Instituto Tecnológico de Chetumal
Uso de fibras naturales del maguey
como refuerzo en concretos estructurales.
Tecnologías de la Construcción.
Propuesta realizada por: Daniel Eduardo Cen Cen.
Dr. Julio César Cruz Argüello.
Chetumal, Quintana Roo a 17 de Junio 2015.
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Índice.
I.- Antecedentes. ................................................................................. 2
II.- Planteamiento del problema. .......................................................... 4
III.- Hipótesis. ...................................................................................... 5
IV.- Objetivos. ...................................................................................... 6
V.- Justificación. .................................................................................. 7
VI.- Marco Teórico. .............................................................................. 8
Marco normativo. .............................................................................10
VII.- Metodología. ...............................................................................11
VIII.- Cronograma de actividades y presupuesto. ...............................12
IX.- Bibliografía. ..................................................................................13
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I.- Antecedentes.
El concreto estructural ha sido base en la industria de la construcción
desde hace varios años, ya que provee a nuestra estructura de una
gran resistencia, pero debido a las alzas en los costos de los
materiales, la industria se ha visto en la necesidad de utilizar adiciones
que provean al concreto estructural mayor resistencia sin elevar los
costos de su producción y al contrario reduciendo costos del mismo,
disminuyendo la cantidad de cemento que se emplea. (García, S. L.
Q., et al, 2006).
Las fibras de asbesto fueron utilizadas durante muchos años en el
concreto, ya que le proporcionaban propiedades muy favorables, pero
mediante estudios de laboratorio se determinó que contenían agentes
tóxicos para salud y se dejaron de utilizar a partir de 1998; por lo cual
se inició una búsqueda de posibles sustitutos que le proporcionaran al
concreto las propiedades tan favorables que el asbesto le daba, y que
además fuesen competitivos en cuanto a calidad y precio. (Pinzón
Galvis, S., 2013).
Las alternativas más viables para el refuerzo del concreto son las
fibras de vidrio, fibras de acero y las más recientes: las fibras de
polipropileno que además de reforzarlas le proveen al concreto una
mayor flexibilidad. Sin embargo también se encuentra el grupo de las
fibras naturales o vegetales. El concreto estructural reforzado con
fibras naturales se puede obtener a un bajo costo, utilizando la mano
de obra disponible en la localidad para su obtención. A las fibras
naturales que se obtienen directamente de los residuos vegetales y
son empleados sin modificarlos se les conoce como “no procesadas”,
pero también podemos alterar sus propiedades mediante procesos
químicos para mejorarlas, sin embargo elevaría el costo de su
producción, a estas fibras naturales se les conoce como “procesadas”.
(García Delgado, et al, 2015).
Como se había mencionado anteriormente, las fibras naturales pueden
ser obtenidas a bajo costo en muchos países que son grandes
productores de la industria vegetal, México no es la excepción, ya que
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es un país que posee abundante producción de fibras naturales,
principalmente fibras de la familia del agave. (Juárez, C., et al, 2011).
En la producción de fibras de la familia del agave, también
encontramos principalmente en la región del norte, una producción
abundante de fibras de lechuguilla. Según estudios previos, la
lechuguilla se cataloga como un material adecuado para ser usado
como Fibro-refuerzo debido a sus propiedades físico-mecánicas y sus
características morfológicas. (Osorio Saraz, J. A., et al, 2007).
El concreto estructural al emplear el acero como refuerzo llega a ser
muy durable y resistente, pero con el paso del tiempo el acero se ve
afectado por problemas de corrosión, lo cual es un problema muy
grave para las estructuras de las edificaciones, sin embargo, las fibras
de la lechuguilla del maguey también podría ser útil como aditivo para
la protección de la corrosión debido a sus propiedades higroscópicas.
(Juárez Alvarado, C. A., 2002).
El principal problema de la adición de fibras naturales al concreto
estructural es la reacción entre la alcalinidad de la pasta de cemento y
las fibras naturales, además del susceptible ataque de
microorganismos en presencia de la humedad. Por lo cual esta
investigación pretende encontrar un tratamiento químico a bajo costo
en las fibras naturales para reducir su deterioro en el medio alcalino
del concreto, aumentar su durabilidad y emplearlo como refuerzo y
protector de corrosión en el concreto estructural. (Alvarado, C. A. J., et
al, 2004).
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II.- Planteamiento del problema.
El concreto ha sido uno de los principales materiales utilizados en la
construcción, basta recorrer las calles de nuestro país para observar
que la gran mayoría de infraestructura física que existe tales como
centros comerciales, viviendas, vías terrestres, puentes, muelles,
hospitales, plazas, aeropuertos etc. están basadas en concreto
reforzado, no se pueden construir obras sin pensar en la durabilidad
de las mismas. (Cevallos Velasquez, O. A., et al, 2015)
La principal problemática en la industria de la construcción a la hora de
utilizar aditivos en los concretos estructurales para brindarles mayor
resistencia o proporcionarles mejores características en cuanto a su
protección contra la corrosión, es que sus costos se elevan demasiado
y dejan de ser una opción viable para la industria. (Rodríguez López,
P., 2011).
Debido a que las estructuras de concreto simple o reforzado están
expuestas ,no solamente a la acción mecánica de las cargas de
servicio, sino también, a otros factores que tienden a deteriorarlas y
destruirlas como acciones físicas (cambios bruscos de temperatura y
humedad); algunas veces a agresiones de carácter químico o
biológico; y eventualmente a otras acciones mecánicas, se hace
indispensable dar a conocer este estudio para encontrar fibras
orgánicas que puedan brindarle al concreto estructural las
características mejoradas que se desean a bajo costo, en este caso
materia orgánica fácil de obtener en México. (Cisneros Álvarez, M. A.,
et al, 2008).
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III.- Hipótesis.
¿Por qué utilizar fibras naturales y no fibras sintéticas?
¿Qué aspectos se deben considerar al momento de utilizar una
adición de fibras naturales?
¿Qué tan factible es la utilización de fibras naturales para mejorar la
resistencia y brindarle protección al concreto estructural en cuanto a
costos?
La causa de utilizar fibras naturales y no fibras sintéticas, es que se
tiene la ventaja de que la producción de estas fibras naturales resulta
relativamente económico y desde ese punto ya se tendría un gran
ahorro en su fabricación. En México podemos encontrar fácilmente
estas fibras ya que es un país con mucha producción de recursos
naturales y hay diversas industrias donde sólo representa un
desperdicio. Los aspectos y factores a considerar al momento de
utilizar fibras naturales en el concreto estructural son el incremento de
la humedad, la compatibilidad de las materias orgánicas con los
elementos que integran el concreto estructural y las reacciones
químicas a las que se verían sometidas la mezcla del concreto con el
acero y las fibras naturales. La utilización de estas fibras resulta muy
factible si se obtienen buenos resultados en las pruebas de
laboratorio, ya que como se mencionó antes, podemos obtener estas
fibras con gran facilidad y a un costo económico, debido a que en la
mayoría de las empresas representan un desperdicio, además de que
representaría un incremento en la producción de estas fibras al tener
una gran exigencia para utilizarlo en los concretos estructurales.
(Manzano Rodríguez, A., et al, 1997).
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IV.- Objetivos.
Objetivo General.
Analizar la factibilidad del uso de fibras naturales como refuerzo y
protección anticorrosiva en concretos estructurales.
Objetivos Particulares.
Caracterizar los materiales (fibras naturales) para emplearlos en los
concretos estructurales.
Diseñar un aditivo para concreto a base de fibras naturales que le
provean una mayor resistencia mecánica.
Verificar que la relación de las fibras naturales adicionadas al concreto
estructural, sean compatibles con los materiales del mismo.
Analizar los resultados.
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V.- Justificación.
La investigación del Uso de fibras naturales del maguey como refuerzo
en concretos estructurales es muy importante y sería de mucha
utilidad en la industria de la construcción.
En el punto de vista social, si esta investigación resulta favorable,
representaría un incremento en la oferta laboral de las regiones donde
se produzcan estas fibras naturales, ya que habría una gran demanda
y exigencia de estos y las industrias se verían obligadas a contratar
más personal para incrementar la producción.
Desde el punto de vista económico, resulta muy factible la realización
de esta investigación ya que se reducirían los costos en las
constructoras y representaría un gran ahorro para ellas al momento de
emplear concretos estructurales mejorados con fibras naturales.
Para el factor ambiental también sería muy favorable, ya que ya no se
emplearían aditivos que provoquen una mayor contaminación al medio
ambiente, porque se utilizarían materias primas naturales, así mismo
no representaría un problema ambiental ya que estas materias primas
son obtenidas de desperdicios y residuos de otras producciones
naturales, y no de un excesivo consumo o explotación de recursos
naturales. (Yauri Leyva, E., et al, 2008).
La viabilidad de este proyecto es que reúne características,
condiciones técnicas y operativas que aseguran el cumplimiento de
sus metas y objetivos. Los componentes que lo conforman, recogen
las experiencias de técnicos y profesionales que trabajaron en su
ejecución, las aspiraciones de las comunidades y la priorización de
necesidades de los habitantes de la región en cuanto a una necesidad
de encontrar una correcta relación entre las fibras de la lechuguilla y el
concreto estructural, para reforzar las construcciones de las viviendas
sin incrementar de manera drástica el costo de sus materiales y de la
mano de obra de la construcción.
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VI.- Marco Teórico.
Tema: Uso de fibras naturales del maguey como refuerzo en
concretos estructurales.
Fibras naturales: Se llama fibra natural a los fragmentos, hebras o
pelo, cuyo origen está en la Naturaleza, y que pueden hilarse para dar
lugar a hilos o cuerdas. Las fibras que no provienen de la Naturaleza
se denominan fibras químicas, ya sean artificiales o sintéticas.
(Meshveliani T. 11 de septiembre de 2009).
Corrosión por carbonatación: La corrosión causada por la
carbonatación es llamada “corrosión generalizada” y se caracteriza por
un ataque uniforme del acero debido al descenso en el nivel del pH en
el hormigón protector. El dióxido de carbono atmosférico 2, se
difunde y se disuelve en el hormigón a través de la solución de poros
para formar ácido carbónico, que neutraliza los álcalis y se combina
con hidróxido de calcio para formar carbonato de calcio. Debido a la
neutralización de los álcalis, la carbonatación y la difusión de otros
gases ácidos tales como el dióxido de azufre y óxido nitroso, se
modifica la interfase mediante un cambio de pH, que normalmente
está entre 12,5 y 13,5, a un pH menos alcalino (generalmente cercano
a 9). Esta reducción de pH causa la pérdida de la pasividad del acero,
iniciando la corrosión en el acero de refuerzo. (Dinamarca, P., 2013)
Corrosión por iones cloruro: Los iones cloruro están presentes en el
agua de mar, pero es posible que también los desplace el viento de la
brisa marina a la zona costera y los deposite en estructuras de
concreto cercanas a la línea de mar. Los iones cloruro que son
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dañinos para el acero de refuerzo son los que se hallan disueltos o
libres, pero debido a los equilibrios que se presentan es posible que
los que están adsorbidos se incorporen a la disolución y se tornen
peligrosos. (Del Valle, A., et al, 2001).
Conminución: Acción de fragmentar o disminuir el tamaño de un
determinado material.
Porosidad: La porosidad o fracción de huecos es una medida de
espacios vacíos en un material, y es una fracción del volumen de
huecos sobre el volumen total, entre 0-1, o como un porcentaje entre
0-100%. El término se utiliza en varios campos, incluyendo farmacia,
cerámica, metalurgia, materiales, fabricación, ciencias de la tierra,
mecánica de suelos e ingeniería. (Benoît Mandelbrot, 1982)
Lechuguilla: La lechuguilla (Agave lechuguilla) es una especie de
planta suculenta anteriormente clasificada dentro de
la familia Agavaceae, ahora subfamilia Agavoideae, dentro de
las asparagáceas. (Gentry, H. S., 1982).
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Marco normativo.
Norma UNE 83993-1:2013 (Durabilidad del hormigón. Métodos de
ensayo. Determinación de la velocidad de penetración de la
carbonatación en el hormigón endurecido).
“Valor crítico de cloruros en hormigones reforzados”
País Norma Límite más de C1 Referido a
USA AC1 318 ≤ a 0.15% en ambiente de C1
Cemento
USA AC1 318 ≤ a 0.3% en ambiente normal
Cemento
USA AC1 318 ≤ a .1% en ambiente seco Cemento
INGLATERRA CP-110 ≤ a 0.35% al menos en un 95%
Cemento
AUSTRALIA AS 3600 ≤ al 0.22% Cemento
NORUEGA NS 3474 ≤ al 0.6% Cemento
ESPAÑA EH 91 ≤ al 0.40% Cemento
EUROPA EUROCODIGO 2
≤ al 0.22% Cemento
JAPÖN JSCE-SP 2 ≤ al 0.6 Kg/m3 % Hormigón
BRASIL NBR 6118 ≤ al 0.05% Agua
Norma ASTM G46-94 (Guía estándar para el examen y evaluación de
la corrosión por picadura).
Norma ASTM G59 (Método de prueba estándar para la medición de
Resistencia de Polarización Potencio-dinámica).
Norma ASTM C1202-12 (Método de prueba estándar para la
indicación eléctrica de la capacidad del hormigón para resistir la
penetración de iones cloruro).
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VII.- Metodología.
1.- Caracterizar los materiales particulares.
- Obtención de las fibras de lechuguilla.
- Caracterización de las propiedades físicas de las fibras de lechuguilla.
2.- Diseñar una mezcla de concreto adicionado con fibras de
lechuguilla.
- Diseño de concreto estructural con adición de las fibras de lechuguilla.
- Recolección de los agregados en banco de material según mezcla diseñada.
- Selección del agregado fino.
- Selección del agregado grueso.
3.- Evaluar físicamente si el concreto diseñado es resistente a las
pruebas mecánicas y a los agentes corrosivos.
- Elaboración de especímenes con diferentes adiciones de las fibras de
lechuguilla.
- Elaboración de especímenes de control.
- Exponer los especímenes al medio agresivo para proceder a su monitoreo.
- Efectuar las técnicas mecánicas y electroquímicas pertinentes para la evaluación
de la resistencia del concreto estructural y corrosión en el acero de refuerzo.
4.- Analizar resultados.
- Análisis de resultados.
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VIII.- Cronograma de actividades y presupuesto.
Actividad 7°
Semestre 8°
Semestre 9°
Semestre Presupuesto
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6
Obtención de las fibras de lechuguilla.
P $2,500
R
Caracterización de las propiedades físicas de las fibras de lechuguilla.
P $3,000
R
Diseño de concreto estructural con adición de las fibras de lechuguilla.
P $1,200
R
Recolección de los agregados en banco de material según mezcla diseñada.
P $2,000
R
Selección del agregado fino.
P $1500
R
Selección del agregado grueso.
P $1500
R
Elaboración de especímenes con diferentes adiciones de fibras de lechuguilla
P $10,000
R
Elaboración de especímenes de control.
P $10,000
R
Exponer los especímenes al medio agresivo para proceder a su monitoreo.
P $5,000
R
Efectuar las técnicas mecánicas y electroquímicas pertinentes para la evaluación de la resistencia del concreto estructural y corrosión en el acero de refuerzo.
P $10,000
R
Análisis de resultados.
P $2,000
R
Total $48,700
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IX.- Bibliografía.
1.- Alvarado, C. A. J., López, P. R., & Villarreal, R. R. (2004). Uso de
fibras naturales de lechuguilla como refuerzo en
concreto. Ingenierías, 7(22), 7.
2.- García, S. L. Q., & Salcedo, L. O. G. (2006). Uso de fibra de
lechuguilla de maguey para mejorar las propiedades mecánicas del
concreto. Ingeniería y desarrollo: revista de la División de Ingeniería de
la Universidad del Norte, (20), 134-150.
3.- Osorio Saraz, J. A., Varon Aristizabal, F., & Herrera Mejia, J. A.
(2007). Mechanical behavior of the concrete reinforced with natural
fibers. Dyna, 74(153), 69-79.
4.- Juárez, C., Valdez, P., & Durán, A. (2011). Fibras naturales de
lechuguilla como refuerzo en materiales de construcción. Revista
Ingeniería de Construcción, 19(2), 83-92.
5.- Cevallos Velasquez, O. A. (2015). Sustainable fabric-reinforced
cementitious composites for the strengthening of masonry elements.
6.- García Delgado, A. M. E. R. I. C. A. (2015). Modificación del
sistema concreto-acero de refuerzo mediante la adición de fibras de
lechuguilla.
7.- Cisneros Álvarez, Marvin Antonio (2008). Guía para la evaluación
de daños en edificios de concreto.
8.- Gentry, H. S. 1982. Agaves Cont. N. Amer. i–xiv, 1–670. The
University of Arizona Press, Tucson.
9.- Matskevich Z., Meshveliani T. 30,000-year-old wild flax fibers. 2009.
10.- Benoît Mandelbrot (1982): The Fractal Geometry of Nature, W. H.
Freeman and Co.
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11.- Juárez Alvarado, César Antonio: Concretos a base de cemento
portland reforzados con fibras de lechuguilla. 2002. Universidad
Autónoma de Nuevo León.
12.- Alejandro Manzano Rodríguez, Martín Ibarra Silva, José Castillo
Tovar. El concreto fibrorreforzado: Una alternativa en la construcción.
1997.
13.- Yauri Leyva Edwin, Espinoza Oré Stefany, Landeo Juricalma
Dolly: Concreto premezclado con fibras de maguey. 2008. Universidad
Continental.
14.- Pinzón Galvis, Sandra: Análisis de la resistencia a compresión y
flexión del concreto modificado con fibra de fique. 2013. Universidad
Piloto de Colombia.
15.- Rodríguez López, Patricia: Uso de las fibras naturales de
lechuguilla como refuerzo en el concreto. 2011.