UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE
MATERIALES
“INFLUENCIA DEL TIPO Y PORCENTAJE DE FIBRAS NATURALES
SOBRE LA COMPRESIÓN Y FLEXIÓN EN ADOBES PARA
CONSTRUCCIONES DE LA LIBERTAD”
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE
INGENIERO DE MATERIALES
AUTOR Bach. MARTINEZ MEDINA, Manuel Wilfredo
ASESOR Ing. VÁSQUEZ ALFARO, Iván Eugenio
CO-ASESOR Dr. ALVARADO QUINTANA, Hernán
DEDICATORIA
A Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera, por darme fortaleza en los momentos de debilidad y brindarme una vida llena de aprendizajes.
AGRADECIMIENTO
Le doy gracias a mis padres por brindarme su amor y apoyo en mi desarrollo como persona, por motivarme a seguir adelante, por los valores que me han inculcado, por haber dado todo de ellos para darme a mí y hermanos una educación de calidad, sobre todo por ser excelentes padres y personas.
Agradezco al Ing. Iván Vásquez Alfaro por el tiempo brindado hacia mi persona durante el desarrollo de la presente tesis.
RESUMEN
Mediante la idea de dar un aporte científico para la mejora de las propiedades mecánicas de los adobes, y haciendo uso de las fibras naturales disponibles para construcciones en el Departamento de la Libertad, se presenta la tesis: “Influencia del tipo y porcentaje de fibras naturales sobre la compresión y flexión en adobes para construcciones de la Libertad”, que ha determinado el tipo de fibras naturales que mejoran la resistencia mecánica y la cantidad adecuada a usarse para la fabricación de adobes.
Se prepararon 51 probetas cúbicas de 5cm x 5cm x 5cm para ensayar a compresión y 51 probetas rectangulares de 4cm x 4cm x 16cm para ensayar a flexión, en ambos casos con 4 tipos de fibras naturales, bagazo de caña, ichu, junco y pajilla de arroz; con proporciones en peso de 0.25%, 0.50%, 0.75% y 1.00% y con una longitud de 5cm. Se conformaron probetas haciendo uso de tierra, arena gruesa y agua como materia prima y curaron durante 3 semanas antes de realizarse los ensayos correspondientes, , haciendo 3 réplicas por cada ensayo para obtener unos resultados más certeros. Se empleó la maquina universal marca CONTROLS, la cual generó una data de fuerza y desplazamiento. Para los resultados de compresión, los valores más altos fueron de la probeta patrón con 23.36 kg/cm2 y para las probetas con fibra el mayor resultado obtenido fue con bagazo de caña al 1.00% con 20.70 kg/cm2 llegando a la conclusión que las fibras no aumentan la resistencia a la compresión por el contrario la disminuyen y con los resultados de flexión el mejor resultado fue con fibra de bagazo de caña al 1.00% con 15.77 kg/cm2, seguido de pajilla de arroz al 1.00% con 10.17 kg/cm2, junco al 0.75% con 9.15 kg/cm2, ichu al 1% de 7.25 kg/cm2 y al final la patrón con 8.02 kg/cm2, concluyendo que las fibras naturales si influyen de manera positiva en un aumento de la resistencia a la flexión, a excepción de la fibra de ichu que la disminuye. En conclusión, la mejor fibra a usarse es la de bagazo de caña al 1.00% en peso, ya que, si bien es cierto que disminuye la resistencia a compresión, lo hace en menor medida con una disminución del 11% comparada con el resto, pero se logra un aumento de la resistencia a flexión con la misma del 97%.
ABSTRACT
Through the idea of giving a scientific contribution to the improvement of the mechanical properties of adobes, and making use of the natural fibers available for construction in the Department of Liberty, the thesis is presented: “Influence of the type and percentage of natural fibers on compression and flexion in adobes for Liberty constructions ”, which has determined the type of natural fibers that improve the mechanical strength and the adequate amount to be used for the manufacture of adobes.
51 cubic specimens of 5cm x 5cm x 5cm were prepared for compression testing and 51 rectangular specimens of 4cm x 4cm x 16cm for flexural testing, in both cases with 4 types of natural fibers, cane bagasse, ichu, reed and straw rice; with proportions by weight of 0.25%, 0.50%, 0.75% and 1.00% and with a length of 5cm. Using soil, coarse sand and water as raw material, the specimens were shaped and cured for 3 weeks before the corresponding tests were carried out, making 3 replicas for each test to obtain more accurate results. The universal CONTROLS brand machine was used, which generated a force and displacement data.
For the compression results, the highest values were from the standard test piece with 23.36 kg/cm2 and for the test specimens with fiber the highest result obtained was 1.00% cane bagasse with 20.70 kg/cm2 concluding that the fibers they do not increase the compressive strength on the contrary they decrease it and with the flexural results the best result was with 1.00% cane bagasse fiber with 15.77 kg/cm2, followed by 1.00% rice straw with 10.17 kg/cm2, 0.75% reed with 9.15 kg/cm2, 1% ichu of 7.25 kg/cm2 and in the end the pattern with 8.02 kg/cm2, concluding that natural fibers do positively influence an increase in flexural strength , except for the ichu fiber that decreases it. In conclusion, the best fiber to be used is that of cane bagasse at 1.00% by weight, since, although it is true that it decreases the compressive strength, it does so to a lesser extent with a decrease of 11% compared to the rest, but an increase in flexural strength is achieved with the same 97%.
ÍNDICE
Pág.
DEDICATORIA i
AGRADECIMIENTO ii
RESUMEN iii
ABSTRACT iv
ÍNDICE v
LISTADO DE TABLAS vii
LISTADO DE FIGURAS ix
I. INTRODUCCIÓN 1
1.1. Realidad problemática 1
1.2. Antecedentes empíricos 3
1.3. Fundamento teórico 5
1.3.1. Adobe 5
1.3.2. Características del adobe común 6
1.3.3. Formas y dimensiones recomendadas 6
1.3.4. Tipos de adobe 7
1.3.5. Fabricación del adobe 7
1.3.6. Búsqueda de la tierra adecuada 8
1.3.7. Características de las construcciones con adobe 10
1.3.8. El suelo 11
1.3.9. Plasticidad 14
1.3.10. Agua 15
1.3.11. Propiedades a evaluar en el bloque de adobe 15
1.3.12. Fibras 16
1.4. Problema 20
1.5. Hipótesis 21
1.6. Objetivos 21
1.6.1. Objetivo general 21
1.7. Importancia 21
II. MATERIALES Y MÉTODOS 23
2.1. Material de estudio 23
2.1.1. Universo 23
2.1.2. Población 23
2.1.3. Muestra 23
2.2. Métodos 24
2.2.1. Diseño de investigación 24
2.2.2. Procedimiento experimental 26
III. RESULTADOS Y DISCUSIONES 42
3.1. Caracterización de la materia prima 42 3.2. Ensayo de resistencia a la compresión 46
3.3. Ensayo de resistencia a flexión 48
IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 51
4.1. Conclusiones 51
4.2. Recomendaciones 52
V. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 53
APÉNDICE 57
Apéndice 1: Pruebas preliminares 58
Apéndice 2: Resultados y caracterización de materia prima 60 Caracterización del suelo arcilloso 60 Caracterización de la arena gruesa 62 Apéndice 3: Procedimiento estadístico de datos 68 Apéndice 4: Data generada de probetas cubicas ensayadas a compresión 81 Apéndice 5: Data generada de probetas rectangulares ensayadas a flexión 86
ANEXOS 91
LISTADO DE TABLAS
Tabla Nº01: Variables independientes y niveles de estudio 24 Tabla Nº02: Descripción de las variables dependientes 24 Tabla Nº03: Matriz de diseño bifactorial del adobe reforzado 25 Tabla Nº04: Registro de datos para análisis granulométrico 28 Tabla Nº05: Formato para toma de datos y resultado de humedad 30 Tabla Nº06: Formato para toma de datos y resultado de contenido orgánico 31 Tabla Nº07: Formato para toma de datos y resultado de limite liquido 32 Tabla Nº08: Formato para toma de datos y resultado de limite plástico 33 Tabla Nº09: Clasificación del suelo según el índice de plasticidad 33 Tabla Nº10: Relación de muestra a usar según capacidad de fiola 33 Tabla Nº11: Registro de datos para ensayo de gravedad especifica 34 Tabla Nº12: Clasificación de suelos de acuerdo a su gravedad especifica 35 Tabla Nº13: Formato para toma de datos de peso específico y absorción 36 Tabla Nº14: Clasificación de suelos de acuerdo a su conductividad 37 Tabla Nº15: Categorías de los diferentes pH de suelos 37 Tabla Nº16: Proporción para 3 probetas para compresión y flexión 38 Tabla Nº17: Proporción para 3 probetas con fibra para compresión y flexión 38
Tabla Nº18: Resumen de análisis de varianza 41
Tabla Nº33: Estimación de Yi y Yj para los datos de resistencia a compresión 72
Tabla Nº34: Resumen de análisis ANAVA para resultados de compresión 75 Tabla N°35: Estimación de Yi y Yj para los datos de resistencia a flexión 76
LISTADO DE FIGURAS
Figura 01: Casa con muros exteriores de adobe en Parcoy con base de piedra 1 Figura 02: Casa a base de adobes con tarrajeo de tierra, Magdalena de Cao 2 Figura 03: Viviendas particulares según el material predominante 2 Figura 04: Ubicaciones inadecuadas para la construcción de una vivienda 10 Figura 05: a) Átomo de silicio rodeado de oxígenos b) Tetraedro de sílice 12 Figura 06: a) Átomo de aluminio rodeado de oxígenos b) Octaedro de alúmina 12 Figura 07: Retícula laminar de la arcilla caolinítica 13 Figura 08: Retícula laminar de la arcilla montmorilonítica 13 Figura 09: Retícula lamina de la arcilla ilítica 14 Figura 10: Representaciones esquemáticas de compuestos reforzados con fibras 17
Figura 11: Bagazo de caña de azúcar 18
Figura 12: Paja brava, Ichu en estado natural 18
Figura 13: Planta completa de junco en estado natural 19
Figura 14: Pajilla de arroz, resto de cosecha 20
Figura 15: Esquema del problema de investigación 20 Figura 16: Dimensiones de probetas para ensayo de compresión 23 Figura 17: Dimensiones de probetas para ensayo de flexión 23 Figura 18: Diagrama de bloques del procedimiento experimental 26
Figura 29: Porcentaje que pasa sobre abertura 29
Figura 20: Clasificación de las arenas según módulo de finura 29 Figura 21: Clasificación de acuerdo al contenido de materia orgánica 30 Figura 22: División luego de pasar ranurador, unión al finalizar prueba 31 Figura 23: Porcentaje de humedad sobre número de golpes 32 Figura 24: Valores de K de acuerdo a la temperatura para gravedad especifica 35 Figura 25: Muestra de la codificación empleada para probetas 39 Figura 26: Curvas granulométricas del suelo y arena gruesa 42
Figura 27: Difracción de rayos X de suelo 45
I. INTRODUCCIÓN
1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA
El uso del adobe como material de construcción ha sido desde la antigüedad ampliamente usado alrededor del mundo, en Egipto hasta el día de hoy optar por una casa construida de adobe es considerada apropiada, en España es característico, es mas en algunas regiones secas como Castilla y León se añade paja al barro. También es usual en regiones semidesérticas de África, América Central y América del Sur. En Perú existe la ciudad de barro más grande de América: la ciudadela de Chan Chan , así como la ciudad sagrada de Caral considerada como el asentamiento humano más antiguo de América Latina construido esencialmente por Adobes. Las formas arquitectónicas varían grandemente en función de las características de cada lugar, pero el material es esencialmente el mismo: agua y tierra. Precisamente es la fácil disponibilidad de estos elementos en el medio lo que ha convertido al adobe en uno de los materiales más utilizados en la construcción (IGARASHI H., 2009).
Figura 01: Casa con muros exteriores de adobe en Parcoy con base de piedra.
naturales usadas al azar, por ello el material deficiente. Las casas de adobe bien diseñadas y bien construidas pueden ser, por su simplicidad, duración y costo, la base para resolver el problema de la vivienda en países subdesarrollados como el Perú.
Figura 02: Casa a base de adobes con tarrajeo de tierra, Magdalena de Cao.
Es muy difícil encontrar que estos sistemas de edificaciones cumplan con lo reglamentado en la Norma Técnica Peruana, incluso no llegan ni a los mínimos especificados. Todo esto viene a ser un conjunto de déficits, que a largo plazo e incluso ante cualquier desastre natural, pueden provocar colapsos totales en las estructuras y pérdidas humanas.
La construcción con adobe es el segundo tipo de material con el que se ha venido construyendo viviendas desde hace años, según informe del censo nacional del 2017, en todo el Perú viene a ser el 28% de las viviendas totales construidas con este material. (INEI-Censos Nacionales de Población y Vivienda 2017)
Material predominante en las paredes exteriores
Censo 1993
Censo 2017
Variación intercensal
(1993-2017) Porcentaje
al 2017
Absoluto %
Ladrillo o bloque de cemento 1581355 4298274 2716919 171.8 56
Piedra o sillar con cal o
cemento 54247 43170 -11077 -20.4 1
Adobe o tapia 1917885 2148494 230609 12.0 28
Madera (tornillo, etc.) 310379 727778 417399 134.5 9
Quincha 207543 164538 -43005 -20.7 2
Piedra con barro 136964 77593 -59371 -43.3 1
Triplay, calamina, estera y
otro 219144 239053 19909 9.1 3
En ciertas zonas de nuestro país se hace el uso de fibras para la elaboración de los adobes para construcción de viviendas, en Santiago de Chuco y partes de la sierra Liberteña se usa la pajilla de arroz como material de refuerzo, también se usa en gran medida el bagazo de la caña de azúcar seca, no solo en parte sierra sino en la costa como algunas casonas en la ciudad de Trujillo. En menor medida, pero sin dejar de lado está el uso de la fibra de Ichu que se usa por lo general en zonas andinas del Perú, Junín, Puno y Juliaca, así como en ciertas provincias de las Libertad en donde es usado para la elaboración de adobes, enlucidos y techos de casas.
1.2. ANTECEDENTES EMPÍRICOS
MARWAN M. Y NASIM U. (2016) en su investigación: “Experimental analysis of Compressed Earth Block (CEB) with banana fibers resisting flexural and compression forces” realizado en la Universidad de Alabama, USA: Realizaron estudios de BTC (Bloque de tierra comprimida) con fibras de plátano, haciendo uso de suelo sedimentado de las riveras del rio Nilo en el norte de Egipto, como agregado grueso se usó dolomita (tamaño promedio de los agregados fue de 2.5mm) y cemento portland tipo II. Las longitudes de fibra usadas fueron entre 50mm y 100mm. Se realizaron ensayos de compresión y flexión, las probetas para compresión tuvieron las medidas 12x12x9cm y para flexión de 24x12x9cm, obteniendo los siguientes resultados:
- Compresión: Los valores más altos fueron con fibras de 50mm y 60mm, con valores de 6.58MPa y 6.47MPa respectivamente. La probeta patrón arrojó 3.84MPa.
- Flexión: Los valores más altos fueron con fibras también de 50mm y 60mm, con valores de 0.99MPa y 1.02MPa respectivamente. La probeta patrón arrojó 0.56MPa.
llevadas a cabo después de un período de 7 días, 14 días, 28 días, 56 días y 90 días. Los resultados indicaron que el refuerzo de fibra con Grewia Optivia (Beul) y Pinus Roxburghii (pino chir) aumentó la resistencia a la compresión del suelo en aproximadamente 94-200% 350KN/m2 y 73-137% 450KN/m2 respectivamente para diferentes proporciones de fibras. Patrón 190KN/m2.
FLORES C Y LOPEZ O. (2010) en su investigación: “Propuesta de Reforzamiento de muros de Adobe Modificado con confinamiento de madera rolliza” realizado en la Universidad industrial de Santander, Colombia: Tuvieron el fin de crear aportes en el sistema constructivo con adobe que ayuden a su reglamentación e implementación en el país de Colombia, mejorando las propiedades del Adobe como elemento, adicionando materias para aumentar sus características, logrando finalmente determinar una cantidad y una longitud óptimas de fibra vegetal (fibra de fique) que determinaron trabajar con longitudes de 1, 1.5 y 2 centímetros y con porcentajes de 0.25%, 0.5% y 0.75% del peso total de cada bloque de adobe. Además, obtuvieron que los adobes modificados con fique demuestran un mejor comportamiento frente a esfuerzos y deformaciones comparado con otras mezclas y con un adobe sin modificar. Teniendo como resultados una resistencia promedio de 26 kg/cm2 y un esfuerzo a la compresión promedio de 45.1 kg/cm2. Lo cual demostró un aumento
aproximado de 24.5% en la resistencia a la compresión que presenta una unidad de adobe sin modificar.
relación suelo/fibra 4/1. Los suelos S1, S2, S3, S4, S5 y s6 lograron pasar los 1MPa (1.75MPa, 1.70 MPa, 1.80 MPa, 1.90 MPa, 1.80 MPa y 1.75MPa respectivamente); en comparación a los suelos S7, S8, S9, S10, S11 y S12 que no son aptos para uso ya que no lograron pasar los 1MPa.
LOPEZ O. (2013) en su investigación: “Suelos arcillosos reforzados con materiales de plástico reciclado (PET)” realizado en la Escuela de Ingeniería de Antioquia, Colombia: Buscaron reforzar suelos arcillosos con fibras de plástico reciclado (PET) agregando de manera aleatoria los porcentajes de 0.2%, 0.5%, 1.0%, 1.5% y se establecieron fibras d 3cm y 5cm, realizando cada porcentaje de probetas para cada longitud teniendo un total de 48 probetas. Se llegó a la conclusión que conforme se aumentaba el contenido de fibra se mejoraba significativamente las propiedades mecánicas, así el esfuerzo ultimo con fibras de 5cm para 0.0% es 140.5kPa, para 0.2% es 187.7kPa, para 0.5% es 193.9kPa, para 1.0% es 200.2kPa y 1.5% es 199.4kPa. Con fibras de 3cm para 0.2% es 163.1kPa, para 0.5% es 168.9kPa, para 1.0% es 188.9kPa y 1.5% es 199.9kPa. Resultando que con fibras de 5cm se obtiene la mayor resistencia.
1.3. FUNDAMENTO TEÓRICO
1.3.1. ADOBE
La Norma Técnica Peruana E.080 define al adobe como un bloque macizo de tierra sin cocer, el cual puede contener paja u otro material que mejore su estabilidad frente a agentes externos. Junto a esta definición, la Norma presenta los requisitos generales para el tipo de tierra a usarse en la fabricación de adobes considerando que la gradación del suelo debe acercarse a los siguientes porcentajes, variando de acuerdo al tipo de tierra: arcilla 10-20%, limo 15-25% y arena 55-70%, no debiéndose utilizar suelos con alto contenido de orgánicos. Seguir este alineamiento de gradación es importante, puesto que de incrementar el porcentaje de arcillas se generarían grietas internas por contracción de secado, de incrementar el porcentaje de arena se perdería cohesión y de utilizar suelos orgánicos se perdería resistencia a la compresión.
ahorro económico estimado en el 40% con relación al ladrillo de barro cocido, puesto que este material no requiere de un proceso de cocción. (REGALADO R., 2007) 1.3.2. CARACTERÍSTICAS DEL ADOBE COMÚN
Son vulnerables (se deshacen) ante la lluvia, por lo que, generalmente, requiere un mantenimiento permanente, se protege enluciendo con capas de barro (revoques de barro). No es correcto hacerlo con mortero de cemento, puesto que la capa resultante es poco permeable al vapor de agua que conserva la humedad interior, por lo que se deterioraría desde su interior. Lo mejor para las paredes externas es la utilización de enlucido, con cal apagada en pasta, arcilla y arena, para la primera capa; en la segunda, solamente pasta de cal y arena. Para las paredes internas se puede hacer una mezcla de arcilla, arena y agua. En países como el nuestro y en especial en nuestra zona andina el mismo poblador fabrica sus adobes, auto construyendo su vivienda. Asimismo, el empleo del adobe en la construcción de viviendas produce determinadas características en la construcción como tener una gran inercia térmica, por lo que sirve de regulador de la temperatura interna; en verano conserva el frescor, y durante el invierno el calor interno. (SENCICO, 1993)
1.3.3. FORMAS Y DIMENSIONES RECOMENDADAS
Los adobes podrán ser de planta cuadrado o rectangular y en el caso de encuentros con ángulos diferentes de 90°, de formas especiales.
Las dimensiones deberán ajustarse a las siguientes proporciones: La relación entre el largo y la altura debe ser de 4 a 1. En lo posible la altura debe ser mayor a 8cm.
1.3.4. TIPOS DE ADOBE
ADOBE ESTABILIZADO
Adobe en el que se ha incorporado otros materiales (asfalto, cemento, cal, etc.) con el fin de mejorar sus condiciones de resistencia a la compresión y estabilidad ante la presencia de humedad. (NORMA E.080, 2017)
ADOBE NO ESTABILIZADO
Originalmente el adobe se elabora con paja las cuales ayudan a mejorar su comportamiento ante el efecto de contracción y expansión del material que se evidencian principalmente con agrietamientos.
El comportamiento del adobe está ligado a las condiciones y constitución del suelo con que éste se elabora. Un suelo excesivamente arcilloso exigirá la incorporación de una mayor proporción de otros componentes para balancear su capacidad de contracción y expansión que puede conducir a fisuras y deformaciones. (RÍOS P., 2010)
EL ADOBE COMPACTADO
La compactación en el adobe es una alternativa en la que se aprovecha las ventajas del adobe tradicional para minimizar sus desventajas de resistencia, ya que al mezclar adecuadamente los ingredientes del adobe tradicional y luego a éstos agregarle una fuerza de compactación con una prensa se obtiene un material más homogéneo. El efecto que la compactación produce, se refleja en el aumento en la densidad del adobe, incrementando su resistencia mecánica, debido a que se disminuye la porosidad.
(RÍOS P., 2010)
1.3.5. FABRICACIÓN DEL ADOBE
plana y seca al cual se le debe rociar previamente una capa de arena. Se deja secar bajo sombra, a los 3 o 5 días se colocará de canto para completar su secado y se deja secar por lo menos 1 mes.
1.3.6. BÚSQUEDA DE LA TIERRA ADECUADA
Elaborar adobes de buena calidad implica realizar como primer paso una adecuada selección de suelo. Para tal fin, existen un conjunto de pruebas de campo como las pruebas de la botella, la bolita y el disco:
Sedimentación simple: Esta prueba tiene como propósito obtener la composición aproximada mediante la decantación. Se coge una botella se marca hasta cierta medida, llenamos ¼ de la altura con tierra y el resto lo completamos con agua, agitamos bien y dejamos reposar durante 1 hora. Las partículas sedimentan diferente, las gravas y arenas se depositarán en la parte inferior seguida de los limos y ultimo las arcillas; la materia orgánica se queda en suspensión.
Bola: Se humedece una porción de tierra y se amasa una pelota de 5cm de diámetro, se comprime y después se la deja caer de una altura de 1.20 m. Si al caer la bola se desintegra entonces tiene poca arcilla y más arena, si la bola al caer se aplasta y se mantiene entera entonces tiene una excesiva cantidad de arcilla y si al caer se deshace en 3 o 4 partes al caer tiene una adecuada proporción de arcilla.
Disco: Se crea una pastilla de 5x5x1 cm con la tierra humedecida, una vez seca de trata de desmenuzar entre 2 dedos. Si se resiste mucho en disgregar el contenido de arcilla es alto, si cuesta, pero se consigue disgregar el contenido de arcilla y arena fina o limos es equilibrado, si se disgrega fácilmente es un suelo poco arcilloso. (HERNANDEZ P., 2016)
c) Suelos arcillosos ocasionan demasiada contracción y fisuras. d) Suelos arenosos no tienen suficiente ligazón entre partículas, los bloques se desmoronan. e) Suelos con sales solubles, atrae la humedad. (SENCICO, 2003)
La arcilla es un material que tiene propiedades adhesivas y ligante, actúa como un cementante de las arenas, las que constituyen los inertes del suelo y que le confieren su capacidad resistente.
Tener en cuenta que el porcentaje de sales solubles no debe superar el 0.3%, dado que un mayor porcentaje, ocasionará posteriormente el desmoronamiento del adobe, pulverizándolo literalmente, proceso que se agrava ante la presencia de humedad. La presencia de sales puede observarse en muchos casos cuando el suelo presenta un color blanquecino - grisáceo. En caso de duda se puede aplicar al suelo unas gotas de solución de ácido nítrico al 5%, de producirse burbujeo, ello indicará presencia de sales y hará conveniente profundizar los ensayos de laboratorio. Es también muy importante evitar la presencia de materia orgánica en el suelo seleccionado para hacer adobes, puesto que ésta incrementa en gran medida el encogimiento de los adobes y reduce su resistencia al generar vacíos debidos a su proceso de descomposición. En muchas ocasiones se suele utilizar como canteras terrenos de cultivo, con el riesgo de introducir materia orgánica; por ello, en caso de que se utilice tales terrenos, deberá retirarse previamente la capa superficial que contiene la materia orgánica y emplear las capas más profundas, situadas por lo menos a unos sesenta centímetros de la superficie. (SENCICO, 2003)
compresión del suelo, que se determina elaborando especímenes de prueba, para ser ensayados en laboratorio. (ZEGARRA L. Y COL., 1997)
1.3.7. CARACTERÍSTICAS DE LAS CONSTRUCCIONES CON ADOBE
Hablando de la arquitectura doméstica o de vivienda, a través de la historia se han construido, sin tomar en cuenta los lineamientos técnicos básicos, para este tipo de construcciones. Entre las que nos interesan para este tipo de estudio, podemos rescatar las siguientes:
Los materiales complementarios en la fabricación del adobe, son viruta, pajilla de arroz y bagacillo.
Las deficiencias de este tipo de construcciones van desde la mala ubicación e implantación de la vivienda, la mala elaboración de la unidad de albañilería (adobe), hasta incurrir en una mala práctica en el proceso constructivo.
Carencia de planificación formal y dirección técnica. (Empirismo).
Deficiencia en la elaboración de adobes, mala calidad de la materia prima utilizada y la técnica de producción. (BERNILLA C. Y LÓPEZ G.,2012)
1.3.8. EL SUELO
El suelo está formado por diferente granulometría, según la norma NTP 339.134 define en tres tipos que son arenas, limos y arcillas.
ARENA
Es el nombre que se le da a los materiales de granos finos procedentes de la denudación de las rocas o de su trituración artificial y cuyas partículas varían entre 2 mm y 0.05 mm de diámetro.
El origen y la existencia de las arenas es análoga a la de las gravas: Las dos suelen encontrarse juntas en el mismo depósito. La arena de río contiene muy a menudo proporciones relativamente grandes de grava y arcilla. Las arenas estando limpias no se contraen al secarse, no son plásticas, son mucho menos compresibles que la arcilla y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea.
(CRESPO V., 2004)
LIMOS
Son suelos de granos finos con poca o ninguna plasticidad, pudiendo ser limo inorgánico como el producido en canteras, o limo orgánico como el que suele encontrarse en los ríos, siendo en este último caso de características plásticas. El diámetro de las partículas de los limos está comprendido entre 0.05mm y 0.005mm. Su color varía desde gris claro a muy oscuro. La permeabilidad de los limos orgánicos es muy baja y su compresibilidad muy alta. (CRESPO V., 2004)
Presentan resistencia al rozamiento más débil que las arenas. Húmedos ofrecen buena cohesión y pueden alterar su volumen, expansión y contracción cuando esta varía. ARCILLAS
Son las partículas sólidas con diámetro menor de 0.005mm y cuya masa tiene la propiedad de volverse plástica al ser mezclada con agua. Químicamente es un silicato de alúmina hidratado, aunque en no pocas ocasiones contiene también silicatos de hierro o de magnesio hidratados. La estructura de estos minerales es, generalmente, cristalina, y sus átomos están dispuestos en forma laminar.
Una lámina del tipo silícico se encuentra formada por un átomo de silicio rodeado de cuatro átomos de oxigeno (Figura 05 a), arreglándose el conjunto en forma de tetraedro (Figura 05 b). Estos tetraedros se agrupan entre si formando una unidad hexagonal, la cual se repite indefinidamente constituyendo una retícula laminar (Figura 05 c). La unión entre cada dos tetraedros se lleva a cabo mediante un mismo átomo de oxígeno. Algunas entidades consideran como arcillas a las partículas menores a 0.002mm.
(a) (b) (c)
Figura 05: a) Átomo de silicio rodeado de oxígeno, b) Tetraedro de sílice, c) Lamina Silícica. (Crespo V., 2004)
Una lámina del tipo alumínico está formada por un átomo de aluminio rodeado de seis átomos de oxígeno y de oxigeno e hidroxilo (Figura 06 a) arreglándose el conjunto en forma de octaedro (Figura 06 b), los cuales se agrupan entre sí mediante un átomo común de oxígeno, repitiéndose la formación indefinidamente y dando como resultado una retícula laminar alumínica (Figura 06 c).
(a) (b) (c)
De acuerdo con su arreglo reticular los minerales de arcilla se pueden clasificar en tres grupos básicos, que son:
El caolinítico, que procede de la carbonatación de la ortoclasa (feldespato potásico). Las arcillas caoliníticas (Figura 07) están formada por una lámina silícica y una lámina alumínica superpuestas de manera indefinida y con una unión tal entre sus retículas que no permiten la penetración de moléculas de agua entre ellas, pues producen una capa electrónicamente neutral, lo que induce, desde luego, a que estas arcillas sean bastantes estables en presencia del agua.
Figura 07: Retícula laminar de la arcilla caolinítica. (Crespo V., 2004)
El ilítico, producto de la hidratación de las micas y que presentan un arreglo reticular similar al de las montmoriloníticas, pero con la tendencia a formar grumos por la presencia de iones de potasio, lo que reduce el área expuesta al agua, razón por la cual no son tan expansivas como las arcillas montmoriloníticas.
Figura 09: Retícula laminar de la arcilla ilítica. (Crespo V., 2004)
En general, las arcillas, ya sean caoliníticas, montmoriloníticas o ilíticas, son plásticas, se contraen al secarse, presentan marcada cohesión según su humedad, son compresibles y al aplicárseles una carga en su superficie se comprimen lentamente. (CRESPO V., 2004)
1.3.9. PLASTICIDAD
Las arcillas son eminentemente plásticas. Esto se debe a que el agua forma una película de recubrimiento sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de una partícula sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ella.
1.3.10. AGUA
Es el agente que permite que las reacciones químicas de los estabilizantes se generen y el elemento que hace que la tierra gane plasticidad, básicamente mediante su absorción por parte de la arcilla.
La humedad óptima del bloque de tierra es la que consiga una mayor densidad del bloque. Durante el secado de la pieza a la sombra, el agua poco a poco desaparecerá dejando que las reacciones químicas se produzcan en el interior de la pieza.
(CARCEDO M., 2012)
Debe cumplir las siguientes características:
Agua potable o agua libre de materia orgánica, sales y sólidos en suspensión Estar limpia y libre de cantidades perjudiciales de aceites, ácidos, álcalis, sales,
materia orgánica y otras sustancias que puedan ser dañinas. (NORMA E.080) 1.3.11. PROPIEDADES A EVALUAR EN EL BLOQUE DE ADOBE
ESFUERZOS ADMISIBLES
Según la norma E-080, indica que para fines de diseño se considera que la resistencia a la compresión de la unidad debe ser mínimo 10 kg/cm².
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
Cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, se presentan fuerzas resistentes en las fibras de dicho cuerpo que se denominan fuerzas internas. La fuerza interna es la resistencia interior de un cuerpo a una fuerza externa.
El esfuerzo de compresión es una presión que tiende a causar una reducción de volumen.
La resistencia a la compresión (f) se determina dividiendo la carga de rotura (P) entre el área bruta. (GALLEGOS H. y CASABONNE C, 2005)
𝑓=𝑃/𝐴
Donde:
f = Resistencia a la compresión (Kg/cm²) P = Carga Aplicada (Kg)
RESISTENCIA A FLEXIÓN
Debido a las imperfecciones en la ejecución de las obras de mampostería y también por la manera irregular como se transmiten los esfuerzos a través de los muros y columnas, la carga que soporta un adobe no se transmite integra y uniformemente al adobe sobre el cual reposa; una junta mal hecha, un adobe muy deformado, un cascajo que se interponga entre dos adobes, son todas causas que contribuyen a aquella irregularidad y falta de uniformidad en la transmisión de los esfuerzos. Por estas razones, la capacidad de un adobe para soportar carga, considerado individualmente en un muro, puede llegar a reducirse a la que tendría estando simplemente apoyado en sus extremos, de ahí que sea interesante conocer la resistencia de los adobes a flexión.
(GALLEGOS H. y CASABONNE C., 2005)
𝑓 = 3xPxL 2xbx𝑡2
Donde:
f = Resistencia a la flexión (kg/cm²) P = Carga de rotura (kg)
L = Luz entre ejes de apoyos (cm) b = Ancho de la unidad (cm) t = Altura (cm)
1.3.12. FIBRAS
Son estructuras unidimensionales sólidas y flexibles, con una longitud normalmente muy superior a su diámetro, están compuestas básicamente por lignina (impermeabilizan y proporcionan dureza y resistencia) y celulosa (elemento esencial que aporta resistencia y flexibilidad). Se clasifican en fibras naturales (vegetales, animales y minerales) y artificiales (PP, PE, Nylon, etc.). De entre las fibras naturales se menciona las fibras vegetales pues son las que se usaran para el desarrollo de esta tesis
Tanto en zonas rurales como urbanas, el uso de fibras naturales es común, en mayor medida en las zonas rurales por la accesibilidad a las mismas, en el departamento de La Libertad las principales fibras naturales usadas son el bagazo de caña de azúcar y la pajilla de arroz.
INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN Y CONCENTRACION DE FIBRA
La disposición u orientación relativa de las fibras, su concentración y distribución influyen radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los materiales compuestos reforzados con fibras. Con respecto a la orientación existen dos situaciones extremas: alineación paralela de los ejes longitudinales de las fibras y alineación al azar. Las fibras continuas normalmente se alinean (Figura 10 a), mientras que las fibras discontinuas se pueden alinear (Figura 10 b) o bien se pueden orientar al azar (Figura 10 c) o alinearse parcialmente.
Para el caso de esta investigación son fibras continúas orientadas al azar.
Figura 10: Representaciones esquemáticas de compuestos reforzados con fibras(a) continuas y alineadas, (b) discontinuas y alineadas y (c) discontinuas y orientadas al
azar. (CALLISTER JR., 2007) BAGAZO DE CAÑA
(2-3%), solidos solubles (2-3%) y agua (50%); representa el coproducto de mayor tonelaje y volumen de la producción industrial del azúcar de la caña.
La composición química del bagazo es Carbono al 47%, Hidrogeno 6.5%, Oxigeno 44% y cenizas 2.5%. (AGUILAR N., 2007)
Esta fibra natural es muy usada en las provincias de Ascope y Laredo.
Figura 11: Bagazo de caña. (Aguilar N., 2007) PAJA BRAVA (ICHU)
El Ichu, Stipa ichu es una planta herbácea, posee tallos que alcanzan una altura de 60 a 180cms. Las hojas son rígidas y erguidas, áspera al tacto. Usado para construcción en zonas andinas del Perú, tales como Junín, Puno, La Libertad (Bolívar y Julcán) entre otras, para la fabricación de paneles para aislar a las casas del frio en épocas que la temperatura desciende.
JUNCO
Es una hierba acuática que puede medir hasta 2 m de altura. Sus tallos presentan 3 caras con los bordes redondeados.
Es una planta frecuente en los humedales de la costa peruana, el departamento de Lima es el departamento donde se registra la mayor cantidad de colectas, probablemente por ser la localidad donde los humedales han sido estudiados con más constancia.
Cajamarca y en la Libertad también se han encontrado registros de esta especie, aunque aún es necesario hacer las colectas a fin de corroborar los lugares donde haya presencia de esta.
Se utiliza tradicionalmente como materia prima en la elaboración de quinchados y en la fabricación de esteras.
Figura 13: Planta completa de junco. (Scirpus holoschoenus) PAJILLA DE ARROZ
La composición química de la Pajilla de Arroz es de: Proteína cruda 3.2-4.6%, Fibra 68-83%, Lignina 3.2-4.4, Ceniza 16-18%. (ABRIL D. Y COL., 2009)
El departamento de la libertad ocupa el segundo lugar en producción de arroz a nivel nacional, siendo las principales provincias en donde se usa esta fibra como parte en elaboración de Adobe: Pacasmayo, Julcán, Virú, Ascope, Gran chimú, Patáz y Bolívar.
Figura 14: Pajilla de arroz, resto de cosecha.
1.4. PROBLEMA
¿En qué medida influye el tipo y porcentaje de fibras naturales sobre la compresión y flexión en adobes para construcciones de la Libertad?
Figura 15: Esquema del problema de investigación Proceso de Investigación de
Adobes reforzados Tipo de fibra
(Junco, Ichu, Pajilla de arroz, Bagazo de Caña)
Resistencia a la Compresión Resistencia a la Flexión
Tierra arcillosa Arena gruesa Fibras Naturales Agua
1.5. HIPÓTESIS
A medida que incrementará el porcentaje en peso de fibra natural según su tipo aumentará la resistencia a la compresión y flexión en adobes para construcciones de la Libertad.
1.6.- OBJETIVOS
1.6.1.- OBJETIVO GENERAL
Evaluar la influencia del tipo y porcentaje en peso de fibras naturales sobre la resistencia a la compresión y flexión en adobes para construcciones de la Libertad.
1.6.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Establecer con qué tipo de fibra natural se obtiene una mayor resistencia a la compresión y flexión.
Determinar el adecuado porcentaje en peso de fibra natural que logre obtener una mayor resistencia a la compresión y flexión.
Caracterizar los materiales que intervienen en la elaboración de un adobe bajo especificaciones de las normas ASTM (American Society of Testing Materials) y la norma E.080.
1.7. IMPORTANCIA
mejorar las edificaciones a base de tierra, mediante los conocimientos básicos e investigaciones para la elaboración de adobes determinando el mejor tipo de fibra natural a usarse y la cantidad adecuada a emplearse para la elaboración de los mismos, con la posibilidad de poder obtener una mayor capacidad de carga en dichos adobes, los cuales son apilados unos sobre otros al momento de construir, mejorando así las durabilidad de las estructuras, conservándolas de mejor manera y disminuyendo el riesgo de colapso de las mismas. De esta manera desarrollar un adecuado procedimiento en la elaboración con aumento en su capacidad de carga para uso en solicitaciones futuras.
Este estudio nos permite ver la composición adecuada y evaluar la resistencia de los adobes a través del ensayo de compresión y flexión, para beneficio de las personas que hacen uso de éstos, sirviendo como una guía para muchas personas que están relacionadas con este tipo de construcción y de esta manera pueda prolongar la vida útil en buen estado de sus construcciones.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1.- MATERIAL DE ESTUDIO
2.1.1. Universo : Adobes
2.1.2. Población : Adobes reforzados con fibra
2.1.3. Muestra :
Se elaboraron probetas de forma cúbicas con dimensiones de 5cm x 5cm x 5cm para ensayo de compresión: 48 probetas a base de suelo, arena gruesa y fibras naturales (fibras de 5cm); y 3 probetas patrón sin adición de fibras.
Figura 16: Dimensiones de probetas para ensayo de compresión. Se elaboraron probetas rectangulares con dimensiones de 4cm x 4cm x 16cm para ensayo de flexión: 48 probetas a base de suelo, arena gruesa y fibras naturales (fibras de 5cm); y 3 probetas patrón sin adición de fibras.
2.2.- MÉTODOS
2.2.1.- DISEÑO DE INVESTIGACIÓN Matriz de Diseño
Se aplicó un diseño experimental, tipo bifactorial, con dos variables independientes: Tipo y Porcentaje de fibra natural. Dos variables dependientes: Resistencia a la compresión y flexión, realizándose cuatro niveles para cada variable independiente, con tres replicas. En la Tabla N°01 se indican los valores elegidos para las variables independientes.
Tabla N°01: Variables independientes y niveles de estudio.
Variables Independientes Niveles de estudio
A: Tipo de fibra
a1:Ichu
a2: Junco
a3: Pajilla de arroz
a4: Bagazo de caña
B: Porcentaje de fibras (de 5cm) (%)
b1: 0.25
b2: 0.50
b3: 0.75
b4: 1.00
Tabla N°02: Descripción de las variables dependientes. Variables dependientes
X: Resistencia a la compresión (kg/cm2)
Y: Resistencia a la flexión (kg/cm2)
Tabla N°03: Matriz de diseño bifactorial del adobe reforzado. A B a1 a2 a3 a4
b1 a1 b1 a2 b1 a3 b1 a4 b1
b2 a1 b2 a2 b2 a3 b2 a4 b2
b3 a1 b3 a2 b3 a3 b3 a4 b3
b4 a1 b4 a2 b4 a3 b4 a4 b4
Numero de probetas para ensayo de compresión: (# nivel A) x (# nivel B) x (# replicas)=4x4x3=48 Numero de probetas para ensayo de flexión: (# nivel A) x (# nivel B) x (# replicas)=4x4x3=48 Numero de probetas testigo:
Para compresión : 3 Para flexión : 3
2.2.2.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Figura 18: Diagrama de bloques del procedimiento experimental
Materia prima
Caracterización físico - química
Diseño de mezclas
Fibras naturales Tierra arcillosa
Arena gruesa
Agua
Preparación, codificación y secado
Ensayos
Compresión Flexión
Análisis estadístico ¿Mezcla
adecuada?
Si
No Bagazo de caña
Pajilla de arroz Ichu
Junco
A) Materia Prima
Para la elaboración de los adobes se usó: Arena Gruesa de la arenera Jaén Fibras Naturales:
Ichu (Bolívar) Junco (Huanchaco) Pajilla de arroz (Virú)
Bagazo de caña (Casa grande) Agua potable de la UNT
Tierra de tonalidad amarilla de Moche, de zona aledaña ala Huacas del Sol y la Luna.
Estos materiales fueron llevados al laboratorio de Concreto y Reciclado de la escuela de Ingeniería de Materiales para su uso.
B) Caracterización Físico – Química:
Se realizó la caracterización del suelo, arena gruesa y agua; haciendo ensayos como: Granulometría, Humedad, Material Orgánico, Límites de Atterberg, Gravedad especifica (Suelos), Peso específico y Absorción(agregado), Absorción, Conductividad, Salinidad y pH.
B.1) Análisis granulométrico NTP 400.012 (ASTM C136)
Se secó la arena a una temperatura de 110±5°C por un intervalo de tiempo de 24 horas, luego se pesó una cantidad de arena seca de 500g.
Se colocaron los tamices superpuestos de mayor a menor diámetro de abertura, en el orden siguiente: 4, 8, 16, 30, 50, 100, 200 y bandeja ciega. Se procedió a verter la muestra por sobre la malla N°4 y se tamizo mediante un tamizador mecánico durante 5 minutos.
B.2) Análisis granulométrico por lavado NTP 339.128 (ASTM D422)
pasante por la malla se tornara transparente. Lo que quedo sobre la malla se colocó en un depósito metálico, luego se llevó a la estufa de secado a una temperatura de 110±5°C por 24 horas. Pasado el tiempo se retiró la muestra de estufa y se dejó enfriar unos minutos y se pesó. Se pesó los tamices limpios antes del tamizado, luego se colocaron en orden descendente: 4, 8, 16, 30, 50, 100, 200 y ciega. Se echó la muestra seca sobre el tamiz superior (tamiz 4) se tapó y llevó al tamizador mecánico y dejó por 5 minutos. Luego se pesaron las mallas y bandeja ciega para obtener las cantidades retenidas de muestra en cada malla. Se colocó los datos en una tabla tal como se muestra en la Tabla N°04 y posteriormente haciendo uso de la misma, proceder a elaborar la curva granulométrica.
𝐶𝑢 =D60
D10 𝐶𝑐 =
𝐷302 D10xD60
Módulo de Finura=∑ % 𝑅𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 ℎ𝑎𝑠𝑡𝑎 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 #100
100
Tabla N°04: Registro de datos para análisis granulométrico.
Eje X Eje Y
Número de tamiz
Abertura
(mm) Peso retenido (g)
% Peso retenido
% Peso retenido
Acumulado %Que pasa
4 4.75 A (A/I)x100=J J 100-J
8 2.36 B (B/I)x100=K J+K=R 100-R
16 1.18 C (C/I)x100=L R+L=S 100-S
30 0.6 D (D/I)x100=M S+M=T 100-T
50 0.3 E (E/I)x100=N T+N=U 100-U
100 0.15 F (F/I)x100=O U+O=V 100-V
200 0.075 G (G/I)x100=P V+P=W 100-W
Malla ciega - H (H/I)x100=Q W+Q=X 100-X
Figura 19: Porcentaje que pasa sobre abertura Clase Módulo de finura Arena gruesa 2.50 a 3.50
Arena fina 1.50 a 2.50
Arena muy fina 0.50 a 1.50
Figura 20: Clasificación de las arenas según módulo de finura (Eduardo L., 2006)
B.3) Contenido de humedad (ASTM C566)
Se tomó la muestra tal cual al estado en que se obtuvo, se tomaron los pesos, teniendo en cuenta lo siguiente: Primero el peso del recipiente (W), luego el peso del recipiente más muestra húmeda (Wh), luego se llevó a la estufa de
secado a una temperatura de 110±5°C por 24 horas, pasado el tiempo se tomó el peso del recipiente más muestra seca (Ws).
Luego se calculó el porcentaje de humedad mediante la siguiente formula:
𝐻 (%) =𝑤ℎ− 𝑤𝑠 𝑤𝑠 − 𝑤
El porcentaje de humedad se calculó tanto para el suelo como para el agregado, colocando los datos obtenidos en una tabla tal como se muestra a continuación:
Tabla N°05: Formato para toma de datos y resultado de Humedad.
T°: 110 ± 5°C; t: 24 horas N° de
Muestra
Peso recipiente (g)
Peso recipiente + muestra húmeda (g)
Peso recipiente + muestra seca (g)
Porcentaje de humedad (%) 1 2 3 Promedio
B.4) Contenido de material orgánico (ASSHTO T 267)
Se tomó la muestra seca (obtenida luego de haber hallado el contenido de humedad), tomamos pesos, primero de un crisol (C), luego del crisol más muestra (Ch) y por último el peso del crisol más muestra libre de material
orgánico (Cs) retirado luego de haber estado en un horno a una temperatura
de 450±5°C por 6 horas y haber esperado que se enfriase. Para finalizar se calcula el contenido de material orgánico presente en la muestra a usar, mediante la siguiente formula:
𝑀𝑂(%) =𝐶ℎ− 𝐶𝑠 𝐶𝑠− 𝐶
× 100
Figura 21: Clasificación de acuerdo al contenido de materia orgánica
Tabla N°06: Formato para toma de datos y resultado de contenido orgánico.
T°: 450 ± 5°C; t: 6 horas N° de
muestra
Peso recipiente (g)
Peso recipiente + muestra húmeda (g)
Peso recipiente + muestra seca (g)
Porcentaje de orgánico (%) 1 2 3 Promedio
B.5) Límite líquido ASTM D4318
Se tomó una muestra significativa de aproximadamente 100g de suelo en su estado natural y se hizo pasar por la malla #40, se agregó agua para su mezclado. Una vez la mezcla estuvo uniforme se colocó la pasta sobre la cuchara Casagrande con un espesor máximo de 1cm y con un ranurador se hizo la separación, se hizo girar la manija para activar el movimiento de la cuchara y así obtener el número de golpes mediante el cual las orillas de separación se unieran, se anotó el número de golpes. Se tomó una muestra de la parte central de la unión y se pesó, luego en un recipiente metálico se llevó a una estufa de secado a una temperatura de 110±5°C por 24 horas, se retiró, dejó enfriar y pesó. Repetir el proceso anterior para rangos de golpes entre: 10-20, 20-30 y 30-40. Se colocaron los datos en la Tabla N°07. Una vez obtenido los datos se hizo una gráfica para obtener la curva de fluidez, teniendo en el eje X el porcentaje de humedad y en el eje Y el número de golpes (escala logarítmica).
Tabla N°07: Formato para toma de datos y resultado de límite líquido.
T°: 110 ± 5°C; t: 24 horas N° de
muestra
Número de golpes
Peso recipiente (g)
Peso recipiente + muestra humedad (g)
Peso recipiente + muestra seca (g)
Porcentaje de humedad (%)
Figura 23: Porcentaje de humedad sobre número de Golpes
B.6) Límite plástico (ASTM D4318)
Tabla N°08: Formato para toma de datos y resultado de límite plástico.
T°: 110 ± 5°C; t: 24 horas N° de
muestra
Peso recipiente (g)
Peso recipiente + muestra húmeda (g)
Peso recipiente + muestra seca (g)
Porcentaje de humedad (%) 1 2 3 Promedio
Para el cálculo del Índice de plasticidad se usó la siguiente formula: I.P. = L.P. – L.L.
Tabla Nº09: Clasificación del suelo según el I.P. (ASTM D4318) Índice de plasticidad Clasificación
0-3 No plástico
3-15 Ligeramente plástico 15-30 Baja plasticidad
>30 Alta plasticidad
B.7) Gravedad específica de los suelos (ASTM D854)
Se tomó cierta cantidad de muestra en su estado natural, de acuerdo a la capacidad de la fiola usada, teniendo en cuenta la Tabla N°10:
Tabla N°10: Relación de muestra a usar según capacidad de fiola. Capacidad de fiola (ml) Cantidad de
muestra (g)
100 25-35
250 55-65
500 120-130
Para este caso por usarse una fiola de 500ml se optó por usar 125g de suelo, se hizo pasar por la malla #4 se secó en estufa a 110± 5°C hasta tener un peso constante, una vez ya fría la muestra se procedió a la toma de pesos.
Para la toma de pesos mostrados en la Tabla N°11, se tiene en cuenta lo siguiente: para el peso de Fiola más agua, la Fiola se debe llenar hasta el menisco; de igual manera para el peso de Fiola más agua más muestra.
Tabla N°11: Registro de datos para ensayo de gravedad específica. Peso (g)
Fiola
Fiola + agua
Fiola + muestra Fiola + muestra + agua
Muestra seca
Una vez llenado la Fiola mas muestra más agua se debe rolar para la eliminación de aire atrapado, luego dejar reposar 24 horas y recién tomar el peso. Para la muestra seca se debe depositar la muestra reposada 24 horas anteriormente en un recipiente metálico y llevar a estufa de secado a una temperatura de 110±5°C por 24 horas, y recién se obtiene el peso de la muestra seca.
La fórmula para hallas la Gravedad específica es la siguiente:
Donde:
G: Gravedad especifica (g/cm3)
K: Constante de temperatura (ver Figura 24) WS: Peso de muestra seca (g)
WM: Peso de fiola mas muestra seca (g)
WU: Peso de fiola mas muestra más agua (g)
Tabla N°12: Clasificación de suelos de acuerdo a su gravedad especifica (Bardet, 1997)
Suelos Gs(g/cm3)
Cenizas volcánicas 2.20 – 2.50 Suelos orgánicos 2.50 – 2.65 Arenas y gravas 2.65 – 2.67 Limos inorgánicos 2.67 – 2.72 Arcillas poco plásticas 2.72 – 2.78 Arcillas muy plásticas 2.78 – 2.84 Arcillas expansivas 2.84 – 2.88 Suelos con abundante hierro 3
B.8) Peso específico y absorción (ASTM C128)
Se sumergió el agregado fino en agua por 24 horas, pasado el tiempo ya eliminado el exceso de agua, se toma cierta cantidad de muestra y se secó haciendo uso de una cocina eléctrica sobre una superficie metálica hasta que se llegó a un secado superficial pero no excesivo.
El agregado se introdujo en el cono de absorción hasta la mitad aproximadamente y se apisonó 25 veces desde una altura de 1cm, se agregó más material hasta el tope y se apisonó nuevamente, una vez nivelado se quitó el molde.
Si se desprende 1/3 o menos se acepta la condición de superficialmente seco. Se pesó la fiola sola, luego la fiola llena con agua hasta la marca de 500ml, se tomó el peso de fiola mas muestra superficialmente seca.
Se introdujo 500g de muestra en la fiola seca y se tomó el peso.
Como último paso se echó agua a la fiola con la muestra dentro, se roló para eliminar burbujas de aire, una vez logrado ello se llenó con agua para quitar exceso de posibles restos de materia, completamos hasta el menisco y se pesó.
Tabla Nº13: Formato para datos y resultado de peso específico y absorción.
1 2 3
PR
O
MED
IO
Peso de fiola P
Peso de la fiola mas arena (g) E
Peso de muestra húmeda S
Peso de la fiola con agua y muestra (g) F
Peso del agua (g) W
Peso de la arena secada al horno (g) A
Volumen de la Fiola (cm3) V
Peso específico (g/cm3) Absorción (%)
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 = 𝐴 𝑉 − 𝑊
B.9) Medición de conductividad, salinidad y pH
Para saber cuan salino fueron nuestros agregados se hizo la medición de la conductividad con la cual mediante una tabla se relaciona directamente con la medida de salinidad (los valores de conductividad son el doble de la salinidad: 2:1.)
Tabla N° 14: Clasificación de suelos de acuerdo a su conductividad.
Suelos CE (dS/m)
Normales 0 – 2
Ligeramente salinos 2 – 4
Salinos 4 – 8
Fuertemente salinos 8 – 16 Extremadamente salinos >16
La medida de basicidad o acidez de nuestros agregados se determinó mediante la toma del pH.
Tabla Nº15: Categorías de los diferentes pH de Suelos. (U.S.D.A.)
pH Clasificación
<4.5 Extremadamente acido 4.5-5.5 Fuertemente acido 5.6-6.0 Medianamente acido 6.1-6.5 Ligeramente acido
6.6-7.3 Neutro
7.4-7.8 Medianamente básico
7.9-8.4 Básico
8.5-9.0 Ligeramente alcalino
9.1-10 Alcalino
>10 Fuertemente alcalino
C) Diseño de Mezclas
C.1) Preparación de probetas patrón:
Para la elaboración de 3 probetas patrón rectangulares(4x4x16cm) para el ensayo de flexión mezclamos 990g de suelo, 660 de arena gruesa y 330g de agua (20% de solidos). El mezclado fue hasta obtener una masa homogénea, se aceitó el molde para su fácil desmolde y se conformó en una sola capa.
Tabla N°16: Proporción para 3 probetas para compresión y flexión. Compresión Flexión
Peso (g) Tierra arcillosa 990 438 Arena gruesa 660 292
Agua 330 146
C.2) Preparación de probetas con fibras naturales:
Para la elaboración de las probetas para los ensayos de compresión y flexión, se mezcló durante aproximadamente 5 minutos hasta tener una mezcla homogénea en las siguientes proporciones las materias primas: 60% de suelo, 40% de arena gruesa, 20% en peso de agua con relación a los sólidos (suelo y arena gruesa) y se adicionó fibras naturales secas, cortadas con longitudes de 5 cm para las probetas cubicas y rectangulares en los moldes previamente aceitados y en un solo bloque, en las siguientes proporciones: 0.25%, 0.50%, 0.75% y 1% en peso tomando como base los sólidos (suelo y arena gruesa).
Tabla N°17: Proporción para 3 probetas con fibra en compresión y flexión. Compresión Flexión
Peso (g) Tierra arcillosa 990 438
Arena gruesa 660 292
Agua 330 146
Fibra
0.25% 4 1.8
0.50% 8 3.6
0.75% 12 5.4
D) Preparación, Codificación y Curado
Para preparación de las probetas, los moldes a usar fueron de madera y laqueados, con medidas interiores de 5cm x 5cm x 5cm para las probetas cubicas para ensayo de compresión y otros con medidas de 4cm x 4cm x 16cm para las probetas rectangulares para el ensayo de Flexión. Una vez extraídas las probetas de los moldes de madera se codificaron de acuerdo a sus proporciones, tal como la Figura 25 (colocándose el nombre de la fibra usada y su porcentaje) y se esperó a su secado bajo sombra. Una vez desmoldadas las probetas se tomaron como guía 3 muestras, a las cuales una vez desmoldadas se les tomo su peso inicial, conforme pasaban los días se le tomaba el peso hasta que fuese constante y de esta manera saber que ya estaban completamente secas, lo cual tomo un tiempo de 3 semanas aproximadamente.
Figura 25: Muestra de la codificación empleada para las probetas.
E) Ensayos
E.1) Compresión
Se ensayaron las probetas cubicas y rectangulares teniendo en cuenta la norma E080. Se usó la maquina universal automática de ensayos de compresión y flexión modelo UNIFRAME de la marca CONTROLS la cual tiene una capacidad de carga máxima de 50KN. La velocidad usada fue la mínima de 50N/s. Para el ensayo la maquina cuenta con moldes (ya sea para compresión o flexión) se colocaron las probetas a ensayar a velocidad mínima, una vez realizado el ensayo el programa guardó los datos registrados en un USB, donde reportó datos de fuerza y desplazamiento, junto a graficas colocadas en apéndice.
𝑅 = 𝐹 𝐴
Donde:
F: fuerza de rotura (KN)
A: área de sección transversal de la probeta (mm2) R: resistencia a la compresión (KN/mm2)
E.2) Flexión
Se ensayaron las probetas rectangulares patrón y con fibras naturales de dimensiones 4cm x 4cm x 16cm, colocamos las probetas en la maquina multiparametro y cambiamos cabezal por el de flexión de 3 puntos. Una vez ensayada cada probeta de reportaron datos en el sistema y guardaron en USB donde reportó datos de fuerza y desplazamiento, junto a graficas colocadas en Apéndice.
Para este ensayo se tiene en cuenta la siguiente formula:
𝑅𝑓 = 3𝐹𝑆 2𝑏ℎ
Donde:
F: carga máxima de rotura (kg) S: separación entre apoyos, 10 cm b: ancho de la probeta, 4cm h: altura de la probeta, 4cm
Rf: Resistencia a la flexión (kg/cm2)
F) Análisis de Resultados
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1.Caracterización de la materia prima
Figura 26: Curvas granulométricas del suelo y arena gruesa.
En la Figura 26, se muestra las curvas granulométricas para la tierra y la arena gruesa, distinguiendo la composición según el diámetro de las partículas retenidas para cada tamiz.
En la curva granulométrica de la tierra podemos notar que para el tamiz Nº4 y Nº8 el porcentaje pasante fue de casi 100%, siendo solamente 0.95% lo retenido lo cual es considerado como grava media, de la malla Nº16 hasta la malla Nº50 tenemos un porcentaje en peso retenido de 10.63% que viene a ser considerado arena gruesa, luego tenemos de la malla Nº100 a la Nº200 el 54.68% como arena fina y por último 33.74% que viene a ser limo y arcilla.
La composición del suelo viene a ser el siguiente: % Grava : 0.1
Se tiene un módulo de finura de 0.6 lo cual lo clasifica como un suelo de arena muy fina.
Para su clasificación de acuerdo al SUCS, teniendo la granulometría, el limite liquido e índice de plasticidad procedemos: el peso retenido en el tamiz Nº200 es menor que el 50% entonces se tiene que es un suelo de grano fino, de acuerdo a la Tabla Nº29, dentro de los criterios en Suelos de grano fino (inorgánico) como el L.L. < 50 y 4 ≤ I.P. ≤ 7 entonces el suelo es clasificado como una arcilla de baja plasticidad con algo de limos CL-ML.
En la curva granulométrica de la arena gruesa, el porcentaje de grava fina es de 2.4%, de arena 94.0% y de limo y arcilla 3.6%.
Teniendo un módulo de finura de 2.5 lo cual la clasifica como arena gruesa. Calculando el Coeficiente de uniformidad y curvatura:
Cu = D60 𝐷10=
0.92 0.15= 6
Cc = 𝐷30
2
𝐷10𝑥𝐷60=
0.272
0.15𝑥0.92= 0.5
El Cu de la arena es 6 y de acuerdo al sistema SUCS define que una arena para ser
bien graduada debe ser de 6 para arriba y para este caso cumple, por ello podemos decir que al usarse en la mezcla esta proporcionara cierta resistencia.
biológico y de esta manera no afectaría en una posible disminución en la resistencia ni a las propiedades físicas.
De acuerdo al índice de plasticidad la cantidad necesaria de agua para cambiar el estado de consistencia de plástico a liquido del suelo es de 5.5%, y según la Tabla Nº 28 a este suelo se le clasifica como ligeramente plástico ya que su I.P<10, por esto se puede decir que presenta un bajo contenido de arcilla; tener en cuenta que a menor sea la cantidad de arcilla de un suelo las fuerzas cohesivas de las películas de agua dentro del mismo se verán disminuidas trayendo consigo al momento del conformado una mezcla posiblemente menos compacta.
De acuerdo a los resultados de Gravedad Especifica se tiene un valor de 2.74 g/cm3 clasificándose así al suelo como una arcilla poco plástica ya que se encuentra en el rango de 2.72 g/cm3 – 2.78 g/cm3.
Para la arena gruesa el Peso Específico es 2.39 g/cm3 y el porcentaje de absorción
1.59%.
Figura 27: Difracción de rayos X de suelo (Instituto del carbón España)
En la Figura Nº27 se muestra los minerales presentes en la tierra obtenidos mediante el análisis de Difracción de Rayos X, donde se registraron los siguientes minerales, en orden descendente de acuerdo a la cantidad registrada en la muestra: En mayor cantidad se encuentra la Albita (NaAlSi3O8), este mineral es el
que le confiere la plasticidad a la tierra amarilla.
La Anortita (CaAl2Si3O8), esta fase es más rica en calcio lo cual le da cierto
grado de fertilidad que se ve reflejado en el porcentaje de materia orgánica que contiene, ya que es un aluminosilicato de calcio, con alto contenido de Ca.
El Cuarzo (SiO2) se encuentra contenido en el porcentaje de arena en la
mezcla ayudando en la disminución de fisuras ya que las partículas de sílice no presentan plasticidad, son insolubles ante el agua.
La Illita, es una arcilla poco expansiva que confiere propiedades como la elasticidad y plasticidad a la tierra, pero en baja medida, por la tendencia a formarse grumos por los iones potasio reduciendo el área expuesto al agua. El Clinoclore tiene minerales de hierro, magnesio, aluminio; puede
representar a los granos de arena provenientes de rocas metamórficas.
3.2.Ensayo de resistencia a la compresión
Figura 29: Curvas de resistencia a compresión de probetas con fibras.
En la Figura Nº28 podemos ver que la muestra Patrón tiene la mayor resistencia a la compresión 23.36 kg/cm2; de las muestras con fibras naturales podemos notar que la de 1.00% de bagazo de caña tiene mayor resistencia 20.70 kg/cm2 (11% disminuido), seguida de 0.25% de ichu con 18.78 kg/cm2 (20% disminuido) luego junco de 0.25% con 16.26 kg/cm2 (30% disminuido) y al final pajilla de arroz de 0.25% con 15.89 kg/cm2 (32% disminuido).
posiblemente se da porque estas fibras son suaves y poco rígidas, al estar dentro del adobe son un camino por donde viajan las fisuras al aplicar un esfuerzo de compresión.
Este comportamiento se debe a que cuando las muestras ya están secas, en la unión entre fibra y matriz hay poros, debido a las fibras naturales y son por estos sitios por donde al aplicar la fuerza de compresión las fisuras se van propagando produciéndose así la rotura.
3.3.Ensayo de resistencia a la flexión
Figura 31: Curvas de resistencia a flexión de probetas con fibras.
En la Figura 31, podemos notar que la muestra que presenta la mayor resistencia a la flexión es la de 1.00% de bagazo de caña con 15.77 kg/cm2 (97% aumento), le siguen muestras con la misma fibra con menor resistencia, luego las muestras de pajilla de arroz siendo la de 1.00% la que presenta mayor resistencia con 10.17 kg/cm2 (27% aumento), disminuyendo la resistencia conforme disminuye el porcentaje de la misma fibra natural; luego la que sigue son las de junco teniendo como mayor resultado la de 0.75% con 9.15 kg/cm2 (14% aumento) y al final tenemos la de ichu de 1.00% con 7.25 kg/cm2 (10% disminuye); mencionando solo las muestras que contienen fibras naturales, cabe mencionar que la probeta patrón obtuvo una resistencia de 8.02 kg/cm2 siendo mayor solamente a las muestras con junco, con el resto de fibras naturales se logró una mayor resistencia, por lo tanto podemos decir que el uso de las fibras naturales si aumentan la resistencia a la flexión.
no las tuviesen, por ello que al aumentar más la cantidad hay un mejor entrecruzamiento y se reparte más uniformemente los esfuerzos, podemos apreciar este hecho en la Figura 35 del ANEXO.
De acuerdo al análisis estadístico realizado:
Para la resistencia a la compresión: Como FExperimental < FTeórico entonces se rechaza
H1 y se acepta H0 concluyendo que, A mayor porcentaje en peso de fibra natural,
según su tipo, no aumentará la resistencia a la compresión en adobes para construcciones de la Libertad.
Para la resistencia a la flexión: Como FExperimental > FTeórico entonces se acepta H1 y se
rechaza H0 concluyendo que A medida que se incremente el porcentaje en peso de
IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1.Conclusiones
Se logró determinar la influencia de las fibras naturales en Adobes mostrando que como material de refuerzo ante esfuerzos de compresión las fibras no aportan un valor agregado ya que no aumentan la resistencia al contrario disminuyen su valor y la tendencia es que conforme se aumenta el porcentaje en peso de fibra la resistencia en cada tipo de fibra va disminuyendo; si bien es cierto, la mayoría pasó el valor de 10 kg/cm2 establecido por la norma E.080 como mínimo para este requerimiento, la probeta patrón logró tener un valor mucho mayor de 23.36 kg/cm2.
Para el caso de la resistencia a la flexión ocurre lo contrario pues las fibras naturales si favorecen en un aumento en el valor de la resistencia conforme se va aumentando el porcentaje en peso, teniendo como valor de la probeta patrón 8.02 kg/cm2 y como valor máximo de 15.77 kg/cm2 para la muestra con bagazo de caña al 1% en peso,
podemos notar la gran diferencia y esto ocurre con el resto de muestras pues para todos los casos aumenta la resistencia.
La humedad contenida de los agregados usados es mínima, el contenido de materia orgánica está dentro de los rangos permisibles como suelos no fértiles.
4.2.Recomendaciones
Realizar pruebas en adobes de tamaño real usados para construcción de viviendas y de esta manera analizar su comportamiento ante esfuerzos de compresión y flexión.
Analizar química y biológicamente las fibras para determinar su degradación en el tiempo y de esta manera establecer su influencia en el bloque de Adobe. Evaluar el ahorro energético que se puede lograr al reciclar la fibra al no optar
por la quema discriminada.
Realizar un análisis de costos para la producción de adobes con distintos tipos de fibras naturales.
