ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN CONCRETO CONVENCIONAL ADICIONANDO FIBRA DE CÁÑAMO

LUIS EDUARDO TERREROS ROJAS IVÁN LEONARDO CARVAJAL CORREDOR

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL ALTERNATIVA TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

BOGOTÁ D.C. 2016

ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN CONCRETO CONVENCIONAL ADICIONANDO FIBRA DE CÁÑAMO

LUIS EDUARDO TERREROS ROJAS IVÁN LEONARDO CARVAJAL CORREDOR

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Civil

Director Esp. MARISOL NEMOCÓN RUIZ

Ingeniero Civil

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL ALTERNATIVA TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

BOGOTÁ D.C. 2016

4

Nota de aceptación

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________ Director de Investigación

Ing. Marisol Nemocón Ruiz

______________________________________ Firma del Jurado

______________________________________ Firma del Jurado

Bogotá D.C., junio de 2016

5

Dedico esta tesis a mis padres, les agradezco todo el apoyo moral y económico recibido durante esta etapa de mi vida que culmina e inicia otra en lo profesional y en lo personal. A mi novia que siempre estuvo en los momentos difíciles, me aconsejó y me dio su apoyo.

6

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a:

A mi madre, padre, hermano y novia que siempre han estado cuando se acaban las energías están ahí dando una nueva fuerza para lograr esta meta.

Ing. Marisol Nemocón Ruiz que por su profesionalismo, pasión y formación nos ha guiado y enfocado para poder cumplir con el fin del proyecto.

A todos los que incondicionalmente han estado y los que ya no están pero por sus consejos estamos cumpliendo con una meta más.

7

CONTENIDO

pág.

RESÚMEN ............................................................................................................. 13 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 14 1. ANTECEDENTES .............................................................................................. 15 2. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 16

3. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ................................. 17 4. OBJETIVOS ....................................................................................................... 18 4.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................... 18 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................ 18 5. DELIMITACIÓN ................................................................................................. 19

5.1 DELIMITACIÓN GEOGRÁFICA ....................................................................... 19 5.2 DELIMITACIÓN TEMPORAL ........................................................................... 19

5.3 DELIMITACIÓN TÉCNICA ............................................................................... 19

6. METODOLOGÍA ................................................................................................ 20 7. TECNOLOGÍA DEL CONCRETO ...................................................................... 21 7.1 CEMENTO PÓRTLAND................................................................................... 21

7.1.1 Cemento Pórtland tipo 1. .............................................................................. 21 7.2 AGUA PARA EL CONCRETO ......................................................................... 23

7.2.1 Usos del agua. .............................................................................................. 24 7.2.2 Calidad del agua ........................................................................................... 24 7.3 AGREGADOS .................................................................................................. 25

7.3.1 Clasificación según su procedencia. ............................................................. 25

7.3.2 Clasificación según su tamaño. .................................................................... 25 7.3.3 Clasificación según su densidad ................................................................... 25 7.3.4 Propiedades de los agregados ..................................................................... 26

7.4 PROPIEDADES DEL CONCRETO .................................................................. 28 7.4.1 Propiedades del concreto fresco ................................................................... 28

7.4.2 Propiedades del concreto endurecido. .......................................................... 31 7.5 DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO DE PESO NORMAL ....................... 38

7.5.1 Método de la dosificación de mezclas .......................................................... 38 8. FIBRAS NATURALES ....................................................................................... 40 8.1 FIBRAS DE ORIGEN VEGETAL. .................................................................... 40 8.2 FIBRA DE CÁÑAMO ........................................................................................ 40 8.2.1 Origen. .......................................................................................................... 40

8.2.2 Historia. ......................................................................................................... 40 8.2.3 Países productores. ...................................................................................... 41 8.2.4 Tipos de cáñamo. ......................................................................................... 42 8.2.5 Estructura molecular. .................................................................................... 42 8.2.6 Propiedades. ................................................................................................. 43 8.2.7 Uso de la fibra de cáñamo. ........................................................................... 44 8.2.8 Fibra-concreto. .............................................................................................. 49

9. PROGRAMA EXPERIMENTAL ......................................................................... 51 9.1 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN ......................................... 60

8

9.1.1 Diseño de mezcla del concreto normal ......................................................... 61 9.1.2 Diseño de mezcla del concreto con fibra de cáñamo. ................................... 62 9.1.3 Determinación de la resistencia a la compresión. ......................................... 63 9.2 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA FLEXIÓN .................................................. 66

9.2.1 Diseño de mezcla del concreto con fibra de cáñamo .................................... 67 9.2.2 Determinación de la resistencia a la flexión. ................................................. 69 10. ANÁLISIS DE RESULTADOS .......................................................................... 71 10.1. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN ............................................................ 71 10.1.1 Concreto normal. ........................................................................................ 72

10.1.2 Concreto con fibra de cáñamo .................................................................... 73 10.2 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN ...................................................................... 75 11. CONCLUSIONES ............................................................................................ 77

12. RECOMENDACIONES .................................................................................... 79 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 80 ANEXOS ................................................................................................................ 83

9

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Resistencia de los componentes principales del cemento. ..................... 22

Figura 2. Calor de hidratación de los componentes principales del cemento. ....... 22 Figura 3. Esquema de la ubicación del agua en la pasta de cemento hidratado. .. 23 Figura 4. Ensayo de asentamiento. ....................................................................... 29 Figura 5. Características del cono de Abrams. ...................................................... 29 Figura 6. Clasificación del concreto según su consistencia. .................................. 30

Figura 7. Resistencia a compresión en función de la relación a/c. ........................ 34 Figura 8. Incremento de los poros capilares en la pasta de cemento hidratada, al aumentar la proporción de agua de mezcla. .......................................................... 34

Figura 9. Relación experimental entre la porosidad y la resistencia a compresión de diversas pastas de cemento. ................................................................................. 35 Figura 10. Secuencia de pasos para la dosificación de mezclas ........................... 39

Figura 11. Mapamundi con los principales productores de cáñamo ...................... 41 Figura 12: Estructura del tetrahidrocannabinol ...................................................... 42 Figura 13. Hempcrete ............................................................................................ 45

Figura 14. Bloque de hempcrete ............................................................................ 45 Figura 15. Bloque de Cannabric ............................................................................ 47

Figura 16. Ficha técnica del Cannabric .................................................................. 48 Figura 17. Cemento CEMEX.................................................................................. 52 Figura 18. Agregado grueso y fino. ........................................................................ 53

Figura 19. Cal hidratada. ....................................................................................... 53

Figura 20. Fibra de cáñamo previamente cortada. ................................................ 54 Figura 21. Fibra de cáñamo más cal hidratada ...................................................... 55 Figura 22. Concreto normal y concreto con fibra de cáñamo ................................ 55

Figura 23. Asentamiento del concreto ................................................................... 56 Figura 24. Preparación de los moldes. .................................................................. 57 Figura 25. Concreto en los moldes ........................................................................ 58

Figura 26. Cilindros de concreto normal ................................................................ 58 Figura 27. Cilindros de concreto con fibra de cáñamo ........................................... 59 Figura 28. Vigas de concreto con fibra de cáñamo ................................................ 59 Figura 29. Ensayo de compresión de concreto ...................................................... 60

Figura 30. Viga en la estructura de soporte. .......................................................... 66

Figura 31. Viga lista para cargar. ........................................................................... 66

Figura 32. Fractura de la viga M2. ......................................................................... 69 Figura 33. Fractura de la viga M1 y M2. ................................................................ 69 Figura 34. Día de rotura frente a la resistencia a la compresión ............................ 71 Figura 35. Falla de los cilindros C1 y C2 ............................................................... 72 Figura 36. Falla de los cilindros C3, C4, C5 Y C6. ................................................. 73

Figura 37.Correlación entre la resistencia a compresión y el módulo de rotura para una resistencia a la compresión de 4000 psi. ........................................................ 75

10

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Clasificación del agregado según su tamaño. .......................................... 26

Tabla 2. Concreto según la resistencia .................................................................. 31 Tabla 3. Influencia de las condiciones medioambientales sobre los componentes del concreto. ................................................................................................................ 37 Tabla 4. Especificaciones de los agregados. ......................................................... 51 Tabla 5. Especificaciones del cemento. ................................................................. 52

Tabla 6. Tiempo de curado de los especímenes. .................................................. 60 Tabla 7: Parámetros para el diseño de mezcla. ..................................................... 61

Tabla 8. Dimensiones de los cilindros de concreto normal. ................................... 61

Tabla 9. Diseño de mezcla del concreto normal .................................................... 62 Tabla 10. Dimensiones de los cilindros de concreto con fibra de cáñamo. ............ 62 Tabla 11. Diseño de mezcla del concreto con fibra de cáñamo. ............................ 63

Tabla 12. Parámetros para fallar los cilindros ........................................................ 63 Tabla 13. Carga máxima, cilindros de concreto normal. ........................................ 64 Tabla 14. Resistencia a la compresión, concreto normal. ...................................... 64

Tabla 15. Carga máxima, cilindros de concreto con fibra de cáñamo. ................... 65 Tabla 16. Resistencia a la compresión, concreto con fibra de cáñamo. ................ 65

Tabla 17: Parámetros para el diseño de mezcla. ................................................... 67 Tabla 18. Viga 1. .................................................................................................... 67 Tabla 19. Viga 2. .................................................................................................... 68

Tabla 20. Diseño de mezcla del concreto normal con fibra de cáñamo. ................ 68

Tabla 21.Carga máxima a flexión de las vigas. ..................................................... 69 Tabla 22. Módulo de rotura .................................................................................... 70 Tabla 23. Concreto con fibra de cáñamo. .............................................................. 74

Tabla 24. Vigas de concreto con fibra de cáñamo, módulo de rotura .................... 76

11

LISTA DE ANEXOS

pág.

1. La agroindustria de la cannabis ofrece grandes oportunidades…………............ 83 2. Biocomposito de cáñamo-cal como material de construcción en Irlanda……… 84

12

GLOSARIO

CAÑAMO: El cáñamo o cáñamo industrial se produce a partir de la planta de cannabis, pero difiere de la planta utilizada para producir la marihuana. EL cáñamo industrial contiene menos del 1% de THC (el ingrediente activo en la marihuana) y no puede usarse como droga. EL cáñamo es una de las plantas productoras de celulosa de crecimiento más rápido en el mundo. Las semillas del cáñamo, el tallo y la fibra se pueden usar para una gran variedad de productos de uso diario, alimentos y combustible.

CONCRETO: El concreto es un material de construcción que se crea mezclando áridos y arena con un agente aglutinante (normalmente cemento) y, si es necesario, con aditivos. Esta mezcla, que se utiliza en los emplazamientos de construcción, puede tomar una gran variedad de formas. Las características de un tipo concreto de hormigón pueden variar notablemente en función de la elección del cemento, de la proporción entre éste y el árido que se utilice, y de la inclusión de aditivos. También repercute en su calidad y apariencia el modo en que se utilice el hormigón y el tratamiento que reciba su superficie. El concreto es una pieza reconstituida a la que, en ocasiones, se denomina "piedra líquida"

TRABAJABILIDAD: La trabajabilidad o manejabilidad es la capacidad que el concreto tiene para ser colocado y compactado apropiadamente sin que se produzca segregación alguna, está representado por la facilidad a la compactación, como también el mantenerse como una masa estable, deformarse continuamente sin romperse y fluir o llenar espacios vacíos alrededor de los elementos que absorbe.

RESISTECIA: La resistencia es la habilidad para resistir esfuerzos y de ahí que se puede considerar de cuatro maneras: compresión, tracción, flexión y corte.

TENACIDAD: La tenacidad es la capacidad del concreto de oponerse a la falla por impacto.

DURABILIDAD: La durabilidad es la habilidad para resistir la acción del medio ambiente, los ataques químicos, la abrasión y otras condiciones de servicio, de tal manera que sus características y propiedades se mantengan a lo largo de su vida útil.

13

RESÚMEN

El presente trabajo de investigación Análisis de las propiedades mecánicas de un Concreto convencional adicionando fibra de Cáñamo, para optar el título de Ingeniero civil de la Universidad Católica de Colombia tiene como fin determinar y analizar las propiedades mecánicas (compresión y flexión) de un concreto convencional adicionando fibra de cáñamo; siguiendo un método experimental fundamentado en la realización de ensayos y pruebas de laboratorio para comparar los concretos en estudio, la idea fundamental es conocer, comprender, evacuar y analizar la viabilidad del concreto con fibra de cáñamo. Para dicha evaluación se elaboraron 12 especímenes cilíndricos, 6 con fibra de cáñamo y 6 normales con el fin de obtener la resistencia a la compresión a los 7 días, 14 días y 28 días, igualmente se elaboraron 2 viguetas adicionando fibra de cáñamo para determinar la resistencia a la flexión a los 28 días; todo siguiendo la norma I.N.V. E sección 400 Concreto Hidráulico. Para la preparación de las matrices cementicias se utilizó cemento Portland Tipo 1 de la empresa CEMEX Colombia agregados finos y gruesos de la empresa Concrescol S.A. del rio Coello agua potable para consumo humano; cal hidratada de proveedor local y cáñamo industrial de proveedor local.

Como resultado de los ensayos, se analizó y concluyo que la adherencia entre los materiales y la fibra, generaron una mayor resistencia a la flexión y una resistencia al agrietamiento sin pérdida de material al momento de la rotura; representado una alternativa de desarrollo en el sector de la construcción, como material sostenible

Palabras claves: cáñamo, compresión, concreto, flexión, sostenible.

14

INTRODUCCIÓN

El desarrollo científico e industrial en la creación y producción de materiales provenientes de fibras de cáñamo, una fibra vegetal; se ha dado en el transcurso de los tiempos, pues también ha sido tema de controversia por su constituyente psicoactivo, prohibiendo la comercialización de la fibra en muchos lugares, aunque es sabido que posee unas propiedades físico-químicas-ecológicas que la hacen una fibra única, resistente, duradera y muy versátil, según la empresa Aznarshop, (2016).

Las investigadoras Hollen, Saddler y Langford (2004), afirman que históricamente el uso de esta fibra ha tenido gran auge en la industria textil y la fabricación de papel, hoy en día posee gran cantidad de usos gracias a sus propiedades; estas han llevado a indagar, recopilar y analizar información a nivel mundial sobre la viabilidad mecánica en la adición de fibra de cáñamo en un concreto convencional.

La información encontrada de investigaciones y estudios relacionados con la fibra de cáñamo como uso constructivo, arrojan interrogantes hacia el campo de aplicación, como también dan un punto de partida para encontrar un uso diferente y funcional a tales fibras, utilizándolas para la creación de un nuevo material enfocado al diseño, construcción y mantenimiento de estructuras que logren cumplir con las normas que rigen actualmente.

La investigación se enfoca en estudios preliminares basada en referencias bibliográficas y avances científicos referentes al tema; como también una parte experimental sobre las propiedades mecánicas (compresión y flexión) de un concreto convencional adicionando la fibra de cáñamo.

15

1. ANTECEDENTES

Según Prieto (2016), en su artículo informa que los usos de la fibra de cáñamo se vieron relegados a raíz de una confusa política de prohibición de la marihuana en muchos países a nivel mundial, que afectó directamente a la fibra de cáñamo industrial, pues la producción fue disminuyendo dramáticamente. Gracias a este acontecimiento la fibra dejo de tener cabida en la industria textil y de papel, reemplaza por otras fibras naturales y sintéticas. Hoy en día el cáñamo es utilizado para la fabricación de ropa, alimentos, cosméticos y en la industria de la construcción en un porcentaje muy reducido pues para conseguir cáñamo y trabajarlo ampliamente en necesario importarlo de países productores.

La empresa Aznarshop (2016), en sus estudios ha demostrado que es la fibra vegetal más resistente, larga, suave o espera dependiendo de su uso.

Según Daly, Ronchetti y Woolley (2013) en su artículo informa que los países donde se ha estudiado el cáñamo para uso constructivo, con proyectos de demostración significativos principalmente han sido Francia, reino unido y España.

En el área de la construcción según Ecohouses (2016) se utiliza como material de aislación térmica y sonora, armaduras de hormigón, fabricación de ladrillos y bloques de cáñamo, pues posee excelentes propiedades térmicas, permeabilidad al vapor, bajo impacto ambiental y secuestro de carbono, esto permite que la fibra sea un material versátil.

Según Pampillon (2009), en su artículo informa que el uso de la fibra en la construcción se especializa en la creación y producción de ladrillos a base de cáñamo combinado con otros materiales como la cal, así mismo paneles con aislación térmica y acústica; sogas de seguridad y aglomerado para trabar a compresión.

En el libro materiales de construcción apropiados de Stulz (1993), informa la viabilidad en la adición de fibra en un concreto, pues es muy importante tener claro el tipo de fibra, el porcentaje que se va a adicionar, la longitud que se debe tener cada fibra y las condiciones para un adecuado aglutinamiento; pues la resistencia y durabilidad de un concreto con fibra dependerá de lo anteriormente dicho.

Los estudios encontrados tales como el de Daly (2013), Ronchetti (2013), Woolley (2013), Pampillon (2009) y Stulz (1993) e igualmente artículos de las empresas Hempcrete (2016), Cannabric (2016), Argos (2016) y Sika (2016); como todas las fuentes de información, han permitido parametrizar la investigación y dar un enfoque claro para determinar y analizar las propiedades mecánicas (compresión y flexión) de un concreto convencional adicionando fibra de cáñamo en condiciones normales y compararlo con un concreto convencional en las mismas condiciones.

16

2. JUSTIFICACIÓN

La legalización del cannabis se da discutido en la mayoría de países a nivel mundial, entre los que se encuentra Colombia, pues el congreso en los últimos años ha puesto en la mesa de discusión la propuesta, estando unos en contra y otros a favor uno de los tantos debates que ha tenido el congreso de la república ha sido el del senador Roy Barreras Montealegre quien fue encargado del tema para la discusión en el mes de Julio del 2015, informe realizado por el periódico El Espectador.

El lograr legalizar el cannabis en el país trae con si problemas y beneficios sociales y económicos, como también un alza en la producción favoreciendo a las industrias textiles, de papel, construcción, etc.

El propósito de la investigación es generar un avance científico en la utilización de fibra de cáñamo en la construcción, como material no estructural, pues determinando la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión, se analizan dos propiedades mecánicas que dan una idea al comportamiento en general, mas no es suficiente para afirmar que el nuevo material cumple con la Norma sismo resistente (NSR 2010).

17

3. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

La necesidad de buscar un nuevo material para la construcción en Colombia ha permitido estudiar, indagar e investigar la fibra de cáñamo, según Stulz (1993) para lograr minimizar el impacto ambiental y los costos de producción del concreto, con mejores propiedades que las de un concreto normal. Las investigaciones y estudios que se han llevado a cabo con la fibra de cáñamo, ha generado gran curiosidad dentro de los investigadores, generando estudios que permitan determinar la viabilidad de un concreto normal adicionando fibra de cáñamo, determinando su resistencia a la compresión y su resistencia a la flexión. Dentro de este contexto esta investigación se centra en ensayos experimentales establecidos por la Norma I.N.V. E sección 400 – concreto hidráulico y referencias bibliográficas, comparando un concreto convencional con el concreto en estudio, dando solución a una pregunta clave ¿Qué tan viable es utilizar fibra de cáñamo en un concreto convencional?

18

4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Determinar y analizar las propiedades mecánicas (compresión y flexión) de un concreto convencional adicionando fibra de cáñamo en condiciones normales.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Establecer las condiciones en que se va a trabajar la fibra adicionándola al concreto.

Diseñar y elaborar un diseño de mezcla para un concreto normal con una resistencia a la compresión de 4000 psi.

Diseñar y elaborar un diseño de mezcla para un concreto adicionando fibra de cáñamo al 1% del peso total de concreto, basado en un concreto normal con una resistencia a la compresión de 4000 psi.

Someter las muestras en condiciones adecuadas a ensayos de compresión y flexión.

Comparar y evaluar el concreto en estudio con un concreto convencional.

19

5. DELIMITACIÓN

5.1 DELIMITACIÓN GEOGRÁFICA

El área de estudio del presente proyecto se enmarca en la ciudad de Bogotá D.C, el material utilizado se compró en empresa Concrescol S.A para los agregados y el cemento se compró en la empresa fabricante CEMEX Colombia S.A.

5.2 DELIMITACIÓN TEMPORAL

Este proyecto fue realizado en aproximadamente 7 meses, incluyendo el tiempo empleado para la creación del anteproyecto; empezando a comienzos del mes de Octubre del 2015 y terminando a finales de mayo del 2016. En la investigación se tomaron aquellos datos más relevantes que permitieron formar un documento compacto con la información más útil y conveniente.

5.3 DELIMITACIÓN TÉCNICA

Las limitaciones técnicas estuvieron directamente vinculadas al área de estudio, en este caso la ciudad de Bogotá D.C., dado que ningún medio es igual a otro, entonces los procedimientos, técnicas, disponibilidad de recursos y herramientas para llevar a cabo los objetivos o metas trazadas del proyecto cambian para cada sitio. De esta manera se trabajó con especificaciones técnicas y parámetros que se tratan de aplicar al estudio local, las cuales dependen de:

La disponibilidad de los materiales de construcción

Las condiciones climáticas que varían según temperatura, humedad, presión y vientos.

La tecnología y mano de obra competente para llevar a cabo el estudio.

20

6. METODOLOGÍA

El proyecto de investigación consta de unos análisis de datos, estudios e investigaciones; posteriormente un estudio experimental para comparar las propiedades mecánicas de un concreto normal con un concreto adicionando fibra de cáñamo.

En los estudios experimentales se van a analizar varios aspectos tales como: la trabajabilidad o manejabilidad de la mezcla de concreto mediante la relación agua-cemento(A/C), la resistencia a compresión adquirida en los días 7, 14 y 28 días de un concreto normal y un concreto con las mismas características que el normal pero adicionando fibra de cáñamo y a los 28 días la resistencia a la flexión del concreto con fibra de cáñamo, observando en todos los casos, el esfuerzo a la rotura, los tipos de fallas de las muestras en estudio y las diferentes eventualidades.

El trabajo comenzó con una indagación sobre los antecedentes, estudios e investigaciones referentes al tema, enseguida una búsqueda de información de los materiales a utilizar y un diseño de mezcla tanto del concreto convencional como del concreto adicionando fibra de cáñamo; una vez se realizaron los ensayos experimentales propuestos, se compararon y evaluaron los resultados obtenidos.

21

7. TECNOLOGÍA DEL CONCRETO

Según la asociación colombiana de productos de concreto ASOCRETO y Niño (2010), el concreto puede ser definido como la mezcla de un material aglutinante (normalmente cemento Portland Hidráulico), unos materiales de relleno (agregados) y agua que al endurecer forma un sólido compacto y adquiere propiedades de carácter mecánico, físico y químico; así mismo se ha convertido en un material de construcción más ampliamente utilizado a nivel mundial, usado como elemento estructural y no estructural.

Dentro de los elementos que componen un concreto existe una por una pasta o pegante la cual es la mezcla de cemento, agua, aire (naturalmente atrapado o intencionalmente incorporado).

7.1 CEMENTO PÓRTLAND

Según Niño (2010), el cemento Portland es la mezcla de materiales calcáreos y arcillosos u otros materiales que contienen sílice, alúmina u óxidos de hierro, procesados a altas temperaturas y mezclados con yeso. Llamado así por la similitud con una piedra que abunda en Portland, Inglaterra.

Este material tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia del agua, presentándose un proceso de reacción química que se conoce como hidratación.

Hoy en día se fabrican diversos tipos de cemento para satisfacer diferentes necesidades y para cumplir con propósitos específicos, los cuales son el Pórtland tipo 1 (Normal), Pórtland tipo 2 (De resistencia moderada a los sulfatos), Pórtland tipo 3 (De alta resistencia inicial), Pórtland tipo 4 (De bajo calor de hidratación), Pórtland tipo 5 (De resistencia elevada a los sulfatos), Pórtland blanco (color blanco normalmente tipo 1 o 3) y Pórtland con incorporadores de aire.

7.1.1 Cemento Pórtland tipo 1. Este cemento es utilizado para obras de concreto que no estén sujetas al contacto de factores agresivos, como el ataque de sulfatos existentes en el suelo o el agua, o a concretos que tengan un aumento cuestionable de la temperatura debido al calor generado durante la hidratación; entre sus usos se incluyen: pavimentos, pisos, edificios de concreto reforzado, puentes, estructuras para vías férreas, tanques y depósitos, tubería, mampostería y otros productos de concreto reforzado (Sánchez, 1996; Niño, 2010)

7.1.1.1 Propiedades químicas. Asocreto en sus investigaciones y publicaciones, afirma que el cemento es un compuesto que posee elementos tales como silicato tricalcico (C3S), silicato didálcico (C2S), aluminato tricalcico (C3A) y ferroaluminato tetracálcico (C4Af). Estas composiciones revelan valiosa información, en cuanto a las propiedades del cemento, como se observa en la figura 1, que muestra la resistencia a la compresión y en la figura 2, el calor de hidratación.

22

Figura 1. Resistencia de los componentes principales del cemento.

Fuente: NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. Tercera edición. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p. Figura 2. Calor de hidratación de los componentes principales del cemento.

Fuente: NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. Tercera edición. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p.

23

El cemento es un compuesto que reacciona químicamente con el agua, esto lo hace ser un agente de enlace, durante el proceso de hidratación se efectúan reacciones químicas exotérmicas, es decir, reacciones que liberan calor, haciendo que los concretos aumenten su temperatura al fraguar y endurecer.

7.1.1.2 Propiedades físicas y mecánicas. Según Sánchez (1996), las propiedades más importantes del cemento son la densidad, finura, consistencia, tempo de fraguado, expansión, fluidez, resistencia a la compresión y resistencia a la flexión.

7.2 AGUA PARA EL CONCRETO

Es un ingrediente fundamental en la elaboración de concreto debido a que desempeña una función importante en estado fresco y endurecido. Generalmente se hace referencia a su papel en cuanto a la cantidad para proveer una relación agua/cemento acorde con las necesidades de trabajabilidad y resistencia. En cuanto a la adición durante el curado del concreto, no solamente su cantidad es importante, sino también su calidad química y física.

El agua en el concreto reacciona químicamente con el cemento para pasar a formar parte de la fase sólida del gel, de la misma manera hay una cantidad que se evapora pero no se encuentra libre en su totalidad como se observa en la figura 3.

Figura 3. Esquema de la ubicación del agua en la pasta de cemento hidratado.

Fuente: SÁNCHEZ DE GUZMAN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. 3 ed. Bogotá D.C: bhandar editores Ltda. 1996. 349p.

24

Así mismo existe agua libre que se encuentra afuera de la influencia de las fuerzas de superficie de tal modo que tiene completa movilidad y puede evaporarse con facilidad (Sánchez 1996). 7.2.1 Usos del agua. Dentro de los usos se encuentran:

Agua de lavado de agregados. Es la que se utiliza en el proceso de la trituración, para retirar sus impurezas y exceso de finos presente. Debe ser lo suficiente limpia como para no introducir contaminación a los materiales que se procesan, como puede ser exceso de partículas en suspensión, especialmente materia orgánica que posteriormente afectan- la calidad del concreto producido con estos.

Agua de mezclado o amasado. Se adiciona junto con los agregados y el cemento. Dependiendo de la cantidad de agua adicionada la fluidez de la pasta será mayor o menor, y al endurecerse una cantidad del agua quedara fija como parte de la estructura y otra permanecerá como agua libre. Si la medida de agua de mezclado aumenta, la parte fija es la misma pero aumenta la cantidad de agua libre, con los cual se aumenta su porosidad, debido a que con el tiempo el agua libre se evapora dejando unos pequeños conductos en el interior del concreto endurecido. Con este aumento se disminuye la resistencia y el concreto se hace más permeable, de ahí la importancia del control de cantidad del agua utilizada.

Agua de curado. Una vez el concreto ha fraguado, es necesario el suministro de agua para garantizar la completa hidratación, esta agua adicionada depende de la temperatura y humedad del ambiente donde se encuentre el concreto, ya que a menor humedad relativa, la evaporación es mayor. El objetivo del curado es mantener el concreto saturado. Según Bernal (2016), las sustancias presentes en el agua para el curado puede producir manchas en el concreto y atacarlo causando su deterioro, dependiendo del tipo de sustancias presentes. Las causas más frecuentes de manchas son: El hierro o la materia orgánica disuelta en el agua.

7.2.2 Calidad del agua. Las exigencias de calidad, varían en algunos países en función de las características propias del cemento, pero en general existe uniformidad de criterios fruto de los resultados de investigaciones desarrolladas en U.S.A., España, Inglaterra, etc.

Existe la creencia que si el agua es apta para beber, es óptima para hacer concreto, sin embargo, esto no es del todo cierto, pues algunos acueductos o plantas de tratamiento de agua, utilizan o adicionan para el consumo sustancias que pueden interferir con el fraguado del cemento, o pueden promover la corrosión del refuerzo o manchar el concreto, tales como, sulfatos de aluminio, cloro sabores artificiales,

25

flúor, azucares, etc. Así mismo, un agua apta para mezclar o curar concretos puede no ser necesariamente buena para tomar.

Cuando el agua para una obra proviene de un pozo, es necesario analizarla para comprobar que el pH no varía a través del tiempo, las impurezas pueden interferir con el fraguado del cemento, afectar la resistencia del concreto o causar manchas en su superficie y provocar además la corrosión de los aceros de refuerzo.

7.3 AGREGADOS

Los agregados son el mayor constituyente del concreto, generalmente componen más del setenta por ciento (70%) del material en un metro cubico de concreto y son los que hacen que este sea un material económico de construcción (Sánchez, 1996; Rivva, 2000; Niño 2010). En combinación con esta proporcionan resistencia mecánica, al concreto en estado endurecido y controlan los cambios volumétricos que normalmente tienen lugar durante el fraguado del cemento.

Según Niño (2010), la calidad de los agregados está determinada por el origen, por su distribución granulométrica, densidad, forma y superficie. Se han clasificado en agregado grueso y agregado fino, fijando un valor en tamaño de 4,76 mm a 0,075 mm para el fino o arena y de 4,76 mm en adelante para el grueso. Frecuentemente, la fracción de agregado grueso es subdividida dentro de rangos, tales como, 4,76 mm a 19 mm para la gravilla y de 19 mm a 51 mm para la grava.

7.3.1 Clasificación según su procedencia. Pueden ser naturales o artificiales. Los agregados naturales se obtienen de arrastres fluviales, glaciares y de canteras de diversas rocas y los agregados artificiales son los que se obtienen a partir de procesos industriales, tales como, arcillas expandidas, escorias de alto horno, Clinker, entre otros (Sánchez, 1993; Niño, 2010).

7.3.2 Clasificación según su tamaño. La forma más empleada para clasificar los agregados naturales es según su tamaño (tabla 1.), el cual varía desde fracciones de milímetros hasta varios centímetros en sección transversal. Esta distribución del tamaño de las partículas es lo que se le conoce con el nombre de granulometría.

7.3.3 Clasificación según su densidad. Según Sánchez (1996), esta depende de la cantidad de masa por unidad de volumen y del volumen de los poros, ya se trate de agregados naturales o artificiales. Esta distinción se hace porque afecta la densidad del concreto (ligero, normal o pesado) que se desea producir.

26

Tabla 1. Clasificación del agregado según su tamaño.

Tamaño de las partículas en mm (Tamiz)

Denominación corriente

Clasificación Clasificación

como agregado para concreto

<0,002 Arcilla Fracción muy

fina No

recomendable 0,002 - 0,074 (No.200)

Limo

0,075 - 4,76 (No.200)-(No.4)

Arena Agregado fino

Material apto para producir

concreto

4,76 - 19,1 (No.4)-(3/4”)

Gravilla

Agregado grueso

19,1 - 50,8 (3/4”)-(2”)

Grava

50,8 - 152,4 (2”)-(6”)

Piedra

> 152,4 (6”)

Rajón Piedra bola

Fuente: NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. Tercera edición. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p. 7.3.4 Propiedades de los agregados. Estas propiedades dependen principalmente de su naturaleza y se pueden conocer por medio de ensayos en el laboratorio, pues es importante conocer sus características para la selección del material, para esto se debe tener en cuenta el carácter de trabajo o a que va ir destinado el material, condiciones climáticas, factores como dureza, forma de partículas y granulometría; y economía.

7.3.4.1 Granulometría. Es la distribución de los tamaños de las partículas que forman una masa de agregados y se determina mediante el análisis granulométrico.

Según Niño (2010), para obtener un buen concreto, es necesario que la mezcla de arena y grava logre una granulometría que proporcione masa unitaria máxima, puesto que con esta condición el volumen de los espacios entre partículas es mínimo y por consiguiente la cantidad de pasta necesaria para pegarlas y para llenar los espacios entre ellas será mínimo, lo cual dará lugar a una mezcla de mejores condiciones técnicas y además, económicas.

El análisis granulométrico consiste en hacer pasar los agregados través de una serie de tamices, que tienen aberturas cuadradas y cuyas características se ajustar a unos parámetros establecidos normativamente.

27

7.3.4.2 Forma de las partículas. La forma del agregado depende mucho del tipo de roca que lo origino y del sistema de trituración. La forma juega un papel muy importante en la fabricación del concreto, debido a que la aptitud de compactación de la mezcla no solo depende de la granulometría del agregado sino también del grado de acomodamiento de las partículas, Niño (2010), afirma que la clasificación de las partículas pueden ser redondeadas, irregulares, angulares, escamosas, elongadas y escamosa-elongada.

7.3.4.3 Textura. Influye en la adherencia entre los agregados y la pasta de cemento fraguado, así como también, por su efecto sobre las propiedades del concreto tales como, densidad, resistencia a la compresión y a la flexión, cantidad requerida de agua, etc. Niño (2010), afirma que la textura de la partícula puede ser vítrea, lisa, granular, áspera, cristalina y apanalada.

7.3.4.4 Densidad. Esta depende directamente de la rosa original de donde proviene y está definida como la relación entre la masa y el volumen de una masa determinada.

7.3.4.5 Porosidad. Se establece por medio del ensayo indirecto de la absorción de agua, entre más poroso, menos resistencia mecánica tiene.

7.3.4.6 Propiedades mecánicas. Las propiedades que estudian para la elección de un agregado son la dureza, resistencia, tenacidad y adherencia.

Dureza. Depende de la constitución mineralógica, la estructura y la procedencia del agregado, esta propiedad se obtiene por medio de un ensayo denominado desgaste en la máquina de los ángeles.

Resistencia. La resistencia del concreto depende en gran parte de la resistencia del agregado, es por esto que se busca un agregado que en su proceso de explotación y trituración haya sido adecuada, cumpliendo con la norma BS-812.

Tenacidad. Siendo la resistencia a la falla por impacto, esta depende netamente de la roca de origen.

Adherencia. La interacción que existe en la zona de contacto del agregado-pasta, la cual es producida por fuerzas de origen físico-químico, ayuda a la resistencia del concreto, pues a mayor adherencia mayor va a hacer los esfuerzos que puede resistir el concreto.

28

7.4 PROPIEDADES DEL CONCRETO

Según Sánchez (1996),el concreto posee diferentes propiedades durante el proceso de cambio, este se va manifestando cuando hay disminución gradual de la fluidez y manejabilidad, existen tres etapas fundamentales y esenciales; en la primera en donde el concreto es un material blando y maleable, la segunda etapa es el tiempo de fraguado o endurecimiento del concreto, en este se evidencia el incremento progresivo de la rigidez y la tercera etapa corresponde al endurecimiento que lo conduce a la adquisición de propiedades mecánicas y de otra índole, cuyo desarrollo suele representarse mediante la evolución de la resistencia a compresión.

7.4.1 Propiedades del concreto fresco. Según Niño (2010), las propiedades en estado fresco del concreto deben permitir que se llene adecuadamente las formaletas, así como también obtener una masa homogénea sin grandes burbujas de aire o agua atrapada.

7.4.1.1 Trabajabilidad o manejabilidad. La capacidad que el concreto tiene para ser colocado y compactado apropiadamente sin que se produzca segregación alguna, está representado por la facilidad a la compactación, como también el mantenerse como una masa estable, deformarse continuamente sin romperse y fluir o llenar espacios vacíos alrededor de los elementos que absorbe.

Dentro de los factores que influyen en la manejabilidad del concreto está el contenido de agua de mezclado, el contenido de aire, propiedades de los agregados, relación pasta/agregado y las condiciones climáticas. Igualmente con respecto a la trabajabilidad entre más tiempo pase después del mezclado más difícil va a hacer trabajarlo, este tiempo en que se puede trabajar el concreto depende de la riqueza de la mezcla, el tipo de cemento, la temperatura del concreto y la manejabilidad inicial, así mismo también depende de las condiciones de humedad del agregado.

Ensayo de asentamiento. Es una medida de la consistencia del concreto

(Figura 4), que se refiere al grado de fluidez de la mezcla, esto indica que tan

seca o fluida está cuando se encuentra en estado plástico, según Niño (2010),

no constituye por sí misma una medida directa de trabajabilidad, cohesividad,

facilidad de colocación y terminación. Se realiza por medio del cono de Abrams

(Figura 5) y el método de ensayo que esta descrito en la Norma I.N.V. E-404-13

(Figura 6).

29

Figura 4. Ensayo de asentamiento.

Fuente: NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. 3 ed. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p. Figura 5. Características del cono de Abrams.

Fuente: CONTRUMATICA. Cono de Abrams [en línea]. [Citado 25 de abril, 2016]. Disponible en Internet <URL:http://www.construmatica.com/construpedia/Cono_de_Abrams>

30

Figura 6. Clasificación del concreto según su consistencia.

Fuente: NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. 3 ed. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p. 7.4.1.2 Segregación. La tendencia de separación de los materiales que constituyen el concreto puede presentarse por una mezcla demasiada seca y por una mezcla muy húmeda.

7.4.1.3 Exudación o sangrado. El agua de mezclado tiende a elevarse a la superficie de una mezcla de concreto recién colocado, esto obedece a que los constituyentes solidos de la mezcla no pueden retener toda el agua cuando se asientan durante el proceso de fraguado.

7.4.1.4 Masa unitaria. Esta depende del tamaño máximo, granulometría y densidad de los agregados, así como también de la cantidad de aire atrapado y el contenido de agua y cemento

7.4.1.5 Contenido de aire. Está presente en todos los tipos de concreto, localizados en los poros no saturables de los agregados y formando burbujas entre los componentes del concreto, pues es atrapado durante el mezclado.

7.4.1.6 Contenido de agua. El principal factor que afecta la manejabilidad es el contenido de agua de la mezcla, el cual se expresa en kilogramo o litro.

31

7.4.2 Propiedades del concreto endurecido. Un concreto en estado endurecido las propiedades mecánicas son las principales exigencias para un adecuado funcionamiento de un concreto (Sánchez, 1996; Rivva, 2000; Niño 2010), aunque no solo la capacidad mecánica para soportar esfuerzos hace a un concreto adecuado para la construcción, sino que además se debe generar una composición idónea, que lo haga apto para resistir con éxito durante toda la vida útil las acciones detrimentales inherentes a las condiciones en que opera la estructura, que pueden generar deterioro prematuro del concreto.

Es sin embargo pertinente hacer notar que el uso de la resistencia mecánica del concreto como índice general de su aptitud para prestar un buen servicio permanentemente, no siempre es acertado porque hay ocasiones en que puede ser más importantes otras características y propiedades del concreto, de acuerdo con las condiciones específicas en que opera la estructura. Inclusive se ha dicho que la costumbre de especificar y aceptar la calidad del concreto con base solamente en la resistencia mecánica, es una de las causas que suelen originar problemas de durabilidad en las estructuras debido a que una resistencia suficiente no siempre es garantía de una duración adecuada del concreto en servicio.1

7.4.2.1 Resistencia a la compresión. Según Sánchez (1996) la gran mayoría de estructuras de concreto son diseñadas bajo la suposición de que este resiste únicamente esfuerzos de compresión, por consiguiente, para propósitos de diseño estructural, la resistencia a la compresión es el criterio de calidad (tabla2), y de allí que los esfuerzos de trabajo estén prescritos por los códigos en términos de porcentajes de la resistencia a la compresión.

Tabla 2. Concreto según la resistencia

Concreto Resistencia (MPa)

Concreto normal ≤ 42

Concreto de alta resistencia > 42 y ≤ 100

Concreto de ultra alta resistencia > 100 MPa

Fuente: NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. 3 ed. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p.

7.4.2.2 Resistencia a la tracción. Por su naturaleza, el concreto es bastante débil a esfuerzos de tracción, esta propiedad conduce generalmente a que no se tenga en cuenta en el diseño de estructuras normales. La tracción tiene que ver con el

1INSTITUTO DE INGENIERIA UNAM. Manual de tecnología del concreto Sección 3. México, D.F: Limusa noriega editores. 1994. 382p.

32

agrietamiento del concreto, a causa de la contracción inducida por el fraguado o por los cambios de la temperatura, ya que estos factores generan esfuerzos internos de tracción (Sánchez, 1996; Rivva, 2000; Niño 2010).

7.4.2.3 Resistencia a la flexión. Los elementos sometidos a flexión tienen una zona sometida a compresión y otra región en que predominan los esfuerzos de tracción. Este factor es importante en estructuras de concreto simple, como las losas de pavimentos (Sánchez, 1996; Rivva, 2000; Niño 2010). 7.4.2.4 Resistencia a cortante. La resistencia del concreto a esfuerzos cortantes es baja, sin embargo, generalmente es tenida en cuenta por los códigos de diseño estructural. Este tipo de esfuerzos es importante en el diseño de vigas y zapatas, en donde se presentan en valores superiores a la resistencia del concreto (Sánchez, 1996; Rivva, 2000; Niño 2010).

7.4.2.5 Determinantes de la resistencia. Según Enrique Rivva (2000), los determinantes de la resistencia de un concreto en condiciones normales son:

o La marca, tipo, antigüedad, superficie específica y composición química del cemento.

o La calidad del agua. o La dureza, resistencia, perfil, textura superficial, porosidad, limpieza,

granulometría, tamaño máximo y superficie del agregado. o La resistencia de la pasta. o La relación a/c (agua-cemento). o La relación material cementante-agregado. o La relación del agregado fino al agregado grueso. o La relación de la pasta a la superficie especifica del agregado. o La resistencia por adherencia pasta-agregado. o La porosidad de la pasta. o La relación gel-espacio. o El fraguado o El curado o La edad del concreto o Las condiciones del proceso de puesta en obra

Resistencia de los Agregados. Para una resistencia adecuada del concreto los agregados deben cumplir requisitos de calidad y unas características tales como:

o Textura y forma. Las partículas de agregado con textura rugosa o de forma angular forman concretos más resistentes que otras redondeadas o lisas, debido a que hay mayor trabazón entre los granos gruesos y el mortero.

33

o Granulometría. Una masa de agregados cuya granulometría sea continúa, permite elaborar mezclas de alta capacidad, mucho más densas y por lo tanto se consiguen mayores resistencias.

o Resistencia. Este factor y la rigidez propia de los granos de agregado influyen en la resistencia del concreto.

o Influencia del tamaño máximo. Para un concreto normal, existe un rango

amplio en los tamaños máximos que pueden usar para una misma resistencia, esencialmente con igual contenido de cemento. Únicamente se requiere de mayor cantidad de cemento si se utilizan agregados de tamaños pequeños.

La adherencia entre la pasta de concreto y los agregados se debe a que durante el proceso de fraguado y endurecimiento, se genera una superficie de cohesión producida por la trabazón entre los agregados y la pasta. La interacción entre los dos elementos, además de variar con el tiempo, algunas veces lo hace también con la composición mineral de los materiales, es cuya acción se presentan fenómenos tanto físicos como químicos. La zona de contacto, llamada interface “agregado-matriz”, es la fase más importante del concreto que establece el enlace crítico y normalmente se constituye en el elemento más débil de la masa endurecida.2

Relación Agua-Cemento. Es la cantidad de agua en masa, sin incluir el agua adsorbida por los agregados, sobre la cantidad de cemento en masa (Sánchez, 1996; Rivva, 2000; Niño 2010).

A menor agua en relación al cemento, mayor su resistencia a la compresión, menor fluidez o trabajabilidad y mayor durabilidad y a mayor agua en relación al cemento es menor su resistencia a la compresión, mayor fluidez o trabajabilidad y menor durabilidad, como se muestra en la figura 7, en donde se observa que, para una relación a/c menor, mayor es la resistencia pero también depende de la forma de compactación. Al ser menor la cantidad de agua con relación al cemento posee menor cantidad de poros y vasos capilares que se forman durante su evaporación, como se muestra en la figura 8, de la misma forma al tener menor porcentaje de porosidad mayor es la resistencia a compresión, como se indica en la figura 9.

2NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. 3 ed. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p.

34

Figura 7. Resistencia a compresión en función de la relación a/c.

Fuente: NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. 3 ed. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p. Figura 8. Incremento de los poros capilares en la pasta de cemento hidratada, al aumentar la proporción de agua de mezcla.

Fuente: INSTITUTO DE INGENIERIA UNAM. Manual de tecnología del concreto Sección 3. México, D.F: Limusa noriega editores. 1994. 382p.

35

Figura 9. Relación experimental entre la porosidad y la resistencia a compresión de diversas pastas de cemento.

Fuente: INSTITUTO DE INGENIERIA UNAM. Manual de tecnología del concreto Sección 3. México, D.F: Limusa noriega editores. 1994. 382p.

Según (Sánchez, 1996; Niño 2010), esta propiedad fue demostrada por Duff Abrams en el año de 1918, señalando que para un concreto perfectamente compactado, empleando materiales con las mismas características y condiciones de ensayo, la resistencia, a una edad dada, es inversamente proporcional a la relación agua/cemento.

𝑅 =𝐴

𝐵𝑎𝑐

R = resistencia a la compresión A, B = Constantes empíricas para unas determinadas condiciones a/c = relación agua/cemento en masa

Contenido y tipo de cemento. El contenido del cemento es el valor más importante a tener en cuenta, pues se debe estudiar con detenimiento la cantidad, a medida que esta aumenta se consiguen mayores resistencia, esta afirmación se debe aplicar con precaución, porque es válida hasta un límite a partir del cual, la cantidad de cemento por encima de este no se hidrata totalmente y por tanto pasa a formar parte del concreto como un material inerte de relleno, afirmación que realiza Niño (2010).

Fraguado del concreto. Según Niño (2010), las condiciones de tiempo y temperatura durante el proceso de fraguado son factores que afectan la resistencia del concreto. En climas fríos, el proceso de hidratación del cemento es más lento debido a que el medio ambiente le “roba” parte del calo de

36

hidratación con el subsiguiente retardo del tiempo de fraguado y, por tanto, la adquisición de resistencia tarda. Por el contrario, cuando la temperatura es elevada, se aumenta la resistencia a muy temprana edad, pero se disminuye aproximadamente después de los 7 días. La razón de este fenómeno, ocurre porque una rápida hidratación inicial de los granos de cemento es superficial y parece formar pasta con una estructura física más pobre u posiblemente más porosa.

Curado del concreto. Según Sánchez (1996), es el conjunto de condiciones necesarias para que la hidratación de la pasta evolucione sin interrupción hasta que todo el cemento se hidrate y el concreto alcance sus propiedades potenciales, siendo recomendable que el tiempo de curado sea de por lo menos 7 días a una temperatura mínima de 10 °C y máxima de 32 °C

La resistencia del concreto que no se cura, es inferior al que recibe este curado, esto ocurre porque al no proporcionar las condiciones adecuadas durante las primeras edades, la hidratación del cemento es incompleta.

Según la empresa Sika (2016), los métodos para garantizar un contenido satisfactorio de humedad y temperatura son:

o Por inmersión. o Mediante el empleo de rociadores aspersores. o Empleo de tejidos de fique o de otros materiales absorbentes. o Con arena, tierra o aserrín. o Materiales sellantes como plásticos o papel impermeable. o Compuestos de curado.

La elección del procedimiento depende de la forma del elemento, las condiciones climáticas que prevalezcan y los factores económicos.

Edad del concreto. En las investigaciones realizadas por Asocreto, para concretos convencionales se especifica que puede alcanzar la resistencia de diseño a los 28 días. La explicación es que después de dicho tiempo el aumento de resistencia es muy poco. Sin embargo, para concretos de alta resistencia se especifica a los 56 o 90 días, porque el aumento después de los 28 días es considerable.0

7.4.2.3 Durabilidad del concreto. Según Niño (2010) y de acuerdo con el comité 116 del ACl, esta característica es la habilidad para resistir la acción del medio ambiente, los ataques químicos, la abrasión y otras condiciones de servicio, de tal manera que sus características y propiedades se mantengan a lo largo de su vida útil.

37

Las condiciones a las que está expuesto un concreto pueden ser de origen químico, físico o biológico, los cuales pueden afectar la durabilidad del concreto

Ataques químicos. Debido a ácidos, sulfatos, reacción álcali-agregado y carbonatación del elemento.

Ataques físicos. Debido a congelamiento-deshielo, humedecimiento y secado, abrasión y fuegos

Ataques biológicos. Debido a la vegetación, microorganismos y agentes derivados de la descomposición orgánica.

Tabla 3. Influencia de las condiciones medioambientales sobre los componentes del concreto.

Fuente Componente más afectado en orden de importancia

Ataque químico 1. Ataque por ácidos 2. Ataque por sulfatos 3. Reacción álcali –

agregado 4. Carbonatación del

cemento

1. Pasta 2. Pasta 3. Agregado

4. Pasta

Ataque físico 1. Congelamiento – deshielo 2. Humedecimiento – secado 3. Cambios de temperatura 4. Abrasión 5. Fuego

1. Pasta, agregados 2. Pasta 3. Pasta, agregados 4. Pasta, agregados 5. pasta

Fuente: NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. 3 ed. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p.

Permeabilidad. Según Sánchez (1996), es la capacidad de permitir el paso de un fluido (líquido o gas) a través del concreto depende de la porosidad de la pasta y de los agregados, del grado de compactación y de los capilares producidos por el agua de exudación, siendo afectado por la diferencia de presiones entre un lado y otro del elemento, el espesor del material, la naturaleza del fluido y el tiempo durante el cual se presentan dichas condiciones.

7.4.2.4 Cambios de volumen. El concreto al ser un material no estable volumétricamente siendo la principal causa de agrietamiento en las estructuras de concreto, presenta cambios físicos, mecánicos y químicos. Los químicos se producen como consecuencia de reacciones detrimentales que se generan interna

38

y/o externamente, cuyas manifestaciones ordinarias son expansiones locales que tienden a destruir el concreto, debido a ello, no se les considera como parte del comportamiento natural del concreto; los cambios de volumen de origen físico por agentes fenomenológicos se presentan por cambios de temperatura (contracción y dilatación) y por perdida de agua en el proceso de fraguado (contracción por secado); Los cambios de volumen de origen físico por carácter mecánico son debidos al aumento de deformación que se presencia bajo esfuerzos constantes, el cual puede ser varias veces mayor que la deformación instantánea causada por la aplicación de carga; afirmaciones realizadas por Niño (2010).

7.5 DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO DE PESO NORMAL

El diseño de mezcla es un proceso que determina la cantidad de material aglutinante, material de relleno, agua y eventualmente aditivos.

Para el proporcionamiento de los ingredientes de una mezcla de concreto existen métodos analíticos, experimentales, semianalíticos y empíricos. Estos métodos han evolucionado desde los volumétricos arbitrarios de comienzos del presente siglo, al método de peso y volumen absoluto actual, propuesto por el instituto americano de concreto.

El diseño de las mezcla de concreto tiene como objetivo optimizar los materiales con el máximo rendimiento, toda mezcla se debe diseñar tanto para estado fresco como para estado endurecido. Las principales exigencias que se deben cumplir para lograr una dosificación apropiada en estado fresco son las de maleabilidad y economía, y para concreto endurecido son las de resistencia, durabilidad, acabado y en algunos casos el peso volumétrico.

Según Sánchez (1996), todo diseño de mezcla se fundamenta en el uso que se le va a dar al concreto (vigas, muros, zapatas, etc.) y por las técnicas de colocación y transporte (bomba, banda, transportadora, carretilla, etc.), basados en lo anterior se escoge la mano de obra calificada.

Antes de dosificar una mezcla de concreto además de conocer los datos de la obra o estructura que se va a construir y de las condiciones de transporte y colocación, también se deben conocer las propiedades de los materiales con los que se va a preparar la mezcla.

7.5.1 Método de la dosificación de mezclas. El propósito de cualquier método es optimizar las proporciones de la mezcla de concreto, así mismo que cumpla las características deseadas, esto se logra mediante el sistema de ajuste y reajuste (Figura 10).

39

Figura 10. Secuencia de pasos para la dosificación de mezclas

Fuente: NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. 3 ed. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p.

40

8. FIBRAS NATURALES

Según Martínez (1976), las fibras son estructuras unidimensionales, largas y delgadas; se doblan con facilidad y su propósito principal es la creación de tejidos, estas pueden dividirse en tres clases: fibras naturales (vegetales, animales e inorgánicas), fibras celulósicas hechas por el hombre y fibras no celulósicas hechas por el hombre.

8.1 FIBRAS DE ORIGEN VEGETAL.

Las fibras de origen vegetal son principalmente de celulosa (Martínez, 1976), tienen muchas aplicaciones en la industria del papel y textil. Dentro de las fibras naturales se puede encontrar el algodón, el limo, las gramíneas, el cáñamo, el yute, la madera, el bagazo (la fibra de la caña de azúcar); entre otras.

8.2 FIBRA DE CÁÑAMO

8.2.1 Origen. En las investigaciones realizadas por Malpica (2016), en un escrito de la corte del emperador Shen Nung que data del 2737 a. C. se encuentra la primera descripción completa de la planta conocida como cáñamo.

Según los escritos el cannabis es de origen asiático, pero gracias a la intervención humana se comenzó a propagar por países como india, luego se propago por Europa y llego a América latina por medio de los esclavos gracias a los colonizadores ingleses, españoles o portugueses, el cannabis era principalmente de uso medicinal o propósitos religiosos.

8.2.2 Historia. El cáñamo es una de las plantas cultivadas conocidas por la humanidad más antiguas y más versátiles. Ha sido de gran importancia económica como proveedora de fibras, alimento y medicinas durante más de seis mil años.

El cáñamo se cultivaba en casi todos los países europeos y asiáticos, y era una de las más importantes, sino la más importante de las materias primas para la fabricación de cuerdas, lonas, tejidos textiles para ropa, papel y productos oleaginosos. La importancia histórica del cáñamo como materia prima también se basa en su utilización como textil especializado. En esta área, el cáñamo ha entrado en la historia repetidamente.

El declive de la industria alemana y europea de la industria del cáñamo comenzó en el siglo XVIII y continuó hasta finales del siglo XX, momento en el que el cáñamo dejó prácticamente de tener importancia, la razón para el declive del cáñamo fue la industrialización del hilado del algodón, con lo que el algodón comenzó su victoriosa conquista del mundo. La fuerte reducción de la navegación a vela fue otro golpe para la industria del cáñamo. Después de mediados del siglo XIX, cuando se descubrió cómo hacer pulpa de madera, el cáñamo perdió del todo su importancia en la fabricación de papel. Como golpe final, la fibra de cáñamo recibió la

41

competencia de fibras importadas, por ejemplo, yute, sisal y el cáñamo de Rusia; ya en el siglo XX las fibras sintéticas como el nylon conquistaron los campos de aplicación más especializados del cáñamo.

Al mismo tiempo, debido a la prohibición de la marihuana, el cáñamo comercial recibió mucha presión: en muchos países fue prohibido sin tener en cuenta si se trataba de cáñamo comercial o cáñamo como droga y aún sigue parcialmente prohibido hoy en día. Sólo a partir de los años 90, la prohibición sobre el cáñamo comercial se levantó en muchos países y sus nuevas posibilidades de utilización se han hecho populares, ya que las fibras de cáñamo por razones de especialización, ecológicas o económicas podían conquistar nuevos mercados. Las semillas de cáñamo también se han redescubierto en los años 90 y nuevos productos como las semillas peladas se han ido desarrollando.

8.2.3 Países productores. Entre los países que en el tiempo han sido grandes productores de la fibra de cáñamo han sido la unión soviética, China, Corea del norte, Hungría, el anterior Yugoslavia, Rumania, Polonia, Francia, Canadá, Alemania e Italia.

En Japón, el cáñamo fue utilizado históricamente como el papel y cosecha de la fibra; fue restringido como droga narcótica en 1948.

El cáñamo es ilegal de crecer libremente en los E.E.U.U. y varios otros países porque la planta se relaciona con la marihuana. En tales países, el cáñamo se importa de China y de las Filipinas. Los E.E.U.U. son el único país industrializado donde está ilegal el cáñamo de crecer.

Según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, mundialmente conocida como FAO (2009), afirma que actualmente el productor líder de cáñamo es China y con una producción más pequeña en Europa, Chile, y la República Popular Democrática de Corea.

Figura 11. Mapamundi con los principales productores de cáñamo

Fuente: FAO. Año internacional de las naciones unidas [en línea].Roma, ITALIA. [Citado 1 abril, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://naturalfibres2009.org/es/fibras/canamo.html>

42

Según Malpica (2016), el Cáñamo crece mejor en zonas con clima templado (13 a 22 ° C), sino que también prosperan en los climas más altos o más bajos. Plantas jóvenes no se verán afectados por las heladas moderadas noche de -3 a -5 ° C. El Cáñamo es apto para el cultivo en zonas templadas, en los mediterráneos y en la sub-trópicos.

8.2.4 Tipos de cáñamo. Malpica (2016), afirma que actualmente el cáñamo se clasificada en tres tipos; Sativa procedente de china; Indica proveniente de la india y Ruderalis procedente del sur de Rusia. La distinción entre las especies principalmente es su procedencia como también sus modos de crecimiento, en las características de sus semillas y en la diversidad de la estructura de sus fibras. Si bien las tres especies poseen canabinoides, sus agrupaciones se establecen de formas diferentes.

8.2.5 Estructura molecular. Componentes (Molares, 2008):

Cannabinoides: delta 9 tetrahidrocannabinol, cannabinol, cannabinodiol. etc.

Ácidos: linoleico, oleico e isolinoleico (semillas).

Niacina (semillas)

Orientina (planta)

Minerales: óxidos de fosforo, de magnesio, de calcio, de potasio y de azufre, calcio, hierro y fosforo (semillas).

Figura 12: Estructura del tetrahidrocannabinol

Fuente: MOLARES, Juan. Canabinoides: análogos y perspectivas terapéuticas II [en línea].Cuba. 2008: [Citado 2 abril, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://www.bvs.sld.cu/revistas/far/vol42_3_08/far11308.pdf>

43

8.2.6 Propiedades. Según las Universidad nacional de ingeniería, facultad de ingeniería Química y textil (2016), afirma que las propiedades geométricas, físicas y químicas del cáñamo son:

8.2.6.1 Propiedades geométricas.

Longitud: Fibra sencilla de 20 a 25 mm.; fibra larga de 100 a 300 mm.

Finura: 0,25 – 0,52 tex.

Anchura (micrómetros): 23.15 ± 17.60 µm

8.2.6.2 Propiedades de físicas.

Gravedad específica (g/mm3) : 1.47 g/mm3

Propiedades ópticas: o Brillo: cuando mayor sea el brillo, más valiosa es la fibra. o Color: En los tipos buenos, blanco un poco amarillento; en algunos otros,

verdoso y café.

Propiedades térmicas: o Conductividad térmica: Alto (el tejido es más fresco en verano y más cálido en

invierno) o Capacidad de calor: 4,055 kcal / kg

Propiedades mecánicas: o Alta resistencia a la tracción y la rigidez. o Elasticidad: Bajo. o Tenacidad: Bajo o Muy duradera. o Buena Flexibilidad. o Facilidad para entrelazarse

8.2.6.2 Propiedades químicas.

Absorción de humedad (%): 9.40 ± 0.53 %

Absorción de agua (%): 85~105 %

Reacción a los blanqueadores: Se debilita.

Efecto de la luz y la exposición al aire libre: Muy resistente.

Reacción a los álcalis: No afectan.

Reacción a los ácidos: Fácilmente afectada.

Afinidad por los colorantes: Muy bueno.

Efecto de moho: Altamente resistente.

Prueba de combustión: olor a papel quemado, ligero residuo de ceniza.

Estabilidad química.

44

8.2.7 Uso de la fibra de cáñamo. La fibra de cáñamo es principalmente utilizada en la industria textil y la fabricación de papel. En la vida real el cáñamo es áspero y fibroso, pero por medio de máquinas se transforma en una fibra suave, ideal para la fabricación de ropa de alta calidad y duradera, igualmente el papel es más duradero que el basado en pulpa de madera.

Como alimento, la semilla del cáñamo se considera muy nutritiva, gran fuente que proteína, así mismo se puede producir aceite el cual sirve para cocinar siendo muy rico en ácidos grasos esenciales, igualmente es utilizada como alimento para los animales, fabricación de cosméticos, productos industriales biodegradables, combustibles de biomasa, medicina, productos de aseo personal y en la construcción.

8.2.7.1 La fibra de cáñamo en la construcción. En el campo de la construcción la fibra de cáñamo los usos son ilimitados gracias a sus propiedades mecánicas, térmicas y acústicas, así mismo es un material sostenible, amigo con el medio ambiente.

Según las estadísticas el sector de la construcción representa el 40% del consumo de energía en el mundo, con un 40% adicional del uso de materias primas (cisne, 2011).Del mismo modo, la industria de la construcción tiene una importante contribución en las emisiones globales de carbono, que asciende a 57% es decir, más que todos los demás sectores juntos. De este 57% el 47% es generado por el uso de los edificios (calentadores, iluminación, aire acondicionado) y el 9 proviene de la fabricación de materiales de construcción. Desde la revolución industrial la concentración de CO2 en la atmosfera se ha incrementado en un 30%.3

El cáñamo es una fibra respetuosa con el medio ambiente, haciendo posible el secuestro de carbono durante la vida del edificio; es una planta de rápido crecimiento que no necesita pesticidas ni herbicidas, que si se eliminaran las prohibiciones o restricciones que posee se podría producir en masa en varios países pues crece en diferentes suelos, climas y altitudes, sustituyendo materiales de construcción basados en recursos no renovables. En la construcción no es perjudicial para el personal en su aplicación.

Posee grandes ventajas acústicas, térmicas y bioclimáticas, como también protege contra algunos tipos de radiaciones del exterior y reduce campos electromagnéticos. Actualmente Francia es el país en donde su aplicación y producción es masiva, realizando rellenos combinando mortero, cal y cáñamo, muy utilizado para proyectos que requieran material aislante y térmico; así mismo en Alemania, reino

3ECOHOUSES. El cáñamo en la construcción [en línea]. Girona, ESPAÑA. [citado 2 abril, 2016]. Disponible en Internet : <URL: http://www.ecohouses.es/el-canamo-en-la-construccion/>

45

unido, Holanda y España se está empezando a utilizar la fibra como una nueva alternativa de construcción.

Hemcrete. “Hempcrete" es una palabra compuesta de "hemp" (cáñamo) y "concrete" (hormigón), Se crea mezclando las fibras de estopa rica en celulosa del cáñamo con cal y agua. El engrudo resultante se puede moldear para hacer paredes, ladrillos y cimientos, y posee unas excelentes propiedades de aislamiento de tan sólo una fracción del peso del hormigón (Ochando, 2013)

Figura 13. Hempcrete

Fuente: OCHANDO FONS, Rafael. Hempcrete, un material muy verde. [en línea]. ESPAÑA. 2013 [Citado 2 abril, 2016].Disponible en Internet <URL: https://enconstruccionblog.wordpress.com/2013/02/12/hempcrete-un-material-muy-verde/> Figura 14. Bloque de hempcrete

Fuente: OCHANDO FONS, Rafael. Hempcrete, un material muy verde. [en línea]. ESPAÑA. [Citado 2 abril, 2016].Disponible en Internet <URL: https://enconstruccionblog.wordpress.com/2013/02/12/hempcrete-un-material-muy-verde/>

46

El uso del hempcrete tiene muchas ventajas en comparación con el hormigón tradicional. Es hasta siete veces más fuerte, pesa menos de la mitad y es tres veces más maleable que el hormigón estándar. Al envejecer y estar expuesto a los elementos, continúa petrificándose, volviéndose más resistente con el tiempo. Pero aunque se hace más duro, conserva su maleabilidad. A diferencia de la frágil naturaleza del hormigón, el hempcrete no se agrieta con pequeños movimientos de tierra, y por lo tanto no necesita juntas de dilatación. Es la combinación de estas características las que confieren a una construcción de hempcrete el potencial para durar miles de años, mientras que los edificios de ladrillo sólo duran cientos de años. Las paredes de hempcrete también actúan como un regulador natural de humedad, impidiendo que el exceso de humedad atraviese el muro, y ayuda a prevenir que la humedad y el moho se acumulen dentro del edificio. El cáñamo también tiene una alta puntuación en lo referente a sostenibilidad. En primer lugar, el cáñamo es un cultivo renovable y rápido, que se puede cultivar sin agotar el suelo. En segundo lugar, la celulosa del cáñamo sigue absorbiendo y

bloqueando el dióxido de carbono.4

Según la empresa Zambeza (2016), aunque el cáñamo posea tantas ventajas frente a un hormigón tradicional, no tiene la aceptación es gran cantidad de países a nivel mundial, en varios de estos es prohibido la comercialización, eso hace que el costo se eleve y no se pueda utilizar como material principal; sin embargo, a medida que la prohibición empieza a levantarse en los Estados Unidos, y otros países re-evalúan sus leyes sobre el cannabis, la industria del cáñamo comienza a crecer de nuevo; y a medida que aumenta su suministro, se reducen los costes, convirtiéndose una vez más en una opción viable.

o El cáñamo es un aislante bastante bueno o Resistividad térmica de 0,06 W/m·ºK o Es un material relativamente pesado, lo que le confiere inercia térmica, por lo

que es muy interesante para diseñar edificios con estándares de arquitectura bioclimática.

o Densidad de aproximadamente 300 kg/m3 o Resistencia a la compresión de aproximadamente 0,9 MPa. o Es un material de carbono negativo, durante su producción se puede llegar

a destruir más dióxido de carbono del que se genera. Esto es debido a que el cáñamo es una de las plantas que más CO2 es capaz de absorber durante su cultivo, lo que llega a compensar el que se genera durante la producción, distribución, puesta en obra y reciclado del hempcrete.

o Puede remover entre 130 kg y 165 kg de CO2 por metro cúbico o Resistente al fuego y a las termitas.

4ZAMBEZA. Hempcrete, construcción de viviendas con cáñamo [en línea]. Países bajos. [citado 3 abril, 2016].Disponible en Internet <URL: https://www.zambeza.es/prestablog.php?id=17>

47

Empresa Cannabric. Empresa creada por la arquitecta Monika Brümmer, la cual gracias a sus investigaciones con el cáñamo invento el bloque Cannabric, que fabrica en sus instalaciones en España desde 1999. Este bloque se utiliza en muros de carga monocapa, de alto confort térmico, acústico y bioclimático y su producción deja una huella de carbono negativa. Con paredes de poco espesor Cannabric está tratando de lograr unas prestaciones térmicas similares a aquellas, encontrados en las viviendas-cueva en la provincia de Granada, un modelo de bajo o nulo consumo de energía en su calefacción y refrigeración (Brümmer, 2016).

Figura 15. Bloque de Cannabric

Fuente: BRÜMMER, Monika. Cannabric [en línea]. España. [Citado 4 abril, 2016].Disponible en Internet <URL: ttp://www.cannabric.com/prestaciones/>

Actualmente la empresa cuenta con un portafolio amplio para construir con cáñamo e investigaciones que cumplen con la norma de construcción española.

El Cannabric es el producto principal de la empresa el cual es un bloque macizo enfocado en la construcción con características térmicas, acústicas y bioclimáticas. El bloque de cáñamo ha sido desarrollado para su posible empleo en muros de carga monocapa

El cáñamo que utilizaran es industrial el cual posee un THC (sustancia alucinógena) muy bajo siendo legal en gran parte de Europa.

o Rendimiento: 10 toneladas de cáñamo en una vivienda de 100 m2 o Conductividad térmica de 0,048 W/ m·K o GWP (global warming potencial- potencial de calentamiento global) de - 0,624

kg CO2eq/kg, o sea negativo.

48

Otras aplicaciones posibles son:

o Muros estructurales revestidos de piedra natural en fachada o Muros entre entramado de madera (alternativa al adobe, más ligero y más

aislante). o Muros decorativos sin revestir y muros de división interior o Muros en cara interior de casas de balas de paja o casas a restaurar, con

insuficiencias térmicas - Muros de fachada en cuevas y casas-cueva o Habitáculos para animales

Figura 16. Ficha técnica del Cannabric

Fuente: BRÜMMER, Monika. Cannabric [en línea]. España. [Citado 4 abril, 2016].Disponible en Internet <URL: http://www.cannabric.com/media/documentos/c9220_CANNABRIC_ficha_tecnica_y_ensayos.pdf>

49

8.2.8 Fibra-concreto. Según Stulz (1993), el principal propósito del concreto reforzado con fibras es mejorar su resistencia a tracción y evitar el agrietamiento, estas cumplen su función en un periodo relativamente corto debido a la tendencia a degradarse en la matriz alcalina, especialmente en ambiente, cálidos y húmedos; a diferencia de refuerzos de asbestos y acero que cumplen esta función durante varios años. Para muchas aplicaciones (Ejem. techos), ésta pérdida de resistencia no necesariamente es una desventaja. Las fibras mantienen unida la mezcla húmeda, evitando el agrietamiento durante el moldeado y secado, y da al producto suficiente resistencia para soportar el transporte, la manipulación e instalación. Cuando las fibras pierden su resistencia, el producto es equivalente a un concreto no reforzado. Sin embargo, en ese momento el concreto habrá alcanzado su resistencia total, y como el agrietamiento se ha evitado en las etapas iniciales, podría ser más resistente que un producto similar hecho sin refuerzo. 8.2.8.1 Concreto con fibras largas. En las investigaciones realizadas por Stulz (1993), con fibras largas adecuadamente alineadas se obtiene mayor resistencia al impacto y resistencia a la flexión. Sin embargo, el método de trabajar varias capas de fibra en el concreto, de modo tal que cada fibra esté completamente encajada en la matriz, es relativamente difícil, y por ello raramente realizado. 8.2.8.2 Concreto con fibras largas. En las investigaciones realizadas por Stulz (1993), en el método de fibras cortas, las fibras cortadas son mezcladas con el mortero, el cual es fácil de manipular como una masa homogénea. Debido a que las fibras se distribuyen aleatoriamente, imparten resistencia al agrietamiento en todas las direcciones. La longitud y cantidad de las fibras es importante, ya que fibras demasiada largas y en exceso tienden a formar trozos y bolas, y la insuficiencia de fibra producen agrietamiento excesivos. 8.2.8.3 Condición. En las investigaciones realizadas por la empresa Sika (2016), las fibras extremadamente lisas y uniformes que pueden extraerse fácilmente, son inefectivas. Por otro lado, una buena adherencia del mortero a la fibra producirá un modo de fallo frágil y repentino, cuando las fibras fallan se rompen en tracción. 8.2.8.4 Problema de las fibras. En las investigaciones realizadas por Stulz (1993) y Sika (2016), los problemas de las fibras son:

Debilitamiento y degradación con respecto al tiempo.

Corrosión de la fibra causada por la alcalinidad del concreto,

En gran cantidad de países el desarrollo y el abastecimiento es limitado, generando precios muy altos.

50

Una incorrecta manipulación, transporte e instalación de los productos puede originar fácilmente grietas y roturas, volviéndose débiles o inútiles antes que inicien su vida útil.

Dentro las soluciones según la experiencia de Stulz (1993), a los problemas comunes en la adición de fibras naturales a un concreto son:

Para reducir la corrosión se emplea una puzolana altamente activa como la cal hidratada.

Se debe tener un control de calidad completo, como un personal entrenado; de ser así el producto puede ser el más durable y más barato producido localmente.

Se emplear partículas de arena angulosa de buena granulometría. Las partículas pequeñas llenan los espacios vacíos entre las grandes, requiriendo menos cemento y produciendo una matriz menos permeable.

En concretos de fibra las impurezas, tales como las sales, no necesariamente afectan a las fibras, y se han obtenido resultados satisfactorios con agua salobre. Pero siempre es recomendable emplear el agua más limpia disponible.

8.2.8.5 Recomendaciones.

Relación a/c de 0.50 a 0.65 por pozo, según Stulz (1993).

Contenido de fibra aproximadamente de 1 a 2% del peso, según Stulz (1993) y Sika (2016).

La longitud puede variar entre 13 mm y 70 mm, según Argos (2016) y Sika (2016).

8.2.8.6 Aplicaciones. Según Stulz (1993), las aplicaciones o usos más comunes son:

Tejas y láminas corrugadas para techos.

Baldosas planas para pisos y pavimentos.

Paneles ligeros para pared y elementos para enchapados.

Revestimiento.

Jambas de ventanas y puertas, antepechos de ventana, parasoles, tuberías.

Muchos otros usos no estructurales.

51

9. PROGRAMA EXPERIMENTAL

La investigación, dentro de un marco teórico-práctico se fundamenta en la realización de ensayos y pruebas de laboratorio para comparar un concreto normal o convencional con un concreto de las mismas características pero adicionando fibra de cáñamo, la idea fundamental es conocer, comprender, evaluar y analizar la viabilidad del concreto con fibra de cáñamo. Para dicha evaluación se elaboraron 12 especímenes cilíndricos, 6 con fibra de cáñamo y 6 normales con el fin de obtener la resistencia a la compresión a los 7 días, 14 días y 28 días, igualmente se elaboraron 2 viguetas adicionando fibra de cáñamo para determinar la resistencia a la flexión a los 28 días; todo siguiendo la norma I.N.V. E sección 400 - concreto hidráulico.

Para la preparación de las matrices cementicias se utilizó cemento Portland Tipo 1 de la empresa CEMEX Colombia (Figura 17); agregados finos y gruesos de la empresa Concrescol S.A. del rio Coello (Figura 18), agua potable para consumo humano; cal hidratada de proveedor local (Figura 19) y fibra de cáñamo industrial de proveedor local (figura 20)

Tabla 4. Especificaciones de los agregados.

Agregado Especificaciones

AGREGADO FINO (ARENA DE RIO) 1. Peso específico

2. Peso unitario suelto seco

3. Peso unitario seco compacto (MUC)

4. Humedad natural 5. Absorción 6. Módulo de finura

1. 2430 kg/m3

2. 1322,7 kg/m3

3. 1596 kg/m3

4. 4,53% 5. 6,38% 6. 2,23

AGREGADO GRUESO (GRAVA) 1. Perfil 2. Tamaño máximo nominal

(retenido en ¾) 3. Peso específico (dg) 4. Peso unitario suelto seco 5. Peso unitario seco compacto

(MUC) 6. Humedad natural 7. Absorción 8. Módulo de Finura

1. Angular 2. 2.54 cm

3. 2520 kg/m3

4. 1281,1 kg/m3 5. 1453 kg/m3

6. 1,03% 7. 1,09% 8. 7,78

Fuente: Concrescol S.A.

52

Tabla 5. Especificaciones del cemento.

Cemento Cemex Pórtland tipo 1 Especificaciones

1. Peso específico

2. Propiedades

1. 3100 kg/m3

2.1. Altas resistencias iniciales y finales. 2.2. Excelente durabilidad en ambientes con polución.

2.3. Buen desempeño en el terminado.

2.4. Amigable con el ambiente por su baja huella de carbono.

Fuente: CEMEX Colombia S.A. Figura 17. Cemento CEMEX

- Fuente: Autores.

53

Figura 18. Agregado grueso y fino.

Fuente: Autores. Figura 19. Cal hidratada.

Fuente: Autores.

54

Figura 20. Fibra de cáñamo previamente cortada.

Fuente: Autores. Con base a la Norma I.N.V. E-402-13 se preparan los materiales a utilizar pues deben cumplir una serie de requerimientos tales como la temperatura la cual debe estar entre 20°C y 30°C, así mismo el cemento debe estar en un lugar totalmente seco y los agregados debidamente separados por su tamaño con una humedad uniforme, para luego combinar.

Para el procedimiento de mezcla se consideró un diez por ciento (10%) de desperdicio realizándolo de forma manual, en una carretilla limpia debidamente humedecida y un palustre, adicionando el agregado grueso y enseguida el agregado fino, combinándolos hasta formar una mezcla uniforme, después se agregó el cemento mezclándolo con los agregados hasta formar un compuesto homogéneo; como se evaluaron unos concretos con fibra y otro normales, a los que se le adiciono fibra, la cual con anterioridad se trató con la cal hidratada; según las investigaciones de Quintero y González (2006), se sumerge la fibra en una lechada de cal (10g por litro de agua) durante 48 horas (Figura 21); se mezcló enseguida de agregar el cemento. En los dos tipos de concreto se fue adicionando el agua de forma progresiva y mezclando rápidamente hasta formar el concreto (Figura 22).

55

Figura 21. Fibra de cáñamo más cal hidratada

Fuente: Autores Figura 22. Concreto normal y concreto con fibra de cáñamo

Fuente: Autores Tanto para el ensayo de resistencia a la compresión como para el ensayo de resistencia a la flexión se utilizó la misma proporción volumétrica de los elementos que componen el concreto, por lo tanto con la primera bachada de concreto se determinó el asentamiento de acuerdo a la Norma I.N.V. E-404-13 (SLUMP) (Figura 23).

56

Se presentó un asentamiento de 40 mm (1½”), clasificando el material con una consistencia de mezcla semi-seca. Luego, se comenzó a verter el concreto en los moldes previamente engrasados (Figura 24), como lo informa en la Norma I.N.V. E-402-13 sección 6.3, en tres capas, para luego consolidarlo como lo expresa la Norma I.N.V. E-402-13 sección 6.4, cada capa apisonándola (varillado) con 25 golpes, después dar 10 golpes al molde con el mazo de caucho eliminando los vacíos de aire que hayan quedado atrapados.

Figura 23. Asentamiento del concreto

Fuente: Autores

57

Figura 24. Preparación de los moldes.

Fuente: Autores Después de la consolidación, se removió el exceso de concreto que sobresalía de la superficie del concreto sobre los bordes de los moldes y se emparejo o enraso con la varilla apisonadora, una vez ejecutado lo anterior se les coloco un plástico para evitar la evaporación de agua del concreto (Figura 25.)

Pasado un día se extrajeron los especímenes de los moldes y para el proceso de curado se introdujeron en un tanque con agua potable (Figura 26, Figura 27 y Figura 28.)

58

Figura 25. Concreto en los moldes

Fuente: Autores Figura 26. Cilindros de concreto normal

Fuente: Autores

59

Figura 27. Cilindros de concreto con fibra de cáñamo

Fuente: Autores Figura 28. Vigas de concreto con fibra de cáñamo

Fuente: Autores

60

Tabla 6. Tiempo de curado de los especímenes.

Ensayo Tiempo de curado

Resistencia a la compresión 1. Concreto normal 1 (C1) 2. Concreto normal 2 (C2) 3. Concreto normal 3 (C3) 4. Concreto normal 4 (C4) 5. Concreto normal 5 (C5) 6. Concreto normal 6 (C6) 1. Concreto modificado 1 (M1) 2. Concreto modificado 2 (M2) 3. Concreto modificado 3 (M3) 4. Concreto modificado 4 (M4) 5. Concreto modificado 5 (M5) 6. Concreto modificado 6 (M6)

1. 7 días 2. 7 días 3. 14 días 4. 14 días 5. 28 días 6. 28 días 1. 7 días 2. 7 días 3. 14 días 4. 14 días 5. 28 días 6. 28 días

Resistencia a la flexión 1. Concreto modificado 1 2. Concreto modificado 2

1. 28 días 2. 28 días

Fuente: Autores. 9.1 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

La resistencia a la compresión se mide con una prensa, que aplica carga axial sobre la superficie del cilindro en unas condiciones como lo exige la Norma I.N.V. E-410-13 (figura 29.), hasta su rotura, determinando su esfuerzo máximo y el patrón de falla.

Figura 29. Ensayo de compresión de concreto

Fuente: Autores

61

9.1.1 Diseño de mezcla del concreto normal.

Tabla 7: Parámetros para el diseño de mezcla.

Asentamiento 40 mm (1½”) Concreto semi-seco, consistencia media y con un grado de trabajabilidad medio

Tamaño máximo nominal

25.4 mm (1”) Especificación dada por Concrescol S.A.

Contenido de aire 1.5% Según tabla 11.5 del libro Tecnología del concreto y el mortero de Diego Sánchez

Cantidad de agua (Ca)

170 Kg/m3 de concreto

Según figura 11.2 del libro Tecnología del concreto – Tomo 1 de Asocreto

Resistencia a la compresión (F’c)

280K kg/cm2 (4000 Psi)

Relación a/c 0.47 Según figura 11.3 del libro Tecnología del concreto – Tomo 1 de Asocreto

Contenido de cemento (Cc)

361.70 Kg/m3 de concreto

Cc = Ca/(a/c)

Contenido de grava (relación b/bo’)

0.71 Según tabla 11.9 del libro Tecnología del concreto – Tomo 1 de Asocreto

Fuente: Autores. Tabla 8. Dimensiones de los cilindros de concreto normal. Cilindro Diámetro

Φ1 (mm) Diámetro Φ2 (mm)

Diámetro Φ3 (mm)

Altura H1(mm)

Altura H2(mm)

Altura H3(mm)

Promedio Φ

Promedio H

C1 100,65 100,76 100,44 208,25 209,00 208,54 100,62 208,60

C2 101,87 101,81 101,61 204,30 204,32 204,48 101,76 204,37

C3 102,50 102,07 102,49 206,63 206,94 206,82 102,35 206,71

C4 102,04 102,13 102,08 206,24 206,12 206,16 102,08 206,14

C5 102,23 102,27 101,79 206,5 207,87 206,44 102,10 206,94

C6 102,17 102,19 101,97 209,86 208,96 207,22 102,11 208,68

Fuente: Autores.

Volumen los 6 moldes = 6 ∗π∗Φ2

4∗ ℎ = 6 ∗

π∗0.12

4∗ 0.2𝑚 = 0.009424777961 m3

Factor de desperdicio = 10%*0,010111777 m3 = 0.0009424777961 m3

Volumen total de concreto (VTC) = 0,01037 m3

Contenido de cemento = VTC*Cc

62

Contenido de agua = (VTC*Ca)/1000 Kg/m3*1000 m3

Contenido de grava = MUC/dg * b/bo’ * VTC * dg

Contenido de Arena = VTC – Va – Vc – Vaire

Tabla 9. Diseño de mezcla del concreto normal

Material Peso (kg) Densidad (kg/m3) Volumen (m3)

Cemento 3,75 3100 0,0012099

Agua 1,76 1000 0,00176

Grava 10,70 2520 0,0042452

Arena 7,28 2430 0,0029964

Aire - - 0,0001556

TOTAL 23,49 0,01037

Fuente: Autores. 9.1.2 Diseño de mezcla del concreto con fibra de cáñamo. Los parámetros para el diseño de mezcla del concreto normal (tabla 7) son los mismos del diseño de mezcla del concreto con fibra de cáñamo.

Tabla 10. Dimensiones de los cilindros de concreto con fibra de cáñamo. Cilindro Diámetro

Φ1 (mm) Diámetro Φ2 (mm)

Diámetro Φ3 (mm)

Altura H1(mm)

Altura H2(mm)

Altura H3(mm)

Promedio Φ

Promedio H

M1 102,11 102,14 101,92 204,94 205,31 207,04 102,06 205,76

M2 102,31 102,21 101,95 209,18 207,85 208,88 102,16 208,64

M3 102,21 102,31 102,57 205,35 205,13 205,15 102,36 205,20

M4 102,08 102,54 102,40 207,56 207,72 207,69 102,34 207,70

M5 101,64 101,55 101,14 204,89 208,36 206,28 101,44 206,51

M6 101,09 101,02 100,59 207,72 206,95 209,87 100,90 208,18

Fuente: Autores.

Volumen los 6 moldes = 6 ∗π∗Φ2

4∗ ℎ = 6 ∗

π∗0.12

4∗ 0.2𝑚 = 0.009424777961 m3

63

Factor de desperdicio = 10%*0,010111777 m3 = 0.0009424777961 m3

Volumen total de concreto (VTC) = 0,01037 m3

Contenido de cemento = VTC*Cc

Contenido de agua = (VTC*Ca)/1000 Kg/m3*1000 m3

Contenido de grava = MUC/dg * b/bo’ * VTC * dg

Contenido de Arena = VTC – Va – Vc – Vaire

Contenido de fibra de Cáñamo = 1%

Tabla 11. Diseño de mezcla del concreto con fibra de cáñamo.

Material Peso (kg) Densidad (kg/m3) Volumen (m3)

Cáñamo 0,225 0,0001037

Cemento 3,75 3100 0,0012099

Agua 1,76 1000 0,00176

Grava 10,70 2520 0,0042452

Arena 7,03 2430 0,0028927

Aire - - 0,0001556

TOTAL 23,47 0,01037

Fuente: Autores. 9.1.3 Determinación de la resistencia a la compresión.

Tabla 12. Parámetros para fallar los cilindros

Diámetro de la cara de carga 165 mm (6.5”)

Velocidad de carga 0.25 MPa/s

Fuente: I.N.V. E-410-13.

64

Tabla 13. Carga máxima, cilindros de concreto normal.

Cilindros Peso(kg) Carga máxima(Ton)

Carga máxima(kg)

cilindro C1 3,642 17 17000

cilindro C2 3,676 17 17000

cilindro C3 3,714 20,5 20500

cilindro C4 3,714 21 21000

cilindro C5 3,709 23 23000

cilindro C6 3,689 23 23000

Fuente: Autores. Tabla 14. Resistencia a la compresión, concreto normal.

CALCULOS CONCRETO NORMAL

Id Día Área

(mm2) (cm2)

C1 7 7951,146 79,511

C2 7 8133,407 81,334

C3 14 8227,992 82,280

C4 14 8184,640 81,846

C5 28 8186,778 81,868

C6 28 8188,916 81,889

Esfuerzo

(Kg/cm2) (Psi)

día 7 día 14 día 28 día 7 día 14 día 28

C1 213,806

C3 249,149

C5 280,941

C1 3054,367

C3 3559,278

C5 4013,440

C2 209,014

C4 256,578

C6 280,867

C2 2985,921

C4 3665,403

C6 4012,392

Fuente: Autores.

65

Tabla 15. Carga máxima, cilindros de concreto con fibra de cáñamo.

Cilindros Peso(kg) Carga máxima(Ton)

Carga máxima(kg)

cilindro C1 3,604 18 18000

cilindro C2 3,704 18 18000

cilindro C3 3,666 21,5 21500

cilindro C4 3,670 21,5 21500

cilindro C5 3,709 22,5 22500

cilindro C6 3,705 22,5 22500

Fuente: Autores Tabla 16. Resistencia a la compresión, concreto con fibra de cáñamo.

CALCULOS CONCRETO CON FIBRA DE CÁÑAMO

Id Día Área

(mm2) (cm2)

M1 7 8180,364 81,804

M2 7 8196,403 81,964

M3 14 8229,600 82,296

M4 14 8225,849 82,258

M5 28 8082,336 80,823

M6 28 7995,990 79,960

Esfuerzo

(Kg/cm2) (Psi)

día 7 día 14 día 28 día 7 día 14 día 28

M1 220,039

M3 261,252

M5 278,385

M1 3143,416

M3 3732,172

M5 3976,927

M2 219,609

M4 261,371

M6 281,391

M2 3137,265

M4 3733,874

M6 4019,872

Fuente: Autores

66

9.2 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA FLEXIÓN

La resistencia a la flexión se refiere al módulo de rotura, y se realizar con una viga de sección cuadrada de 15 cm de lado y 50 cm de longitud, cargada en los tercios de la luz libre, con una velocidad de 1.2 MPa/min. Todas las especificaciones y procedimientos utilizados son exigencias de la Norma I.N.V. E-414-13 para una adecuada elaboración del ensayo.

Para la realización el ensayo, se retiraron las vigas una por una a medida que se iban fallando, pues como informa la norma se debe realizar inmediatamente después de la remoción del sitio de curado. Anteriormente se había ajustado el aparato de carga para que quede en los tercios de la luz libre, como la estructura rígida de soporte (Figura 30 y Figura 31)

Figura 30. Viga en la estructura de soporte.

Fuente: Autores. Figura 31. Viga lista para cargar.

Fuente: Autores.

67

9.2.1 Diseño de mezcla del concreto con fibra de cáñamo.

Tabla 17: Parámetros para el diseño de mezcla.

Asentamiento 40 mm (1½”) Concreto semi-seco, consistencia media y con un grado de trabajabilidad medio

Tamaño máximo nominal

25.4 mm (1”) Especificación dada por Concrescol S.A.

Contenido de aire 1.5% Según tabla 11.5 del libro Tecnología del concreto y el mortero de Diego Sánchez

Cantidad de agua (Ca)

170 Kg/m3 de concreto

Según figura 11.2 del libro Tecnología del concreto – Tomo 1 de Asocreto

Resistencia a la compresión (F’c)

280K kg/cm2 (4000 Psi)

Relación a/c 0.47 Según figura 11.3 del libro Tecnología del concreto – Tomo 1 de Asocreto

Contenido de cemento (Cc)

361.70 Kg/m3 de concreto

Cc = Ca/(a/c)

Contenido de grava (relación b/bo’)

0.71 Según tabla 11.9 del libro Tecnología del concreto – Tomo 1 de Asocreto

Fuente: Autores. Tabla 18. Viga 1.

DATOS DE LAS VIGA M1

Promedio

Ancho1(cm) 15,563

15,50 Ancho2(cm) 15,586

Ancho3(cm) 15,358

Longitud1(cm) 50

50,10 Longitud2(cm) 50,1

Longitud3(cm) 50,2

Altura1(cm) 14,92

14,69 Altura2(cm) 14,754

Altura3(cm) 14,396

Fuente: Autores.

68

Tabla 19. Viga 2.

DATOS DE LAS VIGA M2

Ancho1(cm) 15,619

15,56 Ancho2(cm) 15,601

Ancho3(cm) 15,459

Longitud1(cm) 50

50,17 Longitud2(cm) 50,3

Longitud3(cm) 50,2

Altura1(cm) 14,7

14,81 Altura2(cm) 14,93

Altura3(cm) 14,787

Fuente: Autores.

Volumen del molde (Vm) = (L*A*h)= (0.50cm)*(0.15cm)*(0.15cm)= 0.01125m3

Factor de desperdicio = 10%*Vm = 0.00125 m3

Volumen total = 0.012375 * = 0.02475 m3

Contenido de cemento = VTC*Cc

Contenido de agua = (VTC*Ca)/1000 Kg/m3*1000 m3

Contenido de grava = MUC/dg * b/bo’ * VTC * dg

Contenido de Arena = VTC – Va – Vc – Vaire

Tabla 20. Diseño de mezcla del concreto normal con fibra de cáñamo.

Material Peso (kg) Densidad (Kg/m3) Volumen (m3)

Cáñamo 0,515 0,0002475

Cemento 8,95 3100 0,0028878

Agua 4,21 1000 0,00421

Grava 25,53 2520 0,0101321

Arena 16,78 2430 0,0069039

Aire - - 0,0003713

TOTAL 55,98 0,02475

Fuente: Autores.

69

9.2.2 Determinación de la resistencia a la flexión.

Tabla 21.Carga máxima a flexión de las vigas.

Viga Carga máxima a flexión (kN)

Carga máxima a flexión (kg)

M1 34.30 3500

M2 31.40 3200

Fuente: Autores. Figura 32. Fractura de la viga M2.

Fuente: Autores.

Figura 33. Fractura de la viga M1 y M2.

Fuente: Autores.

70

Como la fractura inicio en la zona de tensión, dentro del tercio medio de la luz libre, el módulo de rotura es:

𝑅 =𝑃∗𝐿

𝑏∗𝑑2 =

R = módulo de rotura P = Carga de la rotura L = Luz entre apoyos extremos b = Ancho de la viga d = Altura de la viga

Tabla 22. Módulo de rotura

Viga L (mm) b (mm) d (mm) P (N) R (MPa)

M1 501.0 155.0 146.9 34300 5.14

M2 501.7 155.6 148.1 31400 4.62

Fuente: Autores

71

10. ANÁLISIS DE RESULTADOS

10.1. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

Generando una relación entre la resistencia a la compresión con respecto a los días en que se determinó la resistencia de cada cilindro, como también el orden en que fueron fallados, se observa lo siguiente (figura 34):

La Resistencia a la compresión a los 7 días del concreto con fibra de cáñamo frente al concreto normal es mayor, del 78.58% de la resistencia esperada, frente a un 76.36% respectivamente.

La resistencia a la compresión a los 14 días del concreto con fibra de cáñamo frente al concreto normal es mayor, del 93.34% de la resistencia esperada, frente a un 91.63% respectivamente, donde se evidencia una tendencia lineal de todos los cilindros, siendo la resistencia de C2<C1<M1<M2 igual a C3<C4<M3<M4.

En el día 28 se observa una tendencia totalmente diferente y no esperada, pues la resistencia a la compresión del concreto con fibra de cáñamo disminuyo gradualmente, acercándose a la resistencia esperada del concreto normal (4000 psi), siendo la resistencia del concreto normal de 4013.44 psi y la resistencia del concreto con fibra de 4019.87 psi.

Figura 34. Día de rotura frente a la resistencia a la compresión

Fuente: Autores

2700

2900

3100

3300

3500

3700

3900

4100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324252627282930

Resis

ten

cia

a la c

om

pre

sio

n (

psi)

Dia de la rotura

Resistencia a la compresion

C2-C3-C5

C1-C4-C6

M1-M3-M5

M2-M4-M6

72

10.1.1 Concreto normal. En el día séptimo los cilindros C1 y C2 presentaron fractura tipo corte o diagonal como se evidencia en la Figura 36; en el día 14 y en el día 28 los cilindros C3, C4, C5, C6, C7 y C8, presentaron fractura total tipo cono, como se evidencia en la Figura 37. El esfuerzo máximo a compresión supero un 0.34 % de la resistencia esperada de 4000 psi, lo establecido en el diseño de mezcla. Figura 35. Falla de los cilindros C1 y C2

Fuente: Autores

73

Figura 36. Falla de los cilindros C3, C4, C5 Y C6.

Fuente: Autores. 10.1.2 Concreto con fibra de cáñamo. Los cilindros M1, M2, M3, M4, M5 y M6 presentaron falla tipo cono y corte, con una resistencia máxima a los 28 días de 4019.87 psi, superando un 0.49% de la resistencia esperada de 4000 psi, gracias a la adherencia entre la fibra de cáñamo y los materiales, los cilindros no se fracturaron en su totalidad y permanecieron compactos como se evidencia en la tabla 23.

74

Tabla 23. Concreto con fibra de cáñamo.

Concreto con fibra de cáñamo M1 y M2.

Falla: Corte

Tiempo de curado: 7 días

Resistencia a la compresión de 3150 psi

Se evidencia adherencia entre los materiales y la fibra, impartiendo resistencia al agrietamiento, con un porcentaje de pérdida de material al momento de la rotura.

Fuente: Autores

Concreto con fibra de cáñamo M3 y M4.

Falla: Cono y corte

Tiempo de curado: 14 días

Resistencia a la compresión de 3730 psi

Se evidencia alta adherencia entre los materiales y la fibra, impartiendo resistencia al agrietamiento con poca pérdida de material al momento de la rotura.

Fuente: Autores

Concreto con fibra de cáñamo M5 y M6.

Falla: Cono y corte

Tiempo de curado: 28 días

Resistencia a la compresión de 4000 psi

Se evidencia alta adherencia entre los materiales y la fibra, impartiendo resistencia al agrietamiento sin pérdida de material al momento de la rotura.

Fuente: Autores

Fuente: Autores.

75

10.2 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN

Con relación a las dos vigas estas difieren con respecto al módulo de rotura un 10.11%, valor que cumple con lo especificado en la Norma I.N.V. E-414-13 sección 9.1.1.

El módulo de rotura de la viga M1 con respecto a la resistencia a compresión de F’c = 4000 psi = 27.58 MPa, es del 18.63%.

El módulo de rotura de la viga M2 con respecto a la resistencia a la compresión de F’c = 4000 psi = 27.58 MPa, es del 16.75%.

Figura 37.Correlación entre la resistencia a compresión y el módulo de rotura para una resistencia a la compresión de 4000 psi.

Fuente: SANCHEZ DE GUZMAN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. 3 ed. Bogotá D.C: bhandar editores Ltda. 1996. 349p.

27.58 MPa

3.92 MPa 14.22%

76

Tabla 24. Vigas de concreto con fibra de cáñamo, módulo de rotura

Los porcentajes de módulo de rotura con respecto a resistencia están comprendidos entre los valores aceptados normativamente (10% al 20%).

Relacionando los valores experimentales con los teóricos de la figura 37, se observa un incremento del módulo de rotura del concreto con fibra de cáñamo del 4.41% para M1 y 2.53% para M2, con respecto a la resistencia a la compresión.

La adherencia entre los materiales y la fibra, generaron una mayor resistencia a la flexión y una resistencia al agrietamiento sin pérdida de material al momento de la rotura.

Fuente: Autores.

Fuente: Autores

Fuente: Autores

77

11. CONCLUSIONES

Basados en las fuentes de información, la fibra de cáñamo se utilizó en unas condiciones específicas, adicionando el 1% de fibra del peso total del concreto para cada uno de los ensayos, con una longitud de 4 cm a 5 cm por cada hilo, tratada con cal hidratada para evitar corrosión de la fibra causada por la alcalinidad del concreto y distribuida aleatoriamente en toda la mezcla para generar homogeneidad. En el proceso de mezclado la trabajabilidad del concreto con fibra fue más difícil que la del concreto normal, pues es necesario aglutinar eficazmente la fibra, sin embargo el grado de fluidez de los dos concretos con base al ensayo de asentamiento fue de 40 mm (1½”) y los dos presentaron exudación notoria pero no en una alta tasa. Por lo tanto se afirma que la fibra genera mayor esfuerzo manual en el proceso de mezclado.

Por medio de un diseño de mezcla elaborado a partir del método de peso y volumen absoluto, utilizando los datos suministrados de la empresa CEMEX Colombia S.A. y Concrescol S.A, se logró con precisión la resistencia a la compresión esperada a los 28 días. En los primeros 7 días el concreto con fibra de cáñamo supero la resistencia del concreto normal con un 78.75% de la resistencia esperada y con una diferencia promedio entre los dos concretos de 120 psi; a los 14 días la tendencia se mantuvo, el concreto con fibra de cáñamo soporto mayor carga axial y a los 28 días el concreto con fibra presento una tendencia totalmente diferente, pues se esperaba que este superara la resistencia de 4000 psi, donde igualo la resistencia alcanzada del concreto normal, donde el concreto normal llego con una resistencia de 100.34% y el concreto con fibra llego a un 100.49%, frente a la resistencia calculada en el diseño de mezcla.

La forma de agrietamiento, en los cilindros sometidos a compresión, en los dos concretos fue totalmente diferente, pues mientras que el concreto normal se fracturó en casi toda su totalidad, el concreto con fibra sufrió una fractura parcial, sin perder su forma y con una pérdida o disgregación de material mínima con respecto a la mezcla patrón. Lo anterior es relevante, dado que cuando se presenta una falla en el concreto, la fibra genera mayor tenacidad y evita el rompimiento o desprendimiento total del material, proporcionándole un porcentaje de la ductilidad del concreto carece.

El módulo de rotura determinado por el ensayo de resistencia a la flexión se realizó para evidenciar si adicionando las fibras de cáñamo la resistencia aumenta con respecto a la resistencia teórica que se espera, lo anterior basado en la resistencia a la compresión, es por ello que se elaboraron dos vigas, las cuales se dejaron curar 28 días. Los resultados obtenidos se consideran positivos, pues comparándolos con los valores teóricos alcanzados con respecto a la resistencia a compresión, hay una diferencia de la viga uno (M1) de 4.41%

78

y de la viga dos (M2) de 2.53% y de la misma forma que en el ensayo de resistencia a la compresión, el concreto sufrió una fractura parcial, donde la fibra generó una adherencia o anclaje que no permitió que la viga no tuviera falla total, sino parcial e igualmente tuvo una pérdida o disgregación de material mínima.

Con base a los ensayos se afirma que la fibra de cáñamo en la concreto ayuda principalmente a evitar el agrietamiento y a un mejor aglutinamiento de los materiales para que al momento de la rotura tanto a compresión como a flexión, el concreto permanezca unido, de lo cual se deduce una buena adherencia de la fibra a la matriz; es el llamado fenómeno de puenteo, que mejora de varias maneras la tenacidad de la matriz, ya que una grieta que se mueva a través de la matriz encuentra una fibra y esta la obliga a que no se prolongue o que se siga abriendo, tal como se puede observar en la tabla 23 y tabla 24.

79

12. RECOMENDACIONES

Los resultados arrojados en los ensayos generan una idea más clara de la viabilidad en la adición de fibra de cáñamo en el concreto, siendo muy útil para elementos no estructurales, los cuales en su proceso de fraguado o al aplicar por primera vez la carga se fisuran fácilmente; así se podría controlar el agrietamiento a edades tempranas. El afirmar que el nuevo material solo se puede utilizar para elementos no estructurales se da por la falta o la necesidad de seguir investigando, ensayando y probando, para generar unos resultados exactos y precisos; y aunque los ensayos arrojaron resultados positivos con respecto a un concreto normal, estos dan solo una idea del comportamiento en general; suficiente motivo para que el nuevo material no cumpla con la Norma sismo resistente (NSR 2010) y no se pueda utilizar como material estructural. Por lo anterior se recomienda continuar con la investigación en donde en las siguientes propuestas se investigue con diferentes porcentajes de adición de fibra, además de realizar ensayos a la tracción indirecta.

80

BIBLIOGRAFÍA

NIÑO HERNANDEZ. Jairo René. Tecnología del concreto Tomo 1: Materiales, propiedades y diseño de mezclas. Tercera edición. Bogotá D.C: Asocreto. 2010. 228p.

SANCHEZ DE GUZMAN. Diego. Tecnología del concreto y del mortero. 3 ed. Bogotá D.C: bhandar editores Ltda. 1996. 349p.

INSTITUTO NACIONAL DE VIAS. Sección 400 - Concreto hidráulico. [en línea]. Bogotá D.C. [citado 25 de abril, 2016]. Disponible en Internet <URL: http://www.invias.gov.co/> BERNAL José Alberto. El agua del concreto [en línea]. Bogotá. [Citado 30 abril, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://elconcreto.blogspot.com.co/2009/01/el-agua-del-concreto.html>

INSTITUTO DE INGENIERIA UNAM. Manual de tecnología del concreto Sección 3. México, D.F: Limusa noriega editores. 1994. 382p.

AZNARSHOP. La fibra de cáñamo [en línea]. España [citado 5 de abril, 2016]. Disponible en Internet <URL: http://www.aznarshop.com/complementos-alimentacion-canamo.html>.

PRIETO, María. La polémica fibra de cáñamo [en línea].Suiza. [Citado 5 abril, 2016]. Disponible en Internet: <URL: https://www.veoverde.com/2009/02/la-polemica-fibra-de-canamo/>.

DALY, Patrick; RONCHETTI, Paolo; WOOLLEY, Tom. Biocomposito de cáñamo-cal como material de construcción en Irlanda. En: Revista virtual pro, Ecosostenibilidad. 01 – Octubre, 2013.

PAMPILLON, Andrés. La Agroindustria del cannabis ofrece grandes oportunidades. En: Global Network Content Services LLC, DBA Noticias Financieras LLC. 15 - noviembre, 2009.

EL ESPECTADOR. En Congreso proponen legalización total de la marihuana [en línea]. Bogotá D.C. [citado 20 abril, 2016]. Disponible en Internet: <URL:http://www.elespectador.com/noticias/politica/congreso-proponen-legalizacion-total-de-marihuana-articulo-565640>.

SIKA. Curado del concreto [en línea]. [Citado 30 de abril, 2016]. Disponible en Internet <URL: https://col.sika.com/>

RIVVA LOPEZ, Enrique. Naturaleza y materiales del concreto.1 ed. Perú: Aciperú. 2000. 390p

81

MARTINEZ DE LAS MARIAS, Pablo. Física y química de las fibras textiles. España: Alhambra, 1976. 204p.

HOLLEN, Norma; SADDLER, Jane; LANGFORD, Anna. Introducción a los textiles. México: Limusa, 2004. 359p.

MALPICA, Karina. La marihuana [en línea]. México. [Citado 1 abril, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://www.mind-surf.net/drogas/marihuana.htm>

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA, Facultad de ingeniería Química y textil. Cáñamo [en línea]. Lima, PERU. [Citado 4 abril, 2016]. Disponible en Internet: <URL: https://es.scribd.com/doc/30100270/Monografia-de-canamo>

FAO. Año internacional de las naciones unidas [en línea].Roma, ITALIA. [Citado 1 abril, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://naturalfibres2009.org/es/fibras/canamo.html>

MOLARES, Juan. Canabinoides: análogos y perspectivas terapéuticas II [en línea].Cuba. 2008: [Citado 2 abril, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://www.bvs.sld.cu/revistas/far/vol42_3_08/far11308.pdf>

ECOHOUSES. El cáñamo en la construcción [en línea]. Girona, ESPAÑA. [Citado 2 abril, 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://www.ecohouses.es/el-canamo-en-la-construccion/>

OCHANDO FONS, Rafael. Hempcrete, un material muy verde. [en línea]. ESPAÑA. 2013 [Citado 2 abril, 2016]. Disponible en Internet <URL: https://enconstruccionblog.wordpress.com/2013/02/12/hempcrete-un-material-muy-verde/>

ZAMBEZA. Hempcrete, construcción de viviendas con cáñamo [en línea]. Países bajos. [Citado 3 abril, 2016]. Disponible en Internet <URL: https://www.zambeza.es/prestablog.php?id=17>

BRÜMMER, Monika. Cannabric [en línea]. España. [Citado 4 abril, 2016].Disponible en Internet <URL: ttp://www.cannabric.com/prestaciones/>

SIKA. Concreto reforzado con fibras [en línea]. [Citado 5 de marzo, 2016]. Disponible en Internet <URL: https://col.sika.com/>

STULZ Roland, MUKERJI Kiran. Materiales de construcción apropiados: Catálogo de soluciones potenciales revisado edición ampliado. London: IT Publications, 1993. [Citado 08 de marzo, 2016]. Disponible en: <URL:http://ces.iisc.ernet.in/energy/HC270799/HDL/spanish/sk01ms/sk01ms00.htm#Contents>

82

ARGOS. ¿Qué es el concreto reforzado con fibra? [en línea]. Bogotá D.C. [citado 08 de marzo, 2016]. Disponible en Internet <URL:http://blog.360gradosenconcreto.com/que-es>

QUINTERO, Sandra; Luis, GONZÁLEZ. Uso de fibra de estopa de coco para mejorar las propiedades mecánicas del concreto [en línea]. Barranquilla. Universidad del Norte. 2006 [citado 9 de marzo, 2016]. Disponible en Internet <URL: http://ciruelo.uninorte.edu.co/pdf/ingenieria_desarrollo/20/uso_de_la_fibra_de_coco.pdf>

83

ANEXOS

LA AGROINDUSTRIA DE LA CANNABIS OFRECE GRANDES OPORTUNIDADES.

El estudio es realizado por el licenciado Fabrizio Giamberini, socio fundador de Latin American Hemp Trading (LATH), una empresa uruguaya que ha desarrollo un proyecto de negocio realmente innovador, y con importantes oportunidades para generar una nueva cadena agro industrial de cannabis en Colombia; la razón del estudio es la alta resistencia a los esfuerzos de tracción, siendo superior, incluso, a la de la fibra de vidrio.

En la industria de la construcción se utiliza como material de aislación térmica y sonora, armaduras de hormigón, fabricación de ladrillos y bloques de cáñamo o de casas a partir de mezcla de cáñamo con cal, etc.

--------------------------------- PAMPILLON, Andrés. La Agroindustria del cannabis ofrece grandes oportunidades. En: Global Network Content Services LLC, DBA Noticias Financieras LLC. 15 - noviembre, 2009.

84

BIOCOMPOSITO DE CÁÑAMO-CAL COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN EN IRLANDA

El cáñamo-cal (hemp lime) es un biocomposito conformado por la mezcla del núcleo leñoso de la planta de cáñamo y un aglutinante de base de cal. Luego de asentarse, la composición forma un material ligero y rígido que tiene aplicaciones en un amplio abanico de soluciones de construcción, con supuestas ventajas de propiedades térmicas, permeabilidad al vapor, bajo impacto ambiental y secuestro de carbono.

Este reporte presenta los hallazgos de un estudio que examinó la aplicación potencial del cáñamo-cal como material de construcción en Irlanda, el cual recopiló un copioso cuerpo de investigación internacional sobre este biocomposito y revisó su aplicación creciente en construcción, incluyendo algunos proyectos de demostración significativos (principalmente en el Reino Unido, Francia y España). Asimismo, comprende consultas industriales, un cuestionario, talleres y visitas a instalaciones de producción y proyectos de demostración y construcción.

El estudio identificó el principal uso del cáñamo-cal como relleno sin carga aislante esparcida en paredes de construcción de estructuras de madera y algunas aplicaciones en techos y pisos. También se han empleado bloques de relleno de mampostería para otros usos sin carga. La misma fibra de cáñamo se explota como aislante y tiene el potencial utilizarse en revestimientos y tableros, tales como tableros de vetas (strand boards), aglomerados (chip boards), tableros de fibras (fibre boards), entre otros.

--------------------------------- DALY, Patrick; RONCHETTI, Paolo; WOOLLEY, Tom. Biocomposito de cáñamo-cal como material de construcción en Irlanda. En: Revista virtual pro, Ecosostenibilidad. 01 – Octubre, 2013.