicente. A estos bloques se les aplicó una prueba en flexión en cuatro puntos, con el fin de determinar su resistencia a la fractura. Para examinar los datos obtenidos se utiliza el modelo de Weibull, que consiste en un análisis estadístico para determinar la probabilidad de falla de un material frágil sometido a un determinado esfuerzo de tensión. Esta es una forma conveniente de comparar los resultados generados por materiales cerámicos bajo el esfuerzo antes mencionado. El método de Weibull se aplicó a las muestras de cada una de las ladrilleras. Hay que mencionar que los ladrillos que se utilizaron como muestras presentaban defectos de manufactura, unos en mayor grado que otros. El defecto más evidente era la presencia de grietas de diferente forma y tamaño, junto con la incrustación de cuerpos extraños dentro del mismo cuerpo del ladrillo (pequeñas piedras pómez, ramitas, piedrecillas de distinto tamaño y forma, eran los más comunes). El material para fabricar los ladrillos no es tamizado. Se presume que todos estos factores influyen en la calidad, ya que sus valores de resistencia a la fractura fueron muy variables (son poco homogéneos), hay grandes diferencias entre el valor de esfuerzo máximo y mínimo encontrado en el conjunto de especimenes. Además se pudo constatar, que en general, El Gráfico de Weibull que representa las muestras de cada ladrillera es diferente; aunque todos ellos tienen en común algo una gran dispersión en los datos de esfuerzo soportado. Parte de los estudios se llevaron a cabo en la Universidad de Santa Clara, California, Estados Unidos de América, continuando con un proyecto de investigación conjunto entre esta universidad californiana y la UCA sobre materiales de construcción alternativos que puedan ser soluciones aplicables en el tercer mundo. En los laboratorios de Santa Clara se fabricaron muestras tanto con el Método por Compresión de Barro con Contenido de Agua del 13%, como con el Método Tradicional, con el fin de poder comparar la resistencia entre ambos tipos ladrillos. Se debe aclarar que la base de este trabajo no radica en un análisis de esfuerzos en los ladrillos manufacturados con el Método del 13% de Contenido de Agua, sino de compararlos en términos de resistencia a la ii

7 fractura con los ladrillos fabricados con el Método Tradicional. Se utilizó el mismo material para ambos técnicas (con arcilla muy diferente a la de El Salvador), ya que la finalidad principal era comparar técnicas y no materiales. La arcilla utilizada para fabricación de las muestras en ambos métodos fue proporcionada por la Universidad de Santa Clara. Los ejemplares fueron manufacturados bajo condiciones similares y sometidos a el mismo tipo de pruebas. La elaboración de los ladrillos fabricados con el Método del 13% de Contenido de Agua, requirió de la ayuda de una prensa manual, que comprimía la arcilla contenida en un molde de aluminio. Los ladrillos fabricados por ambos procedimientos fueron secados, primero exponiéndolos al sol, después en un horno a una temperatura de 100 ºC por 12 horas. Se determinó que el cocimiento final debería ser a temperaturas de entre 800 C y 1000 C, ya que a temperaturas menores a este rango, el material no reaccionaba (no se observan cambios en el material, salvo el color), y a temperaturas más altas el material tiende a fundirse. Todas las muestras se sometieron a la misma temperatura para su horneado final, la cual fue de 875 C por tres horas. Para ello fue utilizado un horno de alta temperatura proporcionado por la Universidad Norteamericana. Los resultados obtenidos en las pruebas realizadas a los ladrillos manufacturados en Santa Clara, reflejan mayor nivel de homogeneidad por parte de los bloques fabricados con el Método del 13% de Contenido de Agua y una mayor resistencia en los del Método Tradicional. Por lo tanto los ladrillos fabricados por el nuevo método resultaron tener un esfuerzo máximo mucho mas homogéneo que los bloques fabricados con el método artesanal, sin embargo este esfuerzo resulto ser menor que el de los ladrillos tradicionales. Lo primero (homogeneidad) se esperaba, ya que al ser un ladrillo con menor cantidad de grietas (o en su caso, reducidas a un tamaño inferior al normal), los valores de esfuerzo soportados deberían de ser parecidos. No hay pruebas de comparación entre el material utilizado en la manufactura de los ladrillos hechos en El Salvador y los elaborados en la Universidad de Santa Clara. Es posible que el material utilizado en la manufactura de los ladrillos muestra en Estados Unidos (por el hecho de haber sido tamizado), fuera intrínsecamente más resistente que el material local salvadoreño. Lo anterior se fundamenta en que los resultados de esfuerzos de los ladrillos artesanales obtenidos de ladrilleras salvadoreñas fueron menores que los de los ladrillos fabricados con el Método Tradicional en Santa Clara. Se recomienda realizar un estudio acerca de los efectos causados por la falta de tamizado y purificación de la materia prima, con el fin de obtener materiales con características físicamente similares (aunque químicamente sean sustancias diferentes), al material utilizado en Santa Clara. iii

8 Se recomienda realizar un experimento orientado a encontrar la causa o causas de la reducción en la resistencia de los ladrillos fabricados con el Método del 13% de Contenido de Agua, con respecto a los ladrillos fabricados con el Método Tradicional. Según los resultados, con esfuerzos menores a 4.2 MPa los ladrillos elaborados con el Método por Compresión de Barro con Contenido de Agua del 13% responderían mejor que los fabricados con el Método Tradicional. En ese punto (4.2 MPa) ambos tipos de ladrillos tienen igual probabilidad de falla. Al aplicar esfuerzos superiores a este valor, los ladrillos elaborados con el Método del 13% de Contenido de Agua presentan una probabilidad de falla mayor que los ladrillos manufacturados con el Método Tradicional, por ejemplo, para un esfuerzo de 8.3 MPa la probabilidad de falla en los ladrillos fabricados con el Método del 13% de Contenido de Agua es de 0.99, mientras que para este mismo esfuerzo (8.3 MPa), la probabilidad de falla para los ladrillos fabricados con el Método Tradicional es de 0.67 Debido a la carencia de un método estándar de fabricación de ladrillos tradicionales, no hay una temperatura ni un tiempo de cocimiento determinado de los ladrillos (en las ladrilleras artesanales), sino que cada fabricante decide cuando el bloque está suficientemente quemado y la cantidad de leña a utilizar, por lo cual se plantea la necesidad de realizar un análisis orientado a encontrar tanto la temperatura, como el tiempo óptimo de cocimiento de los ladrillos. Al principio se planteó es que los ladrillos fabricados sin agua (secos) serían más resistentes que los ladrillos tradicionales. Cómo en Santa Clara no fue posible fabricar ladrillos en seco, se modificó el experimento, se creo el método de Método por Compresión de Barro con Contenido de Agua del 13%, y se buscó verificar si ladrillos con menos humedad que los tradicionales serían más resistentes. A pesar de este cambio de método (se dio a partir de algunos resultados experimentales observados), no se logró obtener ladrillos más resistentes, pero sí más homogéneos. iv

9 ÍNDICE. SIGLAS..vi UNIDADES DE MEDIDA...vi SIMBOLOGÍA...vi PRÓLOGO.. viii v

10 SIGLAS. CA UCA USC ES Estado de California (Estados Unidos de América) Universidad Centroamericana José Simeón Cañas Universidad de Santa Clara El Salvador UNIDADES DE MEDIDA. g gramo lb Libra fuerza MPa Mega Pascal N Newton Pa Pascal psi Libra de fuerza por pulgada cuadrada ºC Grados Celsius SIMBOLOGÍA. a b Cos d exp Constante de la ecuación de la línea recta Ancho de un ladrillo o una muestra fabricada (en promedio) Función trigonométrica coseno Alto (peralte) de un ladrillo o una muestra fabricada (en promedio) Función exponencial F Probabilidad de fractura en la función de Weibull F Probabilidad asignada suponiendo que todos los valores de una muestra de datos son igualmente probables F 1 F 2 i k L ln m P Rx Fuerza de entrada aplicada por el operario de la prensa manual Fuerza de salida en la prensa manual aplicada al ladrillo Número que indica índice correlativo en la linearización de una serie de datos Factor adimensional llamado carga, o factor de estructura en la ecuación de Weibull Longitud entre apoyos inferiores en una prueba de flexión en cuatro puntos Función logaritmo natural Módulo de Weibull Fuerza de fractura en una prueba de flexión en cuatro puntos Fuerza de reacción en dirección horizontal en el diagrama de cuerpo libre de la prensa manual vi

11 Ry x y V e σ σ o Fuerza de reacción en dirección vertical en el diagrama de cuerpo libre de la prensa manual Variable independiente en la ecuación de la línea recta Variable dependiente en la ecuación de la línea recta Volumen específico en la ecuación de probabilidad de fractura de Weibull Esfuerzo de fractura en tensión en una prueba de flexión en cuatro puntos Esfuerzo característico, variable en la ecuación de probabilidad de fractura de Weibull % Porcentaje Grado (ángulo trigonométrico medido entre dos puntos) α Ángulo Alpha θ Ángulo Theta ΣM A Sumatoria de momentos con respecto a el punto A vii

12 PRÓLOGO. El nombre de este documento Evaluación de la resistencia a la fractura de los ladrillos de barro fabricados por compresión, viene del hecho de que para evaluar algo se necesita compararlo con otra cosa, para este caso, los ladrillos elaborados por compresión se compararán contra los ladrillos que se manufacturan siguiendo el método tradicional salvadoreño. Esto es el resultado de las investigaciones realizadas por un grupo de 4 alumnos sobre la formación de grietas en ladrillos de obra hechos de barro. El trabajo fue realizado en colaboración con el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Santa Clara en CA. El primer capítulo presenta una breve descripción del método de manufactura de los ladrillos conocidos comúnmente en el medio salvadoreño como ladrillo de obra. Se describe la importancia de este estudio, la materia prima utilizada y consideraciones sobre ella, variaciones en el método de producción y peculiaridades de los métodos de elaboración, herramientas utilizadas y consideraciones varias que incluyen desde el clima, hasta el quemado y enfriamiento de los ladrillos. El capítulo dos analiza la resistencia de los ladrillos de barro. La primera parte consiste en la descripción del método utilizado para analizar los datos, en este caso, la probabilidad de fractura para materiales frágiles de Weibull, cuyo resultado es la ecuación de Weibull, de la cual se genera el gráfico que sirve para intentar caracterizar la heterogeneidad de resultados. Este es un parámetro característico de cada material. Se inicia con una breve descripción de la prueba de flexión en cuatro puntos (experimento del que se obtienen los datos), junto con una presentación de las variables involucradas. La segunda parte presenta un conjunto de observaciones que permiten describir las diferencias entre los ladrillos comerciales hechos en El Salvador, y una serie de muestras a menor escala fabricados en la Universidad de Santa Clara. Las características que se describen son la materia prima, el método de manufactura, los defectos observados, las herramientas y/o procedimientos utilizados en la elaboración, dimensiones y el porqué de tales restricciones geométricas. Hay una referencia especial en cuanto a la deducción del tiempo y temperatura utilizada en el experimento para cocer los ladrillos. La tercera parte describe el experimento en general, con todas sus partes y procedimientos, desde el planteamiento de la hipótesis que se trata de comprobar, hasta el método que se siguió para determinar su veracidad (experimento). La cuarta parte es un resumen de los resultados obtenidos, presentados en formato conveniente, más una breve interpretación de los mismos. Junto a eso se dan algunas observaciones (señalando tendencias o cosas extrañas que refuercen o contradigan la hipótesis del experimento propuesto). Como complemento, y a forma de comparación, se presentan también viii

13 los Gráficos de Weibull de tres ladrilleras-muestra salvadoreñas que se visitaron en el curso de la investigación. El capítulo tres es un conjunto de conclusiones y recomendaciones que parten de lo observado en la parte de resultados. El esquema para esa parte consiste en primero dar una conclusión y junto a ella una pequeña explicación a modo de aclarar todos los puntos de su contenido. El capítulo termina con algunas recomendaciones que se derivan de las conclusiones antes mencionadas. Al final se presentan cuatro anexos con una descripción del molde utilizado en el experimento (Anexo 1), una descripción de la prensa utilizada en la manufactura de los ladrillos (Anexo 2), una alusión a que parte del trabajo de graduación se desarrolló en la Universidad de Santa Clara, la descripción breve de las dos asignaturas cursadas como parte complementaria al trabajo por los alumnos responsables de este documento (Anexo 3) y una justificación del porqué se escogió la función de probabilidad de fractura de Weibull como método de evaluación de los datos obtenidos de los experimentos junto con la una explicación de cómo implementar el método a una prueba en flexión en 4 puntos (Anexo 4). ix

14 CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE MANUFACTURA DE LADRILLOS DE BARRO POR EL MÉTODO TRADICIONAL. En esta sección se describe el proceso de fabricación de ladrillos de barro (conocido comúnmente en El Salvador como ladrillo de obra ). El objetivo es tener una idea clara del método que se utiliza en la manufactura de este material de construcción. Su importancia deriva del hecho de que la mayoría de viviendas en el país están edificadas con ladrillos de este tipo. En El Salvador no existe un método completamente estandarizado para la elaboración de estos ladrillos, el proceso es levemente diferente en las distintas zonas geográficas, por lo tanto, se describirá sobre las diferencias en el procedimiento de fabricación utilizado en 3 ladrilleras muestra que fueron visitadas (dos de ellas ubicadas en el departamento de Santa Ana, zona occidental del país, y la restante en el departamento de San Vicente, en la zona paracentral). Todos estos establecimientos se caracterizan porque su proceso de manufactura es 100% artesanal (uso intensivo de mano de obra, herramientas sencillas de tipo manual, sin uso de maquinaria de ningún tipo). El proceso inicia con la obtención de materia prima (tierras de diferente tipo, pero como requisito básico debe existir la llamada tierra blanca, que como su nombre lo indica es de color blanco y se distingue por contener calcio. Los otros materiales comunes utilizados en la manufactura son el barro y la tierra negra). La ubicación de la ladrillera depende principalmente de la disponibilidad de materia prima. Este factor es de gran importancia, una ladrillera surge básicamente donde se tiene el recurso de la materia prima necesaria. Hay que tomar en cuenta que no siempre es fácil encontrar terrenos que contengan los materiales antes mencionados en las proporciones adecuadas, y es menos rentable el traslado de materiales de un lugar a otro (no existe un tratamiento ni un control de calidad del material que se utiliza para fabricar los ladrillos, sino que se trabaja tal como se extrae de la naturaleza. Desde acá es difícil esperar que las propiedades mecánicas de este material sean homogéneas). La extracción y la mezcla se hacen en el lugar mismo, en la zona de San Vicente se mezclan tres tipos de materiales: barro, tierra blanca (como se mencionó antes, rica en calcio) y tierra negra, mientras que en la zona de Santa Ana solamente se utilizan 2 tipos: barro y tierra blanca. Para el mezclado de los materiales se utiliza agua. Los fabricantes argumentan que la diferencia en la forma como se utilizan estos materiales (proporciones entre los ingredientes), radica en el tipo de barro con el cual se cuenta. Para caracterizarlo, los ladrilleros utilizan un parámetro que ellos llaman fuerza del barro, y la mezcla 1

15 más adecuada para obtener un ladrillo de buena calidad depende mucho de este factor. La fuerza del barro es un parámetro que se determina por medio de la untuosidad (viscosidad) del barro en si mismo. No existe una escala objetiva para medirla. Se dice que un barro es fuerte cuando tiene alta untuosidad, y se siente muy viscoso al tacto. Incluso es de hacer notar que el tipo y fuerza del barro es diferente en cada ladrillera. Las ladrilleras están ubicadas en zonas donde los tipos de tierras requeridas son abundantes, lo ideal es que se encuentren en el mismo paredón (explotación minera a cielo abierto, por medio de un corte vertical). De no ser así, estas se ubican en lugares donde se encuentren al menos un tipo de tierra, y la otra es transportada hacia el lugar. La figura 1.1 muestra una explotación típica. En ella se observan los diferentes filones (capas de corte horizontal de diferente color, en la zona superior), y un terreno donde se ha preparado la mezcla (parte inferior de la imagen). Figura 1.1. Cantera de extracción de materia prima para manufactura de ladrillos. Ladrillera San Vicente. Para realizar la mezcla de tierras, no existe una proporción estándar, sino que depende del criterio de la persona que realiza dicha composición, el objetivo es obtener una mezcla pegajosa que no contenga una cantidad excesiva de barro ya que el ladrillo se daña en el proceso de quemado. Por lo general para realizar la mixtura se excava sobre el paredón de tal manera que obtengan tres partes iguales de cada una de las tierras. Estas son mezcladas agregando agua y utilizando los pies para batir hasta obtener una argamasa de barro (masa homogénea). En ese momento el 2

16 ladrillero considerará si es necesario agregar más de algún tipo de tierra para obtener la consistencia requerida. Con la mezcla ya en condiciones óptimas se procede a darle forma de ladrillo con la ayuda de un molde de madera. El molde es de forma rectangular, parecido a una caja de madera la cual carece de fondo y techo. Tiene asas de sujeción a los costados para poder manipularlo fácilmente. El formado del ladrillo consiste en introducir el material dentro del molde (el molde se encuentra descansando sobre una superficie mas o menos plana y regular), y hacer presión para alisar la superficie expuesta en el lado superior, a tal manera de dejar la menor cantidad posible de imperfecciones, luego se deja reposar todo el conjunto. Después de un par de minutos se procede a sacar el molde (halando hacia arriba el molde por medio de las asas, de manera uniforme, de tal forma que las caras laterales del ladrillo deslicen sobre las paredes internas), quedando de esta manera los ladrillos formados. Los ladrillos se dejan durante un día al sol sin ser movidos, para que al secarse obtengan la suficiente dureza para poderlos mover hacia otro lugar donde son ordenados de una forma especial (en forma como de torre, asegurándose que la mayor área posible del ladrillo quede expuesta a los rayos del Sol y al flujo de aire, figura 1.2), de modo que estos pierdan la mayor cantidad de agua en el menor tiempo posible. Este tiempo de secado depende mucho del clima, ya que en épocas soleadas (verano), el secado es mucho mas rápido que para las épocas donde existe presencia de mucha nubosidad (época lluviosa). En verano el tiempo de secado aproximado es de tres a cinco días, en cambio en época lluviosa puede llegar a tardar hasta un período de 15 días. En la época de nubosidad y lluvia es muy complicada esta manufactura, ya que la presencia de precipitaciones ocasiona muchos problemas, hay que utilizar cobertores para evitar que los ladrillos se mojen. Debido a estos problemas, a los fabricantes no les es muy rentable fabricar ladrillos en el invierno, y se dedican a eso principalmente en verano, donde aprovechan producir al máximo. Esta época es a lo que ellos llaman La Temporada (como recomendación, sería interesante verificar si las propiedades de los ladrillos que se ponen a secar en época seca son similares a los de la época lluviosa). 3

17 Figura 1.2. Disposición utilizada para el secado de ladrillos al sol de manera que pierdan la mayor cantidad de agua antes del proceso de quemado. Ladrillera San Vicente. Cuando los ladrillos contienen poca agua, se procede a trasportarlos hacia el horno, donde son colocados de una manera especial (enfornado), para asegurarse que los gases de combustión entren en contacto con la mayor área posible del ladrillo (figura 1.3), y poder ubicar combustible (en este caso leña), dentro de los espacios entre ellos, y para lograr que el ladrillo se queme más uniformemente. Con esta disposición se llena el horno completamente (la mayoría de estos tienen una capacidad de entre 8,000 a 12,000 ladrillos). A continuación se procede a sellar las puertas por donde fueron introducidos (los hornos tienen forma de una habitación cuadrada, por lo general con dos entradas en paredes opuestas para cargarlo de ladrillos, y una serie de pequeñas compuertas en las restantes dos, llamadas troneras, que es el lugar por donde se introduce el combustible necesario para la combustión, no tienen techo aunque esta última disposición puede variar). El sellado se hace con ayuda del mismo barro, quedando solamente descubierta la parte superior del horno y la parte de las troneras. En el caso de las ladrilleras ubicadas en el departamento de Santa Ana, no se coloca combustible en los espacios entre los ladrillos. Toda la leña necesaria se carga por las llamadas troneras, y conforme esta se consume es reemplazada. 4

18 Figura 1.3. Enfornado. Esta disposición asegura un contacto máximo de los gases de combustión con los ladrillos, al mismo tiempo que permite introducir leña entre estos. Ladrillera San Vicente. La leña constituye el combustible para este tipo de hornos, esta es colocada tanto en las troneras, como en los espacios entre ladrillos. Las cantidad de leña utilizada en cada ocasión en que se realiza una quema de ladrillos es muy considerable (de 10 a 12 pantes de leña). El tiempo de quemado de los ladrillos dentro del horno es de entre 35 y 40 horas, en el transcurso de todo este tiempo el horno emite grandes cantidades de humo de diferentes colores (gris, negro y blanco). Esta característica es utilizada por las personas encargadas de introducir la leña en las troneras para su combustión, ya que dependiendo del color de este humo, ellos deciden si se necesita mayor o menor temperatura (se controla con la cantidad de leña ardiendo en ese momento). Esta parte del proceso es muy delicada, ya que si la temperatura es demasiado alta, los ladrillos tienden a dañarse, fundiéndose (los encargados del quemado deben permanecer pendientes del horno, inclusive de noche, todo el tiempo necesario hasta concluir la cocción de los ladrillos). Cuando se observa que el fuego ha llegado hasta la parte superior del horno (esto se nota por el enrojecimiento de los ladrillos en la parte más alta del enfornado), es cuando el proceso de quemado de los ladrillos ha terminado y se procede al enfriamiento, que es solamente el dejar enfriar sin ninguna asistencia, dejando que el calor sea evacuado de forma natural, dando fin a todo el procedimiento de fabricación y poniéndolos a disposición para ser comercializados. 5

19 CAPÍTULO 2. DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FRACTURA DE LOS LADRILLOS DE BARRO QUEMADO. Todas las muestras resultantes de los distintos métodos de manufactura de ladrillos utilizados en esta investigación, fueron analizadas por medio de la prueba conocida como el Método de Weibull. El porqué de utilizar este Modelo (ampliamente conocido y utilizado para analizar las propiedades de materiales cerámicos), es explicado en el Anexo 4 de presente reporte. 2.1 TEORÍA BÁSICA. TEORÍA DEL MODELO DE WEIBULL. Las muestras obtenidas se someten a una prueba en flexión en 4 puntos que, combinada con un ajuste estadístico, permite obtener la Función de Weibull, la cual es una forma conveniente de describir la resistencia a la fractura en materiales frágiles, y permite obtener la probabilidad de falla de un material cerámico bajo un esfuerzo de tensión. La prueba en flexión en 4 puntos consiste en lo siguiente: a un espécimen de forma rectangular de sección uniforme (con forma aproximada a la de un ladrillo), se le aplica progresivamente una fuerza P en flexión hasta lograr su fractura. El nombre de prueba en flexión en 4 puntos se deriva del hecho de que la fuerza que se transmite es a través de 4 puntos de apoyo (mas que puntos de apoyo, debe hablarse de cargas distribuidas con forma lineal, simétricas y perpendiculares al eje central de la muestra), con características geométricas determinadas. La figura 2.1 presenta la disposición en el espacio de las variables involucradas: Figura 2.1. Disposición de los elementos y variables utilizadas al realizar una prueba en flexión en 4 puntos 6

20 La prueba está diseñada de tal forma que en la parte inferior de cada muestra (en la región ubicada entre las cargas, en la parte superior), siempre se genere un esfuerzo a tensión pura, con valor máximo en la región más externa (superficie). El valor de este esfuerzo σ de ruptura a tensión para cada espécimen es el siguiente: 3PL σ =, donde: (ecuación 2.1) 2 4bd P = Fuerza de fractura L = Longitud entre apoyos inferiores b = Ancho de la muestra (en promedio) d = Alto (peralte) de la muestra (en promedio) σ = Esfuerzo de fractura en tensión Las unidades deben ser consistentes, así por ejemplo si b, d y L están en metros, y P en N, el valor de σ debe estar en Pa. A continuación los valores de esfuerzo de fractura se ajustan a la siguiente función, que es una curva estadística conocida como ecuación de Weibull (el gráfico de Weibull resulta simplemente de m graficar esta ecuación), σ F = 1 exp V e, donde: (ecuación 2.2) σ o F = Ve σ o Probabilidad de fractura = Volumen específico = Esfuerzo característico m = Módulo de Weibull El módulo de Weibull m da una idea de la homogeneidad de los valores de esfuerzo de fractura obtenidos de las muestras. Entre más grande es el valor de m, más homogéneos son los datos de fractura. σ es una especie de valor promedio para las muestras. Se define como el valor o del esfuerzo que produce una probabilidad de fractura de y se utiliza para comparar si una distribución de valores de esfuerzos es mayor o menor que otra. A mayor m, se tiene mayor homogeneidad y a mayor esfuerzo característico ( σ ), se tiene mayor resistencia estadística. Una comparación hipotética de ambos parámetros se presenta en la figura 2.2 o 7

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