mi tesis final (4)

8/18/2019 Mi Tesis Final (4)

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USO DE LA FIBRA DE COCO PARA MEJORAR LASPROPIEDADES MECANICAS DEL CONCRETO

DAVID ESTEBAN REYES CAMPO

C.C 1035426554

Asesor TemáticoHarveth Hernán Gil Sánchez

Ph.D en Ingeniería

Trabajo de grado como requisito para optar al título de

Ingeniero Civil

POLITECNICO COLOMBIANO JAIME ISAZA CADAVID

FACULTAD DE INGENIERIASINGENIERIA CIVIL

MEDELLIN2015

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwipjpi_wb3JAhXLLSYKHax1Cb8QjRwIBw&url=http://www.afacom.org/convenios&psig=AFQjCNEUsRuyQQd7ETsQ-p8UzqpfyG2AfA&ust=1449156036359170



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Nota de aceptación

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Presidente del jurado

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Jurado



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DEDICATORIA

A la memoria de mi abuelo José Jota Campo Uzuga,

que Dios lo tenga en su Santa Gloria.



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AGRADECIMIENTOS

- A Dios por tanta bondad.

- Un especial agradecimiento al Doctor Harveth Hernán Gil Sánchez por suconocimiento, continuo apoyo y acompañamiento.

- Al profesor Juan Carlos Cardona Jiménez por su concejo y aporte.

- A la Magister Dayana Meza Terraza (UdeA) por haber realizado los ensayosSEM/EDS.

- A mis compañeros de estudio Santiago Guerrero Molina y Leonardo OspinaMejía por su ayuda en los momentos de más carga académica en el tiempo queestuve incapacitado durante este semestre.

- A mis padres Consuelo de Jesús Campo y Fredy Manuel Reyes Berrio por suapoyo incondicional.

- A mi hermana Catalina Reyes Campo por su guía.

- A mis dos sobrinos Juan Miguel Ballesteros Reyes y María Fernanda BallesterosReyes por su afecto.

- A mi compañera y amiga Yorladiz Rueda Londoño por su concejo y participación.

- A mi tío el Sacerdote Felipe Campo Sepúlveda y mi hermano Fray John FredyReyes Campo por su oración y buen juicio.



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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. ESQUEMA DE CUERPO LIBRE DE UNA FIBRA DENTRO DE UNA MATRIZ CEMENTICIA. FIGURA 2. DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS EN LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA FIBRA. FIGURA 3. ESFUERZO CORTANTE. 28 FIGURA 4. ESFUERZOS TANGENCIALES. 28 FIGURA 5. CAPAS DE LA FRUTA DE COCO. 31 FIGURA 6. “CAPACHO” 32

FIGURA 7. FIBRAS DE COCO. 33 FIGURA 8. BALANZA ANALÍTICA. 34 FIGURA 9. BULBO. 35 FIGURA 10. BULBOS PARA EL CÁLCULO DE LA HUMEDAD RELATIVA. 35 FIGURA 11. ALMACENAMIENTO DE LOS AGREGADOS 36 FIGURA 12. CANASTILLA DE ALUMINIO FIGURA 13. BÁSCULA 36 FIGURA 14. POSICIÓN DE LA MEZCLADORA 37 FIGURA 15. ENSAYO DE ASENTAMIENTO 37 FIGURA 16. IMAGEN DE LA CONSISTENCIA DE LA MEZCLA CON LA FIBRA DE COCO. FIGURA 17. PRUEBA EMPÍRICA DE TENACIDAD EN CILINDROS. 39 FIGURA 18. TANQUE DE CURADO. 40

FIGURA 19. IMAGEN DE LA MÁQUINA DE COMPRESIÓN. 40 FIGURA 20. COMPONENTES DEL SEM. 41 FIGURA 21. EXCITACIÓN DE ELECTRONES. 43 FIGURA 22. PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS. 44 FIGURA 23. DIMENSIONES DE CILINDROS BAJO NORMA ASTM C31 45 FIGURA 24. CURVA DE ABSORCIÓN DE HUMEDAD DE LA FIBRA DE COCO. 49 FIGURA 25. ASPECTO VISUAL DE LAS PROBETAS TRAS SER FALLADAS A COMPRESIÓN A 28 DÍAS DE

FRAGUADO. EN LA PARTE A) CILINDROS CON 0.4% DE FIBRA DE COCO Y B) CILINDROS CON 1.2 % DEFIBRA DE COCO. 50

FIGURA 26. CURVA DE RESISTENCIA ÚLTIMA CON 0.4% EN VOLUMEN DE FIBRA DE COCO. FIGURA 27. CURVA DE RESISTENCIA ÚLTIMA CON 1.2% EN VOLUMEN DE FIBRA DE COCO. FIGURA 28. COMPARACIÓN DE RESISTENCIA ÚLTIMA A DIFERENTES PORCENTAJES DE FIBRA DE COCO. FIGURA 29. DENSIDAD VERSUS TIEMPO DE CURADO PARA TODAS LAS MUESTRAS. 5 FIGURA 30. PESO VERSUS TIEMPO PARA LAS DIFERENTES MUESTRAS. 56 FIGURA 31. COMPARACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES PESOS CONTRA EL TIEMPO PARA LAS MUESTRAS. FIGURA 32. RESULTADO DEL ENSAYO DE ASENTAMIENTO. 57 FIGURA 33. IMAGEN SEM 1. 59 FIGURA 34. IMAGEN SEM 2. 60



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CONVENCIONES

LONGITUD MINIMA DE FIBRA:

σm, esfuerzos normales a la línea axial de la fibra

τ, esfuerzo cortante de adherencia resistente de la fibra

d, diámetro de la fibra

A,área de una sección transversal de fibra de coco

σ f ,esfuerzo normal a la sección transversal de la fibra

τi, esfuerzo cortante resistente de la fibra

dl,diferencial de longitud de la fibra

τm, esfuerzo tangencial total de toda la longitud de la fibra

lc, longitud critica de las fibras

DISEÑO DE MEZCLA

Vc,Volumen de un cilindro.

As,Area superior del cilindrol, Altura del cilindro

Vm, volumen de la muestra

n, número de cilindros

a/c, relación agua/cemento

Vw, volumen del agua

Vsp, volumen del superplastificante.

Wf, peso de la fibra.

ρ f, densidad de la fibra.



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CURVA DE ABSORCION DE HUMEDAD

Vwf , volumen de agua contenida en la fibra.

%AbsHum, porcentaje de absorción de humedad.

Phum, peso húmedo.

Ps, peso seco.

RESISTENCIA ÚLTIMA DEL CONCRETO

R, resistencia a la compresión del concreto.

σ , Desviación Estándar.

Χi , Resistencia a la compresión en la fórmula de desviación.

n, número de ensayos.

F, fuerza en Kilo- libras fuerza.

A, Área superior de las muestras.



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RESUMEN

La investigación y el conocimiento actual en el sector de la construcción apuntan ala implementación de materiales sostenibles, que sean más amigables con el

medioambiente y que tengan bajos valores de impactos como lo son la huella decarbono y la energía incorporada del producto. Es por ello, que en estamonografía, se analizó el uso de la fibra de coco como material de refuerzo delconcreto, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas.

Para cumplir el objetivo, se trabajó con fibra de coco comercial con una longitudfinita de dos pulgadas – seleccionada según la literatura, porque si es mayor ladistribución de las fibras se vuelve más heterogénea-. Luego se construyeron

cilindros de concreto modificados con 0.4% y 1.2% en volumen de fibra de coco yse compararon con cilindros de concreto sin modificar (blancos). Las proporcionesde mezcla escogidas fueron de 1:2:2 (cemento:grava:arena) con una relaciónagua/cemento de 0.65, que son habituales para estos sistemas de concreto confibras naturales.

A cada cilindro se le midió la densidad y la resistencia a la compresión para 7, 14 y28 días de fraguado, excepto para los blancos los cuáles solo se ensayaron para

28 días de fraguado. Cada ensayo se hizo por duplicado.

También, se caracterizó la fibra de coco utilizada mediante un análisis demicroscopía electrónica de barrido (SEM) con el fin de encontrar la morfología ycomposición elemental de las fibras y se realizó además una prueba de absorciónde humedad.

Los resultados muestran que a mayor cantidad de fibra hay un aumento en laresistencia a la compresión. Lo que se podría explicar por un un endurecimientodel concreto debido a que la fibra ejerce una resistencia a ser arrancada de lamatriz, evidenciando una buena mezcla entre la matriz y el refuerzo.

Se observó también que al hacer el ensayo de compresión del concreto, la fibra decoco le otorgó una resistencia al avance de las grietas, incluso después de haber



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llegado al esfuerzo último de falla, lo que quiere decir que la fibra de coco serviríacomo un refuerzo más seguro para algunas aplicaciones, puesto que otorga untiempo más cuando está fallando el material, para que se gestionen lasreparaciones necesarias del elemento estructural sin que se desmorone elcompuesto.

De los resultados de absorción de humedad, se encontró que la fibra de cocotiende a absorber una cierta humedad considerable comparada con otras fibrasvegetales, debido a su carácter hidrofílico por provenir del fruto del coco y de lasplantas en general. Esta absorción, obviamente influye en los procesos defraguado del concreto, retardándolos para casi todos los cilindros. Es por eso quepor recomendación de la literatura, se utilizó superplastificante como elementoadicional de la mezcla con el fin de evitar dichos problemas, algo que funcionósatisfactoriamente.

Cuando se observó la fibra con el SEM, se evidenció una superficie de la fibra conuna forma muy constante para cada fibra, pudiéndose asemejar a un cilindro. Seobservó además que a pesar de que la rugosidad no es tan alta, si presentainicialmente fisuras que permiten el anclaje del cemento. A partir de la morfologíase pudo determinar que el diámetro de las fibras era de aproximadamente 340 µm.Mediante la técnica analítica de energía de dispersión de rayos x (EDS) que poseeel equipo SEM, se encontró que los elementos detectados fueron carbono yoxígeno – propios de la estructura orgánica de la fibra- y silicio –probablementeproveniente del tratamiento al que es sometido las fibras para su separación.

Del trabajo de investigación se concluye que las fibras de coco utilizadas poseenuna rugosidad superficial pertinente para una aceptable adherencia con el

cemento, evidenciado por el aumento de la resistencia a la compresión de losconcretos modificados con las fibras. Además, las fibras sirven para mantener unacohesión mayor en los cilindros evitando que fallen completamente cuando sonsometidos a cargas.

Como trabajo futuro, se plantea un estudio minucioso del aumento de la rugosidadde las fibras de coco así como ensayos de durabilidad de la fibra dentro del



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ambiente del concreto, para lo que se necesita analizar diversos tipos derecubrimientos.

PALABRAS CLAVES: fibro-cemento, resistencia a la compresión, fibrasvegetales, fibra de coco, sostenibilidad, materiales sostenibles .



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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCION ......................................................................................................................... 13

2. JUSTIFICACION........................................................................................................................... 15

3. DESCRIPCION Y ALCANCE CONCEPTUAL ................................................................................... 16

4. OBJETIVOS ................................................................................................................................. 17

4.1 OBJETIVO GENERAL: ................................................................................................................ 17

4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS: ........................................................................................................ 17

5. HIPOTESIS .................................................................................................................................. 18

6. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................................ 19

7. REVISION DE LA LITERATURA .................................................................................................... 208. MARCO TEORICO ....................................................................................................................... 25

8.1. CONSIDERACIONES TECNICAS DEL CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS: ...........................

8.2. LONGITUD MINIMA DE LA FIBRA ........................................................................................... 26

8.3. PALMA Y FRUTO DE COCO ..................................................................................................... 30

9. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ..................................................................... 33

9.1. FIBRA DE COCO: ..................................................................................................................... 33

9.2. CURVA DE HUMEDAD: ........................................................................................................... 33

9.3. HUMEDAD RELATIVA: ............................................................................................................. 34

9.4. ELABORACION DE PROBETAS: ................................................................................................ 35

9.5. DISEÑO DE MEZCLAS: ............................................................................................................. 44

10. RESULTADOS Y ANALISIS ....................................................................................................... 49

10.1. ENSAYO DE LA CURVA DE ABSORCION DE HUMEDAD......................................................... 49

10.2. APARIENCIA VISUAL DE LOS CILINDROS ............................................................................... 50

10.3. ENSAYO DE RESISTENCIA ÚLTIMA Y DE DENSIDADES DEL CONCRETO ................................

10.4. ENSAYO DE ASENTAMIENTO PARA EL CONCRETO ............................................................... 5710.5. CARACTERIZACION DE LA FIBRA MICROSCOPIA DE BARRIDO S.E.M ................................... 5

11. CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 62

12. TRABAJO FUTURO ................................................................................................................. 64

13. REFERENCIAS ......................................................................................................................... 65



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LISTA DE TABLASTABLA 1. RESUMEN RESULTADOS DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN CON SUS DESVIACIONES

ESTÁNDAR. 51 TABLA 2. ELEMENTOS ESTRUCTURALES PARA CADA VALOR DE ASENTAMIENTO.



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1. INTRODUCCION

El profesor Juan Carlos Ochoa, Universidad Politécnica de Valencia, resaltódurante una conferencia, la importancia de los desarrollos tecnológicos en laimplementación de fibras para el refuerzo del concreto, y dentro de las fibras quemás se ha destacado está la fibra de acero. No obstante, nuevas tecnologías queno utiliza materiales sintéticos, sino de carácter natural, ha emergido en los últimosaños, como por ejemplo el uso de fibras extraídas de las plantas. (1)

La ventaja de esta clase de materiales para la fabricación de compuestos, es queutilizan recursos renovables, menos costosos, que requieren menos consumo deenergía para su extracción y abundan en el medio. Además, investigacionesprevias apuntan a que de hecho, las fibras naturales mejoran el comportamientode las propiedades mecánicas del concreto.

Ochoa explica además que la ventaja en el uso de productos naturales es ladisminución de sustancias contaminantes que son generadas en los procesos defabricación, y que por otro lado requieren altos consumos energéticos. Laposibilidad de utilizar materiales naturales puede llevar a mejorar las propiedades

del concreto a menor costo y con menores impactos ambientales. (1)Se ha observado mediante ensayos de laboratorio, que las fibras de coco confinanal concreto, amarrándolo, y evitándole el desmoronamiento pos-fisuramientoprovocado por las grietas que aparecen después de que los morteros han sidofallados. Esto permite dar una idea de una resistencia residual que evita que laestructura colapse abrupta y repentinamente sin dar aviso ni tiempo parareparaciones. Adicionalmente, se está generando con la fibra de coco, un material

más seguro que da aviso de su patología estructural por medio de grietas pero sinceder al colapso y dando un valioso tiempo para que el elemento estructuralpueda ser reparado o reemplazado.



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El origen de la utilización de fibras naturales, como lo menciona el profesor JamesRomualdi (2), es que el uso de las fibras naturales como refuerzo de materiales deconstrucción aparece en la Biblia (3). Moisés y Aarón pidieron al Faraón permisopara traer a los israelitas del desierto durante tres días para trabajar en laconstrucción. El Faraón negó la petición, es más los castigó, alertando a suscuadros dirigentes, “No debemos dar al pueblo paja, hierba para hacer ladrillos;

démosle paja, hierba para ellos mismos” .

Quizá se deba mirar un poco hacia atrás en el tiempo detalladamente en la historiadel hombre, y observar sus construcciones de obras civiles, que hoy día perduranen pie y que su huella e impacto en el medio ambiente fueron casi nulas ycontinúan siéndolo, y adoptar una postura firme para promulgar las construccionessostenibles y reconciliar al hombre con la naturaleza, evitando daños al medioambiente que se ven reflejados en el fenómeno del cambio climático, y haciendo alas construcciones más limpias, llenas de espacios libres, con más luz natural,aire limpio y temperaturas tolerables.

La preocupación por el medio ambiente ha contribuido a investigaciones de

materiales híbridos que aprovechen las propiedades mecánicas de las fibrasnaturales y a su vez favorecen la reducción del impacto ambiental y de la huella decarbono, haciendo materiales más amigables para el planeta.



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2. JUSTIFICACION

Debido a que en la actualidad se continúa con los sistemas de construcción desdeun punto de vista tradicional utilizando materiales no renovables e impactandoprofundamente el medioambiente, es importante buscar alternativas al uso deestos materiales. Se pretende entonces, con esta propuesta, reducir la cantidad deemisiones de dióxido de carbono (CO2) al darle uso a la mayor parte de residuosde la industria de coco, evitando toneladas de quema en hornos de estos residuosagrícolas. Por otro lado al reducir el peso de las estructuras, se reduce a su vez laemisión del CO2 y de otros componentes derivados del petróleo utilizados en elproceso de fabricación y disposición final del concreto, como por ejemplo, en el

uso de aditivos y en el transporte de materiales.

Teniendo en cuenta que la fibra de coco es un recurso renovable de origen vegetalde buena calidad, y que su extracción es ampliamente conocida y trabajada en laregión, es factible el uso de la fibra como un recurso viable y sostenible paramezclarse con el concreto.



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3. DESCRIPCION Y ALCANCE CONCEPTUAL

En general, este trabajo de investigación busca generar un buen comportamientomecánico del concreto simple en combinación con una fibra natural. Para ello serealizaron ensayos de resistencia a la compresión en muestras con dosporcentajes diferentes de fibra de coco, 0.4 y 1.2%, y se compararon con muestraspatrón sin adición de fibra. Además, se buscó obtener un buen comportamientopos fisura tras la falla del compuesto.

En general, el alcance de la tesis está focalizado a ser difundido en principio aelementos estructurales que no estén sometidos a grandes esfuerzos de tracción yde compresión como por ejemplo en aplicaciones como paneles, vías y andenes,debido a que el uso de fibras naturales para el refuerzo del concreto enestructuras complejas aun es tema de investigación y debate. A pesar de que elestudio está limitado a estructuras simples, dichas estructuras demandan grancantidad de metros cúbicos de concreto, por lo que es pertinente reemplazar partede los materiales tradicionales por fibras naturales con el fin de aplicarlos enandenes y taludes en vías de barrios y corregimientos con un bajo costo.

De la revisión de la literatura se ha encontrado que la fibra de coco le otorga a lamatriz de cemento una resistencia al desmoronamiento después de que fallan loscilindros, creando puentes de fibra entre las grietas del material.

También se ha observado que la fibra de coco, presenta una buena resistencia ala degradación en morteros de concreto debido a sus componentes naturales quela hacen inmune a bacterias y a la humedad hasta cierto punto, pero así sesuceda este proceso de degradación, las fibras evitan el fisuramiento prematuro

del concreto. Esto permite que no se originen problemas en las edades avanzadasdel concreto.



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4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL:Mejorar la resistencia a la compresión del concreto simple mediante la adición defibra de coco.

4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS: Caracterizar la fibra de coco mediante espectroscopia electrónica de

barrido, y propiedades físicas.

Evaluar el comportamiento de las fisuras del concreto simple reforzado con

fibra de coco. Determinar la influencia de la adición de fibra de coco con relación a la

resistencia a la compresión del concreto simple.



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5. HIPOTESIS

El trabajo de investigación busca responder la pregunta:

¿Es posible aumentar la resistencia a la compresión del concreto simple mediantela adición de fibra de coco con una longitud finita de dos pulgadas?



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6. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Uno de los problemas de ingeniería civil en la actualidad es el de estabilización detaludes, problema que ha generado diversos tipos de investigaciones con el fin demantener carreteras más seguras. Además, es necesario estar monitoreandocontinuamente el concreto, revisando las grietas y fisuras, para evitar quepequeños y medianos trozos de roca, puedan volcar e impactar en la carretera yaccidentar a los automóviles y personas que allí transitan. El movimiento defuerzas motoras en el talud es constante y presenta una patologíapredeterminada, se requiere un concreto que no se desmorone para que novolqué como las rocas en el talud, y que sea lo más económico posible,

Para este caso en particular, la fibra de coco serviría como una aplicación directacomo refuerzo del concreto, pues se sabe que el concreto de este talud no va adurar por un largo periodo de tiempo debido al movimiento por licuación de suelospor causa del agua. Se puede pensar entonces, que el periodo de degradación dela fibra de coco no sea un problema para esta aplicación. En condicionesnormales, la degradación de la fibra tarda unos 30 años debido a sus contenidosde lignina que la protegen de bacterias y humedad. (4).

También, la fibra de coco es ideal en un talud, porque amarra el concreto y evitaque se volqué como una roca, y a la vez proporciona un tiempo adicional parareparaciones o sustituciones gracias a ese amarre debido a la fibra, haciendo deeste material un material seguro y de fácil monitoreo.



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7. REVISION DE LA LITERATURA

El coco es una fruta tropical obtenida del cocotero (cocos nucifera), la palmeramás cultivada a nivel mundial (5), sin embargo, también está constituido por laestopa o mesocarpio, que se encuentra entre el exocarpio duro o cubierta externa,y el endocarpio o envoltura dura, que encierra la semilla. El valor de esta estribaen su contenido de fibra (fibra bonote), de la cual se pueden distinguir tres tiposprincipales: una larga y fina, una tosca y una más corta, material que se puedeconvertir en una alternativa de utilización como materia prima fibrosa de agregadoliviano en la industria del concreto aligerado. El fin de utilización de la fibra en uncompuesto, es el de disminuir el peso de las estructuras y proporcionar un grado

aceptable de resistencia (6). Los parámetros que describen una fibra de coco sonsu longitud, su diámetro y su aspecto o esbeltez, que es la relación que existeentre la longitud y el diámetro. La fibra cortada de bonote varía entre 15 y 35 cm,su diámetro varia de 0.1-1.5 mm, tiene una capacidad de estiramiento de 29.04%,con un módulo de rigidez de 1.8924 dinas/cm2 (7).

Se estima que anualmente se generan 12.75 toneladas de residuos de la plantade coco en Filipinas. Aunque esto podríamos verlo como un problema, es algo que

ofrece una buena perspectiva para la utilización de residuos agrícolas enproductos de alto valor añadido, o como componente para la industria de laconstrucción (7). A continuación, una breve revisión de literatura en la que sedescribe la utilización de la fibra de coco como material de refuerzo.

Científicos de la universidad de Baylor en 1999 en Estados Unidos, propusieronusar la cascara de coco para la fabricación de algunas partes de los automóviles,en específico el revestimiento de los maleteros, los suelos, y las cubiertasinteriores de las puertas. Según ellos, la fibra del coco presenta mejorespropiedades mecánicas que las fibras del poliéster, y su uso podría beneficiar amillones de personas dedicadas al cultivo de este fruto (8).

Expertos de la Unidad de Reciclaje y Procesamiento de Materiales del Centro deInvestigación Científica de Yucatán (CICY) trabajaron en un proyecto para obtener



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materiales de construcción y polímeros de uso industrial, a partir de fibra de coco.(9). Ayala, informa que se desarrolló la tecnología necesaria para fabricarmateriales innovadores que puedan ser empleados como los que son utilizados enla industria de la construcción. Se encontró que estos materiales tendrían un costosimilar o incluso menor a los materiales tradicionales, con la ventaja de que suelaboración genera mayor utilidad que los materiales de uso común. Entre estosmateriales se encuentran los bloques similares a la tabla roca para muros falsos,tabiques para obras generales y láminas para naves industriales, que puedenresistir los mismos factores extremos de los tradicionalmente utilizados.

La Unidad de Reciclaje del CICY también creo un material conglomerado similar alutilizado para la fabricación de cocinas integrales, pero con la ventaja de que esde mayor durabilidad y más resistente a la humedad que los elaborados en aserríno maderas recicladas. Los especialistas generaron paneles en los que mezclanconcreto con la fibra y polvo de la palma de coco, con una combinación quepermite aminorar el efecto de las elevadas temperaturas que prevalecen enYucatán, México. (9).

Por otro lado, se han encontrado resultados experimentales exitosos en el uso depolvo de fibras de coco para crear maderas plásticas o bien para lograr que estaspuedan mezclarse con polímeros, resultando en la fabricación de cubos, cubetas,recipientes y vasos para uso doméstico e industrial. (9).

Los trabajos realizados en el campo de las fibras naturales como refuerzo dehormigones y morteros han estado muy determinados por las fibras propias queposee cada país, siendo por ello un carácter totalmente local.

Se reportan más de 40 países en el mundo, que de una forma u otra usan fibras

orgánicas en el proceso constructivo. En general, estos empleos han estadodeterminados por el quehacer cotidiano de generación tras generación de lospaíses en vía de desarrollo, sin una argumentación científica técnica en la mayoríade los casos (10).



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En el Asian institute of technology of Bangkok se realizaron estudios sobre fibrasde coco en cemento a mediados de la década del sesenta, concluyeron que lasfibras interfieren en los tiempos de fraguado del concreto, de hecho, aumentándolo(11).

También, Jarman (12) menciona en su investigación sobre fibras, la posibilidad deutilizar fibras de coco como refuerzo del hormigón debido a su resistencia ydurabilidad.

En 1979, Miettunen, A, y Oy Partek (13) estudian la posibilidad de usar fibras decoco y de sisal en el concreto. Ellos sometieron las fibras a cámaras climáticas enFinlandia y encontraron que las fibras tanto de sisal como de coco después de ser

refuerzo para el concreto, sufrían debilitamiento.

En 2006 Narva (14), desarrolló una patente de un chaleco antibalas fabricado confibra de coco, capaz de frenar el impacto de un arma 9 milímetros a una distanciade hasta 3 metros, se perfila como una opción en el mercado, no solo por elmaterial usado, sino porque tiene un peso 50 por ciento menor al de prendassimilares.

Novoa Carrillo (15) desarrolló tableros aglomerados a base de fibra de coco ycemento para ser utilizados en construcciones de casas simplificadas comomuros, revestimientos de techo, y como soporte para la base y encofrado desuelos de nivel superior con el acero como componente estructural principal.

La fibra de coco puede ser almacenada durante largos periodos en condiciones debaja humedad (16). En condiciones adecuadas de almacenamiento, este productono representa un riesgo para ningún animal doméstico ni para el ser humano. Enel mercado existen varias posibilidades de compra de la fibra de coco para cadanecesidad de construcción, como por ejemplo placas de fibra de coco y corchoexpandido para aislamientos acústicos, placas de fibra de coco, molido colado enbloque, molido colado, molido no colado, fibra cruda, y rollos de fibra de coco paraaislamientos acústicos bajo pavimentos.



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Jústiz-Smith et al. (17) presentaron los resultados del uso de fibras vegetales parael diseño de materiales híbridos. Las fibras objeto de investigación fueron elbagazo de la caña de azúcar, el tronco de la planta de banano, y la fibra cocoextraída del mesocarpio de coco. Las fibras fueron sometidas a ensayos paradeterminar sus características físicas y químicas. Los investigadores, con base ensus resultados, proponen un uso potencial de fibras celulósicas para el refuerzo demateriales por tener la ventaja de poseer atributos ambientales y de bajo costo,además de promover un desarrollo regional en la explotación de estos recursosagrícolas.

Arrakhis et al. (18) investigaron la influencia de las propiedades mecánicas de lasfibras de coco tratadas químicamente para reforzar una matriz de polietileno dealta densidad (HDPE). Para mejorar la compatibilidad matriz-fibra, utilizaron trestratamientos químicos y estudiaron el comportamiento mecánico del nuevomaterial, silano, hidróxido de sodio y dodecano bromuro (C12). El HDPE fuereforzado hasta un 20% en peso de fibra de coco en todos los materiales. Losresultados mostraron que el módulo de elasticidad para los materiales reforzadoscon las fibras tratadas con silano y C12 incrementó significativamente comparadocon el HDPE sin refuerzo, correspondientes a 120 y 70% respectivamente.

Harish et al. (19) evaluaron las propiedades mecánicas de un material elaboradocon matriz epóxica reforzada con fibra de coco comparado con otro refrozado confibra de vidrio. Las muestras de epoxi – fibra de coco exhibieron en promedio paralas resistencias de tensión, flexión e impacto de 17.86 MPa; 31.08 MPa y 11.49kJ/m2 respectivamente. Mientras que las muestras de epoxi reforzado con fibra devidrio presentó las anteriores propiedades en 85.35 MPa; 132,39 MPa y 52.66kJ/m2, respectivamente. Se concluyó que la fibra de coco puede ser usada como

un refuerzo para fabricar compuestos termoplásticos de baja exigencia mecánicadebido a que las propiedades mecánicas son significativamente más bajas queaquel compuesto reforzado con fibra de vidrio.

En la India, Mominul et al. (20) hicieron un material hibrido de polipropilenoreforzado con fibra de coco y lo compararon con la misma matriz sin refuerzo. El



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material fue extruido mediante una máquina de moldeo por inyección. Se evaluóla influencia de las fibras, tratadas químicamente o no y la concentración de fibrade coco en la matriz (15, 20, 25, 30 y 35% en peso). Del trabajo se concluyó queel polipropileno reforzado con 30% en peso de fibra de coco obtuvo un óptimorendimiento mecánico en cuánto a la resistencia a la tracción, flexión e impactocon valores de 26 MPa; 57.5 MPa y 56.5 J/m , respectivamente; en comparacióncon las propiedades anteriores de la misma matriz sin refuerzo con valores de 27MPa; 43.5 MPa y 22 kJ/m , respectivamente. Ellos observaron que las fibras decoco tratadas químicamente obtienen mejor rendimiento que las fibras no tratadasdebido al mejoramiento de la compatibilidad fibra/matriz.

Ahora en Colombia, respecto de fibras vegetales, se ha estudiado el fique en elGrupo de Investigación sobre el Fique, del Departamento de Materiales deIngeniería de la Universidad del Valle, donde se ha desarrollado procesos para suaplicación como material de fibro-refuerzo en la fabricación de tejas.

En 2006, García (21), evaluó la resistencia de matrices de cemento reforzadas confibra de coco a diferentes porcentajes de volumen y llegaron a las siguientesconclusiones:

Las más bajas deformaciones se obtuvieron en mezclas con longitud de fibra de 5cm, siendo inferior para un volumen de adición de 1.5%. La resistencia a lacompresión más elevada se obtuvo con los compuestos reforzados con volumende fibra 1.5%, siendo superior para la longitud 2 cm. La única mezcla que presentóresistencia a la tracción indirecta mayor que el concreto fue la que contenía fibrade 5 cm, en un volumen de 0.5%. La adición de fibra afectó positivamente laresistencia a la flexión.

Los resultados obtenidos fueron concordantes con observaciones de experimentosrealizados con anterioridad y bibliografía consultada, en los que se corrobora quelos refuerzos de fibra mejoran de varias maneras la tenacidad de la matriz.



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- Solo se considera como esfuerzos de adhesión de la fibra, la longitud de la fibraque resiste los esfuerzos cortantes de adhesión.

8.2. LONGITUD MINIMA DE LA FIBRA

Se supone un elemento diferencial de área, vista en planta y se plantea laecuación de equilibrio de esfuerzos, dentro del diferencial de área solo se suponela longitud de un diferencial de fibra que resiste los esfuerzos tangencialesúnicamente, la longitud que resiste los esfuerzos de tracción y compresión sesaldrían del plano y no se consideran para la adhesión puesto que no tienen ladirección ni la magnitud para mantener la fibra adherida por fricción a la matriz,entonces sus efectos se desprecian.

La siguiente figura representa la sección transversal de un corte hecho en vista enplanta, que muestra el diagrama de cuerpo libre de la fibra de coco dentro de unamatriz de molde rectangular. Este estado ocurre cuando se observa que en laprobeta al fallarla aparecen fisuras que tienden a desprender hacia los lados odesmoronar parte de las probetas e incluso de observan las fibras que forman unpuente entre las fisuras tratando de contener el desmoronamiento.

Figura 1. Esquema de cuerpo libre de una fibra dentro de una matrizcementicia.

Fuente: Mesa, P. D. (2000). UTILIZACION DE FIBRAS EN HORMIGONES, LA EXPERIENCIA CUBANACON FIBREQUEN .

dónde:

-σ m, son los esfuerzos normales a la línea axial del sólido,



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-τ, esfuerzo cortante de adherencia resistente de la fibra.

-d, diámetro de la fibra.

Aplicando la ecuación de equilibrio estático sobre el elemento diferencial tenemos:

(A)*(dσ f ) = (π )*(d) *(τi) *( dl)

dónde:

A = al área de una sección transversal de fibra de coco.d σ f , diferencial de esfuerzo normal a la sección transversal de la fibra. τi,esfuerzo cortante resistente de la fibra.

D, diámetro de la fibra.

dl, diferencial de longitud de la fibra.

La ecuación anterior se puede resolver más fácilmente, comprendiendo suequivalencia física, para evitar hacer transformaciones en las integrales entérminos de la longitud. La primera parte de la igualdad se presenta gráficamente:

Figura 2. Distribución de esfuerzos en la sección transversal de la fibra.




28

Lo que significa que el esfuerzo diferencial normal está distribuido uniformementeen la sección transversal, el cual se encuentra en cada diferencial de áreahaciendo un corte transversal sobre la fibra.

Luego para la segunda parte de la ecuación se tiene la siguiente información:

Figura 3. Esfuerzo cortante.Fuente: Mesa, P. D. (2000). UTILIZACION DE FIBRAS EN HORMIGONES, LA EXPERIENCIA CUBANA

CON FIBREQUEN .

Como se observa en la figura 3, el diferencial de esfuerzo cortante está sobre unarebanada por la mitad de la fibra con longitud igual al diferencial de longitud. Elesfuerzo mostrado en la figura es equivalente a la sumatoria de esfuerzos

cortantes tangenciales a la mitad del cascaron cilíndrico de profundidad igual a undiferencial de longitud que se presenta en la siguiente figura:

Figura 4. Esfuerzos tangenciales.




29

Se observa que en la primera igualdad, el esfuerzo normal resistente de la fibraactúa dentro de toda la sección transversal y en la segunda igualdad el áreainvolucrada es la zona gris de la figura (3), que se pune igual a los esfuerzostangenciales de la mitad del cascaron de la figura (4) y que además depende de larugosidad de la superficie cilíndrica y de la rugosidad de la matriz que la rodea,pero solo en la transmisión de esfuerzos, para efectos prácticos, se supone quelos esfuerzos se logran transmitir eficientemente y además se trabaja con el valor

hallado en la revisión de la literatura para (σ fr ) o esfuerzo de fluencia.

Al integrar la ecuación [1] entre 0 y l, se obtiene en la primera igualdad el esfuerzotangencial total de toda la longitud de la fibra (τm), recordar que el esfuerzo decizalladura anterior actúa también en la parte superior de la rebanada mostrada enla figura (3), luego hay que multiplicar por 2.

Al final se tiene:

d(σ fr ) = lc*2(τ m ),

Donde lc es la longitud critica de las fibras, y el esfuerzo aún se expresa endiferencial puesto que es el esfuerzo de una sola fibra.

Despejando lc= d(σ fr )/2(τ m ) (2)

Las consideraciones a tener en cuenta para la ecuación anterior son:

- La longitud de la fibra no puede ser muy pequeña, puesto que la fibra no tendríala suficiente superficie de adherencia a la matriz.

- La longitud de la fibra no puede ser muy larga puesto que se generarían grumosal mezclarla con el concreto.

- La longitud de la fibra no debe ser muy grande puesto que en el mezclado segeneran grumos que evita una mezcla homogénea y cae la resistencia final de lamatriz.



30

Por normativa entonces, para este trabajo de investigación se empleó una longitudmáxima de 5 centímetros, procurando que el mayor números de cortes de lasfibras este entre los 3 y 5 centímetros de longitud.

8.3. PALMA Y FRUTO DE COCOColombia es un país productor en potencia, debido a los altos rendimientos en laproducción de la palma de coco, que supera los promedios mundiales. Debido azona productoras situadas en la Costa del Pacifico, que cuenta con suelosfertilizados naturalmente gracias al aporte de nutrientes de los suelos de guandal ynatal, ubicados detrás de los manglares, procedentes de las corrientes fluvialesalimentadas con nutrientes marinos, aportándole la sal que es vital para eldesarrollo del cultivo. (22)

En Colombia existen plantaciones en cerca de 15000 hectáreas, producidas pormás de 10000 familias de pequeños agricultores, que en promedio cultivan entre1.2 y 2 hectáreas. El cultivo puede durar produciendo hasta cien años, conproducción continua durante todo el año. Cada hectárea puede aportar a la familiaentre 0.75 y 1 salario mínimo mensual. (22)

La estopa, la cascara y el agua son desaprovechados, y en gran parte van a parar

a los ríos y estéreos, o a los basureros y alcantarillados de las ciudades,produciendo problemas ambientales. (22).

Se pude inferir entonces que hay un desperdicio enorme, que esta monografíapretende darle utilidad a la mayor parte, porque busca un propósito, que es ligar ala fibra de coco a elementos estructurales simples cuya aplicación podría estar enlos concretos destinados para amarrar pequeños y medianos taludes. El mercadode coco, por lo menos en Colombia, vislumbra un futuro muy prospero por lo

menos para un siglo de producción continua, es un negocio del cuál la economíalocal puede aprovechar, se pueden exportar grandes cantidades de losdesperdicios para el mismo propósito ya que está focalizado geográficamente ennuestra región.



31

La figura 5 muestra las diferentes capas de la fruta de coco, entre las que seencuentran el Endocarpo, el Mesocarpo y la Pulpa.

Figura 5. Capas de la fruta de coco.

Fuente: http://enciclopedia.us.es/index.php/Coco

En la figura 6, se muestra una imagen típica de un coco colombiano, de la cual sepueden derivar las siguientes observaciones:

- Varias fibras tienen diferentes espesores, que es una de las problemáticaspara determinar las propiedades mecánicas de las fibras.

- Se nota una callosidad entre las fibras y la cascara que dificulta el procesode extracción de la fibra.

-Se observa como la pulpa fue arrancada de la cascara y en conjunto, lacascara y la fibra son el que requiere un uso específico..

- En la imagen se ve además, como diferentes fibras cuentan con diferenteslongitudes.

http://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCISBr6D93sgCFcEsHgodWTMBkA&url=http://enciclopedia.us.es/index.php/Coco&psig=AFQjCNG0XhIqHAAld6ggIs7yaKAP9Dv97w&ust=1445909088575896



32

Figura 6 . “Capacho”



33

9. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

9.1. FIBRA DE COCO:Se seleccionó una fibra de coco comercial libre de toda suciedad y sin trozos decelulosa. La fibra es de un color café claro la cual fue seccionada a una longitudpromedio de 5 cm, esto con el fin de evitar la aglomeración de las fibras quepuede conllevar a mezclas heterogéneas y una mala distribución dentro delconcreto.

9.2. CURVA DE HUMEDAD:Para la elaboración de la curva de absorción de humedad, se seleccionó fibras de5 cm de longitud de tal manera que alcanzarán un peso aproximado de 10 gramosutilizando una balanza analítica de cuatro cifras decimales (ver Figura 8)..Posteriormente, se secó los 10 gramos de fibra durante una hora a 105 °C en unhorno convencional con el fin de eliminar la humedad absorbida por las fibras.Luego se retiró del horno, y se le hizo un seguimiento del peso cuando se dejaronexpuestas al medioambiente, hasta que llegara a la saturación de la humedadrelativa del ambiente.

Figura 7. Fibras de coco.



34

Figura 8. Balanza analítica.

El peso se midió en intervalos de tiempo cada 5 minutos y el porcentaje deabsorción de humedad se calculó como:

( ) ( )

( ) * 100 = %AbsHum

dónde:

Phum= peso de la fibra seca.

Pseco= peso de la fibra húmeda

%AbsHum = porcentaje de absorción de humedad de la fibra de coco.

9.3. HUMEDAD RELATIVA:Para el cálculo de humedad relativa del ambiente se emplearon dos bulbos, unose humedeció con algodón en su punta para representar la temperaturacompletamente saturada y el otro seco para representar la temperatura conhumedad seca natural del aire, como se puede ver en la figura 9 .



35

Figura 9. Bulbo.

Para realizar la medición de la humedad relativa se acude a la curva psicométricade la ciudad de Medellín, luego de tomar la temperatura en los dos bulbos como

se muestra en la figura

Figura 10. Bulbos para el cálculo de la humedad relativa.

9.4. ELABORACION DE PROBETAS:Para la elaboración de las probetas se diseñó una mezcla con la relación 1:2:2(cemento: arena: grava) y una relación agua/cemento (a/c) de 0.65. A la mezcla sele adicionó además un aditivo superplastificante con el fin de mejorar las

propiedades reologicas del concreto con la fibra de coco y aumentar de estamanera la trabajabilidad. En la figura 11se aprecia la disposición de la grava y laarena que se usó en el laboratorio de concretos.



36

Figura 11. Almacenamiento de los agregados

El peso de los diferentes componentes de la mezcla de concreto se realizóutilizando una báscula con una canastilla de aluminio la cual tenía una precisiónde 0.1 kg.

Figura 12. Canastilla de aluminio Figura 13. Báscula

Para hacer la mezcla, se utilizó una mezcladora eléctrica, luego de haberdepositado en ella la cantidad necesaria de materiales.

Para que la mezcla presentara una buena homogeneidad, fue necesario revolverprimero el agregado con la arena durante 5 a 7 minutos, luego se adicionó el



37

cemento y se revolvió durante 2 minutos aproximadamente y se fue adicionando elagua previamente medida para tener la relación a/c deseada poco a poco.Finalmente, en el caso de las muestras con fibra de coco, se adicionó por partes lafibra asegurándose de que está entrara de forma separada para garantizarhomogeneidad de la mezcla.

Figura 14. Posición de la mezcladora

Es de vital importancia que para conseguir la eficiencia deseada en el proceso demezclado, se inclinó la mezcladora lo suficiente para que el material sehomogeneizara pero sin derramar el contenido. Para dar una mejor idea de la

consistencia de la mezcla, se hizo un ensayo de asentamiento, inmediatamentedespués que se terminará el proceso de mezclado. Para elaborar el ensayo, secontó con un cono invertido, un flexómetro o en su defecto una regla para medir laaltura del asentamiento y un lingote o varilla que sirvió de referencia.

Figura 15. Ensayo de asentamiento



38

Para elaborar el ensayo de asentamiento, se vertió la mezcla dentro del cono,luego el cono se retiró lentamente hasta que la mezcla replique lo más exactoposible la forma del cono. Posteriormente se midió la diferencia de alturas entre elcono invertido original y el cono que intento replicar la mezcla.

Figura 16. Imagen de la consistencia de la mezcla con la fibra de coco.

En la imagen se puede observar como el superplastificante rechaza el agua.

Cuando la mezcla estaba lista se procedió a vaciarla en los moldes para loscilindros de concreto, previamente engrasados para facilitar la extracción de lasmuestras. Para ingresar la mezcla a los moldes, se siguió por cada capa o paladala acción de unos 25 golpes con el listón, y otros 25 golpes con la almadanaalrededor de la formaleta con el propósito de reubicar mejor el agregado al interiordel molde y así darle una distribución uniforme. El desencofrado se realizódespués de una semana días de fraguado. ,

Este tiempo fue necesario debido a que al adicionarle el superplastificante a lamezcla, se retardan los procesos de curado y fraguado del concreto, por lo que lostiempos de fraguado no se ven determinados por el secado del agua en elconcreto sino el tiempo de secado del aditivo superplastificante, entonces durante



39

todo el tiempo que el aditivo este húmedo, permanecerá húmeda y fluida la mezclatambién.

En la siguiente imagen se presenta la forma definitiva que le da la formaleta a la

mezcla, luego de que haya sido vaciada por completo, por lo general se aceptanmuestras lisas en su superficie, con buena distribución del agregado en la partesuperior para que tenga un mejor acople a los discos de fallado para cilindros.

Figura 17. Prueba empírica de tenacidad en cilindros.

También se muestra en esta imagen que el cilindro no ha cumplido con su tiempo

de fraguado, puesto que se le realizó una prueba simple de consistencia nodestructiva que consiste en ver que resistencia aporta la mezcla a la inserción deun objeto corto punzante, si el objeto se inserta con facilidad quiere decir que lamezcla todavía no es consistente o fluida y se procede a posponer su fallado.

Antes de pasar a la falla de los cilindros, se procedió a ubicar las probetas en untanque de curado para acelerar el fraguado del concreto y aislarlo de laintemperie.



40

Figura 18. Tanque de curado.

El tanque de curado se llenó de agua potable y con cal, para aislar las muestrasde la intemperie.

Figura 19. Imagen de la máquina de compresión.



41

La imagen 25 muestra la maquina es la de compresión axial, el chaleco esta justo encima de la base superior del cilindro, y la muestra antes de la falla.

Para los ensayos con 0.4% y 1.2% de fibra de coco, se utilizaron dos probetas

para 7, 14 y 28 días de curado, mientras que para los ensayos a compresión delos blancos se utilizó dos probetas para 28 días de curado.

MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO (SEM):

Figura 20. Componentes del SEM.

Fuente:http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libroscelular/melecbarrido

.htm

El SEM consta de las siguientes partes:

1. Cañón de electrones.

2. Filamento de tungsteno o de hexaboruro de lantano-LaB6.

3. Ánodo.

4. Columna en vacío.



42

5. Lentes condensadores (centran y dirigen el rayo de electrones).

6. Lentes Objetivas (controlan la cantidad de electrones del haz).

7. Detectores para colectar y medir electrones (producción de imagen).

8. Bobinas de barrido (obligan al haz a barrer la muestra).

9. Control de aumento.

10. Generador de barrido.

11. Colector de electrones (electrones se atraen y se aceleran).

12. Escintilador (convierte la energía cinética de los e- en luz visible).

13. Amplificador.

14. Pantalla (imagen).

15. Bombas de vacío.

La muestra es colocada en un pequeño espacio, al cual se le hace vacío despuésde cerrada la puerta. La puerta tiene tres palancas que el operador usa para: subir

y bajar la muestra, rotar la muestra y acercarla o alejarla.

Un haz delgado de electrones, es producido en la parte superior del microscopiopor medio del calentamiento de un filamento metálico (10-30 KV). El rayo deelectrones primarios sigue un recorrido a través de la columna de vacío delmicroscopio, esto, con el propósito, de evitar la dispersión de los electrones. Eltrayecto del haz de electrones es enseguida modificado por un conjunto debobinas deflectoras que lo hacen recorrer la muestra punto por punto y a lo largo

de líneas paralelas (barrido), y a su vez atraviesa las lentes condensadoras oelectromagnéticas que le permiten ser reenfocado o centrado hacia la muestra.Posteriormente, el diámetro del haz de electrones puede ser modificado al pasarpor las lentes objetivas que controlan la cantidad de electrones dentro de este.Cuando los electrones primarios golpean la muestra, son emitidos electrones



43

secundarios por el propio espécimen. Estos electrones secundarios son atraídospor un colector donde se aceleran y se dirigen al escintilador, donde la energíacinética es convertida en puntos de mayor o de menor luminosidad, es decir, enluz visible. Esta luz es dirigida a un amplificador donde se convierte en señaleléctrica, la cual pasa a una pantalla de observación donde la imagen es formadalínea por línea y punto por punto. Los circuitos que dirigen las bobinas de barrido(que obligan al haz a barrer la muestra), son las mismas que dirigen la parte decolección de electrones y que producirán la imagen. (23)

Figura 21. Excitación de electrones.

Fuente:

http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/celular/melecbarrid

o.htm

Resolución del Equipo:

El SEM tiene una resolución de 10 nm y una profundidad de foco de 10 μm,

mucho menor que el microscopio electrónico de transmisión. La ventaja del SEMes que proporciona imágenes tridimensionales, ya que éste específicamenteexamina la superficie de las estructuras.



44

Preparación de las muestras

Figura 22. Preparación de las muestras.

Fuente:http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/celular/mele

cbarrido.htm

Se debe tener en cuenta el material a observar y guiarse por parámetrosespecíficos para cada muestra.

9.5. DISEÑO DE MEZCLAS:Diseño de la mezcla con 0.4% en peso de adición de fibra de coco:

Se supone un peso considerable que cumpla con esta relación, la cual quiere decirque el peso de la arena y el triturado sea el doble que el peso del cemento paracumplir la relación 1:2:2.

Se utilizó entonces 25 kg de cemento, 50 kg de arena y 50 kg de triturado. Luego,se calculó para las dimensiones de los moldes, que cantidad se necesita para

obtener el mayor número de cilindros, que en este caso eran 21 cilindros en total.



45

Figura 23. Dimensiones de cilindros bajo norma ASTM C31

Los cilindros se hicieron con las dimensiones que se muestran en la figura, por loque se calculó el volumen del solido (Vc) que no es más que el área que semuestra sombreada por la altura de la muestra.

Volumen (Vc) = Área sombreada (As) por altura (l).

* l

( )

Vc= 5301.437cm3 Ahora, pasándolo a metros cúbicos se obtiene:

( ) = 5.301*

Luego se necesita saber el peso de la mezcla en proporción 1: 2: 2. Primero seestima el volumen que se ocupa, para ello se tiene en cuenta la densidad de un



47

A los 16.25 litros de agua se le adicionan 750 ml de superplastificante (Vsp), paradarle fluidez a la mezcla.

Posteriormente se calcula el peso de la fibra (wf) al 0.4% en volumen de la

mezcla.

, donde:

ρ f = densidad de la fibra de coco.

Reemplazando:

( ) * ( )

Wf = 250.08 gr

Diseño de la mezcla con 1.2% en peso, de adición de fibra de coco.

Peso del cemento= 25 kg, peso de la arena = 50 kg y peso del triturado= 50 kg

Vc= 5.301*

Vm = 0.0521

n= 9.8

a/c = 0.65

Vw= 16.25 litros.

Vsp= 750ml

Wf=( ) * ( )

Wf= 750.24gr

Diseño de la mezcla con 0% de fibra:



48

Peso del cemento= 10 kg, peso de la arena= 20 kg y peso del triturado= 20 kg

Vc= 5.301*

Vm= 50 kg*

Vm= 0.0208

n=

n= 3.92

Para este caso también es adecuada la cantidad de mezcla supuesta, debido aque se necesitan solo tres blancos, el resto se considera como desperdicio

a/c= 0, 65

Vw= 0.65*10kg*

Vw= 6.5 litros

Vsp= o litros; por considerarse ya de buena fluidez la mezcla.

Wf = 0gr, por ser cilindros de testigo, sin adición de fibra



49

10. RESULTADOS Y ANALISIS

10.1. ENSAYO DE LA CURVA DE ABSORCION DE HUMEDAD

La figura muestra el comportamiento en cuanto a absorción de humedad de lafibra de coco en la humedad ambiental del laboratorio.

Figura 24. Curva de absorción de humedad de la fibra de coco.

De la curva de humedad se puede deducir, que el grado de saturación de la fibrade coco se alcanza después de 110 minutos aproximadamente y que su valorequivale al 0.65%, luego la cantidad de humedad que absorbe la fibra para loscilindros con 0.4 % y 1.2 % en es:

Para 0.4%: Vwf = Wf*0. 65% =

Vwf= 4.87656gr*

Vwf= 4. 06 de agua

Para 1.2%: Vwf= Wf*0.65%= .

Vwf= 1.62552 gr *

Vwf= 1.35 .

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 20 40 60 80 100

% A

b s H

u m

Tiempo, min



50

En ambos casos la humedad que se absorbe por parte de la fibra es muy pequeñay su influencia sobre la humedad de la mezcla final no presenta incidencia alguna,antes ayuda a la resistencia de la mezcla, puesto que a menor cantidad de aguaen el concreto, mayor es su resistencia.

10.2. APARIENCIA VISUAL DE LOS CILINDROS

En la figura se muestra la falla de dos cilindros con 0.4% y 1.2% de fibra,respectivamente y después de 28 días de fraguado. Como se observa, la fibralogra mantener la estructura de concreto aun cuando éste haya alcanzado laresistencia última a la compresión, y se observa además que en el caso de los

cilindros elaborados con 1.2 % en fibra presentan grietas más pequeñas.

Figura 25. Aspecto visual de las probetas tras ser falladas a compresión a 28días de fraguado. En la parte a) cilindros con 0.4% de fibra de coco y b)

cilindros con 1.2 % de fibra de coco.

a) b)



51

10.3. ENSAYO DE RESISTENCIA ÚLTIMA Y DE DENSIDADES DEL CONCRETOEl ensayo consiste en hallar la resistencia a la compresión con diferentesporcentajes de fibras (0.4 y 1.2%) para diversos periodos de tiempo, pero tambiénse utilizó para determinar cuál es el elemento que le aporta al concreto su mayor

resistencia y si la fibra influye en este proceso.

La resistencia a la compresión es entonces:

R. Compresión =

Dónde:

A ( ) , es el área transversal de la probeta en metros cuadrados, W (N), es elpeso en Newtons.

En la siguiente tabla se presentan los resultados promedio para los diferentesensayos de compresión, junto con las desviaciones estándar. Para cada cilindrose tomó medida de tres diámetros y tres alturas.

Tabla 1. Resumen resultados de la resistencia a la compresión con susdesviaciones estándar.

%Fibra

Tiempo(días)

R.comp(psi)

Desvest R.comp(MPa)

Desvest Densidad(g/cm3)

Desvest

0.4 7 928.47 50.502 6.403 0,309 2.132 0.0370.4 14 1134.79 25.4746 7.826 0,029 2.246 0.0369

0,400 28 1366.53 60.493 9.425 0,422 2.138 0.075

1.2 7 1052.46 275.0006 7.271 1.097 2.400 0.3231.2 14 1396.41 153.730 9.633 1.097 1.963 0.0971.2 28 1717.71 126.522 11.840 0.541 2.036 0.,0760 28 1040.84 149.691 7.183 1.088 2.364 0.011



52

La desviación estándar fue calculada como:

Dónde:

σ = Desviación Estándar.

Χi = Resistencia a la compresión.

n= número de resultados

En la gráfica (26) se muestran los resultados de resistencia a la compresiónversus tiempo para los ensayos de concretos modificados con 0.4% de fibra decoco.

Figura 26. Curva de resistencia última con 0.4% en volumen de fibra decoco.

0123456789

10

0 5 10 15 20 25 30

R . c o

m p r e s i o n

( M P a )

Tiempo en dias

resistencia ultima 0,4% en volumen de fibra



53

De a la curva, se determina que a los 28 días de curado, las muestras de 0.4%presentan una resistencia última a la compresión de 9.43 MPa.

En la gráfica (27) se muestran los resultados de resistencia a la compresiónversus tiempo para los ensayos de concretos modificados con 1.2% de fibra decoco.

Figura 27. Curva de resistencia última con 1.2% en volumen de fibra decoco.

De a la curva, se determina que a los 28 días de curado, las muestras de 1.2%presentan una resistencia última a la compresión de 11.84 MPa.

La grafica (28) muestra una comparación entre las curvas al 0.4% y 1.2% de fibrade coco.

02468

101214

0 5 10 15 20 25 30

R . C

o m p r e s i o n

( M P a )

Tiempo en dias

resistencia ultima 1,2% en volumende fibra



54

Figura 28. Comparación de resistencia última a diferentes porcentajes defibra de coco.

Como se observa en la gráfica los valores de resistencia a la compresión para1.2% fibra están por encima de los valores correspondientes a 0.4% fibra paratodos los tiempos de curado. Esto quiere decir que a mayor porcentaje de fibrahay un aumento en la resistencia a la compresión del concreto. A modo decomparación, se presenta la resistencia a la compresión de un blanco después de28 días de curado. Este valor del blanco está por debajo de los dos porcentajes defibra utilizados, lo que demuestra la capacidad para aumentar la resistencia de lafibra.

Para tiempos tempranos de curado, las barras de error se sobreponen indicandoque no hay una diferencia significativa entre los datos, sin embargo, conformeaumenta el tiempo de curado los valores son estadísticamente distintos.

La gráfica (29), compara las variaciones en densidad para las diferentescombinaciones junto con las barras de error, evidenciando que cuándo se llega alos 28 días de curado, la densidad de los concretos modificados con fibras de coco

4

6

8

10

12

14

0 10 20 30

R . C

o m p r e s i ó n

( M P a )

Tiempo (d)

0% F

0.4% F

1.2% F



55

disminuye con la adición de fibra, siendo las menos densas la correspondiente a1.2% de fibra.

Figura 29. Densidad versus tiempo de curado para todas las muestras.

Como se observa en la gráfica, las barras de error para las densidades de lasmuestras con 1.2% de fibra a 7 días, presentan una variación considerable lo cualse puede explicar debido a la poca manejabilidad de la mezcla lo que pudo incurriren una heterogeneidad entre las diferentes probetas. Cuando aumenta el tiempode curado los valores se vuelven más estables.

En la gráfica (30) se hace una comparación de pesos promedios de cada muestra

vs el tiempo para las diferentes mezclas.

1

2

3

0 10 20 30

D e n s i d a d

( g / c m 3 )

Tiempo (d)

0% F

0.4% F

1.2% F



56

Figura 30. Peso versus tiempo para las diferentes muestras.

Como se observa, los pesos correspondientes al mayor contenido de fibra esmenor que los pesos correspondientes al menor contenido de fibra.

Figura 31. Comparación entre los diferentes pesos contra el tiempo para lasmuestras.

11

11.2

11.4

11.6

11.8

12

12.212.4

12.6

12.8

0 5 10 15 20 25 30

P e s o e n K g

Tiempo en dias

comparacion pesos vs tiempo adiferentes porcentajes de fibra

PESO VS TIEMPO 0,4%

PESO VS TIEMPO %1,2

0

2468

10121416

0 5 10 15 20 25 30 35

P e s o e n K g

Tiempo en dias

Barra de Error de Pesos vs tiempo adiferentes % de fibra

PESO VS TIEMPO 0,4%

PESO VS TIEMPO %1,2



57

Con la figura (31) se comprueba una buena homogeneidad en los datos, puestoque las barras de error son proporcionales a las curvas. Aunque los datos de lascurvas se encuentran concentrados en rango pequeño con respecto al eje de lasalturas,sin embargo, debería de ser así, puesto que se diseñan las muestras paraque sean homogéneas, bajo una misma formaleta y la misma dosificación paracada porcentaje de fibra.

10.4. ENSAYO DE ASENTAMIENTO PARA EL CONCRETOEl ensayo de asentamiento determina la manejabilidad de la mezcla y su uso paracierto tipo de estructuras. En sí, el ensayo mide el contenido de humedad en lamezcla o la cantidad de agua o fluidez de ella.

Este valor se puede aproximar, promediando los valores de asentamiento paracada mezcla

Figura 32. Resultado del ensayo de asentamiento.

Los resultados fueron:

Mezcla al 0.4% de fibra: 12 cm.



58

Mezcla al 1.2 % de fibra: 11.2 cm.

As = .

As = 11.6 cm.

Ahora se compara este resultado en la tabla de asentamientos:

Tabla 2. Elementos estructurales para cada valor deasentamiento.

Fuente: SANCHEZ DE GUZMAN, Diego. Artículo: Nuevas tendencias en la especificación y diseñode mezclas de concreto. Memorias técnicas: X Reunion del concreto. Cartagena (Colombia), 2004

El asentamiento se encuentra entre los 100-150 milímetros o 10-15 centímetros.Las mezclas pueden ser utilizadas para elementos estructurales esbeltos o muy



59

reforzados, debido a que elementos esbeltos tienen una sección muy pequeña , loque dificulta un vaciado de concreto seco, debido a que se presentanatascamientos como en un embudo, y se utiliza también en elementos muyreforzados debido a que ellos reducen la sección libre del elemento estructural,luego un concreto fluido es aplicable a estos casos para evitar atascamientos y lamezcla estaría cumpliendo para estas estructuras.

El método para vaciar la mezcla es el bombeo aprovechando la fluidez de lamezcla que a grandes presiones de bombeo se asemeja a un fluido, y es unaventaja en cuanto a la rapidez del vaciado.

Para compactar o homogenizar la mezcla se debe hacer mediante vibrado, no es

necesario utilizar mucha presión por que la mezcla es fluida y no presentaresistencia para acomodar el material granulado.

10.5. CARACTERIZACION DE LA FIBRA MICROSCOPIA DE BARRIDO S.E.M

Figura 33. Imagen SEM 1.



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Como se observa en la imagen, en esta fibra en particular, se presenta unadisposición de micro fibrillas en un mismo sentido-zona resaltada en la imagen-,donde se sospecha que hay vasos capilares de la fibra que ayudan con sutransporte de nutrientes y agua, por lo tanto se tiene un elemento orgánico queabsorbe agua y que hay que tener particular cuidado en su incidencia respecto dela absorción de humedad de la mezcla de concreto, lo que puede influir en lostiempos de fraguado del mismo.

A pesar de ello, la capacidad de la fibra para absorber agua ayuda a que la fibrase adhiera de una mejor manera a la matriz del concreto.

Figura 34. Imagen SEM 2.



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En esta imagen SEM se puede apreciar una superficie lo suficientemente rugosapara que partículas de cementos se puedan adherir en las hendiduras circularesde la superficie de la fibra.

Además la superficie de la fibra cuenta con estrías largas presentadas en la partesuperior de la imagen, donde tienen hendiduras en una misma dirección, lo queayuda también a la adherencia con la matriz cementicia. Esto puede llevar a unabuena transmisión de esfuerzos, pero que pueden variar con la longitud de lasfibras.



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11. CONCLUSIONES

- La fibra de coco, de acuerdo a la literatura, posee una buena resistencia a lahumedad debido a sus altos contenidos de lignina, sin embargo, es necesarioprofundizaren estudios de degradación para confirmar su durabilidad dentro delconcreto.

- La consistencia hidráulica de la mezcla con adición de fibra de coco, eshúmeda a pesar de que su manejabilidad es difícil de trabajar, por lo que segúneste estudio se recomienda usar junto con un superplastificante.

- La fibra de coco le otorga al concreto una resistencia adicional debido alendurecimiento del concreto por esfuerzos de tracción, gracias a la resistenciaque opone la fibra a ser arrancada de la matriz de concreto.

- Los tiempos de fraguado del concreto se pueden ver afectados por laabsorción de humedad de la fibra de coco, por lo que es necesario hacerestudios de transferencia de masa para corroborar su influencia con el tiempo.El efecto de la fibra de coco encontrado es que a mayor contenido de fibra enporcentaje volumétrico, hay mayor incertidumbre en los tiempos de fraguadodel concreto, que por lo general son mayores.

- A mayor porcentaje en volumen de muestra reemplazado por fibra de coco,mayor será la resistencia a la compresión presentada por la muestra y sudensidad también es menor.



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- De acuerdo a los resultados SEM, la superficie de la fibra de coco es áspera ycon hendiduras, lo cual propicia a la adhesión de la fibra dentro de la matriz deconcreto.

- Después de falladas las muestras, se observó que la fibra de coco evita laapertura de la fisuras en el concreto, dando indicios de que el materialcompuesto posiblemente sea un material más seguro, gracias a que la fibra decoco le otorga un tiempo adicional después del fallo por compresión para poderreemplazar elementos estructurales antes de que se desmoronen.



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12. TRABAJO FUTURO

- Realizar ensayos de durabilidad, aplicando recubrimientos a las fibras para quesoporten mejor el ambiente básico del concreto.

- Realizar ensayos para aumentar la rugosidad de las fibras.

- Hacer procesos de mineralización para que se le proporcione a la fibra unacristalización que le permita disminuir su contenido orgánico.



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13. REFERENCIAS

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