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- INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL CICATA-IPN, UNIDAD ALTAMIRA CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA, UNIDAD ALTAMIRA “INVESTIGACIÓN, DESARROLLO E INNOVACIÓN DE COMPÓSITOS DE FIBRAS NATURALES AGLUTINADOS CON CEMENTO PORTLAND ORDINARIO” TESIS Que para obtener el grado de: MAESTRO EN TECNOLOGÍA AVANZADA Presenta: IQ AARÓN MACÍAS ALMAZÁN Directores de Tesis: Dr. Jorge Aurelio Lois Correa Dr. Miguel Antonio Domínguez Crespo
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
CICATA-IPN, UNIDAD ALTAMIRA
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA, UNIDAD ALTAMIRA
“INVESTIGACIÓN, DESARROLLO E INNOVACIÓN DE
COMPÓSITOS DE FIBRAS NATURALES AGLUTINADOS
CON CEMENTO PORTLAND ORDINARIO”
TESIS
Que para obtener el grado de:
MAESTRO EN TECNOLOGÍA AVANZADA
Presenta:
IQ AARÓN MACÍAS ALMAZÁN
Directores de Tesis:
Dr. Jorge Aurelio Lois Correa
Dr. Miguel Antonio Domínguez Crespo
A la vida…. Por lo aprendido, aprehendido y porque en ella están todos
a quien quiero y alguna vez querré.
AGRADECIMIENTOS
Al Instituto Politécnico Nacional y al CICATA Altamira por darme la oportunidad de
realizar este proyecto.
A Conacyt por la beca otorgada
A los proyectos SIP 20130923 y 20140206 porque gracias a ellos se obtuvieron
recursos necesarios para llevar a esta investigación y las becas BEIFI otorgadas en
los semestres enero-junio y agosto-diciembre 2014.
Académicos del Centro ya que sin ellos este proyecto no se hubiera podido llevar a
cabo mis asesores: Jorge A. Lois Correa y Miguel A. Domínguez Crespo. Así como a
mis sinodales: Eugenio Rodríguez González, Aidé M. Torres Huerta, Edgar Onofre
Bustamante y Rogelio Ortega Izaguirre.
Administrativos por sus apoyos en todos los trámites necesarios
Universidad Autónoma de Tamaulipas por permitirme realizar parte de mi
investigación en sus instalaciones.
i
CONTENIDO
Página
ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................... III
GLOSARIO ........................................................................................................... VI
RESUMEN ............................................................................................................ IX
ABSTRACT ........................................................................................................... X
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1
1 CAPÍTULO 1 MARCO TÉORICO .............................................................. 5
1.1 BAGAZO DE CAÑA DE AZUCAR ...................................................................... 7 1.1.1 Composición física ........................................................................................ 9 1.1.2 Composición química. ................................................................................. 10 1.1.2.1 Celulosa ............................................................................................... 11 1.1.2.2 Hemicelulosa. ...................................................................................... 13 1.1.2.3 Lignina ................................................................................................. 13 1.1.3 Composición morfológica ............................................................................ 14 1.1.4 Importancia de la operación de desmedulado en el bagazo ........................ 16 1.1.4.1 Métodos de desmedulado .................................................................... 17
1.2 CEMENTO PORTLAND .................................................................................... 18
1.3 PANELES PREFABRICADOS .......................................................................... 20 1.3.1 Clasificación general de los paneles ........................................................... 21 1.3.2 Clasificación de los paneles a base de fibra de maderas y partículas ......... 22
2 CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE ................................................... 23
3 CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA Y DESARROLLO EXPERIMENTAL ........... 31
3.1 MATERIALES.................................................................................................... 32
3.2 MÉTODOS ......................................................................................................... 33 3.2.1 Desintegrado de material fibroso y clasificación de partículas y desmedulado ............................................................................................................ 33 3.2.2 Separación de Azúcar y extractos solubles en agua. .................................. 35 3.2.3 Tratamiento con Hidróxido de Calcio o cal Hidratada .................................. 36 3.2.4 Tratamiento para dar propiedades puzolanas a la fibra .............................. 37
ii
3.3 DISEÑO EXPERIMENTAL ................................................................................ 38 3.3.1 Variables de estudio ................................................................................... 38 3.3.2 Combinación de variables ........................................................................... 38
3.4 ELABORACIÓN DE TABLEROS AGLUTINANTE INORGÁNICO-BAGAZO ... 39 3.4.1 Preparación de mezclas.............................................................................. 39 3.4.2 Formación de las probetas .......................................................................... 40 3.4.3 Prensado del tablero ................................................................................... 40 3.4.4 Curado y fraguado del tablero ..................................................................... 41 3.4.5 Caracterización de las probetas .................................................................. 42 3.4.6 Microscopio óptico ...................................................................................... 43
3.5 ENSAYOS DE PRUEBAS FÍSICO-MECÁNICAS .............................................. 44 3.5.1 Prueba de resistencia a la flexión. .............................................................. 44 3.5.1.1 Cálculo de resistencia a la flexión. ....................................................... 44 3.5.1.2 Cálculo de módulo de elasticidad......................................................... 45 3.5.2 Ensayo de resistencia a la tracción ............................................................. 47
4 CAPÍTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................... 49
4.1 DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE FIBRA DEL BAGAZO............................... 50
4.2 IMÁGENES DE LAS PROBETAS EN EL MICROSCOPIO ÓPTICO ................. 51
4.3 DENSIDADES DE LAS PROBETAS. ................................................................ 56
4.4 COMPORTAMIENTO ESFUERZO-DEFORMACIÓN ........................................ 58
4.5 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN (RF) O MÓDULO DE RUPTURA ..................... 60
4.6 MÓDULO DE ELASTICIDAD ............................................................................ 63
4.7 ENSAYO DE RESITENCIA A LA TRACCIÓN .................................................. 66
5 CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES ................................................................... 69
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 72
ANEXOS .............................................................................................................. 77
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1 Muestra de bagazo de caña de azúcar ........................................................................ 8
Figura 2. Composición Química de la fibra de bagazo de Caña de Azúcar. ........................... 11
Figura 3. Estructura química de la celulosa .............................................................................. 12
Figura 4. 4-O-Metil-D-glucurono-D-xilano, una de las cadenas poliméricas que puede formar
la hemicelulosa .......................................................................................................................... 13
Figura 5. Bagazo integral (M.O. 425x). Imagen que muestra las células parenquimatosas (1)
y las fibras del bagazo de la caña de azúcar (2). ..................................................................... 15
Figura 6. Paneles prefabricados de madera de pino y cemento, producidos por la empresa
VIROC en Portugal. ................................................................................................................... 21
Figura 7. Bagazo en proceso de secado extendido al sol sobre bolsas negras. ..................... 32
Figura 8. Molino utilizado en el proyecto .................................................................................. 33
Figura 9. Bagazo de Caña Separado en tres tamaños de fibra diferentes (1) Fibra en malla
grande (2) Fibra en malla mediana (3) fibra en malla pequeña, en su mayoría médula. ........ 34
Figura 10. Equipo utilizado para el cribado analítico que consta del vibrador Tyler y cribas de
diferentes medidas de malla. .................................................................................................... 35
Figura 11. Recipientes con agua y bagazo de caña de azúcar en inmersión, para el lavado
de azúcar y solubles en agua. .................................................................................................. 36
Figura 12. Solución de Hidróxido de Calcio antes (1) y después de agregar el bagazo de
caña de azúcar (2) ..................................................................................................................... 37
Figura 13. Bagazo antes y después del tratamiento con Silicato de Sodio. ............................ 38
Figura 14. Mezcla Bagazo-Cemento antes de formación de probetas .................................... 39
Figura 15. Mezcla dentro de los moldes ................................................................................... 40
Figura 16. Prensa utilizada durante el proceso de compresión ............................................... 41
Figura 17. Probetas durante el proceso de curado .................................................................. 42
Figura 18. Pesado analítico de probetas .................................................................................. 43
Figura 19. Microscopio óptico utilizado para tomar .................................................................. 43
Figura 20. Ensayo con el estabilómetro y momento de ruptura. .............................................. 44
Figura 21. Medidas de probetas para resistencia a la tracción y probetas cortadas. ............. 47
Figura 22. Ensayo de resistencia a la tracción en la máquina universal INSTRON 3369....... 48
Figura 23. Distribución del tamaño de partícula de la fibra de mayor a menor desde izquierda
derecha. ..................................................................................................................................... 51
iv
Figura 24. Imágenes de microscopia óptica utilizando un aumento de 5x sobre las probetas
de cemento y bagazo con tratamiento de Ca(OH)2 en sus diferentes formulaciones. ............ 52
Figura 25.. Imágenes de microscopia óptica utilizando un aumento de 10x sobre las probetas
de cemento y bagazo con tratamiento de Ca(OH)2 en sus diferentes formulaciones. ............ 53
Figura 26. Imágenes de microscopia óptica utilizando un aumento de 5x sobre las probetas
de cemento y bagazo con tratamiento de Na2SiO3 en sus diferentes formulaciones. ............. 54
Figura 27.. Imágenes de microscopia óptica utilizando un aumento de 10x sobre las probetas
de cemento y bagazo con tratamiento de Na2SiO3 en sus diferentes formulaciones. ............. 55
Figura 28. Comparación gráfica de densidades obtenidas. ..................................................... 58
Figura 29.Gráfico deformación vs esfuerzo de las probetas. ................................................... 59
Figura 30. Comparación de módulos de ruptura de ambos tratamientos ................................ 63
Figura 31. Comparación de módulos de elasticidad de ambos tratamientos .......................... 65
Figura 32. Diagrama Carga vs Deformación por tracción ........................................................ 67
ÍNDICE DE TABLAS.
Página
Tabla 1. Composición física del bagazo ................................................................................... 10
Tabla 2. Contenido de las fracciones de bagazo a la salida del tándem ................................. 11
Tabla 3. Composición elemental de la lignina .......................................................................... 14
Tabla 4. Composición morfológica del bagazo de caña ........................................................... 16
Tabla 5. Composición estándar del cemento Pórtland ............................................................. 19
Tabla 6. Algunos sistemas de fibras naturales/cemento ya estudiados. ................................. 29
Tabla 7. Matriz Experimental del proyecto................................................................................ 39
Tabla 8. Fracciones de fibra separadas en el vibrador Tyler: ................................................. 50
Tabla 9. Densidades promedio obtenidas en las probetas con bagazo tratado con Ca(OH)2 56
Tabla 10. Densidades promedio obtenidas en las probetas con bagazo tratado con Silicato
de Sodio ..................................................................................................................................... 57
Tabla 11. Módulo de ruptura promedio de probetas con bagazo tratado con Ca(OH)2 .......... 61
Tabla 12. Módulo de ruptura promedio de probetas con bagazo tratado con silicato de sodio
................................................................................................................................................... 61
Tabla 13. Módulo de elasticidad promedio de probetas con bagazo tratado con Ca(OH)2 .... 63
v
Tabla 14. Módulo de elasticidad promedio de probetas con bagazo tratado con silicato de
sodio .......................................................................................................................................... 64
Tabla 15. Estándares comerciales para tableros aglomerados (FAO 2012) ........................... 65
Tabla 16. Resultados obtenidos de las prueba de resistencia a la tracción ............................ 68
vi
GLOSARIO
ÁCIDO DICARBOXÍLICO: compuesto de estructura carbonada que está sustituido
por dos grupos funcionales tipo carboxilo. Por ello, su fórmula responde a HOOC-R-
COOH, donde R suele corresponder a un grupo alquilo, alquenilol o alquinilo. Los
ácidos dicarboxílicos poseen especial relevancia en el metabolismo de las células.
En ingeniería química se emplean para preparar co-polímeros como el nylon.
ANISOTROPÍA: la anisotropía (opuesta de isotropía) es la propiedad general de
la materia según la cual cualidades como elasticidad, temperatura, conductividad,
velocidad de propagación de la luz, etc., varían según la dirección en que son
examinadas. Algo anisótropo podrá presentar diferentes características según la
dirección. La anisotropía de los materiales es más evidente en los sólidos cristalinos,
debido a su estructura atómica y molecular regular.
BAGAZO.- residuo lignocelulósico fibroso remanente de la caña de azúcar, se
obtiene a la salida del último molino del tándem azucarero.
BIOMASA: materia orgánica que se encuentra tanto por encima, así como por
debajo del suelo, y tanto viva como muerta.
CAÑA DE AZÚCAR: es la gramínea tropical Saccharum officinarum, un cultivo de
gran potencial debido a que es un gran productor de biomasa por su eficiente
mecanismo de fotosíntesis, así como constituir una gran fuente de alimentos
(azúcar), fibra (celulosa), forraje (hojas verdes, bagazo y mieles) incluso en períodos
de ausencia de lluvia
CELULOSA: principal componente de las paredes celulares de los árboles y otras
plantas, es un polímero natural, constituido por una larga cadena de carbohidratos
polisacáridos.
CEMENTO PORTLAND ORDINARIO: el Cemento Portland Ordinario es excelente
para construcciones en general, zapatas, columnas, trabes, castillos, dalas, muros,
vii
losas, pisos, pavimentos, guarniciones, banquetas, muebles municipales (Bancas,
mesas, fuentes, escaleras). Ideal para la elaboración de productos prefabricados
(Tabicones, adoquines, bloques, postes de luz, lavaderos, balaustradas. NMX-C-414-
ONNCCE-1999.
CO-PRODUCTOS: son aquellos artículos derivados de un mismo sub-producto, a los
cuales mediante procesos de transformación se les logra impartir un cierto valor
agregado, en algunos casos significativos
DESMEDULADO: acción que consiste en enriquecer la fracción fibrosa extrayendo
una corriente rica en médula.
FENILPROPANO: propilbenceno o fenilpropano es un hidrocarburo aromático.
Flamable (punto de ignición: 30°C). Es moderadamente tóxico por ingestión,
absorción cutánea e inhalación. Es preparado por la acción de cloruro de
bencilmagnesio sobre el sulfato de dietilo o a partir de la reducción de
Clemmensen de la propiofenona. Puede dar reacciones vigorosas o explosivas por
su contacto con otros hidrocarburos aromáticos o agentes oxidantes. Puede
reaccionar exotérmicamente con bases y diazocompuestos.
FIBRA: fracción de tejido vegetal constituida por celulosa, hemicelulosa y lignina.
GLUCOSA: monosacárido con fórmula molecular C6H12O6. Es una hexosa, es decir,
contiene 6 átomos de carbono, y es una aldosa, esto es, el grupo carbonilo está en el
extremo de la molécula (es un grupo aldehído). Es una forma de azúcar que se
encuentra libre en las frutas y en la miel. Su rendimiento energético es de
3.75 kilocalorías por cada gramo en condiciones estándar. Es un isómero de
la fructosa, con diferente posición relativa de los grupos -OH y=O.
HEMICELULOSA: heteropolisacáridos, formado a su vez por un conjunto
heterogéneo de polisacáridos, a su vez formados por un solo tipo de monosacáridos
viii
unidos por enlaces β (1-4) fundamentalmente xilosa, arabinosa, galactosa, manosa,
glucosa y ácido glucurónico), que forman una cadena lineal ramificada.
LIGNINA: material polifenólico, amorfo, con estructura tridimensional derivado de la
unión de varios ácidos y alcoholes fenilpropílicos.
LIGNOCELULÓSICOS: constituidos por los tejidos de los vegetales cuyas células
presentan una pared celular constituida por un entramado de microfibrillas de
celulosa formando capas recubiertas de hemicelulosas y sobre las que se deposita la
lignina.
PARÉNQUIMA.- tejido vegetal que prevalece en la mayoría de los órganos
vegetales, llenando espacios libres que dejan otros órganos y tejidos. Este tejido se
distingue por su anisotropía y sus variadas e irregulares formas.
PENTOSANOS: las pentosas son monosacáridos (glúcidos simples) formados por
una cadena de cinco átomos de carbono que cumplen una función estructural. Como
los demás monosacáridos, aparecen en su estructura grupos hidroxilo (OH).
Además, también pueden llevar grupos cetónicos o aldehídicos. La fórmula general
de las pentosas es C5H10O5.
POLISACÁRIDOS: polímero que compuesto por una extensa sucesión de
monosacáridos, unidos entre sí a través de enlaces glucosídicos. Los polisacáridos
pueden incluirse dentro del grupo de los hidratos de carbono, que también son
conocidos como carbohidratos o glúcidos.
ZAFRA: período de cosecha de la caña, su molida y producción de azúcar en el
ingenio azucarero. Generalmente, coincide con el invierno.
ix
RESUMEN
El presente trabajo se basa en la elaboración de tableros aglomerados con mayor
o menor proporción de mezcla cemento:bagazo de caña de azucar, utilizando
tratamientos de molienda para disminuir y homogenizar el tamaño de partícula,
disminución de extractos y azúcares para el bagazo, así como dos diferentes
tratamientos de mineralización superficial para la fibra para mejorar su
compatibilidad con la matriz de cemento, uno con Ca(OH)2 y otro con Na2SiO3. Se
elaboraron probetas de 1.2 x 5 x 29 cm de acuerdo a la norma ASTM D 1037.
Continuando con una serie de ensayos mediante los cuales se determinaron sus
propiedades físico-mecánicas, con el objetivo de obtener datos precisos que
sirvan como base para su aplicación en el campo de la construcción.
Obteniéndose como resultado de las probetas que el material cumple ya sea para
ser utilizado para aplicaciones de tableros de densidad media como para
aplicaciones de tableros aislantes.
Palabras clave: Bagazo, cemento, paneles, fibra.
x
ABSTRACT
This work is based on the development of particle boards with varying mixing ratio
cement: sugarcane bagasse using grinding treatments to reduce and standardize
the particle size, decreased extracts and sugars for bagasse and as two different
treatments for the fiber surface mineralization to improve compatibility with the
cement matrix, one with Ca (OH) 2 and another with Na2SiO3. Specimens of 1.2 x
5 x 29 cm were prepared in accordance with ASTM D 1037. Following a series of
tests by which their physical and mechanical properties were determined, in order
to obtain accurate data on which to base its application in the field of construction.
Obtaining results of the test pieces that the material conforms either to be used for
applications such as MDF boards or for insulating applications.
Keywords: Bagasse, cement, panels, fiber.
Investigación, desarrollo e innovación de compósitos de fibras naturales aglutinados con cemento portland ordinario
1
IPN-CICATA Altamira
INTRODUCCIÓN
La caña de azúcar cuyo nombre botánico corresponde a Saccharum sp. Hybrids
es un cultivo de gran potencial genético en relación con los rendimientos de
biomasa y de azúcar que reporta todo eso debido a sus elevados y bien
desarrollados mecanismos para una planta de ciclo de carbón C4 (ruta del ácido
dicarboxílico) lo que la coloca en una posición ventajosa al ser comparada con
otros cultivos agrícolas (Gálvez-Rodríguez 2000). Este material planta es uno de
los cultivos más antiguos en el mundo, hay reportes que indican que empezó hace
unos 3.000 años como un tipo de césped en la isla de Nueva Guinea y de allí se
extendió a Borneo, Sumatra e India. (Sharpe 1998).
Las primeras noticias acerca del proceso del azúcar datan primero de la India en
el 3.000 A.C. Posteriormente, Cristóbal Colón introdujo en América en su segundo
viaje en 1493 a la Isla de La Española, cañas, que desafortunadamente no
prosperaron. Tan sólo en 1501 fueron introducidas plantas con un crecimiento
positivo. El éxito de las plantaciones de azúcar llevó a su cultivo a lo largo del
Caribe y América del Sur (Deerr 1949) .
México es un importante productor con 49 millones de toneladas anuales de caña.
Su importancia económica resulta evidente si se considera que el sector azucarero
representa una fuente de trabajo en México para más de 450 mil familias en cerca
de 227 municipios.(SAGARPA 2013). Existen en el país una gran cantidad de
tierra con las características indicadas para el cultivo de caña de azúcar: húmeda,
cálida y fértil. En las zonas cercanas a las costas, sobre todo la parte sur del país,
se produce prácticamente la totalidad de la caña. Veracruz es, por mucho, el
principal estado productor de México, con cerca del 33 por ciento de la superficie
sembrada, tres veces más que Jalisco, que se ubica en el segundo lugar. También
son importantes las superficies destinadas en Oaxaca, San Luis Potosí y
Tamaulipas, entre otros. Como exportador, vale señalar que México vende cerca
de 613 millones de dólares de azúcar anualmente.
Investigación, desarrollo e innovación de compósitos de fibras naturales aglutinados con cemento portland ordinario
2
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La industria azucarera ha sido históricamente una de las más importantes en el
país; debido a su relevancia económica y social en el campo; genera más de dos
millones de empleos, tanto en forma directa como indirecta; se desarrolla en 15
entidades federativas, generan un valor de producción primaria de alrededor de 30
mil millones de pesos (Aguilar–Rivera 2011, DOF 2014).
El sector de la industria cañera juega un papel muy importante para México, tanto
a nivel nacional como internacional. En el año 2010, de acuerdo con estadísticas
de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura,
FAO por sus siglas en inglés, México alcanzó el quinto lugar del mundo en
producción de caña de azúcar, con 50’421,620 toneladas producidas. De acuerdo
con el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI 2012), durante el año
2010, el valor de la producción de la caña de azúcar representó el 23% del valor
de producción de los cultivos perennes, lo que correspondió al 9.4% del valor de la
producción agrícola nacional. El PIB agrícola del mismo año, según el Sistema de
Cuentas Nacionales del INEGI, representó aproximadamente el 57% del PIB
primario total, el cual alcanzó el 3.9% del PIB total nacional. Dentro de la
producción de caña, tres indicadores son relevantes: superficie industrializada,
producción total de caña y producción de caña por hectárea.
La superficie industrializada del país ha crecido año con año durante última
década. La tendencia señala que, en promedio dicha superficie creció a razón de
7,752.1 hectáreas cada año. Para el periodo 2007-2012, la superficie
industrializada promedio de caña de azúcar fue de 674.4 mil hectáreas. En el ciclo
2012/13, en nuestro país se cosecharon 780.3 mil hectáreas que abastecieron a
55 ingenios, superficie 10.9% superior a la industrializada el ciclo anterior, con
siembras realizadas en el ciclo 2011/13, motivado principalmente por el
incremento en los precios del azúcar registrado durante el periodo 2009-2011;
pero generando un excedente de caña en un momento en el que el mercado
regional, TLCAN y global, también tenían superávit. Sin embargo, en nuestro país
no se cuenta aún con suficientes mecanismos para diversificar el uso de la caña y
así poder destinarla a otros usos en momentos de sobre abasto de azúcar, lo cual
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3
IPN-CICATA Altamira
también serviría para sustituir parte de las importaciones en productos como por
ejemplo, alcohol o etanol anhidro, celulosa, etc.(DOF 2014).
Paralelamente, en el presente, crece cada vez con más fuerza la preocupación por
el deterioro del medio ambiente y el empleo irracional de los recursos naturales no
renovables. Es en este contexto donde surge el concepto de desarrollo
sustentable, que considera como centro de cualquier análisis el bienestar del
hombre, la preservación futura de la sociedad humana y los recursos del medio
ambiente, así como la capacidad de este para absorber los efectos de la actividad
humana. Ante este panorama y dada la característica de los países
subdesarrollados de ser exportadores de productos primarios provenientes
fundamentalmente de la agricultura, se impone establecer estrategias de
desarrollo que tiendan a elevar la eficiencia en el empleo de la tierra, y potencien
las escasas ventajas adquiridas en cada caso (Harris 2000). Un subproducto de la
caña de azúcar, con alto valor energético pero al mismo tiempo poco explorado en
otras alternativas de uso, es el bagazo (Müller 2000).
En este sentido en el país al igual que en muchas regiones de la urbe se produce
una gran cantidad de bagazo de caña de azúcar derivado de la industrialización de
esta, mismo que en su mayoría es utilizado como una fuente de combustible
durante la generación de energía eléctrica y en menor cantidad para la obtención
de celulosa en la industria del papel. Sin embargo, estos procesos presentan
impactos negativos al medio ambiente los cuales van desde emisiones a la
atmósfera, residuos durante su utilización y descomposición del mismo antes de
su procesamiento. Una de las alternativas para su utilización es en la industria de
la construcción, específicamente en paneles prefabricados para construcción, en
el cual se podría aprovechar hasta el 60% del bagazo que corresponde a la
fracción fibra. El propósito de este proyecto, es el aprovechamiento de bagazo de
caña de azúcar como una alternativa para la reducción de emisión de
contaminantes a la atmósfera y residuos provocados durante su posterior
procesamiento en la obtención paneles prefabricados para la industria de la
construcción. Para ello, se optimizó una relación adecuada de la mezcla
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4
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bagazo/cemento de acuerdo con la normatividad aplicable (ASTM 1037) para este
tipo de materiales. Se realizó una evaluación del efecto de la compatibilización de
la mezcla fibra-cemento hidráulico mediante la aplicación de diferentes
tratamientos químicos a la fibra. Para un control adecuado de las propiedades
evaluadas se determinaron tamaños de fibra de 1-5 mm. La dosificación de
bagazo en el compósito se varió de 15-35%, sin embargo a partir de las
propiedades de adherencia y propiedades de dispersión observadas, se determinó
como intervalo de análisis entre un 20-30%, asegurando la obtención de un
material con propiedades físico-mecánicas adecuadas para las aplicaciones
propuestas. De acuerdo al cumplimiento como es el caso de paneles
prefabricados, recubrimientos en paredes, recubrimientos acústicos y térmicos,
plafones para falsos techos de acuerdo la normatividad correspondiente.
5
1 CAPÍTULO 1
MARCO TÉORICO
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6
ANTECEDENTES
El desarrollo de las tecnologías para la producción de tableros aglomerados,
responde a la necesidad de incrementar los niveles de aprovechamiento de las
explotaciones forestales, las cuales representan pérdidas en términos de
reducción del área de bosques, así como a la necesidad de utilizar las ramas o los
desechos que aparecen durante la explotación y la elaboración de la madera en
los aserraderos en forma de astillas y recortes.
El uso de fibra natural de refuerzo para compósitos es beneficioso debido a su
bajo costo, baja densidad y la utilización de recursos locales renovables. El
aumento de las regulaciones ambientales y el énfasis en la eficiencia del
combustible hacen que el uso del bagazo de la caña de azúcar y otras fibras
naturales más importantes.
En el caso de los tableros aglomerados de bagazo, se tiene como antecedente la
fabricación de paneles de fibras, elementos moldeados y otros tipos de paneles,
cuyas principales aplicaciones son: panelería ligera para divisiones interiores,
puertas interiores, closets y estantes de cocina, revestimiento de paredes,
encofrado, etc, pudiendo señalarse, que el empleo de paneles aglomerados de
bagazo se compara ventajosamente desde el punto de vista económico (reducción
del tiempo de ejecución), y ecológico (reducción en la emisión de CO2 debido a la
disminución en el consumo de cemento) lo que constituye una alternativa
ventajosa para el empleo del bagazo excedente de la producción de azúcar
(Salcedo-Piedrahita 2012).
Desde el punto de vista de su fabricación, los tableros aglomerados pueden
agruparse en dos categorías bien definidas: partículas (particle board) y fibras
(fiberboard). A partir del análisis del comportamiento de los mercados, se deduce
que existe una tendencia a la reducción de esta producción por parte de las
regiones líderes a nivel mundial. Esto puede deberse a dos cuestiones básicas:
reducción en la disponibilidad de residuos para rellenos, al disminuir la tala de
bosques debido su impacto ambiental y por otra parte al surgimiento de otros
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7
materiales como los compósitos, que proporcionan mayor flexibilidad a los diseños
en comparación con los tableros aglomerados que principalmente permiten
obtener formas terminadas geométricamente rectas. Por tanto, este tipo de
producción debe concebirse para satisfacer la demanda interna de los países en
desarrollo, lo cual enmarca básicamente este producto en una estrategia parcial
de sustitución de importaciones.
Finalmente, puede expresarse que, en el largo plazo, las tendencias constructivas
(grandes edificaciones) y la necesidad de ampliar el consumo de materiales
ecológicamente renovables, pueden potenciar un redespliegue de esta industria o
afines, por lo cual debe formar parte, discrecionalmente, de una política de
desarrollo industrial (Mesa 1997).
1.1 BAGAZO DE CAÑA DE AZUCAR
El bagazo es el residuo ligno-celulósico fibroso remanente de la caña de azúcar,
se obtiene a la salida del último molino del tándem azucarero; está constituido por
un conjunto heterogéneo de partículas que oscilan entre 1 y 25 mm y presentan
una fracción promedio aproximada de 20 mm (Luz and Gonçalves 2007).
Adicionalmente se puede comentar que por su procedencia es una material
abundante y de bajo costo, ya que puede representar hasta el 30% del total de la
caña de azúcar procesada después de la extracción de todo el jugo de las paredes
de la gramínea (Bilba and Arsene 2008).
En algunos ingenios azucareros existe la tendencia de elevar el nivel de la
preparación de caña como forma de extraer la mayor cantidad posible de azúcar.
Esta práctica puede ser también útil en aquellas industrias que usan bagazo si el
desfibrado es el proceso mecánico más empleado que el corte de la fibra.
(Gálvez-Rodríguez 2000).
Su granulometría depende en gran medida de cómo ha sido procesada la caña de
azúcar. También se debe considerar la incidencia del grado de desgaste de los
equipos del tándem durante el período de la zafra. Mientras mayor sea el grado de
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preparación de la caña, mayor será el contenido de finos, como resultado de una
mayor desintegración de fibras (ICIDCA 2000).
Otros aspectos de los cuales dependen las características físicas del bagazo, las
cuales sean menos importantes como son: variedad de la caña, duración del
periodo de la zafra, método de recolección empleado y algunos factores
climatológicos, todo esto puede influir que el bagazo sea un material no
homogéneo (Aguilar–Rivera 2011).
El bagazo tiene la estructura más apropiada para diferentes usos, el más
tradicional es la producción de vapor a través de combustión, en las calderas del
ingenio azucarero. A partir de 1.0 ton de caña de azúcar se generan alrededor de
280 kg de bagazo de caña de azúcar (Triana, Leonard et al. 1990). La Figura 1
muestra una muestra de fibra de bagazo de caña de azúcar.
Figura 1 Muestra de bagazo de caña de azúcar
Para que una materia pueda considerarse adecuada para varias producciones
debe satisfacer requisitos morfológicos y químicos adecuados. El bagazo, además
de satisfacer dichos requisitos, se encuentra disponible en grandes cantidades y el
hecho de que exista una amplia experiencia en sus aspectos de manipulación,
transportación y almacenamiento, lo hace particularmente atractivo comparado
con algunas fuentes de materia prima ligno-celulósica.
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El bagazo integral está compuesto de tres componentes principales:
El recubrimiento, en donde se encuentra la epidermis, la corteza y el
periciclo.
Los mazos de fibra vascular, entre los que figuran las células conductoras
de pared delgada asociadas con fibras de pared relativamente delgada con
estrecho lumen.
El tejido básico (parénquima) o médula, con mazos de fibra distribuidos
irregularmente.
1.1.1 Composición física
Se designa fibra a todos los sólidos orgánicos insolubles en agua, que se
encuentran en el tallo de la caña de azúcar los cuales se caracterizan por su
heterogeneidad. Esta parte del bagazo es la aportadora de los elementos
estructurales los cuales son adecuados para usos tales como la fabricación de
celulosa y papel, tableros aglomerados, celulosa, productos moldeados, etc.
La fracción de los sólidos no solubles, está compuesta por tierra, piedras y otras
materias extrañas; esta fracción es muy pequeña pero tiene una enorme
participación en la composición del bagazo, esta es influida por la manipulación
agrícola desde el tipo de corte y recolección de la caña.
Los sólidos solubles abarcan la materia soluble en agua, como es la sacarosa,
almidones, pectinas, ácidos grasos, entre otros; cuya extracción resulta poco
económicamente viable durante el proceso azucarero. El agua presente en el
bagazo es retenida por mecanismos como son la absorción y capilaridad (Han and
Catalano 1983).
El porcentaje de contenido correspondiente a la cada fracción, se presenta a
continuación en la Tabla 1, donde se ve como el bagazo es un material rico en
fibras con mucho contenido de humedad.
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Tabla 1. Composición física del bagazo
Fracción %
Fibra o bagazo 45 Sólidos no solubles 2-3
Sólidos solubles 2-3 Humedad 50
1.1.2 Composición química.
Un material de suma importancia en las paredes celulares de la planta, es el
material ligno-celulósico, el cual está formado por celulosas y hemicelulosas
enlazadas mediante la lignina, un polímero aromático altamente oxigenado, con un
esqueleto de fenilpropano que se repite.
Por definición, la fibra de bagazo es un componente que es insoluble en agua,
está integrado por celulosa, pentosanos y lignina. La celulosa es un polisacárido
cuya fórmula general es (C6H10O5)n; y es el principal constituyente del tejido
vegetal; es muy rara encontrarla en la naturaleza en su estado puro ya que, por lo
general, se encuentra mezclada con lignina, pentosanos, goma, grasas, materiales
con aplicaciones en colorantes, etc. La fracción de celulosa pura de todos los
tejidos vegetales es básicamente la misma sustancia química que contiene
cadenas poliméricas de glucosa.
En general la fibra de bagazo está compuesta principalmente por los polímeros de
celulosa, hemicelulosa y lignina, y en pequeñas cantidades de otros compuestos
clasificados como componentes extraños (Xu, Wu et al. 2010). En la Figura 2 se
presentan los porcentajes que corresponden a cada uno de estos polímeros
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Figura 2. Composición Química de la fibra de bagazo de Caña de Azúcar.
Mientras que, en la Tabla 2 se muestran los porcentajes de fibra, médula, finos,
solubles y tierra determinados aplicando el Método DP-1. Este método se
desarrolló por el ICIDCA (ICIDCA 1986) y ha sido aplicado en varios ingenios
azucareros para determinar que los parámetros del bagazo a la salida del tándem:
Tabla 2. Contenido de las fracciones de bagazo a la salida del tándem
Fracción Rango, %
Fibra 55-60
Médula 30-35
Finos, tierra, solubles 10-15
1.1.2.1 Celulosa
Es el componente más simple encontrado en el material lignocelulósico de las
plantas es el polímero más abundante en la biosfera. Está compuesto por un
polímero de residuos de α-D-glucosa unidos a enlaces β en los carbonos 1 y 4 de
cada monosacárido, la Figura 3 muestra la imagen de una molécula de celulosa
formada por tres de D-glucosa. Las diferencias en las propiedades de la celulosa
se deben principalmente a los diferentes grados de polimerización, se supone que
la celulosa de bagazo posee una cadena polimérica de 1000 a 2000 unidades.
Composición química
Celulosa
50%
Hemicelulosa
25%
Lignina
25%
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Figura 3. Estructura química de la celulosa
De acuerdo con su grado de solubilidad en sosa cáustica, la celulosa se clasifica
como:
α – celulosa: la cual es insoluble en una solución de sosa cáustica a 17.5%, a
temperatura ambiente.
ß - celulosa: es insoluble en una solución de sosa cáustica al 17.5%, pero, a su
vez, resulta fácilmente precipitada cuando la solución es acidificada.
γ- celulosa: es soluble en una solución de sosa cáustica al 17.5% y no precipita
mediante la acidificación de ésta, precipitándose cuando se adiciona alcohol.
En estos casos, solo la α – celulosa es considerada como la forma pura de la
celulosa, mientras que la porción soluble en sosa cáustica fría a 17.5% es llamada
hemicelulosa. Esta última difiere de la celulosa en que en su composición el
contenido de unidades de pentosas es mayor que el contenido de unidades de
glucosa y, a su vez, las primeras se encuentran menos polimerizadas.
Respecto a su funcionalidad, la celulosa es una molécula que brinda estructura y
soporte a la planta. Las cadenas de glucosa están arregladas de una manera tal
que permite que se empaquen juntas formando un cristal impermeable al agua;
consecuentemente el polímero celulosa es insoluble y resistente a la hidrólisis
(Casey and James 1990).
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1.1.2.2 Hemicelulosa.
El nombre de hemicelulosa lo sugirió originalmente Schulze en 1891, para
designar a los polisacáridos extraíbles de las plantas, mediante álcali acuoso. La
hemicelulosa es un heteropolisacárido insoluble en agua y se hidroliza más
fácilmente en ácidos, también se encuentra asociada a la celulosa en paredes de
células vegetales. Estructuralmente, la hemicelulosa difiere de la celulosa en que
son ramificadas y tienen un peso molecular mucho más bajo. Las hemicelulosas
que se encuentran en el tallo o tejido de apoyo de las plantas leñosas son
fundamentalmente xilanas modificadas, galactoglucomannanas, glucomannanas, y
arabinogalactanas; todos estos polisacáridos se obtienen de un número
relativamente limitado de residuos de azúcar; los principales son D-xilosa, D-
mannosa, D-glucosa, D-galactosa, L-aribinosa y ácido D-glucurónico-4-O-metílico
y se pueden encontrar unidos en diferentes configuraciones (Fengel and Wegener
1984). Debido a su más variada composición es amorfa y presenta más
variaciones en sus cadenas en comparación con la celulosa, la Figura 4 muestra
una cadena de hemicelulosa 4-O-Metil-D-glucurono-D-xilano, que es una de las
configuraciones que puede tener este polisacárido.
Figura 4. 4-O-Metil-D-glucurono-D-xilano, una de las cadenas poliméricas que puede formar la hemicelulosa
1.1.2.3 Lignina
La lignina es esencialmente única de las plantas vasculares, que son las que
crean tejidos que se especializan en funciones tales como el transporte de las
soluciones acuosas y el apoyo mecánico que es el papel más importante ya que
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suministra a la planta sus propiedades únicas elásticas y de resistencia. Las
plantas primitivas, que no tienen tejidos celulares diferenciados tales como algas y
musgos, no contienen lignina, por tal razón sus aglomeraciones celulares no
requieren el uso de las características de protección que brinda la lignina(Fengel
and Wegener 1984).
Además de las funciones reconocidas de la lignina como sellador y agente de
refuerzo estructura la lignina también se reconoce su mecanismo en la eliminación
de los desperdicios metabólicos y posee propiedades aglutinantes que conforman
la consistencia fibrosa de las maderas, donde realizan la función mecánica de
sostén.
Su composición depende de muchos factores, entre ellos, el método utilizado para
aislarlas, la especie que se estudie, condiciones ambientales en que se ha
desarrollado, etc. (Grellmann 1989). Su composición aunque variable se muestra a
continuación en la Tabla 3.
Tabla 3. Composición elemental de la lignina
Componente % en Peso
Carbono 61.0-65% Hidrógeno 5.0-6.2% Oxígeno 34.0-38.8%
La separación de la lignina conlleva una degradación de su estructura por lo que
resulta difícil obtener una lignina idéntica a la que se encuentra en las plantas; sin
embargo, una separación cuidadosa de la lignina puede ser representativa de la
lignina total.
1.1.3 Composición morfológica
Los sólidos particulados presentes en el bagazo de caña de azúcar están
formados por dos tipos de estructuras bien diferenciadas: las fibras y la medula o
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meollo. Las fibras están formadas por células cilíndricas y tejidos vasculares de
paredes duras, las cuales se encuentran en la corteza y en la parte interior. Por su
parte, el meollo está formado por células parenquimatosas de forma irregular y de
paredes y vasos celulares finos con poca fuerza estructural, que se encuentran en
la zona central de la caña y son de carácter esponjoso pudiendo absorber hasta
20 veces su propio peso en agua. El parénquima es un tejido vegetal que
prevalece en la mayoría de los órganos vegetales, llenando espacios libres que
dejan otros órganos y tejidos. Este tejido se distingue por su anisotropía y sus
variadas e irregulares formas, la fina pared celular de esta célula permite un lumen
mayor, y con ello cumple adecuadamente con sus funciones de almacenamiento y
reserva de la planta (Sanjuán, Anzaldo et al. 2011). En la Figura 5 se muestra una
foto de microscopio de bagazo de caña de azúcar obtenida del libro El Atlas del
Bagazo(Triana, Leonard et al. 1990) donde se ve las diferencias entre médula y
fibras-.
Figura 5. Bagazo integral (M.O. 425x). Imagen que muestra las células parenquimatosas (1) y las fibras del bagazo de la caña de azúcar (2).
La parte fibrosa es muy apropiada para la obtención de pulpa para la fabricación
de papel y la producción de elementos aglomerados en forma de tableros, sin
embargo suele venir acompañada de una parte de la médula que es preciso
separar en equipos conocidos como desmeduladores. Los sólidos particulados
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también están acompañados de algunas cantidades de elementos finos y otros
elementos extraños o suciedades que acompañan a la caña durante la cosecha y
el transporte a la industria. Las proporciones de estos componentes son: fibra: 60 -
65%; medula: 25 - 28 %; finos y suciedades: 5 - 7%. La distribución granulométrica
del bagazo integral es muy variada, desde un fino polvo hasta partículas
irregulares de gran tamaño han sido reportados (ICIDCA 1982), hasta un 8 % de
partículas grandes retenidas e la malla No. 1, y de 10 a 25 % de partículas
pequeñas pasando por la malla No. 16. Como se puede apreciar el bagazo no
constituye un material homogéneo y su peso volumétrico o densidad aparente es
muy bajo, reportándose valores entre 50 kg/m3 hasta 96 kg/m3 en base seca y
condiciones naturales, es decir, sin ningún grado de compactación.
En la Tabla 4 se muestra la composición morfológica del bagazo limpio de caña de
azúcar, la medula se observa separada en los componentes de las células
parenquimatosas.
Tabla 4. Composición morfológica del bagazo de caña
Componentes % en peso
Fibras 60-65 Parénquima 17-25
Vasos 5-10 Epidermis 5.10 Suciedad 3-5
1.1.4 Importancia de la operación de desmedulado en el bagazo
Al agrupar las fibras de la corteza y las fibras cortas del interior del tallo en una
sola fracción denominada fibra o fibra útil, también queda una segunda fracción
formada por la médula y una tercera que une a los finos, tierra y solubles. A la
suma de las dos últimas fracciones se le conoce como médula o “meollo”. El
contenido de fibra de bagazo integral es alrededor del 60% y la médula en el
orden del 30%, y el 10% restante corresponde a haces fibrovasculares y células
epidérmicas.
El desmedulado de bagazo consiste en enriquecer la fracción fibrosa extrayendo
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una corriente rica en médula. Es de gran importancia la operación de
desmedulado en el bagazo, por la presencia de cantidades notables del tejido
parenquimatoso central (médula). Su presencia entorpece el aprovechamiento de
este a escala industrial.(ICIDCA 1986)
La presencia de médula en algunas tecnologías, no es recomendable por diversas
razones como lo son:
Falta de uniformidad en la digestión a causa de heterogéneo tamaño de partículas.
1. Elevada capacidad de absorción en comparación con una fibra limpia,
debido a su gran área superficial y alto nivel de higroscopicidad.
2. Contenido alto de cenizas, suciedades, azúcares y tierra coloidal en la
médula.
3. Por su capacidad de absorción favorece a un ataque intenso de los agentes
químicos y por lo tanto un incremento en su consumo.
1.1.4.1 Métodos de desmedulado
El objetivo principal del desmedulado es eliminar parcialmente la médula y así
incrementar el por ciento de contenido de la fibra útil del bagazo que se suministra
a la industria de derivados.
El bagazo que sale del último molino del tándem, llamado bagazo integral,
contiene 55-60% de fibra útil en base seca. La otra fracción rica en médula o tejido
parenquimatoso, se encuentra en el orden de 40-45. (ICIDCA 2000)
De acuerdo con la humedad del bagazo integral el desmedulado se clasifica en
tres tipos:
Desmedulado en seco. En este proceso de desmedulado se realiza la separación
de la medula cuando el bagazo tiene una humedad entre 8 y 25%. Se aplica un
secado artificial.
Desmedulado en húmedo. Se efectúa la separación de la médula a la salida del
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bagazo del tándem azucarero, entre 48 y 52% de humedad.
Desmedulado mojado. También es llamado desmedulado en suspensión, se
realiza con el bagazo mezclado con agua a una consistencia entre 2.0 y 3.0 % o
entre 6 y 12%. En este proceso de desmedulado se lleva un efecto de lavado para
extraer la mayor parte de componentes no fibrosos.
Si se tiene en cuenta que existe la posibilidad de desmedular en la misma fábrica
azucarera donde se produce el bagazo, se debe de tener en cuenta diferentes
factores como son el tipo y calidad de los productos que hay que elaborar como
pueden ser papel, cartón, tableros de fibra o partículas, también el tipo de
almacenamiento que debe de existir en la fábrica y la disponibilidad de los
efluentes cuando así existan como, por ejemplo en el caso de las fábricas de
pulpa y papel.
Debido a los objetivos planteados en esta investigación se describirán las
características del aglutinante utilizado durante la producción de los paneles
prefabricados.
1.2 CEMENTO PORTLAND
El cemento Portland es un conglomerante o cemento hidráulico que cuando se
mezcla con áridos, agua y fibras de acero discontinuas y discretas tiene la
propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada
hormigón. Es el más usual en la construcción y es utilizado como aglomerante
para la preparación del hormigón (llamado concreto en Hispanoamérica). Como
cemento hidráulico tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de
agua, al reaccionar químicamente con ella para formar un material de buenas
propiedades aglutinantes.
Fue sintetizado en 1824 en Inglaterra por el constructor Joseph Aspdin. El nombre
se debe a la semejanza en aspecto con las rocas que se encuentran en la isla de
Portland, en el condado de Dorset. A diferencia de lo que muchos creen, su origen
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no está relacionado con Portland, Oregón, EE. UU (Blezard and Hewlett 2004).
En el 2004, los principales productores mundiales de cemento de Portland fueron
Lafarge en Francia, Holcim en Suiza y Cemex en México. La composición
estándar de un cemento Portland se muestra en la Tabla 5: a continuación, esta
constitución se encuentra establecida por en la norma C 150 02 Standard
Specification for Portland Cement (ASTM 2002).
Tabla 5. Composición estándar del cemento Pórtland
Componente % Masa
Óxido de calcio ≈ 64
Óxido de silicio ≈ 21
Óxido de aluminio ≈ 5.5
Óxidos de hierro ≈ 4.5
Óxido de magnesio ≈ 2.4
Sulfatos ≈ 1.6
otros materiales < 1
Cuando el cemento Portland se mezcla con agua se obtiene un producto de
características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas
horas y endurece progresivamente durante un período de varias semanas hasta
adquirir su resistencia característica. El endurecimiento inicial es producido por la
reacción del agua, yeso y aluminato tricálcico, formando una estructura cristalina
de calcio-aluminio-hidrato, estringita y monosulfato.
Las reacciones de hidratación, que forman el proceso de fraguado se presentan a
continuación en las ecuaciones 1-5:
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6CaOSiO2 + (x+3) H2O → 3CaO2SiO2·xH2O + 3Ca(OH)2 …………………………..(1)
4CaOSiO2 + (x+1) H2O → 3CaO2SiO2·xH2O + Ca(OH)2 ……………………………(2)
6CaOAl2O3 + (x+8) H2O → 4CaOAl2O3·xH2O + 2CaOAl2O3·8H2O ……………...(3)
3CaOAl2O3 + 12 H2O+ Ca(OH)2 → 4CaOAl2O3·13H2O …………………………………(4)
4CaOAl2O3Fe2O3 + 7 H2O → 3CaOAl2O3·6H2O + CaOFe2O·3H2O …………………(5)
Estas reacciones son todas exotérmicas. La más exotérmica es la hidratación de
CaOAl2O3, seguida de la de CaOSiO2, y luego CaOAl2O3Fe2O3 y finalmente
CaOSiO2 (Meade 1990).
El sucesivo endurecimiento y el desarrollo de fuerzas internas de tensión derivan
de la reacción más lenta del agua con el silicato tricálcico formando una estructura
amorfa llamada calcio-silicato-hidrato. En ambos casos, las estructuras que se
forman envuelven y fijan los granos de los materiales presentes en la mezcla. Una
última reacción exotérmica produce el gel de sílice (SiO2).
Con el agregado de materiales particulares al cemento (carbonato de calcio
(calcáreo) o cal) se obtiene el cemento plástico, que fragua más rápidamente y es
más fácilmente trabajable. Este material es usado en particular para el
revestimiento externo de edificios (Gomà 1979).
1.3 PANELES PREFABRICADOS
El panel es un elemento prefabricado que se utiliza para construir divisiones
verticales en el interior o exterior de las viviendas y otras edificaciones. Debe ser
manejable como una sola pieza y sus dimensiones deben ser mucho mayores que
su espesor.
Los paneles que se emplearon en nuestro estudio son paneles no portantes ya
que están destinados a resistir solamente su propio peso y las sobrecargas
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ocasionales; además son paneles simétricos. (Hérnandez-Olivares F. 2004). La
Figura 6 muestra un ejemplo de como son los paneles prefabricados comerciales
fabricados con maderas y cemento.
Figura 6. Paneles prefabricados de madera de pino y cemento, producidos por la empresa VIROC en Portugal.
1.3.1 Clasificación general de los paneles
Según su tipo. De acuerdo con su forma de fabricación, los paneles
prefabricados se clasifican en:
Tipo I: entramados con vacíos, con revestimiento en láminas.
Tipo II: entramados rellenos, con revestimiento en láminas
Tipo III: monolíticos revestidos por una o ambas caras.
Tipo IV: monolíticos sin revestimiento.
Tipo V: mixtos, con o sin revestimiento.
Según su clase. De acuerdo con el material predominante en su estructura, los
paneles se clasifican en:
Clase A. Hormigón.
Clase B. Cerámica.
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22
Clase C. Madera.
Clase D. Acero.
Clase E. Aluminio.
Clase F. Plástico
Clase G. Lámina de yeso.
Clase H. Fibrocemento.
Clase I. Láminas a base de madera.
Clase J. Mixtos.
1.3.2 Clasificación de los paneles a base de fibra de maderas y
partículas
Paneles de fibra fina. Son fabricados a base de fibras finas de madera u otro
material lignocelulósico, refinadas o parcialmente refinadas. Se caracterizan por
tener una unión integral producids por el entrelazado que existe entre las fibras y
en el caso de ciertas densidades y condiciones de manufactura por unión
lignocelulósica, a la cual se puede agregar otros materiales para mejorar sus
características.
Paneles de densidad media (MDF). Es un panel compuesto principalmente por
fibras celulósicas en la que la fuerza principal de integración o unión física es
provista por la adición de un agregado de unión curado con calor y presión,
aditivos que pueden ser agregados durante el proceso de manufactura para
mejorar propiedades.
Paneles de partículas. Es un término general usado para designar un panel
formado principalmente por materiales lignocelulósicos, generalmente en forma de
piezas discretas o partículas, en lugar de fibra, enlazado con un aglutinante y
puede contener aditivos.
Paneles madera-cemento. Es un panel donde la madera generalmente en forma
de excelsio o fibra fina es aglutinada con algún cemento inorgánico. (ASTM 2001)
En este trabajo, se enfoca el reforzamiento y reducción de peso de los paneles
reconstruidos con una clasificación de madera-cemento, clase J y tipo V.
23
2 CAPÍTULO 2
ESTADO DEL ARTE
.
.
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24
Tradicionalmente, el bagazo se ha utilizado como combustible para calderas en
las fábricas de azúcar y en cantidades más pequeñas para la producción de papel
y cartón. Sin embargo, el uso de bagazo de caña de azúcar como un refuerzo y
relleno de diferentes tipos de compósitos es una aplicación más eficaz y atractiva
(Youssef, Ismail et al. 2009), lo cual proporciona un valor agregado a los residuos
agrícolas. El alto contenido de celulosa de bagazo ha mostrado un potencial
importante en aplicaciones industriales. En este sentido, el bagazo de caña de
azúcar tiene una resistencia a la tracción (170 a 290 MPa) y un módulo de
elasticidad (15-19 GPa) resultado ideal para su utilización como refuerzo en
materiales compuestos (Wirawan, Sapuan et al. 2011).
Las ventajas de incorporar fibra natural como refuerzo en materiales compuestos
de cemento están relacionadas con sus propiedades mecánicas y térmicas y de
bajo costo. Las ventajas de los compuestos cemento/fibras naturales es que son
respetuosos del medio ambiente y pueden reducir el consumo de electricidad
utilizada en aire acondicionado. Mientras que, el inconveniente de esta aplicación
es que la lignina en la fibra natural es atacada por la alcalinidad del cemento,
resultando en su degradación y reduciendo el rendimiento de refuerzo que las
fibras aportan al compuesto. En este sentido, hay diferentes maneras de mejorar
el envejecimiento de los materiales compuestos de cemento de fibras naturales,
tales como el uso de puzolanas para reducir la alcalinidad de la matriz, la
carbonatación de la matriz o el tratamiento de las fibras (Onésippe, Passe-Coutrin
et al. 2010) (Bilba, Arsene et al. 2003).
Algunas investigaciones han mostrado importantes cambios en la conductividad
térmica dependiendo del contenido de fibra adicionada en el aglutinante. Por
ejemplo, Onésippe et al. 2010 demostró que la adición de 1,5% en peso fibras al
cemento con un tratamiento alcalino da como resultado una disminución en la
conductividad térmica de 0,62 W / mK a 0,46 W / mK mientras que este valor no
se ve disminuido con una adición del 3% en peso. Otra conclusión importante es
que observó que la adición de fibra de bagazo al cemento provoca un fraguado
retardado de la mezcla de cemento que es probablemente debido a la presencia
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de algunos azúcares solubles en agua. Otro estudio sin embargo, resalta el
incremento en las propiedades de materiales de construcción mediante la adición
de 1% en peso de bagazo la cual fue previamente tratada térmicamente a 200 ° C.
Como resultado de este estudio se indica una reducción de la temperatura máxima
de hidratación de 39,3 ° C a ~ 30 ° C (Bilba, Arsene et al. 2003).
Es importante mencionar que el bagazo de caña de azúcar así como toda la
biomasa vegetal en general contiene: hemicelulosas, almidón, azúcares, taninos,
lignina, cada uno a un grado variable, dependiendo del tipo de bagazo y afectan a
la velocidad de curado y resistencia a la rotura de compósitos finales. Por esta
razón, cuando se utilizan en la fabricación de materiales compuestos resistentes y
duraderos, se deben tomar medidas para garantizar la estabilidad a largo plazo de
la matriz cemento-lignocelulósica. Para reducir estos problemas, se han
desarrollado varios esquemas; siendo el más común la lixiviación. En este
proceso, el material lignocelulósico se remoja en agua durante 1 o 2 días para
extraer algunos de los componentes perjudiciales.(USDA 2010).
La clave para obtener propiedades mecánicas fuertes para compósitos es buena
compatibilidad entre la fibra natural y la matriz. Una compatibilidad pobre entre
fibras hidrofílicas y la matriz conduce a interfaces débiles y pobres propiedades
mecánicas. El principal problema es que las fibras hidrófilas tienden a aglomerarse
y no dispersar bien en la matriz. Además, el alto contenido de lignina de bagazo
(alrededor de 20% en promedio) reduce la eficiencia de humectabilidad entre la
fibra y la matriz. El tratamiento de la superficie de la fibra puede reducir el
contenido de lignina y mejorar sus propiedades (Acharya, Mishra et al. 2008).
Diferentes técnicas de tratamiento se han utilizado para mejorar la adhesión y la
compatibilidad entre las fibras y la matriz con el fin de mejorar las propiedades
mecánicas.
Algunos métodos físicos relacionados con el tratamiento de fibra incluyen
tratamiento de activación mecánica, las técnicas de procesamiento y variando el
tamaño de las fibras de bagazo. La activación mecánica (MA) utiliza la alta
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fricción, colisión, cizallamiento y otras acciones mecánicas para cambiar la
estructura y las propiedades de los sólidos cristalinos. Se lleva a cabo
normalmente en la molienda de alta energía en la reducción de tamaño (aumento
en el área de la superficie) por la distorsión de los enlaces químicos como la
fuerza imponente es mayor que la energía de enlace químico. En comparación
con otros métodos, es un método sencillo y respetuoso del medio ambiente ya que
no utiliza ningún disolvente químico (Huang, Wang et al. 2012). Huang estudio el
efecto del tiempo de molienda en partículas de bagazo de caña de azúcar
retenidas en mallas de número nominal 40 a 60 (0,25 a 0,38 mm) en base a la
norma ASTM. Durante este proceso, se utilizaron bolas de 6 mm de diámetro a
una temperatura de 50 ° C y diferentes tiempos de molienda. Los autores
observaron que el aumento del tiempo de molienda da como resultado un
aumento en resistencia a la flexión, resistencia a la tracción y la dureza Brinell de
compósitos de 40% en peso de bagazo (Huang et al. 2012). En consecuencia, los
autores concluyen que la activación mecánica seguida de la modificación de la
superficie puede ser más eficaz que la modificación de superficie por sí misma.
Es importante mencionar que los grupos hidroxilo disponibles en la superficie de la
celulosa son el principal medio por el cual las fibras y el cemento se adhieren entre
sí (Coutts and Kightly 1994). La razón principal de que las fibras sin refinar no se
unen bien al cemento es debido a la rigidez que le impide hacer contacto interno
sobre un área extendida entre la fibra y las partículas rígidas. La refinación
mecánica suaviza la fibra permitiendo que se envuelven alrededor del cemento y
otros minerales y hacer contacto interno de unión y de este modo uniéndolos
(Coutts and Kightly 1997), sin embargo un fuerte en el enlace entre fibra/matriz
demasiado dará lugar al compuesto haga en demasiado frágil y susceptible de
movimiento de la fisuración (Coutts 2004).
Los procesos de pre tratamiento alcalino utilizan temperaturas y presiones más
bajas en comparación con otras tecnologías de pretratamientos de biomasa
vegetal. Pueden ser llevarse a cabo en condiciones ambientales, pero el tiempo de
tratamiento previo se mide en términos de horas o días en lugar de minutos o
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27
segundos. La cal Hidratada (Ca(OH)2) se ha utilizado para tratar previamente la
paja del trigo (Chang 1998), madera de álamo (Chang 2001), el pasto varilla
(Chang 1997), así como más tipos de materiales lignocelulósicos. De igual
manera, se ha determinado que la adición de aire / oxígeno a la mezcla de
reacción mejora en gran medida la deslignificación de la biomasa, especialmente
materiales altamente lignificadas como el álamo. Un pretratamiento de Ca(OH)2 en
madera de álamo eliminó el 77,5% de la lignina de las virutas de madera en
comparación con la madera no tratada(Chang 2001). El hidróxido de calcio es
importante también para la extracción de azúcar a partir de caña de azúcar o la
remolacha. La sustancia eleva el pH del jugo en bruto y soluciones agua-sacarosa,
reaccionando con las impurezas para formar compuestos orgánicos de calcio
insolubles que se pueden ser eliminados posteriormente con un lavado (Östman
2007) por lo tanto funciona como un tratamiento extra para extraer remanentes de
sacarosa en la fibra.
También existen tratamientos para dar a las fibras propiedades pozulánicos, los
puzolanos se definen como materiales silíceos o silíceos y aluminosos que pueden
reaccionar químicamente con el hidróxido de calcio (cal apagada) a temperaturas
normales en la presencia de agua para formar compuestos de cemento. Algunos
materiales puzolánicos comunes incluyen cenizas volcánicas, cenizas volantes,
ceniza de cáscara de arroz, y el humo de sílice condensada. Todos estos
materiales pueden reaccionar con la cal a temperaturas normales para hacer un
cemento resistente al agua natural (USDA 2010). En general, cuando puzolanas
se mezclan con cemento Portland, aumentan la resistencia del cemento, pero
ralentizan el tiempo de curado. Más importante aún, puzolanas disminuyen la
alcalinidad del producto. El estudio del silicato de sodio en el tratamiento
superficial de la fibra actuando como una sustancia bloqueadora, reaccionando
con ciertos componentes de la fibra y formando sustancias muy difíciles de
disolver posteriormente en el medio alcalino (Lewin and Pearce 1998) pero la
parte silícea del bagazo tratado participa reactivamente durante la hidratación del
cemento ya que tiene un comportamiento puzolano.
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28
Existen estudios de una amplia gama de fibras naturales (madera, bambú,
plátano, lino, etc.), preparados por diferentes métodos de fabricación (química,
mecánica y varias combinaciones) en diversos sistemas de matriz (cementos,
morteros, etc.) Algunos de estos estudios representativos de estos estudios se
muestran en la Tabla 6 a continuación.
De acuerdo con el estado del arte y tomando en cuenta las propiedades del
bagazo así como el impacto ambiental causado cuando es utilizado como
combustible y/o los residuos generados durante el procesamiento de caña; en este
trabajo se realizó una propuesta de utilización de esta bagazo para el
reforzamiento de paneles no estructurales, reduciendo el peso, material
aglutinante e impacto al medio ambiente. Para ello se analizó el efecto de los
tratamientos químicos, al tiempo que se optimizó la dosificación de mezcla.
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29
Tabla 6. Algunos sistemas de fibras naturales/cemento ya estudiados.
Fibra
Tipo de
pretratamientoa
Refinado no
refinado Matriz Curado Referencia
Pinus radiata
(madera blanda)
Químico-
termomecánico
Ambos - Cemento
- Mortero
- Al aire libre
-En Autoclave
(R.S.P. Coutts and Ridikas 2009)
(Campbell and Coutts 2000)
(Coutts 2004)
Eucalyptus regnans,
E. grandis, E.
saligna, E. pellita
(maderas duras)
Químico-
termomecánico
Ambos - Cemento
- Matriz de
escoria de
horno de tierra
- Al aire libre
-En Autoclave
(Coutts 2007)
(Savastano, Warden et al. 2000)
(Eusebio, Cabangon et al. 2008)
Acacia mangium Químico-
termomecánico
No Refinado - Cemento
- Mortero
- Al aire libre
-En Autoclave
(Eusebio, Cabangon et al. 2008)
Residuos de papel
usado
- Mecánico No Refinado Mortero - En Autoclave (Coutts 1999)
Phormium (Lino de
Nueva Zelanda).
- Mecánico
- Químicó
Ambos Mortero - Al aire libre (Coutts 2003)
Abacá (Musa
textiles).
- Mecánico
- Químico
Refinado - Cemento - Al aire libre (Coutts and Warden 2007)
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30
Fibra
Tipo de
pretratamientoa
Refinado no
refinado Matriz Curado Referencia
Palma de plátano - Mecánico
- Químico
No Refinado - Cemento - Al aire libre (Coutts 2000)
(Zhu, Tobias et al. 2004)
Agave sisalana - Mecánico
- Químico
No Refinado - Cemento
- Matriz de
escoria de
horno de tierra
- Al aire libre (Morrissey, Coutts et al. 2005)
(Coutts and Warden 2002)
Bambú - Mecánico
- Químico
Refinado - Cemento
- Mortero
- Al aire libre
- En Autoclave
(Coutts and Ni 2004)
(Coutts and Ni 2005)
31
3 CAPÍTULO 3
METODOLOGÍA Y
DESARROLLO
EXPERIMENTAL
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32
METODOLOGÍA Y DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.1 MATERIALES
El material utilizado como principal componente de los paneles es fibra de bagazo
de caña de azúcar, que se obtuvo directamente del ingenio de Pantaleón en
Pánuco, Veracruz. El bagazo utilizado para el proyecto corresponde a la zafra
2013 y fue proporcionado por la empresa Pantaleón directamente hasta el
CICATA-IPN Unidad Altamira. Este bagazo contenía un alto grado de humedad
(45-50%) por lo que procedió a secarse al sol al momento de ser recibido con el
objeto de poder almacenarlo, pues el agua presente y la cantidad de azucares
provocaría un crecimiento acelerado de microorganismos que degradarían con
rapidez la fibra. En la Figura 7 se observa el proceso de secado del bagazo,
extendiéndose sobre bolsas de plástico negras y removiéndolo cada hora para un
secado uniforme.
Figura 7. Bagazo en proceso de secado extendido al sol sobre bolsas negras.
También se utilizó cemento Portland, que es un cemento hidráulico ya que fragua
y se endurece al estar en contacto con el agua, este es producido por la
pulverización de escoria que consiste principalmente de silicatos de calcio
hidráulicos, que en comúnmente contiene uno o más sulfatos de calcio que se
añaden y se muelen en el proceso de producción.
El cemento utilizado para el proyecto se compró directamente a un proveedor de
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33
materiales para construcción, siendo el cemento de la marca “Monterrey” y esta
normado y clasificado por la NORMA MEXICANA NMX C-414-ONNCCE “Industria
de la Construcción Cementos Hidráulicos, Especificaciones y Métodos de
Prueba”.(ONNCCE 2009)
3.2 MÉTODOS
3.2.1 Desintegrado de material fibroso y clasificación de partículas y
desmedulado
Con la finalidad de tener un tamaño uniforme de fibra se procesó ésta en un
molino de cuchillas, que es ilustrado en la Figura 8, a una velocidad 300 rpm
utilizando una maya con apertura del ¼ de pulgada con un corto tiempo de
residencia de solo unos segundos. Este proceso también ayudó a separar de la
fibra la mayor cantidad posible de médula, debido al golpeteo constante de las
cuchillas, permitiendo que sea más fácilmente extraída por desmedulado en seco
en un proceso de cribado.
Figura 8. Molino utilizado en el proyecto
Posteriormente, se pasó por tres cribas rectangulares de 50 x 100 cm2 para
separar por tamaño y diámetro de partícula. Las cribas cuentan con un tamaño de
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34
luz decreciente que va desde 5 mm a 1 mm, separando el bagazo en tres
secciones, una grande, una mediana y una pequeña en la que se separó la mayor
cantidad posible médula, pues esta última no se desea como componente de los
paneles debido a que su naturaleza blanda no le proporciona ninguna
característica mecánica deseable al producto final. Las fibras en tres tamaños se
muestran en la Figura 9. Después de estos procesos es más factible almacenar el
bagazo sin temor a que se degrade.(Aguilar–Rivera 2011)
Figura 9. Bagazo de Caña Separado en tres tamaños de fibra diferentes (1) Fibra en malla grande (2) Fibra en malla mediana (3) fibra en malla pequeña, en su mayoría
médula.
De las fracciones separadas se tomó la de mayor tamaño y mediana y se procedió
a hacerle un cribado analítico con el objetivo de conocer como están distribuidos el
tamaño y diámetro de partícula en estas dos fracciones, esto también sirve para
que al momento de realizar las formulaciones para las probetas de los paneles
utilizar tamaños conocidos de partícula y poder relacionar cómo influye en las
propiedades finales del tablero. Las cribas utilizadas son compradas a la empresa
MATEX SA de CV con mallas No. 08, No. 14, No. 20, No.50, No. 100 y No.200 de
acuerdo al estándar (ASTM 2001); mismas que fueron colocadas en un Tyler
vibratorio del mismo proveedor que se muestra en la Figura 10 con las cribas ya
acomodadas.
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35
Figura 10. Equipo utilizado para el cribado analítico que consta del vibrador Tyler y cribas de diferentes medidas de malla.
3.2.2 Separación de Azúcar y extractos solubles en agua.
.Con el objeto de eliminar extractos nocivos para los paneles, la sacarosa residual
y los extractos solubles en agua fueron extraídos por inmersión en agua por
periodos de 24 horas, después de los cuales se secan al sol hasta alcanzar una
humedad relativa del 19-20%, después de este secado preliminar se almacenan
para posteriormente ser utilizado.
En Figura 11 se presentan los recipientes en donde se realizó el proceso de
lixiviación, el bagazo se encuentra sumergido en agua, donde se mantuvo durante
un tiempo de aproximadamente 24 horas para después ser enjuagado, secado y
almacenado de nuevo antes del siguiente tratamiento.
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36
Figura 11. Recipientes con agua y bagazo de caña de azúcar en inmersión, para el lavado de azúcar y solubles en agua.
3.2.3 Tratamiento con Hidróxido de Calcio o cal Hidratada
Este tratamiento es de tipo de impregnación de fibras que repelen el agua,
siendo el más considerado y aconsejado debido a que comercialmente sus
materiales son de fácil adquisición, se pueden manipular y trabajar sin
necesidad de altos mecanismos de operación, sin la necesidad de una mano
de obra especializada, y con bajos niveles de seguridad. Además, su
rendimiento es bastante rápido como tratamiento superficial y su
procedimiento de aplicación es económicamente factible.
Al diluirse la cal en el agua, esta tiene característica de sustancia alcalina,
ideal para la función buscada, es decir, que no presenta riesgo de daño al
material adhesivo, además de garantizar una buena adherencia con el
cemento, debido a que el cemento contiene un porcentaje considerable de
óxido de calcio, con una participación del 65 por ciento, que al reaccionar con
el agua de hidratación del cemento genera hidróxido de calcio, al ser el
Ca(OH)2 uno de los productos finales de las reacciones exotérmicas álcalis
hidrólisis del cemento, no existe participación reactiva en el proceso de
curado sino que solo se incorpora a este como un elemento más de cemento
hidráulico ya fraguado (USDA 2010).
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37
La solución de hidróxido de calcio de concentración 10 % con respecto al
peso del agua, se preparó con 3 ó 4 días de anticipación, la Figura 12 se
muestra esta solución del lado izquierdo. Luego de este tiempo se vierte la
fibra, vigilando que quede completamente sumergida por la emulsión,
agitando la solución cada 8 horas con el fin de lograr la penetración del
hidróxido de calcio en la fibra como se observa en el lado derecho de la
Figura 12. La mineralización se realizó a temperatura ambiente de 1 a 3 días.
Reposada la fibra, se realizó lavado con agua a temperatura ambiente, con el
fin de remover las impurezas presentes y la cal en exceso.
Figura 12. Solución de Hidróxido de Calcio antes (1) y después de agregar el bagazo de caña de azúcar (2)
3.2.4 Tratamiento para dar propiedades puzolanas a la fibra
Este tratamiento se llevó a cabo de manera sencilla agregado silicato de sodio.
Empleando una décima parte con respecto al peso del bagazo, y su tratamiento se
realizó minutos antes de agregar el cemento y el agua a la mezcla. Dicho
tratamiento se efectúo de una manera uniforme y homogénea. En la Figura 13 se
muestra del lado izquierdo fibra de bagazo de caña de azúcar antes agregar el
silicato de sodio, en la derecha el bagazo ya ha sido impregnado con el químico y
ha tomado un color amarillo marcado.
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38
Figura 13. Bagazo antes y después del tratamiento con Silicato de Sodio.
3.3 DISEÑO EXPERIMENTAL
3.3.1 Variables de estudio
Con el objetivo de elaborar probetas para su evaluación físico-mecánica se llevó a
cabo un diseño Experimental Factorial Multinivel, que permite relacionar las
variables entre sí y analizar el efecto que tiene las mismas en las variables de
respuesta, y de esta manera tener una idea de qué correcciones se harían en
caso de ser necesarias si el producto se lleva a producción.
3.3.2 Combinación de variables
Para la elaboración de los tableros se utilizaron las siguientes tres proporciones de
bagazo-cemento en % de peso: 20:80, 25:75 y 30:70. Igualmente, se utilizaron dos
tratamientos diferentes, realizando cuatro réplicas de cada unidad, la matriz
experimental se muestra a continuación en la Tabla 7.
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39
Tabla 7. Matriz Experimental del proyecto
Hidróxido de Calcio Acetato de Sodio
Bagazo Cemento Bagazo Cemento
% 20 80 20 80
% 25 75 25 75
% 30 70 30 80
3.4 ELABORACIÓN DE TABLEROS AGLUTINANTE INORGÁNICO-BAGAZO
3.4.1 Preparación de mezclas
Las mezclas se prepararon utilizando la proporción de bagazo dadas en la matriz
experimental más un 60% de agua para la hidratación del cemento de acuerdo al
peso total combinado del cemento y el bagazo para cada parte de la matriz
experimental. Se mezcló en un recipiente de plástico primero el cemento con el
agua hasta que se tiene una consistencia homogénea, después se agregó
lentamente el bagazo para evitar que se vayan formando grumos, se revuelve a
mano hasta que el cemento está bien integrado a la matriz de bagazo, para que
pueda proporcionar una buena adhesión de todos los componentes. En la Figura
14, se presenta un ejemplo de cómo quedan mezclados el bagazo y el cemento
antes de colocar el material en los moldes de formación y prensado.
Figura 14. Mezcla Bagazo-Cemento antes de formación de probetas
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40
3.4.2 Formación de las probetas
El tablero se forma en moldes hechos de acero negro y de medidas interiores de
1.2 cm x 5 cm x 29 cm, de acuerdo a lo métodos de prueba de la norma ASTM D
1037, estos moldes son mostrados en la Figura 15 conteniendo probetas en
proceso de fraguado. Se colocó manualmente la mezcla dentro del molde hasta
observar que no existiera ningún espacio libre, esto para lograr una densidad
deseada y uniforme en todos los tableros de prueba, ya que la densidad de estos
también podría afectar en las propiedades finales (ASTM 1999).
Figura 15. Mezcla dentro de los moldes
3.4.3 Prensado del tablero
La fase que complementa el proceso de formación de las probetas es el prensado,
para ello se utilizó una prensa hidráulica del proveedor Termoplastic S.A. de C.V.
con placas de 35 cm. x 35cm, mostrada en la Figura 16, estas se prensaron en
frío durante 22 horas mediante el siguiente procedimiento:
Se colocaron en la prensa las láminas con dos de las probetas elaboradas,
procurando su acomodo en el centro del plato de la prensa para lograr una presión
uniforme, a continuación se acciona el interruptor para ejercer la presión hasta
alcanzar hasta los 1100 PSI.
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41
Figura 16. Prensa utilizada durante el proceso de compresión
Transcurridas las 22 horas se suspendía la presión y las láminas fueron retiradas,
colocándolas en el área de trabajo en donde se iniciaba el proceso de curado y
fraguado. El prensado influye en algunas propiedades tecnológicas del producto,
como lo son la densidad del tablero, y la relación entre la resistencia a la flexión y
tensión perpendicular.
3.4.4 Curado y fraguado del tablero
Una vez ubicadas las probetas en el área de trabajo se inicia el proceso de curado
y fraguado, así pues consiste en depositarle manualmente pequeñas cantidades
de agua sobre las probetas para que no se reseque el concreto y aparezcan
grietas. En la Figura 17 se presentan varias probetas que se encuentras en este
proceso.
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42
Figura 17. Probetas durante el proceso de curado
El fraguado se va dando gradualmente desde el momento en que se está
realizando la mezcla para la elaboración de las muestras.
Las pruebas de laboratorio se realizaron a los 28 días cuando el concreto alcanza
su máxima resistencia, y así lograr resultados satisfactorios para la investigación
realizada.
3.4.5 Caracterización de las probetas
Después de transcurrido el tiempo de curado de 28 días se caracterizaron para
conocer su densidad, se midieron sus dimensiones y se pesaron en una balanza
analítica Ohaus® Explorer modelo E1B120 con una capacidad máxima de 2100g,
como se muestra en la Figura 18, para calcular de esta manera sus densidades y
después hacer un promedio de ellas.
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43
Figura 18. Pesado analítico de probetas
3.4.6 Microscopio óptico
Con el fin de observar mejor la unión entre el bagazo y el cemento que forman la
matriz, se tomaron imágenes de las probetas usando un microscopio óptico
OLYMPUS BX51, utilizándose aumentos de 5x y 10x En la Figura 19 se muestra el
equipo utilizado para este fin.
Figura 19. Microscopio óptico utilizado para tomar
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44
3.5 ENSAYOS DE PRUEBAS FÍSICO-MECÁNICAS
El fraguado fue teniendo lugar gradualmente desde el momento en que se estaba
realizando la mezcla para la elaboración de las muestras. Las pruebas de
laboratorio se realizaron a los 28 días cuando el concreto alcanzó su máxima
resistencia, y así lograr resultados satisfactorios para los objetivos planteados y
sus necesidades de uso.
3.5.1 Prueba de resistencia a la flexión.
Las pruebas de resistencia a la flexión se realizaron en el laboratorio de ingeniería
civil en la facultad de ingeniería de la Universidad Autónoma de Tamaulipas. Se
utilizó un estabilómetro para aplicar una carga axial en las probetas hasta el
momento de quiebre como se observa en la Figura 20 , se midieron las fuerzas al
momento de ruptura. La gráfica el esfuerzo a la deformación (Esfuerzo (N) vs
Deformación (mm)), así como la resistencia a la flexión y módulo de elasticidad
fueron calculados a partir de estas mediciones.
Figura 20. Ensayo con el estabilómetro y momento de ruptura.
3.5.1.1 Cálculo de resistencia a la flexión.
La resistencia al flexión (RF) o módulo de ruptura (MR) se define como el cociente
del momento flexionante (M), producido por la fuerza máxima (FM) aplicada, y el
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45
momento de resistencia del material (w) (Ortiz-Berrocal 1991). La fórmula 6 para
presentada a continuación permite determinar la resistencia a la flexión.
( ⁄ )
[
] ( )
Dónde:
RF= resistencia a la flexión (N/mm2)
M = momento de flexión
W = momento resistente
F = Fuerza máxima de ruptura (N)
Ls = Claro, distancia entre los soportes (mm).
b = ancho de la probeta (mm)
h = altura de la probeta (mm).
El ancho de la probeta para cualquier tipo de tablero es de 50 mm. Por su parte el
largo total es determinado por la suma del claro 240+50 mm. La muestra se coloca
sobre dos soportes y se aplica una carga en la parte media de la distancia entre
los apoyos, concentrada y distribuida uniformemente, a una velocidad constante
hasta que se presente el rompimiento (ASTM 1999).
Es recomendable utilizar apoyos con soportes cilíndricos en combinación con
placas deslizables, cuando se trata solo de determinar la resistencia, el claro entre
soportes puede llevar una distancia de 200 mm.
3.5.1.2 Cálculo de módulo de elasticidad
Es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según
la dirección en la que se aplica una fuerza. Este comportamiento fue observado y
estudiado por el científico inglés Thomas Young.
Para un material elástico lineal e isótropo, tiene el mismo valor para una tracción
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46
que para una compresión y flexión, siendo una constante independiente del
esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, y
es siempre mayor que cero: si se tracciona una barra, aumenta de longitud.
El módulo de elasticidad es distinto para los diversos materiales. El módulo de
elasticidad es una constante elástica que, al igual que el límite elástico, puede
encontrarse empíricamente mediante ensayos de tracción o flexión del material.
Además de este módulo de elasticidad longitudinal, puede definirse el módulo de
elasticidad transversal de un material (Ortiz-Berrocal 1998).
Para la determinación del módulo de elasticidad se aplica la fórmula 7, que se
presenta a continuación..
( )
Dónde:
MEF = módulo de elasticidad por flexión
BF = cualquier diferencia de fuerza en newton en el campo
Bf = la correspondiente deformación a centro de la probeta de la diferencia de fuerza (BF) en mm.
Ls = distancia entre los soportes (mm).
b = ancho de la probeta (mm)
E = espesor de la probeta (mm)
La deformación se representa colocando un extensómetro en las caras radiales
del material, de las cuales en conjunto con la carga de aplicación se obtiene una
gráfica, siendo los ejes de referencia, fuerza contra deformación, que después se
utilizarán para los cálculos correspondientes. A la realización de este ensayo se
obtuvieron gráficas de comportamiento del material, el módulo de elasticidad y
resistencia del material se expresa en N/ mm2. El ensayo a la flexión determinó el
módulo de elasticidad y la resistencia a la flexión.
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47
3.5.2 Ensayo de resistencia a la tracción
Este ensayo se llevó a cabo de acuerdo a la norma ASTM D 1037 99. En una
máquina universal INSTRON modelo 3369. Primero las probetas fueron cortadas
utilizando una segueta eléctrica para ajustarlas a las medidas indicadas por la
norma. Las medidas de las probetas se presentan en la Figura 21 del lado
izquierdo y en esta misma figura del lado derecho se presentan algunas de las
probetas ya cortadas.
Figura 21. Medidas de probetas para resistencia a la tracción y probetas cortadas.
Se utilizó una velocidad de 0.066 mm/seg de acuerdo a lo indicado en la norma
(ASTM 1999) y para esta prueba se utilizaron dos probetas para cada
combinación de variables. En la Figura 22 se presenta la máquina universal en
funcionamiento con una probeta, a la cual se le aplicó una fuerza de tracción
hasta que hubo un rompimiento por separación en la estructura, provocando una
falla.
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48
Figura 22. Ensayo de resistencia a la tracción en la máquina universal INSTRON 3369
El equipo genera automáticamente el gráfico de deformación así como registro de
las fuerzas aplicadas durante el ensayo, esta información es extraída del
dispositivo para su posterior análisis.
49
4 CAPÍTULO 4
RESULTADOS Y
DISCUSIÓN
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50
4.1 DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE FIBRA DEL BAGAZO
Es bien conocido que el tamaño de la fibra utilizada para la síntesis de los
compósitos juega un papel importante en las propiedades finales del material,
como es el caso de la resistencia mecánica, cohesión entre el cerámico y material
orgánico y algunas otras propiedades que pueden potenciar su aplicación. En el
caso que nos ocupa en esta investigación, matriz cemento-fibra se realizó en esta
primera etapa un separación de los tamaños de fibra mediante un cribado,
utilizando el procedimiento descrito en la sección experimental y los resultados
después de realizar el corte del bagazo mediante un molino de cuchillas se
presenta en la Tabla 8. Como resultado del cribado se observó que más de un
95% de la fibra desmedulada y molida se quedó retenida en las mallas No. 20,50 y
100 con un tamaño de partícula que varía desde 0.14 a 0.55 mm. Huang, Wang et
al. 2012, reportaron una evaluación de bagazo con PVC evaluando el efecto del
pretratamiento y tamaño de la fibra sobre las porpiedades mecánicas de los
compósitos obtenidos. En esa investigación se determinó el uso de mallas 40 a 60
como la más adecuada para su estudio. De esta manera, se determinó utilizar una
combinación de las mallas 20, 50 y 100 a fin de analizar la influencia del contenido
de las mismas en las propiedades mecánicas del sistema en estudio, cemento-
fibra de bagazo.
Tabla 8. Fracciones de fibra separadas en el vibrador Tyler:
Malla Apertura (mm) Peso (g) %
8 2.515 3 0.25
14 1.505 7 0.58
20 0.550 180 14.87
50 0.337 400 33.04
100 0.140 600 49.55
200 0.091 20 1.65
Finos < 200 ---- 0.8 0.07
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51
La Figura 23 muestra fotografías representativas de las fibras de bagazo que se
utilizaron para la conformación del compósito. En esta figura se presentan los
tamaños en forma descendente.
Figura 23. Distribución del tamaño de partícula de la fibra de mayor a menor desde izquierda derecha.
4.2 IMÁGENES DE LAS PROBETAS EN EL MICROSCOPIO ÓPTICO
Con el fin de tener una apreciar mejor la forma en que se unen el bagazo y el
cemento para formar la matriz se tomaron imágenes con aumentos de 5x y 10x
para cada una de las formulaciones de probetas en un microscopio óptico
Olympus BX51. Una serie de micrografías fue seleccionada en cada condición
evaluada y los resultados se muestran en las Figuras 24 y 25 para el caso del
tratamiento con Ca(OH)2 mientras que las imágenes para los tratamientos con
Na2SiO3 se presentan en las Figuras 26 y 27
Las imágenes en los tratamientos con hidróxido de calcio muestran a bajos
aumentos pocas diferencias en cualquiera de las relaciones evaluadas. En todas
ellas se observan fibras regularmente cubiertas por el aglutinante, incluso en
forma de aglomerados con una cierta porosidad. De esta manera la superficie
rugosa con algunas partículas seguramente de lignina y microcanales de la misma
fibra con dimensiones difícil de determinar por esta técnica. Es claro que algunos
de estos canales no se alcanzan a rellenar por completo por la mezcla durante el
proceso de elaboración del concreto. La porosidad que puedan tener las fibras
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podría en su caso relacionarse con el grado de humedad que puedan absorber
con una disminución en la transferencia de esfuerzo en la aplicación final.
Relación bagazo:cemento, 20:80
Relación bagazo:cemento, 25:75
Relación bagazo:cemento, 30:70
Figura 24. Imágenes de microscopia óptica utilizando un aumento de 5x sobre las probetas de cemento y bagazo con tratamiento de Ca(OH)2 en sus diferentes
formulaciones.
Esta observación podría reafirmarse a mayores aumentos (Figura 25), donde
incluso se observa como el aglutinante no es suficiente para cubrir una relación
(a)
500 m 500 m 500 m 500 m
500 m 500 m 500 m 500 m
500 m 500 m 500 m 500 m
(b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h)
(i) (j) (k) (l)
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alta de fibras (clásica formación de cemento tipo hojuela, Figura 25 c)
Relación bagazo:cemento, 20: 80
Relación bagazo:cemento, 25:75
Relación bagazo:cemento, 30:70
Figura 25.. Imágenes de microscopia óptica utilizando un aumento de 10x sobre las probetas de cemento y bagazo con tratamiento de Ca(OH)2 en sus diferentes
formulaciones.
Por su parte, mediante el tratamiento químico con Na2SiO3 se observa una
interface entre el cemento y la fibra adherente, con una porosidad muy similar a la
100 m
(a)
100 m 100 m 100 m
100 m 100 m 100 m 100 m
100 m 100 m 100 m
(b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h)
(i) (j) (k)
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54
observada en el tratamiento con hidróxido de calcio.
Relación bagazo:cemento, 20:80
Relación bagazo:cemento, 25:75
Relación bagazo:cemento, 30:70
Figura 26. Imágenes de microscopia óptica utilizando un aumento de 5x sobre las probetas de cemento y bagazo con tratamiento de Na2SiO3 en sus diferentes
formulaciones.
La densificación sin embargo, parece ser menor en este caso en comparación con
el tratamiento químico con Ca(OH)2. La estructura no presenta diferencias
importantes con respecto a la cantidad de bagazo adicionado. La matriz muestra
una microestructura muy homogénea densificada característica de la formación de
500 m
(a)
500 m 500 m
500 m 500 m 500 m
500 m 500 m 500 m
(b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
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55
silicatos de calcio hidratados, mismos que en conjunto con la porltandita son los
responsables de la resistencia mecánica y esa apariencia cristalina.
Relación bagazo:cemento, 20:80
Relación bagazo:cemento, 25:75
Relación bagazo:cemento, 30:70
Figura 27.. Imágenes de microscopia óptica utilizando un aumento de 10x sobre las probetas de cemento y bagazo con tratamiento de Na2SiO3 en sus diferentes
formulaciones.
Al incrementar los aumentos a 10x se aprecian puntos de color rojizo, los cuales
se pueden atribuir con una pequeña cantidad de lignina que se encuentra todavía
100 m 100 m 100 m
100 m 100 m 100 m
100 m 100 m 100 m
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
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56
presente en la superficie de la fibra. Algunas otras propiedades que fueron
evaluadas para determinar la viabilidad de este estudio se presentan y discuten a
continuación.
4.3 DENSIDADES DE LAS PROBETAS.
La adición de fibras influirá en las características del fraguado, propiedades de
tenacidad y resistencia al impacto, entre otras. Por esta razón, se debe determinar
el grado de compactación o densidad al terminar el proceso de fraguado.
Usualmente se considera por norma (NMX-C-414-ONNCCE-2004 - Industria de la
construcción - cementos hidráulicos - especificaciones y métodos de prueba) que
después de 28 días se alcanza el 90 % de la resistencia mecánica. La densidad
de las probetas se calculó considerando las dimensiones y el peso de éstas. En
las Tablas 9 y 10 se presentan los resultados de densidad obtenidos al adicionar
20, 25 y 30 % en peso de una combinación de fibras (mallas 20, 50 y 100) y la
utilización de tratamientos químicos mediante hidróxido de calcio y silicato de
sodio, respectivamente.Comparando los resultados en ambas tablas se puede
observar que la densidad del compósito formando es inversamente proporcional a
la cantidad de bagazo adicionado, es decir, la densidad disminuye con el
porcentaje de bagazo adicionado. Esta disminución se observó de 1.11 g/cm3
hasta 0.73 g/cm3 y de 0.80 g/cm3 hasta 0.60 g/cm3 utilizando relaciones de 20:80 y
30:70 bagazo:cemento, respectivamente.
Tabla 9. Densidades promedio obtenidas en las probetas con bagazo tratado con Ca(OH)2
Hidróxido de Calcio
% Bagazo % Cemento Densidad Promedio
(g/cm3)
20 80 1.11 0.12
25 75 0.81 0.03
30 70 0.73 0.06
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57
Tabla 10. Densidades promedio obtenidas en las probetas con bagazo tratado con Silicato de Sodio
Silicato de Sodio
% Bagazo % Cemento Densidad Promedio
(g/cm3)
20 80 0.80 0.05
25 75 0.64 0.04
30 70 0.60 0.05
Es importante hacer notar que las condiciones de preparación fueron
cuidadosamente efectuadas y aplicando presión de compactación, por lo que este
comportamiento está directamente relacionado con la densidad del bagazo de
caña, el cual es de baja densidad ya que contiene alrededor de un 90.22 % de
carbono y 9.78 de SiO2 (Daud, Salleh et al. 2007). Para el tamaño de partículas
utilizado la densidad de bagazo se encuentra entre 0.27-0.3 g/cm3.
Retomado los objetivos del trabajo en donde se analiza una alternativa de bajo
costo para la utilización de bagazo, específicamente en la producción de paneles
prefabricados y determinar cómo se afectan sus propiedades físico-mecánicas,
así como sus aplicaciones potenciales, es claro que la variación de la densidad y
el tratamiento químico realizado a las fibras influirá en el desempeño final del
compósito.
Una comparación con otro tipo de fibras proveniente de fuentes como el plátano,
coco y madera de diferentes especies, muestra que la densidad con estas fibras
varía desde 1.27-1.54 g/cm3 con un 8% en peso de fibra adicionado, la cual es
muy por encima de los valores obtenidos en esta investigación. Sin embargo, una
de las características requeridas cuando se producen paneles estructurales es que
sean ligeros, lo cual puede ser una ventaja en la utilización de bagazo (R.S.P.
Coutts, 1999). Por su parte aunque en ambos existe una disminución en la
densidad de la probeta, para el caso de silicato de sodio son menores hasta un
30%. El tratamiento con hidróxido de calcio aporta más peso a la fibra en
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58
comparación con el de silicato de sodio por la diferencias entre los tratamientos en
sí mismos, es decir en Ca(OH)2 se requieren 100 g/L, mientras que para el caso
del tratamiento con silicato de sodio 10g/100g de bagazo.
El la Figura 28 se comparan en gráfica de barras las densidades obtenidas para
ambos pretratamientos utilizados en la fibra. Las diferencias resaltadas pueden a
su vez relacionarse con el mecanismo de incorporación, el cual puede variar de
manera importante ya que mientras el Ca(OH)2 se encarga de degradar la lignina
mediante su incorporación dentro de los poros de la fibra, provocando que haya
menos huecos en esta y en consecuencia un aumento de peso al producto final
(Chang 2001), el tratamiento con silicato mineraliza la superficie aumentando la
compatibilidad con el cemento.
Figura 28. Comparación gráfica de densidades obtenidas.
.
4.4 COMPORTAMIENTO ESFUERZO-DEFORMACIÓN
La descripción de las curvas reales esfuerzo vs deformación de un material,
empleando relaciones empíricas en el intervalo de deformación uniforme, se
20:80 25:75 30:70
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
De
ns
ida
d(g
/cm
3)
Formulación de probetas (Bagazo:Cemento)
Tratamiento Ca(OH)2
Tratamiento (Na2SiO
3)
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emplea con frecuencia para obtener una información de base acerca del
comportamiento plástico del mismo. Pueden relacionarse con la capacidad de
endurecimiento del material y los mecanismos de deformación asociados a la
interacción de dislocaciones. En la Figura 29 se presenta el gráfico Esfuerzo vs
deformación que se obtuvo a partir de los datos obtenidos con la prueba de
resistencia a la flexión.
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
Ca
rga
(N
)
Deformación(mm )
Na2SiO
3 20:80
Na2SiO
3 30:70
Na2SiO
3 20:80
Ca(OH)2 20:80
Ca(OH)2 25:75
Ca(OH)2 30:70
Figura 29.Gráfico deformación vs esfuerzo de las probetas.
En el gráfico de la Figura 29 se observa los comportamientos a la deformación que
sufrieron las probetas en función del esfuerzo aplicado. En estos resultados se
observa que existen importantes diferencias en las combinaciones analizadas, así
como para los tratamientos entre sí. Destaca el hecho de que las probetas que
soportaron un mayor esfuerzo en promedio fueron las de tratamiento de silicato de
sodio en proporción 20:80 bagazo cemento, esto quiere decir que tiene una mayor
dureza pero su deformación es poca pues cederá después de una carga 220 N
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60
con una deformación de solo 1.2 mm. La misma formulación pero con tratamiento
Ca(OH)2 soporta una carga de 200 N y tiene una falla en 1.8 mm, siendo la carga
constante desde 1.4 mm hasta el momento de la falla, dándole a estas probetas
características plásticas y elásticas un poco mejores en comparación con el otro
tratamiento. La formulación bagazo:cemento 25:75 para bagazo tratado con
hidróxido de calcio muestra una mayor resistencia a la deformación de todas las
combinaciones medidas, con un valor 2.8 mm antes de la falla, tolerando una
carga igual a la de la combinación 30:80 para el mismo tratamiento, esto nos
indica que este material soporta una buena carga y tardará más en ceder ante
esta, la misma formulación pero con la fibra tratada con silicato de sodio se vió
que la carga soportada antes de la ruptura fue de solo 110 N con la falla a 1.3 mm.
Por su parte, para las formulaciones de 30:70 bagazo:cemento se obtuvieron
resultados con cargas máximas de 80 y 50N para los tratamientos de Na2SiO3 y
Ca(OH)2 respectivamente, pero con una deformación menor el primero que el
segundo. Estos resultados muestran la variación que existe entre los dos
tratamientos pues que el silicato de sodio tolera mayores cargas para dos de los
tratamientos, aunque al mismo tiempo toleran poca deformación. El tratamiento
con el hidróxido de calcio en cambio, muestra una deformación mayor con cargas
bastante similares a sus contrapartes de Na2SiO3 lo cual le da mejores
propiedades.
De esta manera se puede mencionar que los cambios en la densidad causados
por el tipo de tratamiento químico aplicado y los cambios en composición dan
como resultado una dependencia en las curvas de esfuerzo deformación. Un
aumento en la cantidad de fibra causará una menor carga tolerada con una mayor
deformación, por su parte, una mayor carga se observa en probetas con menor
cantidad de fibra adicionada, aunque existe muy baja deformación antes de la
ruptura.
4.5 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN (RF) O MÓDULO DE RUPTURA
A partir de las mediciones de las propiedades mecánicas, se realizaron los
cálculos para obtener la RF utilizando la ecuación 6 (mostrada en la sección
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61
experimental). En las Tablas 11 y 12 se presentan los resultados obtenidos de un
promedio de 4 mediciones para ambos tratamientos químicos utilizados.
Tabla 11. Módulo de ruptura promedio de probetas con bagazo tratado con Ca(OH)2
Hidróxido de Calcio
% Bagazo % Cemento RF Promedio
(N/mm2)
20 80 8.152 0.5
25 75 6.908 0.95
30 70 1.845 0.22
Tabla 12. Módulo de ruptura promedio de probetas con bagazo tratado con silicato de sodio
Silicato de Sodio
% Bagazo % Cemento RF Promedio
N/mm2
20 80 2.917 0.42
25 75 2.059 0.24
30 70 1.630 0.1
En el caso de estos resultados es claro que los mejores resultados se obtienen
con una relación 20:80 y 25:75 de bagazo cemento, con una diferencia en
magnitud con el módulo de ruptura para la formulación 30:70 de hasta una valor
que varía desde un 79% hasta 380% de los otros dos, evidenciando que un
aumento en la cantidad de fibra compromete las propiedades del tablero, ya que
hay más material a aglomerar con menos aglutinante, reduciendo la adherencia
entre las partículas orgánico-inorgánicas. De esta manera la reducción en la
energía al impacto con el incremento en las partículas de bagazo está relacionada
con la disminución en las propiedades de esfuerzo-deformación con interfaces
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más rígidas entre el cemento y las fibras de bagazo.
Por comparación de ambos tratamientos, se observan resistencias a la flexión
mucho menores para el caso en el que se utilizó Na2SiO3, de hecho en el mejor de
los casos para ambos tratamientos e obtienen valores de 2.917 N/mm2 y 8.917
N/mm2, para Na2SiO3 y Ca(OH)2, respectivamente. En la Figura 30 se puede ver
una comparación visual de las variaciones en MR para tratamientos con ambas
fibras.
Otro de los factores a considerar al comparar estos resultados es la forma en que
actúan los tratamientos sobre las fibras y la matriz de cemento, pues el tratamiento
de silicato de sodio cubre a las fibras y las hace más compatibles entre sí y dentro
de la matriz pero no les agrega propiedades a las mismas fibras pues no produce
rompimientos de enlaces de lignina ni disuelve las hemicelulosas.
La mejora de las propiedades mecánicas así como la mitigación de la expansión
de espesor por el uso de Na2SiO3 es débil en comparación con otros tratamientos
con hidróxidos, lo cual se ha demostrado previamente por otros autores utilizando
otro tipo de fibras (Kavvouras 1987).
De esta manera la uniformidad en la distribución del bagazo dentro de la matriz de
cemento que inhiba interfaces rígidas entre las partículas orgánico-inorgánicas en
dependencia del tratamiento aplicado son los principales responsables del
incremento en las propiedades a la ruptura. Adicionalmente el esfuerzo a la
ruptura disminuye con el porcentaje en peso de bagazo adicionado a la matriz
cerámica.
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63
Figura 30. Comparación de módulos de ruptura de ambos tratamientos
4.6 MÓDULO DE ELASTICIDAD
El módulo de elasticidad se obtuvo a partir de los resultados obtenidos de las
pruebas de flexión realizadas, este dato puede ser calculado por ensayos tanto de
tracción como de flexión. Los cálculos fueron realizados utilizando la ecuación 7
(ver parte experimental) y los resultados se presentan en las Tablas 13 y 14..
Tabla 13. Módulo de elasticidad promedio de probetas con bagazo tratado con Ca(OH)2
Hidróxido de Calcio
% Bagazo % Cemento Módulo de elasticidad
(N/mm2)
20 80 3659.04 150
25 75 2642.08 133
30 70 890.58 93
20:80 25:75 30:70
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Mó
du
lo d
e r
up
tura
(N
/mm
2 )
Formulación de probetas (Bagazo:Cemento )
Tratamiento Ca(OH)2
Tratamiento Na2SiO
3
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64
Tabla 14. Módulo de elasticidad promedio de probetas con bagazo tratado con silicato de sodio
Silicato de Sodio
% Bagazo % Cemento Módulo de elasticidad
(N/mm2)
20 80 2253.03 160
25 75 1498.48 145
30 70 1210.483 94
Los resultados obtenidos para el tratamiento con hidróxido de calcio este
tiramiento muestran una disminución en el módulo elástico al aumentar la cantidad
de bagazo adicionado. Es interesante comentar que se esperaría que el bagazo
aporte flexibilidad a la matriz cerámica, sin embargo es más fuerte la pérdida de
adherencia durante el proceso de curado, lo cual hace el módulo de elasticidad
disminuya. Por su parte en el tratamiento con Na2SiO3, una adecuada relación si
se piensa para una aplicación de páneles, es una relación 20:80, ya que las otras
disminuyen de manera importante hasta 1210.483 N/mm2 para la formulación de
mayor cantidad de bagazo.
En la Figura 31 se presenta una comparación visual de estos resultados,
observándose que para las combinaciones de 30:70 de ambos tratamientos hay
una disminución pogresiva de la ME pero disminuye a mucho mayor medida en la
fibra con hidróxido de calcio pues esta fibra mejora las propiedades al ser mayor
parte celulosa delignificada pero al aumentar mucho su cantidad el aglutinante no
es suficiente para mantener junta la matriz y la vuelve frágil. En el tratamiento de
silicato de sodio pasa algo similar, las fibras son compatibles entre sí y la matriz,
pero al ser fibra entera sin delignificar, sus propiedades finales no son las más
adecudas .
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65
Figura 31. Comparación de módulos de elasticidad de ambos tratamientos
A manera de confirmar los resultados y emitir una valoración de los resultados
obtenidos, en la Tabla 15 se presentan las propiedades con las que deben cumplir
los tableros aglomerados comerciales
Tabla 15. Estándares comerciales para tableros aglomerados (FAO 2012)
Estándares de Tableros
Tablero Densidad Promedio
(g/cm3)
RF Promedio (N/mm
2)
Módulo de elasticidad (N/mm
2)
Tipo aislante 0.25- 0.4 1.47 - 5.39 166.71 – 862.99
Densidad Media
0.4-0.8 5.81 - 19.04 980.68 – 4903.40
Alta Densidad 0.8-1.05 19.61 - 51.97 2745.91- 6864.76
Aquí podemos observar que la mayoría de los formulaciones caen dentro del
tableros tipo aislante y de densidad media, la combinación 20:80 Ca(OH)2 tiene
20:80 25:75 30:70
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500 Tratamiento Ca(OH)
2
Tratamiento (Na2SiO
3)
Módulo
de f
lexió
n(
N/m
m2)
Formulación de probetas (Bagazo:Cemento )
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66
densidad alta pero el resto de sus características no satisface los criterios
necesarios para ser un tablero de ese tipo. Los tableros fabricados con fibra
tratada con silicato de sodio están dentro de los parámetros de tableros tipo
aislante y los tableros con fibra tratada con hidróxido de calcio están dentro de
tableros de densidad media. De esta manera, en el que en el peor de los casos,
los compósitos aquí propuestos puede ser utilizado como un tablero tipo aislante.
4.7 ENSAYO DE RESITENCIA A LA TRACCIÓN
Los ensayos de tracción se obtuvieron directamente de la máquina universal
(Instron), mostrando los resultados en la Figura 32. A partir de esta figura se
observa un comportamiento similar a los obtenidos con la prueba de resistencia a
la flexión, corroborando que en general las probetas con fibra tratada con Ca(OH)2
toleran una mayor carga antes de llegar al punto de ruptura. Nuevamente y en
concordancia con todos los resultados previos, la formulación 20:80
bagazo:cemento de este tratamiento fue el que soportó una carga mayor antes de
llegar al punto de cedencia, a partir de este punto decae la resistencia a la carga
acompañada de una rápida deformación.
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67
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
5
10
15
20
25
30
35
40
Ca
rga
(K
gf)
Deformación por tracción %
Na2SiO
3 30:70
Na2SiO
3 25:75
Na2SiO
3 20:80
Ca(OH)2 30:70
Ca(OH)2 25:75
Ca(OH)2 20:80
Figura 32. Diagrama Carga vs Deformación por tracción
Los resultados numéricos de esta evaluación se presentan en la Tabla 16. En esta
tabla se observa más claramente la diferencia en las cargas máxima aplicadas
para cada sistema evaluado. Asimismo, se presentan los valores del módulo de
Young y deformación los cuales presentan un comportamiento inverso, es decir el
módulo de Young aumenta a medida que disminuye la cantidad de bagazo en la
formulación. Mientras que el porcentaje máximo de deformación se incrementa
con el porcentaje de bagazo adicionado.
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68
Tabla 16. Resultados obtenidos de las prueba de resistencia a la tracción
Tratamiento y
formulación
(bagazo:cemento)
Máximo
Carga
(kgf)
Módulo (Automático de Young)
(kgf/cm^2)
Carga al Fluencia (Desplazamiento 0.2 %)
(kgf)
Deformación por tracción A ruptura
(%)
Na2SiO3
30:70 2.35 2079.59 ----- 0.11
Na2SiO3
25:75 18.29 48898.99 16.68 0.23
Na2SiO3
20:80 32.41 62926.60 26.54 0.23
Ca(OH)2
30:70 12.62 21668.31 ----- 0.12
Ca(OH)2
25:75 34.10 65376.78 31.50 0.27
1Ca(OH)2
20:80 36.55 49789.83 27.85 0.28
Por último, derivado de los resultados obtenidos en esta investigación se puede
mencionar que el desarrollo de paneles de matriz de concreto sustentable es
posible mediante la utilización de bagazo de caña. Sin embargo, es necesario
determinar la relación adecuada del compósito a fin de evitar interfaces rígidas
causadas por una pobre dispersión de las fibras, pero una vez determinada, como
fue en el caso de este estudio con una relación 80:20 (fibra:cemento), el impacto
ecológico y económico para la industria de la construcción puede ser importante.
|
69
5 CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES
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70
CONCLUSIONES
Se comprobó que es posible fabricar una material de construcción a base de caña
de azúcar y cemento, pero para ello es necesario darle un tratamiento para
disminuir la cantidad de extractos y azúcar al bagazo, así como darle protección a
la fibra con tratamientos de mineralización superficial para aumentar su
compatibilidad y cohesión en la matriz.
Los paneles prefabricados han mostrado que poseen buenas propiedades físico
mecánicas como material de construcción, no sólo pueden emplearse como muros
no estructurales sino además se le pueden dar otros usos como cielo rasos,
divisiones interiores en oficinas centros comerciales, construcciones temporales,
etc., lo cual redundaría en rapidez, menor peso estructural y economía en las
construcciones.
Con ambos tratamientos se observa que la tendencia similar, la resistencia a la
flexión disminuye conforme aumenta la cantidad de bagazo, esto por una menor
aglomeración entre las fibras.
La mejor combinación para el tratamiento de hidróxido de calcio, es la relación
25:75 bagazo-cemento y la mejor para Silicato de sodio es la de 20:80 pues estos
formulaciones fueron las resultados más adecuados a los estándares y tuvieron un
buen comportamiento en cuanto de deformación vs carga.
De estas dos la mejor fue la de tratamiento de Ca(OH)2 ya que conjuga una buena
resistencia a la flexión y una buena relación de esfuerzo-deformación.
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71
RECOMENDACIONES
Realizar un estudio sobre la adaptación que debe tener el almacenamiento de la
fibra con el fin de minimizar la sacarosa por el medio fermentativo, creando un
proceso completo que iría desde la recolección del bagazo, manipulación y forma
de almacenamiento, mirando factores climatológicos, sociales y económicos.
Aprovechar al máximo todo el bagazo, utilizando no solo la parte fibra sino
también la fina, que no se utilizó en este proyecto, profundizándose en el acabado
superficial, estudiando la dosificación, el procedimiento, y la cantidad de esta
materia prima para tal fin. En cuanto al acabado también se puede jugar con el
color, pues ya existen formas de dar color al cemento, no solo blanco, sin afectar
la estructura del mismo, esto para dar un toque estético.
Verificar diferentes mecanismos de compactación, ya que este elemento depende
no solo del tiempo de curado del concreto si no también de su densidad, o que tan
unidas estén las fibras en la matriz.
Realizar estudios con adherentes diferentes al cemento, siguiendo los mismos
patrones de pretratamiento y mineralización de las fibras, explicados en este
proyecto, ya que son los factores más importantes a tener en cuenta a nivel de la
fibra de bagazo de caña de azúcar en la elaboración de elementos constructivos.
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72
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]. Acharya, S., P. Mishra, S. K. Mehar and V. Dikshit (2008). "Weathering
behaviour of bagasse fibre reinforced composite." Journal of
Reinforced Composites Part A: Applied Science and Manufacturing
29(17): 1839 – 1846.
[2]. Aguilar–Rivera, N. (2011). "Efecto del almacenamiento de bagazo de
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ANEXOS
