Trabajo Cohmpleto

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.