ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DEL
ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ................................................. .......................................................................... ............................................... ...................... 6 2. EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ................................................... ................................................................ ............. 7 2.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA ................................................... ............................................................ ......... 7 2.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................. ........................................................... ......... 9 2.3. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ...................................... .............................................................. ........................ 10 2.4. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA ............................................................. ............................................................. 11 2.5. OBJETIVOS ............................. ....................................................... ................................................... ......................................... ................ 12 2.6. HIPÓTESIS.................................................... ............................................................................. ............................................. .................... 13 2.7. JUSTIFICACIÓN................................................ ......................................................................... ......................................... ................ 14 3. MARCO TEÓRICO................................................... ............................................................................ ......................................... ................ 15 3.1. GLOSARIO DE TÉRMINOS ........................................... ..................................................................... ............................ .. 15 3.2. ANTECEDENTES A NTECEDENTES DE LAS FIBRAS .................................................... ........................................................... ....... 18
4.2.1. Clasificación ........................................................ .................................................................................. ................................. ....... 31 4.2.2. Composición del cemento .................................... ............................................................. ................................ ....... 33 4.3. Agregados ................................................ .......................................................................... .................................................. ........................ 35 4.3.1. Agregado Fino................................................. ........................................................................... ..................................... ........... 35 4.3.2. Agregado Grueso .................................... ............................................................. ............................................. .................... 35 4.3.3. Fragmentos de Roca ................................................ ......................................................................... ............................ ... 36 4.3.4. Agregado Ligero .................................................. ............................................................................ ................................. ....... 36 4.4. Agua ................................................. ........................................................................... ................................................... ................................ ....... 36 5. PRUEBAS ................................................................ ......................................................................................... ......................................... ................ 37 5.1. DISEÑO DE MEZCLAS POR EL MÉTODO DE VOLÚMENES ABSOLUTOS ............................................... ......................................................................... .................................................... .................................................. ........................ 37 5.2. MÉTODO DE CURADO DEL CONCRETO ................................................ ................................................ 41 5.3. ENSAYE DE PROBETAS DE CONCRETO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN................................................. ................................................................. ................ 42 5.3.1. PREPARACION DE LOS ESPECÍMENES ....................................... .......................................... ... 44 PROCEDIMIENTO DE
6.5. MÉTODO DE CURADO DEL CONCRETO ................................................ ................................................ 57 6.6. ENSAYE PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN.. 58 6.6.1. CÁLCULOS ........................................ .................................................................. .................................................. ........................ 63 7. RESULTADOS ..................................................... .............................................................................. ............................................. .................... 68 8. CONCLUSIÓN ................................................ .......................................................................... .................................................. ........................ 72 9. BIBLIOGRAFÍA .................................................... ............................................................................. ............................................. .................... 73 10. ANEXOS ................................................... ............................................................................. ................................................... ............................ ... 74
1. INTRODUCCIÓN
Las fibras naturales se han usado como una forma de refuerzo desde mucho tiempo antes de la llegada de la armadura convencional de concreto. Los ladrillos de barro reforzados con paja y morteros reforzados con crin de caballo son unos pocos ejemplos de cómo las fibras naturales se usaron como una forma de refuerzo. Muchos materiales de refuerzo natural se pueden obtener con bajos niveles de costos y energía. La metodología empleada en este trabajo es de tipo correlacional-experimental, ya que se hará una comparación del concreto simple y el concreto reforzado con fibra natural ”estopa de coco”, para conocer cuál de los dos casos resiste más a cargas,
empleando la prueba de resistencia a la compresión que rige la norma oficial NMX-C-083-2002, complementada con otras pruebas como el diseño de mezclas, la preparación de la fibra, la preparación del concreto y el método de curado el cual debe estar sometido el concreto antes de realizar la prueba de resistencia a la compresión. Para la preparación de la fibra, se usó una forma manual para poder extraer los
2. EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
2.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA
Investigaciones con fibras vegetales dentro de matrices cementicias han sido realizadas en Colombia por el Grupo de Investigación sobre el Fique, del Departamento de Materiales de Ingeniería de la Universidad del Valle, durante varios años y con el financiamiento de Colciencias y el Fondo de Fomento Agropecuario del Ministerio de Agricultura, grupo que ha desarrollado procesos para su aplicación como material de fibro – refuerzo en la fabricación de tejas. De igual manera, investigadores a nivel mundial han enfatizado el uso de fibras naturales como material de refuerzo en estructuras compuestas, cuyos resultados han sido presentados en diversos congresos y simposios internacionales. (Salcedo, 2006).
Un estudio denominado “Diseño y Obtención de Concretos Fibroreforzados” a
elástica y de mayor soporte al fracturamiento total. (Universidad Nacional de Cajamarca, 2015)
Las fibras naturales están disponibles en razonablemente grandes cantidades en muchos países y representan una fuente renovable continua. A finales de los años sesenta, se llevó a cabo una evaluación sistemática de las propiedades de ingeniería de las fibras naturales, y de los compuestos hechos de estas fibras con el cemento. Aunque los resultados fueron alentadores ya que se encontró que mejoraban la resistencia a flexión y al impacto del concreto, también se reportaron algunas deficiencias respecto a su capacidad de refuerzo a largo tiempo. Estas deficiencias al parecer son resultado del deterioro que sufre la fibra debido a la reacción con la pasta alcalina de cemento y al aumento del volumen de las fibras en presencia de la humedad. (Alvarado, 2002). A final de los años 60, se hicieron investigaciones sobre las propiedades de ingeniería de las fibras naturales y de los concretos producidos con ellas. El resultado fue que se pueden usar estas fibras con éxito para la producción de planchas finas para muros y techos. Se produjeron elementos compuestos de
2.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La resistencia a la compresión de las mezclas de concreto se puede diseñar de tal manera que tengan una amplia variedad de propiedades mecánicas y de durabilidad, que cumplan con los requerimientos de diseño de la estructura. Al igual que la mayoría de los materiales pétreos, el concreto tiene una alta resistencia a la compresión y una muy baja resistencia a la tensión. Las fibras se adicionan al concreto normalmente en bajos volúmenes (frecuentemente menos del 1%) y han mostrado eficiencia en el control de la fisuración por contracción (retracción). En general, las fibras no alteran considerablemente la contracción libre del concreto, pero, si son empleadas en cantidades adecuadas, pueden aumentar la resistencia al agrietamiento (fisuración) y disminuir la abertura de las fisuras. Muchos materiales de refuerzo natural se pueden obtener con bajos niveles de costos y energía, usando la mano de obra y su disponibilidad en la región. Uno de los materiales de refuerzo que puede ser empleado en el concreto es la
2.3. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA De acuerdo con la amplia variedad de fibras naturales que pueden ser empleadas como materiales de refuerzo en el concreto, en este trabajo se pretende realizar un análisis comparativo del concreto hidráulico y el concreto reforzado con fibra natural (estopa de coco), para determinar si al añadir fibra natural el concreto alcanzará mayor resistencia a la compresión, esto se comprobará mediante la prueba de resistencia a la compresión del concreto conforme a la norma Mexicana NMX-C-083-ONNCE-2002, la cual consiste en aplicar cargas a los especímenes cilíndricos de concreto.
2.4. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA En esta investigación solo se experimentará el comportamiento del concreto reforzado con fibra natural y el concreto hidráulico simple (sin refuerzo) para ello se utilizará la fibra extraída d el coco llamada “estopa de coco” , la prueba para obtener la resistencia a la compresión de los dos casos se realizarán en el Laboratorio del área de Ingeniería Civil del Instituto Tecnológico superior de la Montaña.
2.5. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Comprobar y comparar si con adicionar fibra natural (estopa de coco) al concreto, éste puede alcanzar una mayor resistencia a la compresión que un concreto hidráulico simple.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar especímenes de concreto hidráulico y concreto reforzado con fibra natural (estopa de coco).
Comparar mediante la prueba de resistencia a la compresión, si el concreto reforzado con fibra natural (estopa de coco) alcanza mayor resistencia.
Estimar la relación costo-beneficio del concreto reforzado con fibra natural
2.6. HIPÓTESIS
El concreto reforzado con fibra natural (estopa de coco), alcanzará mayor resistencia a la compresión que el concreto hidráulico, y éste puede emplearse como un tipo de material estructural.
2.7. JUSTIFICACIÓN
En 2010, el Estado de Guerrero ocupó el noveno lugar nacional como productor de coco (fruta) con una superficie de 3,01.00 hectáreas sembradas que permitieron la producción y la comercialización de 1,301.99 toneladas. Las fibras provenientes del coco (estopa de coco) pueden ser aprovechadas, ya que se encuentra disponible, su valor es limitado y su uso está sustentado por la tendencia actual al reemplazo de las fibras artificiales (hechas por el hombre) por las naturales, debido a las ventajas que en conjunto presentan las fibras naturales; así como también para el desarrollo de nuevos materiales para la construcción, ya que es fundamental crear una conciencia ecológica, ir construyendo día a día una educación en los seres humanos a utilizar materiales alternativos y así evitar destruir nuestros ecosistemas. Las fibras naturales poseen una alta resistencia a la compresión, y desde hace tiempo ya han sido empleadas en la construcción de elementos estructurales como lo hemos visto en algunos lugares donde existen casas de adobe, en donde
3. MARCO TEÓRICO
3.1. GLOSARIO DE TÉRMINOS Agregado. Material mineral granular, tal como la arena natural, la arena manufacturada, la grava, la piedra triturada, la escoria granulada de alto horno enfriada al aire, la vermiculita y la perlita.
Agregado fino. Agregado que pasa por el tamiz 9.5 mm (3⁄8 pulg.), pasa casi totalmente por el tamiz de 4.75 mm (No.4) y se retiene predominantemente en el tamiz de 75 mm (no. 200).
Agregado grueso. Grava natural, piedra triturada o escoria de alto horno de hierro, frecuentemente mayor que 5 mm (0.2 pulg.) y cuyo tamaño normalmente varía entre 9.5 mm y 37.5 mm ( 3 ⁄ 8 y 11 ⁄ 2 pulg.).
Agregado ligero (liviano). Agregado de baja densidad usado para producir concreto ligero. Puede ser arcilla expandida o sinterizada, pizarra, esquisto, perlita, vermiculita o escoria, piedra pómez (pumita) natural, cagafierro, tufa,
Clínker (clínquer). Producto final del horno de cemento portland, material cementante bruto antes de la molienda.
Compresión: proceso físico o mecánico que consiste en someter a un cuerpo a la acción de dos fuerzas opuestas para que disminuya su volumen
Concreto simple. Concreto sin ningún refuerzo. Concreto endurecido. Concreto en el estado sólido que haya desarrollado una cierta resistencia.
Concreto fresco. Concreto recién mezclado y aún plástico y trabajable. Concreto reforzado con fibras. Concreto que contiene fibras orientadas aleatoriamente en 2 o 3 dimensiones por toda la matriz del concreto.
Curado. Proceso, a través del cual se mantienen el concreto, mortero, grout o revoque frescos, en la condición húmeda y a una temperatura favorable, por el periodo de tiempo de sus primeras etapas, a fin de que se desarrollen las propiedades deseadas del material. El curado garantiza la hidratación y el endurecimiento satisfactorios de los
NOM (Norma Oficial Mexicana): es una serie de normas cuyo objetivo es regular y asegurar valores, cantidades y características mínimas o máximas en el diseño, producción
o
servicio
de
los bienes
de
consumo entre personas
morales y/o personas físicas.
ONNCCE (Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción y Edificación): es una Sociedad Civil, reconocida a nivel nacional, dedicada al desarrollo de actividades de normalización, certificación y verificación.
Resistencia: capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo.
Resistencia a compresión. Resistencia máxima que una probeta de concreto, mortero o grout puede resistir cuando es cargada axialmente en compresión en una máquina de ensayo a una velocidad especificada. Normalmente se expresa en fuerza por unidad de área de sección transversal, tal como megapascal (MPa) o libras por pulgada cuadrada (lb/pulg. 2 o psi).
3.2. ANTECEDENTES DE LAS FIBRAS En muchas civilizaciones de la antigüedad, las fibras se usaron para reforzar materiales. Por ejemplo, la paja se usaba como refuerzo en los adobes de arcilla para controlar la tensión por el secado y reducir el agrietamiento. En la actualidad, los materiales compuestos a base de matrices de cerámicos, plásticos y cemento incorporan fibras para mejorar sus propiedades físicas y mecánicas, tales como la resistencia a la tensión, a la compresión, al agrietamiento, al impacto, a la abrasión y la tenacidad, Existen en la industria varios tipos de fibras que se comercializan mundialmente, los tipos básicos son las de acero, vidrio y las derivadas de hidrocarburos (plásticas). Otro grupo de fibras estudiadas para su posible aplicación, son las fibras naturales de origen vegetal. Su principal ventaja es la amplia disponibilidad sobre todo en los países pobres y en desarrollo. Este grupo de fibras naturales vegetales tiene un bajo costo de producción en comparación con los otros tipos de fibras. La manufactura de fibras de acero,
Fibras
Naturales
Vegetal Animal
Minerales
Hechas por el hombre
Asbesto
Acero Vidrio Plásticas
Fig. 4. Clasificación de las fibras según su origen
3.3.1. Fibras naturales vegetales
Históricamente, las fibras naturales vegetales o simplemente fibras naturales eran
usados en los países pobres y en desarrollo, a tales fibras se les conoce como fibras naturales procesadas.
3.3.2. Origen de las fibras naturales
Las fibras naturales pueden provenir principalmente del tallo y de las hojas de las plantas, también puede obtenerse fibras de la cáscara superficial de algunas frutas. Sin embargo, sólo algunas de estas fibras tienen un verdadero potencial para ser consideradas como refuerzo en el concreto.
1) Provenientes del tallo •
•
•
•
Yute (Corchorus capsularás) Lino (Linum usitaatissimum ) Bambú (Bambusa vulgaris) Caña De Azúcar (Saccharum offeinarum)
3) Provenientes de la cáscara
La principal fibra utilizada como refuerzo y que proviene de la superficie exterior de una fruta es la fibra del coco. La fruta está cubierta por una capa superficial, la cual tiene un gran contenido de fibras. La cáscara del coco consiste de una capa dura que contiene a las fibras, éstas son normalmente de 0.15 a 0.35 m de longitud y están compuestas principalmente de lignina, taninos, celulosa, pectina además de otras sustancias solubles en agua. Las fibras son usualmente extraídas disolviendo los taninos y pectinas en el agua, del mismo modo la mayoría de las otras sustancias se descomponen. Las fibras pueden ser también extraídas por medios mecánicos.
Las virutas de madera son saturadas en agua con sulfato de sodio y desfibradas mecánicamente. Las fibras de celulosa son fuertes y durables, Además de la fibra, la madera se puede utilizar como virutas o como pequeñas partículas, las cuales quedan embebidas en matrices de resinas plásticas o en mezclas de concreto muy secas compactadas con presión.
Tabla 1. Propiedades de los tipos de fibras
3.4. Concreto hidráulico El concreto hidráulico es una combinación de cemento Portland, agregados pétreos, agua y en ocasiones aditivos, para formar una mezcla moldeable que al fraguar forma un elemento rígido y resistente.
3.4.1. Clasificación del concreto por su función 3.4.1.1. Concreto hidráulico clase 1
Es el concreto cuya masa volumétrica, en estado fresco, está comprendida entre dos mil doscientos (2.200) y dos mil cuatrocientos (2 400) kilogramos por metro cúbico. Al alcanzar su fraguado final, tendrá una resistencia a la compresión ( f’ c) igual a veinticuatro coma cinco (24,5) megapascales (250 kg/cm²) o mayor.
3.4.2. Clasificación de acuerdo con su forma de elaboración
3.4.2.1. Concreto hidráulico hecho en obra
Se fabrica en la obra mediante un equipo mecánico ligero denominado revolvedora, dosificando generalmente sus componentes en volumen, o bien con equipos mayores como plantas dosificadoras, donde el proporcionamiento se hace por masa.
3.4.2.2. Concreto premezclado
Se dosifica o premezcla en una planta, por lo general no ubicada dentro de la obra, y posteriormente se le transporta en camiones mezcladores o de volteo al sitio requerido. La dosificación siempre se hace en masa. Si la planta sólo dosifica, ésta introduce los materiales a un equipo revolvedor mecánico automotor, con capacidad promedio de seis (6) metros cúbicos, el cual, durante el trayecto de la
4. MATERIAS PRIMAS
4.1. La Palma de Coco Cocos nucifera L.,
conocida comúnmente como coco, palma de coco, es tal vez uno
de los árboles de los Trópicos mejor reconocidos y uno de los más importantes en México hablando en términos de nuestra cultura y costumbres, de igual manera dentro del ámbito económico.
Familia: Palmacea
Subfamilia: Cocowsideae
Género: Cocos
Especie: nucífera.
Apreciado por sus múltiples usos, el cocotero ha recibido numerosos nombres entre los que se encuentran: “árbol de la vida”, “árbol del cielo”, “árbol de los cien usos”, “el árbol de la abundancia”, etc.
En México, los estados productores de coco son Campeche, Colima, Guerrero, Jalisco, Michoacán, Oaxaca, Tabasco, Nayarit, Sinaloa, Quintana Roo y Yucatán. El cocotero, una palma alta y erecta, usualmente de 10 a 20 m de altura, posee un tronco delgado, ya sea curvo o recto, a menudo ensanchado e inclinado en la base, con una corteza parda o gris ligeramente rajada.
4.1.1. Historia
El fruto es una drupa, formado por una epidermis lisa, un mesocarpio fibroso (también conocido como estopa) del cual se extrae fibra. Más al interior se encuentra el endocarpio pétreo que es una capa fina y dura de color marrón llamada hueso o concha, envuelto por él se encuentra el albúmen sólido o copra que forma una cavidad grande donde se aloja el albúmen líquido, también conocido como agua de coco. El embrión se encuentra próximo a dos orificios del endocarpio, envuelto por el albúmen sólido. Según la variedad, el color, la forma y el grosos del fruto cambian cuando el fruto está maduro, su color puede ser amarillo, verde, castaño. La forma pude ser redonda. Ovoide-globoso u ovoide triangular. El diámetro varía de 10 a 40 cm., el endocarpio tiene tres ojos basales. El peso del fruto pude variar de 0.50 a 1.50 kg. Composición del fruto:
Mesocarpio 35% (incluyendo pericarpio)
Endocarpio 12%
Endospermo 28% Agua 25%
4.1.2.1. Características
Forma: redondeada, presenta una cáscara externa, correosa o fibrosa, de 4 ó 5 centímetros de espesor, con pelos fuertemente adheridos a la nuez. Le sigue una capa intermedia y fina y otra más dura que dispone de tres orificios próximos entre sí, con una disposición triangular y situados en el ápice. Uno de dichos orificios es vulnerable a la presión, lugar por donde puede derramarse el agua de coco antes de romper la cáscara y es donde se encuentra la semilla. La pulpa contiene en su cavidad central el agua de coco, un líquido azucarado que se encuentra en una cantidad aproximada de 300 mililitros, encerrada en el interior.
Tamaño y peso: es una drupa cubierta de fibras de 20-30 centímetros y puede llegar a pesar hasta 2,5 kilogramos.
Color: la cáscara externa es amarilla o anaranjada y la pulpa es la parte comestible y de color blanco.
Sabor: intenso y muy agradable.
La fibra de estopa de coco, también llamada fibra bonote, se puede clasificar en 3 tipos principales: 1. Una más larga y fina que se conoce con el nombre de fibra de esteras o hilo. 2. Una más tosca, que se conoce con el nombre de fibra de cerda. 3. Una fibra más corta, conocida con el nombre de fibra para colchones. La fibra de bonote tiene una capacidad de estiramiento de 29.04%, con un módulo de rigidez de 1.8924 dinas/cm 2. La capacidad de refuerzo de una fibra depende del grado en que los esfuerzos pueden serle transferidos desde la matriz, grado que a su vez está regido por las características intrínsecas de la fibra, como: resistencia a la tensión más resistente que la matriz; capacidad de resistir deformaciones muy superiores a la deformación en que la matriz se agrieta; módulo de elasticidad alto para aumentar el esfuerzo que soporten en un elemento bajo carga, siempre y cuando las fibras y la matriz se conserven totalmente adheridas; adherencia adecuada con la pasta de cemento; relación de Poisson menor que la de la matriz para aumentar fricción de adherencia; y relación longitud / diámetro adecuada para que conserve su
que, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad. (NMX-C-414ONNCCE-2004)
El cemento Portland es un conglomerante hidráulico que al ser hidratado se solidifica y endurece. Se obtiene mediante un proceso industrial, pulverizando a un grado de finura determinado una mezcla fría de arcilla y materiales calcáreos, previamente sometida a cocción, que se denomina Clinker Portland, al cual se le adiciona sulfato de calcio como anhidrita (CaSO 4), yeso (CaSO4-2H2O) o hemihidrato (CaSO4-½H2O), para regular el tiempo de fraguado. Según las propiedades que se requieran o para auxiliar la molienda, además se le pueden incorporar otros materiales como: Puzolanas
Escoria granulada de alto horno
Humo de sílice
Caliza
Tipo CPP (Cemento Portland Puzolánico)
El que resulta de la molienda conjunta del Clinker Portland, puzolanas y sulfato de calcio.
Tipo CPEG (Cemento Portland con Escoria Granulada de alto horno)
El producido mediante la molienda conjunta del Clinker Portland, escoria granulada de alto horno y sulfato de calcio.
Tipo CPC (Cemento Portland compuesto)
El que se obtiene de la molienda conjunta del Clinker Portland, puzolanas, escoria de alto horno, caliza y sulfato de calcio. En este tipo de cemento la caliza puede ser el único componente adicional al Clinker Portland con el sulfato de calcio.
Tipo CPS (Cemento Portland con Humo de Sílice)
El que resulta de la molienda conjunta del Clinker Portland, humo de sílice y sulfato de calcio.
alto Horno
40 R
Baja Reactividad Álcali agregado
CPC
Cemento Portland Compuesto
CPS
Cemento Portland con Humo de Sílice
BCH Bajo Calor de Hidratación
CEG
Cemento con Escoria Granulada de Alto
B
horno
Blanco
4.2.2. Composición del cemento
Tabla 3. Composición de los cementos Portland Cemento Portland
Clinker
Componentes principales
Portland
Escoria
+ Tipo
Denominación
sulfato de calcio
Cemento
Puzolanas
Granulada de alto horno
Componentes
Humo de sílice
Caliza
minoritarios
Portland con Humo de Sílice Cemento Portland con CEG
Escoria
20 - 39
--
61 - 80
--
--
0-5
Granulada de alto horno
Las puzolanas pueden ser naturales, artificiales y cenizas volantes. Los componentes minoritarios pueden ser uno o más de los componentes principales, salvo que estén incluidos ya como tales en el cemento. El cemento Portland compuesto contendrá dos componentes principales como mínimo, excepto cuando se trate de caliza, la que puede ser el único componente principal.
El contenido de carbonato de calcio (CaCO 3) en la caliza que se utilice como componente principal del cemento Portland compuesto (CPC), determinado mediante cualquier método de análisis convencional, será como mínimo de setenta y cinco (75) por ciento en masa. En cualquier tipo de cemento Portland el contenido máximo de trióxido de azufre (SO3) será tal que no cauce una expansión mayor de cero coma cero dos (0,02) por ciento a los catorce (14) días de inmersión en agua.
Cualquier cemento que cumpla con la característica especial RS
TIPO V
CPO o CPC que cumpla con la característica especial B
BLANCO
Cualquier cemento que cumpla con la característica especial BRA
ESPECIAL, BAJO ÁLCALI TODOS LOS TIPOS
4.3. Agregados Los agregados son materiales pétreos naturales seleccionados; materiales sujetos a tratamientos de disgregación, cribado, trituración o lavado, o materiales producidos por expansión, calcinación o fusión excipiente, que se mezclan con cemento Portland y agua, para formar concreto hidráulico. Los agregados para concreto hidráulico se clasifican en:
materiales, con partículas de tamaño máximo, generalmente comprendido entre diecinueve (19) milímetros (¾”) y setenta y cinco (75) milímetros (3”), pudiendo
contener fragmentos de roca y arena.
4.3.3. Fragmentos de Roca
Son los agregados con tamaño mayor de setenta y cinco (75) milímetros (3”) y una
masa máxima de treinta (30) kilogramos, como los boleos y la piedra braza, entre otros, que se utilizan comúnmente para fabricar concreto ciclópeo.
4.3.4. Agregado Ligero
Son los agregados finos o gruesos que, por su baja densidad, se utilizan en la fabricación de concreto estructural ligero, de baja masa volumétrica y resistencia limitada a la compresión, constituidos predominantemente por materiales inorgánicos de estructura celular, preparados por expansión, calcinación o fusión
5. PRUEBAS
5.1. DISEÑO DE MEZCLAS POR EL MÉTODO DE VOLÚMENES ABSOLUTOS Primer paso: Elección del revenimiento El revenimiento estará en función del tipo de elemento, y se debe manejar el valor mínimo posible que sea práctico para su colocación. Cuando no se especifica el revenimiento, se podrá seleccionar un valor apropiado para la obra, de acuerdo a los que aparecen en la siguiente Tabla No. 14.
Se tendrá que utilizar el T.M.N.A. (mayor), que permita el elemento a construir, para elegirlo se considerará alguno de los siguientes puntos, sin que en ningún momento exceda:
1/5 de la dimensión más pequeña del elemento de concreto.
¾ del espaciamiento libre entre las varillas de refuerzo.
1/3 del peralte de las losas.
Tercer paso: Cálculo del agua de mezclado y el contenido de aire.
La cantidad de agua por volumen unitario de concreto que se requiere para producir determinado revenimiento, depende del tamaño máximo, de la forma de la partícula y granulometría de los agregados, la temperatura del concreto, así como de la cantidad de aire incluido, y el uso de aditivos químicos; se utilizará la menor cantidad posible de agua; Tabla No. 15.
Cuarto paso: selección de la relación agua/cemento o agua/materiales cementantes
La relación agua/cemento requerida se determina no sólo por los requisitos de resistencia, sino también por otros factores como durabilidad. Para condiciones de exposición severas la relación A/C se debe mantener baja, aun cuando los requerimientos de resistencia puedan cumplirse con valores mayores. Cuando no se especifica esta relación se toma el valor de la siguiente tabla:
Estos volúmenes se han seleccionado a partir de relaciones empíricas para producir concreto con un grado de trabajabilidad adecuado a la construcción reforzada común. Para concretos menos trabajables, como los requeridos en la construcción de pavimentos de concreto, se pueden incrementar en un 10% aproximadamente.
Séptimo paso: Estimación del agregado fino.
Al término del sexto paso, se han estimado todos los componentes del concreto, excepto el agregado fino, cuya cantidad se determina por diferencia. En este caso, el volumen total desplazado por los componentes conocidos, agua, aire, cemento y agregado grueso, se resta del volumen unitario de concreto para obtener el volumen requerido de agregado fino. El volumen ocupado por cualquier componente es igual a su peso dividido entre la densidad de ese material.
5.2. MÉTODO DE CURADO DEL CONCRETO Se almacenan los especímenes de concreto durante 24 hrs, en un depósito de agua. Se debe evitar vibraciones, movimientos bruscos, golpes o inclinaciones. La norma NMX-C-403-ONNCCE-2004 “Concreto hidráulico para uso estructural” en su Apéndice Informativo, establece que el curado de los especímenes debe iniciarse tan pronto como sea posible. Siempre que la temperatura ambiente sea superior a 10º C, se puede considerar que el curado ha sido satisfactorio si se ha conservado a los concretos permanentemente húmedos por lo menos 7 días. Los especímenes permanecerán dentro del tanque de curado hasta que llegue el momento de ser transportados al lugar donde se van a ensayar para su caracterización en estado endurecido.
5.3. ENSAYE
DE
PROBETAS
DE
CONCRETO
PARA
DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN La resistencia a la compresión se define como la máxima resistencia medida en un espécimen de concreto a carga axial. Por lo general, se expresa en Kg /cm². A la edad de 28 días y se le designa con el símbolo f’c que corresponde a la resistencia de proyecto. Para determinar la resistencia a la compresión se realizan pruebas sobre especímenes de concreto en cilindros que miden 15 cm de diámetro y 30 cm de altura. La resistencia del concreto a la compresión es una propiedad física fundamental, siendo empleada en los cálculos para diseño de estructuras de concreto. La resistencia a la compresión de uso más general fluctúa entre los 200 y 350 Kg /cm². Los concretos de alta resistencia tienen una especificación de por lo menos 450 Kg/cm². La resistencia a la compresión que desarrolla el concreto se ve
1 placa de acero de 15 x 15 Máquina de prueba a la compresión
Máquina de prueba: puede ser de cualquier tipo, con capacidad suficiente y que pueda funcionar a la velocidad de aplicación de la carga, sin producir impactos ni perdida de carga.
Verificación de carga: el error permitido en la máquina de prueba para la realización de la prueba a compresión de concreto, debe ser como máximo de ± 3% de la carga aplicada. La máquina debe calibrarse inicialmente antes de ser puesta en operación y posteriormente en forma interna cada 2 000 cilindros, lo cual podrá ampliarse hasta 12 000 si no se detectan desviaciones. Estas máquinas deben calibrarse cada año como máximo si el número de especímenes ensayados es menor de 40 000. Si fuese mayor de 40 000 la calibración debe efectuarse cada 40 000 ensayes.
Condiciones de humedad de los especímenes: el ensaye a compresión de los especímenes curados en húmedo debe efectuarse tan pronto como sea posible
5.3.1. PREPARACION DE LOS ESPECÍMENES
Dimensiones: el diámetro y la altura del espécimen de prueba debe determinarse con una aproximación de 1 mm, las medidas de 2 diámetros perpendiculares entre si y a una altura media del espécimen y dos alturas opuestas. Para efecto de medir el diámetro, es suficiente utilizar el compás de punta. Cuando, la altura promedio del espécimen es menor de 1.8 veces el diámetro, el resultado de la resistencia debe corregirse por esbeltez de acuerdo a la tabla siguiente:
TABLA.No.XI. 01. FACTORES DE CORRECION POR ESBELTEZ RELACION ALTURA - DIAMETRO DE ESPECIMEN 2.00 1.75 1.50 1.25 1.00
FACTOR DE CORRECION A LA RESISTENCIA 1.00 0.99 0.97 0.94 0.91
Cabeceo: antes del ensaye, la base de los especímenes o caras de aplicación de
con asiento esférico; mientras la placa superior se baja hacia el espécimen asegurándose que se tenga un contacto suave y uniforme.
Velocidad de aplicación de carga: se debe aplicar la carga con una velocidad uniforme y continúa sin producir impacto, ni pérdida de carga. La velocidad de carga debe estar dentro del intervalo de 137 kPa /s a 343 kPa/s (84 kg/cm² /min a 210 kg/cm² /min) equivalente para un diámetro estándar de 15 cm. a un rango de 2.4 kN/s a 6.0 kN/s (14.8 t/min a 37.1 t/min) . Se aplican cargas hasta alcanzar la máxima registrándola. Cuando sea necesario se podrá llevar hasta la ruptura, para observar el tipo de falla y apariencia del concreto. Es recomendable colocar en la máquina, dispositivos para cumplir con los requisitos de seguridad para los operadores durante el ensaye del espécimen.
Diagrama de fallas de cilindros sometidos a compresión: los especímenes para aceptación o rechazo de concreto deben ensayarse a la edad de 14 días en el caso de concreto de resistencia rápido o 28 días en caso de resistencia normal con las tolerancias que se indican en la tabla siguiente:
5.3.3. CÁLCULOS:
Se calcula la resistencia a la compresión del espécimen, dividiendo la carga máxima soportada durante la prueba entre el área promedio de la sección transversal determinada con el diámetro medido. El resultado de la prueba se expresa con una aproximación de 100 kPa (1kg/cm²).
Donde:
P = carga axial aplicada al cilindro (kg)
A = Área del cilindro (cm2).
5.3.4. INFORME DE LA PRUEBA
TIPO DE FALLA
01
02
03
04
05
06
07
Fig. 9. Diagrama de las fallas de cilindros sometidos a compresión
No DE FALLA 1 2
DESCRIPCION se observa cuando se logra una carga de compresion bien aplicada sobre un espécimen de prueba bien preparado. se observa comunmente cuando las caras de aplicación de carga se encuentra en el limite de tolerancia especificada u existiendo ésta.
3
se observa en especimenes que presenta una superficie de carga convexa y/o por deficiencia del material de cabeceo,tambien por concavidad del plato de cabeceo o convexidad en una de las placas de carga.
4
se observa en especimenes que presenta una superficie de carga convexa y/o por deficiencia del material de cabeceo,tambien por concavidad del plato de cabeceo o convexidad en una de las placas de carga.
5 6
se observa cuando se producen contracciones de esfuerzos en los puntos sobresalientes de las caras de aplicación de cargas por deficiencias del material de cabeceo o del plato cabeceador. se observa en especimenes que presentan una cara de aplicación de carga convexa y/o
6. MARCO METODOLÓGICO
Esta investigación es de tipo experimental y correlacional:
Investigación experimental
Investigación correlacional
Analiza el efecto producido por la Tiene
como
propósito
mostrar
o
acción o manipulación de una o más examinar la relación entre variables o variables independientes sobre una o resultados de variables. varias dependientes.
6.1. DESARROLLO EXPERIMENTAL 6.2. Obtención de la fibra de coco 6.2.1. Desintegración de la fibra
6.2.2. Elección de la longitud de la fibra
El tamaño de las fibras fue muy variable, el tamaño requerido fue en un rango aproximado de 10 mm de longitud para que la unión con los elementos sea homogénea.
Fig. 11. Estopa de coco
6.3. DISEÑO DE MEZCLAS POR EL MÉTODO DE VOLÚMENES ABSOLUTOS Datos obtenidos del diseño de mezcla para la elaboración de 1 cilindro de concreto. Concreto hidráulico simple
1,34
2,614
Cemento Arena
4,8
Grava 4,6018
Agua
Gráfico 1. Proporción para el concreto hidráulico
Concreto reforzado con estopa de
Datos obtenidos del diseño de mezcla para la elaboración de 30 cilindros de concreto. Cantidad de material para los 30 especímenes de concreto hidráulico
Materiales
Cantidad de especímenes
Cantidad total (Kg)
Cemento
30
78.42
Arena
30
138.054
Grava
30
144.00
Agua
30
40.20
Concreto hidráulico simple
40,2
78,42 Cemento Arena
Gráfico 3. Proporción para 30 cilindros de concreto simple
Cantidad de material empleado para los 30 especímenes de concreto reforzado con fibra (estopa de coco).
Materiales
Cantidad de especímenes
Cantidad total (Kg)
Cemento
30
78.42
Arena
30
138.054
Grava
30
144.00
Agua
30
40.20
Fibra
30
0.041415
Concreto reforzado con estopa de coco
6.4. PROCESO DE FABRICACIÓN DEL CONCRETO Objetivo: Realizar la mezcla de acuerdo al diseño para poder llegar a la resistencia que se propuso.
Materiales
1 Pala cuadrada 2 Charolas de acero cuadradas Moldes cilíndricos Aceite para automóvil 1 Bascula de 120 kg 1 juego de pesas Arena Grava Cemento Agua 1 Cucharón Flexómetro Fibra natural (estopa de coco)
Fig. 13. Medición del molde cilíndrico
2. Se calibro la báscula y se pesó la charola, se procedió a pesar la arena, la grava, el cemento y el agua.
Fig. 15. Revoltura de los materiales materiales
4. Se le colocó agua a la mezcla para realizar el concreto fresco y para posteriormente realizar la prueba de resistencia a la compresión a los 7 y 14 días.
Fig. 17. Añadimiento de fibra al concreto
5. Por último se coloca la mezcla de concreto a los moldes cilíndricos. cilíndricos.
6.5. MÉTODO DE CURADO DEL CONCRETO 1. Después de 24 hrs se desmoldan y se identifican con un número de control, para guardarlos en el cuarto de curado.
Fig. 19. Retiro del concreto endurecido
2. Los especímenes se colocaron dentro del tanque de curado por un periodo de 7 y 14 días, para después realizar la prueba de resistencia a la compresión como lo establece en la norma Mexicana NMX-C-083-
6.6. ENSAYE PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
Alcance: Este método de prueba se refiere al ensaye de probetas a la compresión. Este método es aplicable a las muestras que hayan sido elaboradas y obtenidas como se mencionó anteriormente.
Objetivo: Esta prueba tiene como objetivo determinar la resistencia a la compresión de probetas cilíndricas de concreto.
Equipo y material:
Prensa de ensaye. Deberá estar calibrada y en óptimas condiciones.
Flexómetro.
Balanza de capacidad igual o superior a 20 kgs.
Cilindros de concreto para la aplicación de la prueba.
Fig. 21. Curado del concreto
1. Se retiran los especímenes del cuarto de curado, para obtener sus dimensiones y proceder con la prueba de resistencia a la compresión.
Fig. 23. Secado de los cilindros
3. Con el vernier se toman las diferentes medidas de nuestro cilindro, empezando por la parte superior tomando dos medidas para el diámetro, y dos medidas de la parte inferior, después se toman 3 medidas para la altura.
4. Se procede a tomar el peso del cilindro en la báscula de 120kg/cm.
5. Se coloca el espécimen por ensayar sobre la placa inferior, alineando su eje cuidadosamente respecto del centro de la placa de carga con asiento esférico, mientras la placa superior se baja hacia el espécimen hasta lograr un contacto suave y uniforme.
Fig. 25. Colocación del espécimen en la prensa
Se aplica la carga con una velocidad uniforme y continua sin producir impacto ni pérdida de carga. La velocidad deberá estar dentro del intervalo de 137 a 343 kPa/s (84.a 210.kg/cm²/min aproximadamente).
Fig. 27. Comparación de su comportamiento
6.6.1. CÁLCULOS
Como resultado de esta prueba se calcula la resistencia a la compresión del espécimen, dividiendo la carga máxima soportada durante la prueba entre el área promedio de la sección transversal determinada con el diámetro.
CONCRETO HIDRÁULICO SIMPLE Fecha de realización: 25 de mayo de 2015
Fecha de tronado: 2 de junio de 2015
Dimensiones Muestra
Carga aplicada en Kg
Tiempo de curado (días)
Ancho
Alto
Área
Resistencia a la compresión Kg/cm2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
50500,00 48300,00 48400,00 48700,00 49300,00 49600,00 49700,00 49800,00 49800,00 49900,00 49900,00 50100,00 50200,00 50200,00 50300,00
7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7
15,01 15,10 15,02 15,07 15,05 15,01 15,09 15,03 15,01 15,10 15,04 15,06 15,14 15,09 15,07
30,03 30,10 30,18 30,36 30,43 30,19 30,29 30,23 30,48 30,25 30,21 30,28 30,10 30,21 30,24
177,80 179,03 176,01 180,03 177,71 178,25 177,19 179,32 178,37 177,47 178,27 180,98 180,27 178,84 178,13
284,03 269,79 274,99 270,51 277,43 278,26 280,50 277,72 279,20 281,18 279,91 276,82 278,48 280,70 282,38
Promedio
49646,67
7,00
15,06
30,24
178,51
278,12
CONCRETO HIDRÁULICO SIMPLE Fecha de realización: 20 de mayo de 2015
Fecha de tronado: 5 de junio de 2015
Dimensiones
Muestra
Carga aplicada en Kg
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
50300,00 50500,00 50900,00 51000,00 51000,00 51300,00 51500,00 52100,00 52200,00 52300,00 52500,00 52800,00 53800,00 54000,00 54000,00
Tiempo de curado (días) 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14
Promedio
52013,33
14
Ancho
Alto
Área
Resistencia a la compresión Kg/cm2
15,05 15,05 15,03 15,01 15,00 15,19 15,02 15,17 15,06 15,10 15,15 15,20 15,15 15,08 15,03
30,06 30,08 30,25 30,13 30,39 30,33 30,10 30,32 30,12 30,09 30,22 30,17 30,06 30,01 30,11
180,74 174,37 178,51 178,60 179,55 178,60 176,48 177,33 177,33 179,79 179,55 174,37 176,01 179,79 176,24
278,30 289,62 285,14 285,55 284,04 287,23 291,82 293,81 294,37 290,89 292,39 302,81 305,67 300,35 306,39
15,09
30,16
177,82
292,56
Concreto hidráulico simple
CONCRETO REFORZADO CON FIBRA "ESTOPA DE COCO" Fecha de realización: 26 de mayo de 2015
Fecha de tronado: 3 de junio de 2015
Dimensiones Muestra
Carga aplicada en kg
Tiempo de curado (días)
Ancho
Alto
Área
Resistencia a la compresión Kg/cm2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
59800,00 60000,00 60100,00 60100,00 60200,00 60200,00 60400,00 60500,00 60600,00 60700,00 60700,00 60800,00 61000,00 61100,00 61200,00
7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7
15,05 15,10 14,97 15,14 15,04 15,07 15,02 15,11 15,07 15,03 15,07 15,18 15,15 15,09 15,06
30,32 30,15 30,25 30,25 30,29 30,05 30,32 30,16 30,39 30,11 30,10 30,16 30,20 30,22 30,10
177,80 179,03 176,01 180,03 177,71 178,25 177,19 179,32 178,37 177,47 178,27 180,98 180,27 178,84 178,13
336,33 335,14 341,46 333,84 338,76 337,73 340,88 337,39 339,75 342,03 340,49 335,95 338,39 341,64 343,57
Promedio
60493,33
7
15,08
30,20
178,51
338,89
CONCRETO REFORZADO CON FIBRA "ESTOPA DE COCO" Fecha de realización: 21 de mayo de 2015
Muestra
Carga aplicada en Kg
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
61300,00 61400,00 61400,00 61500,00 61600,00 61800,00 61800,00 61800,00 62000,00 62000,00 62100,00 62100,00 62200,00 62300,00 62300,00
Promedio
61840,00
Fecha de tronado: 5 de junio de 2015
Dimensiones Tiempo de curado Ancho (días) 14 15,17 14 14,90 14 15,08 14 15,08 14 15,12 14 15,08 14 14,99 14 15,03 14 15,03 14 15,13 14 15,12 14 14,90 14 14,97 14 15,13 14 14,98 14
15,05
Alto
Área
Resistencia a la compresión Kg/cm2
30,25 30,23 30,13 30,23 30,40 30,33 30,35 30,16 30,16 30,13 30,30 30,10 30,26 30,12 30,14
180,74 174,37 178,51 178,60 179,55 178,60 176,48 177,33 177,33 179,79 179,55 174,37 176,01 179,79 176,24
339,16 352,13 343,96 344,34 343,07 346,02 350,18 348,51 349,64 344,85 345,86 356,15 353,39 346,51 353,49
30,22
177,82
347,82
Concreto reforzado con fibra
7. RESULTADOS
Para un mejor detalle de los resultados obtenidos se presentan una serie de gráficas que muestran a continuación.
Comportamiento de los 2 casos ) 700 2 m c / 600 g k ( n 500 ó i s e r 400 p m o c 300 a l a a i 200 c n e t 100 s i s e R
338,89
278,12
347,82
292,56
Concreto reforzado con fibra Concreto hidráulico simple
0
7
14
Edad de ensayo (días)
Gráfico 9. Comportamiento del concreto simple y reforzado
Concreto hidráulico simple Resistencia a la compresión Kg/cm2
292,56
278,12
7 días
14 días
Gráfico 10. Comparación de la resistencia a la compresión del concreto simple
Concreto reforzado con fibra Resistencia a la compresión Kg/cm2
347,82
Resistencia a la compresión kg/cm2 (7 días) 338,89 278,12
Concreto reforzado con fibra
Concreto hidráulico simple
Gráfico 12. Comparación del concreto simple y el concreto reforzado a los 7 días
Resistencia a la compresión kg/cm2 (14 días) 347,82
Resistencia a la compresión kg/cm2 (promedio) 343,355 285,34
Concreto reforzado con fibra
Concreto hidráulico simple
Gráfico 14. Resistencia a la compresión del concreto simple y concreto reforzado
En este último gráfico se hace la comparación promedio de la resistencia a la compresión, en donde el caso 1 (concreto reforzado con fibra) alcanzó la mayor resistencia de 343.355 kg/cm 2 y el concreto sin refuerzo (concreto simple) solo alcanzó una resistencia de 285.34 kg/cm 2.
8. CONCLUSIÓN
Para poder realizar los experimentos descritos anteriormente se desarrolló una metodología, iniciando con la colecta de los cocos, la extracción de la fibra manualmente, determinación del tamaño de la fibra para la experimentación (10 mm aproximadamente), realización del número de muestras esto determinado por la desviación estándar, aplicación de la prueba de la resistencia a la compresión y finalmente la comparación de los resultados obtenidos. Con la obtención de estos datos podemos decir que la flexibilidad y resistencia de las fibras son importantes, ya que disminuyen la propagación de las grietas que se forman en el concreto cuando se somete a grandes esfuerzos. Estas fibras ayudaron a que el elemento de concreto se mantuviera unido al formarse puentes entre cada grieta. En este trabajo se logró cumplir con los objetivos, además de encontrar un tipo de material de construcción de buena calidad y utilizando recursos naturales disponibles en nuestro entorno. Nuestra hipótesis propuesta fue la correcta porque
9. BIBLIOGRAFÍA
Alvarado, C. A. (2002). Concreto a base de cemento Portland reforzados con Fibras Naturales. Nuevo León.
Carrillo, M. A. (2005). Elaboración y Evaluación de Tableros Aglomerados a base de Fibra de coco y Cemento. Coquimatlán, Colima.
Díaz, V. E. (2009). Manual de prácticas de concreto hidráulico. Xalapa, Veracruz: Facultad de Ingeniería civil. Hibbeler, R. C. (2011). Mecánica de Materiales. México: Pearson Education. Salcedo, S. L. (2006). Uso de fibra de estopa de coco para mejorar. Ingeniería y Desarrollo , 134-150.
Steven H. Kosmatka, B. K. (2004). Diseño y Control de Mezclas de Concreto. México: Portland Cement Association. Universidad Nacional de Cajamarca. (04 de Febrero de 2015). Universidad Nacional de Cajamarca . Recuperado el 08 de Marzo de 2015, de
PRUEBA PILOTO PARA OBTENER EL NÚMERO DE MUESTRAS
Materiales:
Cemento Portland.
Arena (Cribadora Rava).
Grava ¾” (Cribadora Rava).
Agua potable para consumo humano.
Fibras extraídas del coco.
Arena
Grava
Fibra de coco
Selección de la cantidad de los materiales Cantidad requerida
Materiales
Número de cilindros
Cemento
3
7.842
Arena
3
13.8054
Grava
3
14.40
Agua
3
4.02
Fibra
3
0.0041415
(Kg)
Elaboración de la prueba piloto Lo siguiente fue la realización de los especímenes correspondientes a nuestro estudio para ser probados mecánicamente; se elaboraron 3 cilindros de concreto hidráulico y 3 cilindros reforzados con fibra natural (estopa de coco).
Evaluación de la resistencia mecánica (compresión) Los cilindros estuvieron en un proceso de curado por 7 días para poder realizar la
Fig. 2. Cilindros sometidos a cargas
Una vez finalizada la prueba se obtuvieron los siguientes datos:
Cilindros de concreto hidráulico Carga
Resistencia a la
Cilindros con fibra natural (estopa de coco) Resistencia a la
Donde:
Datos:
Rango de error 90% (Z=1.65)
Error de 30% Sustituyendo en la fórmula
Cilindros de concreto hidráulico
√ Cilindros reforzados con fibra natural (estopa de coco)
̅ ̅
344.46
̅ 4.25
̅ 18.06
PRESUPUESTO
Grava $50.00
Arena $50.00
