2.1 Materiales de bajo impacto ambiental

El uso y reutilización de materias primas alternativas se ha generalizado alrededor del mundo con la finalidad de obtener materiales de bajo impacto ambiental. Tal es el caso de Uruguay donde se ha empleado un sistema de construcción utilizando bloques de Suelo-Cemento fabricados con cargas de compresión elevadas a fin de conferirles una alta resistencia, excelente aislamiento térmico y durabilidad (^{Patrone, García & Nigro, 2005}). En Venezuela, los cimientos son de piedra combinados con tierra, techumbres de madera y para los muros pacas de paja recubiertas con mezclas de cal o tierra para protegerlas de los agentes externos (^{Patrone, García & Nigro, 2005}). En Cuba,

se determinaron las propiedades físicas, mecánicas y de durabilidad de un concreto con adiciones inertes y activas, fabricados con 25% y 100% de agregado grueso reciclado. Los resultados muestran que el concreto fabricado con agregado reciclado con adiciones activas mejora la durabilidad de un concreto convencional (^{Pavo, Etxeberría & Martínez, 2011}).

En Chile, se han diseñado casas en donde los cimientos son a base de piedra con una estructura de tronco y brea colocada dentro de mallas metálicas y revestidas con barro (^{Patrone, García & Nigro, 2005}). En México, la utilización de suelos, cal o cemento Portland como estabilizante, mucilago de nopal y agua como mezcladores, han permitido fabricar bloques de tierra comprimida (BTC) que se utilizan en diversos tipos de vivienda para reducir los costos y emisiones de CO₂ (^{Roux 2010}). Asimismo, se han llevado a cabo estudios de materiales cementantes de bajo impacto ambiental que han utilizado fibras que permiten reducir el uso del acero de refuerzo estructural. De manera general, las fibras pueden ser clasificadas según su origen en vegetal (provenientes de tallos o de hojas), minerales (asbesto) y producidas por el hombre (acero, vidrio y poliméricas). Se han realizado investigaciones sobre el uso de fibras vegetales como una alternativa a las fibras minerales para reforzar materiales cementantes (^{Juárez, Valdez & Durán, 2004}).

Estas fibras se pueden considerar como un “material verde” o amigable con el medio ambiente, y son una opción viable para los años venideros. Además, se encuentran distribuidas en todo el mundo por lo que su uso como material de refuerzo en una matriz cementante es una alternativa económica y de bajo impacto ambiental para la construcción.

Para conocer la factibilidad de las fibras como un material de refuerzo es necesario un estudio de sus propiedades y morfología (^{Pacheco-Torgal, Jalali, 2011}; ^{Jarabo, Monte, Blanco & Tijero, 2012}). Se han hecho muchas aportaciones con el paso del tiempo en la utilización de distintas fibras naturales tales como las provenientes del coco, sisal, bagazo de caña, bambú, palma, yute y madera debido a su abundancia en ciertas regiones del mundo (^{Pacheco-Torgal, Jalali, 2011}). En años recientes ha ido creciendo el interés por la utilización de estas fibras como refuerzo en materiales cementantes. Algunas investigaciones han demostrado que empleadas como refuerzo presentan propiedades comparables y competitivas a los concretos reforzados convencionales (^{Azis & Lee 1984}; ^{ACI, 1998}).

Adicionalmente al uso de la fibra vegetal como sustituto del acero de refuerzo, se puede reducir el impacto ambiental de compuestos cementantes al agregar materiales de desecho industrial como sustitutos del cemento, tal es el caso de la ceniza volante. El beneficio de esta sustitución radica en la reducción del consumo del cemento, principal componente del concreto, pero que presenta el inconveniente ecológico de liberar una importante cantidad de CO₂ y otros gases nocivos al ambiente durante su fabricación (^{USGS, 2015}). Además, el uso de cenizas volantes como sustituto de cierta cantidad de cemento en el concreto está justificado por dos razones adicionales: el ahorro económico que supone la reducción del cemento empleado y los cambios microestructurales motivados por la sustitución. Sobre este segundo punto existe consenso en considerar que las cenizas generan un concreto más denso y una reducción del tamaño medio del poro.

2.2 Aspectos de durabilidad.

Otro aspecto clave a considerar en los materiales de bajo impacto ambiental se vincula con su durabilidad en condiciones de servicio. Se ha visto que la sustitución parcial del cemento portland con ceniza volante en cantidades del orden de 50% al 60% conduce a tener materiales cementantes con mejor desempeño de durabilidad (^{Malhotra 2001}). Sin embargo, es necesario tomar en cuenta que el uso de las fibras naturales dentro de la matriz cementante presenta una serie de problemas relacionados con su naturaleza orgánica. Diversos estudios han encontrado que existe una degradación de las fibras naturales cuando están inmersas en la matriz cementante debido a que ambientes de elevada alcalinidad de la matriz disuelven los compuestos primarios de las fibras como son la lignina y la hemicelulosa y en consecuencia se debilita su microestructura microstructure (^{Stancato, Burke & Beraldo, 2005}; ^{Sedan, Pagnoux, Smith & Chotard, 2008}; ^{Kriker, Bali, Debicki, Bouziane & Chabannet, 2008}). Otro factor a considerar es la elevada absorción que presentan las fibras naturales (^{Savastano, Warden y Coutts 2005}). Para reducir este fenómeno se ha reportado el uso de sustancias orgánicas para recubrirlas, limitando el porcentaje de absorción de la fibra hasta un 4% (^{Alawar, Hamed y Al-Kaabi 2009}; ^{Bilba y Arsene 2008}); otras alternativas están en el uso de la hornificación (^{Claramunt, Ardanuy, García-Hortal & Filho, 2011}).

Así como la modificación de la alcalinidad de la matriz utilizando cementos mezclados adicionando puzolanas tales como ceniza volante, cascarilla de arroz y bagazo de caña (^{Agopyan et al. 2005}; ^{De Gutiérrez, Díaz y Delvasto 2005}; ^{Savastano, Warden y Coutts 2003}). Sin embargo, se ha encontrado que el uso de estos materiales cementantes suplementarios no garantiza necesariamente la no degradación de las fibras, debido a que los diferentes compuestos en las mismas no reducen sustancialmente la alcalinidad de la matriz cementante (^{Mohr, Biernacki y Kurtis 2007}; ^{John 2005}; ^{Tonoli et al. 2010}). Bajo esta perspectiva, el objetivo de la investigación que se documenta en el presente artículo consiste en estudiar el comportamiento mecánico de compuestos cementantes de bajo impacto ambiental que usen como refuerzo fibras vegetales embebidas en la matriz binaria utilizando diferentes porcentajes de ceniza volante en sustitución del cemento.

3.1 Materiales.

En este proyecto de investigación se utilizó fibra vegetal de la familia de la agave conocida como “Lechuguilla” con la cual se formó una malla del tipo textil. Además, se empleó cemento Portland CPC 30R, Ceniza Volante (CV) y agregados calizos de tamaños máximos de 10 mm para el grueso y 4.75 mm para el fino. La CV es una puzolana artificial, que proviene de la planta de Río Escondido, ubicada en Piedras Negras, Coahuila. La composición química de la CV y el cemento se muestra en la Tabla 1. La CV fue utilizada en porcentajes de 20, 40 y 60% en sustitución del cemento para dos diferentes relaciones agua/material cementante (a/mc) de 0.60 y 0.70. El consumo de cemento utilizado fue de 350, 280, 210 y 140 kg/m³ para 0, 20, 40 y 60% de CV en sustitución respectivamente.

3.2 Fabricación de la malla

La malla tipo textil a base de fibra vegetal, tiene dimensiones de 1100 x 600 mm y se conformó a manera de retícula como observa en la Figura 1. La unión de los tramos longitudinales y transversales para formar la malla se realizó utilizando un adhesivo polimérico aplicado en sus puntos de contacto, el cual se dejó secar por 24 h a temperatura de 23ºC, en ambiente de laboratorio. Para evitar la afectación de la lignina -componente primario de la fibra vegetal- contra el medio alcalino propio de la matriz cementante, se impregnó con una sustancia a base de parafina (^{Malhotra, 2001}).

Figura 1 Arreglo e impregnación de la malla de fibra natural. 

La malla fue introducida en un horno a 100°C durante 24 h para secar la humedad ambiente presente en las fibras y así tener la condición seca. Después, se fundió la parafina a 67 ºC aproximadamente. Como se observa en la Figura 1, la malla fue impregnada durante 5 min, posteriormente se dejó secar a temperatura ambiente durante 30 min.

Además de la protección contra el medio alcalino de la matriz cementante, el recubrimiento le permitirá a la fibra reducir de manera importante la absorción de humedad. Lo anterior incrementa su durabilidad dentro de la matriz cementante y por consiguiente, se conserva la resistencia del material compuesto.

3.3 Mezclado, colado y curado

Se fabricaron por duplicado 32 paneles de 960 x 560 x 50 mm reforzados con malla de fibra natural y por triplicado 48 cilindros de concreto de 100 mm de diámetro y 200 mm de altura. El proporcionamiento de las mezclas de concreto utilizadas se indica en la Tabla 2. Se utilizó una revolvedora con una capacidad de 100 L. El mezclado del concreto fue de acuerdo a la norma ASTM C192 y se realizó la prueba de revenimiento según la norma ASTM C143. El procedimiento de colado y curado se desarrolló de acuerdo a la norma ASTM C31.

El colado de los paneles fibroreforzados se realizó en dos capas de aproximadamente 25 mm cada una. La primera capa se compactó aplicando 15 golpes con un mazo de goma en las caras laterales de la cimbra de madera, después se colocó la malla manualmente en la mitad del espesor del panel, posteriormente, se compactó en una mesa de vibrado por un período de 1 minuto. Para la segunda capa se llevó a cabo el mismo procedimiento de colado y compactado de la primera, la malla se mantuvo en la parte media del espesor y se finalizó con el enrase de la cara superficial.

3.4 Ensayes mecánicos

Los ensayes mecánicos de los paneles fibroreforzados y de los cilindros de concreto se realizaron a dos edades 2 y 4 meses, para cada relación a/mc. Los cilindros de concreto se ensayaron a compresión de acuerdo a la norma ASTM C39 y se obtuvo su módulo de elasticidad de acuerdo a la norma ASTM C469 a las edades establecidas y para los diferentes porcentajes de CV. Del mismo modo, los paneles de concreto fibroreforzados fueron ensayados a flexión aplicando una carga a los tercios del panel, el claro libre entre apoyos fue de 900 mm, la deformación fue medida al centro del claro por medio de un transductor de desplazamiento (LVDT), los datos fueron capturados en un adquisidor de datos. En la Figura 2 se muestra la habilitación de la prueba a flexión de los paneles.

Figura 2 Ensaye de flexión del panel fibroreforzado. 

4.1 Esfuerzo de compresión y módulo de elasticidad

En la Figura 3 se muestra el efecto que tiene la sustitución de un 20% de cemento por CV en el esfuerzo de compresión obtenido de cilindros de concreto. El resultado muestra que se mantiene prácticamente el mismo valor de control para ambas relaciones a/mc y para 2 y 4 meses de edad. La relación a/mc tiene un efecto significativo en el incremento del esfuerzo para 20% de CV y para el control, para las sustituciones de 40% y 60% por CV los esfuerzos disminuyeron con respecto al control, además la relación a/mc así como la edad no parecen afectar significativamente.

Figura 3 Comportamiento del esfuerzo a compresión con respecto al % de CV para 2 y 4 meses de edad. 

Un comportamiento mecánico similar se puede observar para el módulo de elasticidad, aunque, como se muestra en la Figura 4, la relación a/mc no produce incremento significativo en el módulo para ningún porcentaje de CV (^{Shen, Shi, Zhu, Duan & Zhang, 2016}), (^{Siddque, 2004}). La sustitución del 20% de CV sigue manteniendo al menos el mismo valor en comparación con el control. De acuerdo a los resultados experimentales, para el esfuerzo a compresión y para el módulo de elasticidad, los especímenes con relación a/mc = 0.60 y con 20% de sustitución de CV mantuvieron los valores del control, e inclusive registraron algunos incrementos de un 24 y 15% respectivamente, lo anterior para ambas edades.

Figura 4 Comportamiento del módulo de elasticidad con respecto al % de CV para 2 y 4 meses de edad. 

Como es sabido, la CV produce una reacción puzolánica con el hidróxido de calcio presente en las reacciones de hidratación del cemento, que le permite aportar resistencia mecánica a la matriz cementante cuando las sustituciones son relativamente bajas y para lo cual toma una cierta cantidad de agua de la relación a/mc.

Por otra parte, cuando se usan altos porcentajes de sustitución de CV por el cemento también se reduce la cantidad de hidróxido de calcio presente en la mezcla y es posible que los aluminosilicatos de la CV no tengan suficiente hidróxido de calcio para la reacción puzolánica y aunado al bajo consumo de cemento se genera una reducción de su resistencia mecánica, lo que permite asumir que el resto de la CV interactúa en la matriz más como un relleno que como un cementante. Estudios previos sobre el comportamiento mecánico en especímenes con sustitución de CV por cemento en porcentajes relativamente bajos han mostrado un adecuado comportamiento mecánico, lo cual es verificado en esta investigación (^{Durán-Herrera, Juárez, Valdez & Bentz, 2011}), (^{Siddique, 2004}).

4.2 Esfuerzo de flexión en los paneles

La Figura 5 muestra el efecto de la CV y la edad en la resistencia a flexión en los paneles de concreto fibroreforzados. Se puede observar que las dos relaciones a/mc tienen un comportamiento similar: con una sustitución de 20% de cemento por CV para 2 y 4 meses de edad se tiene un incremento en la resistencia a flexión de un 20% y 25% respectivamente con respecto al control. En el caso contrario, para los porcentajes de 40 y 60% de sustitución de CV se observa una disminución de la resistencia con respecto al control, lo que es congruente con los resultados encontrados a compresión y módulo de elasticidad, en donde la sustitución de cemento por el 20% de CV para ambas relaciones a/mc y ambas edades presenta una mejora en el comportamiento mecánico. En la Figura 5 se puede observar también que la edad parece no tener un efecto significativo en la ganancia de resistencia a flexión, principalmente para la relación a/mc = 0.70.

Figura 5 Comportamiento de la carga de falla a flexión con respecto al % de CV para 2 y 4 meses de edad. 

En las Figuras 6 y 7 se observa la aportación a la resistencia a flexión de la matriz cementante y la malla de fibra natural como reforzamiento del panel, la aportación únicamente de la malla se produce cuando la matriz cementante alcanza la carga máxima de agrietamiento y le sigue una descarga súbita. En la Figura 6, los especímenes de control presentaron un incremento de la carga post agrietamiento y en la Figura 7 son los especímenes con 20% de CV los que tuvieron mejor comportamiento post agrietamiento. Por otra parte, los paneles con altas sustituciones de CV (40% y 60%) tuvieron una reducción importante en la carga post agrietamiento con respecto a la carga máxima a flexión que resistió el panel antes de agrietarse (^{Bernal, De Gutierrez, Delvasto & Rodriguez, 2010}).

Figura 6 Comportamiento a flexión después del agrietamiento, Rel. a/mc = 0.60. (a) 2 meses de edad. (b) 4 meses de edad. 

Figura 7 Comportamiento a flexión después del agrietamiento, Rel. a/mc = 0.70. (a) 2 meses de edad. (b) 4 meses de edad. 

La adición de la malla a base de fibras naturales como refuerzo en los paneles de concreto, contribuyó en primera instancia a mejorar el comportamiento en el estado fresco del concreto impidiendo el agrietamiento por contracción plástica, una vez endurecido el concreto, el reforzamiento de la malla modificó el modo de falla frágil propio del concreto, aportándole ductilidad (^{Sahib Banyhussan, Yildrim, Bayraktar, Demirhan & Sahmaran, 2016}). En las Figuras 6 y 7 se puede observar que la malla contribuyó a que el panel tuviera un comportamiento dúctil, además de que en algunos casos la carga se recuperó aunque sin llegar a la carga máxima de agrietamiento. De acuerdo con los resultados obtenidos la sustitución de un 20% de CV, registró la mayor carga de agrietamiento a flexión para las dos relaciones a/mc y para las dos edades. También se observa que la carga se incrementó hasta un 10% para 4 meses de edad en comparación con 2 meses en la mayoría de los casos estudiados.

Una vez ensayados a flexión los especímenes en las dos edades correspondientes, no hubo evidencia de degradación en las fibras naturales ocasionadas por la exposición al medio alcalino durante el periodo de tiempo antes mencionado. Lo anterior, se verificó físicamente ya que el modo de falla de todos los especímenes ensayados fue dúctil. El efecto de diferentes condiciones de humedad y/o temperatura que se relacionan al deterioro de las fibras vegetales y que generan un mecanismo de falla frágil (^{Juárez, Durán, Valdez & Fajardo, 2007}), debe ser ampliamente estudiado para determinar la factibilidad del uso a largo plazo de este tipo de reforzamiento a base de malla (^{Georgiou & Pantazopoulou, 2016}), a fin de generar materiales alternativos de construcción.