INTEGRANTES: ABANTO CRUZ Deibi,
ÁVILA QUIPUZCOA Diego, JARA GMARRA Cristian
Docente: Ing. VASQUEZ ALFARO, Ivan TECNOLOGÍA DEL CONCRETO “ESTUDIO DE UN MATERIAL COMPUESTO A BASE DE
FIBRAS NATURALES DE CABUYA Y PALMERA(COCO) PARA MEJORAR MEJORAR LA RESISTENCIA RESISTENCIA AL IMPACTO IMPACTO Y FLEXIÓN DE ELEMENTOS CONCRETO EN VIGAS Y PAVIMENTOS”
INDICE 1. REALIDAD PROBLEMÁTICA........................... ............. ........................... .......................... ......................... .............. 4
2
3
1.1
Aplicaciones en la construcción................ construcción................ ........................... .............. .......................... ............. 4
1.2
Justificación. ..................................................................................... 6
OBEJTIVOS ............................................................................................ 6 2.1
Objetivo general: .............................................................................. 7
2.2
Objetivos específicos: ....................................................................... 7
FUNDAMENTO TEÓRICO ...................................................................... 7 3.1
Clasificación de las fibras. ................................................................ 9
3.1.1 Fibras naturales vegetales. ......................................................... 9 3.1.2 Origen de las fibras naturales............................ ............. ........................... ........................ ........... 10 3.1.3 Provenientes del tallo. ............................................................... 11 3.1.4 Provenientes de la hoja. ............................................................ 13 4
MATERIALES Y METODOS ................................................................. 17 4.1
MATERIALES: ................................................................................ 17
4.1.1 FIBRAS: .................................................................................... 17 4.1.2 ADITIVOS:.......................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... ................ ... 18 4.1.3 CEMENTO PÓRTLAND TIPO I ........................... .............. ......................... ...................... .......... 18 4.1.4 AGREGADO FINO .......................... ............. .......................... .......................... .......................... ................ ... 19 4.1.5 AGREGADO GRUESO .......................... ............. .......................... .......................... ...................... ......... 20 4.1.6 UNIVERSO: ............................................................................... 20 4.1.7 POBLACIÓN ............................................................................. 20 1
INDICE 1. REALIDAD PROBLEMÁTICA........................... ............. ........................... .......................... ......................... .............. 4
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1.1
Aplicaciones en la construcción................ construcción................ ........................... .............. .......................... ............. 4
1.2
Justificación. ..................................................................................... 6
OBEJTIVOS ............................................................................................ 6 2.1
Objetivo general: .............................................................................. 7
2.2
Objetivos específicos: ....................................................................... 7
FUNDAMENTO TEÓRICO ...................................................................... 7 3.1
Clasificación de las fibras. ................................................................ 9
3.1.1 Fibras naturales vegetales. ......................................................... 9 3.1.2 Origen de las fibras naturales............................ ............. ........................... ........................ ........... 10 3.1.3 Provenientes del tallo. ............................................................... 11 3.1.4 Provenientes de la hoja. ............................................................ 13 4
MATERIALES Y METODOS ................................................................. 17 4.1
MATERIALES: ................................................................................ 17
4.1.1 FIBRAS: .................................................................................... 17 4.1.2 ADITIVOS:.......................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... ................ ... 18 4.1.3 CEMENTO PÓRTLAND TIPO I ........................... .............. ......................... ...................... .......... 18 4.1.4 AGREGADO FINO .......................... ............. .......................... .......................... .......................... ................ ... 19 4.1.5 AGREGADO GRUESO .......................... ............. .......................... .......................... ...................... ......... 20 4.1.6 UNIVERSO: ............................................................................... 20 4.1.7 POBLACIÓN ............................................................................. 20 1
4.1.8 MUESTRA: ................................................................................ 21 4.2
MÉTODOS: .................................................................................... 21
4.2.1 OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES .......................... ............. .................. ..... 21 4.2.2 CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES:......................... ............ ...................... ......... 21 4.2.3 DISEÑO DE MEZCLA: .............................................................. 34 4.2.4 Ensayos al concreto: ................................................................. 39 4.2.5 Método experimental ................................................................. 43 5 ANALISIS DE RESULTADOS .......................... ............ ........................... .......................... ........................ ........... 52 5.1
Resultados: .................................................................................... 52
5.1.1 Probetas patrón: ........................................................................ 52 5.1.2 Probetas con adición de 30g de tejido de fibra coco, y 15 g de fibra de cabuya .......................................................................................... 53 5.1.3 Probetas adicionadas con 45g de tejido de coco, y 22.5 g de fibra de cabuya .......................................................................................... 55 6
DISCUSIÓN ........................................................................................... 57
2
CONCLUSION ....................................................................................... 59
7 ANEXO: ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .................... ....... 60
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7.1
ANEXO A: Fotos de los Materiales e Insumos .......................... ............. .................. ..... 60
7.2
ANEXO B: Fotos de la Caracterización Caracterización de Agregados ................... ............ ....... 61
7.3
ANEXO C: Fotos de Procedimiento Procedimiento.......................... ............. ......................... ...................... .......... 65
Bibliografía: ............................................................................................ 69
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ESTUDIO DE UN MATERIAL COMPUESTO A BASE DE FIBRAS NATURALES DE CABUYA Y PALMERA(COCO) PARA MEJORAR LA RESISTENCIA AL IMPACTO Y FLEXIÓN DE ELEMENTOS CONCRETO EN VIGAS Y PAVIMENTOS
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1. REALIDAD PROBLEMÁTICA 1.1 Aplicaciones en la construcción. Las potenciales aplicaciones de estos concretos dependen de la capacidad de proveer un material con calidad, resistente y dur able. Así corno también, de la imaginación de los ingenieros y constructores para sacar provecho de las propiedades estáticas y dinámicas., reportó que en Perú es muy utilizada la fibra proveniente de la caña del junco de agua, con estas fibras y el cemento se fabrican materiales de construcción conocidos como "quincha". Estos materiales han sido usados en la construcción de domos y cúpulas para iglesias, muros prefabricados en lugar del adobe. Industrialmente se fabrican paneles prensados de cemento y madera con buenas propiedades térmicas y acústicas, además de ser ligeros y fáciles de cortar y fijar. También se propone un material con fibras naturales para construcciones resistentes al fuego usado en Japón. De acuerdo con sus investigaciones, las fibras naturales llegan a ser incombustibles cuando son recubiertas por ceniza volante y cemento. Así también, cuando se recubren con una pasta de cemento el cual fue mezclado con cerámicos solubles en agua. Situación actual y perspectivas de desarrollo. Los resultados encontrados hasta ahora sugieren que los concretos reforzados con libras naturales pueden ser una alternativa en la construcción de infraestructura y vivienda de bajo costo. Su utilidad se ha comprobado en varios países y su aplicación 4
ha sido continua . Actualmente, el interés proviene de los países pobres y en vías de desarrollo ya que son éstos los que poseen los recursos naturales, y son también, los países con mayores problemas para satisfacer la demanda de vivienda que requiere su población. La crisis energética y la necesidad de producir materiales de construcción baratos motiva a países como México para tratar de aprovechar este recurso natural. Sin embargo, es necesario avanzar mucho más en lo referente a la durabilidad del concreto con fibras. El éxito de este nuevo tipo de material de construcción depende más de su resistencia al ambiente donde se encuentre expuesto, que de sus propiedades mecánicas. Es importante que el concreto reforzado con fibras sea capaz de soportar las cargas y desempeñar la función para la que fue diseñado, sin deterioro importante durante el transcurso de los años. Las fibras naturales como refuerzo en el concreto, tienen un amplio campo de aplicación en la ingeniería y la arquitectura. La comparación directa entre los concretos con fibras naturales y los reforzados con fibras de alta tecnología como las de acero, vidrio y plásticas es engañosa. Ya que ciertamente los segundos tienen excelentes propiedades mecánicas y de durabilidad, por lo que son producidos industrialmente y comercializados a escala mundial . Sin embargo, su beneficio se ve limitado a los países que tienen los suficientes medios económicos para disponer de ellos. Mientras tanto, los países pobres y en desarrollo no pueden utilizar esta tecnología para solucionar la demanda de vivienda de su población, ya que carecen de los recursos económicos necesarios. Es así como se tiene un campo de oportunidades para la explotación y utilización de los recursos naturales con que dispone cada país. 5
1.2 Justificación. El refuerzo con fibras de naturales o macrofibras orgánicas puede constituir un método conveniente, práctico y económico de superar estas deficiencias, particularmente en aplicaciones donde el refuerzo convencional con barras de acero se requiere por cambios volumétricos del concreto. Más aún, disponer de refuerzo de pequeñas dimensiones como parte integral del concreto puede tener ventajas adicionales en la fabricación de productos y componentes con este material. Se eligió el cemento portland tipo ico por ser uno adicionado esperando un reporte mayor de beneficios en las probetas de concreto. Utilizamos fibras de cabuya por su excelente resistencia y rugosidad con la esperanza de que aporte mejoras en la propiedad de flexión, tracción y resistencia al impacto para concreto. Proyectos de gran magnitud poseen la necesidad de realizar mejoras mecánicas y físicas en el concreto para diferentes solicitaciones, evitando así diferentes fallas, optimizando costo y tiempo. Es por ello que la presente tesis se enfocará en cuantificar las mejoras brindadas por la adición de fibras de acero al concreto, para así tener nuevas consideraciones en los futuros diseños.
2 OBEJTIVOS
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2.1 Objetivo general: Determinar el comportamiento de la resistencia a flexocompresión e impacto de concreto con adición de fibra de cabuya, palmera y una mezcla de ambos
2.2 Objetivos específicos: Producir un material compuesto (concreto), a partir de cemento portland y agregados reforzado con fibras naturales de cabuya, que posea propiedades mecánicas adecuadas para ser aplicado en la construcción.
3 FUNDAMENTO TEÓRICO 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. Posteriormente, en la era moderna el asbesto comenzó a ser utilizado frecuentemente en muchos países. La industria de la construcción usó a gran escala las fibras minerales de asbesto en una matriz de cemento. Sin embargo, debido a que se detectaron algunos daños a la salud como la asbestosis al fabricar productos de asbesto-cemento, su aplicación disminuyó considerablemente. Debido a esto, se buscó entonces sustituir el asbesto por fibras de otros materiales las cuales resultaron ser una alternativa viable.
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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, liste grupo de fibras naturales vegetales tiene un bajo costo de producción en comparación con los otros tipos de libras. La manufactura de fibras de acero, vidrio y plásticas requiere una considerable inversión económica lo que es difícil para los países pobres y en desarrollo, además, su producción genera un alto consumo de energía. Las fibras naturales vegetales requieren menos energía en su proceso de extracción, aun siendo éste mecánico. Esto resulta atractivo principalmente para los países en vías de desarrollo, que como ya se mencionó, tienen una amplia disponibilidad del recurso natural, pero graves carencias de vivienda e infraestructura. lis de consideración el incremento de las actividades de investigación y las aplicaciones que se están dando al concreto reforzado con fibras en todo el mundo. La industria está interesada en las oportunidades de negocios potenciales al respecto, esto impulsa la continuación de nuevos avances en diferentes materiales fibro-reforzados para su uso en la construcción.
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3.1 Clasificación de las fibras. Las fibras pueden ser clasificadas de acuerdo a su origen. Esta clasificación no pretende ser exhaustiva, sin embargo, es la utilizada por la mayoría de los investigadores en el tema, ver la figura 1
FIBRAS
Naturales
Vegetal y Animal
Minerales
Hechas por el hombre
Acero, vidrio cerâmicas plásticas
Asbesto
o o
Figura 1: Clasificación de las fibras según su origen.- Las fibras minerales y las hechas por el hombre señaladas en es la figura son las que tienen mayor aplicación como refuerzo en el concreto
3.1.1 Fibras naturales veg etales. Históricamente, las fibras naturales vegetales o simplemente fibras naturales eran usadas empíricamente para reforzar varios materiales de construcción, o bien para la producción de material textil. Sin embargo, es hasta años recientes que los científicos se han dedicado a estudiar el uso de 9
este tipo de fibras como refuerzo en el concreto, las fibras naturales se pueden obtener a un bajo costo usando la mano de obra disponible en la localidad y las técnicas adecuadas para su obtención, estas fibras son llamadas generalmente libras naturales no procesadas. Sin embargo, las fibras naturales pueden ser procesadas química o mecánicamente para mejorar sus propiedades, estas libras son generalmente de celulosa derivada de la madera. Los países desarrollados utilizan estos procesos químicos o mecánicos para su aplicación industrial, desafortunadamente su alto costo impide que sean usados en los países pobres y en desarrollo, a tales fibras se les conoce como fibras naturales procesadas. 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 mejoran 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.
3.1.2
Orig en 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 alguna de estas fibras tiene 10
un verdadero potencial para ser consideradas como refuerzo en el concreto. A continuación se describen de manera general las fibras naturales más estudiadas para este fin.
3.1.3 Provenientes del tallo. El yute, el lino, el bambú, la caña de azúcar, la hierba de China (ramie). el sun y el kenaf son ejemplos de fibras naturales que provienen del tallo de la planta.
El yute (Corchorus capsularás).
Crece abundantemente en Bangla Desh, China, India y Tailandia. El yute tiene una altura aproximada de 2.5 m y 25 nim de diámetro en la base del tallo. Tiene un color entre amarillo a café y está formado por grupos de fibras que se mantienen unidas por la lignina de la planta. El proceso de extracción de la fibra es simple, la planta se corta en tramos, se agrupa y se sumerge en agua por cuatro semanas para que se sature. La fibra se extrae manualmente y se deja secar al sol. El yute tiene buena resistencia a los microorganismos c inscclos. La humedad tiende a deteriorar la planta, pero en estado seco tiene una aceptable duración. Aunque ésta no es una típica planta de América, Brasil la produce a gran escala principalmente en la región del Amazonas y su explotación la realiza con bajos costos en Ja mano de obra, ver figura 2.
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El lino (Linum usitaatissimum).
Es esbelto y se mantiene erguido por sus fibras. Su longitud varía de 0.15 a 0.65 m. Se considera que proporciona una fibra sumamente fuerte y tiene una alta absorción de agua, ver figura 2.
El bambú (Bambusa vulgaris).
Como vegetación natural el bambú crece abundantemente en regiones tropicales y subtropicales. Es también común en América Latina y llega a tener una altura de hasta 15 m, su diámetro varía de 25 a 100 mm. Las fibras representan del 60 al 70% de su peso y se concentran en la parte exterior del bambú, además de ser relativamente largas de 2.5 a 3.5 m, ver figura 2.
La caña de azúcar (Saccharum offeinarum).
El bagazo es el residuo fibroso que se obtiene de la caña de azúcar después de la extracción del jugo. Llega a crecer más de 6 m de alto dependiendo de la especie y del área de cultivo, tiene un diámetro de alrededor de 60 mm. El cultivo generalmente se realiza en las regiones húmedas tropicales y subtropicales, ver figura 2.
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Figura 2: (a) yute, (b) bambú, (c) lino y (d) caña de azúcar.
3.1.4 Provenientes de la hoja. Las fibras naturales que provienen de las hojas de la planta, son entre las más importantes: la cabuya, la yucca, el pasto del elefante, y el plátano
La Cabuya (Furcraea andina).
Herbácea grande, de hojas verdes, largas y delgadas, provistas de espinas en sus bordes; escapo sólido y pesado. Sus hojas son carnosas y muy fibrosas. Posee flores amarillas. Se reproduce por renuevos que brotan del contorno de sus raíces.Es una planta típica de las yungas y vertientes occidentales andinas. Este vegetal es de múltiples usos: de su fibra se hacen hilos, de sus hojas papel, de sus espinas agujas, y sus hojas jabonosas sirven como detergente. Además el zumo fermentado da una agradable bebida, es por ello que los cronistas decían que esta maravillosa
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planta regalaba, aguja, hilo, vestido, cuerdas, miel , vino, vinagre, papel, jabón y alimento.
La Yucca (Liliaceae).
En Perú las que presentan mayor densidad y tamaño son la yuca filifera, la yuca decipiens y la yuca carnerosana. Las condiciones climáticas para que se desarrollan son las clásicas de las zonas semidesérticas de Perú. Las fibras se obtienen separándolas manualmente, pero en algunos casos se realiza mecánicamente El aprovechamiento de las fibras de la yuca carnerosana es principalmente para fabricar cestos, cordelería, sacos, sandalias, bolsas de mano, tejido artesanal, relleno de muebles, escobas y cepillos, ver figura 4.
Pasto del elefante (Pennisetum purpureum).
Esta planta es alta y erguida, crece comúnmente cerca de arroyos y ríos. Puede llegar a crecer hasta 3 m de alto y tiene un diámetro de 20 mm. El tallo es sólido, contiene una médula de fibras blandas, la corteza es delgada y fibrosa. Las fibras son fuertes y agudas por lo que la extracción a mano se complica, ver figura 4.
El plátano (Musa sapientum).
Es una planta tropical de la familia de la banana. El tronco es fibroso y la fibra es fácilmente extraída a mano. Las fibras frescas son moderadamente fuertes y flexibles. 14
Figura 3:Cabuya
Figura 4: (a) sisal, (b) henequén, (c) yuca y (d) pasto del elefante.
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.
E l coco (Cocos nucífera). El cultivo de esta planta se concentra en el cinturón tropical de Asia y el este de África, también se encuentra en América Latina en pequeña escala. 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 15
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, ver figura 5.
Celulosa proveniente de la madera . Este tipo de fibra natural es la más utilizada en el mundo industrializado, con esta fibra se producen productos como tableros compactos para aplicaciones arquitectónicas, se obtienen generalmente de árboles de madera blanda y latifoleaeda tal como el pino. 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.
Figura 5: Fibra de coco
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4 MATERIALES Y METODOS 4.1 MATERIALES: 4.1.1 FIBRAS: Las fibras de cabuya estudiadas en esta investigación fueron extraídas de plantas cultivadas en la serranía peruana, específicamente en la serranía de la Libertad. Las muestras se obtuvieron, a partir de sogas hechas a base dicha fibra, las cuales cuales son comercializadas comercializadas en los principales mercados de la ciudad de Trujillo.
Figura 6: soga hecha a base de fibras de cabuya.
Además de fibras de cabuya, también se utilizó, otro tipo de fibras ,la cual pasaremos pasaremos a describir a continuación, las otras fibras utilizadas son las fibras de palmera ,las cuales se obtuvieron ,extrayéndolas directamente de la corteza de la planta de palmera, dicha extracción se hizo en la provincia de Virú a unos 50 km de la ciudad de Trujillo.
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Figura 7: Fibras de corteza de palmera, utilizadas en la investigación.
4.1.2 ADITIVOS: Para la elaboración de la matriz cementante se utilizó cemento portland tipo Ico elaborado por la empresa Cemento Pacasmayo, arena tamizada del pasante Nº 20 y Sika cen (plastificante) el cual es un aditivo líquido de color ambar oscuro, que nos permite aumentar la manejabilidad de la mezcla; la dosificación varía entre 0.2% el 2.5% del peso del cemento 0 225 ml, por bolsa de cemento (42.5 kg)
Figura 8: Aditivo Plastocrete 161 HE
4.1. 4.1.33 CE MENTO PÓR TLAND TIPO I Definición
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El cemento portland normal es definido como el producto obtenido por la pulverización muy fina del Clinker portland con la adición eventual de yeso natural, según la norma NTP334.090 El cual está constituido esencialmente de silicato de calcio hidráulico, posteriormente a la calcinación se le adiciona agua y sulfato de calcio amorfo o no tratado (yeso). Según la norma ASTM C-150, clasifica el cemento portland normal en cinco diferentes tipos Tipo I, Tipo II, Tipo III, Tipo IV, Tipo V de acuerdo a las propiedades de los compuestos principales: Óxido de calcio, óxido de sílice, óxido de aluminio. El cemento que estamos usando para este proyecto de investigación es:
Tipo Ico: Para usos generales en la construcción, donde no se requiere tenga propiedades especiales, cemento con adición de silicatos de calcio.
4.1.4 .1.4 AG R E GA DO FINO Definición
Se define como agregado fino, al material proveniente de la desintegración natural o artificial de las rocas, el cual pasa el tamiz 9,5 mm (3/8”) y cumple con los límites establecidos en la norma NTP 400.037 o
ASTM C 33. Los agregados pueden constituir hasta las tres cuartas partes en volumen, de una mezcla típica de concreto; razón por la cual haremos un
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análisis minucioso y detenido de los agregados utilizados en los ensayos de este proyecto de investigación.
4.1.5 AG R EG ADO GR UES O 1.1.1.1 Definición
El agregado grueso, es un material proveniente de la desintegración natural o artificial, retenida en el tamiz 4,75 mm (Nº 4) y que cumple con los límites establecidos en la norma NTP 400.037 ó ASTM C 33. Varias propiedades físicas comunes del agregado, son relevantes para el comportamiento del agregado en el concreto.
4.1.6 UNIVERSO: Los concretos, los cuales son producidos, a partir de la mezcla de materiales cementantes con materiales aglomerantes y agregados con agua, además de la utilización de ciertos productos que se utilizan para mejorar sus propiedades y aliviar su costo.
4.1.7 POBLACIÓN Nuestra población son los concreto reforzados, utilizados para la reparación de estructuras de concreto, tan frecuentes en nuestra realidad nacional, pues bien es de conocimiento público que dichas estructuras en el paso del tiempo sufren los estragos de su vida útil ,este tipo de mortero ayuda a ser más llevadero esos estragos ,sin poner en riesgo la f unción para la cual fueron diseñados inicialmente dichas estructuras, salvaguardar lo que está bajo ella.
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4.1.8 MUESTRA: Para el presente proyecto de investigación se tomó como muestra los materiales compuestos de matriz cementante y agregado fino, reforzado con fibras de cabuya y fibras de palmera. Para estudiar la muestra, se utilizaron un total de 12 discos y 24 viguetas de material compuesto (ver Tabla 4), los mismos que fueron ensayados para determinar sus características mecánicas. Tabla 1:Muestras de investigación.
DISCOS Con tejido de cabuya
fibra de palmera + fibra de
6 3
Sin refuerzo
VIGAS Concreto Simple
3
Concreto Simple + Fibra de palmera + fibra de cabuya
6
Total de elementos
18
4.2 MÉTODOS: 4.2.1 OPER AC IONALIZAC IÓN DE VAR IAB LE S
Variable independiente ● Porcentaje de adición de fibras naturales Variable dependiente ● Resistencia al impacto ● Flexión
4.2.2 CA R AC TER IZAC IÓN DE MATE R IALE S :
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AGREGADO FINO
4.2.2.1.1 Granulometría del agregado fino (NTP 400.012)
El agregado estará graduado dentro de los límites indicados en la NTP 400.012 o ASTM C136. La granulometría seleccionada será preferentemente uniforme o continua, con valores retenidos en las mallas Nº 4 a Nº 100 de la serie Tyler. Se recomiendan para el agregado los siguientes límites. Tabla 2: Porcentaje
pasante recomendado para un distribución ideal de
agregado.
Malla 9,52 mm 4,76 mm 2,36 mm 1,18 mm 595 micrones 297 micrones 149 micrones
Diámetros 3/8" Nº 4 Nº 8 Nº 16 Nº 30 Nº 50 Nº 100
%pasante 100 95 a 100 80 a 100 50 a 85 25 a 60 10 a 30 2 a 10
El porcentaje retenido en dos mallas sucesivas no excederá del 45%, el porcentaje indicado para las mallas Nº 50 y Nº 100 podrá ser reducido a 5% y 0% respectivamente. El módulo de fineza no deberá ser menor de 2,3 ni mayor de 3,1 logrando mantener los límites de más o menos 0,2 del valor asumido para la selección de las proporciones de la mezcla. Se realizaron tres ensayos granulométricos con el agregado fino obteniendo un promedio de los retenidos de cada ensayo granulométrico.
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4.2.2.1.2 Tamaño máximo (TM).
Es el que corresponde al menor tamiz por el que pasa toda la muestra de agregado. 4.2.2.1.3 Tamaño Máximo Nominal (TMN) Es el que corresponde al menor tamiz de la serie utilizada que produce el primer retenido. 4.2.2.1.4 Módulo de fineza Se define como la suma de los porcentajes acumulados retenidos en las mallas de las series estandarizadas, dividido entre 100. Las series estandarizadas consisten en mallas, cada una es el doble del tamaño de la precedente: 100, 50, 30, 16, 8, 4, 3/8”, hasta la malla de tamaño
más grande según la norma NTP 400.011. Los valores típicos tienen un rango entre 2,3 y 3,1 donde el valor más alto indica una gradación más gruesa.
4.2.2.1.5 Peso unitario (NTP 400.017)
Es el cociente de dividir, el peso de las partículas secas del agregado entre el volumen de las mismas, considerando los vacíos entre ellas (volumen aparente). Generalmente se expresa en kilos por metro cúbico. El peso unitario varía según las condiciones intrínsecas del agregado como: su forma, su granulometría y tamaño máximo con el volumen del recipiente, la forma de colocación; por lo que su determinación en el laboratorio no siempre corresponde al que se obtiene en condiciones de obra. 23
a) Peso unitario suelto:
Cuando el agregado seco se coloca con cuidado en un recipiente de diámetro y profundidad prescritas, que depende del tamaño máximo del agregado hasta que desborde y después es nivelado haciendo rodar una varilla por encima. Se obtiene el peso unitario suelto multiplicando el peso neto por el factor (f) de calibración del recipiente calculado. =
;
. . = ∗
b) Peso unitario compactado:
Cuando el cilindro (recipiente) se llena en tres etapas, se apisona cada tercio del volumen 25 veces con una varilla compactadora de punta redondeada de 5/8” de diámetro, y se remueve lo que sobresalga. Se
obtiene el peso unitario compactado multiplicando el peso neto por el factor (f) de calibración del recipiente calculado. =
;
. . = ∗
4.2.2.1.6 Peso específico (NTP 400.022)
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La Norma Técnica Peruana, establece el método de ensayo para determinar el peso específico (densidad); peso específico saturado con superficie seca, el peso específico aparente y la absorción después de 24 horas en agua del agregado fino. Las definiciones que se sugieren en la presente norma son:
a. Peso específico aparente: Es la relación a una temperatura estable, de la masa en el aire, de un volumen unitario de material, a la masa en el aire de igual densidad de un volumen igual de agua destilada libre de gas, si el material es un sólido, el volumen es igual a la porción impermeable.
í () =
( ) (500 )
b. Peso específico de masa:
Es la relación, a una temperatura estable, de la masa en el aire de un volumen unitario de material (incluyendo los poros permeables e impermeables naturales del material); a la masa en el aire de la misma densidad, de un volumen igual de agua destilada libre de gas.
í () =
25
( )
c. Peso específico de masa saturado superficialmente seco.
Es lo mismo que el peso específico de masa, excepto que la masa incluye el agua en los poros permeables.
=
500 ( )
4.2.2.1.7 Porcentaje de absorción (NTP 400.022)
Este ensayo nos permite determinar el porcentaje de absorción (después de 24 horas en el agua). Según la NTP, podemos definir la absorción, como la cantidad de agua absorbida por el agregado sumergido en el agua durante 24 horas. Se expresa como un porcentaje del peso del material seco, que es capaz de absorber, de modo que se encuentre el material saturado superficialmente seco.
ó(%) =
500
∗ 100
4.2.2.1.8 Contenido de humedad (NTP 400.010) Se puede definir el contenido de humedad, como el exceso de agua en un estado saturado y con una superficie seca, expresado en porcentaje (%). Si el agregado tiene una humedad inferior a la absorción, se debe agregar más agua al concreto para compensar lo que absorben los agregados. Por el contrario, si la humedad está por encima de la absorción, el agua a agregar 26
al concreto será menor, ya que los agregados aportarán agua. Debemos ajustar la cantidad de agua a agregar al concreto teniendo en cuenta la humedad de los agregados en el momento de elaborar el concreto, ya que, si la humedad es alta, aumentará la relación agua/cemento y disminuirá la resistencia, y si es baja, no se logará la trabajabilidad deseada. Ambas observaciones influyen mucho en la resistencia y propiedades del concreto, por lo que es importante saber controlar este concepto para tener resultados óptimos. 4.2.2.1.9 Material que pasa la malla Nº 200 (NTP 400.018)
Según la NTP 400.018 el porcentaje que pasa la malla Nº 200 se calcula como la diferencia del peso de la muestra y el peso de la muestra lavada y secada dividido entre el peso de la muestra y multiplicado por cien. El procedimiento aplicado se detalla a continuación: Se superpone los tamices Nº 16 (1,18 mm) y el Nº 200 (0,075 mm) de manera que el de mayor abertura quede en la parte superior. Se coloca la muestra de ensayo en el recipiente y se agrega suficiente cantidad de agua para cubrirla. El contenido del recipiente se agita con el vigor necesario como para separar completamente el polvo de las partículas gruesas, y hacer que éste quede en suspensión, de manera que pueda ser eliminado por decantación de las aguas de lavado.
27
Se vierten las aguas del lavado en los tamices cuidando en l o posible que no se produzca el arrastre de las partículas gruesas. Se repite la operación hasta que las aguas de lavado sean claras, se reintegra a la muestra lavada todo el material retenido en los tamices y finalmente se seca la muestra a una temperatura de 110ºC + 5ºC. AGREGADO GRUESO
4.2.2.2.1 Granulometría (NTP 400.012) El agregado grueso estará graduado dentro de los límites especificados en la norma NTP 400.037 o ASTM C 33. La granulometría seleccionada deberá ser preferentemente continua y deberá permitir obtener la máxima densidad del concreto con una adecuada trabajabilidad en función de las condiciones de la mezcla. La granulometría seleccionada no deberá tener más del 5% del agregado retenido en la malla de 1 ½” y no más del 6% del agregado que pasa la malla de ¼”.
4.2.2.2.2 Tamaño máximo ( TM). Es el que corresponde al menor tamiz por el que pasa la muestra de agregado grueso.
4.2.2.2.2.1 Tamaño Máximo Nominal (TMN) Es el que corresponde al menor tamiz de la serie utilizada que produce el primer retenido.
28
La mayoría de los especificadores granulométricos se dan en función del tamaño máximo nominal y comúnmente se estipula de tal manera que el agregado cumpla con los siguientes requisitos. 4.2.2.2.2.2 Granulometría Continua. Se puede observar luego de un análisis granulométrico, si la masa de agrupados contiene todos los tamaños de gramos, desde el mayor hasta el más pequeño, si así ocurre se tiene una curva granulométrica continua. 4.2.2.2.2.3 Granulometría Discontinua Al contrario de lo anterior, se tiene una granulometría discontinua cuando hay ciertos tamaños de grano intermedios que faltan o que han sido reducidos o eliminados artificialmente.
Tabla 3:Porcentaje pasante para agregados discontinuos. N
Tamaño
Porcentaje que pasa por los tamices normalizados
AST
Nominal
M
1
3 1/2"a1 1/2"
2
3
357
2 1/2"a1
4"
3
3"
2
2"
1
3/4"
1/2"
1/2"
1/2"
100 90a1
25a6
0a15
0a5
0a15
0a5
00
1/2"
3/8"
#4
0
100 90a1
35a7
1/2"
00
0
2"a1"
100
90a1
35a7
00
0
2"a #4
1"
100
95a1
29
0a15
0a5
35a7
10a3
0a5
#8
#16
00
4
1
100
0
0a15
0a5
95a1
35a7
10a3
#4
00
0
0
1"a1/2"
100
1/2"a3/4
90a1
20a5
00
5
0
"
467
5
56
57
6
1 1/2"a
1"a 3/8"
100
100
1"a #4
3/4"a3/8
90a1
20a5
00
5
90a1 00
7
8
10a4
0a15
5
0
00
0
0
90a1
20a5
00
5
0a5
0a15
90a1
20a5
0a1
00
5
0
90a1
40a7
0a1
00
0
5
100
85a1
10a
0a1
00
30
0
100
3/8"a #8
0a5
0a1
100
1/2"a #4
40a8
25a6
100
3/4"a #4
0a5
90a1
"
67
0a10
0a5
0a5
0a5
4.2.2.2.2.4 Módulo de fineza Es un concepto teórico determinado en un índice que refleja el tamaño de las partículas del agregado grueso, el módulo de fineza conforme a la norma 30
0a5
NTP 400.011 es la sumatoria de los porcentajes retenidos de la malla 1 ½ ” , ¾”, 3/8”, Nº 4 , Nº 8, Nº 16 , Nº 30, Nº 50, Nº
El módulo de finura del agregado grueso es útil en las mezclas de concreto y se obtiene, conforme a la norma NTP 400.011
ó () =
∑ % ( ) 100
4.2.2.2.3 Peso unitario (NTP 400.017)
El peso unitario del agregado grueso, al igual que el agregado fino, es el peso del agregado que se requiere para llenar un recipiente con un volumen unitario especificado, es decir la masa neta del agregado en el recipiente, dividida entre su volumen, expresado en Kg/m 3. Es una característica importante del concreto, porque es el índice de propiedades que a su vez influyen decisivamente en el empleo que se le da. El valor del peso unitario para agregados normales oscila entre 1 500 y 1 700 Kg/m³. La norma NTP 400.017 reconoce dos grados: suelto y compactado.
a) Peso unitario suelto:
Cuando el agregado seco se coloca con cuidado en un contenedor de diámetro y profundidad prescritas que depende del tamaño máximo del agregado hasta que desborde y después es nivelado haciendo rodar una
31
varilla por encima. Luego se obtiene el peso unitario suelto multiplicando el peso neto por el factor (f) de calibración del recipiente calculado. =
;
. . = ∗
b) Peso unitario compactado:
Cuando el contenedor se llena en tres etapas, se apisona cada tercio del volumen 25 veces con una varilla compactadora de punta redondeada de 5/8” de diámetro. Luego se obtiene el peso unitario compactado
multiplicando el peso neto por el factor (f) de calibración del recipiente calculado. =
;
. . = ∗
4.2.2.2.4 Peso específico (NTP 400.021)
El peso específico del agregado grueso es la relación de su peso respecto al peso de un volumen absoluto igual de agua (agua desplazada por inmersión). Se usa en ciertos cálculos para proporciona miento de mezclas y control. El valor del peso específico para agregados normales oscila entre 2 500 y 2 750. A continuación se muestra las expresiones que se utilizan para calcular los tres estados de pesos específicos al igual como hemos aplicado anteriormente con el agregado fino.
32
4.2.2.2.5 Porcentaje de absorción (NTP 400.021)
Se denomina absorción del agregado grueso cuando tiene todos sus poros saturados pero la superficie del mismo está seca. Es en esta condición como se hacen los cálculos de dosificación para elaborar concreto. La absorción del agregado grueso se determina de acuerdo con la norma ASTM C 127 de manera que se pueda controlar el contenido neto de agua en el concreto y se puedan determinar los pesos correctos de cada mezcla. A continuación se presenta la expresión que se utiliza para calcular el porcentaje de absorción al igual como hemos aplicado anteriormente con el agregado fino .
ó(%) =
500
∗ 100
4.2.2.2.6 Contenido de humedad (NTP 400.010)
Se define como el exceso de agua en un estado saturado y con una superficie seca, expresado en porcentaje (%). es una característica importante que se debe de tomar en cuenta porque altera la cantidad de 33
agua en el concreto y nos permite efectuar las correcciones necesarias en el proporciona miento de las mezclas de diseño. La norma, establece el método de ensayo para determinar el contenido de humedad del agregado grueso, los agregados se presentan en los siguientes estados: seco al aire, saturado superficialmente seco y húmedos; en los cálculos para el proporcionamiento de los componentes del concreto, se considera al agregado en condiciones de saturado y superficialmente seco, es decir con todos sus poros abiertos llenos de agua y libre de humedad superficial.
4.2.2.2.7 Material que pasa la malla Nº 200 (NTP 400.018)
Este ensayo, consiste en determinar la cantidad de finos que se presenta en el agregado grueso, material que puede ser perjudicial para el concreto. Se calcula dividiendo el peso del material que pasa la malla N o 200 y el peso de la muestra, así como se muestra a continuación. % º200 = (1
)∗100
4.2.3 DIS E ÑO DE MEZCLA : El diseño de mezcla es el proceso de escoger los materiales adecuados del concreto para determinar las cantidades relativas de los mismos, con el objeto de producir un concreto tan económico como sea posible, concreto con cierto mínimo de propiedades, especialmente resistencia, durabilidad y una consistencia requerida. 34
Existen en la actualidad una serie de métodos de diseño de mezclas que con mayor o menor refinamiento establecen tablas y/o gráficos para estimar cantidades de agua de amasado en función del tamaño máximo, geometría del agregado, así como el asentamiento, relaciones agua/cemento a usar, las proporciones en que deben intervenir la piedra y la arena en base a gradaciones y consideraciones teóricas y/o prácticas. Conseguir una mezcla con un mínimo de pasta y volumen de vacíos o espacios entre partículas y consecuentemente cumplir con las propiedades requeridas es lo que la tecnología del concreto busca en un diseño de mezclas.
Diseño de mezclas de concreto con cemento portland tipo Ico para la relación a/c 0,41; 0,48; 0,57; 0,68; 0,82.
Los parámetros básicos, de diseño de mezclas de concreto son los siguientes:
a) Volúmenes absolutos. Todos los métodos de diseño de mezclas exactos, se basan en el principio de considerar en el cálculo, los volúmenes de los componentes sin incluir los vacíos entre ellos, de manera que sumados conjuntamente con el aire que atrapa el concreto suministren la unidad de medida que se esté adoptando, que usualmente es 1m 3.
35
En consecuencia, se trabaja en los cálculos con el peso específico de masa, sea en condición seca o saturada superficialmente seca, para obtener los volúmenes sólidos de los componentes, de modo de dosificarlos adecuadamente para lograr la unidad volumétrica de medida. b) La relación agua/cemento
Un parámetro ineludible en el diseño de mezclas es la relación agua/cemento, pues como ya hemos visto al evaluar los conceptos sobre los materiales en el concreto. Se establecen una serie de criterios para elegir la relación a/c más recomendable para cada caso particular y así tener alternativas de decisión al respecto cuando las condiciones particulares así lo exijan.
c) La granulometría de los agregados gruesos y el tamaño máximo de la piedra. Está generalizado mundialmente el criterio de utilizar las granulometrías o gradaciones de agregados que provean el mejor acomodo entre las partículas creando una estructura muy densa. No se pueden establecer criterios absolutos en este aspecto, pero sin embargo, casi todos usan de alguna manera el concepto del módulo de fineza por el sustento teórico, lo que constituye un parámetro que siempre está ligado de alguna manera al diseño. Dentro de la granulometría, un factor importante, es el tamaño máximo del agregado y su forma. Está justificado experimentalmente que este 36
factor influya en la cantidad de agua que requiere la mezcla para satisfacer condiciones de trabajabilidad, y así cuanto mayor sea el tamaño del agregado y más redondeado, menor será el requerimiento de agua.
d) La trabajabilidad y su trascendencia: La trabajabilidad constituye el parámetro más manejado por los que diseñen, producen y colocan concreto, sin embargo es el más difícil de definir, evaluar y cuantificar en términos absolutos. Se define como el mayor o menor trabajo que hay que aportar al concreto en estado fresco en los diferentes procesos de fabricación, transporte, colocación, compactación y acabado. Finalmente, en relación a los parámetros básicos y las tablas recomendadas hay que tener siempre presente que los diseños de mezcla los hacemos inicialmente asumiendo que las condiciones de temperatura y humedad son las estándar (20° centígrados), lo cual difiere por lo general de las condiciones reales, por lo que no deben perderse de vista nunca estos factores al diseñar y evaluar un diseño de mezcla, ya que puede trastornar nuestras premisas y resultados.
e) Ajustes de mezclas de prueba.
37
El diseño de mezcla que mencionamos sirve para calcular las proporciones de los diferentes materiales que componen el concreto, permiten conocer unas cantidades que teóricamente producen un concreto con las propiedades deseadas. Sin embargo, existen algunos factores de los materiales que no se detectan en los ensayos y que traen como consecuencia un concreto con propiedades algo diferentes a las esperadas. Por esto es necesario comprobar las cantidades teóricas por medio de mezclas de prueba la mezcla de prueba se debe efectuar de acuerdo con la norma N.T.P 339.082. A dicha mezcla se le verifica el peso unitario y el rendimiento volumétrico del concreto, así como el contenido de aire. También se debe observar que el concreto tenga la trabajabilidad y el acabado adecuado y que no se presente exudación ni segregación. De acuerdo a ello, se puede llevar a cabo los ajustes pertinentes con las proporciones de las mezclas subsecuentes siguiendo el procedimiento sugerido por el ACI y que se indica a continuación: ● Se estima de nuevo la cantidad de agua de mezclado necesaria
por metro cúbico de concreto, dividiendo el contenido neto de agua de mezclado de la mezcla de prueba entre el rendimiento de la mezcla de prueba en metros cúbicos. Si el asentamiento de la mezcla de prueba no fue el correcto, se aumenta o se disminuye la cantidad estimada de agua en 2,00 Kg por cada centímetro de aumento o disminución del asentamiento requerido.
38
● Si el contenido de aire que se obtuvo no es el deseado (para
concreto con aire incluido), se estima nuevamente el contenido de aditivo requerido para el contenido adecuado de aire, y se aumenta o se reduce el contenido de agua de mezclado en 3,00 Kg/m 3 por cada 1 % de contenido de aire que deba disminuirse o aumentarse en la mezcla de prueba previa. ● Se calculan los nuevos pesos de la mezcla partiendo de la elección
de la relación agua/cemento. Si es necesario, se modifica el volumen de agregado grueso, con el objeto de lograr una trabajabilidad adecuada.
4.2.4 E nsayos al concreto: Resistencia a la flexión
Con ayuda de la norma (ASTM-C293) se realizó el ensayo para determinar el esfuerzo de flexión de las diferentes muestras, utilizando una viga simplemente apoyada con carga en el centro de la luz. El equipo utilizado fue un aparato de carga que consta de dos bloques de apoyo y un bloque de aplicación de carga, dichos bloques se mantuvieron en posición vertical y en contacto con la barra de pivote por medio de tornillos cargados de resortes, además se utilizó la máquina Marshall en donde se registró la carga y la deformación de las muestras ensayadas, la velocidad de ensayo con la que fue programada la máquina es de 1.02 mm/min para las muestras de concreto simple y concreto reforzado con FRCM, y para las muestras de concreto reforzado con fibras de coco y concreto reforzado con 39
fibras de coco y FRCM se utilizó una velocidad de 2.03 mm/min Después de obtener los datos del ensayo se tabularon y se determinó la resistencia a flexión con la siguiente fórmula:
=
Donde: R: módulo de rotura P: carga máxima aplicada b: ancho promedio de la muestra d: espesor promedio de la muestra L: longitud entre soportes Resistencia al impacto:
De acuerdo con la recomendación del ACI 544.2R (ACI 544.2R “Measurements of Propierties of Fiber Reinforced Concrete” ), la prueba se
realiza sobre una muestra circular de concreto de 150 mm de diámetro y 63.5 mm de espesor, por lo que se fabricaron cilindros de 150 × 300 mm, para minimizar el posible alineamiento de las fibras y de ahí obtener los especímenes de ensaye. La prueba consiste en dejar caer repetidamente un peso de acero de 4.54 kg desde una altura de 457 mm sobre la muestra de concreto, y se registra el número de veces necesario para generar la primera fisura sobre la parte 40
superior de la muestra y hasta causar la falla última, debiendo reportarse ambos datos. La falla Inicial se identifica al aparecer una grieta visible, por lo tanto, la resistencia al impacto a la primera grieta (RPG) se registrará por el número total de golpes necesarios para iniciar una grieta visible. En la Figura se puede observar un esquema del dispositivo para la prueba de impacto, según las recomendaciones de ACI 544.2R.
Figura 5:Esquema del dispositivo para la prueba de impacto según (ACI544.2R, 1989).
La falla completa ocurre cuando se llega a aplicar el número de golpes necesarios para extender las grietas lo suficiente, de tal forma que la muestra llega a tocar los extremos del molde de acero sobre el cual es colocado la muestra, para llevar a cabo la prueba. Por lo tanto, la resistencia al impacto último (RIU) corresponde al número total de golpes necesarios para iniciar y propagar las grietas hasta la falla última. Para las muestras se utilizan 3 cilindros, por lo que se obtienen 12 muestras para cada una de las mezclas, como se puede observar en la Figura.
41
Figura 6:Esquema de cortes para la prueba de Resistencia al Impacto.
Para llevar a cabo la prueba, se mandó a hacer una placa para sostener al espécimen de concreto, y para el peso que se dejaba caer, se empleó un pisón el cual cumple con los requisitos del peso (ACI544.2R, 1989). El peso de la masa de impacto corresponde a un martillo Proctor Modificado que cumple con los requisitos de la norma (ASTMD1557), el cual se emplea para pruebas de consolidación en suelos según se indica en la norma, y es de 4.54 kg. La altura de caída para la aplicación de los golpes de impacto fue de 457 mm (18”). En la Figura 1.10 se puede observar el equipo utilizado
para desarrollar la prueba de impacto.
42
Figura 7:Equipo de la prueba de impacto
4.2.5 Método experimental En el presente proyecto se elaboraron dieciocho probetas, nueve discos de concreto de 5 x 15 cm y nueve vigas de concreto de 15 x 15 x 45 cm. De las cuales en cada grupo de nueve encontrábamos 3 probetas patrones y lo restante, probetas con refuerzo de fibras. A continuación se presenta un esquema detallado sobre el esquema que se ha seguido a lo largo del proyecto.
43
AGREGADOS
AGREGA DO FINO
AGREGADO GRUESO
CARACTERIZACIO HUMEDA
CEMENTO
PESO ESPECÍFICO
AGUA SUPERPLASTIFICA
FIBRAS NATURALES GRANULOMETRI A MUESTR AS CON REFUERZO (FIBRAS)
MUESTRA S PATRON
PESO UNITARIO
FLEXION ENSAYOS IMPACTO
44
Caracterizacion DE AGREGADOS
El control adecuado en lo referente a la preparación de un concreto convencional con refuerzo de fibras naturales (cabuya y fibra de palmera de coco), se realizó a partir de la obtención de la materia prima. Para la preparación de este tipo de concreto se empleó cemento portland tipo Ico, fibra de cabuya, arena gruesa, grava de 5/8”, aditivo superplastificante SIKACEM y agua potable de la ciudad de Trujillo. Para la obtención de las fibras de cabuya, se compró sogas de cabuya en el mercado mayorista, las cuales fueron lavadas, secadas y deshilachadas en fibras de menor tamaño. Para la obtención de la fibra de palmera de coco, se visitó a cuidad de chao en el valle de viru para su extracción in situ, luego se procedió a limpiar, lavar la fibra, esta ficha se utilizó sin deshilachar dado que el proyecto está orientado a utilizar la fibra de palmera de coco como tejido o capa. Una vez tomadas las muestras respectivas de los agregados de grava y arena gruesa, se procederá sus respectivos análisis granulométricos según la norma ASTM C 33. La determinación del peso específico y la absorción se realizó según norma ASTM C-128. Se determinó el peso unitario suelto seco y el peso unitario compacto seco según lo especificado en norma ASTM C 29 y por último se realizó la determinación del contenido de humedad en los agregados según norma ASTMC-566. 45
Tabla 4:Características determinadas en la caracterización de agregado fino.
Módulo de finura
Peso
Absorción
específico de
(%)
masa 2.7
Peso
Humedad
unitario
(%)
(kg/ ) 2.57
0.89
1791.06
1.69
Tabla 5:Características determinadas en la caracterización de agregado grueso.
Tamaño
Tamaño
Peso
Peso
máximo
máximo
específico Absorción
unitario
Humedad
(TM)
nominal
de masa
(kg/ )
(%)
(%)
(TMN) 3/4”
1 /2 ”
2.53
2.26
1624.7 8
Diseño de mezcla
Las proporciones necesarias de los componentes en que se basó la preparación de las mezclas se muestran en la tabla…
Se tuvo un exhaustivo cuidado con la variación de humedad de los agregados, ya que esta influye notablemente en el contenido de humedad total en el concreto. Teniendo que proteger los agregados de imprevistos climáticos como lluvias, etc. Se realizó el diseño del caso variando el contenido de fibra de palmera de coco y cabuya, manteniéndose estable la relación agua cemento y la cantidad de aditivo (SIKA CEM) utilizado. Para el diseño de mezcla se utilizó una tabla con especificaciones según ACI, tabla…
46
0.77
A continuación los cálculos para el diseño de mezcla: Para resistencia a compresión necesitaremos una viga con f´c =180 Kg/ y un slump de 3”-4”.
1. Calculo de resistencia a la compresión corregida: f´cr = f´c + f.s f´cr = 180 Kg/ + 70 Kg/ f´cr = 250 Kg/ 2. Calculo de la relación agua cemento: De la tabla 9.3 obtenemos la relación entre f´cr y la relación a/c, obteniéndose una relación a/c de 0.62. 3. Calculo dela cantidad de agua a utilizar: De la tabla 9.5 obtenemos la cantidad de agua a utilizar en la mezcla, utilizando como referencia el slump y el TMN del agregado grueso. Obteniendo una cantidad de 216 l / . 4. Calculo de la cantidad de cemento: R a/c = 0.62, a=216 l / Despejando c, tenemos una cantidad de cemento de 348.39 Kg/ . 5. Cálculo de la masa de agregado grueso(piedra): m. piedra = PUCS (piedra) * factor De la tabla 9.4 obtenemos el factor a multiplicar, la cual toma como referencia el TMN de la piedra y el módulo de finura de la arena. Factor = 0.56 m. piedra = 909.88 Kg/ . 6. Cálculo de la masa de agregado fino (arena gruesa): Se realizara el cálculo de la masa de arena, primero calcularemos el volumen de arena en un 1 , luego calcularemos su masa multiplicando este volumen por su densidad. V arena = 1 -(Vagua + Vcemento + Vpiedra + Vaire) 47
V arena = 1 -( +
+
+ )
6
489
V arena = 1 -(/ +
9/
+
99.88 /
+ 0.03)
V arena = 0.275 m. arena = 0.275 * 2.570 / = 706.75 kg. Nota: el volumen de aire contenido en 1 de concreto sin aire incluido es 3%.
7. Cálculos las masas corregidas de agregados por efectos de humedad. m. c. de piedra = m. piedra (1 + H%) m. c. de arena = m. arena (1 + H%) H% = humedad en porcentaje m. c. de piedra = 909.88 kg (1+0.0077) m. c. de piedra = 916.88 kg. m. c. de arena = 706.75 kg (1+0.0169) m. c. de arena = 826.19 kg. 8. Corrección de agua por efecto de absorción y humedad. Ap = m. piedra (Abs. % – H%) Aa = m. arena (Abs. % – H%) Ap = agua corregida en piedra Aa = agua corregida por arena Abs. = absorción H = humedad .89−.69
Aa = 706.75 kg (
) = 5.65 kg.
.6−.77
Ap = 909.88 kg (
) = 13.56 kg. 48
9. Calculo de la cantidad de aditivo: Se utilizó 2.71 kg de aditivo por .
Tabla 6:Diseño de mezcla para 1m 3 de concreto con relación a/c de 0.62.
Constituyent
Pesos (Kg)
e Cemento
348.39
Agua
193.41
Grava
916.88
Arena
826.19
Aditivo
2.71
Se usó diferentes cantidades en peso de fibra, para el diseño 1 se usó 30 g. de fibra de palmera de coco y 10 g. de fibra de cabuya por probeta; para el diseño 2 se utilizó 45g de fibra de palmera de coco y 20g.de fibra de cabuya por probeta. Se mezcló primero los sólidos en una superficie recta y consistente, posteriormente se agregó la porción de agua mezclada con aditivo plastificante en forma graduada de tal manera que la mezcla quede lo más homogénea posible. 4.2.5.2.1 PREPARACIÓN DE VIGAS DE CONCRETO -
Se colocó los moldes previamente aceitados sobre una superficie horizontal y nivelada, libre de vibraciones o agentes nocivos.
-
Se llenó con la mezcla de concreto en tres capas de igual volumen, se compacto capa por capa con 25 penetraciones de varilla usando la punta semiesférica, se compacto toda la capa inferior, la segunda y la tercera se penetro 2 a 3 cm. en la capa inferior.
-
Luego de compactar cada capa con un martillo de goma de 15 a 20 golpes para liberar las burbujas de aire atrapadas dentro del concreto y se procedió a enrazar el exceso de concreto y se enlució. 49
-
Se desmoldo a las 24 horas. de llenado y se codificó para diferenciar una de otra, segundo se llevó al a poza de curado durante 4 días.
4.2.5.2.2 PREPARACIÓN DE MOLDES CILINDRICOS PARA IMPACTO: -
Se enrazo el interior de cada molde y se colocó en una superficie plana.
-
se llenó los moldes con la mezcla de concreto en dos capas, cada una debidamente compactada.
-
Se nivelo para evitar el exceso de mezcla.
-
Luego se llevó a la poza de curado por 5 días.
Se extrajeron las probetas de la poza de curado. Se enumeraron aleatoriamente las probetas del 1 al 3, para cada relación de fibra adicionada. Según el orden número se ensayó.
Ensayo de flexión a 4 puntos Se ensayaron las vigas de concreto según norma ASTM C 78. Se tomaron las medidas: longitud, ancho y altura de cada probeta, luego se marcó el centro y longitudes de 20cm. desde el centro hacia los extremos de la viga. Se colocó la viga en la máquina de flexión y se obtuvo los resultados tanto de fuerza y resistencia.
50
Figura 8:Geometría de la probeta y distribución de momentos en el ensayo de flexión en cuatro puntos.
σ max = 3P (L - t) / wh 2
Ensayo de impacto Se ensayaron las probetas circulares con una bola de acero de 1 kg. Y un martillo de acero. Se tomó una altura de 50cm. desde la superficie superior de la probeta circular. Se dejó caer libremente el martillo de acero sobre la bola de acero. Se contabilizaron las cantidades de impacto que resistió cada probeta hasta que falle.
51
5 ANALISIS DE RESULTADOS 5.1 Resultados: 5.1.1 Probetas patrón: Ensayo de flexión, método de los 4 puntos de la muestra patrón
Tabla 7:Resultado de las mediciones de sus dimensiones y las carga aplicada a la vigas patrón.
L P1 P1 P3
T 40 44.4 45.3
20 20 20
Patrón P 21.45 23.23 25.2
H
W 15.5 15.5 15.6
15.7 15.3 15.6
Tabla 8: Resistencia a la flexión de las probetas patrón evaluadas mediante el método de los 4 puntos según((ASTM, 1998) D 198)
N° probeta
R flex (Mpa) 0.34 0.46 0.50 0.44
P1 P1 P3 PROMEDIO
Con los datos obtenido de las medición de las dimensiones y la carga aplicada en el ensayo de flexión mediante el método de los 4 puntos estipulado en (ASTM, 1998) D 198 obtenemos la resistencia la flexión en MPa mostrada en la tabla anterior, además
se muestra
el promedio
aritmético de dichas resistencias, de dicha tabla extraemos que la resistencia a la flexión para una viga con diseño de mezcla de 210f’c y un slump de 3-4
pulgadas evaluado a la edad de 3 días tiene en promedio una resistencia de 0.44 MPa de resistencia a la flexión y una desviación estándar de 0.08 MPa.
52
1.1.1.2 Ensayo de resistencia al impacto: Tabla 9: Resistencia al impacto expresada en el número de golpes evaluado según (ACI544.2R, 1989)
PATRÓN PROBETA N.º N.º GOLPES P1 P2 P3 PROMEDIO
8 9 7 8
La tabla 9 muestra la resistencia al impacto expresado como el número de golpes o impactos necesarios para provocar
que las grietas se
propaguen dando como resultado la expansión de la pastilla de 3/16” con
una esfera de acero de 1 kg y un martillo Proctor modificado, dicho ensayo nos muestra que para los especímenes patrón la falla por impacto se produce cuando recibe 8 impactos y una variación estándar de 1 golpe para un diseño de mezcla de 210 de f’c y un slump de 3-4 pulgadas ,a una edad
de 3 días.
5.1.2 Probetas con adición de 30g de tejido de fibra coco, y 15 g de fibra de cabuya Ensayo de flexión, método de los 4 puntos: Tabla 10:Resultado de las mediciones de sus dimensiones y las carga aplicada a la vigas con adición de 30g de tejido de coco, y 15 g de fibra de cabuya.
probeta 1 2 3
cabucoco 30g y relación cabuya /coco 0.5 L T P H 44.5 20 28.36 14.5 45.3 20 29.38 15.25 40 20 42.36 15.7
53
W 15.2 15.4 15.3
Tabla 11:Resistencia a la flexión en MPa de las probetas con adición de 30g de tejido de fibra de coco y 15 g de fibra de cabuya
nº probeta
R flex (Mpa)
0.65 0.62 0.67 0.65
1 2 3 PROMEDI O
Con los datos obtenido de las medición de las dimensiones y la carga aplicada en el ensayo de flexión mediante el método de los 4 puntos estipulado en (ASTM, 1998) D 198 obtenemos la resistencia la flexión en MPa mostrada en la tabla anterior, además
se muestra
el promedio
aritmético de dichas resistencias, de dicha tabla extraemos que la resistencia a la flexión para una viga con diseño de mezcla de 210f’c y un slump de 3-4
pulgadas con una adición de 30g de tejido de fibra de coco y 15 g de fibra de cabuya evaluado a la edad de 3 días tiene en promedio una resistencia de 0.65 MPa de resistencia a la flexión y una desviación estándar de 0.02MPa.
Ensayo de resistencia al impacto: Tabla 12: Resistencia al impacto expresada en el número de golpes evaluado según (ACI544.2R, 1989)
PROBETA Nº 1 2 3 PROMEDIO
Nº GOLPES 10 11 14 12
54
La tabla 12 muestra la resistencia al impacto expresado como el número de golpes o impactos necesarios para provocar
que las grietas se
propaguen dando como resultado la expansión de la pastilla de 3/16” con
una esfera de acero de 1 kg y un martillo Proctor modificado, dicho ensayo nos muestra que para los especímenes patrón la falla por impacto se produce cuando recibe 12 impactos y una variación estándar de 2 golpes para un diseño de mezcla de 210 de f’c , un slump de 3-4 pulgadas y con
una adición de 30g de tejido de fibra de coco y 15 g de fibra de cabuya evaluado a una edad de 3 días.
5.1.3 Probetas adicionadas con 45g de tejido de coco, y 22.5 g de fibra de cabuya Ensayo de flexión, método de los 4 puntos: Tabla 13:Resultado de las mediciones de sus dimensiones y las carga aplicada a la vigas con adición de 45g de tejido de coco, y 22.5 g de fibra de cabuya.
nº probeta 1 2 3
Cabucoco 45g y relación cabuya /coco 0.5 L T P H W 45.2 20 28.04 15.5 16 45 20 28.37 15.6 15.7 45.1 20 27.76 15.75 15.5
Tabla 14:Resistencia a la flexión en MPa de las probetas con adición de 45g de tejido de fibra de coco y 15 g de fibra de cabuya. nº probeta
R fex (Mpa)
1
0.55 0.56 0.54 0.55
2 3 PROMEDI O
Con los datos obtenido de las medición de las dimensiones y la carga aplicada en el ensayo de flexión mediante el método de los 4 puntos 55
estipulado en (ASTM, 1998) D 198 obtenemos la resistencia la flexión en MPa mostrada en la tabla anterior, además
se muestra
el promedio
aritmético de dichas resistencias, de dicha tabla extraemos que la resistencia a la flexión para una viga con diseño de mez cla de 210f’c , un slump de 3 -4 pulgadas y adicionadas con 45g de tejido de fibras de coco, y 22.5 g de fibra de cabuya evaluado a la edad de 3 días tiene en promedio una resistencia de 0.55 MPa de resistencia a la flexión y una desviación estándar de 0.01 MPa
Ensayo de resistencia al impacto: Tabla 15: Resistencia al impacto expresada en el número de golpes evaluado según (ACI544.2R, 1989),para especímenes una adición de 45g de tejido de fibra de coco y 22.5g de fibra de cabuya a tres días de edad .
COCo 45G R CO/CA 0.5 PROBETA Nº Nº GOLPES 1 8 2 9 3 7 PROMEDIO 8
La tabla 15 muestra la resistencia al impacto expresado como el número de golpes o impactos necesarios para provocar
que las grietas se
propaguen dando como resultado la expansión de la pastilla de 3/16” con
una esfera de acero de 1 kg y un martillo Proctor modificado, dicho ensayo nos muestra que para los especímenes patrón la falla por impacto se produce cuando recibe 8 impactos y una variación estándar de 1 golpes para un diseño de mezcla de 210 de f’c , un slump de 3-4 pulgadas y con una
adición de 45g de tejido de fibra de coco y 22.5g de fibra de cabuya evaluado a una edad de 3 días. 56
6 DISCUSIÓN
Figura N°13: Grafica de la resistencia a la flexión según la cantidad de fibra de coco
Al evaluar la resistencia a la flexión de las vigas de concreto con núcleo reforzado con fibra natural por capas, se reportó que la resistencia de la muestra patrón fue de 0.44 Mpa, de la viga adicionada con 30g de tejido de fibra coco, y 15 g de fibra de cabuya fue de 0.65 Mpa y la viga adicionada con 45g de tejido de coco, y 22.5 g de fibra de cabuya obtuvo una resistencia a la flexión de 0.55 Mpa lo que significa que al reemplazar una parte de la mezcla con fibra colocada por capas cerca del núcleo de la viga aumenta la resistencia a la flexión siempre y cuando no se cambie una considerable cantidad de mezcla por fibra.
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Figura N°14: Grafica de la cantidad de golpes que resistieron las probetas según la cantidad de fibra de coco
Por otro lado en cuanto a la resistencia al impacto se obtuvo que la resistencia de la muestra patrón fue en promedio de 8 golpes, de la probeta adicionada con un 0.2 % de fibra tejida de coco y fibra de cabuya resistió en promedio 12 golpes y la probeta adicionada con un 0.3% de tejido de coco y fibra de cabuya resistió 8 golpes, por lo que se puede deducir que con un pequeño porcentaje de refuerzo de fibra de coco y cabuya la resistencia al impacto sube pero si se coloca en exceso desciende.
58
2 CONCLUSION En cuanto a la resistencia a la flexión, la probeta con un total de 45 g de fibra para una probeta de alrededor de 28 kg es decir un 0.2% de fibra obtuvo una mejora en su resistencia en comparación a la muestra patrón, mientras que la probeta con un 0.3% de adición de fibra prácticamente no mejoro la resistencia a la flexión, con un pequeño porcentaje de fibra es posible mejorar la resistencia a la flexión. (Cabe recalcar que la fibra se colocó en capas cerca al centro para reforzar el núcleo de la probeta).
Referente a la resistencia al impacto las probetas con un 0.2% de fibra de coco y cabuya incrementaron su resistencia, pero al agregar más fibra no se nota una mejora considerable. A porcentajes mínimos de fibra natural (hasta 0.2 % de la mezcla) se logra favorecer la resistencia al impacto.
El concreto adicionado con fibra tejida de coco y fibra de cabuya disminuye el riesgo de derrumbe de la estructura, pues al realizar los ensayos de resistencia a la flexión se observó que las vigas quedaban sujetas por la fibra evitando que se derrumben.
Al reemplazar una parte considerable de la mezcla con fibra tejida de coco y fibra de cabuya baja sus propiedades mecánicas, pues estamos reemplazando cemento, agregados, que aportan alta resistencia a la mezcla por fibra orgánica lo cual no favorece a la estructura. Si se reemplaza en una mínima proporción si se observan mejoras en las resistencias estudiadas. 59
7 ANEXO: 7.1 ANEXO A: Fotos de los Materiales e Insumos
Foto 1 : Agregado grueso (grava) y Agregado fino (arena)
Foto 2:
Cemento portland tipo Ico.
Foto 3: fibra de palmera de coco ()
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7.2 ANEXO B: Fotos de la Caracterización de Agregados
Foto 4: cortado de fibra de palmera de coco (izquierda), lavado de la fibra de coco (derecha)
61
Foto 5: tamizado de agregado grueso en malla 5/8".
Foto 6: Ensayo de peso unitario de agregado fino, varillado (izquierda), enrazado (derecha)
62
Foto 7: Ensayo de absorción y peso específico del agregado grueso, obtención de peso suspendido.
Foto 8: Ensayo de peso específico y absorción del agregado fino. Obtención de masa sss.
63
Foto 9: Extracción del agua de la fiola (izquierda) y ensayo de humedad, registro de masa inicial (derecha)
64
7.3 ANEXO C: Fotos de Procedimiento
Foto 10: Mezclado de componentes del concreto.
Foto 11: Conformado de vigas de concreto con adición de fibra de cabuya y palmera de coco.
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Foto 12: Conformado de probetas cilíndricas con r efuerzo de fibra de cabuya y palmera de coco.
Foto 13: Ensayo de impacto de probetas circulares.
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Foto 14: Ensayo de flexión a 4 puntos de vigas de concreto.
Foto 15: Probetas circulares luego de ser ensayada a impacto.
Foto 16. Vigas de concreto después de ser ensayadas a flexión a 4 puntos.
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Foto 17: Vigas de concreto más refuerzo de fibra de cabuya y fibra de palmera de coco.
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