Caracterización del material compuesto Raquis-Cemento
Isabel Cristina Chica Castrillón
Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Bogotá D.C.
2 Caracterización del material compuesto Raquis-Cemento
Isabel Cristina Chica Castrillón
Proyecto de grado para optar por el título de Ingeniera Civil
Asesor
Ingeniero Fernando Ramírez Rodríguez PhD. University of Colorado
Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Bogotá D.C.
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AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo fue dirigido por el profesor Fernando Ramírez, a quien agradezco especialmente por su colaboración incondicional y compartir su conocimiento y experiencia conmigo para realizar esta investigación.
También a la ingeniera María Catalina Moreno, quien de manera desinteresada ayudó en la parte experimental de la realización del proyecto. Al equipo de laboratorio de Ingeniería Civil y Ambiental por la disposición y la calidad del servicio que me brindaron para poder realizar los ensayos necesarios.
Finalmente, agradezco a mi familia brindarme todos los días su amor y cariño y por apoyarme en todos los proyectos que he emprendido en mi vida, incluyendo este trabajo de grado.
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CONTENIDO
1. PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA ... 12
2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ... 14
3. OBJETIVOS ... 14
3.1. Objetivos generales ... 14
3.2. Objetivos específicos ... 14
4. MARCO TEÓRICO ... 16
4.1. Material Compuesto ... 16
4.2. Hempcrete ... 16
4.3. Palma Aceitera y Raquis de palma... 19
4.3.1. Palma aceitera ... 19
4.3.2. Raquis de palma aceitera ... 21
4.4. Cemento Hidráulico ... 23
5. METODOLOGÍA ... 26
5.1. Caracterización del raquis de palma aceitera ... 26
5.1.1. Caracterización física de la fibra ... 26
5.1.2. Caracterización química de la fibra ... 30
5.2. Caracterización del Raquis-Cemento ... 32
5.2.1. Caracterización física del compuesto ... 32
5.2.2. Caracterización mecánica del compuesto ... 32
5.2.3. Caracterización acústica del compuesto... 44
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 49
v
6.1.1. Caracterización física de la fibra ... 49
6.1.2. Caracterización química de la fibra ... 52
6.2. Caracterización del Raquis-Cemento ... 56
6.2.1. Caracterización física del compuesto ... 56
6.2.2. Caracterización mecánica del compuesto ... 58
6.2.3. Caracterización acústica del compuesto... 66
7. CONCLUSIONES ... 71
8. BIBLIOGRAFÍA ... 73
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LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Bloque de Hempcrete (Crofton, s.f.)... 17
Ilustración 2. Cultivo de Cáñamo (Bernardo, 2014) ... 17
Ilustración 3. Fibra de Cáñamo (Arnaud & Gourlay, 2011) ... 18
Ilustración 4. Palma aceitera (El Espectador, 2014) ... 19
Ilustración 5. Ilustración 3. Crecimiento del área empleada para cultivo de palma africana en Colombia. Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA y el Sistema de Información estadística del Sector Palmero (Fedepalma , 2014) y (Moreno, 2014) ... 21
Ilustración 6. Racimo de fruta fresca de palma africana y racimo desfrutado o raquis (Moreno, 2014) ... 22
Ilustración 7. Proyección de la producción de raquis en Colombia en los próximos 15 años. Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA (Fedepalma , 2014) y (Moreno, 2014) ... 23
Ilustración 8. Raquis de palma después de proceso de molienda ... 26
Ilustración 9. Moldes cilíndricos para fabricación de especímenes de Raquis-Cemento (Pinzuar L.T.D.A., s.f.) ... 36
Ilustración 10. Fundición de especímenes de Raquis-Cemento ... 37
Ilustración 11. Máquina Universal Forney ... 39
Ilustración 12. Curva esfuerzo vs. Deformación unitaria del vidrio (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012) ... 40
Ilustración 13. Módulo de elasticidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012) ... 41
Ilustración 14. Límite de fluencia (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012) ... 41
Ilustración 15. Ductilidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012) ... 42
Ilustración 16. Montaje ensayo tracción indirecta ... 43
vii Ilustración 18. Curvas esfuerzo vs. Deformación para Raquis-Cemento de 35% de cemento
... 59
Ilustración 19. Curvas esfuerzo vs. Deformación para Raquis-Cemento de 45% de cemento ... 60
Ilustración 20. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 35% de cemento ... 61
Ilustración 21. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 45% de cemento ... 61
Ilustración 22. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 35% de cemento a tensión ... 65
Ilustración 23. Falla de cilindros de Raquis-Cemento de 45% de cemento a tensión ... 65
Ilustración 24. Muestras de Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de cemento) y Drywall ... 66
Ilustración 25. Montaje experimental para caracterización acústica del Raquis-Cemento 67 Ilustración 26. Espectro de ruido para cada material ... 69
Ilustración 27. Subproductos generados durante el proceso de producción de aceite de palma (Moreno, 2014) ... 77
Ilustración 28. Áreas cultivadas de Palma Aceitera para los años 1997 (arriba) y 2007 (abajo) (Fedepalma , 2014) ... 78
Ilustración 29. Procedimiento para determinación de lignina Parte 1 (ASTM - American Society of Testing Materials, 2013) ... 79
Ilustración 30. Procedimiento para determinación de lignina Parte 2 (ASTM - American Society of Testing Materials, 2013) ... 80
Ilustración 31. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 1 (TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993) ... 81
Ilustración 32. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 2 (TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993) ... 82
Ilustración 33. Procedimiento para determinación de celulosa y hemicelulosa Parte 3 (TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993) ... 83
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Subproductos sólidos en las plantas de beneficio: características y usos ... 22
Tabla 2. Composición química del cemento (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012) ... 24
Tabla 3. Producción de cemento y consumo per cápita en Latinoamérica (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012) ... 24
Tabla 4. Influencia de la relación agua/cemento en la resistencia del cemento (Guevara Fallas, y otros, 2011) ... 34
Tabla 5. Bandas de octava para la caracterización acústica del Raquis-Cemento ... 46
Tabla 6. Clasificación del material de acuerdo a su STC ... 47
Tabla 7. Resultados densidad aparente fibra ... 49
Tabla 8. Parámetros tenidos en cuenta para el cálculo de la densidad de la fibra ... 50
Tabla 9. Cantidades (en kg) de cemento, agua y fibra para determinación de densidad de la fibra ... 50
Tabla 10. Valores de volumen de agua, cemento y fibra obtenidos para la determinación de la densidad de la fibra ... 50
Tabla 11. Temperatura registrada para ensayo de absorción ... 51
Tabla 12. Resultados de absorción de agua de la fibra ... 51
Tabla 13. Resultados contenido de lignina del raquis de palma ... 52
Tabla 14. Valores de parámetros para obtener el contenido de alfa-celulosa en el raquis de palma ... 53
Tabla 15. Resultados del contenido de alfa-celulosa en el raquis de palma ... 54
Tabla 16. Valores de parámetros para obtener el contenido de gamma-celulosa en el raquis de palma ... 54
Tabla 17.Porcentaje de gamma-celulosa en el raquis de palma ... 55
Tabla 18. Valores de alfa-, beta-, y gamma-celulosa ... 55
Tabla 19. Valores de densidad para especímenes de Raquis-Cemento de 35% de cemento ... 56
ix Tabla 20. Valores de densidad para especímenes de Raquis-Cemento de 45% de cemento
... 57
Tabla 21. Parámetros tenidos en cuenta para la realización del diseño de mezclas del Raquis-Cemento ... 58
Tabla 22. Diseño de mezclas para Raquis-Cemento de 35% de cemento ... 58
Tabla 23. Diseño de mezclas para Raquis-Cemento de 35% de cemento ... 58
Tabla 24. Cantidades necesarias para fabricar los especímenes de Raquis-Cemento ... 59
Tabla 25. Resistencia ultima a la compresión de las muestras de Raquis-Cemento... 62
Tabla 26.Módulo de elasticidad para muestras de Raquis-Cemento ... 63
Tabla 27. Resultados máximo esfuerzo a tensión del Raquis-Cemento ... 64
Tabla 28. Dimensiones de muestras para ensayo de aislamiento acústico ... 66
Tabla 29. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Raquis-Cemento (35% de cemento) ... 67
Tabla 30. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Raquis-Cemento (45% de cemento) ... 68
Tabla 31. Resultados niveles de presión sonora emisor y receptor y TL para Drywall ... 68
Tabla 32. Frecuencias Críticas para el Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de cemento) y Drywall... 70
Tabla 33. Valores de STC para Raquis-Cemento (35% de cemento), Raquis-Cemento (45% de cemento) y Drywall. ... 70
x
LISTA DE ECUACIONES
Ecuación 1. Densidad aparente ... 27
Ecuación 2. Cálculo volumen de fibra ... 28
Ecuación 3. Cálculo densidad de la fibra ... 29
Ecuación 4. Cálculo absorción de la fibra ... 30
Ecuación 5. Cálculo del contenido de lignina ... 31
Ecuación 6. Cálculo densidad del Raquis-Cemento ... 32
Ecuación 7. Cálculo volumen de cemento ... 35
Ecuación 8. Calculo peso de cemento... 35
Ecuación 9. Cálculo peso de agua ... 35
Ecuación 10. Cálculo peso agua ... 35
Ecuación 11. Cálculo volumen fibra ... 35
Ecuación 12. Cálculo peso fibra ... 35
Ecuación 13. Cálculo peso agua fibra ... 36
Ecuación 14. Cálculo volumen agua fibra ... 36
Ecuación 15. Ecuación esfuerzo... 39
Ecuación 16. Ecuación deformación unitaria ... 39
Ecuación 17. Cálculo módulo de elasticidad. ... 41
Ecuación 18. Cálculo máximo esfuerzo a tensión ... 44
Ecuación 19. Ecuación "Transmission Loss" ... 44
Ecuación 20. Ecuacion "Transmission Loss" experimental ... 47
Ecuación 21. Cálculo alfa-celulosa ... 53
Ecuación 22. Cálculo gamma-celulosa ... 54
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RESUMEN
Entre los nuevos retos de la ingeniería, no solo se encuentra el innovar con materiales que cumplan eficientemente el fin para el cual fueron diseñados, también es de vital importancia que estos se adapten a problemáticas y necesidades de la sociedad, como lo son la preservación y el mejor manejo de los recursos naturales. Por ello, el presente proyecto está enfocado en caracterizar un material compuesto titulado Raquis-Cemento; este está hecho a base de un sub-producto de deshecho llamado raquis de palma aceitera, cemento hidráulico y agua.
Entre las propiedades que se quieren indagar acerca de Raquis-Cemento se encuentran sus propiedades físicas y químicas, y su desempeño mecánico y acústico. Lo anterior, se hace con el fin no solo de evaluar la viabilidad de su uso en nuestro país, sino que también, para ser comparado con materiales de la misma índole utilizados en otras partes del mundo como lo es el Hempcrete.
Esta investigación, se estructuró acorde a los procedimientos y metodologías consignadas en las principales normas de testeo de materiales del mundo y de nuestro país como la American Society of Testing Materials, la Technical Association of the Pulp and Paper Industry y la Norma Técnica Colombiana para asegurar que los resultados obtenidos sean confiables y comparables.
PALABRAS CLAVE
Raquis de palma aceitera, cemento hidráulico, agua, Hempcrete, material compuesto, propiedades físicas, caracterización química, caracterización mecánica, caracterización acústica.
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1.
PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad, el mundo de la ingeniería encuentra grandes retos en el uso de materias primas y materiales que permitan no solo cumplir eficientemente con requerimientos funcionales ligados a sus propiedades físicas y mecánicas, sino también ser sostenibles económica y ambientalmente. Por lo anterior, surge la idea de agregar partículas de plantas o subproductos orgánicos de desecho para usarlos como agregados en materiales de construcción. Lo anterior, se puede justificar por dos razones principales: La búsqueda de la preservación de los recursos naturales, tales como agregados
minerales, cuyas condiciones de extracción cada vez son más complicadas, debido a que, no son renovables.
La necesidad de diseñar materiales de construcción más eficientes con un menor impacto ambiental en lo que refiere a la huella de carbono y el uso de recursos hídricos.
Iniciando los años noventa, en el continente europeo se conceptualizó un material de construcción hecho principalmente de cemento hidráulico y fibras vegetales de cáñamo (fracción no fibrosa del tallo de la planta) llamado Hempcrete. Este fue diseñado con el objetivo de ser usado en elementos no estructurales de edificaciones, ya que en los diversos estudios que se le practicaron no revelaban propiedades mecánicas altas. Sin embargo, la utilización de un material en construcción no solo se limita a este tipo de características, el material compuesto investigado presentaba potencial como material aislante acústico y térmico. Además, este material es ambientalmente sostenible puesto que permite una reducción considerable de la huella ecológica al almacenar aproximadamente 35 kilogramos de dióxido de carbono por metro cuadrado de material (Arnaud & Gourlay, 2011).
En Colombia, no se registra uso de este material porque el cáñamo es una planta que taxonómicamente pertenece a la familia de la marihuana (Cannabis Sativa). Es importante aclarar que los contenidos de THC (tetrahidrocannabinol) componente psicoactivo de la
13 planta son mínimos, lo que hace que su plantación sea legal de acuerdo a la ley 30 de 1986, a pesar de ello, el cultivo extensivo del cáñamo simplemente es inexistente. Ya que, no se cuenta con esta planta, y por ende con su fibra en el territorio nacional, se puede recurrir al uso de fibras locales para analizar su potencial uso en materiales de esta índole. De esta manera, revisando el tipo de fibras con las que se cuenta en Colombia, y así mismo, la abundancia de la planta que la produce, se pensó en la Palma Africana de Aceite o Palma Aceitera.
Esta planta posee cultivos extensivos a lo largo de la geografía colombiana, y al igual que el cáñamo, tiene una huella ecológica baja puesto que es capaz de almacenar en un cultivo de 1,5 millones de hectáreas, 50 millones de toneladas de dióxido de carbono. Este valor supera en 10 veces la cantidad de dióxido de carbono que puede almacenar un cultivo corriente anualmente (Conil & Lugo, s.f.) lo cual es una cuantía muy superior, y en consecuencia, representa mayores beneficios al medio ambiente. La plantación de Palma Africana tiene como principal fin abastecer a Colombia y otros países de biocombustible; durante los procesos de cosecha, corte y extracción de aceite, se generan gran cantidad de residuos sólidos. Por ejemplo, una hectárea del cultivo de palma africana en Colombia puede producir, aproximadamente, 3,8 toneladas de material fibroso seco de raquis (Angarita, Díaz, & Lozano , 2009).
Este último, más conocido como raquis de palma, puede ser una solución para la implementación de un material semejante al Hempcrete en nuestro país. Por ello, en este proyecto de grado se pretende evaluar su uso en combinación con el cemento para revisar si este nuevo material, Raquis-Cemento, funciona de manera similar o mejor al Hempcrete en lo que refiere a sus propiedades física, mecánicas y acústicas.
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2.
PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN
¿Es viable la implementación del raquis de palma africana en un material compuesto en matriz cementante?
¿Tendrá el material Raquis-Cemento un mejor desempeño en lo que refiere a propiedades físicas, mecánicas y acústicas al del Hempcrete?
3.
OBJETIVOS
3.1.
Objetivos generales
Evaluar las propiedades físicas, químicas, mecánicas y acústicas del material Raquis-cemento.
Comparar los valores obtenidos de las propiedades del Raquis-Cemento con las propiedades del material Hempcrete.
Evaluar el uso potencial del material Raquis-Cemento como muro y cerramiento (elementos no estructurales) en edificaciones.
3.2.
Objetivos específicos
Encontrar la composición química del Raquis de Palma Africana (Lignina, alpha-celulosa, beta-celulosa y gamma-celulosa)
Encontrar la dosificación óptima para obtener una adherencia adecuada entre el Raquis de palma africana y el cemento hidráulico.
Realizar los correspondientes diseños de mezclas para el material Raquis-Cemento Encontrar las diferentes propiedades mecánicas (máximo esfuerzo a compresión,
15
Caracterizar el desempeño acústico del material Raquis-Cemento (Transmission Loss y Sound Tramission Class)
16
4.
MARCO TEÓRICO
4.1.
Material Compuesto
Los materiales compuestos, son materiales multifásicos que se obtienen a través de la combinación artificial de diferentes elementos para alcanzar las propiedades que estos individualmente no podrían tener. Este tipo de materiales se pueden adaptar para diversas propiedades seleccionando adecuadamente sus componentes, sus distribuciones, sus morfologías, así como su estructura y composición de la interfaz entre sus componentes (Chung, 2010).
Debido a su fuerte adaptabilidad, estos pueden ser diseñados para satisfacer las necesidades tecnológicas relacionadas con la industria aeroespacial, automotriz, electrónica, de la construcción, energética y biomédica (Chung, 2010). Un ejemplo común de un material de esta índole es el concreto, el cual es un compuesto estructural hecho a partir de cemento, agregado fino (arena suelta), agregado grueso (grava), y en algunos casos, aditivos para mejorar su manejabilidad, plasticidad, etc.
Los materiales compuestos, de acuerdo al material que conforma la matriz (material que tiene la capacidad de unir o aglutinar) se pueden clasificar principalmente en 5 clases: de matriz polimérica, de matriz cementante, de matriz metálica, de matriz de carbono y de matriz cerámica (Chung, 2010). Los materiales compuestos de matriz polimérica y cementante son los más comunes debido a su bajo costo de fabricación. Los materiales compuestos de matriz polimérica son típicamente usados para la fabricar estructuras livianas como sillas e implementos deportivos, mientras los conformados por matriz cementante son utilizados para viviendas y sistemas constructivos prefabricados, aislamiento acústico y aislamiento térmico.
4.2.
Hempcrete
El Hempcrete (ver Ilustración 1) es un material compuesto fabricado a partir de cemento hidráulico, agua y fibra de cáñamo. Esta última, fue introducida al mundo de la
17 construcción a principios de los años noventa, en Francia, con el fin de implementarla en el concreto para que este fuera más liviano (Evrard, Sorption behaviour of Lime-Hemp Concrete and its relation to indoor comfort and energy demand, 2006).
Ilustración 1. Bloque de Hempcrete (Crofton, s.f.)
Se recurrió a esta fibra, ya que el cultivo de cáñamo presenta un rápido crecimiento y una rotación anual, lo que la hace un recurso renovable (Mukherjee, 2012). Además, es un cultivo que es capaz de recolectar más dióxido de carbono (CO2) en su proceso de
crecimiento y recolección, que el generado en la producción del Hempcrete. Del cáñamo se pueden extraer fibras tanto de su corteza, como de su núcleo, sin embargo, es del núcleo donde se originan las fibras que son utilizadas para la fabricación del Hempcrete, las cuales tiene una apariencia y una estructura celular similar a la de la madera (De Bruijn, 2008).
18 Esta fibra es combinada con una pequeña cantidad de cemento, con el fin de reducir sus tiempos de curado. Como resultado, se obtiene una mezcla liviana con unas propiedades de aislamiento térmico buenas, como es indicado en estudios recientes (Mukherjee, 2012).
Ilustración 3. Fibra de Cáñamo (Arnaud & Gourlay, 2011)
En lo que refiere a densidad, el Hempcrete maneja unos rangos bajos, al estar siempre oscilando entre valores de 390 kg/m3 y650 kg/m3 dependiendo de su composición
de fibra, agua y cemento (Arnaud & Gourlay, 2011). Otras propiedades, como la conductividad térmica del material (se pueden entender como una medida de aislamiento térmico), se ven afectadas por los valores de densidad, ya que a mayor densidad, el compuesto es capaz de impedir en mayor magnitud el paso de calor; un ejemplo de esto, es que unas muestras de Hempcrete de 548 kg/m3 y 245 kg/m3 tienen unas conductividades
térmicas de 0,114 W/(m*K) y 0,071 W/(m*K), respectivamente (Mukherjee, 2012).
Pasando ahora a las propiedades mecánicas del material, debido a sus bajas resistencias, es utilizado generalmente como material de relleno de marcos estructurales (madera), o como material de aislamiento de techos, paredes y pisos (Mukherjee, 2012). Dependiendo de las cantidades de fibra de cáñamo, cemento y agua, los valores típicos de resistencia última a la compresión se encuentra entre 0,15 MPa y 1,2 MPa. Sin embargo, al igual que el concreto, este valor está altamente influenciado por las condiciones de curado y de edad del espécimen, ya que con el pasar del tiempo, se evidencia un incremento en la resistencia (Arnaud & Gourlay, 2011).
19 Finalmente, a pesar de que el Hempcrete es un material fabricado a base de materia orgánica, este no se descompone, debido a la presencia de cal (aportada por el cemento) en la mezcla, además, pasado su ciclo de vida, es mayormente biodegradable (Mukherjee, 2012).
4.3.
Palma Aceitera y Raquis de palma
4.3.1. Palma aceitera
La palma aceitera, o africana, es la oleaginosa con mayor comercio en el mundo, ya que se emplea para producir biodiesel. A partir del aceite que se extrae de la misma, se realizan alimentos, cosméticos y productos de uso personal, tales como cremas y jabones (Moreno, 2014). Esta planta tropical crece solo en tierras de clima cálido, que no estén a una altura mayor a los 500 metros sobre el nivel del mar. Es originaria de las costas occidentales africanas, más específicamente de Guinea, y su llegada a América se debe a que, los portugueses usaban la planta y sus derivados en la dieta de los esclavos africanos que se traían a Brasil (Cámara de Comercio de Cartagena, 2010).
Ilustración 4. Palma aceitera (El Espectador, 2014)
En el pasado, las poblaciones locales africanas utilizaban esta planta para diversos usos, entre ellos la fabricación de productos alimenticios y medicinales, utilizando para ello
20 no solo sus frutos, sino también, sus fibras y savia. Sin embargo, en la actualidad su principal uso es para la extracción del aceite de palma y palmiste y por ello, el gran número de cultivos a gran escala alrededor del mundo (Movimiento Mundial por los Bosques Tropicales, 2011). La palma aceitera es un cultivo que puede empezar a rendir frutos entre los dos y tres años (mediante el uso de variedades seleccionadas y clonadas), y pueden tener una vida productiva de 50 años, pero cabe anotar que la planta alcanza su mayor producción entre los 20 y los 30 años (Movimiento Mundial por los Bosques Tropicales, 2011).
A pesar de que la palma aceitera proviene del continente africano y además, tiene una área geográfica de reproducción tan limitada (entre las latitudes 20 ° norte y 20 ° sur y hasta 500 metros sobre el nivel del mar), no ha sido impedimento para que los cultivos estén a lo largo de todo el mundo, incluyendo el sudeste asiático, África, Latinoamérica, y especialmente nuestro país, Colombia; donde fue introducida por el director del Jardín Botánico de Bruselas, Florentino Claes, en 1932 (Moreno, 2014). En los años 1945 y 1949, tanto el Gobierno Nacional, como la United Fruit Company realizaron plantaciones pequeñas de palma de aceite; pero fue hasta el año 1957, que el Gobierno propició la creación de plantaciones piloto, con la participación financiera del Estado e inversionistas particulares.
El Gobierno encomendó el fomento e investigación de este cultivo al Instituto de Fomento Algodonero (I.F.A.) quien en 1960, inició las primeras plantaciones comerciales. A finales de 1961 se habían plantado 3400 hectáreas y desde entonces ha mostrado incrementos permanentes en el área sembrada (Gómez Cuervo, y otros, 1990) . Este comportamiento se puede evidenciar en la Ilustración 28 (ver página 77), donde muestra la distribución espacial de los cultivos de palma aceitera para los años 1997 y 2007.
A causa de los diferentes usos que tiene la palma aceitera y sus subproductos, en las últimas décadas, el mercado de aceite ha sido uno de los más dinámicos; esto se justifica por tres razones principales: un cambio en las costumbres alimenticias de las ciudades, el
21 crecimiento de la población mundial y el mayor crecimiento económico chino e indio (Cámara de Comercio de Cartagena, 2010).
Ilustración 5. Ilustración 3. Crecimiento del área empleada para cultivo de palma africana en Colombia. Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA y el Sistema de Información estadística del Sector Palmero (Fedepalma ,
2014) y (Moreno, 2014)
Por ello, el gobierno ha continuado con la generación de incentivos para las inversiones en este mercado y ha destinado recursos a la investigación sobre esta planta, y su mejoramiento genético, para aplicar este conocimiento en otras problemáticas nacionales, como el remplazo de los cultivos ilícitos por cultivos de palma africana (Moreno, 2014). Lo anterior, se corrobora en la Ilustración 5, donde se evidencia, claramente, un incremento en área de las plantaciones de esta especie, y así mismo, nos permite inferir que en la actualidad, la economía de la palma es fuerte y ocupa un gran porcentaje de participación dentro de la economía colombiana.
4.3.2. Raquis de palma aceitera
El raquis de palma aceitera, también conocida como tusa de palma, es uno de los subproductos generados durante el proceso de producción del aceite. Este residuo está conformado por una porción de racimo fresco (entre el 17,7% y el 26,1%), otra que corresponde al fruto (entre el 62% y el 72%) y lo restante, representa la humedad del racimo (alrededor del 10%) (Agroindustria de la Palma de Aceite, s.f.).
22
Ilustración 6. Racimo de fruta fresca de palma africana y racimo desfrutado o raquis (Moreno, 2014)
A pesar de que en este proceso se generan residuos adicionales (todos los residuos generados de la palma africana se encuentran en la Ilustración 27 , sección Anexos), como las fibras provenientes del mesocarpio del fruto y la cascarilla de la nuez; solamente el raquis, y los lodos generados (como efluentes y las cenizas) son los productos que no ingresan en su totalidad al proceso de producción para complementarlo y por ello, a este material sobrante no le queda más función que ser desechado. En la Tabla 1 se muestran algunas propiedades de estos subproductos sólidos, así como sus principales usos cuando son recolectados en las plantaciones de palma.
Tabla 1. Subproductos sólidos en las plantas de beneficio: características y usos
En la actualidad, se le ha intentado dar otros usos al raquis de palma africana, como materia prima para abonos, rellenos y compostajes. Sin embargo, dada la información expuesta en el inciso anterior (Palma aceitera), es evidente que la producción de palma, así
N P K
Tusa
o Raquis 23 a 65 22 0,80 0,20 2,90
Abono orgánico en las plantaciones
Fibra 12 a 42 13 1,40 2,80 9,00 Combustible en
las calderas y abono
Cáscara
o cuesco 7 a 15 6 0,60 3,30 12,70
Combustible y material para adecuacion de vias
internas Subproducto Humedad (%) Peso equivalente al fruto procesado (%) Composición Química
23 como las cantidades de subproductos de desecho seguirán creciendo cada día más. Adicionalmente, si tiene en cuenta la tasa a la cual han crecido los cultivos de palma en el país y el rendimiento promedio de producción de fruto por hectárea (entre 1994 y 2014 fue de 16,95 toneladas por hectárea), se puede estimar la producción futura de raquis teniendo en cuenta las proporciones entre fruto y tusa vacía, presentadas en la Ilustración 27 (Moreno, 2014).
Ilustración 7. Proyección de la producción de raquis en Colombia en los próximos 15 años. Gráfica construida a partir de datos de FEDEPALMA (Fedepalma , 2014) y (Moreno, 2014)
A partir de la proyección de raquis de palma para los próximos 15 años, se calcula que se producirán más de 100 millones de toneladas, que deberán ser desechados al no tener aplicación en otras áreas.
4.4.
Cemento Hidráulico
El cemento es un material artificial aglomerante, fabricado a partir de una mezcla de arcilla y materiales calcáreos, capaz de unir sustancias disgregadas en presencia de agua (activa las propiedades aglutinantes del cemento) y, posteriormente, se endurece para transformarse en una masa consistente y compacta (Gran Enciclopedia Hispánica, 2014).
Su proceso de fabricación inicia con la explotación en cantera de caliza y arcilla. Una vez recolectadas, estas se someten a un proceso de trituración hasta alcanzar tamaños entre 25 y 30 milímetros de diámetro, para ser mezcladas y homogeneizadas. Luego, a esta mezcla se le realiza un tratamiento térmico en horno giratorio a una temperatura entre 1400 y 1500 grados centígrados, donde a su vez, se le agrega sílice y alúmina para forman
24 una sustancia llamada Clinker (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012). Finalmente, después de que el Clinker se ha enfriado, se tritura y, paralelamente, se le adiciona yeso y puzolana, lo que da como resultado final el cemento (Gran Enciclopedia Hispánica, 2014). En la Tabla 2 se observa la composición química del cemento.
Tabla 2. Composición química del cemento (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012)
Tanto la fabricación de cemento, como su industria, son de gran importancia a nivel mundial, ya que este componente es fundamental para la fabricación de concreto, el cual es el segundo material más utilizado en el planeta (aproximadamente 3 toneladas anuales por persona a nivel mundial) solo superado por el agua, que a su vez es utilizado para la fabricación de este componente (Figueroa & Díaz, 2009).
Tabla 3. Producción de cemento y consumo per cápita en Latinoamérica (Ramírez Rodríguez, Introducción Concreto: Cemento, agua y agregados, 2012)
25 El papel del cemento tiene un rol significativo, debido a que, es una materia prima fundamental para el desarrollo de infraestructura, y por ende, indispensable para el crecimiento y desarrollo de un país. A pesar de que, la industria del cemento es dinámica y está sujeta a las tendencias de globalización, preservación del medio ambiente y disminución de la dependencia de combustibles fósiles y materias primas de origen natural; es una de las industrias más contaminantes a nivel mundial. Lo anterior, ya que su producción, además de requerir materiales de origen mineral, que no son renovables, requiere cantidades de energía importantes (110 kilowatt-hora por tonelada de cemento) y, adicionalmente, genera grandes cantidades de emisiones la atmósfera(entre 500 y 1000 kilogramos de CO2 por tonelada de cemento) que representan aproximadamente el 5% de
la producción de CO2 a nivel mundial (Figueroa & Díaz, 2009).
No obstante, el cemento sigue y seguirá siendo utilizado por la industria de la construcción, a pesar de las altas cifras de contaminación. Por ello, se hace necesario investigar acerca de nuevas alternativas de bajo costo, que cumplan o superen las especificaciones actuales que tiene el cemento y con ello, disminuir o eliminar el consumo este insumo.
26
5.
METODOLOGÍA
5.1.
Caracterización del raquis de palma aceitera
En esta sección, se presentarán las metodologías y procedimientos utilizados para encontrar algunas propiedades físicas y químicas del raquis de palma aceitera. Esto, con el fin de saber a detalle si las propiedades encontradas afectarán de manera significativa la realización del diseño de mezclas y la fabricación de los especímenes de Raquis-Cemento.
5.1.1. Caracterización física de la fibra
5.1.1.1. Densidad aparente
La densidad aparente se define como la relación entre el peso y el volumen de una sustancia incluyendo los vacíos o poros que esta pueda tener (Construmática, s.f.). Aunque este concepto es más utilizado en otros ámbitos de la ingeniería, las fibras deben venir procesadas dependiendo del tipo de uso que se les vaya a dar (en forma de tejido, prensado, en pedazos pequeños etc.), por ello sus arreglos son variables y como consecuencia su densidad.
Para medir esta propiedad física, se debe tener en cuenta que esta va a ser utilizada para su posterior mezcla con cemento, por lo cual debe tener un tamaño pequeño (en un rango de 5 a 10 mm) que le dé manejabilidad suficiente para su mezclado y colocación. En la Ilustración 8 se muestra la apariencia de la fibra después de su proceso de molienda.
27 Para poder medir la densidad aparente de la fibra, es necesario tener un recipiente de dimensiones, volumen y peso conocido. Para este caso, se utilizó un recipiente cilíndrico con un diámetro de 10 centímetros y una altura de 10 centímetros. Ahora, se coloca la fibra en el recipiente de tal manera que no sea compactada durante el proceso, con el fin de que tenga el mismo arreglo y los mismos vacíos que presenta de forma natural, para así, poder registrar su peso en una balanza.
Una vez conocido el peso del recipiente más el peso de la fibra, se procede a calcular la densidad aparente de la fibra a partir de la siguiente expresión:
𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔 𝑚3) =
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒+𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑘𝑔) − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒(𝑘𝑔) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒(𝑚3)
Ecuación 1. Densidad aparente
Aunque la densidad aparente no es una propiedad intrínseca del material, ya que esta varía de acuerdo a su compactación, medir este parámetro nos da una idea de cómo las partículas están distribuidas en un espacio de manera natural.
5.1.1.2. Densidad real de la fibra
Se entiende por densidad real la relación entre el peso y el volumen de una sustancia sin incluir los vacíos o poros que esta pueda tener (Gran Enciclopedia Hispánica, 2014). A diferencia de la densidad aparente, esta propiedad es fundamental del material y, a su vez, es más difícil de medir ya que, además de tener que eliminar el volumen de los vacíos que se presentan entre las fibras, se debe eliminar el volumen correspondiente a los poros que presenta el material en su estructura interna. Para este proyecto, es necesario conocer con precisión la densidad real del material, debido a que, posteriormente, este valor nos ayudará a calcular de manera correcta el diseño de mezclas para la preparación del material Raquis-Cemento.
Ya que, para el cálculo de esta propiedad no se tenían los montajes exigidos por la norma ASTM D3800M-11 (Standard Test Method for Density of High-Modulus Fibers), para
28 medición de densidades en fibras, se recurrió a otro método no estandarizado para obtener este valor.
Dado que la fibra dentro del material Raquis-Cemento estará embebida en una matriz cementante, se quiso recrear estas condiciones para hallar el valor de la densidad. Para realizar esto, de manera aleatoria se definió una cantidad de agua y de cemento, con peso y volumen conocidos; asimismo, se escogió una formaleta para fundición de especímenes de concreto, con dimensiones, peso y volumen conocidos. Teniendo ya estos materiales, se realizó el siguiente procedimiento:
Mezclado: Aquí, se mezcló el cemento y el agua hasta obtener una mezcla consistente de mortero (pasta de cemento). Posteriormente, se añadió la fibra a la mezcla.
Colocación: Con la mezcla lista, se colocó toda esta en una formaleta para fundición de especímenes de concreto, con unas dimensiones de 10 centímetros de diámetro y 20 centímetros de altura.
Desencofrado: El espécimen de fibra y cemento se retiró de la formaleta 24 horas después de su fundición.
Curado: El espécimen no tuvo un proceso de curado especifico, únicamente, se dejó al aire durante un periodo de una semana con el fin de obtener una muestra totalmente seca. Esto, ya que el agregar agua u otra sustancia al espécimen podía afectar de manera directa su peso final.
Con el espécimen fabricado, se procede a reportar su volumen, y como se tienen todos los valores de volumen de los materiales, excepto el volumen de la fibra, se procede a calcular este a partir de la siguiente ecuación:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑚3) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛(𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3)
Ecuación 2. Cálculo volumen de fibra
Ya con el valor del volumen ocupado por la fibra, se puede calcular la densidad de esta a partir de la siguiente expresión:
29 𝜌𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (
𝑘𝑔 𝑚3) =
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔)
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3)
Ecuación 3. Cálculo densidad de la fibra
Con este dato disponible, más adelante será posible calcular de manera precisa el diseño de mezclas para la fabricación del Raquis-Cemento.
5.1.1.3. Absorción de la fibra
A pesar de no ser una propiedad fundamental de la materia, para este proyecto, es de vital importancia el cálculo de ella, puesto que las fibras, naturalmente, son materiales hidrofílicos (afines con el agua) y al combinarlas con el cemento, que también presenta esta característica, se corre el peligro de que la mezcla no tenga el suficiente contenido de agua que permita, no solo la adherencia entre las dos sustancias, sino también la manejabilidad necesaria para fundir los especímenes de Raquis-Cemento.
Para determinar esta propiedad, se recurrió al uso de la norma ASTM C209-07a (Standard Test Method for Cellulosic Fiber Insulating Board) que señala como calcular algunas propiedades físicas de materiales hechos a base de fibras vegetales, entre estas la absorción de agua.
Se sigue la misma metodología indicada en la norma, sin embargo, no se cumple con el tamaño de espécimen exigida (12 pulgadas por 12 pulgadas) ya que la fibra viene de forma suelta, por ello se pesaron 5 gramos de fibra, lo que conformará una muestra. Una vez pesada esta, se coloca en un colador y se sumerge cuidadosamente a una pulgada de profundidad en agua a una temperatura constante de 23°C durante 2 horas. Pasado este tiempo, se procede a retirar el colador del agua, se deja escurrir durante 10 minutos y, finalmente, se seca el exceso de agua superficial (ASTM - American Society of Testing Materials, 2007). Hecho esto, se pesa inmediatamente el espécimen y se reporta el valor obtenido.
30
𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (%) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎+𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟(𝑘𝑔) − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎+𝑐𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟(𝑘𝑔)
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎(𝑘𝑔) ∗ 100%
Ecuación 4. Cálculo absorción de la fibra
Con la determinación de este parámetro, se logrará realizar un mejor cálculo sobre la cantidad de agua necesaria para la elaboración de las muestras de Raquis-Cemento, lo que traerá como resultado un mejor diseño de mezclas.
5.1.2. Caracterización química de la fibra
5.1.2.1. Contenido de Lignina
La lignina es un componente presente en la pared celular de las células vegetales y su función principal es ayudar en el movimiento interno de agua, debido a que, forma una barrera contra la evaporación (Pedraza Rodríguez, 2011). Además, es la clave en la rigidez propia de cada especie de planta, que es lo que aporta capacidad estructural a la fibra para poder resistir aplicaciones de carga.
Para determinar el porcentaje de lignina presente en el raquis de palma, se hizo uso de los procedimientos consignados en las normas ASTM D1106-96 (Stantard Test Method for Acid-Insoluble Lignin in Wood) y ASTM D1107-96 (Standard Test Method for Ethanol-Toluene Solubility of Wood).
Este proceso, consiste fundamentalmente en tratar la fibra con ácidos fuertes (solución de H2SO4 al 72%) para hidrolizar los carbohidratos que esta tenga, y la parte que no
reacciona se considera como lignina (ASTM - American Society of Testing Materials, 2013). Este residuo insoluble además de contener lignina, contiene grasas, resinas y ceras; por ello, la norma ASTM D1107-96 (que hace parte del procedimiento de la norma ASTM D1106-96) utiliza una solución de Etanol-Tolueno para remover estos componentes. El procedimiento detallado de las dos normas se encuentra en la Ilustración 29 y la Ilustración 30 de la sección de Anexos (ver página 77).
31 Ya que, para cada paso es necesario reportar los valores de pesos de cada componente, la manera general de calcular el porcentaje de lignina está dada por:
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑔𝑛𝑖𝑛𝑎 (%) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑘𝑔) − 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠− 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎𝑠+𝑔𝑟𝑎𝑠𝑎𝑠+𝑐𝑒𝑟𝑎𝑠(𝑘𝑔)
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 ∗ 100%
Ecuación 5. Cálculo del contenido de lignina
5.1.2.2. Contenido de Celulosa y Hemicelulosa
La celulosa es una macromolécula natural, formada por una cadena lineal de moléculas de glucosa. Es el principal componente estructural de la pared celular de las plantas superiores y de varias especies de algas. Consta de diversos estratos, de consistencia casi siempre rígida, que como consecuencia, confieren al vegetal su soporte (Gran Enciclopedia Hispánica , 2014).
Por otro lado, la hemicelulosa es un heteropolisacárido que forma parte de la pared celular de los tejidos vegetales. Aunque tiene menos resistencia mecánica que la celulosa, estos dos componentes aparecen asociados a ésta propiedad (Gran Enciclopedia Hipánica, 2014).
Para encontrar en qué proporción se encuentra la celulosa y hemicelulosa en el raquis de palma, se hizo uso de la norma TAPPI T203-93 (Alpha-, beta- and gamma- cellulose in pulp), que pretende determinar los contenidos de alfa-, beta- y gamma- celulosa. Estos 3 componentes indican la celulosa no degradada de mayor peso molecular de la fibra, la celulosa degradada y la hemicelulosa, respectivamente (TAPPI -Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 1993).
Con el fin de realizar este ensayo de manera correcta, es necesario que previamente el raquis de palma a utilizarse se encuentre deslignificado (sin lignina). Una vez con esto, se procede a extraer la fibra con 17,5% y 9,45% de soluciones de hidróxido de sodio a 25°C. La fracción soluble de la mezcla, consiste en beta- y gamma-celulosa (esta última es determinada volumétricamente por oxidación con dicromato de potasio), y la fracción
32 insoluble es alfa-celulosa. El procedimiento detallado de esta norma se encuentra en la de la sección de Anexos (ver página 77).
5.2.
Caracterización del Raquis-Cemento
En esta sección, se presentarán las metodologías y procedimientos utilizados para encontrar algunas propiedades físicas, mecánicas y acústicas del material Raquis-Cemento. Esto, para determinar la viabilidad de la utilización de este compuesto como materia prima para partes no estructurales de edificaciones y poderlo comparar cuantitativamente con las propiedades del Hempcrete.
5.2.1. Caracterización física del compuesto
5.2.1.1. Densidad del compuesto
Se define densidad como el “cociente entre la masa de un cuerpo y su volumen” (Gran Enciclopedia Hispánica, 2014). Para la medición de esta propiedad del Raquis-Cemento, no se siguió ningún procedimiento estándar, únicamente, partiendo de la definición de densidad, se procedió a reportar el peso y el volumen de Raquis-Cemento. Ya con estos valores, se calcula la densidad como:
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠−𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑘𝑔 𝑚3) =
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠−𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑘𝑔) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑅𝑎𝑞𝑢𝑖𝑠−𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑚3)
Ecuación 6. Cálculo densidad del Raquis-Cemento
5.2.2. Caracterización mecánica del compuesto
5.2.2.1. Diseño de mezclas
El diseño de mezclas es “el proceso de selección de ingredientes y sus cantidades para producir el concreto más económico que satisfaga los requisitos de manejabilidad, resistencia y durabilidad” (Ramírez Rodríguez, Diseño de Mezclas, 2012). En la actualidad, ya existen métodos estandarizados para la realización de mezclas de concreto (ACI 211.1:
33 Método de diseño para concretos hidráulicos normales); sin embargo, debido a que el cemento en esta ocasión no se mezclará con agregados gruesos (piedra o grava) y finos (arenas sueltas), sino con una fibra vegetal, se hace necesario hacer el diseño de mezclas de manera diferente, con la finalidad obtener una mezcla adaptada a los nuevos requerimientos impuestos por el uso de raquis de palma aceitera.
Ahora, el procedimiento utilizado para la realización del diseño de mezclas del Raquis-Cemento fue el siguiente:
Definición de contenido de cemento:
Con el propósito de definir la cantidad de cemento necesaria en la mezcla, se hicieron pruebas previas de adherencia para encontrar la mínima cantidad de cemento que hiciera que este y el raquis de palma tuvieran una unión correcta. Además, se hicieron revisiones literarias acerca de materiales con características parecidas, como el Hempcrete, para conocer datos típicos acerca de cantidad de cemento utilizada para su fabricación.
Los valores típicos encontrados para el Hempcrete oscilan entre el 20% y 30% de cemento (porcentaje sobre el volumen total del espécimen) (Arnaud & Gourlay, 2011), pero al utilizar estas cantidades de cemento en conjunto con el raquis de palma, no hubo adherencia entre los dos compuestos.
Posterior a esto, se intentó incrementar el porcentaje de cemento a fin de corroborar que hubiera unión entre este y el raquis de palma, y también, revisar la viabilidad del proyecto, ya que una cantidad elevada de cemento incrementaría de forma significativa los costos. Finalmente, se obtuvo que la cantidad de cemento necesaria para que este se uniera con el raquis de palma fue del 35%.
Este valor, junto con 45%, son los porcentajes de cemento que se utilizarán en este proyecto para la realización de los diseños de mezclas.
34 La relación agua-cemento se define como la relación entre el peso del agua y el peso del cemento utilizada en una mezcla (Guevara Fallas, y otros, 2011). En esta relación, el agua tiene una gran importancia, ya que, ella y su relación con el cemento, están altamente ligados a una gran cantidad de propiedades del material final que se obtendrá, en donde, usualmente, conforme más agua se adicione, aumenta la fluidez de la mezcla y, por lo tanto, su manejabilidad, lo cual presenta grandes beneficios para la fabricación del compuesto. No obstante, también comienza a disminuir la resistencia, debido a un mayor volumen de espacios creados por el agua. Así, se puede afirmar que la resistencia del cemento, y para el caso de este proyecto, el Raquis-Cemento, depende altamente de la relación por peso entre el agua y el cemento (Guevara Fallas, y otros, 2011).
En la Tabla 4 se muestra la dependencia entre la relación agua-cemento y la resistencia del cemento:
Tabla 4. Influencia de la relación agua/cemento en la resistencia del cemento (Guevara Fallas, y otros, 2011)
Dado que el cemento no será mezclado con agregados (lo que le permitiría obtener una resistencia mayor) sino con fibras vegetales, se quiere que este alcance la mayor resistencia posible, por lo que para este proyecto, la relación agua-cemento que se utilizará para los diseños de mezclas será de 0,3.
Calculo de cantidades:
Para realizar el diseño de mezclas y obtener las cantidades de cemento, agua y raquis de palma a utilizar, debemos tener como valores iniciales: las densidades de los tres
A/C f'c (MPa)
0,36 0,0041
0,40 0,0036
0,45 0,0033
0,50 0,0029
0,55 0,0027
0,60 0,0022
0,65 0,0021
0,70 0,0018
0,75 0,0016
35 compuestos, la absorción de agua de la fibra, el porcentaje de cemento, la relación agua cemento, y el tamaño de la formaleta donde se fundirán los especímenes.
Para calcular la cantidad de cemento a utilizar, tanto en volumen, como en peso se utilizan las siguientes expresiones:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3) = % 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛) ∗ 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎
Ecuación 7. Cálculo volumen de cemento
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑘𝑔) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3) ∗ 𝜌𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(
𝑘𝑔 𝑚3)
Ecuación 8. Calculo peso de cemento
Teniendo ya el valor de cemento, es posible calcular la cantidad de agua necesaria a partir de la Ecuación 9 y la Ecuación 10.
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑘𝑔) = 𝐴/𝐶 ∗ 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑘𝑔)
Ecuación 9. Cálculo peso de agua
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑚3) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑘𝑔)
𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑚𝑘𝑔3)
Ecuación 10. Cálculo peso agua
Ahora, se cuantificará la fibra necesaria para la realización de la mezcla:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛
𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎(𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝑚3) − 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎(𝑚3)
Ecuación 11. Cálculo volumen fibra
𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3) ∗ 𝜌 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎
Ecuación 12. Cálculo peso fibra
Por último, al ser la fibra hidrofílica, tiene la capacidad de absorber cierta cantidad de agua. Este requerimiento adicional de agua se calcula de la siguiente manera:
36 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑘𝑔) = % 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 (𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑠𝑜) ∗ 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎
Ecuación 13. Cálculo peso agua fibra
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚3) =𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑘𝑔)
𝜌𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎(𝑚𝑘𝑔3)
Ecuación 14. Cálculo volumen agua fibra
Realizados estos cálculos, es posible obtener el diseño de mezclas y, así mismo, determinar de manera precisa las cantidades necesarias para preparar el Raquis-Cemento.
5.2.2.2. Fundición y curado de especímenes de Raquis-Cemento
Una vez fabricada la mezcla, se procedió a fundir los especímenes de Raquis-Cemento. Estos fueron fabricados con base a la norma NTC-550 que explica el procedimiento para la elaboración y curado de especímenes cilíndricos de concreto.
Las formaletas utilizadas en este procedimiento son moldes cilíndricos de 10 centímetros de diámetro y 20 centímetros de alto como los mostrados en la Ilustración 9.
Ilustración 9. Moldes cilíndricos para fabricación de especímenes de Raquis-Cemento (Pinzuar L.T.D.A., s.f.)
Antes de vaciar el Raquis-Cemento en ellos, es necesario que estos estén totalmente engrasados para que en el proceso de desencofrado no se tengan inconvenientes y que los cilindros queden fabricados de manera correcta. Ya que, durante la fundición no se
37 reportarán valores de asentamiento y contenido de aire de la mezcla, no es necesario contar con aparatos como el cono de Abrams, ni tampoco con medidores de contenido de aire.
Para fabricar el compuesto, primero se mezcla el raquis de palma con su respectiva agua de absorción y se deja saturando por un periodo de 20 minutos. Paralelamente, se mezcla el cemento con agua (determinada con base a la relación agua-cemento) hasta formar el mortero. Una vez pasado los 20 minutos, se combina la pasta de cemento y el raquis de palma hasta tener una mezcla homogénea.
Con todo el montaje listo, se selecciona una herramienta de la forma y tamaño suficiente para vaciar el contenido dentro de los cilindros y se coloca la mezcla en el molde, garantizando la completa distribución del Raquis-Cemento en el cilindro. El especimen debe ser fundido en tres capas y entre cada una de ellas, con una varilla compactadora, propiciar 25 golpes con el fin de compactar la muestra (NTC - Norma Técnica Colombiana, 2000). Adicionalmente, para la fabricación del Raquis-Cemento, entre cada capa se deben propiciar 10 golpes con un pistón, con el fin de eliminar el exceso de agua proveniente de la fibra. Al colocar la capa final, se debe agregar la cantidad de Raquis-Cemento necesaria para llenar todo el molde. Fundido el especimen, se debe esperar un periodo de 24 horas para poder desencofrar los cilindros.
Ilustración 10. Fundición de especímenes de Raquis-Cemento
Debido a que, en la preparación del Raquis-Cemento se agregó una cantidad adicional de agua para que las fibras no absorbieran el agua que el cemento requiere para activarse, los especímenes, una vez desencofrados, no pasarán por ningún proceso de curado. Estos, simplemente se dejaron secar al aire durante 28 y 42 días, con el fin de que el agua presente
38 en las fibras saliera de ellas y no afectara su capacidad estructural a la hora de realizar los ensayos de tensión y compresión.
5.2.2.3. Ensayo a compresión
El ensayo a compresión es un método que consiste en aplicar carga axial a un espécimen hasta llevarlo a la falla, con el fin de caracterizar su comportamiento y obtener su máxima resistencia a compresión. Para la realización de este ensayo, se hizo uso del procedimiento descrito en la norma ASTM C39/C39M-14 (Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens).
Inicialmente, es necesario tener fabricados los cilindros de Raquis-Cemento con el tiempo de secado estipulado en la sección 5.2.2.2. de este documento (ver página 36). Adicional a esto, es necesario tener a disponibilidad una máquina que permita aplicar carga a los especímenes; para este caso se tenía una maquina universal Forney. Esta, además de tener una capacidad de 180 toneladas en ensayos estáticos, posee un sistema de adquisición de datos para tomar lecturas en tiempo real del ensayo, con el fin de obtener la información del comportamiento de la muestra a lo largo del ensayo (Laboratorio Integrado de Ingeniería Civil y Ambiental - Universidad de los Andes, s.f.).
39
Ilustración 11. Máquina Universal Forney
Con todo el montaje listo, solo queda verificar que la máquina esté funcionando de manera correcta, que sus sensores se encuentren en cero y colocar el espécimen de Raquis-Cemento en la máquina para que esta pueda aplicarle carga (ASTM - American Society of Testing Materials, 2014). Ya que, los datos que se van a obtener de la maquina están en unidades de fuerza (newton) y desplazamiento (m), y estos, no son una propiedad fundamental que nos permita analizar sus datos y compararlos con otros materiales, es necesario convertirlos a valores de esfuerzo (Pa) y deformación unitaria (adimensional), a partir de las siguientes expresiones:
𝜎 (𝑃𝑎) = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛)
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 (𝑚2)
Ecuación 15. Ecuación esfuerzo
𝜀 = ∆ 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛 (𝑚)
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛 (𝑚)
Ecuación 16. Ecuación deformación unitaria
Con los valores en unidades estándar, es posible construir la gráfica esfuerzo vs. deformación de material, para así, poder caracterizar su comportamiento de manera
40 detallada. A continuación, se muestra una curva típica de esfuerzo vs. Deformación unitaria del vidrio.
Ilustración 12. Curva esfuerzo vs. Deformación unitaria del vidrio (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)
Ya con esta curva, es posible calcular no solo la resistencia ultima de un material, sino también valores como el módulo de elasticidad, el límite de fluencia y su ductilidad. En seguida, se muestran las definiciones de cada término, así como su manera de calcularlas.
Resistencia última
Es el máximo esfuerzo alcanzado por el material durante el ensayo de compresión, sus unidades se encuentran en Pa (N/m2)
Módulo de elasticidad
Es equivalente a la constante de proporcionalidad de la Ley de Hooke. Gráficamente, es la pendiente de la porción inicial lineal de la curva esfuerzo-deformación obtenida a partir de un ensayo compresión (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012).
41
Ilustración 13. Módulo de elasticidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)
La ecuación que permite calcular este valor es:
𝐸(𝑃𝑎) =𝜎 (𝑃𝑎)
𝜀
Ecuación 17. Cálculo módulo de elasticidad.
Límite de fluencia
“Esfuerzo correspondiente al punto de intersección de una línea paralela a la porción inicial lineal de la curva y la curva esfuerzo-deformación” (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012). Esta línea paralela pasa por el punto donde a una deformación unitaria del 0.2%.
42
DuctilIdad
Deformación unitaria que presenta el material cuando falla (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)
Ilustración 15. Ductilidad (Ramírez Rodríguez, Curvas Esfuerzo-Deformación, 2012)
Teniendo estos valores para el Raquis-Cemento, no solo es posible caracterizar el comportamiento mecánico de este, también es posible comparar sus características con las de otros materiales de la misma índole, como el Hempcrete.
5.2.2.4. Ensayo a tensión
El ensayo de tensión es un método que consiste en determinar la resistencia a la tracción de probetas cilíndricas de concreto. Para obtener este valor, se hizo uso del procedimiento descrito en la norma ASTM C496/C496M-11 (Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens).
Este método, se caracteriza porque el especimen no recibe una carga de tensión directamente, sino que aplica una fuerza diametral de compresión a lo largo del cilindro, que induce fuerzas de tensión en el plano que contiene la carga aplicada. En vez de una falla a compresión, se genera una falla a tensión porque las áreas donde se está aplicando la
43 carga están en un estado triaxial de compresión, lo que les permite resistir mucho más los esfuerzos de compresión, que los producidos por un ensayo de compresión uniaxial (ASTM - Amercican Society of Testing Materials, 2011). En seguida, se muestra el montaje experimental para la realización de ensayo.
Ilustración 16. Montaje ensayo tracción indirecta
Este, está compuesto de dos barras metálicas que se utilizan para distribuir la carga aplicada a lo largo de la longitud del cilindro. Para este ensayo, se necesita una máquina de aplicación de carga, que al igual que en el ensayo a compresión, será la maquina universal Forney (ver Ilustración 11).
Una vez puesto el montaje en la máquina junto con el cilindro de Raquis-Cemento, solo queda verificar que esta esté funcionando de manera correcta y que sus sensores se encuentren en cero (ASTM - American Society of Testing Materials, 2014). A diferencia del ensayo de compresión, en este ensayo no es de interés obtener todos los datos registrados para construir la gráfica de esfuerzo vs. deformación unitaria, debido a la manera en que se logró que el espécimen sintiera un esfuerzo de tensión.
44 Ahora, una vez registrado el valor máximo de carga a tensión que experimentó el espécimen de Raquis-Cemento durante el ensayo, se calcula el valor del esfuerzo máximo a tensión como:
𝜎𝑚𝑎𝑥 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛(𝑃𝑎) = 2 ∗ 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 (𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛𝑠)
𝜋 ∗ 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 (𝑚) ∗ 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 (𝑚)
Ecuación 18. Cálculo máximo esfuerzo a tensión
5.2.3. Caracterización acústica del compuesto
La caracterización acústica busca medir el aislamiento que puede brindar un material como materia prima de particiones o sistemas constructivos (paredes, muros divisorios, pisos y/o techos) a diferentes frecuencias sonoras (Cote, 2014). De acuerdo a la norma DIN 4109, el aislamiento acústico es “el aislamiento contra el aire, el impacto del sonido por áreas ocupadas por usuarios, ruidos de sistemas de una construcción (por ejemplo tuberías de agua), operaciones comerciales y ruido del exterior” (Giebeler, y otros, 2009). Entonces, dada su importancia, surge la necesidad de darle un sentido cuantitativo a este parámetro y de la misma manera la forma de medirlo o comprarlo.
Para medir esta propiedad, se hará uso del coeficiente “Transmission Loss”. El anterior parámetro se define como el descenso acumulado de la intensidad acústica que experimenta una onda al pasar a través de un material para llevar el sonido de un medio a otro y sus unidades se encuentran en decibeles (Cote, 2014). Adicionalmente, la ecuación que describe este comportamiento es la siguiente:
𝑇𝐿 = log (𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 1 (𝑒𝑚𝑖𝑠𝑜𝑟) )
𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 2 (𝑟𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟))
Ecuación 19. Ecuación "Transmission Loss"
En la Ilustración 17 se muestra el montaje experimental utilizado para medir esta propiedad en el Raquis-Cemento:
45
Ilustración 17. Montaje para medición de TL del Raquis-Cemento (Cote, 2014)
Los elementos que lo componen son los siguientes:
Generador/ Reproductor de audio: este, es un computador equipado con un software de licencia gratuita, llamado Audicity, encargado de generar los tonos puros que harán parte de las bandas de octava que se utilizarán en la prueba (Cote, 2014).
Amplificador de señal: es un equipo que permitirá que la señal del computador sea reproducida, posteriormente, en el altavoz (Cote, 2014).
Nivel de presión sonora en emisor: en este punto, se mide la intensidad del sonido generada por el emisor (altavoz), a través de un decibelímetro que se encarga de medir a nivel global la intensidad en decibeles que se está sintiendo en ese lugar (Cote, 2014).
Altavoz: este, junto a su caja de resonancia, permite reproducir los diferentes tonos puros (frecuencias independientes), este recibe el nombre de emisor (Cote, 2014). Material o sistema constructivo bajo prueba: allí, va situada la muestra de Raquis-Cemento, que será probada durante el experimento. Este, es el medio de propagación (junto al aire) que debe recorrer la onda sonora para poder llegar al receptor (Cote, 2014).
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Nivel de presión sonora en receptor: este, es el punto de recepción de la señal acústica y al igual que en el nivel de presión acústica del emisor se mide el nivel de presión sonora a través de un decibelímetro (Cote, 2014).
Con este montaje, se quiere comparar la perdida por transmisión acústica (Transmission Loss), no solo de Raquis-Cemento, sino de materiales comúnmente usados para cielorrasos y muros divisorios no estructurales, como el Drywall, determinando los valores de aislamiento acústico por bandas de octava.
Una banda de octava, es un conjunto de dos frecuencias donde la más alta siempre equivale al doble de la más baja y la diferencia que hay entre estas dos, siempre, es de una octava (White, 2009). Se utiliza, frecuentemente, para realizar análisis de ruido acústico, donde se pretende conocer el índice de molestias de un observador humano y, para este caso, se usará para caracterizar el comportamiento del material en cada una de las frecuencias de prueba.
Las bandas de octava a utilizar para la caracterización del material Raquis-Cemento se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5. Bandas de octava para la caracterización acústica del Raquis-Cemento
Para calcular el coeficiente “Transmission Loss”, es necesario obtener la respuesta de intensidad en el emisor y el receptor para cada una de las frecuencias que están presentes en las bandas de octava. A pesar de que, su comportamiento se ve explicado a
Frecuencia (Hz) Tipo de Frecuencia 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Baja Media Alta
47 partir de la Ecuación 19 , dadas las condiciones del montaje experimental, la perdida por transmisión acústica se puede calcular de la siguiente manera:
𝑇𝐿 = 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑜𝑟 − 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝑅𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟
Ecuación 20. Ecuacion "Transmission Loss" experimental
El anterior cálculo, se debe realizar para cada una de las frecuencias a las cuales se expuso el material. Esto, ya que la gráfica de bandas de octava (Hz) vs. La perdida por transmisión acústica (dB) permite obtener el espectro de ruido para el material.
Pese a que el “Transmission Loss” nos muestra el comportamiento detallado del material, es necesario comparar su desempeño con otros materiales que sean utilizados con frecuencia como materia prima para elementos no estructurales de edificaciones. Para ello, existe un número que califica la efectividad de un material, o un conjunto de ellos, para retardar la transmisión de sonido, llamado “Sound Transmission Class” o STC por sus siglas en inglés, y puede ser calculado como el valor de la perdida por transmisión acústica (Transmission Loss) de un material para una frecuencia de 500 Hz. Esta frecuencia, es escogida, debido a que, el oído humano es capaz de percibir en mayor magnitud las frecuencias bajas (Acoustical Surfaces, 2014). En la Tabla 6, se muestra la clasificación del material de acuerdo a su STC y, de manera cualitativa, la cantidad de sonido que puede ser percibida por parte del receptor.
Tabla 6. Clasificación del material de acuerdo a su STC
STC Clasificación
25 Una conversación a volumen normal puede ser entendida con claridad a través del material.
30 Una conversación a volumen alto puede ser entendida bastante bien a través del material.
35 Una conversación a volumen alto puede ser escuchada pero no entendida a través del material.
42 Una conversación a volumen alto puede ser escuchada como un murmullo a través del material.
50 Una conversación a volumen alto no puede ser escuchada a través del material.
