Juárez-Alvarado, González López, Mendoza-Rangel, and Zaldivar Cadena: Compuestos cementantes fibroreforzados de bajo impacto ambiental comportamiento mecánico



1. Introducción

La industria de la construcción cada vez enfoca más sus proyectos hacia un cambio de compromisos y responsabilidades en la forma en que se construye. La investigación de materiales de construcción se ha intensificado en la atención a estas ideas, por lo que muchos autores se cuestionan sobre el significado de la edificación sostenible, entendida como aquella que considera el impacto ambiental de todos los procesos implicados en una construcción, desde la selección de los materiales hasta la colocación final de los residuos de la misma en su disposición final, y que de manera integral generen el menor impacto ambiental posible.

En este contexto se debe considerar también la ubicación de las edificaciones y su huella en el entorno, el consumo energético de la misma, así como el posible reciclaje de los residuos después de demolición de la edificación cuando haya cumplido su función o ciclo de vida (Alfonso, 2003; Gundes 2016). Tomando en cuenta esta definición, se deberán considerar todos los criterios para un diseño sostenible, que implica un análisis sobre la ubicación, proceso de construcción, uso y demolición, con miras a minimizar aquellas circunstancias que podrían causar deterioro al medio natural en cada una de tales etapas.

El desarrollo de edificaciones es una demanda social y con la implementación de nuevos materiales y procedimientos de construcción que tengan como premisa tanto la economía como el bajo impacto ambiental, se podría pensar en una posible solución a la inminente demanda de habitabilidad básica para los países de economías emergentes. Considerando algunas tasas aproximadas de crecimiento, como las reportadas en el informe de la Organización de las Naciones Unidas 2013 (Population Reference Bureau, 2014), se espera que en el año 2050 el mundo tendrá 9,600 millones de habitantes, es decir 33% más de los aproximados 7,200 millones de hoy en día. Además, los países pobres o en vías de desarrollo serán los que aumentarán más su población (Population Reference Bureau, 2014).

Este hecho lleva a suponer que anualmente se deberá ofrecer vivienda para alojar a 65 millones de seres humanos, lo que implica la construcción de unos 15 millones de nuevos alojamientos. Esto significa que harán falta 600 millones de metros cuadrados (a razón de 40 m² por familia) lo cual equivale a producir y utilizar aproximadamente unos 400 millones de metros cúbicos o unos mil millones de toneladas anuales de materiales, componentes y subsistemas, sólo para atender la construcción de nuevas viviendas (Salas & Oteiza, 2008).

Aunado a esto, se debe considerar también, el incremento de emisiones de CO2, consumo energético masivo, daños al paisaje natural, la explotación de recursos naturales, problemas de durabilidad y otros tantos factores para la producción de materiales y construcción de estos complejos habitacionales.

Por estos motivos la propuesta de desarrollar materiales de construcción alternativos a los que se emplean de manera convencional para cuya producción se genere un menor impacto ambiental y con bajos costos es una solución real a las condiciones mundiales de habitabilidad.

2. Revisión bibliográfica

2.1 Materiales de bajo impacto ambiental

El uso y reutilización de materias primas alternativas se ha generalizado alrededor del mundo con la finalidad de obtener materiales de bajo impacto ambiental. Tal es el caso de Uruguay donde se ha empleado un sistema de construcción utilizando bloques de Suelo-Cemento fabricados con cargas de compresión elevadas a fin de conferirles una alta resistencia, excelente aislamiento térmico y durabilidad (Patrone, García & Nigro, 2005). En Venezuela, los cimientos son de piedra combinados con tierra, techumbres de madera y para los muros pacas de paja recubiertas con mezclas de cal o tierra para protegerlas de los agentes externos (Patrone, García & Nigro, 2005). En Cuba, se determinaron las propiedades físicas, mecánicas y de durabilidad de un concreto con adiciones inertes y activas, fabricados con 25% y 100% de agregado grueso reciclado. Los resultados muestran que el concreto fabricado con agregado reciclado con adiciones activas mejora la durabilidad de un concreto convencional (Pavo, Etxeberría & Martínez, 2011).

En Chile, se han diseñado casas en donde los cimientos son a base de piedra con una estructura de tronco y brea colocada dentro de mallas metálicas y revestidas con barro (Patrone, García & Nigro, 2005). En México, la utilización de suelos, cal o cemento Portland como estabilizante, mucilago de nopal y agua como mezcladores, han permitido fabricar bloques de tierra comprimida (BTC) que se utilizan en diversos tipos de vivienda para reducir los costos y emisiones de CO2 (Roux 2010). Asimismo, se han llevado a cabo estudios de materiales cementantes de bajo impacto ambiental que han utilizado fibras que permiten reducir el uso del acero de refuerzo estructural. De manera general, las fibras pueden ser clasificadas según su origen en vegetal (provenientes de tallos o de hojas), minerales (asbesto) y producidas por el hombre (acero, vidrio y poliméricas). Se han realizado investigaciones sobre el uso de fibras vegetales como una alternativa a las fibras minerales para reforzar materiales cementantes (Juárez, Valdez & Durán, 2004).

Estas fibras se pueden considerar como un “material verde” o amigable con el medio ambiente, y son una opción viable para los años venideros. Además, se encuentran distribuidas en todo el mundo por lo que su uso como material de refuerzo en una matriz cementante es una alternativa económica y de bajo impacto ambiental para la construcción.

Para conocer la factibilidad de las fibras como un material de refuerzo es necesario un estudio de sus propiedades y morfología (Pacheco-Torgal, Jalali, 2011; Jarabo, Monte, Blanco & Tijero, 2012). Se han hecho muchas aportaciones con el paso del tiempo en la utilización de distintas fibras naturales tales como las provenientes del coco, sisal, bagazo de caña, bambú, palma, yute y madera debido a su abundancia en ciertas regiones del mundo (Pacheco-Torgal, Jalali, 2011). En años recientes ha ido creciendo el interés por la utilización de estas fibras como refuerzo en materiales cementantes. Algunas investigaciones han demostrado que empleadas como refuerzo presentan propiedades comparables y competitivas a los concretos reforzados convencionales (Azis & Lee 1984; ACI, 1998).

Adicionalmente al uso de la fibra vegetal como sustituto del acero de refuerzo, se puede reducir el impacto ambiental de compuestos cementantes al agregar materiales de desecho industrial como sustitutos del cemento, tal es el caso de la ceniza volante. El beneficio de esta sustitución radica en la reducción del consumo del cemento, principal componente del concreto, pero que presenta el inconveniente ecológico de liberar una importante cantidad de CO2 y otros gases nocivos al ambiente durante su fabricación (USGS, 2015). Además, el uso de cenizas volantes como sustituto de cierta cantidad de cemento en el concreto está justificado por dos razones adicionales: el ahorro económico que supone la reducción del cemento empleado y los cambios microestructurales motivados por la sustitución. Sobre este segundo punto existe consenso en considerar que las cenizas generan un concreto más denso y una reducción del tamaño medio del poro.

2.2 Aspectos de durabilidad.

Otro aspecto clave a considerar en los materiales de bajo impacto ambiental se vincula con su durabilidad en condiciones de servicio. Se ha visto que la sustitución parcial del cemento portland con ceniza volante en cantidades del orden de 50% al 60% conduce a tener materiales cementantes con mejor desempeño de durabilidad (Malhotra 2001). Sin embargo, es necesario tomar en cuenta que el uso de las fibras naturales dentro de la matriz cementante presenta una serie de problemas relacionados con su naturaleza orgánica. Diversos estudios han encontrado que existe una degradación de las fibras naturales cuando están inmersas en la matriz cementante debido a que ambientes de elevada alcalinidad de la matriz disuelven los compuestos primarios de las fibras como son la lignina y la hemicelulosa y en consecuencia se debilita su microestructura microstructure (Stancato, Burke & Beraldo, 2005; Sedan, Pagnoux, Smith & Chotard, 2008; Kriker, Bali, Debicki, Bouziane & Chabannet, 2008). Otro factor a considerar es la elevada absorción que presentan las fibras naturales (Savastano, Warden y Coutts 2005). Para reducir este fenómeno se ha reportado el uso de sustancias orgánicas para recubrirlas, limitando el porcentaje de absorción de la fibra hasta un 4% (Alawar, Hamed y Al-Kaabi 2009; Bilba y Arsene 2008); otras alternativas están en el uso de la hornificación (Claramunt, Ardanuy, García-Hortal & Filho, 2011).

Así como la modificación de la alcalinidad de la matriz utilizando cementos mezclados adicionando puzolanas tales como ceniza volante, cascarilla de arroz y bagazo de caña (Agopyan et al. 2005; De Gutiérrez, Díaz y Delvasto 2005; Savastano, Warden y Coutts 2003). Sin embargo, se ha encontrado que el uso de estos materiales cementantes suplementarios no garantiza necesariamente la no degradación de las fibras, debido a que los diferentes compuestos en las mismas no reducen sustancialmente la alcalinidad de la matriz cementante (Mohr, Biernacki y Kurtis 2007; John 2005; Tonoli et al. 2010). Bajo esta perspectiva, el objetivo de la investigación que se documenta en el presente artículo consiste en estudiar el comportamiento mecánico de compuestos cementantes de bajo impacto ambiental que usen como refuerzo fibras vegetales embebidas en la matriz binaria utilizando diferentes porcentajes de ceniza volante en sustitución del cemento.

3. Procedimiento experimental

3.1 Materiales.

En este proyecto de investigación se utilizó fibra vegetal de la familia de la agave conocida como “Lechuguilla” con la cual se formó una malla del tipo textil. Además, se empleó cemento Portland CPC 30R, Ceniza Volante (CV) y agregados calizos de tamaños máximos de 10 mm para el grueso y 4.75 mm para el fino. La CV es una puzolana artificial, que proviene de la planta de Río Escondido, ubicada en Piedras Negras, Coahuila. La composición química de la CV y el cemento se muestra en la Tabla 1. La CV fue utilizada en porcentajes de 20, 40 y 60% en sustitución del cemento para dos diferentes relaciones agua/material cementante (a/mc) de 0.60 y 0.70. El consumo de cemento utilizado fue de 350, 280, 210 y 140 kg/m3 para 0, 20, 40 y 60% de CV en sustitución respectivamente.

Tabla 1

Composición química de los materiales cementantes (% en masa).

Material SiO2 Al2 O3 Fe2 O3 CaO MgO Na2O
Ceniza Volante 63.93 24.32 4.29 2.34 0.78 0.20
Cemento Portland 17.55 4.7 1.77 64.74 1.23 0.37

3.2 Fabricación de la malla

La malla tipo textil a base de fibra vegetal, tiene dimensiones de 1100 x 600 mm y se conformó a manera de retícula como observa en la Figura 1. La unión de los tramos longitudinales y transversales para formar la malla se realizó utilizando un adhesivo polimérico aplicado en sus puntos de contacto, el cual se dejó secar por 24 h a temperatura de 23ºC, en ambiente de laboratorio. Para evitar la afectación de la lignina -componente primario de la fibra vegetal- contra el medio alcalino propio de la matriz cementante, se impregnó con una sustancia a base de parafina (Malhotra, 2001).

Figura 1

Arreglo e impregnación de la malla de fibra natural.

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La malla fue introducida en un horno a 100°C durante 24 h para secar la humedad ambiente presente en las fibras y así tener la condición seca. Después, se fundió la parafina a 67 ºC aproximadamente. Como se observa en la Figura 1, la malla fue impregnada durante 5 min, posteriormente se dejó secar a temperatura ambiente durante 30 min.

Además de la protección contra el medio alcalino de la matriz cementante, el recubrimiento le permitirá a la fibra reducir de manera importante la absorción de humedad. Lo anterior incrementa su durabilidad dentro de la matriz cementante y por consiguiente, se conserva la resistencia del material compuesto.

3.3 Mezclado, colado y curado

Se fabricaron por duplicado 32 paneles de 960 x 560 x 50 mm reforzados con malla de fibra natural y por triplicado 48 cilindros de concreto de 100 mm de diámetro y 200 mm de altura. El proporcionamiento de las mezclas de concreto utilizadas se indica en la Tabla 2. Se utilizó una revolvedora con una capacidad de 100 L. El mezclado del concreto fue de acuerdo a la norma ASTM C192 y se realizó la prueba de revenimiento según la norma ASTM C143. El procedimiento de colado y curado se desarrolló de acuerdo a la norma ASTM C31.

Tabla 2

Proporcionamiento de mezclas de concreto (kg/m³)

a/mc 0.60 0.70
0% 20% 40% 60% 0% 20% 40% 60%
Materiales
Agua 229 229 229 229 263 263 263 263
Cemento 350 280 210 140 350 280 210 140
CV 0 70 140 210 0 70 140 210
Grueso 705 698 690 682 667 659 652 644
Fino 1055 1043 1032 1020 998 986 975 963
Revenimiento (cm) 9.0 10.5 11.5 13.0 23.5 24.5 25.5 26.5

El colado de los paneles fibroreforzados se realizó en dos capas de aproximadamente 25 mm cada una. La primera capa se compactó aplicando 15 golpes con un mazo de goma en las caras laterales de la cimbra de madera, después se colocó la malla manualmente en la mitad del espesor del panel, posteriormente, se compactó en una mesa de vibrado por un período de 1 minuto. Para la segunda capa se llevó a cabo el mismo procedimiento de colado y compactado de la primera, la malla se mantuvo en la parte media del espesor y se finalizó con el enrase de la cara superficial.

3.4 Ensayes mecánicos

Los ensayes mecánicos de los paneles fibroreforzados y de los cilindros de concreto se realizaron a dos edades 2 y 4 meses, para cada relación a/mc. Los cilindros de concreto se ensayaron a compresión de acuerdo a la norma ASTM C39 y se obtuvo su módulo de elasticidad de acuerdo a la norma ASTM C469 a las edades establecidas y para los diferentes porcentajes de CV. Del mismo modo, los paneles de concreto fibroreforzados fueron ensayados a flexión aplicando una carga a los tercios del panel, el claro libre entre apoyos fue de 900 mm, la deformación fue medida al centro del claro por medio de un transductor de desplazamiento (LVDT), los datos fueron capturados en un adquisidor de datos. En la Figura 2 se muestra la habilitación de la prueba a flexión de los paneles.

Figura 2

Ensaye de flexión del panel fibroreforzado.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf2.png

4. Análisis y discusión de resultados

4.1 Esfuerzo de compresión y módulo de elasticidad

En la Figura 3 se muestra el efecto que tiene la sustitución de un 20% de cemento por CV en el esfuerzo de compresión obtenido de cilindros de concreto. El resultado muestra que se mantiene prácticamente el mismo valor de control para ambas relaciones a/mc y para 2 y 4 meses de edad. La relación a/mc tiene un efecto significativo en el incremento del esfuerzo para 20% de CV y para el control, para las sustituciones de 40% y 60% por CV los esfuerzos disminuyeron con respecto al control, además la relación a/mc así como la edad no parecen afectar significativamente.

Figura 3

Comportamiento del esfuerzo a compresión con respecto al % de CV para 2 y 4 meses de edad.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf3.png

Un comportamiento mecánico similar se puede observar para el módulo de elasticidad, aunque, como se muestra en la Figura 4, la relación a/mc no produce incremento significativo en el módulo para ningún porcentaje de CV (Shen, Shi, Zhu, Duan & Zhang, 2016), (Siddque, 2004). La sustitución del 20% de CV sigue manteniendo al menos el mismo valor en comparación con el control. De acuerdo a los resultados experimentales, para el esfuerzo a compresión y para el módulo de elasticidad, los especímenes con relación a/mc = 0.60 y con 20% de sustitución de CV mantuvieron los valores del control, e inclusive registraron algunos incrementos de un 24 y 15% respectivamente, lo anterior para ambas edades.

Figura 4

Comportamiento del módulo de elasticidad con respecto al % de CV para 2 y 4 meses de edad.

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Como es sabido, la CV produce una reacción puzolánica con el hidróxido de calcio presente en las reacciones de hidratación del cemento, que le permite aportar resistencia mecánica a la matriz cementante cuando las sustituciones son relativamente bajas y para lo cual toma una cierta cantidad de agua de la relación a/mc.

Por otra parte, cuando se usan altos porcentajes de sustitución de CV por el cemento también se reduce la cantidad de hidróxido de calcio presente en la mezcla y es posible que los aluminosilicatos de la CV no tengan suficiente hidróxido de calcio para la reacción puzolánica y aunado al bajo consumo de cemento se genera una reducción de su resistencia mecánica, lo que permite asumir que el resto de la CV interactúa en la matriz más como un relleno que como un cementante. Estudios previos sobre el comportamiento mecánico en especímenes con sustitución de CV por cemento en porcentajes relativamente bajos han mostrado un adecuado comportamiento mecánico, lo cual es verificado en esta investigación (Durán-Herrera, Juárez, Valdez & Bentz, 2011), (Siddique, 2004).

4.2 Esfuerzo de flexión en los paneles

La Figura 5 muestra el efecto de la CV y la edad en la resistencia a flexión en los paneles de concreto fibroreforzados. Se puede observar que las dos relaciones a/mc tienen un comportamiento similar: con una sustitución de 20% de cemento por CV para 2 y 4 meses de edad se tiene un incremento en la resistencia a flexión de un 20% y 25% respectivamente con respecto al control. En el caso contrario, para los porcentajes de 40 y 60% de sustitución de CV se observa una disminución de la resistencia con respecto al control, lo que es congruente con los resultados encontrados a compresión y módulo de elasticidad, en donde la sustitución de cemento por el 20% de CV para ambas relaciones a/mc y ambas edades presenta una mejora en el comportamiento mecánico. En la Figura 5 se puede observar también que la edad parece no tener un efecto significativo en la ganancia de resistencia a flexión, principalmente para la relación a/mc = 0.70.

Figura 5

Comportamiento de la carga de falla a flexión con respecto al % de CV para 2 y 4 meses de edad.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf5.png

En las Figuras 6 y 7 se observa la aportación a la resistencia a flexión de la matriz cementante y la malla de fibra natural como reforzamiento del panel, la aportación únicamente de la malla se produce cuando la matriz cementante alcanza la carga máxima de agrietamiento y le sigue una descarga súbita. En la Figura 6, los especímenes de control presentaron un incremento de la carga post agrietamiento y en la Figura 7 son los especímenes con 20% de CV los que tuvieron mejor comportamiento post agrietamiento. Por otra parte, los paneles con altas sustituciones de CV (40% y 60%) tuvieron una reducción importante en la carga post agrietamiento con respecto a la carga máxima a flexión que resistió el panel antes de agrietarse (Bernal, De Gutierrez, Delvasto & Rodriguez, 2010).

Figura 6

Comportamiento a flexión después del agrietamiento, Rel. a/mc = 0.60. (a) 2 meses de edad. (b) 4 meses de edad.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf6.png

Figura 7

Comportamiento a flexión después del agrietamiento, Rel. a/mc = 0.70. (a) 2 meses de edad. (b) 4 meses de edad.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf7.png

La adición de la malla a base de fibras naturales como refuerzo en los paneles de concreto, contribuyó en primera instancia a mejorar el comportamiento en el estado fresco del concreto impidiendo el agrietamiento por contracción plástica, una vez endurecido el concreto, el reforzamiento de la malla modificó el modo de falla frágil propio del concreto, aportándole ductilidad (Sahib Banyhussan, Yildrim, Bayraktar, Demirhan & Sahmaran, 2016). En las Figuras 6 y 7 se puede observar que la malla contribuyó a que el panel tuviera un comportamiento dúctil, además de que en algunos casos la carga se recuperó aunque sin llegar a la carga máxima de agrietamiento. De acuerdo con los resultados obtenidos la sustitución de un 20% de CV, registró la mayor carga de agrietamiento a flexión para las dos relaciones a/mc y para las dos edades. También se observa que la carga se incrementó hasta un 10% para 4 meses de edad en comparación con 2 meses en la mayoría de los casos estudiados.

Una vez ensayados a flexión los especímenes en las dos edades correspondientes, no hubo evidencia de degradación en las fibras naturales ocasionadas por la exposición al medio alcalino durante el periodo de tiempo antes mencionado. Lo anterior, se verificó físicamente ya que el modo de falla de todos los especímenes ensayados fue dúctil. El efecto de diferentes condiciones de humedad y/o temperatura que se relacionan al deterioro de las fibras vegetales y que generan un mecanismo de falla frágil (Juárez, Durán, Valdez & Fajardo, 2007), debe ser ampliamente estudiado para determinar la factibilidad del uso a largo plazo de este tipo de reforzamiento a base de malla (Georgiou & Pantazopoulou, 2016), a fin de generar materiales alternativos de construcción.

5. Conclusiones

A partir de la confrontación de los resultados obtenidos con los referentes existentes es posible concluir que:

  • 1. Para el esfuerzo a compresión y para el módulo de elasticidad, los especímenes con relación a/mc = 0.60 y con 20% en sustitución de CV mantuvieron los valores del control, e inclusive registraron algunos incrementos de un 24 y 15% respectivamente, para las dos edades que se documentaron.

  • 2. Las sustituciones de 40% y 60% CV registraron menores valores de resistencia a esfuerzos a compresión y módulo de elasticidad con respecto al control. Además, para estos porcentajes de sustitución la relación a/mc así como la edad parecen no afectar significativamente.

  • 3. Los especímenes de control y los de 20% de CV de sustitución tuvieron mejor comportamiento a flexión post agrietamiento para ambas relaciones a/mc y ambas edades. Por otra parte, los paneles con altas sustituciones de CV (40% y 60%) tuvieron una reducción importante en la carga post agrietamiento con respecto a la carga máxima a flexión que resistió el panel antes de agrietarse.

  • 4. El reforzamiento de la malla de fibra natural modificó el modo de falla frágil propio del concreto aportándole ductilidad.

  • 5. No se evidenció deterioro en las mallas de fibras naturales por la exposición al medio alcalino durante 2 y 4 meses, tiempo trascurrido para llevar a cabo los ensayes a flexión, lo que permite asumir que el recubrimiento de parafina utilizado fue adecuado.

  • 6. Los compuestos fibroreforzados con 20% de CV en sustitución podrían ser considerados apropiados para ser aplicados como elementos primarios en edificaciones, ya que presentaron un adecuado comportamiento mecánico a compresión y flexión. Sin embargo, los especímenes con 40% CV y 60% CV en sustitución no son recomendables para su aplicación en los elementos antes mencionados.

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Notes

[1] Citado como: C. A. Juárez-Alvarado, J. R. González López, J. M. Mendoza-Rangel, A. A. Zaldivar Cadena (2017). “Compuestos cementantes fibroreforzados de bajo impacto ambiental comportamiento mecánico”, Revista ALCONPAT, 7 (2), pp. 135-147, DOI: http://dx.doi.org/10.21041/ra.v7i2.189



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1. Introduction

The construction industry is increasingly focusing its projects towards a change in commitments and responsibilities in the way projects are constructed. Based on these ideas, the study of construction materials has intensified, leading many authors to question the meaning of sustainable construction (Ding, 2008), which is understood as the environmental impact of all processes implied during construction. These processes include the selection of materials to final disposal of material waste, and as a whole, the processes have a minimal impact to the environment.

In this context, one must also consider the location of buildings, their impact on the surroundings, energy consumption, and waste recycling after demolition of a building when its function or lifecycle has been fulfilled (Alfonso, 2003; Gundes 2016). Taking into account this definition, one should consider all the criteria for a sustainable design, which implies an analysis of the location, construction process, use, and demolition, with a simple goal of minimizing those circumstances that could degrade the environment at each of the aforementioned stages.

Building construction is a social demand. With the use of new materials and construction procedures that promise both low environmental and economic impacts, one might consider a possible solution to the imminent demand for basic housing from countries with emerging economies. Considering several approximate rates of growth, as those reported in the United Nations report for 2013 Population (Population Reference Bureau, 2014), it is expected that by the year 2050, the world will contain 9.6 billion inhabitants compared to the approximately 7.2 billion today where poor and developing countries will see the largest population increases (Population Reference Bureau, 2014).

This expected population growth implies that annually, housing must be offered to 65 million human beings. This growth implies the construction of several 15 million new housing units, which is on the order of 600 million square meters (40 m² per family) or the equivalent. This construction would require annually producing and using approximately 400 million cubic meters or approximately one billion tons of materials, components, and subsystems, which would be solely used for construction of new housing (Salas & Oteiza, 2008) using traditional construction materials. In addition, the increase in CO2, mass energy consumption, damage to the natural landscape, exploitation of natural resources, durability problems, and other factors to produce materials and construct these residential complexes must be considered. A proposal to develop alternative construction materials via production processes with low environmental impacts and low cost would solve the problem concerning global housing conditions (Alvarez Anton & Diaz, 2014).

2. Literature review

2.1 Materials with Low Environmental Impact

The use and reuse of alternative raw materials has become widespread around the world, with the goal of obtaining materials with low environmental impacts. Such is the case in Uruguay, where a construction system using blocks of soil cement fabricated with high compressive loads has been employed, resulting in high strength, excellent thermal insulation, and durability (Patrone, García & Nigro, 2005). In Venezuela, foundations are made of stone combined with dirt, roofs are made of wood, and for walls, so-called “bales of hay” covered with mixtures of lime or clay are used to protect them from external agents (Patrone, García & Nigro, 2005). In Cuba, the physical, mechanical and durability properties of concrete made with 25% and 100% of recycled coarse aggregates using active and inert additions, were determined. The results show that the recycled aggregate concrete made with active additions improved the durability of conventional concrete (Pavo, Etxeberría & Martínez, 2011).

In Chile, people have designed houses in which the foundations are made of stone on a structure of logs and tar placed within metallic meshes and covered with clay (Patrone, García & Nigro, 2005). In Mexico, dirt, lime, and Portland cement are used as stabilizers, and cactus mucilage and water mixing agents are used to fabricate compressed earth blocks (CEBs) with the goal of placing them in social-interest housing to reduce costs and CO2 emissions (Roux, 2010). In addition, studies have been performed on cementitious materials with low environmental impact that use fiber reinforcement that reduces the use of structural-reinforcement steel. In general, fibers can be classified according to their origin: natural (from stems or leaves), mineral (asbestos), and man-made (steel, glass, or polymer). Studies have been performed on the use of natural fibers as an alternative to mineral fibers to reinforce cementitious materials (Juárez, Valdez & Durán, 2004).

Therefore, the use of natural fibers that are considered green or environmentally friendly materials may be a viable option for the coming years. Natural fibers are also found all over the world, making their use as a reinforcement material in cementitious matrices an economical alternative with a low environmental impact in construction.

A study on the physical properties and morphology of these fibers is required to determine their feasibility as a reinforcement material (Pacheco-Torgal, Jalali, 2011; Jarabo, Monte, Blanco & Tijero, 2012). Over time, many contributions have been made in investigating the use of different natural fibers, such as coconut fiber, sisal, sugarcane bagasse, bamboo, palm, jute, and wood fiber, due to their abundance in certain regions of the world (Pacheco-Torgal, Jalali, 2011). In recent years, interest in the use of these fibers as reinforcement for cementitious materials has been growing. Several investigations have demonstrated that when used as reinforcements, they have properties that are comparable to and competitive with conventional reinforced concretes (Azis & Lee 1984; ACI, 1998).

In addition to using natural fiber as a substitute for steel reinforcement, the environmental impact of cementitious composites can be reduced by adding industrial waste materials as additives to cement, such as fly ash. The benefit of this substitution is reducing cement consumption, which is the primary component in concrete, because cement releases a significant amount of CO2 to the environment during its fabrication (USGS, 2015). The use of fly ash as a cement additive in concrete is widely justified for two reasons: the economic savings implied by the reduction in cement used and the microstructural changes caused by the substitution. Concerning the second point, there is consensus that ash generates a denser concrete and reduces the average pore size.

2.2 Aspects of Durability

It is necessary to consider the durability of low-environmental-impact material under service conditions. It has been observed that the partial substitution of Portland cement with fly ash at quantities on the order of 50% to 60% leads to cementitious materials with better durability performance (Malhotra, 2001). However, it is necessary to consider that the use of natural fibers within the cementitious matrix presents a series of problems related to their organic nature. Various studies have found that the natural fibers degrade when they are immersed in a cementitious matrix because the highly alkaline environment of the matrix dissolves the primary compounds of the fibers, such as lignin and hemicellulose, and consequently weakens their microstructure (Stancato, Burke & Beraldo, 2005; Sedan, Pagnoux, Smith & Chotard, 2008; Kriker, Bali, Debicki, Bouziane & Chabannet, 2008). Another factor to consider is the high absorption of natural fibers (Savastano, Warden & Coutts, 2005). To reduce the absorption of fibers, the use of organic substances to coat fibers has been reported, which thereby reduces the absorption percentage to approximately 4% (Alawar, Hamed, Al-Kaabi, 2009; Bilba & Arsene, 2008); another alternative is hornification (Claramunt, Ardanuy, García-Hortal & Filho, 2011).

An additional alternative to provide durability to cementitious materials with low environmental impact is to modify the alkalinity of the matrix by adding pozzolanic materials, such as fly ash, rice husks, or sugarcane bagasse (Agopyan, Savastano, John & Cincotto, 2005; De Gutiérrez, Díaz & Delvasto, 2005; Savastano, Warden & Coutts, 2003). However, it has been found that the use of these supplemental cementitious materials does not necessarily guarantee that the fibers do not degrade because the different compounds in the sample do not substantially reduce the alkalinity of the cementitious matrix (Mohr, Biernacki & Kurtis, 2007; John, 2005; Tonoli, Santos, Joaquim & Savastano, 2010). From this perspective, the objective of this research is to study the mechanical behavior of cementitious composites with low environmental impact that use natural fibers as reinforcement embedded in the binary matrix using different percentages of fly ash as a cement additive.

3. Experimental procedure

3.1 Materials

In this research project, natural fiber from the agave family, known as “Lechuguilla”, was used, with which a textile-like mesh can be formed. Additionally, CPC 30R Portland cement, Fly Ash (FA), and limestone aggregates at maximum sizes of 10 mm for the coarse aggregate and 4.75 mm for the fine aggregate were used. The FA is an artificial pozzolanic material, which comes from the Río Escondido plant located in Piedras Negras, Coahuila. The chemical composition of the FA and the cement is shown in Table 1. The FA was used in percentages of 20, 40, and 60% as an additive to cement for two different water/cementitious material ratios (w/cm), 0.60 and 0.70. The cement consumption was 350, 280, 210, and 140 kg/m3 for FA substitutions of 0, 20, 40, and 60%, respectively.

Table 1

Chemical composition of cementitious materials (% mass).

Material SiO2 Al2 O3 Fe2 O3 CaO MgO Na2 O
Fly Ash 63.93 24.32 4.29 2.34 0.78 0.20
Portland Cement 17.55 4.7 1.77 64.74 1.23 0.37

3.2 Mesh fabrication

The textile-like mesh made of natural fiber had dimensions of 955 x 555 mm. Figure 1 shows the general arrangement of the mesh. The joining of the longitudinal and transverse segments for the mesh was achieved using a polymeric adhesive applied at the points of contact. The adhesive was allowed to dry 24 h at a temperature of 23ºC in a laboratory environment. To protect the natural fiber from attack by the alkaline medium of the cementitious matrix, the fiber was impregnated with a paraffin-based substance. This step is necessary because the high alkalinity significantly damages lignin, which is the primary component of the natural fiber (Malhotra, 2001).

Figure 1

Arrangement of the natural-fiber mesh.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf8.jpg

The mesh was placed in an oven at 100°C for 24 h to remove the moisture present in the fibers and obtain a dry state. Afterwards, the paraffin was melted at approximately 67ºC. The mesh was impregnated for 5 min and was subsequently left to dry at room temperature for 30 min. In addition to protection from the alkaline medium of the cementitious matrix, the coating causes the fiber to absorb significantly less moisture, which benefits the durability of the natural fiber significantly; consequently, the strength of the composite material is preserved.

3.3 Mixing, casting, and curing

Thirty-two panels reinforced with natural-fiber mesh with dimensions of 960 x 560 x 50 mm were fabricated in duplicate, and 48 concrete cylinders with dimensions of 100 mm diameter and 200 mm in height were created in triplicate. The proportions used in the concrete mixtures are indicated in Table 2. A concrete mixer with a 100-L capacity was used. The mixing of the concrete was performed in accordance with the ASTM C192 standard, and the slump test was performed according to the ASTM C143 standard. The casting and curing procedure was performed in accordance with the ASTM C31 standard.

Table 2

Proportions of the concrete mixtures (kg/m³)

w/cm 0.60 0.70
0% 20% 40% 60% 0% 20% 40% 60%
Materials
Water 229 229 229 229 263 263 263 263
Cement 350 280 210 140 350 280 210 140
FA 0 70 140 210 0 70 140 210
Coarse 705 698 690 682 667 659 652 644
Fine 1055 1043 1032 1020 998 986 975 963
Slump (mm) 90 105 115 130 235 245 255 265

The casting of the fiber-reinforced panels was performed in two layers, each approximately 25 mm thick. The first layer was compacted by applying 15 strikes with a rubber mallet on the lateral faces of the wood falsework. Afterwards, the mesh was placed by hand in the middle of the panel thickness and then compacted on a vibration table for 1 minute. For the second layer, the same casting and compacting procedure as the first layer was performed. The mesh was kept in the middle part of the thickness; the mesh was finished by leveling the surface.

3.4 Mechanical tests

Mechanical tests on the fiber-reinforced panels and concrete cylinders at two ages, 2 and 4 months, were performed for each w/cm ratio. The concrete cylinders were tested in compression according to ASTM C39, and the elastic modulus was obtained in accordance with ASTM C469 at the ages established and for different FA percentages. In the same way, the panels of the fiber-reinforced concrete were subjected to flexural testing by applying a load in thirds to the panel. The free span distance between supports was 900 mm. The deformation was measured at the center of the span using a displacement transducer (LVDT). The data were captured with a data-acquisition system. Figure 2 shows the set-up for the flexural testing used on the panels.

Figure 2

Flexural testing for the fiber-reinforced panel.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf9.png

4. Analysis and discussion of results

4.1 Compressive stress and elastic modulus

Figure 3 shows the effect of FA substitution on the compressive strength obtained for concrete cylinders with an FA substitution of 20%. The result shows that the concrete maintains essentially the same value as the control for both w/cm ratios and at ages of 2 and 4 months. The w/cm ratio has a significant effect on the increase in stress for 20% FA and for the control; however, for substitutions with 40% and 60% FA, the stresses decrease with respect to the control. In addition, the w/cm ratio and age do not appear to have a significant effect.

Figure 3

Behavior of compressive stress with respect to FA % at 2 and 4 months of age.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf10.png

A similar mechanical behavior can be observed for the elastic modulus, though as shown in Figure 4 the w/cm ratio does not significantly increase the modulus for any percentage of FA at same testing age (Shen, Shi, Zhu, Duan & Zhang, 2016), (Siddque, 2004). The substitution of 20% FA continues to maintain at least the same value in comparison with the control.

Figure 4

Behavior of the elastic modulus with respect to FA % at 2 and 4 months of age.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf11.png

In agreement with the experimental results, for the compressive stress and elastic modulus, the specimens with w/cm = 0.60 and with 20% FA substitution maintained the control values and even increase to 24 and 15% for both ages, respectively.

As is known, FA causes a pozzolanic reaction with the calcium hydroxide present during the hydration reactions of the cement, which contributes to the mechanical strength of the cementitious matrix when substitutions are relatively low; this reaction requires a certain amount of water from the w/cm ratio. Moreover, when high percentages of FA substitution are used in place of cement, the amount of calcium hydroxide present in the mix also decreases. It is possible that aluminosilicates from the FA lack a sufficient amount of calcium hydroxide for the pozzolanic reaction, and together with the low amount of cement, a reduction in its mechanical strength occurs. It can be assumed that the rest of the FA interacts with the matrix more as a filler than as a cementitious material. Previous studies on the mechanical behavior of specimens with FA substitution at relatively low percentages have shown adequate mechanical behavior, which was verified in this investigation (Durán-Herrera, Juárez, Valdez & Bentz, 2011), (Siddique, 2004).

4.2 Flexural stress on the panels

Figure 5 shows the effect of FA and age on the flexural strength of the fiber-reinforced concrete panels. It can be observed that the two w/cm ratios provide similar behavior. With an FA substitution of 20%, at 2 and 4 months of age, there are increases in the flexural strength of 20% and 25%, respectively, compared with that the control specimens. In contrast, for FA substitutions of 40 and 60%, a decrease in strength is observed with respect to the control, which is congruent with results found under compression and for the elastic modulus, in which the substitution of cement by 20% FA for both w/cm ratios and both ages improved the mechanical behavior. Figure 5 shows that the age seems to have insignificant effect on the gain in flexural strength, primarily for w/cm = 0.70.

Figure 5

Failure load behavior under flexural testing with respect to % FA at 2 and 4 months of age.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf12.png

Figures 6 and 7 show the contribution to the flexural strength of the cementitious matrix, and the natural-fiber mesh as reinforcement for the panel. The contribution of the mesh alone occurs when the cementitious matrix reaches the maximum cracking load, and unloading rapidly follows. Figure 6 shows that the control specimens undergo an increase in the post-cracking load; Figure 7 shows that specimens with 20% FA exhibited a better post-cracking behavior. Moreover, the panels with high FA substitutions (40% and 60%) had a significant reduction in the post-cracking load with respect to the maximum flexural load that the panel could withstand before cracking (Bernal, De Gutierrez, Delvasto & Rodriguez, 2010).

Figure 6

Flexural behavior after cracking, w/cm = 0.60. (a) 2 months of age. (b) 4 months of age.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf13.png

Figure 7

Flexural behavior after cracking, w/cm = 0.70. (a) 2 months of age. (b) 4 months of age.

2007-6835-ralconpat-7-02-00135-gf14.png

The addition of the natural fiber mesh as a reinforcement in the concrete panels first contributed by improving the behavior in the fresh state of the concrete by impeding cracking by plastic contraction. Once the concrete hardened, the mesh reinforcement modified the brittle fracture mode of the concrete itself by contributing to its ductility (Sahib Banyhussan, Yildrim, Bayraktar, Demirhan & Sahmaran, 2016). Figures 6 and 7 show that the mesh induced a ductile behavior in the panel, where in several cases, the load recovered even though the maximum cracking load had not reached. In accordance with the results obtained, 20% FA substitution resulted in the highest flexural cracking load for both w/cm ratios and both ages. It was also observed that the load increased to 10% at 4 months of age compared with that at 2 months in the majority of the cases.

After the specimens at the two corresponding ages had been subjected to flexural testing, there was no evidence of degradation in the natural fibers caused by exposure to the alkaline medium during the aging period. This result was physically verified because the mode of failure of all specimens tested was ductile. The effect of different humidity and/or temperature conditions that are related to the deterioration of the natural fibers and that generate a brittle fracture mechanism (Juárez, Durán, Valdez & Fajardo, 2007), should be further studied to determine the feasibility of long-term use of this type of mesh-based reinforcement (Georgiou & Pantazopoulou, 2016), which would permit its application as new alternative construction materials.

5. Conclusions

The following are the primary conclusions of the study:

  • 1. For the compressive stress and elastic modulus, the specimens with w/cm = 0.60 and 20% FA maintained the control value and even resulted in increases of 24 and 15%, respectively, for both ages teste.

  • 2. Substitutions of 40% and 60% FA exhibited lower values of compressive stresses and elastic moduli with respect to the control; in addition, using these percentages of substitutions, the w/cm ratio and age did not appear to have a significant effect.

  • 3. Control specimens and those with 20% FA exhibited better post-cracking behavior in flexural testing for both w/cm rations and both ages. Moreover, the panels with high FA substitutions (40% and 60%) had a significant reduction in the post-cracking load with respect to the maximum flexural load that the panels withstood before cracking.

  • 4. The natural-fiber mesh reinforcement modified the brittle fracture mode of the concrete by contributing to its ductility.

  • 5. There was no evidence of deterioration of the natural-fiber meshes due to exposure to the alkaline medium during the 2 and 4 months of testing during the flexural testing, which permits the assumption that the paraffin coating that was used was adequate.

  • 6. The fiber-reinforced composites with 20% FA could be considered adequate for application as primary elements in building construction because they exhibited adequate mechanical behavior in compression and flexion. However, the specimens with 40% FA and 60% FA are not recommended for application in these elements.

Notes

[1] Citation: C. A. Juárez-Alvarado, J. R. González López, J. M. Mendoza-Rangel, A. A. Zaldivar Cadena (2017). “Low impact fiber reinforced material composite”, Revista ALCONPAT, 7 (2), pp. 135-147, DOI: http://dx.doi.org/10.21041/ra.v7i2.189





1. Introdução

A indústria da construção utiliza, cada vez mais, projetos com foco numa mudança de compromisso e responsabilidade com o resultado a ser construído. A investigação de materiais de construção intensificou a atenção a essas ideias, dado que muitos autores questionam sobre o significado da construção sustentável, entendido como aquela que considera o impacto ambiental de todos os processos envolvidos na construção, a partir da seleção de materiais até a destinação final de resíduos da mesma no seu arranjo fnal, e integralmente gerar o menor impacto ambiental possível.

Neste contexto, também deve considerar a localização dos edifícios e suas emissões ao meio ambiente, o consumo de energia dos mesmos, bem como a possível reciclagem de resíduos após a demolição do edifício quando se cumpriu a sua função ou ciclo de vida (Alfonso, 2003; Gundes 2016). Tendo em conta esta definição, devem-se considerar todos os critérios para o projeto sustentável, que envolve uma análise da localização, seu processo construtivo, utilização ou demolição, a fim de minimizar as circunstâncias que poderiam causar a deterioração do ambiente natural em cada um dos tais passos.

O desenvolvimento de edifícios é uma demanda social e a aplicação de novos materiais e métodos de construção que têm como premissa tanto a economia como o baixo impacto ambiental, podem-se pensar em uma possível solução para a demanda iminente da habitabilidade básica para países de economias emergentes. Considerando algumas taxas aproximadas de crescimento, conforme relatado no relatório das Nações Unidas de 2013 (Population Reference Bureau, 2014), espera-se que em 2050 o mundo terá 9.600 milhões de habitantes, ou seja, 33% a mais dos aproximadamente 7.200 milhões de hoje. Além disso, os países pobres ou em desenvolvimento aumentará mais de sua população (Population Reference Bureau, 2014).

Este fato leva à suposição de que a habitação deve ser oferecida anualmente para acomodar 65 milhões de pessoas, que envolve a construção de cerca de 15 milhões de novas moradias. Isso significa que terá 600 milhões de metros quadrados (na proporção de 40 m² por família) que equivale a produzir e utilizar cerca de 400 milhões de metros cúbicos, ou cerca de um bilhão de toneladas de materiais, componentes e subsistemas anualmente, apenas para atender construção de novas casas (Salas & Oteiza, 2008).

Aunado a esto, se debe considerar también, el incremento de emisiones de CO2, consumo energético masivo, daños al paisaje natural, la explotación de recursos naturales, problemas de durabilidad y otros tantos fatores para la producción de materiales y construcción de estos complejos habitacionales.

Por estos motivos la propuesta de desarrollar materiales de construcción alternativos a los que se emplean de manera convencional para cuya producción se genere un menor impacto ambiental y con bajos costos es una solución real a las condiciones mundiales de habitabilidad.

Além disso, também se deve considerar o aumento das emissões de CO2, consumo excessivo de energia, danos à paisagem natural, exploração dos recursos naturais, problemas de durabilidade e muitos outros fatores para a produção de materiais e construção destes complexos habitacionais.

Por estas razões, a proposta de desenvolver materiais de construção alternativos que são convencionalmente utilizados, cuja produção gera menos impacto ambiental e com baixo custo, é uma solução real para as condições mundiais de habitabilidade.

2. Revisão da literatura

2.1 Materiais com baixo impacto ambiental

O uso e reutilização de matérias-primas alternativas são generalizados em todo o mundo, a fim de obter materiais com baixo impacto ambiental. Tal é o caso do Uruguai, onde foi usado um sistema de construção, utilizando blocos de solo-cimento elaborados com elevadas cargas de compressão para conferir alta resistência, durabilidade e excelente isolamento térmico (Patrone, Garcia & Nigro, 2005). Na Venezuela, as fundações são de pedra combinadas com a terra, e telhados de madeira e para as paredes fardos de palha revestidos com cal ou terra para protegê-los contra agentes externos (Patrone, García & Nigro, 2005). Em Cuba, foram determinadas as propriedades físicas, mecânicas e de durabilidade do concreto feito com 25% e 100% dos agregados graúdos reciclados usando adições ativas e inertes. Os resultados mostram que o concreto com agregado reciclado feito com adições ativas melhorou a durabilidade do concreto convencional (Pavo, Etxeberría & Martínez, 2011).

No Chile, são projetadas casas onde a fundação é baseada em pedra com uma estrutura de madeira e betume colocados dentro de malhas de metal e revestidos com argila (Patrone, Garcia & Nigro, 2005). No México, a utilização do solo, cal ou cimento Portland como um estabilizador, restos de cacto e água misturados, permitiram fazer blocos de terra comprimidos (BTC) utilizados em vários tipos de habitação para reduzir custos e emissões de CO2 (Roux 2010). Além disso, têm-se realizado estudos com materiais cimentícios com baixo impacto ambiental quem tem utilizado fibras que reduzem o uso de aço de reforço estrutural. Geralmente, as fibras podem ser classificadas de acordo com a sua origem em vegetal (a partir de caules ou folhas), minerais (amianto) e feitas pelo homem (aço, vidro e polímeros). Houve uma pesquisa sobre a utilização de fibras vegetais, como uma alternativa às fibras minerais para reforçar os materiais cimentícios (Juarez, Valdez & Duran, 2004).

Estas fibras podem ser consideradas como um "material verde" ou amigável com o meio ambiente e são uma opção viável para os próximos anos. Além disso, são encontradas em todo o mundo para uso como material de reforço em uma matriz cimentícia e podem ser consideradas uma alternativa econômica e de baixo impacto ambiental para a construção.

Para determinar a viabilidade das fibras como material de reforço é necessário um estudo das suas propriedades e sua morfologia (Pacheco-Torgal, Jalali, 2011; Jarabo, Monte, White & Tijero, 2012). Tem havido muitas contribuições tecno científicas sobre a utilização de fibras naturais, tais como as provenientes do côco, sisal, bagaço de cana, bambu, palma, juta e madeira, devido à sua abundância em certas regiões do mundo (Pacheco-Torgal Jalali, 2011). Nos últimos anos tem havido um interesse crescente na utilização destas fibras como reforço em materiais cimentícios. Algumas pesquisas têm mostrado que utilizadas como reforço, apresentam propriedades comparáveis e competitivas para os concretos armado convencionais (Aziz & Lee 1984; ACI, 1998).

Adicionalmente à utilização de fibras vegetais como um substituto para a armadura pode-se reduzir o impacto ambiental com a adição de materiais de resíduos industriais de cimento como compostos substitutos de cimento, tal é o caso das cinzas volantes. O benefício desta substituição encontra-se na redução do consumo de cimento, um componente principal de concreto, mas que tem a desvantagem ecológica de liberar uma grande quantidade de CO2 e outros gases prejudiciais para o ambiente durante a sua produção (USGS, 2015). Além disso, a utilização das cinzas volantes como um substituto para uma determinada quantidade de cimento no concreto é justificada por duas razões adicionais: poupanças econômicas resultantes da redução do cimento utilizado e as alterações microestruturais motivadas pela substituição. Este segundo ponto existe um consenso de que as cinzas geram um concreto mais denso e uma redução do tamanho médio dos poros.

2.2 Aspectos de durabilidade

Outro aspecto importante a considerar em materiais com baixo impacto ambiental está ligado à sua durabilidade em serviço. Verificou-se que a substituição parcial de cimento portland com cinzas volantes em quantidades que variam de 50% a 60% conduz a materiais cimentícios com melhor desempenho de durabilidade (Malhotra 2001). No entanto, é necessário considerar que a utilização de fibras naturais na matriz cimentícia apresenta uma série de problemas relacionados com a sua natureza orgânica. Diversos estudos descobriram que há uma degradação das fibras naturais, quando elas são incorporadas na matriz cimentícia, porque ambientes de elevada alcalinidade dissolvem os compostos primários das fibras, tais como a lignina e hemicelulose e, consequentemente, a sua microestrutura enfraquece (Stancato, Burke & Beraldo de 2005, Sedan, Pagnoux, Smith & Chotard, 2008; Kriker, Bali, Debicki, Bouziane & Chabannet, 2008).

Outro fator a considerar é a elevada absorção que as fibras naturais apresentam (Savastano, Warden e Coutts 2005). Para reduzir este fenômeno tem sido relatado o uso de substâncias orgânicas para o seu revestimento, limitando a porcentagem de absorção da fibra em 4% (Alawar, Hamed e Al-Kaabi 2009; Bilba e Arsene 2008); outras alternativas estão no uso de fornos (Claramunt, Ardanuy, García-Hortal & Filho, 2011).

Tem sido utilizada também a modificação da alcalinidade da matriz usando cimentos compostos adicionando pozolanas, tais como cinza volante, cascas de arroz e bagaço de cana (Agopyan et al 2005; Gutierrez, Diaz e Delvasto 2005; Savastano Warden e Coutts 2003). No entanto, verificou-se que o uso destes materiais cimentícios suplementares não garante necessariamente a não-degradação das fibras, porque os diferentes compostos na mesma não reduzem substancialmente a alcalinidade da matriz cimentícia (Mohr, Biernacki e Kurtis 2007; John 2005; Tonoli et al 2010). Nesta perspectiva, o objetivo de investigação no presente artigo é estudar o comportamento mecânico de compostos de cimento com baixo impacto ambiental, utilizando como reforço fibras vegetais incorporadas na matriz binária utilizando diferentes porcentagens de cinzas volantes em substituição do cimento.

3. Procedimento experimental

3.1 Materiais

Neste estudo utilizou-se fibra vegetal da família do agave conhecido como "Lechuguilla" com a qual foi formada uma malha do tipo têxtil. Além disso, foi empregado o cimento Portland CPC 30R, cinzas volantes (CV) e agregados calcários de dimensão máxima de 10 mm para a brita e 4,75 milímetros para a areia. A CV é uma pozolana artificial encontrada na planta Río Escondido, localizado em Piedras Negras, Coahuila. A composição química do cimento e CV estão mostradas na Tabela 1. A CV foi utilizada em porcentagens de 20, 40 e 60% em substituição do cimento para duas diferentes relações água/ligante (a/cm) de 0,60 e 0,70. O consumo de cimento utilizado foi de 350, 280, 210 e 140 kg/m³, para 0, 20, 40 e 60% de CV em substituição, respectivamente.

Tabela 1

Composição química dos materiais cimentícios (% em massa).

Material SiO2 Al2 O3 Fe2 O3 CaO MgO Na2 O
CinzaVolante 63.93 24.32 4.29 2.34 0.78 0.20
Cimento Portland 17.55 4.7 1.77 64.74 1.23 0.37

3.2 Fabricação da malha

A malha tipo têxtil à base de fibra vegetal tem dimensões de 1100 x 600 mm e foi elaborada em forma de rede, como visto na Figura 1. A ligação dos perfis longitudinais e transversais para formar a malha foi conduzida utilizando um adesivo polimérico aplicado nos seus pontos de contato, o qual foi deixado secando durante 24 horas a 23°C no laboratório. Para evitar afetar a própria lignina - componente primário da fibra vegetal - contra o meio alcalino da matriz cimentícia, se impregnou com uma substância a base de parafina (Malhotra, 2001).

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Figura 1

Arranjo e impregnação do tecido de fibras naturais.

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A malha foi introduzida num forno a 100°C durante 24 horas para secar a umidade do ambiente nas fibras e, assim, terem a condição seca. Em seguida, a parafina foi fundida a cerca de 67°C. Como visto na Figura 1, a malha foi impregnada durante 5 min, em seguida, deixada a secar a temperatura ambiente durante 30 min.

Em adição à proteção contra o meio alcalino da matriz cimentícia, o revestimento permitirá reduzir significativamente a absorção de umidade da fibra. Isto aumenta a sua durabilidade dentro da matriz cimentícia e, portanto, a resistência do compósito é preservada.

3.3 Mistura, colagem e cura

Foram feitos 32 painéis duplicados de 960 x 560 x 50 mm reforçados com malha de fibra natural e 48 corpos de prova de concreto triplicados de 100 mm de diâmetro e 200 mm de altura. Os traços de concreto utilizados estão mostrados na Tabela 2. Foi utilizada uma betoneira com capacidade de 100 L. O concreto foi misturado de acordo com a norma ASTM C192 e o ensaio de abatimento foi realizado de acordo com a norma ASTM C143. Os processos de moldagem e de cura foram realizados de acordo com a ASTM C 31.

Tabela 2

Traços de concreto (kg/m³)

a/mc 0.60 0.70
0% 20% 40% 60% 0% 20% 40% 60%
Materiais
Água 229 229 229 229 263 263 263 263
Cimento 350 280 210 140 350 280 210 140
CV 0 70 140 210 0 70 140 210
Brita 705 698 690 682 667 659 652 644
Areia 1055 1043 1032 1020 998 986 975 963
Abatimento (cm) 9.0 10.5 11.5 13.0 23.5 24.5 25.5 26.5

A concretagem dos painéis fibroreforçados foi realizado em duas capas de cerca de 25 mm cada uma. A primeira camada foi compactada utilizando 15 golpes com um martelo sobre as faces laterais da forma em madeira, depois foi colocada a rede manualmente no meio da espessura do painel, e em seguida foi compactada numa mesa vibratória durante um período de 1 minuto. Para a segunda camada foi efetuado o mesmo processo de colagem e compactação da primeira, a malha foi mantida no meio da espessura e finalizou com o acabamento da superfície da peça.

3.4 Ensaios mecânicos

Os ensaios mecânicos dos painéis reforçados com fibra e dos corpos de prova de concreto foram realizados em duas idades entre 2 e 4 meses para cada relação a/mc. Os corpos de prova de concreto foram ensaiados à compressão de acordo com a norma ASTM C39 e o seu módulo de elasticidade de acordo com ASTM C469 nas idades estabelecidas e para as diferentes porcentagens de CV. Da mesma forma, os painéis de concreto reforçado com fibra de foram ensaiados a flexão através da aplicação de uma carga nos terços do painel, o vão livre entre os apoios foi de 900 mm, a deformação foi medida no meio vão por um transdutor de deslocamento (LVDT), os dados foram regsitrados em um sistema de aquisição de dados. Na Figura 2 se apresenta o ensaio de flexão dos painéis.

Figura 2

Ensaio de flexão dos painéis reforçados com fibra.

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4. Análise e discussão dos resultados

4.1 Tensão de compressão e módulo de elasticidade

Na Figura 3 apresenta-se o efeito da substituição de 20% do cimento por CV na resistência à compressão obtida em corpos de prova de concreto. O resultado mostra que permanece praticamente o mesmo valor de controle para ambas as relações a/mc e para 2 e 4 meses de idade. A relação a/mc tem um efeito significativo no aumento da resistência para 20% de CV e para o controle, para a substituição de 40% e 60% por CV as resistências diminuíram em relação ao controle, também a relação a/mc assim como a idade não parece afetar significativamente.

Figura 3

Comportamento da resistência à compressão em relação a % CV para 2 e 4 meses de idade.

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Um comportamento mecânico semelhante pode ser observado para o módulo de elasticidade, embora, como se mostra na Figura 4, a relação a/mc não produz aumento significativo no módulo para qualquer porcentagem de CV (Shen, Shi, Zhu, Duan & Zhang , 2016), (Siddque, 2004). A substituição de 20% CV mantém, pelo menos, o mesmo valor em comparação com o controle. De acordo com os resultados experimentais para a resistência de compressão e o módulo de elasticidade, as amostras com relação a/mc = 0.60 e com 20% de substituição de CV mantiverem os valores de controle, e inclusive registraram um aumento de 24 e 15%, respectivamente, para ambas as idades.

Figura 4

Comportamento do módulo de elasticidade em relação ao % CV durante 2 a 4 meses de idade.

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Como é sabido, a CV produz uma reação pozolânica com o hidróxido de cálcio presente nas reações de hidratação do cimento, o que lhe permite fornecer resistência mecânica à matriz de cimento quando as substituições são relativamente baixas e para o qual demanda uma certa quantidade de água da relação a/mc.

Além disso, quando são utilizadas porcentagens elevadas de substituição de CV pelo cimento também se reduz a quantidade de hidróxido de cálcio presente na mistura e é possível que os aluminossilicatos da CV não tinham hidróxido de cálcio suficiente para a reação pozolânica e combinado o baixo consumo de cimento resulta numa redução da resistência mecânica, o que permite supor que o resto da CV interage na matriz mais como um material de enchimento que como um material cimentício. Estudos anteriores sobre o comportamento mecânico em corpos de prova com substituição de CV por cimento em porcentagens relativamente baixas demonstraram um comportamento mecânico adequado, o que se verifica na presente investigação (Duran-Herrera Juarez, Valdez & Bentz, 2011), (Siddique, 2004).

4.2 Flexão nos painéis

A Figura 5 mostra o efeito da CV e da idade na resistência à flexão nos painéis de concreto reforçado com fibras. Pode-se observar que ambas as relações a/mc têm um comportamento semelhante: com uma substituição de 20% de cimento por CV para 2 e 4 meses de idade aumentou a resistência à flexão de 20% e 25%, respectivamente, em relação ao controle. Contrariamente, para as porcentagens de 40 e 60% de substituição de CV é observada uma diminuição da resistência em relação ao controle, o que é consistente com os resultados encontrados em compressão e no módulo de elasticidade, em que a substituição do cimento em 20% de CV para ambas as relações a/mc e ambas idades apresenta uma melhora em geral no comportamento mecânico. Na Figura 5 pode também ser visto que a idade parece não ter nenhum efeito significativo sobre o ganho de resistência à flexão, principalmente para a relação a/mc = 0,70.

Figura 5

Comportamento da carga de falha a flexão em relação a % de CV para 2 e 4 meses de idade.

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Nas Figuras 6 e 7, observa-se a contribuição para a resistência à flexão da matriz cimentícia e a malha de fibra natural como o painel de reforço, a contribuição unicamente da malha ocorre quando a matriz cimentícia atinge a carga máxima de fissuração e segue um descarregamento repentino. Na Figura 6, as amostras de controle apresentaram um aumento da carga pós-fissuração e na Figura 7 são as amostras com 20% de CV que apresentaram melhor comportamento de pós-fissuração. Além disso, os painéis com elevadas substituições de CV (40% e 60%) tiveram uma redução significativa na carga pós-fissuração no que diz respeito à carga máxima à flexão que o paivel resistiu antes de fissurar (Bernal, Gutierrez, Delvasto & Rodriguez, 2010).

Figura 6

Comportamento a flexão depois da fissuração, Rel. a/mc = 0.60. (a) 2 meses de idade. (b) 4 meses de idade.

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Figura 7

Comportamento a flexão depois da fissuração, Rel. a/mc = 0.70. (a) 2 meses de idade. (b) 4 meses de idade.

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A adição da malha à base de fibras naturais como reforço em painéis de concreto contribuiu, em primeira instância, para melhorar o comportamento do concreto no estado fresco, impedindo a fissuração por retração plástica, uma vez endurecido o concreto, o reforço da malha modificou o modo de ruptura frági própria do concreto em si, trazendo ductilidade (Banyhussan Sahib, Yildirim, Bayraktar, Demirhan & Sahmaran, 2016). Nas Figuras 6 e 7 pode-se observar que a malha contribuiu para que o painel apresentasse um comportamento dúctil, além de que em alguns casos a carga se recuperou sem atingir a carga máxima de fissuração. De acordo com os resultados obtidos, a substituição de 20% de CV apresentou a maior carga de fissuração por flexão para ambas as relações a/mc e para as duas idades. Observa-se também que a carga foi aumentada em 10% para 4 meses de idade em comparação com 2 meses na maioria dos casos estudados.

Uma vez ensaiados a flexão, os corpos de prova nas duas idades correspondentes, não houve evidência de degradação nas fibras naturais causadas por exposição ao meio alcalino durante o tempo acima mencionado. Isto é fisicamente verificado porque o modo de falha de todas as amostras testadas foi dúctil. O efeito de diferentes condições de umidade e/ou temperatura que se relacionam com a deterioração de fibras vegetais e a geração de um mecanismo de falha quebradiça (Juarez, Duran, Valdez & Fajardo, 2007), devem ser extensivamente estudado para determinar a viabilidade de utilização a longo prazo deste tipo de reforço a base de malha (Georgiou & Pantazopoulou, 2016), visando gerar materiais de construção alternativos.

5. Conclusões

A partir da comparação dos resultados com referências existentes pode-se concluir que:

  • 1. Para a tensão de compressão e o módulo de elasticidade, as amostras com relação a/mc = 0.60 e com 20% de substituição de CV mantiveram os valores de controle, e ainda registraram alguns incrementos de 24 e 15%, respectivamente, para ambas as idades que foram documentadas.

  • 2. As substituições de 40% e 60% de CV registraram valores menores de resistência à compressão e módulo em relação ao controle. Além disso, para estas porcentagens de substituição, a relação a/mc e a idade não parecem afetar significativamente.

  • 3. As amostras de controle e substituição de 20% de CV tiveram melhor comportamento à flexão após fissuração para ambas as relações a/mc e ambas as idades. Além disso, os painéis com altas substituições de CV (40% e 60%) tiveram uma redução significativa na carga de pós-fissuração no que diz respeito à carga máxima para resistir à flexão do painel antes de fissurar.

  • 4. O reforço de malha de fibra natural modificou o modo de falha frágil do próprio concreto dando-lhe ductilidade.

  • 5. Não foi evidenciada a deterioração nas malhas de fibras naturais pela exposição ao meio alcalino durante 2 e 4 meses, tempo decorrido para executar os ensaios à flexão, o que permite supor que o revestimento de parafina usado foi adequado.

  • 6. O compósito reforçado com fibra, com 20% de CV em substituição poderia ser considerado adequado para aplicação como elementos primários nos edifícios, uma vez que mostrou comportamento mecânico adequado para compressão e flexão. No entanto, as amostras com 40% e 60% de substituição de CV não são recomendadas para aplicação nos elementos acima mencionados.

Notes

[1] Citado como: C. A. Juárez-Alvarado, J. R. González López, J. M. Mendoza-Rangel, A. A. Zaldivar Cadena (2017). “Compostos cimentícios reforçados com fibra de baixo impacto ambiental comportamento mecânico”, Revista ALCONPAT, 7 (2), pp. 135-147, DOI: http://dx.doi.org/10.21041/ra.v7i2.189

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