2007 Elaboracion y Evaluacion Fisico Mecanica de Un Material a Base de Papel, Carton y Caucho...

8/17/2019 2007 Elaboracion y Evaluacion Fisico Mecanica de Un Material a Base de Papel, Carton y Caucho Vulcanizado Resi…

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UNIVERSIDAD DE COLIMA

Facultad de Arquitectura y Diseño

ELABORACIÓN Y EVALUACIÓN FÍSICO MECÁNICA DE UNMATERIAL A BASE DE PAPEL, CARTÓN Y CAUCHO VULCANIZADO

RESIDUAL

Tesis que para obtener el grado deMaestro en Arquitectura

Presenta:I.B.Q. Víctor Jaime Anaya Sepúlveda

Director de Tesis:Dr. Miguel Fernando Elizondo Mata

Asesores:Dr. Luis Gabriel Gómez AzpeitiaDr. Armando Alcántara Lomelí

M.I. Carlos Enrique Silva Echartea

Coquimatlán, Colima; Diciembre de 2007


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ELABORACIÓN Y EVALUACIÓN FISICO – MECÁNICA DE UN MATERIAL ABASE DE PAPEL, CARTÓN Y CAUCHO VULCANIZADO RESIDUAL


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AGRADECIMIENTOS

PRIMERAMENTE A DIOS,por darme una vida, una familia y las herramientasnecesarias para mi desempeño profesionalA MIS PADRES Y HERMANOS,quienes fueron y han seguido siendo la basefundamental para el logro de mis metas

A TERE, MI ESPOSA,por su apoyo incondicional como profesionista, mujer y amiga

A ADIEL, MI HIJO,por recordarme con gran fuerza de la existencia de Dios yenseñarme, incluso antes de su llegada, que es posible seguir adelante a pesar delas experiencias que tengamos que vivir

AL DR. MIGUEL F. ELIZONDO MATApor su paciencia y dedicación en la direcciónde mi tesis

A MIS MAESTROS, ASESORES Y DIRECTIVOS,por compartir sus conocimientos ylograr guiar de manera eficiente esta etapa formación académica

AL CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA (CONACYT),por la becarecibida para el desarrollo del proyecto de investigación

A MIS COMPAÑEROS,por su amistad y apoyo

A LA EMPRESA HOLCIM APASCO Y CONCRETOS APASCO,especialmente alIng. Enrique Ortega, Katia Carmona y Francisco García por el apoyo brindado.Finalmente, a todas las personas que de alguna forma u otra contribuyeron para eldesarrollo del presente proyecto.


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INDICE

Pg.

Índice de tablas -----------------------------------------------------------------------------------IV

Índice de figuras ---------------------------------------------------------------------------------V

Índice de gráficos --------------------------------------------------------------------------------VI

Resumen ------------------------------------------------------------------------------------------- VII

Abstract --------------------------------------------------------------------------------------------VIII

Introducción ---------------------------------------------------------------------------------------9

Capitulo I. Antecedentes ------------------------------------------------------------------13

Capitulo II. Marco teórico -----------------------------------------------------------------29

Capitulo III. Diseño y desarrollo del experimento -------------------------------- 45

Capitulo IV. Resultados y discusiones ---------------------------------------------- 77

Conclusiones -------------------------------------------------------------------------------------109

Bibliografía -----------------------------------------------------------------------------------------113

Anexos ----------------------------------------------------------------------------------------------115


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INDICE DE TABLAS

Pg.Tabla 2. 1 Tipos de Cemento 42Tabla 3. 1 Número de corridas y proporción de componentes 46Tabla 3. 2 Elaboración de pulpa 59Tabla 3. 3 Selección de cantidad de látex 59Tabla 3. 4 Proporciones de aglutinante y material inerte 60

Tabla 3. 5 Suministro de aditivos en mezclas 62Tabla 3. 6 Datos de calibración de anillo 74Tabla 4. 1 Valores de pesos 83Tabla 4. 2 Evaluación física de los materiales 84Tabla 4. 3 Modulo de elasticidad Formulación 1 88Tabla 4. 4 Modulo de elasticidad Formulación 2 90Tabla 4. 5 Modulo de elasticidad Formulación 3 92Tabla 4. 6 Modulo de elasticidad Formulación 4 94Tabla 4. 7 Modulo de elasticidad Formulación 5 97Tabla 4. 8 Modulo de elasticidad Formulación 6 99Tabla 4. 9 Modulo de elasticidad Formulación 7 101Tabla 4. 10 Datos comparativos entre las diferentes formulaciones 103Tabla 4. 11 Absorción acústica 105Tabla 4. 12 Usos recomendados según propiedades 108


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INDICE DE FIGURAS

Pg.Fig. 2. 1 Estructura Celular de las microfibrilas 32Fig. 2. 2 Organización esquemática de las moléculas de la celulosa a) de formacontinua b) de forma micelar 33Fig. 2. 3 Estructura molecular del caucho 36Fig. 3. 1 Distribución de puntos de muestreo de diseño factorial 32 46Fig. 3. 2 Caja para la determinación de nivel de Absorción acústica

50Fig. 3. 3 Calibrador, fuente emisora de sonido 51Fig. 3. 4 Sonómetro, Receptor de onda sonora 52Fig. 3. 5 Proceso de elaboración de pulpa 55Fig. 3. 6 Separación de fibras de látex con criba 57Fig. 3. 7 Materiales a usar en las mezclas 58Fig. 3. 8 Curado de las mezclas en solución saturada de cal 63Fig. 3. 9 Curado de las mezclas en bolsa de plástico 64Fig. 3. 10 Fraguado en condiciones ambientales 65Fig. 3. 11 Medición de los especimenes 66Fig. 3. 12 Pesado de los especimenes 67Fig. 3. 13 Secado de los especimenes 68Fig. 3. 14 Saturación de agua de cada uno de los especimenes 69Fig. 3. 15 Moldes empleados para la elaboración de especimenes 70Fig. 3. 16 Prensa empleada en los ensayos para compresión 71

Fig. 3. 17 Instrumento empleado para la calibración del anillo 72Fig. 3. 18 Prensa provista con anillo calibrado 73Fig. 4. 1 Valores de pesos 84


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INDICE DE GRAFICOS

Pg.Grafico 3. 1 Línea de tendencia para la calibración del anillo 74Grafico 4. 1 Relación de los componentes en la mezcla de “agregados” 79Grafico 4. 2 Suministros de excedentes de agua 80Grafico 4. 3 Pérdida de humedad a diferentes días de curado 82Grafico 4. 4 Peso Volumétrico

85Grafico 4. 5 Humedad 86Grafico 4. 6 Absorción 86Grafico 4. 7 Relación Esfuerzo vs deformación F1 89Grafico 4. 8 Relación modulo de elasticidad vs deformación F1 89Grafico 4. 9 Relación Esfuerzo vs deformación F2 91Grafico 4. 10 Relación modulo de elasticidad vs deformación F2 91Grafico 4. 11 Relación Esfuerzo vs deformación F3 93Grafico 4. 12 Relación modulo de elasticidad vs deformación F3 93

Grafico 4. 13 Relación Esfuerzo vs deformación F4 95Grafico 4. 14 Relación modulo de elasticidad vs deformación F4 96Grafico 4. 15 Relación Esfuerzo vs deformación F5 98Grafico 4. 16 Relación modulo de elasticidad vs deformación F5 98Grafico 4. 17 Relación Esfuerzo vs deformación F6 100Grafico 4. 18 Relación modulo de elasticidad vs deformación F6 100Grafico 4. 19 Relación Esfuerzo vs deformación F7 102Grafico 4. 20 Relación modulo de elasticidad vs deformación F7 103Grafico 4. 21 Resistencia a la compresión 104Grafico 4. 22 Modulo de elasticidad 104Grafico 4. 23 Absorción acústica 106


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RESUMEN

La investigación se desarrollo en tres etapas, una la recopilación de lainformación bibliográfica; dos, el diseño y elaboración de las mezclas y tres, laevaluación del material resultante.

Se determinó la cantidad de muestras a analizar mediante un diseño factorial3k considerando dos factores: contenidos de pulpa y contenido de caucho, en tresniveles cada uno: alto, medio y bajo, obteniendo como resultado un total de 7formulaciones. La elaboración y caracterización de las muestras se hace en funciónde la normatividad aplicable. Las evaluaciones del material son: contenido dehumedad, porcentaje de absorción, peso volumétrico, resistencia a la compresión ygrado de absorción acústica.

Se pode en manifiesto una serie de recomendaciones en su aplicación que

depende de las características del material resultante en función de la evaluaciónrealizada. Así mismo se estable las limitantes que presenta el material resultante ensu aplicación en la construcción.


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ABSTRACT

The research itself development in three phases, first, the collection of thebibliographical information; second, the design and elaboration of the mixtures andthird, the evaluation of the resultant material.

The quantity of samples was determined to analyze by means of a designfactorial 3k considering two factors: contents of pulp and content of rubber, in threelevels each one: high, medium and low, obtaining as a result a total of 7 formulations.The elaboration and characterization of the samples is done in function of theapplicable regulatory nature. The evaluations of the material are: content of humidity,percentage of absorption, volumetric weight, resistance to the compression andacoustics absorption degree.

It is able in manifesto a series of recommendations in its application that

depends on the characteristics of the resultant material in function of the evaluationcarried out. Thus same itself stable the constraints that present the resultant materialin its application in the construction.


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INTRODUCCION

El desarrollo de materiales alternativos empleados en la industria de laconstrucción es un acontecimiento que se ha incrementado en los últimos años, endonde el aprovechamiento de diferentes residuos generados en las ciudades o bienen los campos agrícolas, es el eje central de la mayoría de las investigaciones. Estasituación obedece principalmente a dos causas, una como estrategia para la

disminución de los altos volúmenes de residuos generados y otra al cumplimiento delas exigencias climáticas locales en donde es factible el empleo del materialdesarrollado.

Sin embargo en muchos casos, los materiales usados en las edificacionesubicadas en climas tropicales sub húmedos corresponden en la mayoría de los casosa exigencias de mercado, que no llegan a ser la respuesta exacta para lascondiciones climática del lugar, generando por tanto ganancias de calor hacia el

interior de los inmuebles, que deben ser disipadas con medios electromecánicos através de fuertes consumos de energía como es el caso de los sistemas deacondicionamiento de aire.

Por otro lado, materiales de construcción propios de la región han sidorelegados a segundo término, dándoles categoría de rural y dejándolosexclusivamente para ser utilizados en la llamada "casa campesina", sin daroportunidad a posibilidades de usos nuevos que generen opciones tecnológicas más

acordes con las exigencias de desarrollo. 1

Mientras se realiza este tipo de actividad; consumiendo a la vez los recursosno renovables, en las ciudades se generan grandes cantidades de materiales que

1 www.ciadicyp.com/iberoamericancongressonpulpandpaper/research_2000.html

http://www.ciadicyp.com/iberoamericancongressonpulpandpaper/research_2000.htmlhttp://www.ciadicyp.com/iberoamericancongressonpulpandpaper/research_2000.htmlhttp://www.ciadicyp.com/iberoamericancongressonpulpandpaper/research_2000.htmlhttp://www.ciadicyp.com/iberoamericancongressonpulpandpaper/research_2000.html


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pueden ser aprovechados fácilmente y que sin embargo son considerados como

“basura”, tal es el caso del papel y cartón que deja de ser residuo cuando lopodemos emplear como materia prima en la elaboración de un producto.

Simplemente en la ciudad de Colima se generan en promedio mensual mas de500 toneladas de papel y cartón, lo que equivale al 19% en volumen del total delmaterial residual generado, del cual solo el 30 % es enviado a otras ciudades paraaprovecharlo como reciclaje en la elaboración de papel de menor calidad u otrosmateriales2. Situación similar sucede con la generación de llanta como desechourbano, que aunque no es considerado como residuo peligroso, es un problemagrave en términos de disposición final, pues los grandes volúmenes encontrados enlos rellenos sanitarios reflejan la importancia que tienen estos materiales. Así mismoen el proceso de revitalizado de llantas existe también la generación considerable deeste material triturado, pues simplemente en la ciudad de colima la generación dellanta triturada asciende a los 6 m 3 semanales, dato que también llama la atenciónpues aunque en el mejor de los casos es incinerado a muy alta temperatura, no deja

de ser un problema económico-ambiental para los generadores del mismo.

En este sentido, se tiene el antecedente en la elaboración de materialesrígidos tales como paneles, bloques, plafones y elementos de relleno, en donde elcomponente principal es la celulosa, ya sea a partir de papel y cartón residual o biende fibras procedentes de algunos residuos agrícolas. Los procesos de elaboraciónsugeridos varías según las características de sus componentes así como elcomportamiento que presentan éstos al ser mezclados con ciertos agrados inertes y

con el agente aglutinante empleado. Sin embargo en la mayoría de los casos sepresenta el problema de deterioro del material por la actividad de organismosxilófagos.

2 H. Ayuntamiento de Colima. Dirección de Ecología. Archivo


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La característica principal de los materiales estudiados, obedecen en su

mayoría al contenido de tres componentes principales, uno es el uso de una pulpaque contienen el material celulósico; otro el agente aglutínate, generalmentemateriales puzolánicos, cal, arcilla o caliza y finalmente agregados inertes que noafectan precisamente en términos de reactividad al material resultante pero leproporcionan ciertas características físico – mecánicas.

Por lo anterior, y como elemento de justificación a la investigación, espertinente determinar las condiciones óptimas de combinación de papel y cartón asícomo caucho vulcanizado residual, para que en mezcla con Mortero a base deCemento Pórtland Compuesto CPC, y alumbre como agente inhibidor de crecimientode organismos xilófagos sea factible la elaboración de un material empleado en laindustria de la construcción.

Derivado de lo anterior se plantea la siguiente cuestión. ¿Cuales son lascaracterísticas que determinan la afinidad del papel y cartón residual y los materialescomplementarios en la elaboración de mezclas? Así como ¿Cuáles son lascondiciones de manejo para evitar los problemas de deterioro de los materialesconstruidos? y ¿Qué eficiencia puede tener el producto en su aplicación en laindustria de la construcción?

Con lo anterior se establece que la investigación se desarrolla en tres etapas,en la primera, recopilación de la información que permite contestar a la primerapregunta en términos cualitativos, en segundo término el desarrollo experimental con

productos sólidos y finalmente la evaluación del material resultante en función deviabilidad de empleo en la construcción y su eficiencia.

Las formulaciones prácticamente dependen tanto del contenido de pulpaelaborada a base de papel y cartón, así como la cantidad de caucho vulcanizadopresente en la mezcla, mientras que el suministro de agua, alumbre y el agente


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aglutinante son variables que se mantienen fijas pues sus proporciones son

empleadas en función de las especificaciones del fabricante.

Las determinaciones correspondientes del material resultante son, Absorciónde agua, peso volumétrico de las muestras, contenido de humedad, modulo deelasticidad, resistencia a la compresión y grado de absorción acústica, las cuales ensu caso dan la pauta para proponer la aplicación de los materiales resultantes.

Así pues, derivado del planteamiento anterior, y de manera hipotética

podemos decir que las características de la celulosa y del Mortero base CementoPórtland Compuesto CPC en mezclas con caucho vulcanizado residual, presentanuna factibilidad en la elaboración de materiales que podrían formar elementos rígidosempleados en la industria de la Construcción.

Por otra parte se puede suponer que es posible inhibir la acción deorganismos xilófagos que deterioran el material mediante el suministro de alumbre enla mezcla.

Para dar cumplimiento con lo anterior, el presente trabajo se estructura en trescapítulos como cuerpo de la investigación y un apartado final de conclusiones, en elcapitulo I, se aborda el marco conceptual teórico que fundamenta las actividadesdesarrolladas en el transcurso de la investigación, el capitulo II refiere al diseño ydesarrollo del trabajo y en el capitulo III se discuten los resultados obtenidos.


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CAPITULO I

ANTECEDENTES

I.1. ANTECEDENTES HISTORICOS

Uno de los acontecimientos trascendentales en la evolución de la humanidadsin duda fue el descubrimiento de un método para producir fuego, haciendo arder unmaterial celulósico3. El uso del fuego para protección y obtención de calor

suplementario, logrado por el hombre primitivo, dio origen a la cocina, la panadería,la cerámica, y en su momento, a la producción de carbón vegetal y de las municionesnavales mediante la combustión parcial y la pirolisis de la madera. Se considera quela destilación destructiva de la madera tiene una larga historia industrial, queproviene desde los antiguos chinos y egipcios, quienes utilizaban los productos delalquitrán para embalsamar. El empleo de materiales celulósicos para producir elpapel apareció mucho tiempo después 4.

Las hojas de papiro, hechas prensando el tejido medular de un junco ( Cyperus papirus ), se utilizaron para escribir en fecha tan remota como la de 3 000 a.C. enEgipto. En china se empleaban tiras de bambú o de madera para escribir y dibujarsobre ellas, hasta que se descubrió el papel, descubrimiento que se atribuye a Ts´aiLun en el año 105 a.C. 5 El papel original se hacía en China con trapo, fibra decorteza y bambú. Los trozos de bambú se remojaban por más de 100 días, ydespués de hervían en una lechada de cal durante casi ocho días con sus noches,

para liberar las fibras. El arte de hacer papel llegó finalmente a Persia, hacia el año

3 Thomas, JRH. Apud Pu lp a y p ap el, Qu ím ic a y Te cn ol og ía Qu ím ic a, Casey, James P. V. 1 1°ED. México, 1990, LIMUSA, p 29.4 Casey, James P., Pu lp a y p ap el, Qu ím ic a y Tec no lo gía Qu ím ic a V. 1 1° ed. México, 1990,LIMUSA, p 29.5 Ch’iao -p’ing, El arte d e la qu ím ica en l a antig ua Ch ina 1° ed. Easton, 1998. s.e, p 52.


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751 d.C., desde donde pasó a los países del mediterráneo y en donde los moros

llevaron a Europa la industria en el siglo XVII.

La aceptación del papel y la difusión de su industria en Europa (1650), crearonuna escasez crónica del trapo empleado como materia prima. La producción depulpa llegó a solucionar tal escasez. El crédito que corresponde a la iniciación deesta industria es evidentemente compartido por muchos hombres de ciencia einventores, pero cabe señalar que la idea original consiste en extraer fibra celulósicasde los tejidos de la madera, no sólo puede encontrarse en el método chino, sinotambién en un tratado presentado a la Real Academia Francesa por el destacadofísico y naturalista René Antoine Ferchault de Réaumur en 1719; quién observabaque las avispas de América forman un papel muy fino semejante al industrializado enla actualidad. Extraen las fibras de la madera común en los países en donde viven 6.De esta manera muestran que puede hacerse papel usando las fibras de planta sinrecurrir a trapos y al lino, lo que incita a probar la posible elaboración de papel debuena calidad mediante el uso de ciertas maderas.

Transcurrieron otros ciento veinte años antes de que el químico francés Anselme Payen demostrara que una sustancia fibrosa, a la que llamó celulosa (1839)podía aislarse mediante el tratamiento de la madera con ácido nítrico. El aislamientode dicha sustancia abrió las puertas para la producción de pulpa de maderamediante métodos comerciales de deslignificación, incluyendo los procesos con sosaque patentaron Watt y Burgers (1853), el proceso al sulfito inventado por Tilgman(1866), el proceso “Kraft” desarrollado por Eaton (1870) y Dahl (1879) y varios

métodos para el blanqueo. Numerosos refinamientos y dicho proceso durante el sigloXX, han conducido al rápido desarrollo y adaptación del papel, no solamente para

6 Casey, James P. Op. ci t . p. 30.


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escritura e impresión, sino también para envoltura como el cartón, fabricación de

envases y de varios productos desechables 7.

El aislamiento de la celulosa [β -D-(1-4)-glucopiranosa] de los tejidos de lasplantas por procesos de laboratorio industriales, atrajo naturalmente el interéscientífico por definir la estructura, la composición, las propiedades y la biogénesis deeste material.

A lo largo de los años, y mediante distintos métodos de investigación,se ha tratado de encontrar cómo la celulosa se cristaliza y agrupa en las fibrilas, paradar a éstas su carácter fibroso y otras propiedades físicas; así como para determinarlo que son las fibrilas y microfibrilas y si éstas son producidas y están organizadaspor fuerzas físicas inanimadas, o bajo la influencia biológica de la célula viva.

Así pues, el aislamiento y la investigación química de la celulosa condujeron ala producción de derivados, entre ellos la nitrocelulosa, el acetato de celulosa, el

rayón, y el celofán, precursores de la moderna industria de los plásticos y polímeros.La nitrocelulosa es el más antiguo entre los derivados conocidos de la celulosa. Losesfuerzos de algunos investigadores para producir marfil sintético para bolas debillar, condujo el desarrollo del primer plástico sintético conocido como celuloide8. En1870 este material se producía mediante una mezcla de celulosa parcialmentenitrada (llamada piroxilina) y alcanfor; la piroxilina se utilizó también en la producciónde lacas, películas y adhesivos 6. También se ha producido una celulosa altamentenitrada, utilizada como explosivo y combustible sólido. Por razón de la elevadainflamabilidad de la nitrocelulosa, se desarrolló el acetato de celulosa como sustitutomás seguro, y se utilizó en primer lugar para recubrir las telas de las alas de los

7 D. Hunter. “Elaboración de papel en siglo dieciocho” 1° ed. México, 1995, p 64.

8 Casey, James P., Op. ci t . p 30.


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aviones durante la primera guerra mundial; y después, para producir películas

fotográficas y cinematográficas9.

El acetato de celulosa fue uno de los primeros materiales que se utilizaronpara manufacturar objetos de plástico mediante el proceso de moldeado porinyección. En 1892, Charles

Frederick Cross y E. J. Bevan, descubrieron el xantano de celulosa. Estepresenta la forma de una solución viscosa de la que puede regenerarse la celulosa

como una fibra continua (rayón) o como película (celofán).

Los avances industriales citados implican el aislamiento, la modificación y laaplicación de la celulosa bajo la forma de un polímero fibroso o estructural. El hechode que un material celulósico pueda ser hidrolizado hasta sus azúcares componentesy ser utilizado como fuente de alimento, alcohol y productos químicos industriales, hacreado otro tipo de oportunidades industriales. Para efectos de la elaboración demateriales empleados para la construcción esta propiedad podría sercontraproducente por la segura proliferación de microorganismos que se pudierandesarrollar en este tipo de medios, sin embargo la característica fibrosa de los mismoy su eficiente adhesividad entre sus componentes, proporcionan ventajassignificativas, por lo que vale la pena buscar las condiciones optimas de mezclas ymanejo en la elaboración de materiales rígidos que a la vez impidan el crecimientode microorganismos destructores del mismo. Esta posibilidad se ha exploradorepetidas veces, pero puesta en práctica únicamente por la economía controlada de

la Unión Soviética y por Japón, durante las dos guerras mundiales10

.

9 C. F. Cross Ap ud Pul pa y pap el, Qu ím ica y T ecn ol og ía Qu ím ic a, Casey, James P. V. 1 1° ed.México, 1990, LIMUSA, p 31.

10 Casey, James P., Op. ci t ., p. 31.


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La historia del caucho es antigua. Los mayas y los indígenas meso-

americanos extrajeron el látex orgánico de los árboles de hevea brasilensis de losbosques americanos, transformaban esa viscosa sustancia en pelotas, y jugaban conellas el juego de pelota, con connotaciones sagradas: los perdedores eran a veces,ejecutados ritualmente. Esas pelotas no podían durar mucho más que los jugadoresperdedores. El caucho natural no curado se vuelve muy oloroso y en pocos díascomienza a pudrirse. El proceso de putrefacción tiene, en parte, relación con laruptura de las proteínas, como sucede con las proteínas de la leche, pero también ala ruptura de las largas moléculas de caucho a medida que se oxidan en el aire o entierra. Esto debido a la gran cantidad de moléculas de hidrocarburos que loconforman y que son empleados como fuente de carbono para muchosmicroorganismos11.

La primera referencia al caucho en Europa aparece en 1770, cuando EdwardNairne vendía cubos de caucho natural de su hogar. Los cubos, con la intención deser gomas de borrar, se vendían al altísimo precio de 18 chelines por balde.

Desde los primeros siglos de mediados del siglo 19, el caucho era un materialnovedoso, pero no encontró gran aplicación en el mundo industrial. Era usado enprincipio como goma de borrar, como dispositivos médicos para conectar tubos ypara la inhalación de gases medicinales. Cuando los químicos descubrieron que elcaucho era soluble en el éter 12, se hallaron nuevas aplicaciones en el mundo delzapato y en impermeables.

A pesar de todo, la mayoría de estas aplicaciones eran en pequeñosvolúmenes y el material no duraba mucho. La razón de la falta de aplicaciones11 J. Fessenden Ralph, S. Fessenden Joan, Química Orgánica, 2da ed. México, 1983, GRUPOEDITORIAL IBEROAMERICANA, p 439.12 T. Morrison Robert, et. al., Química Orgánica. 2da ed. México, 1983, A. W.IBEROAMERICANA, p 447.


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importantes era el hecho de que el material no era durable, era pegajoso, y en

ocasiones se pudría liberando mal olor porque no estaba bien curado.

La mayoría de los libros de texto dicen que Charles Goodyear fue el primeroen usar azufre para vulcanizar el caucho. Dependiendo del lector, la historia deGoodyear es de pura suerte o de una cuidadosa investigación.

Goodyear clamó que le correspondía el descubrimiento dela vulcanizaciónbasada en azufre en 1839, pero no patentó su invento hasta el 5 de julio de 1843, y

no escribió la historia de su descubrimiento hasta 1853 en su libro autobiográfico,Gum-Elastica. Mientras tanto, Thomas Hancock (1786-1865), un científico eingeniero, patentó el proceso en el Reino Unido el 21 de noviembre de 1843, ochosemanas antes que Goodyear ejerciera su propia patente en el Reino Unido.

La Goodyear Tire And Rubber Company adoptó el nombre de Goodyear porsus actividades en la industria del caucho, pero no tenía ninguna otra relación conCharles Goodyear y su familia.

Aquí está el relato de Goodyear sobre su invención, tomada de Gum-Elastica. Aunque el libro es una autobiografía, Goodyear eligió escribirlo en tercera persona,así que 'el inventor' y 'el' se refieren en el texto al autor en realidad. El describe elescenario de la fábrica de caucho donde su hermano trabajó.

El inventor hizo muchos experimentos para verificar los efectos del calor en elmismo compuesto que se había descompuesto en las bolsas de correo y otros

artículos. Él se sorprendió al encontrar que el espécimen, siendo descuidadamentepuesto en contacto con una estufa caliente, se achicharraba como el cuero.

Goodyear continúa describiendo como el intentó llamar la atención de suhermano y otros trabajadores en la planta, familiarizados con el comportamiento delcaucho disuelto, pero ellos descartaron su observación, creyendo que era otro de sus

http://es.wikipedia.org/wiki/Charles_Goodyearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cauchohttp://es.wikipedia.org/wiki/Azufrehttp://es.wikipedia.org/wiki/1839http://es.wikipedia.org/wiki/1843http://es.wikipedia.org/wiki/1853http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Gum-Elastica&action=edithttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Thomas_Hancock&action=edithttp://es.wikipedia.org/wiki/Reino_Unidohttp://es.wikipedia.org/wiki/1843http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Goodyear_Tire_And_Rubber_Company&action=edithttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Industria_del_caucho&action=edithttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Gum-Elastica&action=edithttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Gum-Elastica&action=edithttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Industria_del_caucho&action=edithttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Goodyear_Tire_And_Rubber_Company&action=edithttp://es.wikipedia.org/wiki/1843http://es.wikipedia.org/wiki/Reino_Unidohttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Thomas_Hancock&action=edithttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Gum-Elastica&action=edithttp://es.wikipedia.org/wiki/1853http://es.wikipedia.org/wiki/1843http://es.wikipedia.org/wiki/1839http://es.wikipedia.org/wiki/Azufrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Cauchohttp://es.wikipedia.org/wiki/Charles_Goodyear


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muchos extraños experimentos. Goodyear afirma que intentó decirles que el caucho

se derretía cuando se calentaba excesivamente, pero ellos lo siguieron ignorando 13.

Goodyear infirió directamente que si el proceso de achicharramiento podía serdetenido en el punto correcto, podría hacer que el caucho se librara de susadhesivos nativos, lo que implicaría una mejora sustancial sobre la goma nativa. Seconvenció más de la validez de su intuición al descubrir que el caucho de la India nopodía derretirse en azufre hirviendo ya que siempre se achicharraba. El hizo otraprueba calentando un tejido similar antes de probar con un fuego abierto. El mismoefecto de achicharramiento de la goma continuó; pero había muchos indiciossatisfactorios de éxito en producir el resultado deseado, cuando sobre el borde de laporción achicharrada aparecía una línea que no estaba achicharrada, peroperfectamente curada.

Goodyear entonces se pone a describir como se mudó a Woburn, Massachusetts, y llevó una serie de experimentos sistemáticos para descubrir lascondiciones correctas para la cura del caucho.

Cuando se cercioraba de que había encontrado el objeto de su búsqueda ymucho más, y que la nueva sustancia era resistente al frío y al solvente de la gomanativa, el se sintió ampliamente recompensado por el pasado y bastante indiferente alas pruebas del futuro14. Hoy en día el producto similar es industrializado y en sumayoría son de origen sintético15.

Para el caso del cemento, la situación también data de muchos años atrás,hacia el año 700 antes J.C. los etruscos utilizaban mezclas de puzolana y cal parahacer un mortero con deficiente desempeño estructural, y fue hasta el año 100 antes

13 http://es.wikipedia.org/wiki/Vulcanización. 14 http://es.wikipedia.org/wiki/Vulcanización. 15 T. Morrison Robert, et. al., Química Orgánica. 2da ed. México, 1983, A. W.IBEROAMERICANA, p 446.

http://es.wikipedia.org/wiki/Indiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Gomahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Woburn&action=edithttp://es.wikipedia.org/wiki/Massachusettshttp://es.wikipedia.org/wiki/Massachusettshttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Woburn&action=edithttp://es.wikipedia.org/wiki/Gomahttp://es.wikipedia.org/wiki/India


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J.C. donde los romanos utilizaban mezclas de puzolana y cal para hacer hormigón de

resistencias a compresión de 5 Mpa. Hasta el año 1750 sólo se utilizaban losmorteros de cal y materiales puzolánicos (tierra de diatomeas, harina de ladrillosetc.). Hacia 1750-1800 se investigan mezclas calcinadas de arcilla y caliza.

Smeaton compara en el año 1756 el aspecto y dureza con la piedra dePortland al sur de Inglaterra. 40 años más tarde, Parker fábrica cemento naturalaplicándose entonces el vocablo "cemento" (anteriormente se interpretaba como"caement" a toda sustancia capaz de mejorar las propiedades de otras).

Vicat explica en 1818 de manera científica el comportamiento de estos"conglomerantes". Y en 1824, Aspdin patenta el cemento Pórtland dándole estenombre por motivos comerciales, en razón de su color y dureza que le recuerdan alas piedras de Pórtland. Se define entonces como un material con propiedadesadhesivas y cohesivas, las cuales le dan la capacidad de aglutinar fragmentosminerales para formar un material compacto16.

Hasta la aparición del mortero hidráulico que auto endurecía, el mortero erapreparado en un mortarium (sartén para mortero) por percusión y rotura, tal como sehace en la industria química y farmacéutica. Entre los años 1825-1872 aparecen lasprimeras fábricas de cemento en Inglaterra, Francia y Alemania y en el año 1890aparecen las primeras fábricas de cemento en España 17.

Hoy en día el cemento es la cola o "conglomerante" más barato que seconoce. Mezclado adecuadamente con los áridos y el agua forma el hormigón, unaroca amorfa artificial capaz de tomar las más variadas formas con unas prestaciones

16 Guía practica para la elaboración de concretos. Holcim Apasco. 200117 http://www.fym.es/Pages/produc/cemento/historia.asp . 2006-06

http://www.fym.es/Pages/produc/cemento/historia.asphttp://www.fym.es/Pages/produc/cemento/historia.asphttp://www.fym.es/Pages/produc/cemento/historia.asphttp://www.fym.es/Pages/produc/cemento/historia.asp


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mecánicas a compresión muy importantes. Las resistencias a tracción pueden

mejorarse con la utilización de armaduras (hormigón armado)18.

18 Taylor H. F. W., La Qu ím ica d e los Cemen tos , V 1, Bilbao 1978.


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I.2. ANTECEDENTES DE INVESTIGACIÓN

La creciente demanda de, productos químicos, sistemas constructivosalternativos, combustibles, así como las limitaciones en el abastecimiento depetróleo, ha dado gran relevancia al problema de la conservación y uso eficiente demateriales celulósicos. La investigación acerca del empleo de los materialescelulósicos en una amplia variedad de productos es cada vez mayor. Los esfuerzosse orientan a la creación de métodos pirolíticos y enzimáticos, por ejemplo si sesuministran agregados químicos podemos tener productos con cierta rigidez segúnsean las características deseadas.

En términos prácticos del presente proyecto de investigación, esta situación esinvestigada por Altaf H. Basta específicamente para el uso de Lignocelulosa en laelaboración de elementos interiores de los edificios, tales como ciertas estructuras,muebles e incluso algunas cubiertas ligeras similares a los ya conocidos panelesdivisorios, lo cuales se emplean sin aplicar algún esfuerzo o trabajo de soporte

estructural, los resultados que obtuvieron fueron significativos para lo que seesperaba auque muy limitativos para ciertas condiciones de manejo 19.

En esa investigación se emplea el yeso como agente aglutinante con lafinalidad de proporcionar rigidez y en mayor o menor medida cierta resistencia a lacompresión. Se hace uso de papel y bagazo de tallo de maíz como fuente delignocelulosa y se analizan de manera independiente. Para la evaluación de loselementos construidos, se hicieron determinaciones de la densidad, cambio dedimensiones bajo la influencia del agua, factor de absorción y resistencia a lacompresión20.

19 Alaf H. Basta, S. Adb Assam, Houssni El-Saied en Internat ional Journal of PolymericMaterials Taylor and Francis Inc. No. 53, Cairo, Egyp, , 2004, pp. 709-72320 Ibidem , p. 713


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En este sentido el detecta que los materiales propuestos ya habían sido

analizados en investigaciones anteriores sin embargo uno de los problemas a los quese enfrentaba era lamentablemente el deterioro de los mismos por la influencia de lahumedad, por lo que se propone el uso de un polímetro acrílico como aditivo quepermite aumentar considerablemente la resistencia al agua del elementoconstruido21.

De esta manera pudieron concluir que el uso de polímetro acrílico comoaditivo en la elaboración de materiales rígidos a base de papel y bagazo de caña demaíz proporciona una ventaja significativa al ser empleado como agente retenedor aldeterioro por la influencia del agua. El uso del papel como elemento base delcompuesto proporciona ventajas de resistencia a la compresión con respecto albagazo, sin embargo éste último aunque absorbe mayor cantidad de agua, poseeciertas características favorables como retenedor de hondas acústicas, lo quepermite al autor sugerir el empleo de este como muros acústicos 22.

La preocupación por el empleo de la celulosa para la elaboración deelementos utilizados en la industria de la construcción no solo es en respuesta a lasexigencias de mercado, sino también al empleo de alternativas que eliminen ominimicen los problemas ambientales que se dan a pasos agigantados en los últimosaños, Houssini EI-Saied y su grupo de colaboradores 23, proponen en una de susinvestigaciones el uso de bacterias para la biosíntesis de la celulosa, y por endeconstrucción de materiales a base de tecnologías limpias y ambientalmente

amigables.

21 Ibidem , p. 71622 Ibidem , p. 721 23 Houssini EI-Saied, Altaf H. Basta, Riad H. Gobran, Apud Polymer-P las t i c -Technology andEnginering Vol. 43, No. 3, 2004 pp.797-820


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Con esa investigación plantean tener aportaciones directas a la industria del

papel, el tratamiento de los residuos generados, aplicación significativa en lamedicina y una perspectiva en pro de los procesos de producción económica.Emplean tres opciones como fuente de sustrato, Celobiosa, que es un productoextraíble de la madera y a la vez subproducto en la industria del papel; Glucosametilada con radicales libres para fácil reacción de polimerización y citrato comoagente emilsificante. Las pruebas se hicieron de manera independiente y usaron

Agrobacterium, Sarcina y Acetobacter xilinum , como microorganismos iniciadores dela biosíntesis de la celulosa. 24

En todos los casos existe la formación de geles como etapa primaria delproceso de biosíntesis, posteriormente se conforma una masa granulada de losmateriales empleados hasta obtener fibras conformadas por la polimerización de loscarbohidratos presentes en los sustratos empleados, es uso de enzimas Cellulosasintetasa 25 es esencial para la aceleración del proceso, determinando de estamanera también, el las características del elemento que se desea obtener.

Por otra parte se ha demostrado que los productos aglomerados constituyen elsegundo mayor consumidor del bagazo industrializado del mundo con el 13% y en1993 alrededor de 47 plantas de tableros de bagazo se encontraban en operación.En la actualidad la capacidad instalada es de unos 900, 000 m3/año correspondiendola mayor capacidad instalada a América Latina con 419,2 00 m3/año seguida de Asiacon 280 000 m3/año. Las tecnologías en operación incluyen la producción de

tableros finos y gruesos, de fibra y de partículas, recubiertos con melaminas oenchapados, con excelentes acabados, que incorporan los más recientes desarrollosy en general son competitivos en relación con los tableros de madera.

24 Ibidem , p. 79925 Ibidem , p. 802


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Como resultados de la investigación, se corrobora que el empleo de

microorganismos para la síntesis biológica de la celulosa, contribuyesignificativamente al buen desempeño en materia ambiental de la industria del papel,son alterar los costos de producción final en comparación con procedimientosconvencionales existentes en la actualidad. El producto que presenta mejorrendimiento de síntesis, es un sustrato a base de celobiosa y mediante la actividaddel Acetobacter xilinum . La aplicación de los elementos desarrollados en lainvestigación no solo radica en el producto final, sino que es posible emplear losproductos intermedios de la reacción para elaboraciones de materiales no rígidospero de gran importancia para la industria de la construcción como agentesselladores. 26

En este mismo contexto, el aprovechamiento de los residuos generadosmediante su aplicación en la elaboración de materiales complementarios empleadosen la industria de la construcción es tema de interés para Altaf. H. Basta y su grupode colaboradores, aseguran que el trabajar con esta situación, contribuyen

considerablemente en el buen desempeño en materia ambiental de la industria delpapel. En investigación realizada, propone una reducción de los componentestóxicos presentes en aguas residuales provenientes de plantas de elaboración depapel para ser aprovechada como sustrato de lignocelulosa y por ende su empleo enla elaboración de paneles constructivos. De manera particular, hace uso de salesinorgánicas de amonio y adhesivos a base de formaldehídos que generan unaaceleración de adhesión. El comportamiento de la celulosa bajo este tipo de aditivos,

es favorable en términos de calidad del producto final, ya que proporciona resistenciaal agua y a la inflamabilidad. Y de cierta manera puede concluir que en factible eluso de lignocelulosa y adhesivos libres de formaldehídos para la elaboración de

26 Ibidem , p. 818


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elementos rígidos que cubren las características deseadas del compuesto

resultante.27

Ahora bien, el factor determinante de este tipo de materiales para la calidaddeseada en términos de trabajo estructural, no solamente es la formulación de lamezcla y la selección de los elementos que la constituyen, sino también la formageométrica de cómo esta construido el material resultante. Al respecto, Wen LongDain, en una reciente publicación28 establece que es posible obtener materiales conexcelente comportamiento en trabajo estructural elaborados a base de polvos omateriales particulados. En este caso plantea el diseño de mezclas a base deresiduos maderables y el suministro de polivinilo- alcohol como aditivo para dar mejorcalidad en términos de resistencia. La mezcla es sometida a unas presas de rodillostridimensionales y es compactada hasta dar la estructura conocida como “sándwich”,

Los resultados de la investigación son buenos para los fines y objetivos planteados,el material presenta mejor resistencia en comparación con productos similaresexistentes en el mercado, se hace uso de volúmenes grandes de materia prima, son

elementos de alta densidad, y sobre todo presentan una gran resistencia alagrietamiento.29

Esfuerzos también en este campo, se han llevado a cabo en la Universidad de Alberta30 y otros organismos públicos y privados en Canadá quienes han realizadoalgunos trabajos de investigación sobre el aprovechamiento de fibras naturales,producto de las cosechas de trigo, cebada y lino, en la fabricación de paneles parausarse como muros divisorios y como falsos plafones, obteniéndose con ello

resultados positivos desde el punto de vista térmico, aunque con algunos problemastodavía por resolver como es el caso de la humedad. Historia de ello es el caso del

27 Alaf H. Basta, S. Adb Assam, Houssni El-Saied en Internat ional Jou rnal of Polym ericMaterials Taylor and Francis Inc. No. 39, Cairo, Egyp, 2005, pp. 821-845.28 Wen-Long Dain, Jou rnal of Materials Science , V 39, s.e. Taiwan, 2004 pp. 2465-247229 Ibidem, p. 246830 www.ciadicyp.com/iberoamericancongressonpulpandpaper/research_2000.html

http://www.ciadicyp.com/iberoamericancongressonpulpandpaper/research_2000.htmlhttp://www.ciadicyp.com/iberoamericancongressonpulpandpaper/research_2000.htmlhttp://www.ciadicyp.com/iberoamericancongressonpulpandpaper/research_2000.htmlhttp://www.ciadicyp.com/iberoamericancongressonpulpandpaper/research_2000.html


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"stramit", un panel muy ligero hecho de paja de trigo que fuera muy utilizado durante

la década de los 60's; actualmente en el Reino Unido a este tipo de panel se lerecubre con una película de vinil.

Sin embargo el uso eficiente es limitado en espacios libre de humedad,generalmente en interior como componentes de algunos clóset o simplemente comoentrepaños. 31

En este caso, los paneles “Stramit” aunque son muy diferentes a los

materiales convencionales de la misma categoría, resulta fácilmente adaptable a losusuarios por su forma ligera y su dimensión poco espaciosa, teniendo el cuidadoexcesivo de no someterlo a condiciones húmedas, ya que generalmente estoproducirán grandes hinchazones en tiempos relativamente cortos en el material 32.

Navarro A. José F., evalúa en términos mecánicos un material propuesto abase de plástico de alta densidad y fibra de estopa de coco, para efectos de suinvestigación empleo botes de leche (HDPE) y fibra de estopa de coca generada enla región de Colima, el material resultante es recomendado para su empleo en laindustria de la construcción principalmente en el desarrollo de vivienda de imteressocial, pues la pertinencia de ello radica en los bajos costos de elaboración y por lascaracterísticas particulares del material, aunque se ve limitada su aplicación comosoporte estructural33.

Una aportación en este mismo sentido, es lo que investiga Novoa Carrillo(2005), en este caso se empleó fibra de coco y cemento como agente aglutinantepara la elaboración de tableros aglomerados, cuyo material resultante se sometió a la

31 Rosell, R.; La Indust r ia del Papel y sus perspect iv as , Seminario Internacional de PapelPeriódico a partir del bagazo, 1990.32 www.cardboarschool.co.uk/contend/litreview.pdf 33 Navarro, A. José F. Elaboración y Evaluación de Tableros Aglomerados a base de plásticode alta densidad y fibra de estopa de coco. Tesis de maestría. Universidad de Colima, 2005.

http://www.cardboarschool.co.uk/contend/litreview.pdfhttp://www.cardboarschool.co.uk/contend/litreview.pdfhttp://www.cardboarschool.co.uk/contend/litreview.pdfhttp://www.cardboarschool.co.uk/contend/litreview.pdf


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evaluación físico – mecánica correspondiente en donde determinó el comportamiento

a la flexión, comportamiento a la compresión y deformación del mismo material adiferentes condiciones de esfuerzo 34.

34 Novoa, C. Martha A., Elaboración y Evaluación de Tableros Aglomerados a base de fibra decoco y cemento. Tesis de maestría. Universidad de Colima, 2005.


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Capitulo II

MARCO TEORICO

El comportamiento de los elementos que constituyen los materiales rígidosempelados en la industria de la construcción, especialmente los paneles de bajocosto35, dependen de diferentes factores, uno de ellos podría ser la simple proporciónen sus mezclas al momento de su elaboración o bien el suministro de aditivos quemodifiquen sus características químicas y físicas a tal grado que el compuestoresultante sea considerado de diferente calidad en comparación con otro elaborado apartir de los mismos elementos base.

En este capitulo se abordará los elementos que determinan el fundamentoconceptual y teórico de cada uno de los materiales involucrados en el desarrollo de lainvestigación, así mismo se pondrá en manifiesto los principios que determinan laevaluación de los materiales propuestos.

De esta manera consideramos el papel como elemento central de análisiscuyo componente químico de mayor importancia y esencial es la celulosa y susderivados celulósicos. Este calificativo es asumido no solamente por el volumen quepudieran aportar a ciertos materiales, sino mas bien a la capacidad de formar largasfibras gracias a sus cadenas de polisacáridos que proporcionan estabilidad buendesempeño en combinación con los agentes aglutinantes empleados en laelaboración de materiales rígidos.

35 Considerado de esta manera por el empleo de materiales reciclados y por los procesos defabricación en donde no implica mayor uso de tecnología costosa o diferente a la disponible enel mercado de forma convencional.


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La celulosa es un polisacárido formado por unidades de anhidro-d-

glucopiranosa enlazadas entre las posiciones 1 y 4 de las unidades adyacentes deazúcar mediante un enlace β 36, como se indica a continuación37:

El grado de la polimerización de la celulosa (GP), varía de 4 000 a 5 000

unidades, tanto para maderas suaves como para duras, definiendo así el pesopromedio molecular de la misma, mediante la aplicación de la osmometría,mediciones de la dispersión de luz, el ultra centrifugado, la penetración del gel y lasdeterminaciones viscosimétricas. 38

La celulosa es el componente estructural de mayor interés en las paredescelulares de la planta. Existe en las paredes celulares en forma de fibras largas yfilamentosas denominadas microfibrilas. “Las microfibrilas de la celulosa, en las

células de la madera madura, están embebidas en una matriz compuestaprincipalmente de hemicelulosa y lignina”. Esta se encuentra en varias capas deparedes de células, rodeadas por una sustancia intercelular amorfa. 39

Entre las células existe una región, denominada lamela intermedia, quecontiene principalmente lignina y sustancias pécticas. La pared primaria (P), cuyogrosor es únicamente de 0.01 a 0.2 micras, contiene una red organizada en formasuelta y aleatoria de microfibrilas de celulosa embebidas en una matriza que durantemuchos años se pensó consistía en pectinas amorfas y hemicelulosas carentes de

36 Mc. Ginnis, Gary D., Apud Pulpa y papel, Química y Tecnología Química, Casey, James P. V.1, México, 1990, p 34. 37 http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Estructura_celulosa.png38S. H. Churms, Apud Pulpa y papel, Química y Tecnología Química, Casey, James P. V. 1,México, 1990, p 34.39 Casey, James Op. Cit . p. 35.


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orientación celular 40, sin embargo estudios posteriores han demostrado que las

hemicelulosas están parcialmente orientadas 41.

La distribución de la lignina, la celulosa, le hemicelulosa y la pectina en lalamela intermedia y la pared de la célula en las fibras de la madera, han resultado sertotalmente heterogénea.

En la pared celular, las cadenas de celulosa se unen para formar filamentoslargos y delgados denominados microfibrilas. Las microfibrilas, en combinación con

los restantes materiales de la matriz, suministran rigidez y la resistencia mecánicanecesaria para la planta. La microfibrilas de la pared celular actúan en la mismaforma que las varillas de refuerzo lo hacen en el concreto preesfrozado.

Análogamente, son estructuras plásticas reforzadas de filamentos retorcidos,semejantes a las que aplican a la construcción de recipientes para presión. 42

En el papel ye el cartón, las microfibrilas están embebidas en una matriz depolisacáridos y lignina amorfa. Los materiales no celulósicos se pueden eliminarmediante distintos tratamientos químico, y se pueden observar las microfibrilasusando el microscopio electrónico. En la figura 2.143 se muestra una fotografíaelectrónica de las microfibrilas.

Los estudios basados en métodos físicos y químicos han indicado que lasmicrofibrilas no son totalmente cristalinas, sino que contienen, por el contrario, dosregiones claramente diferenciadas que se denomina zona cristalina. Otra parte de la

40 Idem.41 Harland W. G. Apud Pulpa y papel, Química y Tecnología Química, Casey, James P. V. 1,México, 1990, p 34.42 Idem43 www.biologia.edu.ar/ macromoleculas/azucar.htm

http://www.biologia.edu.ar/macromoleculas/azucar.htmhttp://www.biologia.edu.ar/macromoleculas/azucar.htmhttp://www.biologia.edu.ar/macromoleculas/azucar.htmhttp://www.biologia.edu.ar/macromoleculas/azucar.htm


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microfibrila consiste en moléculas de celulosa notablemente menos ordenadas, que

se denomina región amorfa o paracristalina. 44

Fig. 2. 4 Estructura Celular de las microfibrilas

La microfibrilas están constituidas por regiones cristalinas y amorfasestadísticamente formadas por la transición de la cadena celulósica que pasa delarreglo ordenado de las microfibrilas, en las regiones cristalinas, a una orientaciónmenos ordenada en la zona amorfa (ver fig. 2.2). 45

44 Casey, James Op. Cit . p. 39.45 Ibidem , p. 41


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Fig. 2. 5 Organización esquemática de las moléculas de la celulosaa) de forma continua b) de forma micelar.

La naturaleza de la unión entre las fibras es extremadamente compleja. Partede dicha complejidad parece ser que varios tipos de acción que unen entre sí a lasfibras operan simultáneamente. Las explicaciones que se basan en un mecanismocon exclusión de otros crean en ocasiones conflictos entre quienes prefieran talesmecanismos. Debido a que intervienen más de una fuente y más de un tipo de uniónen casi cualquier cartón o papel, el punto de vista actual es el de que nunca puedeofrecerse una descripción sencilla y precisa de la unión46. Este punto de vista ha sido

en gran parte resultado de las observaciones obtenidas en el microscopio electrónicoy el microscopio de exploración, las que mostraron que la estructura de la fibra esmás complicada de lo que se pensaba, y que el comportamiento de partes de lapropia fibra son en consecuencia más diversas, habiéndose logrado adelantos

46 Ibidem , p. 137


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importantes relacionados con las bases teóricas de las uniones entre fibras e

intrafibras.

Es imposible expresar la resistencia del papel en función de un solo factor. Altener en cuenta la resistencia a la tensión de una hoja (guía) de papel, las teoríasmecánicas incluyen siempre el concepto cuantitativo del “área de unión relativa”,

sugerido por Corte a finales de los años 50 47. Otro factor es la orientación de lasfibras en la hoja, aunque menos importante que la unión entre las fibras resulta deextrema importancia la resistencia, la formación de aloja y la uniformidad en ladistribución de las fibras, para la calidad del papel, tema que se trata en el capítulosiguiente, en la formación de la hoja.48

Los factores que influyen en la unión de las fibras son las propiedades físicasy químicas de éstas y, a su vez, son consecuencia de las propiedades de lasespecies de árbol o de planta, y por los procesos posteriores de producción yblanqueo de la pulpa.49

Otro factor fundamental, además de la unión entre las fibras, y éste es laresistencia de la misma, la resistencia a la tensión real de las fibras individuales queforman la hoja del papel. En las teorías mencionadas, la resistencia de la fibraaparece en forma oscura, bajo la forma de un módulo elástico. Se ha prestado adistinguir la contribución correspondiente a la resistencia de la fibra y a la unión. Esincorrecto hablar de la “resistencia de la fibra” como usualmente lo hace el fabricante

del papel, ya que no se hace referencia a la resistencia de las fibras individuales.

Cuando hay una diferencia entre la resistencia de las hojas que prueban, hechas condos pulpas diferentes, y siguiendo el mismo procedimiento de batido, dicha diferenciapuede atribuirse a diferencias en las propiedades físicas o químicas de las fibras y la

47 Corte W. B. Apud Pulpa y papel, Química y Tecnología Química, Casey, James P. V. 1,México, 1990, p 138.48 Casey, James Op. Cit . p. 139.49 Idem.


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forma en que éstas han reaccionado para llegar a influir en el grado de unión entre

las fibras50.

La tensión superficial es tan importante en la unión de las fibras, esta densidadmás baja es quizá consecuencia de la reducción de las fuerzas contractantes debidaa una tensión superficial reducida; sin embargo, puede también ser resultado de quese haya evitado la unión por hidrógeno que es consecuencia de la adsorción delsurfactante, que oculta el agrupamiento polar en la superficie de las fibras 51. Laeliminación del agua interfibras por sublimados a – 6°C, de manera que las fuerzasde tensión superficial dejen de ser un factor, se traduce en una hoja muy porosa yvoluminosa, con elevada opacidad y poca resistencia, debido a una reducción en launión entre las fibras52.

El efecto de la celulosa verdadera en la unión de la fibra es difícil de evaluar,sobre todo por que es también difícil obtener una indicación confiable del grado depolimerización (GP) de la celulosa. Las pruebas de viscosidad del cuproamonio y elcuproetilen-diamina son muy usadas para este fin, pero estas pruebas tienenlimitaciones definidas53, ya que las afectan la cantidad de lignina y de materialhemicelulósico presente en la pulpa, así como por el estado de la celulosaverdadera.

Ahora bien, si nos referimos a la celulosa como un polisacárido con excelentecapacidad de formar fibras y cuya característica es de gran importancia en laelaboración de materiales rígidos, el caucho de origen natural o sintético, no está

ajeno de esta situación, y mas aún cuando nos referimos a un material sometido a unproceso de vulcanizado.

50 Idem. 51 Sletton O. y Skinner C. F. Apud Pulpa y papel, Química y Tecnología Química, Casey, JamesP. V. 1, México, 1990, p 143.52 Appling J. W. Apud Pulpa y papel, Química y Tecnología Química, Casey, James P. V. 1,México, 1990, p 143.53 Casey, James Op. Cit . p. 173.


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En este sentido definimos al caucho como un hidrocarburo de baja densidad54de gran importancia que se obtiene del látex de ciertos árboles de la zona tropical.Cuando se calienta el látex o se le añade ácido acético, los hidrocarburos ensuspensión, con pequeñas cantidades de otras sustancias se coagulan y puedenextraerse del líquido. El producto obtenido es el caucho bruto del comercio, viscoso ypegajoso, blando en caliente y duro y quebradizo en frío. Al estirarlo, no vuelve aadquirir después la forma primitiva55.

Fig. 2. 6 Estructura molecular del caucho

54 Morrizon, Op. cit . p. 44655 http://www.textoscientificos.com/caucho/diolefinas.2006


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La formación de los distintos cauchos sintéticos se basa en la polimerización

del butadieno o de homólogos (isopreno) o derivados (cloropreno) que tiene la mismaestructura. 56 Tal es el caso del elemento consiguiente de la llanta de automóvil. Eneste caso, el polímetro conocido también como elastómero, es sometido a unproceso de vulcanizado, que consiste en desarrollar una reacción mediante elsuministro generalmente de acido sulfúrico. El producto resultante posee congrandes ventajas en términos de resistencia y elasticidad, aunque bien es cierto conalto poder calorífico.

Hasta el momento se ha abordado los criterios generales que contribuyen a la

explicación de la celulosa y su comportamiento en el papel y cartón como materialprimario así como el caucho presente en las llantas de automoviles, sin embargo noes de menor importancia referir a los aglutinantes como elementos conformacionalesde los materiales rígidos empleados en la industria de la construcción, por lo que semuestra a continuación las características generales de los mismo y algunos posiblesaditivos empleados en el mismo contexto.

El énfasis que se da al cemento y sus diferentes tipos es sin duda por su

múltiple aplicación como agente aglutinante y por su empleo tan diverso en laindustria de la construcción, no solamente en la actualidad, sino a lo largo del tiempoy en sus diferentes procesos de evolución en sus componentes.

Para efectos prácticos de la investigación definiremos la palabra cementocomo cualquier clase de adhesivo 57. En construcción y en ingeniería civil, indica unasustancia que puede emplearse para unir arena y roca machacada, u otros tipos deáridos, y formar una masa sólida. De esta manera, se originan materiales como elhormigón, los morteros y diferentes clases de productos derivados del fibrocemento.

56 Fessenden Op Cit p 43957 Taylor H. F. W., La Qu ím ica d e los Cemen tos , V 1, Bilbao 1978, p. 13.


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Un cemento puede ser un compuesto químico único, pero las más de las veces es

una mezcla58.

Un tipo primitivo de cemento está representado por la cal apagada, Ca(OH) 2,que todavía se usa juntamente con arena para fabricar la argamasa. Una pastahecha mezclando cal apagada con agua y arena endurece gradualmente comoconsecuencia de la eliminación del agua y de la reacción con el anhídrido carbónicoatmosférico para producir CO3Ca. La arena no toma parte en la reacción. Eldesarrollo de resistencia mecánica es lento e irregular, y la pasta no endurece si estásumergida en agua. 59

Más importantes son hoy los cementos hidráulicos, entre los cuales elcemento Pórtland constituye el ejemplo más familiar. El fraguado y el endurecimientono dependen del secado, ni de procesos externos, como la reacción con el dióxidode carbono de la atmósfera. Ocurren no sólo si la pasta se deja al aire, sino tambiéncuando se la sumerge en agua 60, esta propiedad es de gran importancia en lacombinación con elementos que absorben fácilmente el agua como lo es el papel ycartón.

Existen ciertos términos que precisan una definición. Pasta es, por ejemplo, lasuspensión espesa que se origina al mezclar un cemento hidráulico con agua y unárido en proporciones convenientes para que ocurra el fraguado 61. Este término seemplea igualmente para designar al material resultante en todos los estados delfraguado y endurecimiento, aún después de haberse vuelto bastante rígida.

Fraguado es el espesamiento inicial, que sucede normalmente en pocas horas; elendurecimiento es un proceso más lento y origina las propiedades mecánicas. Con el

58 Idem.59 Ibidem, p. 1460 Idem 61 Instituto Mexicano del Cemento y el Concreto, Diseño d e estru ctu ras c on for me alreglamento. Tomo I, México 1982, p. 6


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cemento Pórtland a temperatura ambiente, la resistencia mecánica aumenta en

forma notable, al menos durante dos años. Las reacciones que provocan el fraguadoy el endurecimiento se describen conjuntamente como reacciones de hidratación ,aunque el empleo de dicha expresión sea poco expresivo, puesto que los procesosson generalmente más complicados que la formación de un hidrato a partir de unasal anhidra. El término amasado se usa, a veces, para indicar la mezcla inicial delcemento con agua; curado significa dejar la pasta en reposo mientras se producen elfraguado y endurecimiento, que pueden verificarse en diversas condiciones: al aire,bajo el agua o en vapor saturado. 62

Casi todos los cementos empleados comúnmente en la construcción deben suacción sobre todo a la formación de silicatos, aluminatos o sulfoaluminatos de calciohidratados, o a compuestos de dos o más de estos tipos. Unos cuantos cementosdeben su acción a la formación de compuestos de otros tipos, tales como sulfatocálcico hidratado, cloruros básicos de magnesio o silicatos magnésicos hidratados.Más adelante los consideramos brevemente en esta introducción. 63

Las fórmulas en la química del cemento se expresan a menudo como unasuma de óxidos; así, el silicato tricálcico, Ca3SiO5, puede escribirse en la forma 3CaO · SiO 2. Fórmulas químicas de los óxidos más frecuentes, como C para CaO y Spara SiO2. El compuesto Ca3SiO5 se transforma así en C 3S. Este sistema se usa, confrecuencia, juntamente con la notación química ordinaria dentro de una simpleecuación química. Por ejemplo:

3 CaO + SiO2 = C3S

62 Taylor H. F. W, Op. ci t . p. 1463 Idem.


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o aun en una misma fórmula química; así, C 3 A · 3 CaSO 4 · 32 H 2O indica 6 CaO ·

Al2O3 · 3 SO 3 · 32 H 2O. La lista completa de abreviaturas de uso general es lasiguiente:

C = CaO F = Fe2O3 N = Na2O P = P2O5

A = Al2O3 M = MgO K = K2O f = FeO

S = SiO2 H = H2O L = Li2O T = TiO2

A veces se encuentran algunas otras abreviaturas, como S = SO 3 y C = CO2.Las fórmulas de los óxidos simples se escriben generalmente completas, como en laecuación dada arriba. Con todo, a veces se abrevian del mismo modo. 64

Dentro del los aglutinantes convencionales, como ya se mencionóanteriormente, el cemento en uno de los mas importantes, y éste a la vez tiene unatipificación por su forma de elaboración y las características para su aplicación. Loscementos Pórtland se fabrican por calentamiento de una mezcla de caliza y arcilla, uotros materiales de composición global similar, a una temperatura que provoca unafusión parcial. El producto, llamado clinker, se muele y se mezcla con un porcentajepequeño de yeso. El clinker contiene cuatro fases principales: silicato tricálcico (Ca3S), β-silicato dicálcico ( β-C2S), aluminato tricálcico (C3 A) y solución sólida deferrito cálcico (con composición comprendida aproximadamente entre C2F y C6 A2F, yque se acerca con frecuencia a C 4 AF).65

64 Ibidem, p. 1565 Ibidem, p. 16


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Otro tipo de aglutinantes son los llamados cementos blancos, los cuales están

hechos con materiales libres de hierro, como caliza y caolín; contienen C 3S, β-C2S yC3 A. Cementos de escoria, cementos puzolánicos y cementos expansivos; así comotambién, cementos de aluminato de estroncio y de aluminato de bario. 66

Debido a la diversa gama de cementos disponibles es importante distinguir losde uso general y los de uso especial. La diferencia está en función de la resistenciamecánica desarrollada y la durabilidad que presenta cada uno con respecto al tiempoy los diferentes agentes agresivos.

Desde el punto de vista económico siempre es recomendable optar por uncemento de uso general, a menos que se determine alguno de uso especial debido alos requerimientos del cálculo estructural o por un proceso constructivo másespecífico en el manejo del concreto.

Según la norma mexicana “el cemento hidráulico es un material inorgánico

finamente pulverizado, comúnmente conocido como cemento, que al agregarle agua,ya sea solo o mezclado con arena, grava u otros materiales similares, tiene lapropiedad de fraguar y endurecer, incluso bajo el agua, en virtud de reaccionesquímicas durante la hidratación y que, una vez endurecido, conservará su resistenciay estabilidad” 67. En la tabla 2.1 se muestra la clasificación según el tipo de cemento.

66 Idem.67 NMX-C-414-ONNCCE


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Tabla 2. 2 Tipos de Cemento 68

Tipo Denominación Descripción

CPOCemento Pórtlandordinario

Es el cemento producido a base de la moliendadel clinker Pórtland y usualmente, sulfato decalcio.

CPPCemento Pórtlandpuzolánico

Es el conglomerante hidráulico que resulta dela molienda conjunta de clinker Pórtland,materiales puzolánicos y usualmente, sulfatode calcio.

CPEGCemento Pórtland conescoria granulada de altohorno

Es el conglomerante hidráulico que resulta dela molienda conjunta de clinker Pórtland,escoria de alto horno y usualmente, sulfato decalcio.

CPC Cemento Pórtlandcompuesto

Es el conglomerante hidráulico que resulta dela molienda conjunta de clinker Pórtland,

usualmente, sulfato de calcio y una mezcla demateriales puzolánicos, escoria al alto horno ycaliza. En el caso de caliza, este puede ser elúnico componente

CPSCemento Pórtland conhumo de silice

Es el conglomerante hidráulico que resulta dela molienda conjunta de clinker Pórtland, humode sílice y usualmente, sulfato de calcio.

CEGCemento con escoriagranulada de alto horno

Es el conglomerante hidráulico que resulta dela molienda conjunta de clinker Pórtland, ymayoritariamente escoria granulada de altohorno y sulfato de calcio.

68 Idem.


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Los agregados son productos granulares en estado natural, procesados o

artificiales que se mezclan con un cementante o aglutinante hidráulico para fabricarmorteros o concretos. Se clasifican como finos y gruesos, para nuestro interésconsideramos este elemento de gran importancia pues el material resultante va adepender en gran medida de este componente.

Otro factor importante en la mezcla es el suministro de agua. El agua es ellíquido que está presente de manera importante en la elaboración de concretos y/omorteros, en el lavado de agregados, curado y riego de concreto; por consiguientedebe ser un insumo limpio, libre de aceite, ácidos, álcalis, sales y, en general decualquier material que pueda ser perjudicial, según el caso para el que se utilice.Según el uso, el agua debe presentar las características indicadas por el fabricantede cada cemento.

El mortero es una mezcla de agregado y uno o varios aglutinantes; paraefectos de esta investigación se considerarán los siguientes: el cemento PórtlandCPC 30 R y mortero HOLCIM APASCO. Al mezclarse con el agua forman un materialplástico con propiedades ligantes y adhesivas que al fraguar adquieren dureza ycaracterísticas de resistencia determinada, de acuerdo a la proporción especificada.

Algunos aditivos empleados en la elaboración de materiales rígidos para laindustria de la construcción deben cubrir ciertos índices de calidad, en formaespecífica se tienen que tener en cuenta los posibles efectos negativos de los ionesexcesivos de cloruro en presencia de aluminio y en el concreto presforzado. Los

aditivos que contengan cualquier tipo de cloruro, además del que provenga de lasimpurezas de los ingredientes del aditivo, no se deben emplear en concretopresforzado o en concreto que tiene elementos ahogados de aluminio. 69

69 Instituto Mexicano del Cemento y el Concreto, Op. cit. , p.


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Las investigaciones indican que cualquier cantidad de iones de cloruro en

dicho concreto, puede se dañina. Aunque puede ser difícil evitar que unas cantidadespequeñas de iones de cloruro provengan de otros ingredientes del concreto, elReglamento no permite el empleo de un aditivo que contenga cloruro en cantidadessuficientes que produzca una concentración peligrosa en el agua de la mezcla. 70

Otro factor determinante de la calidad lo los paneles empleados para laindustria de la construcción la resistencia a la compresión, cuyo valor promedio deltotal de elementos construidos debe exceder el valor especificado de esfuerzo quese empleó en la etapa de diseño estructural. Esto está fundamentado en losconceptos de probabilidad, y su propósito es asegurar que logre la resistenciaadecuada en la estructura. 71

Finalmente podemos considerar que todos los elementos presentan en mayoro menor medida un nivel de absorción acústica, que dependerá básicamente de tresfactores: grosor, geometría del material y características particulares de suscomponentes. Para efectos de la presente investigación, se considera comoabsorción acústica, cuando una onda sonora choca contra un material, parte de ellase absorbe, otra se refleja y otra se transmite. La parte no absorbida por el material,parte reflejada, crea una molestia in-situ, según la cantidad que se refleje. La partede energía absorbida se mide con relación a la energía emitida.

70 Idem. 71 Idem


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Capitulo III

DISEÑO Y DESARROLLO DEL EXPERIMENTO

En este capitulo se abordará en primer término el diseño del experimento,involucrando tanto las variables dependientes como las variables independientes,así mismo se pondrá en evidencia el desarrollo del mismo identificando loselementos que lo constituyeron en cada una de las etapas y los materiales y métodosempleaos para tal efecto.

3.1 Diseño del experimento

Para la determinación de la cantidad de muestras a analizar se emplea eldiseño factorial 32, cuyos factores son contenido de pulpa y contenido de látex, entres niveles; alto, medio y bajo. Los valores de cada nivel son asignados según lodeterminado en una etapa previa del experimento el cual es la calibración del mismo,tal como se especifica en el capitulo siguiente. La figura 3.1 muestra la grafica dedistribución de muestras resultante del diseño factorial.

De esta manera se deduce que el total de muestras a analizar corresponde aun valor de 9 corridas, sin embargo en la diagonal central se observa que los trespuntos corresponden a una misma muestra lo que da como resultado un total de 7formulaciones tal como se muestra en la tabla 3.1


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2 3

Pulpa

Latex

3

2

1

1

1:1

Fig. 3. 19 Distribución de puntos de muestreo de diseño factorial 32

Tab. 3. 7Número de corridas y proporción de componentes

Corridas Pulpa Latex Pulpa Latex Pulpa Latex

1 1 1 50 50 0,5 0,52 1 2 33,33 66,66 0,33 0,673 1 3 25 75 0,25 0,754 2 1 66,66 33,33 0,67 0,335 2 2 50 50 0,5 0,5

6 2 3 40 60 0,4 0,67 3 1 75 25 0,75 0,258 3 2 60 40 0,6 0,49 3 3 50 50 0,5 0,5

FRACCIONPROPORCION PORCENTAJE


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3.2 Materiales y Métodos

Preparación y fraguado de las mezclas

Las materias primas son sometidas a tratamientos preliminares simples parala unificación de cualidades en cada uno de los elementos a emplear, tal comotriturado para el caso del papel y cribado para el látex vulcanizado. En este últimocaso se hace uso de una criba de 0.4 cm. El triturado del papel se realiza mediante latécnica de molido en húmedo con aspas convencionales de acero inoxidable.

Para efectos del presente experimento, se toma como referencia lasespecificaciones marcadas en la Norma Mexicana NMX-C-58 referente al Método deprueba para determinar el tiempo de fraguado en cementantes, hidráulicosconsiderando además las adaptaciones respetivas por los tipos de materialesespecíficos con los que se elaboran los especimenes para las pruebas de análisis.

En este sentido el empleo de moldes son exactamente a los especificados en

la norma cuyas dimensiones son de 5 x 5 x 5 cm, para el fraguado de losespecimenes empleados para la determinación de la resistencia a la compresión demuestras de cementos.

El golpeteo para la compactación del material empleado en la elaboración delos especimenes de pruebas fue modificado debido a la consistencia del mismomaterial, el cual se incrementó 15 veces por cada capa para el caso de los cubos, 55para el caso de la viga y 40 para el cilindro.

Se emplea aceite lubricante SAE 20W-40 reutilizado ó quemado para evitar laadhesión de la mezcla en los moldes utilizados el cuál es distribuido por todas lasparedes ayudando de tal manera a un desmolde uniforme y sin deterioro por fracturadel espécimen fresco.


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Determinación de peso volumétrico, porcentaje de humedad y porcentaje de

absorción

Para la determinación del peso volumétrico, contenido de humedad yporcentaje absorción se emplean especimenes cúbicos de dimensiones de 5 X 5 X 5cm, elaborados conforme lo descrito en el apartado 9.2 referente a la preparación yfraguado de las mezclas, las cuales son sometidas a la evaluación correspondientestomando como referencia la Norma Mexicana NMX-C152.ONNCCE. Los cálculoscorrespondientes estarán sujetos a lo siguiente:

Peso volumétrico

ρ= Wd/V , ………………………….………………………………………………… (2)

donde:

ρ= peso específico

Wd = Peso seco de la probeta en gr

V =Volumen del espécimen en cm 3

Contenido de Humedad

Hum = 100 [(W – Wd) / Wd] , ……………………………………………………….(3)

donde

Hum = Contenido de humedad en %

W = peso inicial de la probeta en gr


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Absorción

Abs = 100 [(Ws – Wd) / Wd] , ………………………………………………………(4)

donde

Abs = Absorción en %

Ws = Peso saturado del espécimen en gr

El material empleado para estas determinaciones consiste básicamente enbalanza analítica Ohaus mod. OIML de alta precisión y horno eléctrico a 75ºC para elsecado de las muestras.

Determinación de resistencia a la compresión

Por las características del material resultante con los elementos o materiasprimas empleados, se considera pertinente la evaluación de la resistencia a la

compresión que presenta el producto final, ya que puede considerarse como un valorimportante para su evaluación. Sin embargo, también se sabe de manera anticipadaque los valores arrojados finalmente, podrían no ser favorables en términos deeficiencia estructural, por lo que son tomados solamente como referencia al procesode evaluación física y mecánica.

En este sentido, se hace referencia a la norma mexicana NMX-C-061-ONNCCE-2001 que establece la determinación de la resistencia a la compresión decementantes hidráulicos, considerando también las adaptaciones pertinentes por eltipo de materiales empleados.

En los casos anteriores se hace uso de una prensa para compresión Controls-20063 Cernusco de 1300 kN, en donde se ensayan los especimenes elaborados.


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Evaluación de Absorción acústica

Como parte de la caracterización del material elaborado, se determina lapertinencia de realizar una evaluación en términos de absorción acústica de cadauna de las mezclas diseñadas. Para lo cual se construye una caja de madera selladaacústicamente a la cual se le hace pasar una onda se ruido continua cuyo nivelsonoro es conocido a través de una muestra del material a evaluar (ver fig. 3.2).

Fig. 3. 20 Caja para la determinación de nivel de Absorción acústica


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La caja construida cuyas d

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