USO DE FIBRAS VEGETALES EN LA ELABORACIÓN DE TABLEROS PARA LA CONSTRUCCIÓN
ANTECEDENTES La Oficina del Medio Ambiente del Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento (MVCS) En alianza con la Organización Panamericana de la Salud y la Organización Mundial de la Salud (OPS/OMS) logro implementar semilleros del gras vetiver en dos núcleos, con esquejes provenientes de los semilleros manejados por agricultores de Pucallpa y Ucayali. 1166 esquejes, 533 esquejes para los semilleros en campo en el Complejo Biotecnológico Parque 26 de Villa el Salvador- regados con aguas secundarias provenientes de las piscinas de oxidación. Núcleo de Producción de San Juan de Miraflores se usaron 633 esquejes - regados con aguas primarias y en bolsas de vivero para ser regados con agua potable. Tanto el Complejo Biotecnológico como en el Núcleo de Producción del Ministerio de Vivienda cuentan con plantaciones de bambú, con fines de propagación.
DESCRIPCIÓN DE LA ESPECIE El Vetiver (Chryzopogon zizanioides) es una planta herbácea, perteneciente a la familia de las Gramíneas. Es una especie muy utilizada en el control de la erosión de suelos, en el tratamiento de aguas residuales, en la mitigación de desastres, protección de taludes o como parte de proyectos de paisajismo y como material alternativo para aglomerado. Se utilizó material vegetativo recolectado en el Complejo Biotecnológico Parque 26. Los ensayos de laboratorio se realizaron en el Laboratorio de Pulpa y Papel, así también como en el Laboratorio de Tecnología de la Madera, ambos pertenecientes a la Facultad de Ciencias Forestales de la Universidad Nacional Agraria La Molina. Las muestras provienen de especímenes cultivados en suelos arenosos y con alta conductividad eléctrica, que denota un alto contenido de sales. Cabe mencionar que el agua de riego proviene de agua tratada, lo que finalmente es una variable a tener en cuenta.
CARACTERÍSTICAS Vetiver Longevidad más de 50 años Hojas largas, rígidas, largo 80 cm y ancho 1cm, sin aristas, resistentes y de bordes aserrados. Altura 0.50 cm a 1.80 mtrs Velocidad de crecimiento de la planta 6 meses Velocidad de crecimiento de las raíces 6 meses, 3 a 4 metros de profundidad en 1 año.
TABLEROS DE FIBROCEMENTO Son tablas o paneles que consisten en fibras de maderas químicamente tratadas, mezcladas con cemento Portland, comprimidos, acabados y exactamente cortados a medida. (Instituto Británico de Normas Técnicas, 1981). Los tableros fibro-cemento pueden ser clasificados como composites de biomasa vegetal y cemento (CBVC), conformados por aglomerante mineral (cemento Portland) con partículas vegetales y, en ciertos casos, con diversos aditivos que pueden ser aceleradores, cargas minerales, plastificantes, entre otros. Modificando la proporción de los constituyentes dentro del tablero, la distribución y el tamaño de las partículas se puede obtener una amplia gama de productos. (Beraldo, 2008)
COMPONENTES DE LOS TABLEROS DE FIBROCEMENTO Fibras Vegetales Las fibras que han de ser usadas como refuerzo deben tener ciertas características necesarias para poder ser utilizadas con ese fin. Estas han de ser fuertes, resistentes rígidas, ligeras y con una temperatura de fusión alta, prefiriéndose las fibras que tengan límites plásticos específicos y módulos de elasticidad altos. La orientación de las fibras dentro del compuesto puede hacer variar las propiedades de resistencia, especialmente en su módulo de elasticidad. Si las fibras continuas son colocadas paralelas y unidireccionalmente se obtiene un compuesto más resistente aunque con serios problemas de anisotropía. Para evitar estos problemas se coloca las fibras en disposición ortogonal cruzada en una o varias capas, así se obtiene un compuesto menos resistente pero más estable dimensionalmente. (Olivares et al, 2003)
CARACTERÍSTICAS DE LAS FIBRAS NATURALES COMO MATERIAL DE REFUERZO Ambientalmente amigables tanto en el proceso, producción y desecho al final del ciclo. Son renovables y se necesita menor cantidad de energía de entrada por unidad de producción. Propiedades similares a aquellos materiales con refuerzo de fibra de vidrio. Mejor elasticidad. Son menos abrasivos durante el proceso de fabricación. Absorben bien las vibraciones y por lo tanto el sonido. De 2 a 3 veces más barato que trabajar con fibra de vidrio. Cuando se queman los compuestos con fibras naturales hay una menor producción de CO2 y otros gases tóxicos.
INSUMOS, MATERIALES, HERRAMIENTAS Y EQUIPOS EMPLEADOS Insumos: Vetiver (Chryzopogon zizanioides) Alcohol etílico de 96º Agua destilada Papel filtro Hidróxido de sodio Bolsas plásticas Plumones Silicona Agua corriente Bolsas de papel Ácido Acético concentrado Clorito de Sodio al 5%
Herramientas y Equipos: Molino de discos Horno Thermolyne Furnace 48000 Desfibrador De Discos Radiance máster A - G Motor Hz 60 Tamizador Eléctrico Modelo BC 2208 HK TE Hz 60 HP 1/3 RPM 1725 Cocinillas eléctricas Matraces de vidrio Balanza de precisión Desecador con sílica gel Equipo de baño María
INTERACCIÓN ENTRE FIBRAS VEGETALES Y EL CEMENTO No existe una forma universal de hacer compatibles todas las fibras con el cemento, por lo tanto existen diferentes tratamientos para mejorar la compatibilidad entre la fibra y el cemento, estos tratamientos pueden ser clasificados en dos categorías: (Olivares et al, 2003) Eliminar o extraer las sustancias inhibidoras Minimizar su efecto inhibidor Dentro de los tratamientos más utilizados se encuentran: Envejecimiento de los fibras Eliminación de extractivos Secado de las fibras Recubrimiento de las fibras Mineralización de las fibras.
CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS Caracterización de las fibras Grado de desfibrado Schopper Riegler. Según la norma ISO 5267-1:2001 Composición fibrosa Bauer McNett. Según Norma Tappi T 233 cm-95 Tamaño medio de la fibra. Mediante norma interna del laboratorio Análisis químico de las fibras Contenido de humedad. se utilizará la Norma ASTM D-1762 Determinación de extractivos. serán determinados bajo la Norma TAPPI T 6 wd-73. Los extractivos solubles en agua serán determinados bajo la Norma TAPPI T 1 wd-75 Determinación del contenido de cenizas. se empleará la Norma ASTM D 1762 Determinación de hololulosas. holocelulosas en la materia prima, se empleará el método Jayme Wise. Determinación del contenido de ligninas. Se determinará por el método Klason. Determinación de azúcares. Se determinará el contenido de azúcares libres en las fibras obtenidas mediante el método de espectrofotometría UV. Se empleará la norma AOAC Official Method 948.
Caracterización química La caracterización química permite evaluar la compatibilidad de la fibra con la matriz de compuesto a usar, en este caso matriz de cemento Los compuestos que conforman las fibras van a reaccionar con los componentes de la matriz y facilitar o dificultar el comportamiento de las fibras en las pruebas y en el tiempo. Para esta caracterización del compuesto se aplicaron diversos tratamientos que permiten establecer las propiedades y avizorar su funcionalidad en aplicación como aglomerado
Lavado del vetiver picado y remojado en NaOH
Comparación De las fibras lavadas con NaOH y con Agua
Contenido de humedad Se trabajo con 2 gramos de cada muestras, se tomo el peso en estado húmedo y se dejó secar la muestra a 105 ºC durante 24 horas, tomando el peso cada 4 horas, hasta obtener un peso constante, se empleó la Norma ASTM D-1762 El promedio de las muestras 1 y 2 fueron 64.6% y 57.16% respectivamente
Muestras para determinación del contenido de humedad
Contenido de extractivos Se comparó el contenido de extractivos de una muestra de una misma edad con y sin tratamiento previo con hidróxido de sodio al 5% por 24 horas, usando como solventes agua y alcohol. Solventes empleados Alcohol y Agua
Solventes en reflujo sobre estufa Extractivo
Este ensayo se realizo utilizando un equipo Soxhlet, con un reflujo de 4 horas para la extracción con agua y 3 horas para la extracción con etanol. En las figuras que anteceden este párrafo se puede observar los solventes en reflujo y la muestra extraída de la estufa. Los extractivos solubles en alcohol-benceno, fueron determinados bajo la Norma TAPPI T 6 wd-73. Los extractivos solubles en agua fueron determinados bajo la Norma TAPPI T 1 wd- 75
Contenido de cenizas El ensayo de determinación de cenizas totales se realizó en una mufla a 750 ºC durante 6 horas, hasta la ignición total del material ensayado. Muestras deshidratadas
Muestras saliendo del horno Cenizas calientes
El contenido de ceniza fue trabajado con un testigo libre de tratamiento y com uno bajo tratamiento de NaOH, el promedio fue de 5.42% y 5.43% respectivamente.
Contenido de holocelulosa Estos compuestos son susceptibles de ser degradados en el tiempo por el carácter alcalino de la matriz de cemento y que pueden también verse afectados por el método de desfibrado elegido. Para la determinación del contenido de cenizas en la materia prima, se empleará el método Jayme - Wise Es importante señalar que el contenido de celulosas y hemicelulosa dentro del material señalan el contenido de material de refuerzo, pues las fibras están compuestas en su mayoría por Holocelulosas y son estos compuestos los que son susceptibles de ser degradados con el tiempo, debido a los tratamientos previos o por la matriz misma. Para la determinación del contenido de cenizas en la materia prima, se empleó la Norma ASTM D 1762
Contenido de Lignina Para poder obtener las fibras se debe vencer la fuerza aglutinante que provee la lignina, dependiendo de la resistencia que esta presente frente al desfibrado, se puede plantear diferentes métodos para eliminarla o reducir su efecto. La determinación del contenido de lignina se calculó por diferencia con los otros componentes cuantificados anteriormente. Promedio Testigo 27.74% y NaOH 26.38%
Tomando referencia de la caracterización de la fibra y según lo observado en la misma al transcurrir de los días, se debe hacer un análisis completo de los extractivos contenidos en las fibras para poder determinar de manera más detallada cuales son los compuestos presentes en las fibras que puedan causar retardo en el fraguado.
Afinidad entre materiales Se procedió a realizar el método de obtención de la pulpa, denominado Chemical- Mechanical-Pulp (CMP) que empieza con un tratamiento químico para luego procesar mecánicamente el material. La primera parte de este proceso se realizó sumergiendo las astillas en una solución al 5% de Hidróxido de Sodio a temperatura ambiente durante 24 horas. El efecto principal de la solución fue eliminar la lignina presente en las muestras (4 meses, 6 semanas) por su propiedad cementante, haciendo más fácil el proceso de separación mecánica de las fibras. El grado de precisión en la obtención de las fibras depende de varios factores, entre ellos ese encuentra el grado de cohesión entre las fibras, que es dado por la lignina, el tamaño de las astillas que entran al proceso de desfibrado, la potencia del equipo utilizado y el contenido de humedad del material. Para la obtención de las fibras se tuvo en consideración una variable: tratamiento previo al desfibrado. El método empleado para la obtención de pulpa fue el Chemical- Mechanical-Pulp (CMP) que empieza con un tratamiento químico para luego procesar mecánicamente el material.
CONCLUSIONES El contenido de humedad varía de acuerdo a la edad de la planta, siendo las plantas más jóvenes las que se presentan contenidos de humedad más altos En el caso del producto que deseamos lograr se señala que se tiene indicios de que los taninos y colorantes pueden retardar el proceso de fraguado. El contenido de lignina en las fibras de vetiver disminuye muy poco con el tratamiento con NaOH, teniendo en cuenta esto dato y las experiencias anteriores que indican daños posteriores en la superficie de las fibras como producto de estos tratamientos se recomienda que la obtención de las fibras se haga mediante un método mecánico. Se determinó que el tratamiento de contenido de extractivos, además de facilitar el proceso de obtención de fibras, reduce el contenido de extractivos en la materia prima, aumentando así la factibilidad de mezclarla con una matriz de cemento.
Todas las fibras no muestran afinidad con el cemento, por ello se puede recurrir a diversos tratamientos para mejorar su compatibilidad, tanto los que eliminan y extraen sustancias inhibidoras, así como los que minimizan su efecto inhibidor. Una dificultad que se puedo observar proviene del proceso de preparación del tablero pues la mezcla debe ser manejable y los tableros deben tener un mismo aspecto en cuanto a superficie y textura, por tanto una mezcla demasiado rica en fibras presentará un aspecto menos prolijo según lo observado en las probetas. Al realizar los ensayos las probetas se encontraban a humedad ambiente, por lo que se calcula que la variancia de resultados hubiera estado entre el 2-3% si estos hubieran sido conservados en condiciones aisladas.
La absorción de agua es un factor importante pues refiere una idea de cuánto peso extra tendrá que soportar el material expuesto frente a condiciones de lluvia intensa. Si bien las fibras tienen una alta capacidad higroscópica el ordenamiento aleatorio dentro de la matriz hace que las elongaciones y cambios dimensionales de las mismas se anulen entre sí. Se pudo cuantificar que en algunos casos el fraguado no se dio de manera total debido al efecto de adición de la fibra, el mismo que fue verificado a nivel microscópico; determinándose que el factor influyente fue la alta capacidad higroscópica de la fibra, que provoca una anulación entre sí establecida por las elongaciones que se dan en el ordenamiento aleatorio dentro de la matriz.
Se determinó que el tratamiento de contenido de extractivos, además de facilitar el proceso de obtención de fibras, reduce el contenido de extractivos en la materia prima, aumentando así la factibilidad de mezclarla con una matriz de cemento. Los resultados de los ensayos reflejan un buen comportamiento y rendimiento de la fibra tanto de vetiver como de bambú, lo cual será contrastado con los ensayos de mezcla con cemento. La presencia de haces fibrosos y su cantidad dentro de la mezcla influye en las propiedades del producto final, esta variable resulta importante de tomar en cuenta, ya que al momento de diseñar una mezcla que pueda presentar propiedades de acuerdo al uso final que se quiera dar.
Muchas Gracias