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• Este trabajo consta de dos partes: PRIMERA.- Introducción común (desarrollada junto a Alberto Moral) SEGUNDA.- Análisis del HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRA DE LINO, como trabajo individual de Maria del Mar Nogueira López.
Maria del Mar Nogueira López
ETSAG Master en arquitectura y ciudad Materiales
MATERIALES COMPUESTOS
1. Introducción La mayoría de las tecnologías modernas requiere materiales con una combinación inusual de propiedades, imposible de conseguir con los metales, las cerámicas y los polímeros convencionales. Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de sus valores se han ampliado, y se siguen ampliando, mediante el desarrollo de materiales compuestos (composites). En términos generales, se considera que un material compuesto es un material multifase que conserva una proporción significativa de las propiedades de las fases constituyentes [3]de manera que presente la mejor combinación posible. De acuerdo con este combinada,
las
mejores
propiedades
se
obtienen
por
principio
de
acción
la combinación razonada de dos o más
materiales diferentes. Existen materiales compuestos naturales, como por ejemplo, la madera, que consiste en fibras de celulosa flexibles embebidas en un material rígido llamado lignina. El hueso es un material compuesto formado por colágeno, una proteína resistente pero blanda, y por apatito, un mineral frágil. En el presente contexto, un material compuesto es un material multifase obtenido artificialmente, en oposición a los que se encuentran en la naturaleza. Además, las fases constituyentes deben ser químicamente distintas y separadas por una interfaz. La mayoría de los materiales compuestos se han creado para mejorar la combinación de propiedades mecánicas tales como rigidez, tenacidad y resistencia a la tracción a temperatura ambiente y a elevadas temperaturas. La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos fases; una, llamada matriz, es continua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa. Las propiedades de los compuestos son
función de las propiedades de las fases constituyentes, de sus proporciones relativas y de la geometría de las fases dispersas.
Un esquema simple para clasificar los materiales compuestos consta de tres divisiones (Fig. 1.1): compuestos reforzados con partículas, compuestos reforzados con fibras y compuestos estructurales; además, existen dos subdivisiones para cada una. Se debe mencionar que la fase dispersa de los materiales compuestos reforzados con fibras tienen una relación longitud-diámetro (factor de forma) muy alta.
Figura 1-1. Clasificación de los Materiales Compuestos
2. Materiales Compuestos Reforzados con Partículas
Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en reforzados con partículas grandes y consolidados por dispersión (Figura 1-1). Esta distinción se fundamenta en el mecanismo de consolidación o de reforzamiento. El término" grande" se utiliza para indicar que las interacciones matrizpartícula no se pueden describir a nivel atómico o molecular, sino mediante la mecánica continua. En la mayoría de los materiales compuestos la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz y las partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada partícula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las cuales soportan
una parte de la carga. El grado de reforzamiento o de mejora del comportamiento mecánico depende de la fuerza de cohesión en la interfaz matriz-partícula. Un material compuesto con partículas grandes es el hormigón, formado por cemento (matriz) y arena o grava (partículas). El reforzamiento es tanto más efectivo cuanto más pequeñas sean las partículas y cuanto mejor distribuidas estén en la matriz. Además, la fracción de volumen de las dos fases influye en el comportamiento; las propiedades mecánicas aumentan al incrementarse el contenido de partículas. Las partículas de los materiales compuestos consolidados por dispersión normalmente son mucho más pequeñas: los diámetros tienen de 10 a 100 nm. Las interacciones matriz-partícula que conducen a la consolidación ocurren a nivel atómico o molecular. Mientras la matriz soporta la mayor parte de la carga aplicada, las pequeñas partículas dispersas dificultan o impiden el desplazamiento de dislocaciones. De este modo se restringe la deformación plástica de tal manera que aumenta el límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza.
3. Materiales Compuestos Estructurales Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales compuestos como por materiales homogéneos y sus propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos estructurales. Los compuestos laminares, los cuales poseen una dirección preferente con elevada resistencia (tal como ocurre en la madera), y los paneles sándwich, que poseen caras externas fuertes separadas por una capa de material menos denso, o núcleo (ver figura 12), son dos de los compuestos estructurales más comunes.
Figura 1-2. Diagrama esquemático de la fabricación de un panel sándwich con un núcleo en panal.
4. Materiales Compuestos Reforzados con Fibras
Tecnológicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de fibras son los más importantes. A menudo se diseñan materiales compuestos reforzados con fibras con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Estas características se expresan mediante los parámetros resistencia específica y módulo específico, que corresponden, respectivamente, a las relaciones entre la resistencia a la tracción y el peso específico y entre el módulo de elasticidad y el peso específico. Utilizando materiales de baja densidad, tanto para la matriz como para las fibras, se fabrican compuestos reforzados con fibras que tienen resistencias y módulos específicos excepcionalmente elevados. Los materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican por la longitud de la fibra.
4.1. Conceptos Generales del Comportamiento Mecánico de Materiales Reforzados con Fibras
4.1.1 Influencia de la Longitud de la Fibra Las características mecánicas de los compuestos reforzados con fibras dependen no sólo de las propiedades de la fibra, sino también del grado en que una carga aplicada se transmite a la fibra por medio de la fase matriz. En este proceso de transmisión de carga es muy importante la magnitud de la unión en la interfaz de las fases matriz y fibra. Al aplicar un esfuerzo de tracción, la unión fibra-matriz cesa en los extremos de la fibra y en la matriz se genera un patrón de deformación como el que se muestra en la Figura 1-3; en otras palabras, en los extremos de la fibra no hay transmisión de carga desde la matriz.
Figura 1-3. Patrón de deformación en una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de tracción.
Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la rigidez del material compuesto. Esta longitud crítica lc depende del diámetro d de la fibra, de la resistencia a la tracción σ f y de la resistencia de la unión matriz-fibra (o resistencia al cizalle de la matriz). La longitud crítica de algunas combinaciones de matriz-fibra de vidrio y de carbono es del orden de 1 mm, equivalente a unas de 20 a 150 veces el diámetro de la fibra. Las fibras con l» lc (normalmente l >15 lc) se denominan continuas; y las fibras de menor longitud se denominan discontinuas o fibras cortas. En las fibras discontinuas de longitud significativamente menor que lc, la matriz se deforma alrededor de la fibra de modo que apenas existe transferencia del esfuerzo y el efecto del reforzamiento de la fibra es insignificante.
4.1.2. Influencia de la Orientación y de la Concentración de la Fibra La disposición u orientación relativa de las fibras y su concentración y distribución influyen radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los materiales compuestos reforzados con fibras. Con respecto a la orientación existen dos situaciones extremas: (1) alineación paralela de los ejes longitudinales de las fibras y (2) alineación al azar. Las fibras continuas normalmente se alinean (Figura 14a), mientras que las fibras discontinuas se pueden alinear (Figura 1-4b) o bien se pueden orientar al azar (Figura 1-4c)o alinearse parcialmente. En el caso de esta investigación, dado el largo de la fibra de vidrio l, equivalente a 12 mm, se tiene que l ≈ 6 lc, con lc longitud crítica de la fibra. Es decir, se tiene una fibra discontinua o fibra corta. Además esta fibra estará orientada al azar.
Figura 1-4. Representaciones esquemáticas de compuestos reforzados con fibras (a) continuas y alineadas, (b) discontinuas y alineadas y (c) discontinuas y orientadas al azar.
4.2. Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al azar, éstas suelen ser discontinuas y cortas; un reforzamiento de este tipo está representado en la Figura 1-4c. El módulo elástico de los materiales reforzados, tanto si las fibras están alineadas como si están orientadas al azar, aumenta al incrementarse la fracción de volumen de la fibra. En la Tabla 1-1 se indican algunas
propiedades mecánicas de los policarbonatos no reforzado y reforzado con fibras de vidrio discontinuas y orientadas al azar. Esta tabla da una idea de las magnitudes que se pueden obtener mediante reforzamiento. Tabla 1-1. Propiedades del policarbonato sin refuerzo y reforzado con fibra de vidrio orientada al azar. Reforzado con fibra (% volumen) Propiedades
No Reforzado
20
30
40
1.19 –1.22
1.35
1.43
1.52
59 – 62
110
131
159
2240 – 2345
5930
8620
11590
90 – 115
4–6
3–5
3–5
Gravedad Específica Resistencia a la Tracción (MPa) Módulo de Elasticidad (MPa) Elongación (%)
En la Tabla 1-2 se indican las eficiencias del reforzamiento con fibras en varias situaciones; la eficiencia se toma arbitrariamente como la unidad en la dirección paralela a la alineación y cero en la dirección perpendicular.
Tabla 1-2. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibra orientado en varias direcciones y esfuerzos aplicados en varias direcciones. Orientación de la fibra Todas las fibras paralelas Fibras orientadas al azar y uniformemente Fibras orientadas al azar y
Dirección del esfuerzo Paralela a las fibras Perpendicular a las fibras
Eficiencia del reforzamiento 1 0
Cualquier dirección en el plano de las fibras
3/8
Cualquier dirección
1/5
uniformemente distribuidas en el espacio
En las aplicaciones en las que las fibras están sometidas a esfuerzos totalmente multidireccionales normalmente se utilizan fibras discontinuas orientadas al azar en la matriz. La Tabla 1-2 muestra que la eficiencia del reforzamiento de estos compuestos es sólo la quinta parte de la eficacia correspondiente a los compuestos cuyas fibras están alineadas en la dirección longitudinal; sin embargo, las propiedades mecánicas son isotrópicas.
Las consideraciones sobre la orientación y la longitud de las fibras de un compuesto particular dependen del nivel y de la naturaleza del esfuerzo aplicado y del costo de fabricación. Las velocidades de producción de compuestos con fibras cortas (alineadas y orientadas al azar) son rápidas y se pueden conformar piezas de formas intrincadas que no son posibles con refuerzos de fibras continuas. Además, los costos de fabricación son mucho más bajos que en el caso de compuestos reforzados con fibras continuas y alineadas.
4.2.1 Fase Fibrosa Una importante característica de muchos materiales, especialmente los frágiles, es que las fibras con diámetros pequeños son mucho más resistentes que el material macizo. Como es sabido, la probabilidad de la presencia de una imperfección superficial crítica que conduzca a la rotura disminuye cuando aumenta el volumen específico [12]. Este fenómeno se utiliza con ventaja en los compuestos reforzados con fibras. El material utilizado como fibra de refuerzo debe tener alta resistencia a la tracción. En función de sus diámetros y características, las fibras se agrupan en tres categorías diferentes: whiskers, fibras y alambres. Los whiskers son monocristales muy delgados que tienen una relación longitud-diámetro muy grande. Como consecuencia de su pequeño diámetro, tienen alto grado de perfección cristalina y están prácticamente libres de defectos, y por ello tienen resistencias excepcionalmente elevadas. Los whiskers pueden ser de grafito, carburo de silicio, nitruro de silicio y óxido de aluminio. En la Tabla 1-3 se dan algunas características mecánicas de estos materiales.
Tabla 1-3. Características de materiales reforzados con fibras.
Los materiales clasificados como fibras son policristalinos o amorfos y tienen diámetros pequeños; los materiales fibrosos son generalmente polímeros o cerámicas (p.ej., aramida, vidrio, carbono, boro, óxido de aluminio y carburo de silicio). La Tabla 1-3 también indica algunos datos de varios materiales utilizados como fibras. Los alambres tienen diámetros relativamente grandes; los materiales típicos son el acero, el molibdeno y el tungsteno. Los alambres se utilizan como refuerzos radicales de acero en los neumáticos de automóvil, filamentos internos de los recubrimientos de cohetes espaciales y paredes de mangueras de alta presión.
4.2.2. Fase Matriz La fase matriz de un material compuesto con fibras ejerce varias funciones. En primer lugar, une las fibras y actúa como un medio que distribuye y transmite a las fibras los esfuerzos externos aplicados; sólo una pequeña fracción del esfuerzo aplicado es resistido por la matriz. Además, la matriz debe ser dúctil y, por otra parte, el módulo elástico de la fibra debe ser mucho mayor que el de la matriz. En segundo lugar, la matriz protege las fibras del deterioro superficial que puede resultar de la abrasión mecánica o de reacciones químicas con el medio ambiente. Estas interacciones introducen defectos superficiales capaces de originar grietas, que podrían producir fallos con esfuerzos de tracción relativamente bajos. Finalmente, la matriz separa las fibras y, en virtud de su relativa blandura y plasticidad, impide la propagación de grietas de una fibra a otra, que originaría fallos catastróficos; en otras palabras, la matriz actúa como una barrera que evita la propagación de grietas. Aunque algunas fibras individuales se rompan, la rotura total del material compuesto no ocurrirá hasta que se hayan roto gran número de fibras adyacentes, que forman un agregado de tamaño crítico. Es esencial que la adherencia de la unión entre fibra y matriz sea elevada para minimizar el arrancado de fibras. En efecto, la resistencia de la unión tiene gran importancia en el momento de seleccionar la combinación matriz-fibra. La resistencia a la tracción final del compuesto depende, en gran parte, de la magnitud de esta unión; una unión adecuada es esencial para optimizar la transmisión de esfuerzos desde la matriz a las fibras.
RESINAS EPOXI
RESINAS DE POLIESTER
HORMIGON REFORZADO CON FIBRA NATURAL
La producción en todo el mundo de fibras naturales, eclipsa la producción de muchos materiales naturales. Se ha estimado que 280 Millones de toneladas de biomasa desechada son generadas cada año solo en EEUU. Los cultivos de fibras primarias naturales alcanzan los 5 Millones de toneladas en 2001 en todo el mundo. Existe una necesidad crítica de proporcionar materiales que faciliten construcciones residenciales más seguras, especialmente en áreas que sufren avalanchas o catástrofes. El hormigón desarrollado aquí, se ha creado para aplicar en situaciones en las cuales la calidad y el control de calidad de la construcción de hormigón producen edificios que no se comportan bien bajo posibles seísmos. En muchas regiones del mundo, el hormigón reforzado con acero, es el material más común de construcción, sin embargo el acero reforzado del compuesto es un material sensiblemente caro. Edificios de hormigón que se colapsaron en terremotos en Turquía. Taiwán y Afganistán, han destacado el problema de construcciones por debajo del estándar con edificios infrareforzados de hormigón. Mientras la cantidad segura de acero reforzado adecuada es relativamente pequeña para estructuras de luces cortas, es muy caro contribuir sustancialmente a los costes globales del compuesto. Las construcciones en estos países y en otros son tentadas a limitar o eliminar completamente acero reforzado en la construcción con hormigón. Este asunto implica temas de seguridad especialmente en áreas donde la resistencia a las cargas dinámicas de los terremotos son críticas para una segura ocupación de los edificios de hormigón. El aumento o sustitución parcial de acero con fibras naturales en hormigón reforzado podría ser una manera económica de ofrecer un método alternativo para conseguir mayor seguridad en estructuras de hormigón en el mundo. Productos especializados han sido formulados materiales derivados de plantas de biomasa tales como: Plásticos derivados de almidón Biopolímeros para recubrimiento secundario de aceite Papel y tejidos de lana Sin mencionar el etanol como sustituto de petróleo.
Maria del Mar Nogueira López
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Mientras que los tipos de aplicaciones de materiales de biomasa en construcción de edificios han variado mucho, el principal foco de investigación ha sido el uso de fibras naturales derivadas de plantas para reforzar la tensión en compuestos de cementos y polímeros. Estos compuestos son generalmente materiales débiles, en los cuales la fibra reforzada sirve para añadir rigidez y tenacidad a la mezcla final. La mayoría de las aplicaciones que usan fibras naturales requieren únicamente procesos muy simples y de baja energía. La mayoría de las fibras naturales no pueden soportar elevadas temperaturas y entornos químicos cáusticos. Esta limitación descarta un amplio rango de procesos industriales. Este estudio analiza el comportamiento mecánico de la fibra de lino utilizada como un refuerzo de tensión y agente absorbente de energía en el hormigón. . El uso de materiales biológicos que derivan biológicamente en componentes para la construcción, ha sido un proyecto latente durante muchas décadas. La mayoría de los trabajos en estas áreas han sido desarrollados en centros de investigación y universidades, en regiones en vías de desarrollo en el mundo, algunas veces con colaboraciones europeas y americanas. Materiales renovables que no son tóxicos y requieren procesos de baja energía han llegado a ser componentes importantes del gran objetivo de desarrollar edificios responsables con el medio ambiente para aplicaciones tanto a regiones en desarrollo como industrialmente maduras. Además, la investigación ha demostrado el valor de las técnicas que han sido cuidadosamente puestas como objetivo de transferencia tecnológica para el particular contexto social cultural y económico para el cual se ha creado. El uso de materiales naturales, especialmente aquellos derivados de prácticas agrícolas en una localización en particular, traen consigo una base de conocimiento local que puede ser utilizada para desarrollar tecnologías de proceso apropiadas. Con el desarrollo exitoso de materiales de construcción apropiados, llegan oportunidades para catalizar un crecimiento regional económico efectivo y sostenible, sin crear problemas medioambientales. Estas tecnologías tiene el potencial de ayudar a las estrategias de desarrollo que están enfocadas a la capacidad de construcción y a la erradicación de la pobreza.
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FIBRAS NATURALES: CARACTERÍSTICAS.
PROPIEDADES
MECANICAS
Y
OTRAS
A pesar del hecho de que los compuestos como el GFRPs Y CFRPs son ahora utilizados ampliamente en la construcción arquitectónica y civil, el uso de fibras naturales en los compuestos materiales, se ha quedado atrás. Está claro desde una evaluación del módulo de Young que las fibras naturales poseen razonablemente buenas propiedades mecánicas para el uso como refuerzo estructural en componentes arquitectónicos. Cantidades altas de tasas de lino entre fibras naturales en términos de resistencia a la tensión, suponen una propiedad crítica en el comportamiento de un inhibidor de fracturas en compuestos de hormigón. Estas propiedades mecánicas con relativamente bajo coste, procesos simples y fáciles de manejar ofrecen buenas posibilidades para su uso en compuestos. Las fibras naturales están compuestas de una compleja combinación de celulosa, gemicelulosa, “pecting y ligning”. Las proporciones relativas de estas sustancias varían considerablemente entre las especies. La celulosa puede proporcionar la función estructural de la planta por que es un polímero de condensación lineal, de unidades de anidroglucosa.
Imágenes de distintas fibras naturales Como sisal, lino,…
El grado de polimerización Pm es un aspecto importante de la morfología de la celulosa en la fibra, y un determinante primario del comportamiento mecánico del material. Maria del Mar Nogueira López
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El nivel de polimerización determina la estructural supramolecular de la fibra. Adicionalmente esta estructura supramolecular es determinante en la mayoría de las propiedades físicas y mecánicas de la fibra en si misma. Otra importante característica es el tipo de celulosa: Tipo I o Tipo II que está contenida dentro de la fibra. El tipo de celulosa también determina algunos aspectos como el ángulo de orientación de las moléculas de la celulosa en relaciona la dirección de la fibra, y esto afecta al comportamiento mecánico de la fibra. En términos de coste la proporción de fibra de lino es de las más caras de las fibras naturales, y a menudo excede al eglass, con variaciones sustanciales entre las regiones. Sin embargo, este hecho solo no debería afectar considerablemente a la importancia global de la fibra como un agente de refuerzo para la tensión. Cambios en la escala de producción, distribución y la posibilidad de un nuevo mercado cambiará ciertamente los factores sobre los cuales el coste se ha calculado. Varios de los atributos positivos que reducirán el coste económico asociado son los siguientes: 1.
2.
3.
4.
las fibras naturales se encuentran habitualmente y de manera global, cosechadas comúnmente como cualquier materia prima o secundaria mediante procesos agrícolas bien establecidos. Las fibras naturales de plantas materiales son la fuente primaria de nuevas tecnologías de materiales biocompuestos, en muchas industrias, incluyendo materiales de construcción, automoción y productos de consumo. Fibras naturales como resultado de procesos naturales, son renovables y a menudo biodegradables. El impacto medioambiental durante la siembra, el crecimiento y la maduración de la planta está restringido al suelo en el cual es plantado. El tomar grandes ventajas de la cualidad benigna del material, requerirá el desarrollo de industrias en las regiones con grandes potenciales de desarrollo de fibras naturales para la construcción. Las fibras naturales fijan y retiene el carbón. El CO2 liberado durante la combustión o descomposición retorna al medioambiente del cual fue originalmente fijado, contribuyendo por tanto a una ganancia de suma cero de la cantidad total de carbono en la atmósfera. Las fibras naturales son un grupo de materiales con una larga historia económica, tecnológica y social, dentro del desarrollo de las regiones predominantemente agrícolas. Esta extensa familiaridedad en el cultivo, cosecha, proceso y manipulación de las fibras naturales es un componente importante en la formulación de los procesos de producción sostenibles. Algunas fibras han sido utilizadas durante miles de años. Cualquier desarrollo de tecnologías contemporáneas utilizando fibras naturales se puede construir sobre este conocimiento existente y experiencia autóctona.
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6. 7.
Las fibras naturales son mucho menos abrasivas que las fibras sintéticas como el vidrio y el carbón. Esta menor abrasión ayuda en varios pasos del proceso. Las fibras naturales generalmente poseen alta resistencia a ratios de carga. Las fibras naturales son no toxicas en la mayoría de las condiciones de exposición normal.
Las características negativas más importantes son las siguientes: 1.
2.
3. 4.
5.
Las fibras naturales son fuertemente hidrofílicas. Esta propiedad es debida fundamentalmente al enlace de hidrógenos de los grupos hidroxilicos de la molécula de celulosa. Este es un problema en ambas matrices polimérica y de cemento. La absorción de agua previa, durante y después de la fundición y el curado podría afectar tanto ala durabilidad de la fibra como a la integridad del enlace intefacial entre matriz y fibra. La molécula de celulosa, el núcleo de la estructura de todas las plantas de fibra es sensible al ataque en un entorno alcalino. Es necesario tener cuidado del nivel de PH de cualquier matriz de materiales. LA mayoría de las fibras naturales comienzan a desintegrarse a los 150º centígrados. Las propiedades físicas y mecánicas de las fibras naturales varían ampliamente entre especies, e incluso entre haces de las mismas especies. Las fibras naturales son una mezcla compleja de celulosa, hemicelulosa, ligning, pecting, ceras y sustancias solubles en le agua. La proporción de estos materiales y su distribución en las fibras depende de las especies particulares. Por tanto el comportamiento de las fibras naturales varía enormemente. Actualmente los datos de las propiedades materiales de las fibras naturales son incompletas. Estandarizar el uso de las fibras naturales requerirá mejores datos de propiedades físicas y mecánicas de los que actualmente están disponibles. El comportamiento micro mecánico de las fibras naturales, especialmente dentro de una matriz no ha sido adecuadamente descrito. Avanzar en el uso de las fibras de forma fiable y segura requerirá un esfuerzo tanto de análisis teórico como de datos empíricos.
MATERIALES. HORMIGON
Se utiliza el hormigón como material matriz, y la fibra de lino como el elemento reforzador para un biocompuesto que se ha empleado en partes estructurales de edificios de luces cortas. Esta aplicación conforma los requerimientos de las viviendas; el tipo de edificio mas común utilizando hormigón reforzado en el mundo. Otra vez mientras que, mientras que una gran cantidad de trabajo ha sido dotado con buena consideración al uso de fibras naturales con una matriz de
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cemento, hay una necesidad de desarrollar investigación en fibras naturales en hormigón. La combinación de la totalidad de especies de plantas candidatas con el potencial a contribuir de las fibras útiles para un compuesto, y las inconsistencias de investigaciones previas en el uso de fibras naturales en hormigón y otras matrices, hace que este sea un área fructífera en la investigación de la construcción de edificios. El hormigón reforzado domina la industria de la construcción en gran parte del mundo desarrollado hoy. Es también un material estructural primario, junto con el acero en gran parte del mundo desarrollado. El hormigón reforzado sirve como material predominante para la estructura básica, y en menor medida el material infiltrado que actúa como el envoltorio exterior de una variedad de edificios de todo tipo y escala. El hormigón reforzado es particularmente frecuente en regiones en desarrollo por varias razones: el relativo bajo coste y buena disponibilidad de los materiales constituyentes, el uso de mano de obra poco cualificada tanto en la fabricación del cemento como en la fabricación del hormigón, la facilidad y baja cualificación tecnológica de los procesos de construcción y la posibilidad de usar el material en un gran numero de componentes para los edificios; el tejado, suelo, paredes,…y otros elementos primarios de los edificios. FIBRA DE LINO El lino ha sido utilizado de forma continua durante 10.000 años. Hay evidencias del uso del lino como comida; además de cómo textil ha sido descubierto en varios yacimientos arqueológicos de asentamientos agrícolas en el cercano este. Esta claro que desde épocas tempranas que se le dedico una gran atención al cultivo del lino. Este cultivo era una de las fuentes primeras de una gran variedad de importantes productos incluyendo aceite de linaza, fibra de lino para tejidos y grano de cereal. El lino “ursitatisimun”, el más importante y útil de las variedades de lino, encuentra su lugar alrededor del cercano este y fue un importante cultivo en Mesopotamia y Egipto. El cultivo pronto se extendió al medio este, Europa y eventualmente América. El lino pertenece ala familia de las plantas bastas. El cáñamo, el quenaf, el sun-gemp, el ramie, y el yute son también miembros de este grupo, conocido por sus largas y fuertes fibras. Las plantas bastas se caracterizan por una capa de tallo exterior, que contiene entre el 10 y el 40% de la masa de fibras más fuertes del tallo, en el bulto de fibras alrededor de un material fibroso menos fuerte. La producción global excede de 12 millones de acres, de los cuales Europa y Rusia son los principales productores. La fibra útil es separada mecánicamente usando varias técnicas. Las fibras no procesadas utilizadas en este proceso están entre 10 y 17cm. La fibra de lino está compuesta de un fardo de fibras de aproximadamente 100 micras de diámetro. Cada fardo de fibras contiene entre 20 y 50 fibras de 20 micras de diámetro cada una.
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La fibra es más o menos de sección cilíndrica, con un lumen muy fino y relativamente gruesas paredes en la célula. Históricamente el “retting” (un proceso en el que se estrujan las raíces a través de un rodillo compresivo) ha sido el método de elegir las fibras útiles de la planta. El lino es cultivado para obtener 3 productos agrícolas distintos: la semilla, la linaza y la fibra. Sin embargo estos 3 productos no pueden ser obtenidos de forma óptima del mismo proceso de cultivo o programa de cosecha. La fibra se obtiene mejor de una planta que esté inmadura y no produzca semillas en época de cultivo. Estas plantas inmaduras producen las fibras más largas y fuertes de la especie. En contraste, las fibras obtenidas de plantas cultivadas para semillas son de una tensión y fuerza significativamente menor. Sin embargo la fibra puede ser obtenida de esta manera y actualmente formar un cultivo de semillas infrautilizado. Los investigadores han identificado el lino además del cáñamo, el quenaf, el yute y el coir, como grandes promesas en el uso de compuestos de materiales de construcción y otras aplicaciones. En adicción de la celulosa producida desde la pulpa de madera la celulosa producida de fibras naturales es uno de las mejores fuentes de producción natural de polímeros naturales mecánicamente interesantes.
PROGRAMA EXPERIMENTAL Acero reforzado con lino 1. Test de tensión: Cilindro de 100 dia por 200 mm. 2. Test de compresión uniaxial: cilindro de 100 dia por 200 mm. 3. Test de curvatura en tres puntos: viga de 100x100x350 Fibra suelta 4. Test de tensión directa Estos test se consideraron como el tipo y numero apropiados requeridos para establecer las características de transferencia de carga de FFRC. Para todos los test, las proporciones de mezcla de los distintos componentes del cemento se mantenían constantes, mientras que la longitud de las fibras testeadas variaba entre 1, 3, 5, 7.5 y 10 cm. Las proporciones de las mezclas y los materiales actuales usados fueron los siguientes: Los especimenes testeados se componían de fibra de lino de varias longitudes aleatoriamente distribuidas con la mezcla de hormigón y aditivos. Las fibras no fueron tratadas. Mientras que hay evidencia de que varios tratamientos de las fibras podrían aumentar su longevidad en la matriz de hormigón, así como contribuir a un aumento incremental de resistencia ala tensión. El estudio no escogió utilizar ningún tratamiento debido a los inevitables costes adicionales en que podría incurrir. Maria del Mar Nogueira López
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Los costes adicionales del proceso plantean el riesgo de convertir el material como económicamente inviable como alternativa al típico hormigón reforzado especialmente en regiones en desarrollo. Para esta serie de test no agregados, fue utilizado, debido a los efectos dañinos, estos relativamente grandes elementos que tiene la fibra de lino. También se determinó que estos agregados dificultaban la aleatoria y uniforme distribución de fibras en el hormigón.
La calidad hidrofilita de la mayoría de las fibras vegetales hacía difícil de manipular la mezcla de hormigón debido a la sustancial absorción de agua y superficie rugosa del haz de fibras. Este efecto tiende a conformar una distribución homogénea de fibras en la mezcla de hormigón. Los gases de sílice fueron utilizados basándose en estudios que habían identificado “pozzolands” como contribuyentes sustanciales para reducir la sensibilidad de la mezcla de los compuestos de fibra de hormigón reforzada con celulosa. Además de estas propiedades, el sílice fue utilizado para proporcionar un empaste denso entre todas las partículas hidratadas y la fibra natural. Sustituir los gases de sílice con un “flyash” o otras sustancias industriales es otro objetivo futuro de los investigadores. Los datos producidos por los test que fueron más productivos en determinar: Fuerza ultima Tenacidad Determinando estos dos valores se obtendrá una útil comprensión de la absorción de la energía de los materiales.
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Hannant y Piggott hacen hincapié en la importancia de evaluar la contribución de la fibra y la matriz de forma separada. La fuerza última es el valor mas fácil de definir ya que es simplemente la carga mas alta soportada por el espécimen, ya sea en compresión, torsión o tensión. El valor de tenacidad a pesar de que se derive empíricamente de una manera más compleja es una importante propiedad de los compuestos de fibra reforzada. La determinación de la tenacidad se guía por numerosos estándares internacionales. Tal y como describe Barr la tenacidad se define como la capacidad de absorción de energía de los materiales determinada por el área bajo la curva del desplazamiento de carga que se obtiene por medidas experimentales.
TEST DE COMPRESIÓN Los test de compresión indican relativamente pocos beneficios en la inclusión de fibras de lino de 1 y 5 cm. en comparación con las muestras no reforzadas. Incluso hay un aumento en la carga última de estas muestras. Los fallos en el mecanismo de todos estos especimenes fueron relativamente catastróficos. Sin embargo la fibra de 10 cm. FFRC demostró una mejor respuesta, resistiendo una fracción mas significante de la carga gracias a un mucho mayor desplazamiento y teniendo un valor mucho mas grande de tenacidad. Sin embargo cunado los resultados de fibras de 2.5 y 3 cm. de longitud se sobre imponen sobre el grafico previo es claro que este rango de longitudes de fibra se comporten significativamente mejor que los de 1 5 o 10 cm. Ambas magnitudes los valores de carga y tenacidad son mas grandes con el uso de longitudes de fibra de 2,5 y 3 cm.
TEST DE TORSIÓN DE TRES PUNTOS El test de torsión es más complicado y garantiza una descripción detallada en este punto. Se usó un rayo de corte bajo el test de los 3 puntos de torsión en vez del más comúnmente usado de 4 puntos. En materiales quebradizos, como el hormigón y el mortero, el test de rayo de corte claramente ilustra el comportamiento mecánico de los composites, fibra y matriz, en el primer momento de rotura. El rayo de corte representa el comportamiento del material en la superficie de rotura y también permite un mejor estudio de la contribución de la fibra embebida en la resistencia del compuesto y de las consiguientes cargas.
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Curvas de carga y desplazamiento de un test de torsión de 4 puntos de mezclas de hormigón usando fibras de lino. Las etiquetas se refieren a la longitud (cm.) de la fibra de lino dispersas aleatoriamente, en la matriz de hormigón. Claramente el refuerzo de 3 cm. de fibra es superior en fuerza sobretodo en tenacidad y muestra buen comportamiento multirotura.
Por la incorporación de fibras naturales con una matriz cementicia, el rayo de corte cargado en la torsión de tres puntos, es particularmente útil para el comportamiento actual del refuerzo con fibras. Se obtienen también valores de deflexión de mediciones del desplazamiento del arranque de rotura. El test también confirma las superiores prestaciones de las muestras de 2,5 y 3 cm. de fibra reforzada. No solo son valores de fuerza y tenacidad mayores de 1, 5 y 10 cm. de muestra, pero los dos ejemplos de 2.5 y 3.0 cm. de muestran indicadores de multirotura; un buen indicador de la absorción de energía del refuerzo de fibra. Después de revisar los resultados de estos otros test, más repeticiones de los correctamente realizados para llegar a una conclusión clara que esté relacionada con la longitud óptima de la fibra de lino como refuerzo de hormigón. Con este test se determinó que la longitud óptima es de 3.0 cm. Adicionalmente esta fibra de 3 cm. produce una mezcla sin aparentes grupos de fibras naturales.
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ANALISIS CON ESCANEO MICROSCOPICO (SEM)
Primero: los haces de fibras fueron encontrados intactos y separados en segmentos individuales en el hormigón hidratado. No había una clara ponderación de una condición sobre las otras y ambas situaciones fueron encontradas distribuidas en la matriz. Segundo: como resultado del estado de separación en fibras durante la selección da la situación de que la matriz no ha penetrado entre los haces y las fibras. Sin embargo, se encontró, que la pasta de cemento entró entre estos espacios y ha rodeado completamente las fibras y los haces de estas. Ningún área entre fibras individuales encontradas llenas de pasta de cemento. Adicionalmente muchas fibras que se dejaron expuestas a la superficie de rotura fueron correctamente recubiertas de la matriz. Tercero: Del examen de al menos 56 muestras parece claro que una variedad de fallos contribuyen a la rotura de la mezcla. Con estos resultados se demuestra la buena interface entre la matriz de hormigón y fibra de lino. Varios vínculos interfaciales podrían ser vistos. Las imágenes muestran una buena interacción entre el hormigón hidratado y las fibras de lino con una distribución aleatoria de estas últimas perfectamente visible en las imágenes. Además las imágenes muestran que el hormigón y los haces de fibras están claramente estableciendo un vinculo mecánico interfacial.
Maria del Mar Nogueira López
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CONCLUSIONES Las fibras naturales tiene ventajas de buena resistencia a los ratios de peso, gran disponibilidad y bajo coste. Fácil procesamiento, facilidad de reciclaje y capacidad biodegradable. Las fibras incluyen las más amplias y disponibles fuentes agrícolas de celulosa y lignun. “Sisal”, paja, lino, cáñamo, yute,… y otras fibras naturales tropicales y de clima templado son ejemplos que han sido mostrados por tener buenas potencialidades para usarse en el refuerzo de los compuestos con estas fibras. Las aplicaciones se enfocan principalmente buscando alternativas de bajo coste para construcción en regiones en desarrollo. Los resultados del test y los análisis SEM también indican que: 1. la fibra de lino contribuye tanto a la resistencia como a la tenacidad el hormigón 2. la fibra de lino en el hormigón esta optimizada a una longitud de aproximadamente 3 cm. 3. una efectiva inclusión morfológica de las fibras en el hormigón es posible con un protocolo apropiado de mezclas que evite agrupamientos de fibras. 4. las fibras de lino contribuyen al aumento de las propiedades mecánicas del compuesto de hormigón a través de una compleja combinación de fallos mecánicos de la fibra/matriz. 5. FFRC permite razonables expectativas de resistencia y tenacidad para un material estructural viable en edificios de corta y moderada envergadura. Sin embargo la fibra de lino demuestra las típicas características negativas de la mayoría de fibras naturales. Una de las más importantes es que las fibras naturales son relativamente difíciles de manejar como parte de cualquier proceso húmedo como el de inclusión de hormigón en moldes y formas. La superficie variable de las fibras y la variación de sus longitudes y calidades le dan a las fibras formas inmanejables cuando se manipulan. En diversos estudios se encontró que la manipulación exitosa de las fibras requiere familiarizarse con la particular viscosidad y textura de la mezcla de hormigón y fibras naturales.
Maria del Mar Nogueira López
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BIBLIOGRAFIA
# Material Architecture John Fernández Architectural Press 2006
# High Quality Flax Fiber Composite Kristina Oksman Journal of Reinforced Plastics and Composites 2001 # Pre-treatment of Flax Fibers for use in Biocomposites Wang and Panigrahi Journal of Reinforced Plastics and Composites 2007