CONCRETOS BASE CEMENTO PORTLAND
REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES
(AGAVE LECHEGUILLA), COMO MATERIALES
PARA CONSTRUCCION EN MEXICO
JUNIO, 2 0 0 2
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C A. I. A,
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2002
T D Z 5 8 5 3
. M 2 F I M E
2 0 0 2
UNIVERSIDAD A U T O N O M A DE NUEVO LEON
C O N C R E T O S BASE C E M E N T O PORTLAND
REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES
(AGAVE LECHEGUILLA). COMO MATERIALES
PARA CONSTRUCCION EN MEXICO
POR
MC CESAR A N T O N I O JUAREZ ALVARADO
En opción al Grado de DOCTOR EN INGENIERIA
CON ESPECIALIDAD EN MATERIALES
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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
CONCRETOS BASE CEMENTO PORTLAND REFORZADOS CON
FIBRAS NATURALES (AGAVE LECHEGUILLA), COMO
MATERIALES PARA CONSTRUCCIÓN EN MÉXICO
Por
MC CÉSAR ANTONIO JUÁREZ ALVARADO
En opción al Grado de DOCTOR EN INGENIERÍA
con Especialidad en Materiales
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSTGRADO
Los miembros del comité de tesis recomendamos que la tesis "CONCRETOS BASE CEMENTO PORTLAND REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES (AGAVE LECHEGUILLA), COMO MATERIALES PARA CONSTRUCCIÓN EN MÉXICO" realizada por el MC CÉSAR ANTONIO JUÁREZ ALVARADO, sea aceptada para su defensa como opción al grado de DOCTOR EN INGENIERÍA DE MATERIALES.
El Comité de Tesis
Dra. Patricia Rodríguez López Asesora de Tesis
e von Roth Dr =ra Villarreal Co-asesor de Tesis
Dr. Gpe. Alar^fastj^o Rodríguez ibdirector de Estudios de Postara Subdirector de Estucjíos de Postgrado
A G R A D E C I M I E N T O S
Quiero expresar un sincero agradecimiento a las siguientes p e r s o n a s q u i e n e s f u e r o n fundamentales para el desarrollo de mi formación:
A la Dra. Patricia R o d r í g u e z L ó p e z , quien me dirigió a t i n a d a m e n t e en mi trabajo doctoral y me a p o y ó en forma decidida durante t o d o el desarrollo d e esta investigación.
A los Drs. Ma. De los Angeles y Walter von Roth, por confiar en mí y d a r m e la gran oportunidad d e c o n o c e r o t r a cultura que permitió enriquecer mi formación,
Al Dr. Raymundo Rivera Viüarreal. que c o n sus sabios c o n s e j o s y críticas me orientó hacia lo importante en el desarrollo de la investigación.
A los Drs. M a r t h a Patricia Guerrero M a t a y T u s h a r Kanti D a s Roy, p o r f o r m a r parte del Comité d e Tesis y por sus valiosas sugerencias e interés, en la revisión del presente trabajo.
A s í también, quiero agradecer la valiosa colaboración por p a r t e de:
L o s Drs. y personal técnico d e la Facultad de Ingeniería Civil d e la Universidad Técnica de N e u b r a n d e r b u r g , Alemania. Quienes me a y u d a r o n d e s i n t e r e s a d a m e n t e para llevar a cabo mi trabajo de investigación.
El personal profesional y técnico del laboratorio del D o c t o r a d o en Materiales y del instituto de Ingeniería Civil, U A N L . Por su invaluable ayuda.
Quiero reconocer la valiosa ñinción en la formación de m e j o r e s c i u d a d a n o s para nuestro país por p a r t e del Consejo Nacional d e Ciencia y Tecnología C O N A C Y T , y agradecer por l o d o el a p o y o brindado para la realización d e mis e s t u d i o s d e d o c t o r a d o .
A la Universidad A u t ó n o m a de N u e v o León, por mantener siempre s u s puertas abiertas y apoyar decididamente ia formación académica.
A los grandes maestros que he tenido d u r a n t e t o d a mi carrera académica, simplemente muchas gracias.
D E D I C A T O R I A S
Para mi adorada familia Gladys y César, quiero decirles que esle logro es el resultado del amor y la paciencia que siempre me han brindado, los amo.
Para mi querida Madre Francisca, quisiera que estos pensamientos llegaran a li para decirte que tu ejemplo me ha guiado a través de la vida, siempre te recordaré mamá.
Para toda mi familia de Lerdo y Monterrey, quiero agradecerles todo el apoyo que nos han dado y dedicarles este esfuerzo ya que ustedes son una parte muy importante de nuestras vidas. Gracias.
"La Ciencia no es mas que una de las miles de formas de amar a Dios"
P R Ó L O G O
Se me dio el honor de pedirme que escribiera este p r ó l o g o , lo cual a g r a d e z c o
p r o f u n d a m e n t e a la Dra. Patricia R o d r í g u e z L ó p e z y a) M C César Antonio J u á r e z
Alvarado quien es el autor de este trabajo de D o c t o r a d o .
La idea de c ó m o nació el interés de estas investigaciones, f u e en mi ausencia f u e r a de
México durante una estancia en el extranjero de 18 años. Llegar al n o r e s t e de México y
ver la zona tan grande del semidesierto 2 9 . 3 % del territorio mexicano ( I N E G I 1997), tan
h e r m o s a y con una cantidad impresionante de especies típicas; Pero a su vez, y en la
misma magnitud tan pobre, tan deshabitada solo niños y ancianos. C o n u n a calidad de
vida de sus habitantes tan baja, p o r la falta de dinero p a r a cubrir las m á s mínimas
necesidades. A d e m á s , si se t o m a en cuenta que el clima es e x t r e m o s o , en el invierno la
temperatura es cercana a 0°C mientras que en el verano registra hasta 4 6 a 48°C. S u s
casas habitación generalmente hablando son chozas de cartón, tablas, algo de a d o b e ,
ladrillos mal cocidos, mala calidad en el cemento y están cubiertas por u n techo también
de cartón o de lámina. Esto hace que sufran las inclemencias del t i e m p o c a u s a n d o
muchas veces la muerte principalmente de ancianos y niños, m e n g u a n d o aún m á s la
población que permanece en estas zonas, ya que la g e n t e j o v e n emigra a las g r a n d e s
ciudades m á s cercanas tratando de encontrar empleo que en m u c h a s o c a s i o n e s no logra,
e m p e z a n d o con el desempleo y acabando c o n el alcoholismo, la drogadicción y la
criminalidad.
¿Cuál podría ser la solución?. La respuesta es este trabajo que abre n u e v o s h o r i z o n t e s
a estas poblaciones marginadas, aprovechando lo q u e tienen a su alrededor, c o n
instrucciones a d e c u a d a s para conservar las especies, c o n m é t o d o s e x p e r i m e n t a d o s por
especialistas, aprendiendo a valorar y a utilizar lo que p o s e e n y a la v e z obteniendo u n a
mejor calidad de vida para los actuales habitantes y las futuras generaciones.
C O N T E N I D O
Prólogo v Contenido vi
N o m e n c l a t u r a xiii Resumen xiv
C a p í t u l o P á g i n a
1. I N T R O D U C C I Ó N 1
1.1. Antecedentes 2
1.1.1. Clasificación de las fibras 3
1.1.2. Fibras naturales vegetales 3 1.1.3. Origen de las fibras naturales 4
1.1.3.1. Provenientes del tallo 4 1.1.3.2. Provenientes de la hoja 6 1.1.3.3. Provenientes de la cáscara 8 1.1.3.4. Celulosa proveniente d e la madera 8
1.1.4. Propiedades mecánicas d e ías fibras naturales 9 1.1.5. C o n c r e t o base cemento portland r e f o r z a d o c o n fibras 10
1.2. Análisis de los f u n d a m e n t o s 13 1.2.1. Reseña de estudios anteriores 13
1.2.1.1. C e m e n t o - sisal 13 1.2.1.2. Cemento - maguey 14 1.2.1.3. Cemento - c o c o 15 1.2.1.4. Cemento - bambú 16 1.2.1.5. C e m e n t o — celulosa d e m a d e r a 17
1.2.1.6. Otros tipos d e fibras c o m o r e f u e r z o 18 1.2.2. Durabilidad del c o n c r e t o reforzado con fibras 19
1.2.3. Aplicaciones en la construcción 22 1.2.4. Situación actual y perspectivas de desarrollo 25
1.3. Explotación d e las fibras naturales en México 2 6
1.4. Definición del problema 3 0 1.5. Necesidad de solución 3 0 1.6. Objetivos de la investigación 34
2. P R O C E D I M I E N T O DE I N V E S T I G A C I Ó N 36
2.1. Caracterización de las fibras de lechuguilla 37
2.1.1. Composición química 38 2.1.2. Estructura microscópica 39 2.1.3. Contenido d e h u m e d a d 39 2.1.4. Propiedades físicas y mecánicas 40
2.2. Durabilidad d e la fibra 43
2.2.1. Agentes p r o t e c t o r e s 43 2.2.2. Tensión superficial y capilaridad 44
2.2.3. Absorción d e a g u a en fibras tratadas 4 4
2.2.4. Resistencia al medio alcalino 45 2.2.5. Cambios en la h u m e d a d y t e m p e r a t u r a del medio 4 6
2.2.6. E f e c t o de sustancias químicas alcalinas y ácidas 4 6 2.3. Ensayes mecánicos en especímenes d e c o n c r e t o c o n fibras 47
2.3.1. P r o p o r c i o n a m i e n t o s de las mezclas 48 2.3.2. Efecto d e los agentes p r o t e c t o r e s 4 9
2.3.2.1. M e z c l a d o , colado y curado 4 9 2.3.2.2. Fabricación de especímenes 4 9 2.3.3. E f e c t o del v o l u m e n y la longitud de la fibra 51
2.3.3.1. M e z c l a d o , colado y curado 52 2.3.3.2. Fabricación d e especímenes 52 2.3.4. Efecto de tratamientos q u í m i c o s y mecánicos en la fibra 53
2.3.4.1. Proporcionamiento d e la mezcla 53 2.3.4.2. M e z c l a d o , colado y c u r a d o 54 2.3.4.3. Fabricación d e especímenes 54 2.3.5. Influencia de la humedad del espécimen e n el ensaye 56
2.4. Pruebas aceleradas de durabilidad del c o n c r e t o con fibras 56 2.4.1. Proporcionamiento para mezclas densas e impermeables 57
2.4.2. Mezclado, colado y curado 58 2.4.3. Fabricación de especímenes 59 2.4.4. Pruebas de durabilidad en los especímenes 59
2.5. Interacción entre la fibra y la matriz d e cemento 6 0 2.5.1. Microestructura d e la fibra expuesta al medio alcalino 60
2.5.2. M o r f o l o g í a d e la interfase fibra - matriz de cemento 60
2.6. Elementos constructivos 61 2.6.1. Materiales potenciales para la construcción 61
3. A N Á L I S I S Y D I S C U S I Ó N DE LOS R E S U L T A D O S 62
3.1. Caracterización de las fibras de lechuguilla 63
3.1.1. Composición química 63 3.1.2. Estructura microscópica 64 3.1.3. Contenido de humedad 65 3.1.4. Propiedades físicas y mecánicas 6 6
3.1.4.1. Diámetro y longitud 66
3.1.4.2. Porcentaje de absorción de a g u a 67 3.1.4.3. Porosidad y densidad absoluta 68 3.1.4.4. E s f u e r z o último a la tensión 70 3.1.4.5. Porcentaje de elongación a la r u p t u r a 73
3.1.4.6. Resumen d e propiedades físicas 7 4
3.2. Durabilidad de la fibra 74 3.2.1. Tensión superficial y capilaridad 7 4 3.2.2. Absorción de a g u a en fibras tratadas 7 6
3.2.3. Resistencia al medio alcalino 77 3.2.4. Cambios en la h u m e d a d y temperatura del medio 8 0
3.2.5. Efecto de sustancias químicas alcalinas y ácidas 81 3.3. Ensayes mecánicos en especímenes de c o n c r e t o c o n fibras 84
3.3.1. Efecto de los agentes p r o t e c t o r e s 84 3.3.1.1. C o m p o r t a m i e n t o a tensión 85 3.3.1.2. C o m p o r t a m i e n t o a flexión 87 3.3.2. Efecto del volumen y la longitud d e la fibra 92
3.3.2.1. C o m p o r t a m i e n t o a tensión 9 2 3.3.2.2. C o m p o r t a m i e n t o a flexión 9 4 3.3.3. Efecto de tratamientos químicos y mecánicos en la fibra 9 6
3.3.3.1. C o m p o r t a m i e n t o a flexión y c o m p r e s i ó n 9 6 3.3.4. Influencia d e la h u m e d a d del espécimen en el ensaye 9 9 3.4. P r u e b a s aceleradas d e durabilidad del c o n c r e t o c o n fibras 101
3.4.1. Resistencia a las variaciones de h u m e d a d y t e m p e r a t u r a 102
3.4.2. Resistencia al ambiente h ú m e d o 104 3.4.3. Resistencia a los cloruros y sulfatos 104 3.5. Interacción entre la fibra y la matriz de cemento 109
3.5.1. Microestructura de la fibra expuesta al medio alcalino 109 3.5.2. M o r f o l o g í a de la interfase fibra — matriz d e cemento 111
3.6. Elementos constructivos 117 3.6.1. B ó v e d a s c o m o aligerante para losas 117
3.6.2. Placas acanaladas 119 3.6.3. Placas planas c o m o cimbra perdida para p u e n t e s y edificios 120
4. C O N C L U S I O N E S 123
5. S U G E R E N C I A S DE I N V E S T I G A C I Ó N 126
R E F E R E N C I A S 128
A N E X O S 141
A N E X O A.- Procedimiento d e extracción de la libra de lechuguilla 142
A N E X O B.- Tabulación de los d a t o s d e ensayes mecánicos 148
Í N D I C E DE T A B L A S
Tabla P á g i n a
1. Propiedades mecánicas típicas de Jas fibras naturales 9 2. Factores que afectan las p r o p i e d a d e s de los c o n c r e t o s r e f o r z a d o s
con fibra natural 11 3. R e s u m e n de trabajos de investigación referentes a las p r o p i e d a d e s
mecánicas y de durabilidad d e concreto con fibras naturales 24
4. Comparativa nacional d e z o n a s con y sin a p o y o oficial 32
5. Granulometría p a r a las mezclas 48 6. P r o p o r c i o n a m i e n t o s del C R F en kg/m" 4 8
7. Granulometría para mezclas en Alemania 53 8. Proporcionamientos del C R F para durabilidad en kg/m" 58
9. Porcentaje del contenido d e h u m e d a d en la fibra 66 10. Porcentaje de absorción de a g u a en las fibras 68 11. R e s u m e n de p r u e b a de porosidad en las fibras 69
Í N D I C E D E F I G U R A S
Figura P á g i n a
1. Clasificación de las fibras según su origen 3 2. Yute, bambú, lino y caña d e azúcar 6 3. Sisal, henequén, yucca y pasto d e elefante 7
4. Palmera o árbol de c o c o 9 5. Tipos de vegetación en México (1NEGI, 1998) 28
6. Planta de lechuguilla 2 9 7. Zonas áridas y scmiáridas del país según la C O N A Z A 33
8. Microscopio electrónico de barrido 3 9 9. Dispositivo de ensaye a tensión y porosímetro de intrusión
de mercurio 41 10. Estereoscopio equipado c o n cámara fotográfica 4 7
11. Ensaye a flexión, ensaye a tensión por compresión
diametral 51 12. P r o g r a m a de ensayes variando el v o l u m e n y la longitud de la fibra 52
13. Ensaye a flexión, ensaye a compresión 55 14. Representación esquemática de la celulosa 63 15. Micrograflas de la sección transversal y lateral de una fibra de
lechuguilla 65 16. Variación de diámetros máximo y mínimo en fibras 67
17. Curvas típicas de carga vs elongación de acuerdo con
el diámetro 70 18. Variación de la carga última c o n respecto al diámetro 71
19. Variación del e s f u e r z o último c o n respecto al diámetro 72 20. Relación entre la resistencia a tensión y el diámetro
en fibras de bambú y maguey 72 21. Histograma del esfuerzo último a tensión 73
22. Variación de la tensión superficial c o n respecto a la t e m p e r a t u r a
de los agentes p r o t e c t o r e s 75 23. Variación de la capiíaridad con respecto a la temperatura
de los agentes p r o t e c t o r e s 75 24. Porcentaje de absorción en libras tratadas 76
25. Variación del esfuerzo último a tensión respecto al tiempo
d e exposición en la solución alcalina 78 26. Variación de la elongación a la ruptura, respecto al tiempo
28 29. 30 31 32. 33. 34 35. 3 6 37. 38 39 4 0 41 4 2 43. 4 4 45 4 6 4 7 4 8 49 50 51 52 53
a ciclos de humcdecimicnlo y socado 80 Fibras control expuestas a agua destilada 81 Fibras expuestas a Ca(OI 1)2 y expuestas a N a O H 82
Fibras expuestas a Na2Si03 y expuestas a Na2SÜ4 83 Especímenes para ensaye a flexión y a tensión por c o m p r e s i ó n
diametral 85 Efecto en la resistencia a tensión debido ai tratamiento en
las fibras 86 Falla frágil de un espécimen sin fibras, falla dúctil de un
espécimen c o n fibras, a tensión 87 E f e c t o en el comportamiento a flexión debido a los tratamientos
en la fibra para especímenes de la serie 3 88 Efecto en el c o m p o r t a m i e n t o a a flexión debido a los tratamientos
en la fibra para especímenes de la serie 8 89 E f e c t o en la resistencia a flexión de especímenes c o n
fibras tratadas, debido a ciclos de humedecimiento y s e c a d o 9 0 Falla frágil de un espécimen sin fibras, falla dúctil debido
a las fibras de refuerzo a ílexión 91 E f e c t o del volumen y la longitud de la fibra
en la resistencia a tensión 93 E f e c t o del volumen y la longitud d e la fibra
en la resistencia a flexión 94 E f e c t o de los tratamientos químicos en la resistencia
a flexión y compresión 97 E f e c t o del volumen y la longitud de la fibra en la resistencia
a flexión y compresión de especímenes con
fibras tratadas c o n Na^SCU 98 Influencia de las condiciones de humedad durante
el ensaye en la resistencia a tensión 100 Efecto de Jas variaciones de humedad y temperatura en la
resistencia a la flexión 103 E f e c t o de la h u m e d a d constante en la resistencia a la flexión 105
Efecto del a t a q u e químico por cloruros y sulfatos en la
resistencia a flexión 106 Micrografìa de la sección transversal d e una fibra e x p u e s t a
durante 12 meses al medio alcalino 110 Micrografías a detalle de la sección transversal de fibra
mineralizada 111 Fibrillas superficiales producidas por fricción externa
en la fibra 112 Micrografia de una fibra sin tratamiento físico-mecánico 112
Interfase fibra-matriz en concretos c o n estearato de sodio 113 Interfase fibra-matriz en c o n c r e t o s c o n ceniza volante 113 Interfase fibra-matriz en c o n c r e t o s con fibra tratada
y sin tratamiento, sometidos a ciclos de
química y mecánicamente 115 54. Sistema vigueta y bovedilla, m o s t r a n d o bóveda d e
concreto con libras 118 55. Placa acanalada de concreto r e f o r z a d o con fibras d e lechuguilla 120
56. Placas planas de c o n c r e t o con libras 121 57. Vista general de los elementos constructivos
A
A / C
A C I
A L
A S T M
C
C1 8H3 5N a 02
C R F
N a O H
N a2S 04
N a2S i 03
P
p H
P S
P S S S
P S T
P S S S T
R SF S M ST W,
w
2w
3w
4N O M E N C L A T U R A
Aguarrás.
Relación agua/cemento.
Instituto americano del c o n c r e t o .
Aceite de linaza.
Sociedad americana de pruebas y materiales.
Creosota.
Estearato de sodio.
C o n c r e t o r e f o r z a d o con fibras.
Hidróxido de sodio.
Sulfato de sodio.
Silicato de sodio.
Parafina.
índice para la escala de acidez y alcalinidad.
Peso de fibra seca.
P e s o de fibra saturada superficialmente seca.
Peso d e fibra tratada seca.
Peso de fibra tratada saturada superficialmente seca.
B r e a o colofonia.
Especímenes d e concreto sin fibra.
Sellador de madera.
Especímenes d e concreto c o n fibras no tratadas.
Peso de picnòmetro.
Peso de picnòmetro más agua.
Peso d e picnòmetro más fibra saturada superficialmente seca.
R E S U M E N
La ingeniería civil y los materiales d e construcción se han desarrollado
considerablemente a partir de la segunda mitad del siglo X X . E n la actualidad es c o m ú n
escuchar de c o n c r e t o s sustentables y d e materiales c o m p u e s t o s a v a n z a d o s . Sin e m b a r g o ,
los países pobres y en vías de desarrollo hacen grandes e s f u e r z o s p a r a desarrollar
tecnologías que les permitan aprovechar sus vastos r e c u r s o s naturales y generar sus
propios materiales de construcción. El uso de las fibras naturales c o m o r e f u e r z o en el
c o n c r e t o representa una alternativa de desarrollo p a r a e s t o s países.
La presente investigación p r e t e n d e dar alternativas de solución al p r o b l e m a de la falta
de vivienda e infraestructura en las z o n a s ixtleras, las cuales r e p r e s e n t a el 10% del
territorio nacional. Sus objetivos son: producir u n material c o m p u e s t o a partir d e
cemento portland r e f o r z a d o con fibras naturales de lechuguilla, q u e p o s e a resistencia,
durabilidad y p u e d a ser usado para fabricar materiales de c o n s t r u c c i ó n baratos. La
hipótesis de trabajo sostiene que es necesario proteger a las fibras y reducir la p o r o s i d a d
de la matriz para que el c o m p u e s t o sea durable.
L o s principales resultados indican que la fibra d e lechuguilla es resistente a la
tensión, pero es severamente deteriorada por el medio alcalino del c o n c r e t o . Sin
embargo, si la fibra es protegida con parafina y la matriz es densificada c o n ceniza
volante, el c o m p u e s t o s o p o r t a aceptablemente la exposición a ambientes agresivos y a
las variaciones d e humedad y t e m p e r a t u r a . Las fibras largas y en cantidades reducidas
proporcionan incrementos en la resistencia a flexión y tensión del c o n c r e t o .
Resulta factible e n t o n c e s fabricar c o n este material c o m p u e s t o e l e m e n t o s
constructivos, tales c o m o láminas acanaladas, prefabricados a r q u i t e c t ó n i c o s y cimbras
perdidas. Sin embargo, es necesario investigar aún más la durabilidad del c o n c r e t o c o n
fibras para que sea viable en el desarrollo d e la infraestructura en las z o n a s rurales, tal
Capítulo 1
I N I R O D U C C I Ó N
C A P Í T U L O 1 1. I N T R O D U C C I Ó N 1.1 A n t e c e d e n t e s .
E n m u c h a s civilizaciones de la a n t i g ü e d a d , las fibras se usaron p a r a r e f o r z a r
materiales. Por ejemplo, la p a j a se u s a b a c o m o r e f u e r z o en los a d o b e s d e arcilla p a r a
controlar la tensión por el s e c a d o y reducir el agrietamiento. P o s t e r i o r m e n t e , en la era
m o d e r n a el asbesto c o m e n z ó a ser utilizado frecuentemente en m u c h o s países. L a
industria de la c o n s t r u c c i ó n usó a g r a n escala las fibras minerales de a s b e s t o en u n a
matriz de c e m e n t o [1]. Sin e m b a r g o , debido a q u e se d e t e c t a r o n algunos d a ñ o s a la salud
c o m o la asbestosis al fabricar p r o d u c t o s de a s b e s t o - c e m e n t o , su aplicación disminuyó
considerablemente. D e b i d o a esto, se buscó e n t o n c e s sustituir el a s b e s t o p o r fibras d e
o t r o s materiales las cuales r e s u l t a r o n ser u n a alternativa viable [2],
F.n la actualidad, los materiales c o m p u e s t o s a base de matrices d e c e r á m i c o s ,
plásticos y c e m e n t o i n c o r p o r a n fibras p a r a m e j o r a r sus p r o p i e d a d e s físicas y m e c á n i c a s ,
tales c o m o la resistencia a la tensión, a la c o m p r e s i ó n , al agrietamiento, al i m p a c t o , a la
abrasión y la tenacidad [3], Existen en la industria varios tipos d e fibras q u e se
comercializan mundialmente, los tipos básicos son las d e a c e r o , vidrio y las d e r i v a d a s de
hidrocarburos (plásticas). O t r o g r u p o de fibras e s t u d i a d a s para su posible aplicación, s o n
las fibras naturales de origen vegetal. Su principal ventaja e s la amplia disponibilidad
sobre t o d o en los países p o b r e s y en desarrollo [2],
liste g r u p o de fibras naturales vegetales tiene un baio c o s t o de p r o d u c c i ó n e n
c o m p a r a c i ó n con los o t r o s tipos de libras. La m a n u f a c t u r a de fibras de a c e r o , vidrio y
plásticas requiere una considerable inversión e c o n ó m i c a lo q u e es difícil p a r a los países
libras naturales vegetales requieren m e n o s energía en su proceso de extracción, aún
siendo éste mecánico | 4 | . listo resulta atractivo principalmente para los países en vías de
desarrollo, que c o m o ya se mencionó, tienen una amplia disponibilidad del recurso
natural, pero graves carencias de vivienda e infraestructura.
lis de consideración el incremento d e las actividades de investigación y las
aplicaciones q u e se están d a n d o al c o n c r e t o r e f o r z a d o c o n fibras en t o d o el m u n d o . L a
industria está interesada en las o p o r t u n i d a d e s d e negocios potenciales al respecto, esto
impulsa la continuación de n u e v o s avances en diferentes materiales fibroreforzados para
su uso en la construcción [5j.
1.1.1 Clasificación de las fibras.
Las fibras pueden ser clasificadas de acuerdo a su origen. Esta clasificación no
pretende ser exhaustiva, sin e m b a r g o , es la utilizada por la mayoría de los
investigadores en el tema [2], ver la figura 1.
Fig. 1 Clasificación de las fibras según su origen.- Las fibras minerales y las hechas por el hombre señaladas en esla figura son las que tienen mayor aplicación como refuerzo en el concreto [2].
1.1.2 Fibras naturales vegetales.
Históricamente, las fibras naturales vegetales o simplemente fibras naturales eran
usadas empíricamente para reforzar varios materiales d e construcción, o bien p a r a la
producción de material textil. Sin embargo, e s hasta a ñ o s recientes que los científicos se
han dedicado a estudiar el uso de este tipo de fibras c o m o r e t u e r z o en el c o n c r e t o [2],
1 ,as fibras naturales se pueden obtener a un bajo c o s t o usando la mano de o b r a
disponible en la localidad y las técnicas a d e c u a d a s para su obtención, estas fibras son
llamadas generalmente libras naturales no procesadas. Sin e m b a r g o , las fibras naturales
libras son generalmente de celulosa derivada de la madera. Los países desarrollados
utilizan estos procesos químicos o mecánicos para su aplicación industrial,
d e s a f o r t u n a d a m e n t e su alto c o s t o impide que sean u s a d o s en los países p o b r e s y en
desarrollo, a tales fibras se les c o n o c e c o m o fibras naturales procesadas [2J.
Las fibras naturales están disponibles en razonablemente grandes cantidades en
muchos países y representan una fuente renovable continua. A finales d e los a ñ o s
sesenta, se llevó a cabo una evaluación sistemática de las propiedades d e ingeniería de
las fibras naturales, y de los c o m p u e s t o s hechos d e estas fibras con el c e m e n t o . A u n q u e
los resultados fueron alentadores ya que se e n c o n t r ó que mejoraban la resistencia a
flexión y al impacto del concreto, también se r e p o r t a r o n algunas deficiencias r e s p e c t o a
su capacidad de r e f u e r z o a largo tiempo [2]. Estas deficiencias al parecer son resultado
del deterioro que sufre la fibra debido a la reacción con la p a s t a alcalina d e cemento y al
a u m e n t o del volumen de las fibras en presencia de la humedad [6j.
1.1.3 Origen de las fibras naturales.
Las fibras naturales pueden provenir principalmente del tallo y de las hojas d e las
plantas, también puede obtenerse fibras de la cáscara superficial d e algunas frutas. Sin
embargo, sólo algunas de estas fibras tiene u n verdadero potencial para ser c o n s i d e r a d a s
como refuerzo en el concreto. A continuación se describen de manera general las fibras
naturales más estudiadas para este fin.
1.1.3.1 Provenientes del tallo.
El yute, el lino, el bambú, la caña de azúcar, la hierba de China (ramie). el sunn y el
kenaf son ejemplos de fibras naturales que provienen del tallo de la planta.
a. El yute ( C o r c h o r u s capsularás).- Crece a b u n d a n t e m e n t e en Bangla Desh, China,
India y Tailandia. El yute tiene una altura a p r o x i m a d a de 2.5 m y 25 nim de
diámetro en la base del tallo. Tiene un color entre amarillo a café y está f o r m a d o
por g r u p o s de fibras que se mantienen unidas por la lignina de la planta. El p r o c e s o
de extracción de la fibra es simple, la planta se corta en tramos, se agrupa y se
sumerge en agua por cuatro semanas para que s e sature. La fibra se e x t r a e
microorganismos c inscclos. La humedad tiende a deteriorar la planta, pero en
estado seco tiene una aceptable duración. A u n q u e ésta no es una típica planta de
América, Brasil la produce a gran escala principalmente en la región del
A m a z o n a s y su explotación la realiza c o n bajos costos en Ja mano d e obra [7], ver
iigura 2.
b. El lino (Linum usitaatissimum).- E s esbelto y se mantiene erguido p o r sus fibras.
Su longitud varía d e 0.15 a 0.65 m. Se considera que p r o p o r c i o n a una fibra
sumamente fuerte y tiene una alta absorción de agua [8], ver figura 2.
c. El bambú (Bambusa vulgaris).- C o m o vegetación natural el bambú crece
abundantemente en regiones tropicales y subtropicales. E s también c o m ú n en
América Latina y llega a tener una altura de hasta 15 m, su diámetro varía de 25 a
100 mm. Las fibras representan del 60 al 7 0 % de su peso y se c o n c e n t r a n en la
parte exterior del bambú, además de ser relativamente largas d e 2.5 a 3.5 m [9],
ver figura 2.
d. La caña de azúcar ( S a c c h a r u m offeinarum).- El bagazo es el residuo fibroso que se
obtiene de la caña de azúcar d e s p u é s de la extracción del j u g o . Llega a crecer más
de 6 m de alto dependiendo de la especie y del área de cultivo, tiene un diámetro
de alrededor de 60 m m . El cultivo generalmente se realiza en las regiones húmedas
tropicales y subtropicales [7], ver figura 2.
e. La hierba de China o ramie (Boemmiria nivea).- Esta fibra crece en el sureste de
Asia. L a s libras son largas y muy finas, p u e d e procesarse generalmente para
p r o d u c t o s textiles, pero esta operación es difícil y c o s t o s a lo que hace a la fibra
¡ríeosteablc para uso general. El ramie tiene la mitad de la densidad del lino pero más fuerte y a b s o r b e n t e [8].
f. El sunn (Crotalaria júncea).- Las fibras crecen de 1.20 a 1.50 m de longitud y se
extraen en forma similar que el yute. La planta tiene un 8 0 % de celulosa y es
altamente resistente a la humedad. Esta fibra es p r o d u c i d a principalmente en la
India y en pequeñas cantidades crece en Uganda. Se utiliza generalmente para
fabricar cordones, costales y papel. En la India también se utiliza c o m o red para
g. El kenaf (Hibiscus cannabinus).- La aJtura del tallo de esta planta varia entre 2.40
a 3.70 m. La planta es originaria de la India y Pakistán, pero también crece en
África, en el sureste de Asia, Indonesia, Rusia, México, Filipinas, Cuba y Estados
Unidos. Se utiliza principalmente para fabricar cordones, lonas y costales. En
algunas ocasiones sustituye al yute [8]
(a) (b)
(c) (d) Fig. 2 (a) yute, (b) bambú, (c) lino y (d) caña de azúcar.
1.1.3.2 Provenientes de la hoja.
L a s fibras naturales que provienen de las hojas de la planta, son entre las m á s
importantes: el sisal, el henequén, la yucca, el pasto del elefante, el plátano y la piassava.
a. El sisal (Agave sisalana).- Pertenece a la familia del agave y crece en M é x i c o
especialmente en la peninsula de Yucatán. L a planta también se cultiva en África y
en algunas áreas de Suramérica. Esta fibra natural vegetal es de las m á s fuertes,
tradicionalmente se usa como refuerzo en placas de yeso para ia construcción
Australiana. En los años recientes ha despertado interés en algunos g r u p o s d e
investigadores y compañías de construcción el producir elementos de concreto
reforzados con estas fibras naturales. Se busca que estos elementos constructivos
sean durables y de buena calidad [7,10,11], ver figura 3.
b. El henequén (Agave fourcroydes).- Esta planta es nativa d e México. Sus fibras se
1.50 m, es también conocido como falso sisal. E s posible obtener más del 3 % del
peso d e la hoja en fibras. Estas fibras se secan al sol tal c o m o se hace con el sisal,
sin embargo, n o es tan apreciada por la industria textil ya que prefiere al sisal por
su m e j o r trabajabilidad en la maquinaria. El principal uso del henequén es la producción de cuerdas o mecates [9], ver figura 3.
c. L a Y u c c a (Liliaceae).- E n M é x i c o las que presentan mayor densidad y tamaño son
la yucca filifera, la yucca decipiens y la yucca carnerosana. L a s condiciones
climáticas para que se desarrollen son las clásicas de las zonas semidesérticas de
México. Las fibras se obtienen separándolas manualmente, pero en algunos casos
se realiza mecánicamente El aprovechamiento de las fibras de la yucca
carnerosana es principalmente para fabricar cestos, cordelería, sacos, sandalias,
bolsas de mano, tejido artesanal, relleno de muebles, escobas y cepillos [12], ver
figura 3.
d. P a s t o del elefante (Pennisetum purpureum).- E s t a planta es alta y erguida, crece
comúnmente cerca de arroyos y ríos. Puede llegar a crecer hasta 3 m de alto y
tiene un diámetro de 20 mm. El tallo es sólido, contiene una médula de fibras
blandas, la corteza es delgada y fibrosa. Las fibras son fuertes y agudas por lo que
la extracción a mano se complica [7], ver figura 3.
(a) (b) (c) Fig. 3 (a) sisal, (b) henequén, (c) \-ucca y (d) pasto del elefante.
e. El plátano (Musa sapientum).- E s una planta tropical de la familia de la banana. El
tronco es fibroso y la fibra es fácilmente extraída a mano. L a s fibras frescas son
I". La piassava (Altaica funifera).- Es una planta típica del género americana tropical,
crece principalmente en el noreste de Brasil. Una v e z plantada t o m a largo t i e m p o
para que las hojas p r o d u z c a n fibras, mínimo cuatro años. C a d a h o j a tiene de 500 a
800 g de libras; éstas son de 0.5 a 0.6 m de longitud. Las fibras se fijan en los
pecíolos de las hojas y son fácilmente extraídas [9].
1.1.3.3 Provenientes de la cáscara.
La principal fibra utilizada c o m o r e f u e r z o y que proviene d e la superficie exterior de
una fruta es la fibra del coco.
a. El c o c o ( C o c o s nucífera).- El cultivo de esta planta se c o n c e n t r a en el cinturón
tropical de Asia y el este de Africa, también se encuentra en A m é r i c a Latina en
pequeña escala. La fruta esta cubierta por una c a p a superficial, la cual tiene un
gran contenido de fibras. L a cáscara del coco consiste d e una c a p a dura q u e
contiene a las fibras, éstas son normalmente de 0.15 a 0.35 m de longitud y e s t á n
c o m p u e s t a s principalmente de lignina, taninos, celulosa, pectina a d e m á s de o t r a s
sustancias solubles en agua. Las fibras son usualmente extraídas disolviendo los
taninos y pectinas en el agua, del mismo m o d o la mayoría de las o t r a s sustancias
se d e s c o m p o n e n . Las fibras p u e d e n ser también extraídas por m e d i o s mecánicos
[9], ver figura 4.
1.1.3.4 Celulosa proveniente de la madera.
Este tipo d e fibra natural es la m á s utilizada en el m u n d o industrializado, c o n esta
fibra se p r o d u c e n p r o d u c t o s c o m o tableros c o m p a c t o s para aplicaciones arquitectónicas,
se obtienen generalmente de árboles d e madera blanda y latifoleaeda tal c o m o el pino.
Las virutas de m a d e r a son saturadas en agua con sulfato d e sodio y desfibradas
mecánicamente. Las fibras d e celulosa son fuertes y durables [7], A d e m á s d e la fibra, la
madera se puede utilizar c o m o virutas o c o m o pequeñas partículas, las cuales q u e d a n
embebidas en matrices de resinas plásticas o en mezclas de c o n c r e t o muy secas
r
•4*
\
Fig. 4 Palmera o árbol de coco.
1.1.4. Propiedades mecánicas de las fibras naturales.
Las fibras naturales necesitan tener adecuadas propiedades mecánicas para ser
consideradas como posible refuerzo en matrices de cemento. E n los últimos 3 0 años los
investigadores interesados en este tema realizaron un gran número de trabajos para
obtener esta información [2,7,9], A continuación se presenta en la tabla 1 un resumen de
las propiedades físico mecánicas de fibras naturales con mayor uso c o m o refuerzo de
concreto base cemento portland.
Tabla 1.- Propiedades Mecánicas Típicas de las Fibras Naturales [2,7,9].
Tipo de Fibra
Longitud
mm
Diámetro
mm
Densidad Absoluta g'cm3
Módulo de Elasticidad
Gpa
Resistencia l l t i m a a Tensión
Mpa
Elongación a la Ruptura
%
Absorción de Agua
%
Yute 1800 - 3000 0 . 1 0 - 0 . 2 0 1.02 - J.04 2 6 - 32 250 - 350 1 . 5 - 1.9 62
Lino 50« 100 1000 1.8 2.2
Bambú 250O - 3500 0.05 0.40 1.52 3 3 - 4 0 350- 500 4 0 - 4 5
Caña de azúcar 50 - 300 0.20 - 0.40 1.20 -J.30 15 - 19 170 290 7 0 - 7 5
Sisal 0 . 1 0 - 0 . 5 0 ¡ 3 - 2 6 280 - 568 3 - 5 6 0 - 7 0
Henequén 0.36 1.40 91 - 307 2 . 3 - 7 . 6 163.10
Pasto de eleianle 0.45 5 178 3.6
Plátano 0.43 0.298 1.4 92 5.9 276
Mu samba 0.82 0.9 83 0.7
1.1.5 C o n c r e t o base cemento portland r e f o r z a d o con fibras.
De acuerdo con Mehla y Monteiro [13]. un cemento es llamado hidráulico c u a n d o los
p r o d u c t o s d e hidralación son estables en un medio a c u o s o . El c e m e n t o hidráulico m á s
común para fabricar c o n c r e t o es el portland y consiste principalmente de silicatos de
calcio hidráulico. Así también definen, que el c o n c r e t o hidráulico e s un material
c o m p u e s t o que consiste esencialmente d e un medio c o n g l o m e r a n t e f o r m a d o por una
mezcla de cemento hidráulico y agua, dentro del cual se hallan a h o g a d a s partículas o
fragmentos de agregados. L o s a g r e g a d o s pueden ser la arena, la g r a v a o escoria d e acero
de alto h o m o . El comité 544 del Instituto Americano del C o n c r e t o (ACI) [2], define que
el concreto base cemento portland r e f o r z a d o c o n fibras n a t u r a l e s no p r o c e s a d a s o
simplemente concreto reforzado con fibras está constituido por los siguientes materiales:
a. Cemento portland.- Se recomienda que cumpla c o n las n o r m a s A S T M C 150 o C
595 o las equivalentes. P u e d e ser utilizado el ordinario ( C P O ) , el c o m p u e s t o
(CPC) o los c e m e n t o s con m a y o r contenido d e silicato tricálcico (SiCa3) y
aluminato tricálcico (AlCa3) que reducen el efecto r e t a r d a n t e del fraguado
producido por la g l u c o s a presente en las fibras.
b. A g r e g a d o s . - Es recomendable que cumpla c o n la n o r m a A S T M C 33 o su
equivalente. Normalmente el concreto reforzado c o n fibras se fabrica c o n t a m a ñ o s
de a g r e g a d o menores a 4.75 mm, por lo que también p u e d e n ser llamados
morteros. Sin embargo, en esta tesis se usará el término de c o n c r e t o .
c. A g u a y aditivos.- El a g u a a utilizar deberá ser potable, se p u e d e n a g r e g a r aditivos
acelerantes para disminuir la influencia de la glucosa, aditivos fluidificantes para
mejorar la trabajabilidad d e la mezcla y también fungicidas para prevenir el a t a q u e
de bacterias y hongos.
d. Fibras naturales.- Pueden ser utilizadas diversos tipos de fibras naturales c o m o las
descritas con anterioridad. No p u e d e generalizarse el c o n t e n i d o de fibra ni su
longitud, ya que cada tipo tiene sus valores idóneos. Se recomienda que estén
libres de carbohidratos y sin señales aparentes de a t a q u e d e microorganismos.
Para fabricar concreto relorzado con libras, generalmente se utiliza el siguiente
a. Mezclado húmedo.- Se utiliza un bajo contenido de libras. Primero se colocan los
agregados, se a g r e g a el cemento con el agua y p o s t e r i o r m e n t e los aditivos, t o d o es
mezclado en una revolvedora mecánica. Finalmente se a g r e g a la fibra t r a t a n d o de
dispersarla en la mezcla. El procedimiento de mezclado d e b e r á cumplir con la
norma A S T M C 94 o equivalente.
El colado se puede realizar con equipo convencional u s a n d o vibradores internos o
externos para su mejor compactación. El procedimiento de m e z c l a d o , colado y
c o m p a c t a d o es muy similar al sugerido p a r a c o n c r e t o s r e f o r z a d o s con fibras d e acero,
vidrio o plásticas [14]. Sin embargo, éste relativamente nuevo material d e c o n s t r u c c i ó n
requiere de cuidados especiales para evitar que se afecten sus p r o p i e d a d e s . En la tabla 2
se presentan los diferentes factores que p u e d e n hacer variar las p r o p i e d a d e s del c o n c r e t o .
Este listado no es exhaustivo, pero enfátiza la complejidad para producir un c o n c r e t o de
buena calidad. El tipo y la longitud de la fibra, así c o m o también el v o l u m e n de la fibra
en la mezcla, son los factores que más influyen en la resistencia del c o n c r e t o [2],
T a b l a 2.- F a c t o r e s q u e a f e c t a n las p r o p i e d a d e s de l o s c o n c r e t o s r e f o r z a d o s c o n f i b r a n a t u r a l [7]
F a c t o r e s V a r i a b l e s
Tipo de fibra Coco, sisal, maguey, caña de azúcar, b a m b ú , yute, madera, pasto de elefante
plátano y m u s a m b a
Geometría de la fibra Longitud, diámetro, sección transversal, anillos y puntas.
Conformación de la fibra Monofilamento, multifilamentos, rizado y nudos simples
Condiciones superficiales Hongos, presencia de recubrimientos.
Propiedades d e la matriz Tipo de cemento, tipo de a g r e g a d o y granulometría. tipos de a d i t i v o s
Diseño de la m e z c l a Contenido de agua, relación a g u a / c e m e n t o , trabajabiiidad y c o n t e n i d o de fibra.
Método de m e z c l a d o Tipo de mezcladora, secuencia al agregar los ingredientes, m é t o d o para agregar las fibras, duración y velocidad del m e z c l a d o
Método de compactación Vibración convencional, por presión y por impacto
Técnica de colado Colado convencional, lanzado o por extrusión
Método de curado Convencional, m é t o d o s especiales
Las propiedades mecánicas de los c o n c r e t o s r e f o r z a d o s con fibras varían c u a n d o está
en estado Iresco y cuando ha endurecido.
a. Concrelo Iresco.- 1.a adición de fibras naturales a la mezcla tiende a reducir la
área superficial y especialmente a la forma y tamaño de las fibras en relación con
las otras partículas que constituyen la m c / c l a . Esto es importante, ya que una
mezcla muy seca tendrá problemas de c o m p a c t a c i ó n originando h u e c o s en el
producto final y una distribución no uniforme de las fibras. Por o t r a parte, u n a
mezcla con alto contenido de a g u a disminuirá considerablemente la resistencia
mecánica del c o m p u e s t o endurecido. Otro a s p e c t o importante es la tendencia que
tienen las fibras de aglomerarse entre sí, e s t o ocurre principalmente cuando se
tiene una alta relación de aspecto (longitud/diámetro) de la fibra. Al aglomerarse
las fibras p r o d u c e n una segregación en la mezcla y se incrementa la p o r o s i d a d del
concreto. También, se ve afectada la resistencia y se p r o d u c e n variaciones entre
especímenes de una misma mezcla. Algunos m é t o d o s de mezclado se p u e d e n usar
para minimizar este problema, normalmente agregando las fibras en f o r m a
progresiva después que han sido mezclados los o t r o s ingredientes. Sin e m b a r g o ,
las fibras permiten que la mezcla en estado fresco tenga la suficiente plasticidad
p a r a ciertas aplicaciones, c o m o p o r ejemplo, en placas delgadas d e pasta de
cemento o mortero y cascarones c o m o estructuras arquitectónicas [2.7],
b. C o n c r e t o endurecido.- El c o n c r e t o simple p o s e e una excelente resistencia a la
compresión, sin embargo, es frágil. Las fibras p r o p o r c i o n a n ductilidad al c o n c r e t o
y permite mejorar propiedades tales como la tensión, la flexión, el impacto y la
tenacidad, mientras que la resistencia a la compresión en algunas ocasiones es
afectada adversamente con respecto al c o n c r e t o simple. Eí mícroagrietamiento se
reduce distribuyendo los e s f u e r z o s internos. El c o m p o r t a m i e n t o plástico posterior
al agrietamiento es considerablemente afectado por la adherencia, el v o l u m e n y la
longitud de las fibras, además de las p r o p i e d a d e s mecánicas d e éstas. La
adherencia puede verse afectada debido a la expansión de la fibra dentro de la
mezcla húmeda, y la posterior contracción p o r secado. O t r a s p r o p i e d a d e s que se
han evaluado son la absorción d e energía, a s p e c t o s térmicos tales c o m o
conductividad, difúsividad, calor específico y coeficiente de expansión térmica.
Adicionalmente, se han investigado propiedades acústicas c o m o la absorción y la
transmisión del sonido, así también, la permeabilidad, la absorción d e agua y las
1.2 Análisis de los f u n d a m e n t o s .
1.2.1 Reseña de estudios anteriores.
A continuación se resumen los resultados de trabajos de investigación realizados en
varios lugares del mundo. Estas investigaciones dan una idea de los logros o b t e n i d o s en
cada país, en d o n d e se pretende utilizar las fibras naturales propias de cada región para
aplicarlas a la construcción d e infraestructura y vivienda.
1.2.1.1 C e m e n t o - sisal.
Swift y Smith [15], fabricaron especímenes de c o n c r e t o para determinar su resistencia
a flexión y tenacidad. U s a r o n 5 % en volumen de fibras de hasta 1 m de longitud
alineándolas en el molde para reforzar c o n c r e t o s de relación a g u a / c e m e n t o ( A / C ) - 0.5.
Los resultados e n c o n t r a d o s en c o m p a r a c i ó n c o n especímenes sin fibra f u e r o n que se
incrementó 3 veces la resistencia a flexión, 7 veces la tenacidad y 7 veces la resistencia
al impacto. También se ensayaron especímenes r e f o r z a d o s c o n fibras c o r t a s de 25 m m
de longitud y distribuidas aleatoriamente e n c o n t r á n d o s e que la resistencia a flexión
únicamente se incrementa u n 5 0 % y ta tenacidad e impacto un 100%. P o r lo q u e de
acuerdo a sus resultados las fibras largas resultaron más efectivas. Así también, se
encontró que adicionando fibras cortas j u n t o c o n las fibras largas se incrementaba la
resistencia a la primera grieta c u a n d o el c o m p u e s t o es sujeto a flexión.
Ribas y Moreira [16], han estudiado en Brasil el uso de fibras naturales d e sisal c o m o
refuerzo en pastas y morteros. Se c o m p a r a r o n resultados de ensayes a compresión,
flexión y tensión para especímenes c o n libra y sin ella. Se fabricaron cilindros de 50 m m
de diámetro y 100 mm d e alto, losetas de 6 0 0 x 6 0 0 x 3 0 mm y barras de 150x150x600
mm. Se utilizó longitudes de fibra de 2 0 y 50 m m q u e se distribuyeron aleatoriamente en
la mezcla con relación A/C = 0.74, para las losetas s e colocó fibra de 100 m m a manera
de malla en la mitad del espesor. De acucrdo con los resultados o b t e n i d o s por estos
investigadores los especímenes con fibras cuya longitud fue de 20 y 50 mm mantienen la
también, se observó que el agrietamiento y la ruptura ocurrían gradualmente en las
losetas.
Filho (17|, realizó ensayes en Brasil con fibras d e sisal r e f o r z a n d o morteros, el
estudio consideró la variación en la longitud y el volumen de la fibra, a d e m á s d e la
condición inicial de humedad de la fibra, saturada y seca. Los r e s u l t a d o s e n c o n t r a d o s
indican que el m o r t e r o sin fibra tiene una resistencia a flexión ligeramente m a y o r q u e los
m o r t e r o s con fibra de 7 y 28 días de e d a d , sin e m b a r g o , esta diferencia se incrementa
hasta un 10% a los 63 días de edad. En lo que respecta a la h u m e d a d en la fibra se
encontró que la resistencia disminuía c u a n d o la fibra estaba p r e v i a m e n t e saturada.
Finalmente, el investigador c o m e n t ó que la resistencia a flexión de los especímenes es
mayor en las matrices de m o r t e r o que tienen m e n o s cantidad de fibra, en c o m p a r a c i ó n
con las matrices con alto contenido de fibra.
1.2.1.2 C e m e n t o - maguey.
Castro y N a a m a n [18], realizaron estudios en M é x i c o para tratar de utilizar las fibras
de maguey en c o m p u e s t o s base cemento portland. De la caracterización física que
realizaron en las fibras r e p o r t a n longitudes d e 304 a 508 m m y diámetro p r o m e d i o de
0.35 mm, también obtuvieron el p o r c e n t a j e d e absorción de a g u a d e la fibra resultando
que se satura u n 6 7 % relativo a su peso seco en m e n o s de 2 0 min y alcanza el 7 0 % en 2 4
hrs. La densidad de la fibra fue obtenida c o n un valor de 1.24 g / c n r \ L a s p r o p i e d a d e s
mecánicas obtenidas de la fibra fueron la resistencia última a tensión de 552 M P a y el
módulo de elasticidad de 21 G P a . Se p r o b a r o n fracciones de v o l u m e n de 5 hasta 12% y •
según los resultados de los especímenes sometidos a ensayes d e flexión, se e n c o n t r ó q u e
el volumen de la fibra no influye significativamente en la resistencia a la primera grieta.
Así también, los investigadores sostienen que se p r o d u c e un c o m p o r t a m i e n t o
elástico-plástico posterior al agrietamiento para fracciones de volumen m a y o r e s a 7 % y fibras
continuas de 300 mm alineadas en los moldes. Estas propiedades mecánicas disminuyen
c u a n d o los especímenes son sometidos a ciclos de humedecimiento y s e c a d o , a d e m á s de
variaciones de temperatura. Sin embargo, reportan q u e la exposición de los especímenes
a ambientes alcalinos generados por hidróxido de calcio y sulfato d e sodio no p a r e c e n
1.2.1.3 C e m e n t o - coco.
Paramasivan, Naíhan y Das G u p t a [19], trataron de sustituir total o parcialmente las
libras de asbesto p o r fibras de c o c o en Singapur, con la finalidad de producir láminas
acanaladas de c o n c r e t o . Se fabricaron en el laboratorio láminas acanaladas de 10 m m d e
espesor y se ensayaron a flexión, así también, se fabricaron especímenes para evaluar
sus propiedades térmicas y acústicas. En los ensayes de resistencia a flexión se encontró
que una fracción de volumen de 3 % y longitud de fibra de 25 m m resultan en m a y o r e s
módulos de ruptura, c o m p a r a d o s con otras combinaciones d e cantidad y longitud d e
fibra. Se observó que la fibra falla por extracción. E n lo que respecta a la conductividad
térmica, el c o m p u e s t o presenta valores entre 0.61 a 0.68 W°K/m, lo q u e es c o m p a r a b l e
c o n resultados e n c o n t r a d o s en placas d e asbesto cemento 0.65 W°K/m. A d e m á s , se
encontró que para altas frecuencias la propiedad de absorción del sonido es mejor e n
este tipo de c o m p u e s t o s que en el asbesto cemento.
Hussín y Zakaria [20], realizaron en Malasia p r u e b a s p a r a utilizar en la c o n s t r u c c i ó n
la fibra de c o c o c o m o refuerzo de placas delgadas de c e m e n t o . Se ensayaron a flexión
placas planas y acanaladas con u n espesor d e 10 mm, c o n relación A / C = 0.35 y
contenidos de fibra de 1 a 6 % p o r peso. Algunas placas se mantuvieron en el ambiente
natural durante 3, 6 y 12 meses. Se reportó que la resistencia a flexión se incrementa
c o n f o r m e aumenta la cantidad de fibra hasta un 5 % , d e s p u é s de este p o r c e n t a j e la
resistencia disminuye ligeramente, siendo el 4% el que presentó mayor resistencia. El comportamiento a flexión resultó ser dúctil c o n las m a y o r e s cantidades d e fibra y en la
superficie de falla se observó la ruptura de la fibra. Las placas e x p u e s t a s al ambiente
natural redujeron su resistencia post agrietamiento en un 3 0 % .
Savastano Jr. [21], estudió el uso de fibras de c o c o c o m o refuerzo en m o r t e r o s base
cemento portland en Brasil. Se p r o b a r o n d o s longitudes p r o m e d i o de fibra de 38.2 y 9 . 7
mm, otras variables fueron la condición inicial de h u m e d a d en la fibra s a t u r a d a y seca, la
fracción d e volumen d e la fibra y la relación A / C de la mezcla. Se realizaron ensayes d e
impacto, ílexión y compresión. De los cuales los resultados obtenidos indicaron q u e la resistencia al impacto aumentaba con la fracción de volumen, pero disminuía la
lograr un valor máximo a flexión y tensión, y para impacto la fracción de volumen f u e
de 4 . 4 % . Ivn comparación con el mortero sin libra se obtuvieron incrementos a tensión e
impacto en un 165 y 4 0 0 % respectivamente. En lo concerniente a la condición inicial de
humedad de la fibra los resultados no señalan una clara diferencia. Finalmente, el
investigador e n c o n t r ó que las fibras m á s largas d e 38.2 m m originaron especímenes c o n
mayor resistencia a flexión y compresión, mientras que p o r impacto, no p a r e c e influir el
uso de fibras de 38.2 o 9.7 mm.
1.2.1.4 C e m e n t o - bambú.
Smith [221, trabajó con fibras que fueron extraídas del bambú, encontró que
utilizando la fibra sin ningún tratamiento previo el fraguado de la mezcla se retardaba
debido a la acción de la glucosa presente en las fibras. A d e m á s , la resistencia a flexión
del compuesto n o presentaba una mejoría significativa en c o m p a r a c i ó n c o n u n c o n c r e t o
sin fibras. Se p r o b a r o n dos m é t o d o s como posibles tratamientos a la fibra, el primero d e
ellos consistía en sumergir las fibras durante 15 min en cemento diluido en a g u a o
lechada, mientras que el segundo m é t o d o fue hervir las fibras durante el mismo intervalo
de tiempo en agua. Posteriormente, se fabricaron cubos c o n las fibras ya t r a t a d a s y se
ensayaron a compresión. Los c u b o s r e f o r z a d o s c o n fibras tratadas p o r el s e g u n d o
m é t o d o dieron una más alta carga de falla 42.2 k N , sin e m b a r g o , esta carga e s menor que
la carga de falla de un cubo sin fibra la cual f u e 60.5 k N . P o r otra parte, se fabricaron
paneles encontrando que el procedimiento de c o m p a c t a c i ó n de los e l e m e n t o s a f e c t a b a
considerablemente la resistencia de los mismos, así como la adecuada distribución de la
fibra en la matriz. O t r a observación que se realizó fue que la fibra pierde h u m e d a d
dentro de la matriz de cemento y esto origina una contracción que afecta seriamente la
adherencia fibra-matriz.
Krishnamurthy [23], estudió en Jordania el uso del bambú c o m o sustituto del acero de
refuerzo convencional. La investigación se c o n c e n t r ó en mejorar la adherencia entre el
bambú y la matriz de cemento, p r o p u s o tres técnicas basadas en materiales b a r a t o s y
fácilmente disponibles. La primera técnica consistió en aplicar al bambú un material
bituminoso y adherir avena para dar lina superficie rugosa. En Ui segunda técnica se
Finalmente, la tercera consistió en rodear al bambú con una soga i m p r e g n a d a del
material bituminoso, al triodo de las corrugaciones en las varillas de acero. Se fabricaron
12 vigas de 100x200x1200 mm con porcentajes de refuerzo de bambú igual a 1, 2, 3 y
4 % . Se observó q u e todas las vigas desarrollaron grietas por flexión h a s t a el m o m e n t o de
su falla y las deflexiones se incrementaron considerablemente a partir de la primera
grieta. N o se r e p o r t a deslizamiento del bambú en ningún caso, sin e m b a r g o , según el
investigador la tercera técnica desarrolla una m e j o r adherencia, los resultados
e n c o n t r a d o s muestran que los porcentajes de r e f u e r z o que p r o p o r c i o n a n u n a mayor
resistencia a flexión son el 3 y 4 % .
1.2.1.5 C e m e n t o - c e l u l o s a de madera.
Campbell y C o u t t s [24], realizaron estudios en Australia trabajando c o n fibra de
celulosa p r o d u c t o de la madera, las fibras utilizadas tenían una relación d e a s p e c t o entre
50 a 60. Las p r o p i e d a d e s mecánicas obtenidas f u e r o n la resistencia a la tensión de la
fibra que se r e p o r t a de 500 a 900 M P a y un m ó d u l o elástico de 25 a 4 0 G P a . S u s
estudios reportan que las fibras d e celulosa extraídas químicamente se mantienen
estables en el medio altamente alcalino de la matriz de c e m e n t o . O t r o s resultados
indican que las fibras extraídas utilizando sulfato d e sodio (Na2SO.j) f a v o r e c e n la
resistencia a flexión del c o m p u e s t o , mientras q u e las que f u e r o n tratadas c o n hidróxido
de sodio ( N a O H ) , ocasionaron una disminución en la resistencia a flexión. T a m b i é n
reportaron, que los m é t o d o s de extracción de la fibra ya sean químicos o
termo mecánicos influyen considerablemente en las p r o p i e d a d e s mecánicas del c o n c r e t o .
Siendo más c o s t o s o el primer método de extracción, pero los c o m p u e s t o s f a b r i c a d o s c o n
libras químicamente extraídas presentan una mayor resistencia a flexión.
Sarja [25,26,27], estudió en Finlandia el uso de p e q u e ñ a s fibras d e celulosa q u e j u n t o
con el cemento portland, servían para fabricar tableros con altos c o n t e n i d o s d e fibra
alrededor del 2 0 % en volumen. Los diferentes p r o d u c t o s que se comercializan son la
lana de madera c o n longitud de fibra mayor a 80 mm. virutas de m a d e r a con longitud de
fibra menor a 20 mm, y los tableros de cemento con pequeñas partículas de m a d e r a . La
aplicación que tienen estos tableros son generalmente c o m o paneles acústicos y
paneles pueden lener aplicación estructural. Para concretos r e f o r z a d o s con lana, con
virutas y con partículas de celulosa de madera, a d e m á s del c o n c r e t o reforzado con libra
de celulosa, la densidad así c o m o la resistencia a flexión fueron r e p o r t a d a s de 3 5 0 - 6 0 0 ,
4 0 0 - 6 0 0 , 1000-1200, 1200-2000 kg/m3, y de 0.4-1.7, 0.7-1.0, 10-15 y 2 - 6 M P a ,
respectivamente. O t r o s resultados obtenidos por el investigador indican que la
contracción del material es controlada por la pasta de cemento, mientras q u e la h u m e d a d
presente en el material es gobernada p o r las fibras. Las fibras le d a n porosidad al tablero,
lo que ocasiona que su contenido de humedad varíe de a c u e r d o a las condiciones
externas, esto produce contracciones y expansiones al material. La aplicación
recomendada por el investigador es la construcción de p e q u e ñ a s casas y remodelaciones,
la fabricación de los tableros se ha industrializado en países de E u r o p a , L U A y Canadá.
1.2.1.6 O t r o s tipos de fibras como r e f u e r z o .
Lewís y Mirihagalia [28,29], realizaron en Zambia estudios sobre c u a t r o tipos de
fibras, pasto de elefante, plátano, m u s a m b a y j u n c o de agua. La fibra con m a y o r
resistencia a la tensión fue el pasto de elefante c o n 178 M P a y u n módulo de elasticidad
de 5 GPa. Se reporta que t o d a s las fibras estudiadas se ven a f e c t a d a s p o r el medio
alcalino, sin embargo, el pasto de elefante mantiene el 9 1 % d e su resistencia original a
tensión después de seis meses de exposición. Mientras que, las o t r a s fibras pierden casi
t o d a su resistencia. Así también, se realizaron pruebas de susceptibilidad a la formación
de hongos en las fibras, al exponerlas a condiciones de h u m e d a d y secado. L o s
resultados indicaron que la fibra de pasto de elefante m a n t u v o el 8 7 % de su resistencia
original, y las otras fibras se deterioraban considerablemente. L o s resultados en
especímenes de concreto indicaron q u e los c o m p u e s t o s r e f o r z a d o s c o n fibras d e pasto de
elefante m e j o r a n la resistencia a flexión en c o m p a r a c i ó n con el c o n c r e t o simple.
Azim [30,31], utilizó la palma q u e existe a b u n d a n t e m e n t e en Egipto alrededor d e 15
millones de árboles. Con la finalidad d e sustituir las varillas d e acero d e refuerzo p o r
este tipo de fibras. Las propiedades mecánicas de las fibras de palma q u e se r e p o r t a n
son, la resistencia última a tensión entre 150 y 200 M P a y el m ó d u l o d e elasticidad de
18.5 a 21.5 GPa. Se fabricaron losas para lechos sustituyendo las varillas de acero por
posee una adecuada resistencia a soluciones químicas con pH d e 1 a 13, así también que
es un material de bajo costo con propiedades de aislamiento térmico.
1.2.2 Durabilidad del concreto r e f o r z a d o con fibras.
Además de soportar las cargas q u e originan flexión, el c o n c r e t o r e f o r z a d o c o n fibras
naturales debe también ser durable para que la inversión sea justificable. La durabilidad
se relaciona con la resistencia del concreto al deterioro originado por c a u s a s externas
(variaciones de humedad y temperatura del medio natural) y causas internas (reacciones
químicas entre los constituyentes, relación agua/cemento, cambios volumétricos por
hidratación de la pasta). Se presenta a continuación el r e s u m e n de algunos t r a b a j o s
realizados sobre la durabilidad de la fibra natural y del mismo c o n c r e t o .
Singh [32], investigó en la India la durabilidad de algunas fibras naturales,
exponiéndolas a medios alcalinos y a ciclos de humedecimiento y secado. A d e m á s ,
estudió el efecto de la exposición a la intemperie en la resistencia a tensión, en fibras de
coco extraídas de láminas de concreto c o n 10 a ñ o s de edad. Se estudiaron fibras de
plátano, c o c o , cáñamo, yute y sisal, el p o r c e n t a j e de absorción de agua que se reporta fue
de 301, 40, 145.5, 135.7 y 119.3% respectivamente. Posteriormente, se o b t u v o la
resistencia a tensión en las fibras después de exponerlas a 60 ciclos de hurnedecimiento
y secado, en una solución saturada de hidróxido de calcio y en una solución d e hidróxido
de sodio. L o s resultados e n c o n t r a d o s señalan que t o d a s las fibras disminuyen cerca del
9 0 % su resistencia inicial, además, su flexibilidad se afecta considerablemente ya que a
excepción del c o c o , sisal y plátano las otras fibras se f r a g m e n t a n en p e q u e ñ a s piezas.
Así también, se reporta que las fibras de c o c o extraída d e las láminas d e c o n c r e t o
mantuvieron su resistencia después de 10 años a la intemperie.
Canovas, Kawiche y Selva [33], han estudiado posibles maneras d e prevenir el deterioro de las fibras de sisal dentro del medio alcalino del c o n c r e t o : e s t o s estudios
realizados en España son parte de una tesis d o c t o r a l que pretende solucionar en parte
esta problemática. De acuerdo con estos investigadores, la resistencia de las fibras es
afectada desde su proceso de extracción, aunado a las reacciones químicas que afectan la
estructura interna de la fibra. Estas reacciones químicas son ocasionadas p o r cambios en
impregnamos, los cuales f u e r o n la c o l o f o n i a + a g u a r r á s , aceite de c l a v o + x i l a n o + a g u a r r á s +
alcohol y tanino+xilano+alcohol. D e s p u é s de ser i m p r e g n a d a s se e n s a y a r o n las fibras a
tensión, siendo las fibras con a c e i t e de e l a v o + x i l a n o + a g u a r r á s + a l c o h o l 13:3:30:1 las q u e
resultaron con m a y o r resistencia 530 M P a . A d e m á s , se o b t u v o el p o r c e n t a j e de
absorción de a g u a para las m i s m a s fibras resultando en un 3 4 % . D e los e s p e c í m e n e s
e n s a y a d o s a flexión los r e f o r z a d o s c o n fibras i m p r e g n a d a s c o n c o l o f o n i a + a g u a r r á s 1:6
dieron la más alta resistencia a flexión, d e s p u é s d e estar e x p u e s t o s a ciclos d e
humcdecimiento y s e c a d o , así c o m o al m e d i o natural d u r a n t e 130 días.
G u i m a r á e s [34], ha t r a b a j a d o d e s d e 1980 en Brasil i n v e s t i g a n d o s o b r e el c o n c r e t o
r e f o r z a d o c o n fibras naturales, el investigador sostiene q u e la durabilidad es el a s p e c t o
más importante y en esta d i r e c c i ó n se e n f o c a n sus e s t u d i o s . I m p r e g n ó a las fibras de
sisal c o n p o l í m e r o s c o m o el polivinil-alcohol el cual se usa c o m ú n m e n t e en las fibras de
vidrio y el poliacrilonitril, los s o l v e n t e s para e s t o s p o l í m e r o s f u e r o n a g u a y
dimetilformaldehído r e s p e c t i v a m e n t e . Se expusieron las fibras a un m e d i o alcalino
d u r a n t e 28, 56, 84, 112 y 140 días, los r e s u l t a d o s e n c o n t r a d o s e n las p r u e b a s a t e n s i ó n de
las fibras, señalan q u e e s t o s a g e n t e s i m p r e g n a n t e s no p r e v i e n e n el d e t e r i o r o de las
mismas ya que la resistencia disminuye c o n s i d e r a b l e m e n t e . Sin e m b a r g o , las fibras
impregnadas c o n el polivinil-alcohol y a g u a resultaron c o n u n a resistencia de 2 6 2 M P a
la q u e es 78 % m a y o r a los 147 M P a de las fibras sin ningún t r a t a m i e n t o , d u r a n t e 140
días en exposición al medio alcalino.
Cabe hacer m e n c i ó n especial, a uno de los trabajos más i m p o r t a n t e s r e f e r e n t e a la
durabilidad d e las fibras naturales. El D r . H a n s Eric G r a m [ 3 5 , 3 6 ] , t r a b a j ó d u r a n t e a ñ o s
estudiando las fibras de sisal e n el instituto de investigación del c o n c r e t o y c e m e n t o , en
E s t o c o l m o , Suecia. Este investigador sostiene que la d e s c o m p o s i c i ó n e n un m e d i o
alcalino de la celulosa que es la principal unidad e s t r u c t u r a l de la fibra, así c o m o
también de la hemicelulosa, se p u e d e p r e s e n t a r de a c u e r d o a d o s diferentes m e c a n i s m o s .
Uno es el des libramiento, el cual s u c e d e debido a q u e la celulosa c o n s t i t u i d a p o r c a d e n a s
lineales de g l u c o s a se disuelve c u a n d o reacciona con el ion hidroxilo (OH"), p r o d u c i e n d o
radicales metanol ( - C H 2 O H ) el cual se d e s p r e n d e d e la c a d e n a m o l e c u l a r
d e s c o m p o n i é n d o s e así la e s t r u c t u r a molecular d e la celulosa. De esta manera el
![Fig. 1 Clasificación de las fibras según su origen.- Las fibras minerales y las hechas por el hombre señaladas en esla figura son las que tienen mayor aplicación como refuerzo en el concreto [2]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/6208731.186300/22.913.97.841.425.821/clasificación-fibras-minerales-hombre-señaladas-aplicación-refuerzo-concreto.webp)
