Desarrollo de paneles ligeros a base a fibras Orgánicas en matriz de cemento Pórtland"

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1 Desarrollo de paneles ligeros a base a fibras Orgánicas en matriz de cemento Pórtland" Dr. Ing. Jorge Acevedo Cáta Centro de estudio de construcción y Arquitectura Tropical

2 Objetivo General Demostrar que a través de una metodología adecuada de diseño de mezclas a base de cemento Pórtland con fibras orgánicas se puede obtener un material alternativo con propiedades físicas, mecánicas, térmicas y de durabilidad, adecuado para la fabricación de paneles ligeros para ser utilizado en la vivienda de forma competitiva.

3 Metodología para el diseño de mezclas. La metodología utilizada abarcó los pasos siguientes: Caracterización de los componentes, fibra y matriz. Diseño del experimento con la selección de las variables a utilizar y los rangos de éstas. Determinación de la presión negativa requerida Determinación de las propiedades a evaluar del elemento de fibra orgánica en matriz de cemento Pórtland y las edades de ensayo Procesamiento y análisis de los resultados. Determinación de la dosificación óptima para las propiedades requeridas Análisis de la durabilidad - Determinación del coeficiente de ablandamiento - Ensayos de humedecimiento y secado - Análisis de microscopía electrónica - Pruebas de intemperismo de paneles expuestos en exteriores bajo condiciones naturales

4 Propiedades de la fibra La fibra escogida fue la de caoba (Swietenia macrophylla) por ser abundante en sureste mexicano, con las propiedades siguientes: Diámetro promedio de 0.8 mm y longitud promedio de 2.5 mm. Densidad de gr/cm 3 El contenido de humedad promedio 36% (ASTM C1185) Absorción máxima es de 66% Módulo de elasticidad (9.4 GPa), Durabilidad antes los hongos: polystictus versicolor 35% moderadamente resistente y lenzites trabea (15%) resistente.

5 Microscopia Electrónica de la fibra

6 Composición Química del Cemento Maya OXIDO (%) EN PESO CaO 63 SiO 2 22 Al 2 O3 6 Fe 2 O MgO 2.6 K 2 O 0.6 Na 2 O 0.3 SO Compuestos Contenido (%) C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF 7.61

7 Diseño del experimento El diseño no es más que la organización del experimento mediante un esquema previamente establecido, que tiene las propiedades óptimas, desde el punto vista del trabajo experimental y de las exigencias estadísticas. Para el estudio de dependencias no lineales existe un amplio diapasón de variaciones de los factores. Es necesario tomar modelos de segundo orden, en este caso se obtienen ecuaciones de regresión cuadráticas.

8 Ecuaciones de regresión cuadráticas Las ecuaciones de regresión cuadráticas, que en su aspecto general para K factores es: ^ x b x b x x b x b b x b Y o i = Para el caso particular de dos factores la ecuación será: j i j i ij i k i ii i k i i o i x x b x b x b b Y = = = ^

9 Modelo del hexágono

10 Matriz del Experimento X 1 X 2 X 2 1 X 2 2 X 1 X

11 Diseño del experimento adoptado

12 Determinación de la presión y el tiempo

13 Matriz del experimento X 1 X 2 X *2 1 x *2 2 x 1 x 2 Y i ,0 2-0,5 0,87 0,25 0,75-0,43 18,0 3 0,5 0,87 0,25 0,75 0,43 28, ,3 5 0,5-0,87 0,25 0,75-0,43 21,1 6-0,5-0,87 0,25 0,75 0,43 33, , , , ,1

14 Resistencia a compresión Experimento Fibra/cemento Agua cemento Resistencia en MPa 1 0,5 O,75 21,0 2 1,0 1,00 18,0 3 2,0 1,00 28,7 4 2,5 0,75 23,3 5 2,0 0,50 21,1 6 1,0 0,50 33,7 7 1,5 0,75 23,2 8 1,5 0,75 26,3 9 1,5 0,75 25,5 10 1,5 0,75 24,1

15 RESISTENCIA A LA FLEXION (28 DÍAS) Rf (MPa) 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, ,5 0 0,5 1 DOSIFICACIONES 0,5 0,75 1

16 Absorción en % Relación fibracemento Relación agua-cemento 0,5 0, ,0 26,3 35, ,5 22,0 29, ,9 20,6 25, ,2 22,0 25, ,3 26,3 28,0

17

18 Durabilidad del hormigón reforzado con fibras orgánicas (Antecedente) La fibras orgánicas se han utilizados en matriz de yeso durante siglos sin ningún problemas de durabilidad. A inicio de la década del 80 se comenzó el uso de las fibras orgánicas en matriz de cemento para la fabricación de láminas onduladas similares a la de asbesto cemento en Centro América y Dominicana con resultados nefastos. Al hacer el estudio sobre esta situación Grans demostró

19 Durabilidad del hormigón reforzado con fibras orgánicas Los principales agentes de degradación son: La incompatibilidades química, que se da por dos circunstancias: 1).- la elevada alcalinidad del agua provoca porosidades en la matriz alrededor de la fibra en donde se acumula hidróxido de calcio que al aumentar la temperatura provoca una sensible aceleración de la degradación; y 2).- Cuando la lignina y la hemicelulosa se descomponen debido al alto contenido de ph en el agua se debilita la adherencia con la matriz, transformando a la fibra en un material inerte dentro del compuesto. La incompatibilidad física, se debe al exceso de agua en el refuerzo y a la falta de un elemento aglutinador entre la matriz y el refuerzo.

20 Estudios de durabilidad Se realizaron ensayos en dos vertientes: Descomposición de la fibra, se acudió a la microscopía electrónica de barredura (MEB) que permitió observar el comportamiento de la fibra a lo largo del tiempo, conjuntamente con ello, el análisis de la composición química de cada una de las regiones, se hizo a través de un analizador de Rayos X (EDS). La incompatibilidad física entre la matriz y el refuerzo se determinó a través de dos ensayos acelerados de laboratorio: - Coeficiente de ablandamiento - Humedecimiento y secado. Adicionalmente dejaron paneles expuesto a la intemperie para evaluar su comportamiento a través de los años

21 Relaciones f/c = 1.0 y a/c = 0.5, 1 año de edad Muestra V6

22 Análisis químico puntual de rayos X por energía dispersa (EDS) en muestras del V6 de 12 meses de exposición en condiciones naturales ELEMENTOS FIBRA ZONA DE TRANSICION MATRIZ C 41,14 27,49 20,15 O 45,55 52,39 48,88 Na 0,83 0,69 0,64 Si 0,41 3,53 3,58 S K 0,23 0,31 0,49 Ca 11,53 15,80 23,86 Al 0,33 1,46 0,77 Mg 0,37 Fe 0,38 0,92 0,54

23 Relaciones f/c = 1.0 y a/c = 0.5, 2 años de edad Muestra V 6

24 Análisis químico puntual de rayos X por energía dispersa (EDS) en muestras del V6 de 24 meses de exposición en condiciones naturales ELEMENTOS FIBRA ZONA DE TRANSICION MATRIZ C 44,51 18,67 14,13 O 45,32 52,85 49,72 Na 0,47 0,25 0,31 Si 0,98 3,68 3,99 S K 0,24 0,41 0,73 Ca 6,82 19,99 28,70 Al 0,16 0,69 0,93 Mg 0,20 0,23 Fe 0,75 0,46

25 Relaciones f/c = 1.0 y a/c = 0.5, 3 años de edad Muestra V 6

26 Análisis químico puntual de rayos X por energía dispersa (EDS) en muestras del V6 de 36 meses de exposición en condiciones naturales ELEMENTOS FIBRA ZONA DE TRANSICION MATRIZ C 48,13 22,43 8,74 O 43,38 47,41 32,43 Na 0,24 0,29 0,36 Si 1,08 3,85 7,38 S K 0,16 0,14 0,24 Ca 5,79 20,10 36,24 Al 0,13 0,50 0,78 Mg 0,03 0,07 0,24 Fe 0,56 1,58

27 Comportamiento del coeficiente de ablandamiento MUESTRA REL f/c REL a/c Coeficiente de ablandamiento , , , , , , , , , ,92

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45 Propiedades Físicas Longitud de las fibras en cm. 15 a 20 Densidad de las fibras g /cm Elongación en rotura 30 % Diámetro en mm. 0.1 a1.5 Modulo de rigidez Dinas /cm

46 Composición química de la fibra de coco Lignina 45.84% Celulosa 43.44% Hemicelulosa 0.25% Pectina y otros compuestos relacionados 3.00% Agua Soluble 5.25% Cenizas 2.22 %

47 Dosificaciones de mortero 1:2, y diferentes relaciones a/c y f/c DOSIFICACION POR METRO CÚBICO MATERIAL MUESTRAS ( kg ) KG # 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 # 7 CEMENTO ARENA AGUA FIBRA

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51 Ensayo a Flexo tracción a 14 días Muest ra Dosificación Flexión ceme nto Arena A/C F/C MPa , , ,6

52 Ensayo a Flexo tracción a 14 días Muest ra Dosificación Densidad ceme nto Arena A/C F/C Kg./dm ,

53 Forma de la fractura

54 Casa Fabricadas por el Ministerio de la Industria Azucarera con Paneles de Bagazo de caña de azúcar en San José de las Lajas, Cuba

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