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CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA –CONCYT-

SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA-SENACYT-

FONDO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA –FONACYT-

CENTRO DE INVESTIGACIONES DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

INFORME FINAL

EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DE MATRICES FIBRO-REFORZADAS CON

DESECHOS DEL FRUTO DEL COCO (COCUS NOCIFERA L.) Y DE PANELES

PARA CONSTRUCCIÓN DE VIVIENDA ECONÓMICA

(SISTEMA CONSTRUCTIVO DE MATRIZ FIBRO-REFORZADA PANCOCO)

PROYECTO FODECYT No. 075-06

Ing. FRANCISCO JAVIER QUIÑÓNEZ DE LA CRUZ

Investigador Principal

GUATEMALA, MAYO DE 2 009

AGRADECIMIENTOS:

La realización de este trabajo, ha sido posible gracias al apoyo financiero dentro del

Fondo Nacional de Ciencia y Tecnología, -FONACYT-, otorgado por la Secretaría

Nacional de Ciencia y Tecnología –SENACYT- y el Consejo Nacional de Ciencia y

Tecnología –CONCYT-.

EQUIPO DE INVESTIGACIÓN

Investigador Principal: Ing. Francisco Javier Quiñónez de la Cruz

Investigador Asociado: Dr. Ing. Edgar Virgilio Ayala Zapata

Auxiliares de Investigación: Ing. Inf. José Marco Tulio Gómez Vásquez

Ing. Inf. Samuel Alexander Gómez Palacios

Ing. Inf. Leonel Enrique Morales Aguirre

i

INDICE GENERAL

Pag.

INDICE DE FOTOGRAFÍAS vi

INDICE DE FIGURAS ix

INDICE DE TABLAS xii

RESUMEN xiii

ABSTRACT xiv

PARTE I

I.1. INTRODUCCIÓN 1

I.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4

1.2.1. ANTECEDENTES 4

1.2.2. JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN 6

I.3. OBJETIVOS 8

I.3.1. OBJETIVO GENERAL 8

I.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 8

I.4. METODOLOGÍA 10

1.4.1. LOCALIZACIÓN 10

I.4.2. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN 10

I.4.2.1. El Coco, su fibra y materiales fibrorreforzados 10

I.4.2.2. Caracterización de la fibra de coco y de los materiales 11

fibrorreforzados

I.4.2.3. Caracterización de paneles para construcción 11

I.4.2.4. Información de campo 12

I.4. 3.IDENTIFICACIÓN DE FUENTES DE MATERIA PRIMA 12

I.4.3.1. Departamento de Izabal 12

I.4.3.2. Departamento de San Marcos 12

I.4.3.3. Departamento de Guatemala 13

I.4.4. PREPARACIÓN DE LA ESTOPA Y EXTRACCIÓN DE FIBRA 13

I.4.5. CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS 13

I.4.5.1. Características físicas 13

I.4.5.2. Características químicas 13

I.4.5.3. Propiedades mecánicas 14

I.4.6.CARACTERIZACIÓN DE MATRICES FIBRORREFORZADAS 14

I.4.6.1. Ensayo de Compresión 15

I.4.6.2. Ensayo de Flexión 16

I.4.6.3. Ensayo de Tensión Indirecta 16

I.4.7. SISTEMAS CONSTRUCTIVOS 17

I.4.7.1. Sistema Pancoco SAM 17

ii

I.4.7.2. Sistema Pancoco PV 18

I.4.8. CONSTRUCCIÓN DE MUROS DE ENSAYO DE LOS DOS

SISTEMAS CONSTRUCTIVOS, A ESCALA NATURAL 18

I.4.8.1. Sistema SAM 18

I.4.8.2. Sistema PV 18

I.4.9. ENSAYO DE MUROS DE SISTEMAS CONSTRUCTIVOS 18

I.4.9.1. Ensayo a compresión 18

I.4.9.2. Ensayo a carga lateral 19

I.4.9.3. Ensayo a flexión 19

I.4.9.4. Ensayo a impacto 19

I.4.10. CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO DEMOSTRATIVO 19

I.4.11.OTRAS ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS 20

I.4.11.1. Vinculación Académica 20

I.4.11.2. Vinculación Científico-tecnológica 20

PARTE II

II. MARCO TEÓRICO 21

II. 1. LOS MATERIALES COMPUESTOS 21

II. 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS 22

II.3. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS 22

II.4. MATERIAL COMPUESTO FIBRORREFORZADO 25

II. 5. COMPONENTES DEL MATERIAL FIBRORREFORZADO 25

II.6. CARACTERÍSTICAS DEL COCO Y DE LA FIBRA DE COCO 27

II.7. ASPECTOS POSITIVOS DEL REFUERZO DEL HORMIGÓN

CON FIBRAS NATURALES 28

II.8. TEORÍA MECÁNICA GENERAL DEL REFORZAMIENTO

A LA TENSIÓN 31

II.9. TEORÍA MECÁNICA DEL REFORZAMIENTO DE

COMPUESTOS CON FIBRAS CELULÓSICAS 32

II.10. CARACTERÍSTICAS DEL COCO Y DE LA FIBRA DE COCO

(COCUS NOCIFERA L.) 33

II.10.1. El fruto del coco 33

II.10.2. La fibra de la estopa de coco 35

PARTE III

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 39

III.1. RESULTADOS 39

III.1.1. FUENTES DE MATERIA PRIMA 39

III.1.1.1. Departamento de Izabal 39

iii

III.1.1.2. Departamento de San Marcos 40

III.1.1.3. Departamento de Guatemala 40

III.1.2. PREPARACIÓN DE LA ESTOPA Y EXTRACCIÓN

DE LA FIBRA 41

III.1.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS 42

III.1.3.1. Características físicas 43

III.1.3.2. Características químicas 50

III.1.3.3. Propiedades mecánicas 50

III.1.4. CARACTERIZACIÓN DE MATRICES

FIBRORREFORZADAS 56

III.1.4.1. Ensayo de compresión 58

III.1.4.2. Ensayo de flexión 63

III.1.4.3. Ensayo de tensión indirecta 67

III.1.5. SISTEMAS CONSTRUCTIVOS 72

III.1.5.1. Sistema Pancoco SAM 72

III.1.5.2. Sistema Pancoco PV 74

III.1.6. CONSTRUCCIÓN DE MUROS DE ENSAYO DE LOS

DOS SISTEMAS CONSTRUCTIVOS, A ESCALA

NATURAL 77

III.1.6.1. Sistema SAM 77

III.1.6.2. Sistema PV 79

III.1.7. ENSAYO DE MUROS DE LOS SISTEMAS

CONSTRUCTIVOS 80

III.1.7.1. Ensayo a compresión 80

III.1.7.2. Ensayo a carga lateral 83

III.1.7.3. Ensayo a flexión 85

III.1.7.4. Ensayo a impacto 89

III.1.8. CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO

DEMOSTRATIVO 91

III.1.9. OTRAS ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS 92

III.1.9.1. Vinculación académica 92

III.1.9.2. Vinculación científico-tecnológica 93

III.2. DISCUSIÓ N DE RESULTADOS 95

III.2.1. Información relacionada con fibras vegetales 95

III.2.2. Identificación de fuentes de materia prima 95

III.2.3. Proporciones de mezclas para la elaboración de

Materiales fibrorreforzados 96

III.2.4.Normas aplicables para la elaboración de probetas y

Ensayos de materiales fibrorreforzados 96

III.2.5. Procedimientos para realización de ensayos de fibras 96

iv

III.2.6. Descripción de los ensayos para la caracterización de

fibras de estopa de coco 96

III.2.7. Ensayos y análisis de resultados de la caracterización

de las fibras de estopa de coco 96

III.2.7.1. De la determinación de las longitudes y

diámetros 96

III.2.7.2. Del ensayo de absorción 97

III.2.7.3. Del ensayo de fuerza-elongación 98

III.2.7.4. Del análisis químico 99

III.2.8. Morteros fibrorreforzados 99

III.2.8.1. Resistencia a compresión 99

III.2.8.2. Resistencia a flexión 99

III.2.8.3. Resistencia a tensión indirecta 100

III.2.8.4. Tipos de fallas en los especímenes ensayados 100

III.2.8.4.1. Fallas en compresión 100

III.2.8.4.2. Fallas en flexión 101

III.2.8.4.3. Fallas en tensión indirecta 102

III.2.8.5. Efecto de la fibra sobre el mortero 102

III.2.9. Características de paneles de construcción 103

III.2.10. Procedimientos de construcción de paneles 103

III.2.11. Normas para ensayo de paneles 103

III.2.12. Procedimientos para ensayo de paneles 103

III.2.13. Construcción y ensayo de paneles 103

III.2.14. Análisis de resultados en ensayos de paneles 104

III.2.14.1. Del ensayo a compresión 104

III.2.14.2. Del ensayo a carga horizontal 105

III.2.14.3. Del ensayo a flexión 105

III.2.14.4. Del ensayo a impacto 106

III.2.15. Construcción de paneles de materiales fibrorreforzados

para la construcción de un módulo a escala natural 107

III.2.16. Construcción de un módulo básico de paredes de una

vivienda, a base de paneles fibrorreforzados con

fibras de la estopa de coco 107

III.2.17. Evaluación del módulo básico a base de paneles

fibrorreforzados 107

v

PARTE IV

IV.1. CONCLUSIONES 108

IV.2. RECOMENDACIONES 112

IV.3. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 114

PARTE V

V.1. INFORME FINANCIERO 118

vi

INDICE DE FOTOGRAFÍAS

Pag.

1. Fibra de coco colocada aún en el Mesocarpo (estopa) 38

2. Vivero de Cocoteros, Finca Baltimore, Puerto Barrios, Izabal 39

3. Plantación de Cocoteros Finca Baltimore, Puerto Barrios, Izabal 39

4. Plantación de cocoteros, Aldea Los Laureles, Ocós, San Marcos 40

5. Venta de cocos, Mercado de La Terminal, Guatemala. 41

6. Traslado de desechos de estopa por camión municipal, Guatemala 41

7. Secado de la estopa en los patios de la ciudad universitaria 42

8. Proceso de extracción de la fibra, a partir de la estopa de coco 42

9. Proceso de extracción de la fibra, a partir de la estopa de coco 42

10. Proceso de secado de fibra, en los patios de la ciudad universitaria. 42

11. Fibra de coco preparada para su caracterización 43

12. Determinación de la longitud de fibras de coco 43

13. Determinación del diámetro de fibras de coco 44

14. Determinación del porcentaje de absorción de fibras de coco 44

15. Vista al microscopio de una fibra de coco, en su dirección longitudinal 49

16. Vista al microscopio de una fibra de coco, en su sección transversal 49

17. Vista al microscopio de una fibra de coco, en su sección transversal 49

18. Equipo construido para caracterizar mecánicamente la fibra de coco 52

19. Máquina Universal de Ensayos del Centro de Investigaciones de la

Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala.

Ensayo de matrices fibrorreforzadas 57

20. Coronamiento de superficie superior de muestras cilíndricas. 59

21. Ensayo de compresión de una muestra de material fibrorreforzado 59

22. Equipo utilizado para el ensayo de flexión en matrices reforzadas con

fibras de coco 63

23. Equipo utilizado para el ensayo de tensión indirecta en matrices

Reforzadas con fibras de coco 68

24. Panel típico del Sistema Pancoco PV, previo a la colocación de las capas

de mortero fibrorreforzado 76

25. Proceso de aplicación del mortero sobre la malla de alambre. Primera

capa 76

26. Moldes para la elaboración de paneles fibrorreforzados, tipo SAM 77

27. Proceso de armado de Moldes para elaborar bloques tipo SAM 77

28. Colocación de tubos en moldes, Sistema SAM 78

29. Fundición de bloques del Sistema Pancoco-SAM 78

30. Proceso de fundición de paneles tipo, Sistema Pancoco.SAM 78

31. Curado de bloques de paneles tipo, Sistema Pancoco-SAM 78

vii

32. Bloques tipo Sistema Pancoco-SAM en proceso de curado final y

almacenaje 78

33. Proceso de elaboración de muros de bloques tipo SAM, para ensayos

estructurales de carga lateral 79

34. Proceso de elaboración de muros de bloques tipo SAM, para ensayos

estructurales de carga lateral 79

35. Proceso de elaboración de muros de bloques tipo PV, para ensayos

estructurales de compresión y de carga lateral. 79

36. Proceso de elaboración de muros de bloques tipo PV, para ensayos

estructurales de compresión y de carga lateral 79

37. Ensayos estructurales de laboratorio, panel y bloque del Sistema SAM

sometidos a cargas de compresión 80

38. Ensayos estructurales de laboratorio, panel y bloque del Sistema SAM


39. Ensayos estructurales de laboratorio, panel del Sistema Pancoco PV


40. Ensayos estructurales de laboratorio, muros de bloques del Sistema

Pancoco-SAM y muro del Sistema constructivo Pancoco-PV 83


Pancoco-SAM y muro del Sistema constructivo Pancoco-PV 83

42. Equipo para ensayos de paneles a flexión e impacto, construido con

reciclaje de materiales en la ciudad universitaria, acorde a los requerí-

mientos de las normas internacionales ASTM 072-05 y E-695-03 86


Pancoco-SAM sometidos a cargas de flexión, en el sentido vertical 87


Pancoco-SAM sometidos a cargas de flexión, en el sentido vertical 87

45. Ensayo estructural de laboratorio, muro del Sistema Pancoco PV

sometidos a cargas de flexión, en el sentido vertical. 87

46. Ensayos estructurales de laboratorio, panel del Sistema PV, sometido

a cargas de impacto, en el sentido vertical 89

47. Ensayos estructurales de laboratorio, panel del Sistema PV, sometido

a cargas de impacto, en el sentido vertical 89

48. Ensayo estructural de laboratorio, muro del Sistema Pancoco PV

sometidos a cargas de impacto, en el sentido vertical. 89

49. Sistema constructivo Pancoco -PV. Construcción de un módulo

demostrativo. Preparación de los paneles previo a la aplicación

del mortero fibrorreforzado 91

50. Sistema Pancoco-PV. Construcción de un módulo demostrativo.

Preparación de los paneles previo a la aplicación del mortero

viii

Fibrorreforzado 91

51. Sistema Pancoco PV. Construcción de un módulo demostrativo. Muros

de paneles preparados para la aplicación del mortero fibrorreforzado y

aplicación del mortero reforzado con fibra de la estopa del coco 91

52. Sistema Pancoco PV. Construcción de un módulo demostrativo. Muros

de paneles preparados para la aplicación del mortero fibrorreforzado y

aplicación del mortero reforzado con fibra de la estopa del coco 91

53. Sistema constructivo Pancoco- PV. Construcción de un módulo

demostrativo. Concluida la aplicación del mortero reforzado con


54. Sistema constructivo Pancoco- PV. Construcción de un módulo

demostrativo. Concluida la aplicación del mortero reforzado con


55. Talleres demostrativos de tecnología para la producción social del

hábitat desarrollados en la ciudad universitaria, zona 12, como parte

del Proyecto CASAPARTES que se desarrolló en Iberoamerica, en el

Programa de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo 93

56. Talleres demostrativos de tecnología para la producción social del

hábitat desarrollados en la ciudad universitaria, zona 12, como parte

del Proyecto CASAPARTES que se desarrolló en Iberoamerica, en el

Programa de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo 93

57. Aplicación de morteros fibrorreforzados durante los talleres de

transferencia de tecnología del Programa CYTED, Proyecto XIV.8.,

en noviembre de 2 007 93

58. Aplicación de morteros fibrorreforzados durante los talleres de

transferencia de tecnología del Programa CYTED, Proyecto XIV.8.,

en noviembre de 2 007 93

59. Resina Vegetal + Fibra de Coco, experiencia desarrollada durante uno

de los talleres de transferencia de tecnología. 94

60. Fallas en los especímenes ensayados a compresión 101

61. Falla a flexión en muestra fibrorreforzada, espécimen fibrorreforzado 101

62. Falla a flexión. Trabajo de las fibras de coco a tensión 101

63. Falla a tensión en espécimen fibrorreforzado 102

64. Falla a tensión en espécimen sin refuerzo 102

ix

INDICE DE FIGURAS

Pag.

1. Partes internas y externas del coco 34

2. Fibra de coco a nivel Molecular 38

3. Relación encontrada entre el porcentaje de absorción de fibras de estopa

de coco y su tiempo de inmersión en agua 48

4. Gráfica de esfuerzo-elongación de fibras de estopa de coco, ensayadas

a tensión 55

5. Mezcla G, sin refuerzo. Resultados del ensayo a compresión a 28 días 59

6. Mezcla G, sin refuerzo. Resultados del ensayo a compresión a 56 días 59

7. Mezcla F. Resultados del ensayo a compresión a 28 días de edad 60

8. Mezcla F. Resultados del ensayo a compresión a 56 días de edad 60

9. Mezcla E. Resultados del ensayo a compresión a 28 días de edad 60

10. Mezcla E. Resultados del ensayo a compresión a 56 días de edad 60

11. Mezcla D. Resultados del ensayo a compresión a 28 días de edad 61

12. Mezcla D. Resultados del ensayo a compresión a 56 días de edad 61

13. Mezcla C. Resultados del ensayo a compresión a 28 días de edad 61

14. Mezcla C. Resultados del ensayo a compresión a 56 días de edad 61

15. Mezcla B. Resultados del ensayo a compresión a 28 días de edad 62

16. Mezcla B. Resultados del ensayo a compresión a 56 días de edad 62

17. Mezcla A. Resultados del ensayo a compresión a 28 días de edad 62

18. Mezcla A. Resultados del ensayo a compresión a 56 días de edad 62

19. Mezcla G. Resultados del ensayo de flexión a 28 días de edad 64

20. Mezcla G. Resultados del ensayo de flexión a 56 días de edad 64

21. Mezcla F. Resultados del ensayo de flexión a 28 días de edad 64

22. Mezcla F. Resultados del ensayo de flexión a 56 días de edad 64

23. Mezcla E. Resultados del ensayo a flexión a 28 días de edad 65

24. Mezcla E. Resultados del ensayo a flexión a 56 días de edad 65

25. Mezcla D. Resultados del ensayo a flexión a 28 días de edad 65

26. Mezcla D. Resultados del ensayo a flexión a 56 días de edad 65

27. Mezcla C. Resultados del ensayo a flexión a 28 días de edad 66

28. Mezcla C. Resultados del ensayo a flexión a 56 días de edad 66

29. Mezcla B. Resultados del ensayo a flexión a 28 días de edad 66

30. Mezcla B. Resultados del ensayo a flexión a 56 días de edad 66

31. Mezcla A. Resultados del ensayo a flexión a 28 días de edad 67

32. Mezcla A. Resultados del ensayo a flexión a 56 días de edad 67

33. Mezcla G. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 28 días 68

34. Mezcla G. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 56 días 68

35. Mezcla F. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 28 días 69

x

36. Mezcla F. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 56 días 69

37. Mezcla E. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 28 días 69

38. Mezcla E. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 56 días 69

39. Mezcla D. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 28 días 70

40. Mezcla D. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 56 días 70

41. Mezcla C. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 28 días 70

42. Mezcla C. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 56 días 70

43. Mezcla B. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 56 días 71

44. Mezcla A. Resultados del ensayo a tensión indirecta a 56 días 71

45. Planta de bloque 72

46. Elevación de bloque 72

47. Perfil de bloque 72

48. Detalle de macho y hembra 72

49. Isométrico de panel 73

50. Corte típico de panel 73

51. Detalle de cimiento 73

52. Armado en cimiento 73

53. Detalle de solera de corona 74

54. Armado en solera de corona 74

55. Detalle de cimiento con block U 74

56. Detalle en T 74

57. Detalle en L 74

58. Dimensiones del marco de madera del sistema PV. Los paneles están

complementados con una malla hexagonal de alambre de pequeño

diámetro, estopa de coco como aislante térmico y acústico y el mortero

reforzado con fibras de coco 75

59. Gráfica carga-deformación del ensayo de panel 1 Sistema SAM,

sometido a compresión 81

60. Gráfica carga-deformación del ensayo de panel 2 Sistema SAM,

sometido a compresión 82

61. Gráfica carga-deformación del bloque fibrorreforzado Sistema SAM,

Sometido a compresión 82

62. Gráfica carga-desplazamiento horizontal de muro Deformómetro No. 1 84

63. Grafica carga-deformación por volteo de muro. Deformómetro No. 2 84

64. Gráfica carga-desplazamiento horizontal de muro Deformómetro No.3 85

65. Configuración de ensayo a flexión 86

66. Configuración de ensayo a impacto. 86

67. Gráfica carga-deflexión del panel fibrorreforzado 1, Sistema SAM, so-

metido a flexión 88


xi

metido a flexión 88


metido a impacto 90


metido a impacto 90

xii

INDICE DE TABLAS

Pag.

1. Mezclas de mortero fibrorreforzadas con fibras de estopa de coco 17

2. Longitudes y diámetros de 30 muestras de fibras de coco ensayadas 45

3. Datos obtenidos del ensayo de absorción en fibras de coco 46

4. Promedio final de los porcentajes de absorción de fibras de estopa 47

5. Resultados de la caracterización química de fibras y polvo de coco 51

6. Esfuerzos máximos de 30 muestras de fibras coco ensayadas a tensión 53

7. Agrupación de los datos de los ensayos mecánicos en frecuencias 54

8. Tabulación de esfuerzos máximos de 4 muestras seleccionadas 54

9. Promedio de valores de elongación y esfuerzos, muestras Nos. 18, 22,

26 y 27 55

10. Rango de diámetros y esfuerzos máximos para la fibra de coco ensayada 98

11. Resultados de ensayo a compresión de paneles fibrorreforzados 104

12. Resultado de esfuerzo de bloque y panel 105

13. Resultados de ensayo a flexión de paneles fibrorreforzados 106

xiii

RESUMEN

En algunas áreas de ingeniería civil, el uso de fibras como refuerzo ha sido

ampliamente utilizado. Las fibras de refuerzo proveen una mejora en las características

mecánicas de los materiales, creando un nuevo material que muestra una mejor

ductilidad, incrementando los esfuerzos a la tensión y la resistencia a la falla; retrasando

la deformación a la ruptura. Se han utilizado fibras de distinta naturaleza, sin embargo,

es importante considerar que el refuerzo con fibras metálicas, por ejemplo, es de costo

muy alto en relación con el refuerzo de fibras naturales, además, deben considerarse los

beneficios ecológicos que con éstas últimas puede lograrse.

En este trabajo se identificaron fuentes de desecho de estopa de coco para extraer

una considerable muestra y realizar una investigación experimental utilizando la fibra de

la misma. Luego de trasladar la muestra al laboratorio y prepararla, se extrajo la fibra

por procedimientos mecanizados y se limpió previo a su experimentación. La fibra fue

caracterizada física, química y mecánicamente, por procedimientos estandarizados. Se

utilizó la fibra en diferentes longitudes y se mezcló con matrices de mortero y de

cemento para establecer sus características y propiedades mediante ensayos de

laboratorio utilizando normas internacionales. Dos sistemas de construcción de vivienda

mínima fueron diseñados para experimentar la utilización de matrices fibrorreforzadas

con la fibra de la estopa. Muros representativos de los sistemas diseñados fueron

construidos a escala natural para determinar su comportamiento en el laboratorio de

estructuras. Finalmente se construyó un módulo demostrativo a escala natural, con uno

de los sistemas experimentados.

De acuerdo con los resultados, se concluye que el lugar de mayor disponibilidad de

desecho de estopa de coco es el Mercado de La Terminal en la Ciudad de Guatemala. La

capacidad de absorción de la fibra es muy alta y sus esfuerzos promedio a la tensión son

de 2383.5 kg/cm2. La capacidad de deformación de los elementos fibrorreforzados

ensayados a flexión es mucho más grande en relación con las muestras de control y está

en relación directa de la longitud y porcentaje de fibra utilizada. Los muros a escala

natural construidos y ensayados en el laboratorio con materiales fibrorreforzados

mostraron un buen comportamiento bajo solicitaciones estáticas de compresión, carga

lateral, flexión e impacto. La construcción de un modelo prototipo a escala natural ha

evidenciado a la fecha un comportamiento satisfactorio, bajo condiciones normales de

uso.

Se recomienda realizar la caracterización de fibras del tallo y de las hojas de los

cocoteros, pues se ha determinado que todo el árbol es generador de fibras.

Palabras clave

Coco, fibra, normalización, paneles, caracterización, ecológico, económico, vivienda,

aglomerantes.

xiv

ABSTRACT

In some civil engineering areas, the use of reinforcement with fibers has been

widely used. The fibers of reinforcement provide an improvement in the mechanical

characteristics of the materials, creating a new material that shows a better ductility,

increasing the loads to tension and the resistance to the fault; delaying the deformation

to the break. There have been used fibers of different nature, nevertheless, it is important

to think that the reinforcement with metallic fibers, for example, is too expensive in

relation with the reinforcement with natural fibers, in addition, they must be considered

to be the ecological benefits which can be achieved with the above mentioned.

In this work there were identified sources of coconut wastes to extract a

considerable sample and to realize an experimental research. After moving the sample

to the laboratory and preparing it, fibers were extracted by mechanized procedures and

were cleaned before their experimentation. Fibers were used in different lengths and

were mixed with mortar and cement to establish their characteristics and properties

laboratory under test programs using international procedures. Two systems for

construction of minimal housing were designed to experience their utilization.

Representative walls of the designed systems were constructed to establish their behavior

in the laboratory of structures. Finally a demonstrative module was constructed with one

of the experienced systems.

According to results, the place of major availability of coconut wastes is The

Terminal Market in Guatemala city. The absorption capacity of the fiber is very high

and its strength tension is 2383.5 kg/cm2. The deformation capacity of the elements

tested to flexion is very big in relation with control samples and it is in direct relation to

the length and percentage of fibers.

The walls constructed and tested in the laboratory showed a good behavior under

static compression solicitations, lateral load, flexion and impact. The construction of a

model prototype has demonstrated a satisfactory behavior under normal use conditions.

It is advised to accomplish the characterization of stem and sheets fibers of

coconut palms, because it has been determined that the whole tree is generating fibers.

Key words

Coconut, fiber, normalization, panels, characterization, ecological, economic, housing,

binders.

1

PARTE I

I.1. INTRODUCCIÓN

El concepto de utilización de fibras vegetales en la construcción es muy antiguo;

se tiene conocimiento de que la vieja civilización egipcia ya incorporaba estas fibras a

sus construcciones.

En la actualidad, el desarrollo tecnológico ha permitido la creación de nuevos

materiales reforzados con distintos productos sintéticos o metálicos con excelentes

resultados, por ejemplo, el concreto reforzado con fibras metálicas. Sin embargo, los

problemas de contaminación ambiental originados durante la fabricación y la falta de

materia prima elevan considerablemente los costos de producción. Así, la alternativa

para el desarrollo de estos nuevos materiales se basa principalmente en la

disponibilidad y aprovechamiento de los recursos locales.

Durante las últimas décadas se realizaron intensas investigaciones y se

desarrollaron trabajos en el campo del concreto reforzado con fibras. Se utilizaron

fibras manufacturadas, fibras sintéticas y fibras tratadas. La producción de concreto

reforzado con fibras se incrementó substancialmente en varios aspectos y aplicaciones.

Por el contrario, en países tropicales se han utilizado fibras vegetales de coco, bambú,

caña de azúcar, yute, sisal, etc., las cuales son relativamente baratas; por lo que, si se

reemplazan las fibras tradicionales como el asbesto u otras fibras con resultados

similares, es posible reducir los costos, por ejemplo en la construcción de viviendas.

Tales investigaciones han dado origen al nuevo compuesto llamado matriz

fibrorreforzada.

Una matriz compuesta fibrorreforzada está formada por una matriz aglomerante

y por una fase reforzante constituida por fibras de origen natural o sintético. Aunque

los materiales cementicios, morteros y concretos, presentan ventajas en cuanto a su

resistencia mecánica y rigidez para uso estructural, también presentan deficiencias por

su baja resistencia al impacto y a la tensión, debido principalmente a su alta fragilidad.

La adición de fibras mejora una o más propiedades, siendo su principal contribución la

ductilidad y la tenacidad, cualidades necesarias para edificaciones localizadas en zonas

de alto riesgo sísmico. Estas propiedades son determinadas por la naturaleza de las

fibras, las propiedades de la matriz, la morfología del sistema, la interacción de la

inter-fase y la tecnología de fabricación.

En algunas áreas de la ingeniería civil, el uso de fibras como refuerzo del

concreto ha sido ampliamente usado. Las fibras de refuerzo proveen una mejora en

características mecánicas a los materiales de construcción, creando un nuevo material

que muestra una mejor ductilidad, incrementando los esfuerzos a la tensión y la

resistencia a la falla, por lo tanto, retrasando la deformación a la ruptura. Las fibras de

2

refuerzo, pueden ser utilizadas tanto en concreto normal como en concreto reforzado,

matrices poliméricas y otras; las fibras son de distinta naturaleza, metálicas, sintéticas

y vegetales. Sin embargo, hay que considerar que un concreto de buena calidad

reforzado con fibras metálicas es demasiado caro comparado con las propiedades

mecánicas del concreto reforzado con fibras vegetales.

El objetivo general de ésta investigación fue producir y caracterizar en el

laboratorio, materiales a base de matrices fibro-reforzadas con desechos del fruto del

coco (Cocus Nucifera L.), además, producir y caracterizar paneles a escala natural, en

el laboratorio, de matrices reforzadas con fibras de coco. También se evaluó la

aplicación de paneles en la construcción de un módulo de vivienda económica a escala

natural.

El trabajo de investigación se desarrolló en dos etapas. La primera etapa se

dividió en dos partes; en la primera parte se establecieron aspectos relacionados con la

fibra de la estopa del coco: disponibilidad en Guatemala, metodología de extracción,

caracterización física, química y mecánica. En la segunda parte de la primera etapa se

realizó experimentación con morteros y concretos fibrorreforzados, para lo cual fue

necesario desarrollar una metodología para su caracterización, atendiendo a la

normativa internacional. La segunda etapa también fue dividida en dos partes; en la

primera parte se diseñó un sistema constructivo a base de paneles reforzados con fibra

de la estopa del coco; para la caracterización del sistema a escala natural en el

laboratorio, se construyeron paneles y bloques de mortero fibrorreforzado. La

metodología para evaluar los sistemas obedeció también a las recomendaciones de

normas internacionales. En la segunda parte de la segunda etapa se construyó un

módulo para realizar la aplicación del sistema previamente evaluado. Adicionalmente,

se experimentó con la fibra de la estopa de coco como refuerzo de tableros de

polímeros reciclados.

De acuerdo con los resultados obtenidos, existen escasas plantaciones de

cocoteros en Guatemala, destacando la que se encuentra en la Finca Baltimore, en

Izabal. La mayor disposición de estopa como desecho se ubicó en el mercado La

Terminal de la ciudad de Guatemala. La extracción de la fibra es dificultosa cuando se

hace de forma manual, sin embargo, con un adecuado proceso mecanizado esta

operación se simplifica. La fibra de coco fue caracterizada física, química y

mecánicamente y morteros fibrorreforzados de cemento se elaboraron para su

caracterización. Los resultados de la experimentación indicaron que la adición de fibra

de coco en los morteros proporciona ventajas en cuanto al comportamiento, sobre todo,

después de la falla. Dos sistemas constructivos fueron experimentados y

caracterizados; los resultados obtenidos del comportamiento estructural evidencian las

ventajas de los morteros fibrorreforzados con fibras de coco. La experiencia de la

construcción de un módulo demostrativo indicó la factibilidad técnica del uso del

sistema experimentado.

3

Una importante relación se estableció con personalidades a nivel internacional en

este tema, destacándose entre ellas a los siguientes científicos: el Prof. Dr. Pierre

Carreau, Director del Centro de Investigación Aplicada de Plasturgia y otros

Compuestos de la Universidad de Montreal, Canadá y el Prof. Dr. Osny Pellegrino

Ferreira de la Escuela de Ingeniería de San Carlos de la Universidad de Sao Paulo,

Brasil, a quienes se tuvo la oportunidad de recibir en la Universidad de San Carlos de

Guatemala y de visitar en sus centros de investigación, con recursos aportados por

organismos internacionales.

Para la realización del trabajo experimental, se contó con un equipo de

investigación integrado por las siguientes personas: Ing. Francisco Javier Quiñónez de

la Cruz, investigador principal; Dr. Ing. Edgar Virgilio Ayala Zapata, investigador

asociado; Ing. Inf. Samuel Alexander Gómez Palacios, auxiliar de investigación; Ing.

Inf. José Marco Tulio Gómez Vásquez, auxiliar de investigación; Ing. Inf. Leonel

Enrique Morales Aguirre, auxiliar de investigación; y los estudiantes de ingeniería

civil que realizaron sus trabajos de graduación en temas complementarios a este

proyecto, cuyos nombres se detallan a continuación: Ing. Oscar David Toj Atz, Ing.

Demis Omar Alvarez Molineros, Ing. Milton Adolfo Pérez Escobar, Ing. David

Alejandro Rodríguez, Ing. Inf. Leonel Enrique Morales Aguirre, Ing. Inf. Samuel

Alexander Gómez Palacios, Ing. Inf. José Marco Tulio Gómez Vásquez, e Inga. Inf.

Anaité Orellana Portillo.

Esta investigación fue realizada en la Sección de Eco-materiales del Centro de

Investigaciones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de

Guatemala, con el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Guatemala

–CONCYT-, mediante el co-financiamiento del proyecto registrado en la Secretaría

Nacional de Ciencia y Tecnología -SENACYT- con el número 075-2006,

correspondiente al Fondo Nacional de Ciencia y Tecnología de Guatemala –

FONACYT-.

4

I.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

I.2.1. ANTECEDENTES

Aunque los materiales cementicios, morteros y concretos, presentan ventajas en

cuanto a su resistencia mecánica y rigidez para uso estructural, además de ser en estado

fresco fácilmente moldeables, también presentan deficiencias por su baja resistencia al

impacto y a la tensión, debido principalmente a su alta fragilidad.

Las fibras de refuerzo proveen una mejora en características mecánicas a los

materiales de construcción, creando un nuevo material que muestra una mejor

ductilidad, incrementando los esfuerzos a la tensión y la resistencia a la falla, por lo

tanto, retrasando la deformación a la ruptura. Las fibras de refuerzo, pueden ser

utilizadas tanto en concreto normal como en concreto reforzado, matrices poliméricas

y otras; las fibras que se ha utilizado son de distinta naturaleza, metálicas, sintéticas y

vegetales. Sin embargo, hay que considerar que un concreto de buena calidad

reforzado con fibras metálicas es demasiado caro comparado con las propiedades

mecánicas del concreto reforzado con fibras vegetales. Además, la utilización de

fibras metálicas y sintéticas ha demostrado graves problemas de contaminación

ambiental.

Una matriz compuesta fibrorreforzada está formada por una matriz aglomerante

y por una fase reforzante constituida por fibras de origen natural o sintético. La

adición de fibras mejora una o más propiedades, siendo su principal contribución la

ductilidad y la tenacidad, cualidades necesarias para edificaciones localizadas en zonas

de alto riesgo sísmico. Estas propiedades son determinadas por la naturaleza de las

fibras, las propiedades de la matriz, la morfología del sistema, la interacción de la

inter-fase y la tecnología de fabricación.

Las fibras que más se utilizan en la actualidad son las de asbesto, acero, vidrio,

carbón, polipropileno, nylon y fibras potenciales que las pueden sustituir y actualmente

en investigación son las fibras naturales de sisal, henequén, fique, celulosa, coco y

otras. En particular, las fibras naturales de origen vegetal están constituidas de

celulosa, sustancia polimérica conformada por moléculas de glucosa, enlazadas por

lignina y asociada a cantidades variables de otros materiales naturales. Estas pueden

ser extraídas de acuerdo a la parte de la planta de donde son extraídas. Para el caso de

las fibras de coco, son extraídas de la semilla del mismo, aunque hay indicios que

pueden utilizarse también las fibras del tallo y las hojas. Las fibras de coco pueden

incorporarse a la matriz en forma de monofilamentos individuales separados entre si.

La distribución de las fibras en este caso es al azar.

Ensayos realizados en fibras de coco han mostrado esfuerzos de tracción muy

cercanos a los que se obtienen con los aceros de construcción. Esta situación ubica a

5

este tipo de fibras como una opción muy factible para reforzar materiales frágiles como

los morteros y concretos a base de cemento y arcillas. Su conveniencia también se

extiende al posible reforzamiento de matrices poliméricas.

Sobre esta base, el Laboratorio de Investigación de Materiales CINVESTAV-

IPN DE México, en cooperación con la Universidad Autónoma de Querétaro, ha

realizado investigaciones para el uso de fibras de dos especies: Agave lechuguilla y

Agave salmiana. Las investigaciones no solo se han realizado con la finalidad de

proponer nuevos materiales para la industria de la construcción, sino buscando usos

alternativos que constituyan aportes a todo un sistema socioeconómico.

Fibre Composites Group-Forestry and Forest Products (FFP)- Commonwealth

Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) de Australia, aparecen como

instituciones de investigación precursores del estudios de materiales cementicios

reforzados con pulpa de celulosa, ya en comercialización a partir del inicio de la

década de los 80s.

En Brasil, el Centro de Pesquisa e Desenvolvimento (Ceped), localizado en

Camacari, Bahia, es considerado como uno de los más amplios y consistentes en el

tema. El Ceped es una institución brasileña pionera en el estudio de fibras vegetales

como refuerzo de materiales en construcción civil, especialmente de fibras de sisal y

de coco. Exhaustivos estudios sobre la influencia de comportamiento de fibras han

sido realizados. A partir de esos estudios, se han estudiado algunos componentes

habitacionales como tejas, pilas, pequeñas cajas de agua o drenajes, producidos con

construcción simplificada con matrices de cemento Pórtland.

Investigaciones en este tema han sido desarrollados en la Escuela Politécnica de

la Universidad de Sao Paulo (EP-USP) y en el Instituto de Investigaciones

Tecnológicas del Estado de Sao Paulo (IPT), con el apoyo de el Centro Internacional

de Investigaciones de Canadá (IDRC). El Instituto del Estado de Pernambuco (ITEP)

de Recife, Brasil, también ha desarrollado investigaciones de refuerzo de matrices con

fibras de coco y sisal.

En Guatemala, estudios realizados en el Centro de Investigaciones de la Facultad

de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala, evidencian la existencia

de decenas de especies susceptibles de obtener fibras, muchas de ellas en peligro de

extinción. Realizado el análisis sobre las estadísticas de producción de los principales

productos agrícolas del país, se identificaron tipos de fibras susceptibles de utilizarse

como refuerzo debido a su disponibilidad y a su bajo costo, una de ellas es la fibra de

las plantas de coco, especialmente la que se obtiene de la estopa del mismo. Se ha

establecido además, que existe amplia disponibilidad de estopa en Guatemala,

proveniente de la industria alimenticia, sobre todo en los mercados municipales. Esta

estopa no se utiliza, constituyendo un desecho que ocasiona, en la mayoría de los

casos, problemas de contaminación.

6

I.2.2. JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

Una de las grandes ventajas de los materiales compuestos fibrosos es la

capacidad que se tiene de utilizar diferentes tipos de fibras y matrices. De acuerdo con

la teoría existente sobre materiales compuestos fibrosos, la composición de la fibra y la

matriz son factores iniciales que condicionan su éxito.

La fibra es el principal constituyente soporte de carga, evita la propagación de las

grietas en la matriz, y puede rebajar la densidad del producto. La fibra puede otorgar a

los materiales fibrorreforzados importantes propiedades, dependiendo de su

orientación, longitud, forma y contenido. La orientación de las fibras discontinuas o

cortas es difícil de lograr. En la mayoría de los casos se asume una orientación

aleatoria. Las dos características mas importantes de los compuestos con fibra

orientada son la relación resistencia/peso y el control de su anisotropía. Compuestos

reforzados en una sola dirección proveen resistencia máxima en esa sola dirección,

mientras que compuestos reforzados en dos direcciones proveen resistencia en dos ejes

direccionales, sin embargo, la resistencia en cada dirección es aproximadamente la

mitad de la correspondiente en forma unidireccional.

La resistencia de los compuestos aumenta a medida que la razón

longitud/diámetro crece ya que es difícil producir fibras muy largas sin incrementar el

número de defectos presentes. Debido a esto y aunque las fibras continuas son más

fáciles de orientar en una dirección específica que las fibras cortas, los compuestos de

fibra corta pueden igualar y aún sobrepasar la resistencia de los materiales compuestos

de fibra continua.

La forma de la fibra también afecta los resultados, sin embargo, es necesario

trabajar con la sección natural que presenta, ya que la transformación de la misma

complicaría enormemente su utilización.

El contenido de fibra depende de las características propias de la fibra y de la

facilidad de obtener un material laborable, lo cual está íntimamente relacionado con la

matriz con la que se combine.

La matriz también tiene una función fundamental en el material fibrorrefozado,

ésta transfiere y distribuye la carga externa a las fibras, enlaza las fibras, las separa y

las protege del medio exterior atmosférico. Un recubrimiento de la fibra protege la

fibra de deterioro químico y mecánico y previene el contacto directo entre fibras.

Puede estar constituida por un material cementicio, arcilloso o polimérico.

La matriz por si sola tiene generalmente muy buena resistencia a la compresión,

sin embargo, su resistencia a la tracción es solo una fracción de la resistencia a

compresión. Los morteros y concretos de cemento, por ejemplo, suelen presentar

valores a la tracción del orden de un diez por ciento de los valores obtenidos en

7

compresión. Por otro lado, la fragilidad que generalmente ellas presentan las hacen

también muy débiles bajo la acción de cargas dinámicas, principalmente las de

impacto. Además, las contracciones que presentan las matrices cuando pasan de un

estado húmedo a un estado seco, las hacen muy susceptibles de fisuración y

agrietamiento. Por esas razones, para que una matriz sea más competitiva, sobre todo

ante fuerzas dinámicas, requiere ser reforzada por un material resistente a la tracción.

Los reforzamientos de matrices con fibras no sustituyen a las barras de refuerzo

del concreto reforzado. Estos materiales fibrosos son una alternativa, sobre todo en

aquellos casos en que los espesores del material no permiten la colocación de barras.

Así, el uso de los materiales fibrorreforzados se enfoca principalmente en aquellos

casos en que los volúmenes de material requieren ser menores por razón del peso y/o

del costo.

Ante esto, para un material fibrorreforzado es importante pensar en obtener las

propiedades más deseables para un uso específico, diseñando adecuadamente las

formas, tamaños, proporciones de los componentes y el proceso de fabricación.

Debido a no existir formulaciones universales para la producción de un material

compuesto fibrorreforzado, se debe considerar un diseño específico de sus

componentes, acorde al elemento y condiciones finales de servicio.

La interfase acopla la matriz con la fibra, y transfiere los esfuerzos de la matriz a

las fibras. La matriz es frágil y la fibra actúa reforzándola.

La bondad de incorporar una fibra en una matriz depende de la capacidad de

transferencia de los esfuerzos desde la matriz hacia la fibra (interfase), de tal

manera que desde el punto de vista de la transferencia de carga, el material compuesto

se comporte como un todo homogéneo aunque la matriz esté agrietada.

La alternativa para el desarrollo de nuevos materiales se basa principalmente en

la disponibilidad y aprovechamiento de los recursos locales. La adición de fibras

vegetales representa una opción que no solo es ambientalmente amigable, sino que

reduce los costos de los materiales, generando también fuentes de ingreso locales

adicionales en el cultivo y proceso de transformación de la materia prima.

Particularmente la utilización de fibra natural orgánica del fruto del coco, en la

producción de hormigones y morteros fibrorreforzados para las aplicaciones en

elementos constructivos de hormigón y mortero, conllevaría el mejoramiento de su

integridad y de su vida útil, básicamente por la resistencia al agrietamiento y aumento

de la absorción de energía y ductilidad que introduce su adición. Los materiales

fibrorreforzados son altamente deseados en lugares donde la capacidad económica de

los habitantes es limitada, ya que materiales o elementos pueden ser construidos

cuando la matriz se refuerza con fibras, en este caso del fruto del coco.

8

I.3. OBJETIVOS

I.3.1. OBJETIVO GENERAL

Producir y caracterizar materiales fibrorreforzados a base de matrices de cemento

reforzados con desechos de fruto del coco (Cocus Nucifera L.) en el laboratorio y

producir y caracterizar paneles de matrices reforzadas Hcon desechos del fruto del

coco (Cocus Nucifera L.) a escala natural en el laboratorio, así como evaluar la

construcción y aplicación de los paneles en la construcción de un módulo de vivienda

económica a escala natural.

I.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Establecer un banco de información relacionado con la práctica y profundización

del conocimiento de materiales reforzados con fibras vegetales.

Identificar las fuentes más abundantes de la materia prima (cocos) en el país.

Identificar las proporciones de mezclas más adecuadas para la elaboración de

materiales fibroreforzados con fibras de coco.

Identificar las normas aplicables para la elaboración de probetas y ensayos de

materiales fibroreforzados con fibras de coco.

Identificar los procedimientos para realización de los ensayos de fibras de coco

y de materiales fibroreforzados con fibras de coco.

Describir los ensayos para la caracterización de las fibras y de los materiales

fibroreforzados.

Realizar los ensayos para determinar las características físicas y propiedades

mecánicas de los materiales fibroreforzados con fibras de coco.

Analizar los resultados de laboratorio, para determinar la relación entre las

variables determinadas.

Establecer las características de los paneles de construcción, acorde a los

resultados de la caracterización de los materiales fibroreforzados con fibras de

coco.

Establecer los procedimientos de construcción de los paneles de construcción,

acorde a los resultados de la caracterización de los materiales.

Identificar las normas aplicables para la realización de los ensayos de laboratorio

de paneles construidos con materiales fibroreforzados de fibras de coco,

atendiendo a los resultados de la caracterización de los materiales.

Identificar los procedimientos para el ensayo de los paneles de materiales

fibroreforzados con fibras de coco.

Construir y Ensayar paneles fibroreforzados con fibras de coco.

Analizar los resultados obtenidos en los ensayos de paneles fibroreforzados con

fibras de coco.

9

Construir paneles de materiales fibroreforzados para la construcción de un

módulo a escala natural.

Construir un módulo básico de paredes de una vivienda económica a base de

paneles fibroreforzados con fibras de coco.

Evaluar la construcción del módulo básico a base de paneles fibroreforzados.

10

I.4. METODOLOGÍA

I.4.1. LOCALIZACIÓN

La investigación se realizó en el Centro de Investigaciones de la Facultad de

Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala, específicamente en los

laboratorios de la Sección de Eco-materiales, cuyos datos de localización, elevación y

temperatura son (según www.insivumeh.gob.gt/meteorologìa.html):

Longitud: - 90 33΄ 06.25˝

Latitud: + 14 35΄ 17.46˝

Elevación: 1476 msnm

Temperatura Máxima: 25.5

Temperatura Mínima: 15.3

Temperatura Media: 19.8

I.4.2.RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN

Se presenta a continuación un listado de los documentos más importantes, que

se tomaron como base para el desarrollo de la investigación experimental, así como los

principales lugares de ubicación de la materia prima.

I.4.2.1. El Coco, su fibra y materiales fibrorreforzados

De los documentos consultados, se listan a continuación aquellos que son

considerados relevantes por su información:

Modern Coconut Management (Palm Cultivation and Products)

editado por J.G. Ohler, contiene información muy completa

sobre los aspectos de cultivo y diversidad de productos del coco.

Revisión Bibliográfica de Miembros del Proyecto de

Precompetividad VIII.5 del Programa de Ciencia y Tecnología

para el Desarrollo –CYTED-. Concretos Reforzados con

Refuerzos no Convencionales. LIM, CINVESTAV-IPN.

Querétaro, México, 2000.

Durabilidad y Corrosión en Materiales Cementicios. Ruby Mejía

de Gutiérrez y Patricia Rodríguez López, Universidad del Valle,

Cali, Colombia y Universidad Autónoma de Nuevo León,

México. Universidad Nacional de Costa Rica, 1999.

Memorias del Curso Internacional sobre Compuestos

Fibrorreforzados. Proyecto de Precompetividad VIII.5 del

Programa Ciencia y Tecnología para el Desarrollo –CYTED-.

Concretos Reforzados con Refuerzos no Convencionales.

Universidad del Valle, Cali, Colombia, 2001.

11

I.4.2.2. Caracterización de la fibra de coco y de los materiales fibrorreforzados

Las normas internacionales, de las cuales se obtuvieron los requerimientos para

la caracterización física, química y mecánica de las fibras de coco y de los materiales

fibrorreforzados se listan a continuación:

ASTM C31/C31M-03a (Práctica normalizada para la hechura y

curado en el campo, de muestras de ensayo de concreto)

ASTM C-33-03 (Especificación normalizada para agregados de

concreto)

ASTM C39/39M-03 (Método de ensayo normalizado para

muestras cilíndricas de concreto para resistencia a compresión)

ASTM C 125-03 (Terminología normalizada para concreto y

agregados para concreto)

ASTM C 293-02 (Método de ensayo normalizado para determinar

la resistencia a flexión de concreto (usando una viga

simplemente apoyada con carga al centro de la luz)

ASTM C 469-02 (método de ensayo normalizado para determinar

el Módulo de Elasticidad Estático y la Relación de Poisson de

concreto en compresión)

ASTM C 496/C 496M-04 (Método de ensayo normalizado para

determinar la resistencia a tensión indirecta de muestras

cilíndricas de concreto)

ASTM C 1231/C 1231M-00 (Práctica normalizada para uso de

cabezales no adheridos en la determinación de la resistencia a

compresión de cilindros de concreto endurecido)

ASTM D 76-99-05 (Especificación normalizada para máquinas

para ensayo de tensión de textiles)

ASTM D 3822-07 (Método de ensayo normalizado para

determinación de propiedades a tensión de fibras textiles

simples)

AOAC 930.15 y 925.04 (Determinación de materia seca)

AOAC 976.05 (Determinación de proteína cruda)

AOAC 962.09 (Determinación de fibra cruda)

Tecator: Fiber System I 1010-1021 (Determinación de fibra ácido

detergente y fibra neutro detergente)

AOAC 942.05 (Determinación de cenizas)

I.4.2.3. Caracterización de paneles para construcción

Las normas internacionales, de las cuales se obtuvieron los requerimientos para

la construcción y caracterización mecánica de paneles de construcción para vivienda, a

escala natural, se listan a continuación:

ASTM E 695-03 (Método normalizado para la medición de la

resistencia relativa de muros, techos y pisos sometidos a cargas

de impacto)

12

ASTM E 72-05 (Métodos para la conducción de ensayos de

resistencia de paneles de construcción)

ASTM C 33-03 (Especificación de agregados para concreto)

ASTM C 1157 (Especificación para cemento hidráulico)

ASTM A 615M (Especificación para barras de acero para concreto

reforzado)

ASTM E 575-05 (Práctica normalizada para reporte de resultados

de ensayos estructurales de elementos, conexiones y ensambles

en la construcción de la edificación)

NTC 2446 (Ensayo de paneles prefabricados para construcción)

I.4.2.4. Información de campo

En la búsqueda de información de campo, se hicieron diferentes visitas, sin

embargo, se listan a continuación, los lugares que se consideran de mayor relevancia,

por sus propias características:

En el Departamento de Izabal, Municipio de Puerto Barrios,

caserío Punta de Palma, Finca Baltimore, tiene una plantación de

aproximadamente 15,000 cocoteros.

En el Departamento de San Marcos, Municipio de Ocós, Aldea

Los Laureles, una plantación de aproximadamente 2000 cocoteros.

En el Departamento de Guatemala, Municipio de Guatemala, Zona

4 de la ciudad, Mercado de la Terminal, con un proceso (pelado)

aproximado de 10,000 a 15,000 cocos diarios, lo cual genera un

volumen aproximado de 30 metros cúbicos de estopa de desecho.

I.4.3. IDENTIFICACIÓN DE FUENTES DE MATERIA PRIMA

Se realizaron visitas a varios lugares de las costas del país. Los lugares que se

consideraron de especial interés fueron:

I.4.3.1. Departamento de Izabal

En el Departamento de Izabal, Municipio de Puerto Barrios,

caserío Punta de Palma, la Finca llamada Baltimore, que tiene una plantación de

aproximadamente 15 000 cocotero.

I.4.3.2. Departamento de San Marcos

En el Departamento de San Marcos, Municipio de Ocós, en la Aldea Los

Laureles, existe una plantación de 2 000 cocoteros.

13

I.4.3.3. Departamento de Guatemala

El lugar de mayor disposición de desechos de estopa de coco es el Mercado de

la Terminal de la Ciudad de Guatemala. Se estima que en ese lugar, aproximadamente

entre 10,000 y 15,000 cocos son descortezados diariamente, lo cual representa

aproximadamente 30 metros cúbicos de estopa.

I.4.4. PREPARACIÓN DE LA ESTOPA Y EXTRACCIÓN DE FIBRA

La estopa de coco fue obtenida en el mercado de La Terminal. Luego la estopa

que se trasladó a la ciudad universitaria, en la zona 12, se dispersó en los patios del

área de la Sección de Eco-materiales del Centro de Investigaciones de Ingeniería, para

que se secara con el calor del sol por cuatro semanas. Cuando la estopa estuvo seca, se

colocó en un molino de martillos que separó las fibras y el polvo de coco y

nuevamente se dejó secando al sol por dos días para el secado definitivo. Con este

proceso se llegó a contar con las muestras para poder iniciar la actividad experimental

I.4.5. CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS

El trabajo de caracterización se realizó en las Secciones de Eco-materiales y

Tecnología de Materiales del Centro de Investigaciones de Ingeniería y en el

Laboratorio de Bromatología de la Facultad de Veterinaria de la Universidad de San

Carlos de Guatemala. Se determinaron las características físicas y químicas, además

las propiedades mecánicas.

I.4.5.1. Características físicas

Las características físicas que se determinaron fueron: la longitud, el diámetro,

la esbeltez y la absorción de agua. Fotografías de las fibras fueron tomadas en el

Microscopio Electrónico, tanto longitudinal como transversalmente.

I.4.5.2. Características químicas

Las características químicas de la fibra fueron establecidas en el

Laboratorio de Bromatología de la Unidad de Alimentación Animal de la Facultad de

Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad de San Carlos de Guatemala

Otro producto que también fue analizado químicamente fue el

polvo que se obtiene al momento de extraer la fibra de la estopa del coco, el cual

también tiene sus propias características.

Las normas utilizadas para la caracterización son:

AOAC 930.15 y 925.04 (Determinación de materia seca)

AOAC 976.05 (Determinación de proteína cruda)

AOAC 962.09 (Determinación de fibra cruda)

14

Tecator: Fiber System I 1010-1021 (Determinación de fibra ácido

detergente y fibra neutro detergente)

AOAC 942.05 (Determinación de cenizas)

I.4.5.3. Propiedades mecánicas

Como es bien sabido, el esfuerzo es una magnitud que se

determina por la resultante de tensiones o cargas perpendiculares al área del objeto en

estudio, para este caso las muestras de fibra de coco.

La ecuación que representa el esfuerzo puede escribirse como:

ƒ = P / A

En donde:

P = Carga de tensión

A = Área transversal de la sección

ƒ = Esfuerzo de tensión por unidad de área

Los Esfuerzos Máximos resultantes se obtuvieron a partir de:

El área transversal de la fibra en donde el diámetro era menor.

La carga máxima soportada por la fibra, cuando ocurrió la falla.

Debido a que el Centro de Investigaciones de Ingeniería de la Universidad de

San Carlos de Guatemala no cuenta con el equipo para ensayos según especificación

ASTM D 76 – 99 (2005) (Activa), se decidió construir un equipo con el que se pudiera

obtener las propiedades fuerza – elongación, según los requerimientos de esa norma.

Entonces se construyó un equipo que fue capaz de proveer datos confiables de fuerza -

elongación según Norma ASTM D 3,822 - 07 (Activa).

I.4.6. CARACTERIZACIÓN DE MATRICES FIBRORREFORZADAS

Para la caracterización mecánica de morteros y concretos en el laboratorio, se

elaboraron probetas (vigas prismáticas y cilindros), de acuerdo a los requerimientos de

las normas internacionales seleccionadas:

(ASTM C 39/C 39M – 04a (método de ensayo para

resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de

concreto)

ASTM C 1231/C1231M-04 (Practica estándar para uso de

cabezales no adheridos en la determinación de la resistencia

a compresión de cilindros de concreto endurecido).

15

ASTM C 469 – 02e (Método de ensayo para determinar el modulo

de elasticidad estático y relación de Poisson del concreto en

compresión).

ASTM C 293-02 (Método de ensayo para resistencia a la flexión

de concreto utilizando una viga simple con carga en el punto

medio)

ASTM C 496/C 496M-04 (Método de ensayo para resistencia a la

tensión indirecta de especímenes cilíndricos)

ASTM C 33-03 (Especificación normalizada para agregados de

concreto)

I.4.6.1. Ensayo de Compresión

Este ensayo se realizó de acuerdo a lo establecido en la Norma ASTM C 39/C

39M –04a (Método de ensayo para resistencia a compresión de especímenes

cilíndricos de concreto), la cual tiene por objeto describir el procedimiento para

determinar la resistencia a compresión de especímenes cilíndricos. Las probetas

fueron niveladas sin adherencia, de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM C

– 1231/C1231M-04 (Practica estándar para uso de cabezales no adheridos en la

determinación de la resistencia a compresión de cilindros de concreto

endurecido). Adicionalmente se determinó el modulo de Elasticidad, conforme a la

norma ASTM C 469–02e (Método de ensayo para determinar el modulo de

elasticidad estático y relación de Poisson del concreto en compresión).

Las pruebas fueron realizadas a especímenes cilíndricos de 3 pulgadas

(7.62 cm) de diámetro y 6 pulgadas (15.24 cm) de altura. La norma establece que los

resultados del esfuerzo de compresión no pueden diferir en +/- 14% del promedio,

por lo que se realizó un análisis estadístico para determinar que todos los datos se

encontraran dentro del rango indicado. El Modulo de Elasticidad en Compresión se

calculó de acuerdo a la norma ASTM C 469 – 02e (Método de ensayo para

determinar el modulo de elasticidad estático y relación de Poisson del concreto

en compresión), por medio de la siguiente formula:

E = (S2 – S1) / (Є2 – 0.000050)

Donde: E = Modulo de Elasticidad, MPa

S2 = Esfuerzo correspondiente al 40% de la carga última, MPa

S1 = Esfuerzo correspondiente a la deformación longitudinal, Є1, de 50 millonésimas, en MPa

Є2 = Deformación longitudinal producido por el esfuerzo S2

16

I.4.6.2. Ensayo de Flexión

Este ensayo fue realizado de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM C

293 – 02 (Método de ensayo para resistencia a la flexión del concreto utilizando

una viga simple con carga en el punto medio)), el cual tiene por objetivo determinar la

resistencia a flexión de una viga simple con apoyos en los extremos y carga

aplicada en el punto central. Los ensayos fueron realizados en vigas prismáticas

con dimensiones de 2 pulgadas (5.08 cm) de ancho, 2 pulgadas (5.08 cm) de altura y

12 pulgadas (30.48 cm) de longitud. La longitud libre entre apoyos fue de 22

centímetros y la carga fue aplicada en el centro de la luz.

La resistencia a Flexión o Modulo de ruptura se calculó por medio de la

siguiente formula:

R = 3 PL / 2 bd2

Donde :

R = resistencia a flexión, en MPa

P = carga máxima aplicada, en N

L = distancia entre apoyos, en mm

b = ancho de la probeta, en mm

d = espesor de la probeta, en mm

La norma establece que los resultados de la resistencia a flexión no

pueden diferir en +/- 12% del promedio, por lo que se realizó un análisis

estadístico para determinar que todos los datos se encontraran dentro del rango

indicado.

I.4.6.3 Ensayo de Tensión Indirecta La resistencia a tensión fue determinada por medio de la prueba de tensión

indirecta o tensión por hendido, el procedimiento para la realización de este

ensayo está d e s c r i t o en la n o r m a ASTM C 496/C 496 M-04 (Método de

ensayo para resistencia a la tensión indirecta de especímenes cilíndricos de

concreto).

Las pruebas fueron realizadas en especímenes cilíndricos de 3 pulgadas

(7.62 cm) y 6 pulgadas (15.24 cm) de altura.

Este ensayo consiste en cargar a compresión el cilindro a través de dos ejes

longitudinales opuestos diametralmente.

La resistencia a Tensión Indirecta ó Tensión por hendido, fue calculada por medio de la fórmula:

17

T = 2P/πdL Donde:

T = esfuerzo de tensión por hendido, en MPa


d = diámetro de la muestra, en mm

L = longitud de la muestra, en mm

La norma establece que los resultados de la resistencia a tensión

indirecta no pueden diferir en +/- 14% del promedio, por lo que se realizó un

análisis estadístico para determinar que todos los datos se encontraran dentro

del rango requerido. Las mezclas experimentadas fueron las que se presentan en

la Tabla No. 1.

TABLA No. 1. Mezclas de mortero fibrorreforzadas con fibras de estopa de coco,

ensayadas en los laboratorios del Centro de Investigaciones de Ingeniería.

Tipo de Mezcla

Longitud de fibra

(cm.)

Fibra en relación al peso del mortero

(%)

A 4 4

B 4 3

C 4 2

D 8 2.5

E 8 2

F 8 1.5

G 0 0

Fuente: FODECYT 075-06

I.4.7. SISTEMAS CONSTRUCTIVOS

Dos sistemas constructivos fueron experimentados en el laboratorio:

Sistema Constructivo Pancoco SAM

Sistema Constructivo Pancoco PV

I.4.7.1. Sistema Pancoco SAM

Este sistema constructivo se diseñó con bloques esbeltos reforzados con fibra

de coco, los cuales forman paneles para cerramientos en viviendas. Cada panel está

18

formado por 4 bloques, con dimensiones de 8 cm de espesor, 55 cm de alto y 100 cm

de ancho. Cada bloque tiene 5 agujeros de 5 cm de diámetro, tiene un macho y

hembra de forma trapezoidal en la parte superior e inferior, para la unión de un bloque

con otro y una muesca de junta en los extremos para unir un panel con otro, en las

figuras siguientes se pueden observar los detalles de los bloques.

I.4.7.2. Sistema Pancoco PV

Este sistema constructivo se diseñó con marcos de madera de pino aserrada con

amarres de malla hexagonal de alambre de pequeño diámetro que se utiliza como

refuerzo de las paredes rigidizantes de los marcos y como apoyo del relleno de

aislamiento térmico y acústico constituido por estopa de coco. Cada panel está

formado por 2 elementos verticales con dimensiones de 5 cm por 9 cm de sección y

240 cm de altura. Transversalmente, los elementos verticales están unidos por 5

piezas de madera de 5 cm por 9 cm de sección y la longitud necesaria para obtener el

ancho del panel.

I.4.8. CONSTRUCCIÓN DE MUROS DE ENSAYO DE LOS DOS

SISTEMAS CONSTRUCTIVOS, A ESCALA NATURAL

I.4.8.1. Sistema SAM

Para la elaboración de bloques, previamente se diseñaron y construyeron

moldes de madera. Después de la elaboración de los bloques, los mismos fueron

curados por medio de arena saturada de agua, en su etapa inicial. Después del curado

inicial, los bloques se trasladaron al área de almacenamiento donde fueron curados por

7 días. Luego de la elaboración de los bloques, se construyeron los muros de paneles

para los ensayos estructurales.

I.4.8.2. Sistema PV

El sistema PV fue más fácil de construir, por la naturaleza de su proceso. Se

armaron los marcos de madera de acuerdo a la descripción que ya se realizó. Se

colocó la malla hexagonal de alambre, dejando la estopa de coco en el interior como

respaldo del mortero de cemento con refuerzo de fibra de coco, que se aplicó sobre la

malla de alambre. Los paneles fueron curados con agua y luego almacenados previo a

su ensayo estructural.

I.4.9. ENSAYO DE MUROS DE LOS SISTEMAS CONSTRUCTIVOS

I.4.9.1. Ensayo a compresión

Este ensayo se realizó de acuerdo a lo establecido en la Norma ASTM E72-05

(prueba de carga de paneles para construcción), la cual tiene por objeto describir el

procedimiento para determinar la resistencia a compresión de paneles para la

construcción.

19

El esfuerzo a compresión fue calculado utilizando la fórmula:

S = F / A

Donde:

S = esfuerzo de compresión, en kg/cm^2

F = carga necesaria para que falle el espécimen, en kg

A = área de la sección transversal del espécimen, en cm^2

I.4.9.2. Ensayo a carga lateral


(prueba de fuerzas de paneles para construcción), la cual tiene por objeto describir el

procedimiento para determinar la resistencia a cargas horizontales o de sismos de

paneles para la construcción.

I.4.9.3. Ensayo a flexión

El ensayo a flexión se realizó de acuerdo a lo establecido en la Norma ASTM

E72-05 (prueba de carga de paneles para construcción), la cual tiene por objeto

describir el procedimiento para determinar la resistencia a cargas flexionantes a


Debido a que el Centro de Investigaciones de Ingeniería de la Universidad de

San Carlos de Guatemala no contaba con una maquina de ensayos según

especificación ASTM E 72 - 05 para ensayo a flexión de paneles y ASTM E695 – 03

para ensayo a impacto de paneles a escala natural y en sentido vertical, se optó por

construir un aparato que cumpliera las especificaciones de sujeción y aplicación de

cargas según las normas correspondientes a cada ensayo para que los datos fueran

confiables.

I.4.9.4. Ensayo a impacto


(Medida de la resistencia relativa de pared, piso, y techo a cargas de impacto), la cual

tiene por objeto describir el procedimiento para determinar la resistencia a cargas

de impacto de paneles para la construcción.

I.4.10. CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO DEMOSTRATIVO

Finalmente fue construido un módulo demostrativo con el Sistema Pancoco-PV

en las instalaciones de la Ciudad Universitaria, Zona 12; para ejemplificar la

aplicación de uno de los sistemas experimentados. El módulo está siendo monitoreado

ante los fenómenos naturales propios del lugar de construcción.

20

I.4.11. OTRAS ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS

I.4.11.1. Vinculación Académica

Ocho trabajos de graduación se presentaron a la Escuela de Ingeniería Civil de

la Universidad de San Carlos de Guatemala; los mismos tuvieron su origen en este

proyecto de investigación y alimentaron los resultados del mismo.

Los trabajos de graduación concluidos a la fecha son: a) Caracterización

física, mecánica y química de fibras de desecho del fruto del coco, para utilización en

matrices fibro-reforzadas, a cargo del estudiante Oscar David Toj Atz; b)

Caracterización físico-mecánica de morteros fibro-reforzados de matriz cementicia y

fibra de coco, a cargo del estudiante Demis Omar Alvarez Molineros; c) Elaboración

de matrices de polímeros reciclados reforzados con fibras de la estopa de coco y

determinación de sus propiedades físicas y mecánicas, a cargo del estudiante Milton

Adolfo Pérez Escobar; d) Inventario de sistemas constructivos a base de paneles

prefabricados, a cargo de la estudiante Anaite Orellana; e) Elaboración y

caracterización de placas de matrices de cemento fibro-reforzadas, a cargo del

estudiante José Marco Tulio Gómez Vásquez; f) Diseño, experimentación y

evaluación del Sistema Constructivo Pancoco-SAM, a cargo del estudiante Samuel

Alexander Gómez Palacios; g) Diseño, experimentación y evaluación del Sistema

Constructivo Pancoco-PV, a cargo del estudiante Leonel Enrique Morales Aguirre.

Los estudiantes Pérez Escobar, Álvarez Molineros y Toj Atz ya realizaron su examen

público de graduación, mientras que los trabajos de los estudiantes Morales Aguirre,

Gómez Palacios y Orellana están concluidos en su parte experimental e informe,

estando únicamente pendientes de examen de graduación. El trabajo del estudiante

Gómez Vásquez está aún en proceso de experimentación.

I.4.11.2. Vinculación Científico-tecnológica

En el área de Prefabricados de la Ciudad Universitaria de la Universidad de San

Carlos de Guatemala se realizó en noviembre de 2 007, el Taller “Tecnología para la

producción social del hábitat”, organizado por el equipo de investigación de éste

proyecto como parte de las actividades científico-tecnológicas del proyecto XIV.8

CASA-PARTES del Programa de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo –CYTED-.

Esta fue una oportunidad para presentar los avances en el desarrollo de este proyecto

de investigación.

Una de las actividades desarrolladas fue la elaboración de plaquetas de fibra de

coco con resina vegetal, en las cuales fue mezclado la fibra en longitud original y

aplicándole una presión para que pudiera tomar la forma del molde utilizado. La

experiencia de la Universidad de Sao Paulo, fue muy ilustrativa mediante la

participación del Dr. Osny Pellegrino.

21

PARTE II

II. MARCO TEÒRICO

II.1. LOS MATERIALES COMPUESTOS

Según Mejía de Gutiérrez (1998), los materiales compuestos consisten en una

combinación de dos o mas materiales insolubles que difieren en forma y composición

química, los cuales no cambian de composición química durante la manufactura del

material compuesto y forman una interfase entre si. La sinergia de los materiales hace

que las propiedades de los productos acabados sean superiores a la suma de las

propiedades de los productos individuales.

Los materiales compuestos no son nuevos, sin embargo, la industria de

materiales compuestos como se conoce hoy, empezó a desarrollarse en 1,930. La fibra

de vidrio se hizo comercial en 1,935. Las resinas no saturadas de poliéster que

constituyen la mayoría de plásticos de hoy, fueron inventadas en 1936. La segunda

guerra mundial demandó materiales mucho más fuertes y livianos. Los primeros

artículos fueron semi-estructurales, tales como fibras de algodón impregnadas con

resina fenólica. Como estas resinas demandaban presiones muy altas para su curado,

la resina de poliéster se hizo entonces popular. Después de la guerra, los plásticos

reforzados con fibra (Fiber Reinforced Plastic, FRP) encontraron uso en los diferentes

mercados.

Mejía de Gutiérrez (1998) señala también que en la industria civil, los FRP se

empezaron a usar en botes, partes de automóviles, estuches para aparatos electricos,

bandejas, envases de almacenamiento, etc. En el mercado de los botes se estima que

más del 90 % de todos los botes fueron construidos con FRP durante el año 1977.

El desarrollo de los materiales compuestos ha tenido un efecto espectacular en el

mercado de los artículos deportivos. La caña de pescar es un buen ejemplo que ilustra

la relación entre materiales, el tipo de proceso y las necesidades en el mercadeo de la

pesca. Las cañas hechas en bambú o en metal eras de una u otra forma deficientes.

Las primeras cañas hechas con fibras de vidrio fueron construidas envolviendo una

fibra de vidrio contínua entre dos ganchos separados por una distancia equivalente a la

longitud de la caña de pescar. Las fibras eran después impregnadas con resina y

envueltas en papel celofán. Dos avances en tecnología transformaron esta técnica

tediosa y lenta. La primera fue el desarrollo del embobinado (roving), una forma de

fibra de vidrio en la que muchas fibras son agrupadas en una trenza (strand) y

enrolladas en forma de cilindro. La segunda fue el desarrollo casi inmediato de la

pultrusión (pultrusion). La pultrusión permitió la producción de altos volúmenes de

cañas de pescar a bajos costos.

22

Un último caso histórico es el de la aviación. El bajo módulo de la fibra de

vidrio limitó la aplicación de los compuestos a estructuras secundarias en muchos

años. Con el desarrollo de las fibras avanzadas (carbono, boro y las aramidas) se

obtuvo una mejor resistencia y un módulo superior al de la fibra de vidrio e inclusive

al de algunos metales. Se estima que para finales de esta década cerca del 40% de las

estructuras principales de los aviones serán fabricadas de materiales compuestos.

Según Agopyan, V. (1991), el uso de materiales en construcción civil a base de

cemento reforzado con fibras está aumentando rápidamente, actualmente con cerca de

28 millones de toneladas de producción anual estimada en todo el mundo, en especial

en los países desarrollados. Una justificación para eso es la posibilidad de producir

componentes esbeltos, con buen desempeño mecánico (elevada absorción de energía,

frente a esfuerzos dinámicos, buen aislamiento termo-acústico y la indispensable

viabilidad económica.

II.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Los materiales compuestos se constituyen de una o más fases discontinuas

sumergidas en una fase continua. La fase discontinua es, por lo general, más dura y

fuerte que la fase continua y se le da el nombre de reforzante (reinforcing agent),

mientras que a la fase continua se le llama la matriz o resina (resin).

Según Mejía de Gutièrrez (1998), las propiedades de los materiales compuestos

están influenciadas generalmente por el tipo de material, su distribución y su geometría

(forma, tamaño y distribución de tamaños). En los estudios teóricos, la forma de las

unidades discretas de la fase discontinua puede ser aproximada por cilindros o esferas.

Otros materiales como la mica son descritos como Hojuelas. El tamaño y distribución

de los mismos controlan la textura del material. Estas dos propiedades sumadas a la

fracción volumétrica del material reforzante (contenido de fibra) determinan el área

inter-facial, la cual juega un papel muy importante en la integración entre el agente

reforzante y la matriz.

II.3. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Según Gómez (1992), los materiales compuestos pueden ser clasificados de la

siguiente forma:

De acuerdo a la forma del material como: a) particulados o aglomerados

(concreto), b) reforzados (concreto o arcilla con fibras, concreto reforzado de

acero) y c) laminares (triples, formica).

De acuerdo a la forma del agente reforzante como: a) compuesto de partículas,

b) compuesto de hojuela y c) compuesto de fibras.

En la práctica no siempre es posible distinguir entre alguno de ellos. Por

ejemplo, un trampolín de una piscina puede estar construido de varias capas de

23

materiales compuestos diferentes, unidos entre si por medio de la resina o de otros

materiales.

Dentro de los laminares, una estructura interesante es la denominada de

“sándwich”, dentro de la cual está la de forma de “panal”, la cual ha sido ampliamente

utilizada en la industria espacial, en los últimos 30 años. La mayoría de estos

materiales compuestos están fabricados a base de aleaciones de aluminio o fenólicos

reforzados con fibra de vidrio.

En los compuestos de partículas, tanto las partículas como el material de la

matriz puede ser una combinación de materiales metálicos y no metálicos.

En los compuestos de hojuelas, ellas refuerzan el polímero en dos dimensiones.

Esto se debe a su forma plana y delgada. Dos materiales comunes de este tipo son el

vidrio y la mica. Aunque estos compuestos ofrecen ciertas ventajas, como por ejemplo

mayor densidad de empacado (gracias a la forma de las hojuelas) y costo, son, sin

embargo, difíciles de trabajar en una forma definida. Los polímeros reforzados con

hojuelas son a menudo más débiles que sus homólogos de partículas. Los compuestos

hechos con hojuelas son los menos conocidos en el mercado.

Los compuestos fibrosos pueden ser clasificados como de lámina sencilla o

simplemente láminas y de láminas múltiples o laminados. La mayoría de los

compuestos usados en aplicaciones estructurales son laminados. Cada lámina es un

compuesto de una sola capa y por lo general bastante delgada, unos 0.1 mm de

espesor, por este motivo un material compuesto de una sola capa no puede ser usado

directamente en una aplicación estructural.

Cuando los constituyentes de cada lámina son diferentes se llaman laminados

híbridos, por ejemplo una lámina de resina epóxica con fibra de vidrio y otra con fibra

de carbón.

Según Mejía de Gutiérrez (1998), las fibras reforzantes pueden ser cortas o

largas con relación a la dimensión de la pieza. Los materiales compuestos con fibra

larga se llaman reforzados de fibra continua; y aquellos con fibra corta son reforzados

de fibra discontinua. Las fibras continuas pueden ser alineadas en una sola dirección

(unidireccional composite), en dos direcciones forman un compuesto bidireccional

llamado estera (woven roving), o bien en forma aleatoria para formar lo que se llama

una colchoneta (continuos or random fiber reinforced composite).

Según Flinn (1981) los compuestos unidireccionales son fabricados colocando

las fibras paralelas unas de otras e impregnándolas con el material de la matriz

(polimérico, por ejemplo). Fibras impregnadas de esta manera se denominan

prelaminados o preimpregnados y son dotados generalmente de una cinta removible en

24

una de las superficies de las láminas para evitar que las láminas se peguen en el

almacenamiento. Los compuestos unidireccionales son muy fuertes en la dirección

axial, pero por lo general son débiles en la dirección normal a las fibras reforzantes.

Es posible reforzar en forma contínua una lámina para lograr propiedades más

balanceadas. En el caso de laminados con refuerzos bidireccionales continuos, donde

la resistencia en ambas direcciones es similar.

Una de las grandes ventajas de los materiales compuestos fibrosos es la

capacidad que se tiene de utilizar diferentes tipos de fibras y matrices. Las fibras

sintéticas que fundamentalmente se utilizan para reforzar plásticos son la del vidrio, la

aramida y el carbono. El vidrio es además la menos costosa, las otras dos son fibras de

baja densidad que han tenido gran auge en el campo aeroespacial a pesar de su elevado

costo. Por otra parte las matrices sintéticas mas comerciales son las resinas epoxi y las

de poliéster insaturadas. Estas últimas son más económicas aunque no tan fuertes

como las primeras.

Según Mejía de Gutiérrez (1998), en general, las propiedades de los materiales

compuestos fibrosos dependen de varios factores:

La composición de la fibra y de la matriz

El enlace fibra-matriz

La orientación de la fibra

La longitud de la fibra

La forma de la fibra

El contenido de la fibra

La orientación de las fibras discontinuas o cortas es difícil de lograr. En la

mayoría de los casos se asume una orientación aleatoria. Por ejemplo, si las fibras se

usan para fabricar una colchoneta, se sitúan en forma paralela a la superficie del molde

y se orientan al azar en los planos paralelos a la superficie. Los compuestos de esta

naturaleza son anisótropos en el plano paralelo a la superficie, pero pueden ser

considerados isótropos. En ciertas técnicas como el moldeo por inyección puede darse

una orientación de las fibras en la dirección del flujo, aquí puede decirse de orientación

preferida y las propiedades del compuesto se dice son ortótropas.

Las dos características mas importantes de los compuestos con fibra orientada

son la relación resistencia/peso y el control de su anisotropía. Compuestos reforzados

en una sola dirección proveen resistencia máxima en esa sola dirección. Compuestos

reforzados en dos direcciones proveen resistencia en dos ejes direccionales, sin

embargo, la resistencia en cada dirección es aproximadamente la mitad de la

correspondiente en forma unidireccional.

25

Según Mejía de Gutiérrez (1998), la resistencia de los compuestos aumenta a

medida que la razón longitud/diámetro crece. Debido a esto y aunque las fibras

continuas son más fáciles de orientar en una dirección específica que las fibras cortas,

los compuestos de fibra corta pueden igualar y aún sobrepasar la resistencia de

los materiales compuestos de fibra continua. De hecho, fibras extremadamente

cortas, llamadas wiskers, se aproximan al máximo teórico de resistencia del material.

Finalmente, el control de la anisotropía permite que las propiedades del material

compuesto en sus diferentes direcciones puedan ser fácilmente moldeadas a los

parámetros de diseño.

II.4. MATERIAL COMPUESTO FIBRORREFORZADO

Según Mejía de Gutiérrez (1998), un material compuesto fibrorreforzado para

uso en construcción está conformado por una matriz cementicia, o de material

arcilloso o polímero; agua, y adiciones o aditivos diversos y por una fase reforzante

constituida por fibras de origen natural o sintético.

Los materiales aglomerantes, morteros y concretos presentan ventajas en cuanto

a su resistencia mecánica y rigidez para uso estructural, además de ser en estado fresco

fácilmente moldeables; pero presentan deficiencias en cuanto a su baja resistencia

al impacto y a la tensión debido a su alta fragilidad. Las adiciones de fibras, en

general, mejoran una o más de las propiedades tales como la resistencia a la tracción,

flexión, impacto o fatiga. Las contribuciones más importantes están en la ductilidad y

la tenacidad, cualidades necesarias para elementos que van a ser utilizados expuestos

a esfuerzos dinámicos.

Estas propiedades son determinadas principalmente por la naturaleza de las

fibras, la morfología del sistema, la interacción de la interfase –fibra y matriz- y la

tecnología de fabricación. Por esto, se pueden obtener las propiedades más deseables

para un uso específico diseñando adecuadamente las formas, tamaño, proporción de

los componentes y el proceso de fabricación. Debido a no existir formulaciones

universales para la producción de un material compuesto fibrorreforzado, se debe

considerar un diseño específico de sus componentes, acorde al elemento y condiciones

finales de servicio.

II.5. COMPONENTES DEL MATERIAL FIBRORREFORZADO

Los componentes del material compuesto fibrorreforzado son:

La matriz

La fibra

La interfase

26

La matriz transfiere y distribuye la carga externa a las fibras, enlaza las fibras, las

separa y las protege del medio exterior atmosférico. La fibra es el principal

constituyente soporte de carga, evita la propagación de las grietas en la matriz, y puede

rebajar la densidad del producto. Un recubrimiento de la fibra protege la fibra de

deterioro químico y mecánico, previene el contacto directo entre fibras y la interfase

acopla la matriz con la fibra, y transfiere los esfuerzos de la matriz a las fibras.

La matriz es frágil y la fibra actúa reforzándola. Es necesario aclarar, que

aunque el uso de barras de acero cumple un papel similar al actuar como

reforzamiento, en ningún momento la fibra puede sustituir su función. La fibra actúa

mejor que las barras de acero en aquellos elementos que por su espesor no permiten su

utilización, donde se dice que representan un reforzamiento de carácter primario al

actuar sobre la resistencia y primordialmente la tenacidad del composite, y también en

elementos sometidos a altas cargas o deformaciones o cambios de temperatura donde

actúan básicamente controlando el agrietamiento del producto.

La utilización de fibras en materiales cerámicos constructivos, materiales

resistentes a la compresión más no a la tensión, data de tiempos muy antiguos. Según

el libro Éxodo en La Biblia, se menciona la producción y uso de algunos de estos

materiales constructivos, particularmente ladrillos hechos de arcilla y paja, tipo adobe,

cocidos al sol.

Según Mejía de Gutiérrez (1998), el primer material manufacturado por el

hombre, conocido como composite, fue el asbesto-cemento, cuya invención

correspondió a Ludwig Hotschek en 1899. Descontando algunas patentes, que entre

1920 y 1930 surgieron para cementos reforzados con fibra de vidrio y de acero, el

asbesto-cemento fue la tecnología dominante hasta 1960.

Según Romualdi y Bason (1963), el resultado de algunas investigaciones sobre

concretos con fibras de acero llevó a su aplicación amplia en la industria de la

construcción de pavimentos y pistas en la década del 70. En el caso de fibra de vidrio,

su baja resistencia a los álcalis fue un factor que impidió su uso a escala comercial,

mejorando a partir de 1967 al desarrollar fibras más resistentes. En las décadas del 60

y 70 se investigaron otras fibras como el polipropileno, polietileno, nylon , entre otras.

Las investigaciones acerca de la peligrosidad del asbesto-cemento ha incrementado la

búsueda de nuevas fibras como sustituto de sus productos, estimulando así la

investigación en el campo de los productos de concreto fibrorreforzado, lo que ha

dirigido la atención hacia las fibras naturales, en particular las de origen vegetal.

Las fibras que más se utilizan en la actualidad son las de asbesto, acero, vidrio,

carbón, polipropileno, nylon y fibras potenciales que las pueden sustituir y actualmente

en investigación son las fibras naturales de sisal, henequén, fique, celulosa, coco y

otras.

27

En particular, las fibras naturales de origen vegetal están constituidas de

celulosa, sustancia polimérica conformada por moléculas de glucosa, enlazadas por

lignina y asociada a cantidades variables de otros materiales naturales. Estas pueden

ser extraídas de acuerdo a la parte de la planta de donde las fibras son extraídas. Para

el caso de la fibras de coco, son extraídas de la semilla del mismo, aunque hay

indicios que pueden utilizarse también las fibras del tallo y las hojas. Las fibras de

coco pueden incorporarse a la matriz en forma de monofilamentos individuales

separados entre si (discretas como el caso de las fibras de acero). La distribución de

las fibras en este caso es al azar.

Según Savastano y Agopyan (1998), las fibras vegetales, como se les denomina

usualmente, en realidad están compuestas por células individuales que, a su vez se

componen de microfibrilas. Estas microfibrilas, son ricas en celulosa, polímero

vegetal con grado de polimerización del orden de 25000.

1I.6. HORMIGONES REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES

Según Delvasto Arjona, S. (1998), el hormigón o concreto de cemento es un

material de amplia aceptación en todo el mundo, principalmente por la facilidad de

moldeo de formas, aún las más complejas, y por su proceso de endurecimiento en frio

y en medio húmedo debido a las reacciones de hidratación del cemento, con la

consiguiente generación de productos duros - en virtud de reacciones químicas que

toman al menos 28 días y que se prolongan por un año o más -, que se unen en un

entramado sólido, estable en el agua y resistente a acciones mecánicas, principalmente

a la compresión. Sin embargo, como todos los materiales, el hormigón presenta

algunas desventajas y limitaciones particulares.

El hormigón es un material relativamente débil y muy frágil, si se compara con

otros de mayor costo. Su resistencia a la compresión es la propiedad más aceptada,

pero su resistencia a la tracción es aproximadamente entre 10 y 15 veces menor. Por

acciones térmicas, las expansiones y contracciones que sufre, y por las acciones

mecánicas, entre otras, ya sean estáticas o dinámicas, o por el deterioro químico, el

hormigón puede sufrir severas fracturas y fisuras que conllevan a su destrucción. Por

lo tanto, para hacerlo más resistente a todas estas acciones, es combinado con otros

materiales que le confieren y complementan propiedades en las que presenta debilidad.

En ese sentido, la incorporación de fibras al hormigón evita o reduce la probabilidad

de agrietamiento o si este ocurre, evita que no sea súbito, es decir, que tome un tiempo

relativamente elevado mientras se está agrietando. Es así, como se convierte en un

material resistente a las acciones de tipo sísmico.

Según Delvasto Arjona, S. (1998), la denominación de alto desempeño o de altas

prestaciones a un hormigón reforzado con fibras, se refiere principalmente a aquel que

reúne un conjunto de atributos o combinación de alguna o algunas propiedades tales

28

como cuasi endurecimiento por deformación, resistencias mecánicas relativamente

elevadas, tenacidad, absorción de energía, ductilidad, rigidez, atenuación del

agrietamiento, resistencia a la corrosión y durabilidad.

Con la adición de fibras al hormigón se busca obtener una o varias de las

siguientes características: a)controlar las grietas de contracción plástica, que al ser

reducidas producen mayor integridad, resistencia y longevidad de la estructura; b)

aumentar la resistencia al impacto; c) aumentar la ductilidad y la resistencia a la fatiga

del hormigón; d) prevenir el astillamiento o fragmentación del hormigón, lo cual es

importante en zonas sísmicas; e) reducir la corrosión del acero de refuerzo, que es una

consecuencia de la reducción de las grietas de contracción plástica, las cuales permiten

el paso de la humedad, bióxido de carbono y oxígeno al acero, y la carbonatación de la

estructura, y de la menor permeabilidad del hormigón.

El desempeño a la flexión del hormigón reforzado con fibras es muy importante,

puesto que en muchas de sus aplicaciones es sometido principalmente a acciones de

doblado; por ello, diversas formas de ensayos de flexión han emergido como métodos

esenciales para valorar la calidad del hormigón reforzado con fibras.

Particularmente la utilización de fibra natural orgánica del fruto del coco, en la

producción de hormigones y morteros fibrorreforzados para las aplicaciones en

elementos constructivos de hormigón y mortero, conllevaría el mejoramiento de su

integridad y de su vida útil, básicamente por la resistencia al agrietamiento y aumento

de la absorción de energía y ductilidad que introduce la adición de fibra, cuestión que

es fundamental en lugares sometidos a la acción de fuerzas dinámicas de sismo y

viento. Los materiales fibrorreforzados cuya matriz es a base de arcilla, es altamente

deseado en lugares donde la capacidad económica de los habitantes es limitada, ya que

materiales o elementos pueden ser construidos cuando la matriz se refuerza con fibras,

en este caso del fruto del coco.

1I.7. ASPECTOS POSITIVOS DEL REFUERZO DEL HORMIGÓN CON

FIBRAS NATURALES

El acero de refuerzo, en forma de varillas o barras, comunica al hormigón simple

una alta resistencia a la tensión, capacidad de deformación y resistencia a esfuerzos de

corte. Sin embargo, el hormigón reforzado con varillas de acero aún presenta

carencias que son suplidas por un reforzamiento adicional, cuando así se requiere.

Este reforzamiento adicional puede venir en la forma de fibras que se incorporan

principalmente al hormigón para evitar o reducir la probabilidad de agrietamiento o si

ese ocurre que no sea súbito, es decir, que tome un tiempo relativamente elevado

mientras se está agrietando.

29

Según Delvasto Arjona, S. (1998) la cantidad (volumen, Vf) de fibra y su

longitud, Lf, deben superar un valor crítico mínimo bajo el cual por el contrario

causarían detrimento de las propiedades mecánicas. La longitud mínima de fibra,

independiente de la carga aplicada, se denomina la longitud crísitca de fibra, (Lc)crit, y

es la mínima longitud con la cual se puede lograr la transferencia de una carga última

plena a la fibra. La longitud crítica también se denomina “longitud ineficiente”.

El volumen de fibra, Vf y su longitud, Lf, no pueden llegar a ser muy elevados,

como si ocurre en los compuestos de matriz coherente con la fibra, pues bajo unas

condiciones dadas de mezclado por medios convencionales de producción se origina la

formación de bolas de pasta de cemento con fibra enredada (“ballings”), que se

denominan ovillos de pasta, las cuales afectan las resistencias mecánicas y la

integridad del material compuesto.

Debe hacerse énfasis en la necesidad de un adecuado curado en agua, y

preferiblemente en autoclave, del material fibrorreforzado, en caso contrario la matriz

de cemento no desarrollará las resistencias mecánicas suficientes para crear una alta

adherencia y por lo tanto transmisión de esfuerzos de las fibras.

Es de notar que las fisuras en el compuesto después de fallas pueden ser

detectadas visualmente o mediante técnicas electrónicas sofisticadas y la carga

correspondiente al agrietamiento puede diferir en más del 100% dependiendo de la

técnica usada. Estrictamente, la primera grieta aplica al punto en el cual partes

microscópicas de la pasta o pasta agregado se separan permaneciendo estables, aunque

no exista reforzamiento, en un sistema sometido a la tracción.

Según la Sociedad Americana para Ensayo de Materiales (ASTM, 1989) los

hormigones fibrorreforzados deben cumplir con los requerimientos de la norma ASTM

C 1116 (ASTM Designation C1116-85) “Standard Specification for Fiber-Reinforced

Concrete and Shotcrete”, sin embargo, está muy dirigida a hormigones con refuerzo de

fibras de acero y otras sintéticas.

La cohesividad del hormigón aumenta en relación directa a la longitud de la fibra

reforzante. Sin embargo, el asentamiento del hormigón se reduce con la adición de

fibras de mayor longitud. Adicionalmente, algunas propiedades del material

endurecido pueden aumentar con la mayor longitud de la fibra y con un mayor

volumen de adición. Asimismo, el aumento de ambos parámetros del compuesto,

longitud y volumen de fibra, también producen una tendencia al enredamiento de las

fibras y formación de bolas de fibra y pasta de cemento durante el mezclado de los

ingredientes del material compuesto.

En esencia, en las aplicaciones a elementos estructurales de hormigón con el

refuerzo de fibras no se pretende el mejoramiento de sus resistencias mecánicas; el

propósito principal es controlar el agrietamiento, una vez la matriz de hormigón simple

30

ha empezado a fisurarse. En ciertos casos, sobre todo con fibras de elevado módulo de

elasticidad, de apreciable resistencia a la tensión y con alta adherencia, las fibras

pueden mejorar la resistencia, pero este no es el comportamiento que se espera de la

incorporación al hormigón de las fibras naturales, las cuales no son coherentes con la

matriz de hormigón, se incorporan en porcentajes muy bajos comparados con los que

se suelen agregar en matrices coherentes como las poliméricas, y absorben alta

cantidad de agua afectando la resistencia al cortante en la interfase cuando el material

está húmedo, aunque también beneficiando la hidratación del cemento.

El comportamiento en la interfase es esencial puesto que de ello dependerá la

habilidad del material para soportar cargas aún después de haberse agrietado. Los

esfuerzos a los que el material está sometido son transferidos de la matriz a las fibras a

lo largo de la interfase. Por ello, el mecanismo de contacto en la interfase, que es la

región que conforma la unión entre la matriz y la fibra, juega el rol más importante en

el concepto de composite o material compuesto.

El conocimiento de las propiedades reales de la interfase es esencial para

entender las propiedades de un material compuesto. Así, la interfase es preponderante

en la tenacidad a la fractura y en su respuesta a los ambientes de servicio, ya sean por

humedad o corrosivos. En general, las interfaces débiles generan resistencias

mecánicas y una rigidez relativamente baja, pero tienen una considerable resistencia a

la fractura.

Según Delvasto Arjona, S. (1998), la adhesión entre fibra y la matriz se atribuye

a cinco mecanismos, que pueden actuar por separado o combinadamente para producir

la unión o el acople. Estos son: la adsorción y humectancia que ocurre por atracción

física entre dos superficies de carga neutra; interdifusión, donde el enlace se forma por

difusión molecular de una de las superficies en la otra; atracción electrostática, cuando

dos superficies de cargas eléctricas opuestas se atraen como en las interacciones ácido

base y del enlace iónico ; enlace químico, cuando éste se forma entre dos grupos

químicos que residen uno en la matriz y otro en la región fibrosa; adhesión mecánica o

física, donde la resistencia de la interfase a la tensión es reducida,, pero su resistencia

la cizalladura puede ser importante en la medida de la aspereza de la superficie de

desprendimiento de la fibra y de los esfuerzos internos generados por una matriz más

resistente que la aprisione.

En general, además de la resistencia al agrietamiento, la incorporación de fibra

mejora la “ductilidad” del hormigón, es decir su tenacidad o capacidad de absorber

energía.

Una mayor tenacidad y ductilidad del hormigón, es importante en regiones

sísmicas. Además, también las fibras pueden mejorar las resistencias al impacto, a la

fatiga y a la abrasión. Se debe advertir que la adición de fibra natural no busca

31

reforzar al hormigón contra esfuerzos externos debidos a asentamientos, fatigas por

diseños inapropiados u otras acciones externas. El propósito de reforzar con fibras

vegetales se dirige esencialmente a mejorar la resistencia del compuesto contra los

esfuerzos intrínsecos, es decir, los causados dentro del mismo material. A lo anterior

se aúnan las ventajas de la disponibilidad local y el bajo costo de la fibra, en

comparación con aquellas fibras sintéticas que le puedan competir.

1I.8. TEORÍA MECÁNICA GENERAL DEL REFORZAMIENTO A LA

TENSIÓN

Los materiales compuestos reforzados con fibras son útiles cuando las cargas se

aplican a la flexión y al impacto. El análisis teórico de la mecánica de reforzamiento

bajo estas condiciones es complejo. Por ello, el análisis del sistema de esfuerzos a la

tracción o tensión directa permite, más fácil y fundamentalmente juzgar los méritos de

un compuesto fibrorreforzado para su aplicación final.

La bondad de incorporar una fibra en una matriz cementicia depende de la

capacidad de transferencia de los esfuerzos desde la matriz hacia la fibra de tal manera

que desde el punto de vista de la transferencia de la carga, el material compuesto se

comporte como un todo homogéneo aunque la matriz esté agrietada.

Para el caso de un material donde las fibras se encuentran alineadas en la

dirección de la tensión aplica la ley de mezclas, para lo cual se asumen algunos

comportamientos ideales, tales como la alineación de las fibras en la dirección del

esforzamiento, la adhesión firme de éstas a la matriz, es decir, las deformaciones son

iguales en la fibra y en la matriz, y la no intervención del módulo de Poisson o sea que

es igual a cero en la fibra y en la matriz.

Para este caso, la resistencia la tensión del material compuesto (σtc) resulta de la

sumatoria ponderada de las resistencias a la tensión de la fibra (σtf) y de la matriz

(σtm). La ponderación se hace con base en las cantidades volumétricas de cada uno de

sus componentes: el volumen de la fibra; Vf, con respecto al volumen total del

compuesto Vc, así Vr = Vf/Vc. Este volumen puede expresarse unitariamente o

porcentualmente. Así mismo Vm = Vm/Vc, siendo Vm el volumen que ocupa la

matriz cementicia y Vm el volumen unitario con respecto al volumen total del

compuesto. De manera que:

σtc = σtf Vr + σtm Vm

σtc = σtf Vr + σtm ( 1 – Vf )

Igualmente ocurre con el módulo de elasticidad del compuesto, Ec y el de las

fases componentes, Er y Em, así:

32

Ec = Ef Vf + Em (1 - Vf)

Realmente, se espera que que no sea muy significativo el increment en la

Resistencia a la tensión y en el módulo de elasticidad por efecto de la incorporación de

fibras. Más aún, esos valores podrán ser menores que los de la matriz si la eficiencia

de la incorporación se reduce por desorientación, bajo volumen o por reducida

longitud de las fibras.

Para el caso donde las fibras no están alineadas en la dirección del esfuerzo,

Aveston (1974), introduce un factor de eficiencia η1 de 0.5. Se debe advertir que este

valor puede cambiar al agrietarse la matriz y en consecuencia ocurrir alineación

paralela de las fibras que están transportando las cargas.

1I.9. TEORÍA MECÁNICA DEL REFORZAMIENTO DE COMPUESTOS

CEMETICIOS CON FIBRAS CELULÓSICAS

Según Andonian (1999), la ley de mezclas expresa que la resistencia puede ser

calculada como la suma de los efectos de la matriz y de las fibras, lo cual aplica a

compuestos con refuerzos de tipo celulósico.

La contribución de la fibra está determinda principalmente por el arrancamiento

o extracción de la fibra de la matriz. Por lo tanto, este aporte de la fibra estará en

función de la relación de aspecto, l/d, afectada por el esfuerzo cortante elástico (τ), en

la interfase entre la fibra y la matriz. Realmente y en esencia, la matriz contribuye en

la regla de mezclas con σmo, que es su sresistencia en ausencia de vacios o poros

afectada por el contenido de material sólido dado por (1 - Vo), siendo Vo, la fracción

volumétrica de los vacíos presentes.

Para fibras cortas orientadas al azar y distribuidas en tres dimensiones, en forma

análoga a como están distribuidos los asbestos en los materiales de asbesto – cemento,

la resistencia a la tracción estará dada por:

σc = σm (1 - Vo), + 2 η1 τ Vf ( l/d )

Algunos investigadores recomiendan un valor del factor de eficiencia η1 cercano

a 0.41. Bentur (1989) indica que la resistencia en flexión está dada por:

σb = (α/β) ( σb )m (1 - Vo) Vm + 2 η1 a τ Vf ( l/d )

Los coeficientes α y β corresponden a las relaciones entre la resistencia a la

flexión y a la tensión del compuesto y la matriz, respectivamente.

33

El Módulo de Elasticidad en tensión o tracción, Et, y en flexión, Eb, es:

Eb = Et = Em (1 - Vo) Vm + η1 Ef Vf

Aquí, Ef, es el Módulo de Elasticidad en tension de la fibra.

Según Hannant (1988), un valor conservativo de τ es 3.5 MPa. Sin embargo,

un valor más apropiado, puesto que se determinó en fibras de coco, es de 0.5, según

fue reportado por Das Gupta. Este último autor asumió constante el valor de τ, a pesar

que la deformación última de la matriz aumenta cuando el material está húmedo. Esto

puede explicar los rangos más comunes, que están entre 0.5 y 2.0.

II.10. CARACTERÍSTICAS DEL COCO Y DE LA FIBRA DE COCO (COCUS

NOCIFERA L.)

II.10.1 El fruto del Coco

Coco, es comúnmente llamado al fruto del árbol cocotero, de la familia de las

Palmáceas, especie Cocos Nucifera; el árbol tiene un tronco cilíndrico de

aproximadamente 30-45 centímetros de diámetro y dependiendo de la especie hasta 30

metros de altura, marcado por anillos que señalan la posición de las hojas que ha ido

perdiendo. En el extremo superior se encuentran las hojas curvadas en forma de arco

que llegan a tener de 3 a 4,5 metros de longitud. El fruto cuelga en racimos de 10 a 20

unidades y en cada árbol puede haber, dependiendo de la época unos 10 racimos.

El coco maduro es de forma ovoidal, de unos 30 centímetros de longitud puede

llegar a pesar hasta 2,5 kilogramos, está revestido de una cáscara fibrosa (exocarpo) de

4 o 5 centímetros de espesor que envuelve una cáscara dura (endocarpo) de 5

milímetros de espesor; parte del exocarpo es una capa intermedia (mesocarpo) que

recubre el endocarpo y dentro de éste último está una pulpa blanca oleaginosa

(endosperma) conteniendo en su cavidad central un líquido dulce conocido como

agua de coco (cotiledón) de aproximadamente 300 gramos, que se encuentra encerrado

en el interior hueco del fruto.

El cocotero se encuentra distribuido en todas las regiones tropicales, es una de

las plantas que proporciona una mayor diversidad de productos, pues es una fuente de

alimento, bebida y de abrigo, se dice que es la planta a la que se le conocen más

aplicaciones y puede ser una de las más aprovechadas por el hombre.

34

El cocotero (Cocos Nucífera L.) se clasifica botánicamente como:

Clase: Monocotyledoneae.

Orden: Palmales

Familia: Palmae

Subfamilia: Cocowsideae

Género: Cocos

Especie: nucífera.

FIGURA No. 1. Partes internas y externas del coco.

Fuente: J.G. Ohler

La composición nutritiva del coco varía a medida que este madura. Destaca su

aporte de grasas, principalmente saturadas (88,6 % del total) que lo convierten en un

fruto muy calórico. Aporta una baja cantidad de hidratos de carbono y proteínas. Muy

rico en sales que participan en la mineralización de los huesos (magnesio, fósforo,

calcio). En cuanto a otros nutrientes, destaca su aporte de fibra, que contribuye a

regular la motilidad intestinal, entre otras funciones.

El consumo "excesivo" de alimentos ricos en grasas saturadas provoca un

aumento de los niveles de colesterol en sangre (hipercolesterolemia). Sin embargo, si

se consume en pequeñas cantidades no plantea ningún inconveniente para la salud, es

más, enriquece la alimentación en sustancias nutritivas. El coco se conserva intacto, a

temperatura ambiente. Una vez comenzado, es necesario colocarlo en la nevera, en

recipiente con agua para evitar que se deseque y altere.

Existen diferentes formas de consumir las partes del coco:

Pulpa madura: Se puede consumir cruda, entera o rallada; o bien

asada, formando parte de diversas preparaciones culinarias.

35

Pulpa gelatinosa: Se obtiene de los cocos aún verdes. Se come con

una cuchara, una vez abierto el coco. Contiene los mismo nutrientes

que el coco maduro pero en menor concentración.

Agua de coco: Es el líquido que se encuentra en su interior, tanto

más abundante cuanto más verde está el coco. Ideal para calmar la

sed.

Leche de coco: Refrescante y nutritiva, se obtiene exprimiendo la

pulpa del coco una vez bien triturada. Se puede elaborar agregando

agua o leche de vaca. Se toma como refresco o se añade a batidos de

frutas u otros platos.

Preparación de alimentos: el coco constituye un ingrediente básico

en la cocina exótica y en los curries asiáticos, suaviza el sabor de las

guindillas. En Guatemala los platos de tapado preparados por la

cultura afro-caribeña en Livingston, Izabal, son exquisitos y

famosos.

El aceite de coco se utiliza en la elaboración de productos de

bollería industrial y margarinas por su bajo costo y buen resultado.

El pan de coco de la cultura afro-caribeña de Guatemala, es muy

sabroso y bien conocido.

La fibra de coco se utiliza en diferentes aplicaciones como

alfombras, cordelería, asientos para vehículos, etc. También se ha

utilizado sobre todo en Brasil para reforzar matrices con agentes

aglomerantes.

Las leches y natas (cremas) de coco son los productos preparados a

partir de una cantidad considerable de endosperma de coco

(almendra de coco) fresco de la palma de coco (Cocus Nocifera L.),

separado, entero, desintegrado, macerado o desmenuzado.

II.10.2. La fibra de la estopa del coco

La cáscara del fruto del coco (mesocarpo) también llamada estopa o bonote da

una fibra muy importante que puede ser utilizada tanto en la industria como en la

construcción. Es una fibra multicelular con un alto grado de rigidez y dureza debido a

sus componentes. Entre sus principales características se pueden mencionar las

siguientes: la baja conductividad al calor, la resistencia al impacto, a las bacterias y al

agua, también la durabilidad y resiliencia, lo cual hacen de esta fibra, el material

indicado para trabajos de aislamiento térmico y acústico. Cada coco puede generar

125 gramos de fibras y con la extracción de esas fibras de la cáscara, se producen

además unos 250 gramos de polvo de coco.

36

Las fibras de coco, son fundamentalmente desechos de la industria

alimenticia de productos de coco. Las principales características encontradas en la

fibra de la estopa del coco son:

Diámetro 0,25 mm

Densidad Aparente 0,638 g/cm3

Densidad real 1,14 g/cm3

Absorción de agua 155 %

Lignina 43 %

Resistencia a la Tracción 300 MPa

Elongación a la Ruptura 18 %

Módulo de Elasticidad 22,5 GPa

Ph 5

Conductividad eléctrica 2,15 mS/cm

Según Lange (1998), la longitud de la fibra del coco oscila entre 50 y 350 mm;

su diámetro oscila entre 0.1 y 0.4 mm; la gravedad específica está entre 1.12 y 1.15

g/cm3; el Módulo de Elasticidad oscila entre 19 y 26 GPa; la Resistencia última en

tensión oscila entre 120 y 200 MPa; la elongación a la ruptura está entre 10 y 25 % y la

absorción de agua esta entre 130 y 180%.

Según Delvin (1976), la fibra a nivel celular se compone principalmente de

hemicelulosa, celulosa, lignina y pectina, los cuales se detallan a continuación:

La hemicelulosa es un heteropolisacárido (polisacárido compuesto por más de

un tipo de monómero), formado, en este caso un tanto especial, por un conjunto

heterogéneo de polisacáridos, a su vez formados por un solo tipo de monosacáridos

unidos por enlaces, que forman una cadena lineal ramificada. Entre estos

monosacáridos destacan la glucosa, la galactosa o la fructosa. Forma parte de las

paredes de las diferentes células de los tejidos del vegetal, recubriendo la superficie de

las fibras de celulosa y permitiendo el enlace de pectina. La hemicelulosa se

caracteriza por ser una molécula con ramificaciones, como lo es el ácido uróncio,

capaz de unirse a las otras moléculas mediante enlaces que constituyen la pared rígida

que protege a la célula de la presión ejercida sobre esta por el resto de las células que

la rodean.

La celulosa es un homopolisacárido (es decir, compuesto de un único tipo de

monómero) rígido, insoluble, que contiene desde varios cientos hasta varios miles de

unidades de glucosa. La celulosa corresponde a la biomolécula más abundante de la

biomasa terrestre. La celulosa se forma por la unión de moléculas de glucosa

mediante enlaces glucosídico. Es una hexisa que por hidrólisis da glucosa. La

celulosa es una larga cadena polimérica de peso molecular variable. La celulosa tiene

http://es.wikipedia.org/wiki/Polisac%C3%A1rido

http://es.wikipedia.org/wiki/Mon%C3%B3mero

37

una estructura lineal o fibrosa, en la que se establecen múltiples puentes de hidrógeno

entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas yuxtapuestas de glucosa, haciéndolas

impenetrables al agua, lo que hace que sea insoluble en agua, y originando fibras

compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales. La celulosa es la

sustancia que más frecuentemente se encuentra en la pared de las células vegetales, y

fue descubierta en 1838. La celulosa es la biomolécula más abundante de los seres

vivos. La celulosa constituye la materia prima del papel y de los tejidos de fibras

naturales.

La lignina es un grupo de compuestos químicos usados en las paredes celulares

de las plantas para crear madera. La palabra lignina proviene del término latino

lignum, que significa madera; así, a las plantas que contienen gran cantidad de lignina

se las denomina leñosas. La lignina está formada por la extracción irreversible del

agua de los azúcares, creando compuestos aromáticos. Se caracteriza por ser un

complejo aromático (no carbohidrato) del que existen muchos polímeros estructurales

(ligninas). Resulta conveniente utilizar el término lignina en un sentido colectivo para

señalar la fracción lignina de la fibra. Después de los polisacáridos, la lignina es el

polímero orgánico más abundante en el mundo vegetal. Es importante destacar que es

la única fibra no polisacárido que se conoce. Este componente de la madera realiza

múltiples funciones que son esenciales para la vida de las plantas. Por ejemplo, posee

un importante papel en el transporte interno de agua, nutrientes y metabolitos.

Proporciona rigidez a la pared celular y actúa como puente de unión entre las células

de la madera, creando un material que es notablemente resistente a los impactos,

compresiones y flexiones. Realmente, los tejidos lignificados resisten el ataque de los

microorganismos, impidiendo la penetración de las enzimas destructivas en la pared

celular. La molécula de lignina es una molécula, con un elevado peso molecular, que

resulta de la unión de varios ácidos y alcoholes. El acoplamiento aleatorizado de estos

radicales da origen a una estructura tridimensional, polímero amorfo, característico de

la lignina. La lignina es el polímero natural más complejo en relación a su estructura y

heterogenicidad. Por esta razón no es posible describir una estructura definida de la

lignina; sin embargo, se han propuesto numerosos modelos que representan su

estructura.

Las pectinas son una mezcla de polímeros ácidos y neutros muy ramificados,

constituyen el 30% del peso seco de la pared celular primaria de células vegetales. En

presencia de agua forman geles. Determinan la porosidad de la pared, y por tanto el

grado de disponibilidad de los sustratos de los enzimas implicados en las

modificaciones de la misma. Las pectinas también proporcionan superficies cargadas

que regulan el ph y el balance iónico.

Los conocimientos más recientes sobre la estructura de la pared celular han

sido obtenidos gracias a los detallados análisis químicos, y trabajos con el microscopio

38

electrónico. Las moléculas de celulosa están formadas por largas cadenas de moléculas

de glucosa que van asociadas paralelamente a otras formando microfibrillas en la pared

celular.

Según indica Delvin (1976), las moléculas de celulosa en la microfibrilla están

unidas lateralmente por enlaces químicos débiles y por los extremos mediante enlaces

covalentes primarios. Cada microfibrilla contiene unas 2,000 moléculas de celulosa,

con un diámetro de 100 a 250 Ángstrom (0.1 milimicras) y una longitud de varias

micras. Las moléculas de celulosa en el interior de la microfibrilla están más

íntimamente unidas en unas regiones que en otras. Los estudios revelan que estas

regiones de alta asociación (llamadas micelas) son de 50 a 60 Ángstrom de ancho, las

microfibrillas están asociadas, a su vez, en macrofibrillas (éstas pueden tener por

encima de las 400 microfibrillas), que pueden verse con el microscopio óptico, como

lo demuestra la figura No. 2.

FIGURA No. 2 Fibra de coco a nivel Molecular.

Fuente: Delvin Robert M., 1976

FOTOGRAFÍA No. 1. Fibra de coco colocada aún en el Mesocarpo (estopa).

Fuente: (FODECYT 075-06))

39

PARTE III

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

III.1. RESULTADOS

III.1.1. FUENTES DE MATERIA PRIMA

Se realizaron visitas a varios lugares de las costas del país. A continuación se

incluyen algunas fotografías de los lugares que se consideraron prioritarios, así como

breve información obtenida en los mismos.

III.1.1.1. Departamento de Izabal

En el Departamento de Izabal, Municipio de Puerto Barrios, caserío Punta de

Palma existe una Finca llamada Baltimore, que tiene una plantación de

aproximadamente 15 000 cocotero.

Esta finca tiene sus propios semilleros donde clasifican sus mejores semillas, ya

sea para la venta o para renovar plantaciones viejas, monitorean constantemente toda la

plantación porque también se da el fenómeno de la enfermedad conocida como

amarillamiento letal del cocotero, también es común encontrar plagas como el gusano

barrenador.

FOTOGRAFÍA No. 2. Vivero de Cocoteros FOTOGRAFÍA No. 3. Plantación de Cocoteros, Finca Baltimore, Puerto Barrios, Izabal. Finca Baltimore, Puerto Barrios, Izabal.


La producción también es para exportación, se utiliza para elaborar múltiples

productos desde comestibles, pasando por la fabricación de aceites y como base

aromática de shampoos y jabones.

40

La estopa no tiene ninguna utilidad, prácticamente se desecha en su totalidad,

se emplea en un bajo porcentaje para la preparación de los semilleros, ya que este

subproducto es muy bueno en la retención de humedad, y el resto se riega en las

mismas plantas, con un proceso de picado previo y luego se coloca al pie de cada

cocotero.

III.1.1.2. Departamento de San Marcos

En el Departamento de San Marcos, Municipio de Ocós, en la Aldea Los

Laureles, existe una plantación de 2 000 cocoteros.

La producción oscila entre 200 a 600 cocos por árbol por año. No existe una

industria de procesamiento del fruto, por lo que la obtención de la estopa se hace difícil

en estos lugares. Los propietarios de las plantaciones mostraron un fuerte interés y

proporcionaron valiosa información para este proyecto. La venta de cocos se realiza

en el lugar, con destino final para diferentes mercados.

FOTOGRAFÍA No. 4. Plantación de cocoteros, Aldea los Laureles, Ocós, San Marcos.


III.1.1.3. Departamento de Guatemala

El lugar de mayor disposición de desechos de estopa de coco es el Mercado de

la Terminal de la Ciudad de Guatemala. Se estima que en ese lugar, aproximadamente

entre 10,000 y 15,000 cocos son descortezados diariamente, lo cual representa

aproximadamente 30 metros cúbicos de estopa.

41

Aproximadamente 15 metros cúbicos de estopa fueron obtenidos y trasladados

a la ciudad universitaria para ser secados y posteriormente procesados para la

obtención de fibra y polvo de coco. Se realizaron entrevistas con las personas que

tienen puestos de venta de cocos en este mercado. También se pudo determinar que la

estopa que sale del procesado de los cocos no es utilizada para propósito alguno y

diariamente es levantada por una pala mecánica y camiones de la Municipalidad de

Guatemala, para llevarla al relleno sanitario de la zona 3 de la Ciudad.

La venta de cocos es de todos los días, de lunes a domingo de 5:00 a 17:00

horas normalmente el pelado solo se realiza por la mañana, y el criterio generalizado

de los clientes es pedir pelado el coco, pues de otra forma, se estarían llevando un peso

adicional que prácticamente se convierte en basura.

Las temporadas de mayor demanda son para el verano, específicamente para la

semana santa y también en diciembre por motivo de las fiestas de fin de año pues es el

fruto básico para la elaboración del tradicional ponche de frutas navideño.

Según la experiencia de los vendedores la cáscara puede ser utilizada en

remedios caseros, abono para flores, algunas artesanías, como sustituto de la leña y se

puede hacer carbón con el hueso del coco.

FOTOGRAFÍA No. 5. Venta de cocos, FOTOGRAFÍA No. 6. Traslado de desechos de

Mercado de La Terminal, Guatemala. estopa por camión municipal, Guatemala.


III.1.2. PREPARACIÓN DE LA ESTOPA Y EXTRACCIÓN DE FIBRA

La estopa de coco fue obtenida en la Terminal, ya que es la fuente con mayor

volumen disponible y sin mayor costo, solamente incluye el valor del transporte.

Luego la estopa que se trasladó a la ciudad universitaria, en la zona 12, se dispersó en

los patios del área de la Sección de Eco-materiales del Centro de Investigaciones de

Ingeniería, para que se secara con el calor del sol por cuatro semanas.

42

Cuando la estopa estuvo seca, se colocó en un molino de martillos que separó

las fibras y el polvo de coco y nuevamente se dejó secando al sol por dos días para el

secado definitivo. Con este proceso se llegó a contar con las muestras para poder

iniciar la actividad experimental con fibras limpias.

FOTOGRAFÍA No. 7. Secado de la estopa FOTOGRAFÍA No. 8. Proceso de extracción

en los patios de la ciudad universitaria. de la fibra, a partir de la estopa de coco.


FOTOGRAFÍA No. 9. Proceso de extracción FOTOGRAFÍA No. 10. Proceso de secado de de la fibra, a partir de la estopa de coco. fibra, en los patios de la ciudad universitaria.


III.1.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS

El trabajo de caracterización se realizó en las Secciones de Eco-materiales y

Tecnología de Materiales del Centro de Investigaciones de Ingeniería y en el

Laboratorio de Bromatología de la Facultad de Veterinaria de la Universidad de San

Carlos de Guatemala. Se determinaron las características físicas y químicas, además

las propiedades mecánicas.

43

III.1.3.1. Características físicas

Los parámetros físicos que se determinaron son: longitud, diámetro y

absorción. Previo a su caracterización las fibras fueron lavadas, secadas y clasificadas,

como se ilustra en la fotografía No. 11.

FOTOGRAFÍA No. 11. Fibra de coco preparada para su caracterización.


Para obtener la medida de longitud en las fibras se utilizó un instrumento de

medición (vernier), como se muestra en la fotografía No. 12.

FOTOGRAFÍA No. 12. Determinación de la longitud de fibras de coco.


Para la determinación de el diámetro se utilizó un micrómetro (Ver Figura No.

13), el cual es capaz de realizar lecturas de hasta 0.01 milímetros y para tener una

información mas completa se realizaron tres lecturas del diámetro, a ambos extremos

de la fibra y al centro.

44

Para el ensayo de absorción se siguió el siguiente procedimiento:

1) Se tomaron tres grupos o manojos de fibras que fueran representativas de todo

el conjunto disponible.

FOTOGRAFÍA No. 13. Determinación del diámetro de fibras de coco.


2) Se compactaron dichas fibras para colocarlas en un recipiente.

3) Se pesó cada una de las muestras, así como su tara respectiva, en donde

permanecerían durante los tiempos estipulados.

Los tiempos que se establecieron para dichos ensayos fueron: 1, 2, 5, 10, 20,

30 y 60 minutos, también 24, 48 y 72 horas.

4) Por último se llenó el recipiente con agua hasta que la fibra quedó

completamente sumergida y luego de esperar los tiempos mencionados anteriormente

se procedió a pesar las muestras, no sin antes secar la fibra por medio de una toalla,

para que no tuviera exceso de agua superficial y que esta agua aumentara el peso, así

se cumplió con la condición de seco-saturación.

FOTOGRAFÍA No. 14. Determinación del porcentaje de absorción de fibras de coco.

Fuente:FODECYT 075-06

45

Tabla No. 2. Longitudes y diámetros de 30 muestras de fibras de coco ensayadas en los

laboratorios del Centro de Investigaciones de Ingeniería.

MUESTRA

No.

LONGITUD

cm

DIÁMETRO

EXTREMO

SUPERIOR

mm

DIÁMETRO

AL MEDIO

mm

DIÁMETRO

EXTREMO

INFERIOR

mm

DIÁMETRO

PROMEDIO

mm

1 9,3 0,135 0,135 0,10 0,123

2 8,9 0,09 0,095 0,07 0,085

3 5,9 0,27 0,25 0,23 0,25

4 6,4 0,10 0,09 0,09 0,093

5 8,5 0,14 0,10 0,06 0,10

6 4,8 0,055 0,05 0,05 0,052

7 3,9 0,30 0,28 0,27 0,283

8 5,5 0,24 0,23 0,18 0,217

9 5,5 0,09 0,11 0,07 0,09

10 5,4 0,10 0,15 0,09 0,113

11 4,9 0,14 0,16 0,135 0,145

12 6,5 0,13 0,065 0,12 0,105

13 6,5 0,10 0,095 0,10 0,098

14 5,3 0,21 0,22 0,15 0,193

15 7,2 0,19 0,185 0,18 0,185

16 7,8 0,125 0,065 0,08 0,09

17 7,2 0,16 0,135 0,10 0,132

18 5,5 0,115 0,115 0,09 0,107

19 8,0 0,155 0,135 0,11 0,133

20 10,1 0,44 0,395 0,33 0,388

21 9,6 0,16 0,19 0,16 0,17

22 6,2 0,18 0,14 0,12 0,147

23 5,6 0,12 0,08 0,06 0,087

24 6,1 0,21 0,19 0,19 0,197

25 7,0 0,14 0,11 0,10 0,117

26 5,3 0,12 0,12 0,10 0,113

27 7,1 0,15 0,14 0,14 0,143

28 8,3 0,07 0,06 0,06 0,063

29 7,2 0,16 0,09 0,07 0,107

30 6,9 0,13 0,12 0,13 0,127


46

Los resultados de las longitudes y diámetros de las fibras de coco se muestran

en la Tabla No. 2. Los datos obtenidos del ensayo de absorción en fibras de coco se

presentan en la Tabla No. 3. Los resultados de los porcentajes de absorción de las

fibras de coco ensayadas se presentan en la Tabla No. 4.

El comportamiento de fibras de coco ensayadas para determinar el porcentaje

de absorción se presenta en la Figura No. 3, cuya gráfica relaciona el promedio final

del porcentaje de absorción con el tiempo de inmersión hasta los 60 minutos, la

tendencia logarítmica que toman los puntos graficados se puede observar con una línea

continua.

Tabla No. 3. Datos obtenidos del ensayo de absorción en fibras de coco ensayadas en los

laboratorios del Centro de Investigaciones de Ingeniería.


47

Tabla No. 4. Promedio final de los porcentajes de absorción de fibras de estopa de coco

ensayadas en los laboratorios del Centro de Investigaciones de Ingeniería.


48

Figura No. 3. Relación encontrada entre el porcentaje de absorción de fibras de la

estopa de coco y su tiempo de inmersión en agua.


En adición a la caracterización física, en el Laboratorio de Investigaciones de

Polímeros y Otros Compuestos de la Escuela Politécnica de la Universidad de

Montreal en Canadá (L`ecole Polytechnique: CREPEC Montreal Canadá), se

obtuvieron fotografías por medio de un microscopio electrónico SEM de marca JOEL,

tipo JSM-840 (microscope a balayage, scanning microscope) de fibras de estopa de

coco de Guatemala. Las Fotografías Nos. 15, 16 y 17 son ejemplos de las

visualizaciones en las cuales se evidencian los acercamientos logrados en la fibra de

estopa de coco en sentidos longitudinal y transversal.

49

FOTOGRAFÍA No. 15. Vista al microscopio de una fibra de coco, en su dirección longitudinal.


FOTOGRAFÍA No. 16. Vista al microscopio de una fibra de coco, en su sección transversal.


FOTOGRAFÍA No. 17. Vista al microscopio de una fibra de coco, en su sección transversal.


50

III.1.3.2. Características químicas

Las características químicas de la fibra fueron establecidas en el Laboratorio de

Bromatología de la Unidad de Alimentación Animal de la Facultad de Medicina

Veterinaria y Zootecnia de la Universidad de San Carlos de Guatemala

Otro producto que también fue analizado químicamente fue el polvo que se

obtiene al momento de extraer la fibra de la estopa del coco, el cual también tiene sus

propias características.

Los resultados obtenidos se indican en el informe que se presenta en la Tabla

No. 5. El resumen de los resultados se presenta a continuación:

Fibra de coco seco:

Fibra A.D.: 45.60%

Fibra N.D.: 80.72%

Lignina: 26.43%

Polvo de coco seco:

Agua: 11.05%

M.S.: 88.05%

E.E.: 0.27%

F.C.: 44.55%

Proteína: 1.53%

Cenizas: 26.09%

E.L.N.: 27.50%

III.1.3.3. Propiedades mecánicas

Debido a que en el Centro de Investigaciones de Ingeniería de la Universidad

de San Carlos de Guatemala no cuenta con el equipo para ensayos según

especificación ASTM D 76 – 99 (2005) (Activa), se decidió construir un equipo con el

que se pudiera obtener las propiedades fuerza – elongación, según los requerimientos

de esa norma. Entonces se construyó un equipo que fue capaz de proveer datos

confiables de fuerza - elongación según Norma ASTM D 3,822 - 07 (Activa). El

equipo en mención consta de:

- Base metálica donde queda suspendida la muestra.

- Mordazas metálicas para asegurar las fibras en los extremos, un extremo

está anclado a la base y del otro extremo se suspende un peso, estas mordazas se

construyeron de tal forma que no cortaban la fibra ni permitían deslizamiento, pues

esto alteraría significativamente los resultados de los ensayos.

51

TABLA No. 5. Resultados de la caracterización química de fibras y polvo de estopa de

coco (coir pith).

- El peso debe de ser controlado, para esto se utilizaron unos balines de acero

que pesaban un gramo cada uno y un recipiente plástico que sirvió como depósito de

los balines; el peso de los balines siempre se corroboró con una balanza con lecturas

de aproximación de hasta un décimo de gramo. Los balines siempre estuvieron dentro

del rango 1.0 gramo ± 0.1 gramo.

Para determinar la propiedad mecánica de tensión en las fibras, cada una de las

muestras se ensayó de acuerdo al proceso siguiente:

1) Se sujetaron los extremos de la fibra con las mordazas y se realizó la lectura de la

longitud inicial, esta lectura era la longitud de la fibra libre entre las mordazas y sin

aplicarle carga.

2) Cuando la fibra estuvo colocada en las mordazas, se realizaron las lecturas de los

diámetros; las fibras por tratarse de un producto no manufacturado por el hombre,

carecía de regularidad en su diámetro, por lo que fue necesario tomar tres lecturas, una

en el extremo superior junto a la mordaza que iba anclado a la base, otra al centro de la

longitud y una ultima en el extremo inferior contiguo al peso.

52

FOTOGRAFÍA No. 18. Equipo construido para caracterizar mecánicamente la fibra de coco. La

construcción se realizó utilizando desechos de la industria metal mecánica.


3) Conocido el peso de la tara y de los balines se estableció un peso inicial, luego esta

carga se suspendió en un extremo de la fibra y a su vez se ancló a la base y se

realizaron las lecturas de elongación y recuperación.

4) Nuevamente se le agregó otra cantidad de peso al recipiente y se tomaron las

lecturas de elongación y recuperación, este proceso se repitió hasta que la fibra fallara.

Todas las lecturas respectivas se anotaron en la tabla de recopilación de datos.

5) Otros datos que eran necesarios tomar fueron el color, la textura, el punto de la falla,

y la reducción en diámetro que presentaba la fibra cerca de la falla.

Los resultados obtenidos de los ensayos mecánicos de tensión en fibras de

estopa de coco se presentan en las Tablas Nos. 6,7, 8 y 9.

De las treinta muestras ensayadas, cuatros son las que presentan esfuerzos

máximos cercanos a la media aritmética inicialmente obtenida de 2,442.31 kg/cm²

tomando como limite superior 2,686.54 kg/cm² y como limite inferior 2,198.08

kg/cm², dichas muestran son:

Para obtener una grafica final de esfuerzo-elongación del ensayo en estudio se

promediaron los valores de las muestras seleccionadas obteniendo los valores que se

muestran en la Tabla No. 9.

53

TABLA No. 6. Esfuerzos máximos de 30 muestras de fibras de coco ensayadas a tensión

MUESTRA

No

DIÁMETRO

MENOR

cm

ÁREA

cm²

CARGA

MÁXIMA

Kg

ESFUERZO

MÁXIMO

kg/cm²

1 0,01 7,85E-05 0,28467 3.624,53

2 0,007 3,85E-05 0,17400 4.521,30

3 0,023 4,15E-04 0,38480 926,17

4 0,009 6,36E-05 0,10549 1.658,20

5 0,006 2,83E-05 0,14238 5.035,66

6 0,005 1,96E-05 0,07703 3.923,11

7 0,027 5,73E-04 0,45015 786,21

8 0,018 2,54E-04 0,50030 1.966,05

9 0,007 3,85E-05 0,08000 2.078,76

10 0,009 6,36E-05 0,17230 2.708,38

11 0,0135 1,43E-04 0,14080 983,66

12 0,012 1,13E-04 0,16190 1.431,51

13 0,01 7,85E-05 0,14500 1.846,20

14 0,015 1,77E-04 0,30040 1.699,92

15 0,018 2,54E-04 0,25090 985,97

16 0,008 5,03E-05 0,14710 2.926,46

17 0,01 7,85E-05 0,22580 2.874,97

18 0,009 6,36E-05 0,16070 2.526,04

19 0,011 9,50E-05 0,30060 3.163,11

20 0,033 8,55E-04 0,64410 753,07

21 0,016 2,01E-04 0,22050 1.096,68

22 0,012 1,13E-04 0,28050 2.480,16

23 0,006 2,83E-05 0,11140 3.939,97

24 0,019 2,84E-04 0,30050 1.059,86

25 0,01 7,85E-05 0,13980 1.779,99

26 0,01 7,85E-05 0,17600 2.240,90

27 0,014 1,54E-04 0,34900 2.267,15

28 0,006 2,83E-05 0,10840 3.833,87

29 0,007 3,85E-05 0,17980 4.672,01

30 0,013 1,33E-04 0,20732 1.561,94


54

TABLA No. 7. Datos de los ensayos mecánicos de fibras de estopa de coco, agrupados en

frecuencias.


- Muestra No. 18 2,526.04 kg/cm²




TABLA No. 8. Tabulación de esfuerzos máximos de tensión de fibras de estopa de coco, en las 4

muestras seleccionadas


55

Con estos datos se pudo graficar la curva esfuerzo-elongación, la tendencia

polinómica que toman los puntos hasta los 13 milímetros de elongación se puede

observar con una línea continua, en la Figura No. 20.

TABLA No. 9. Promedio de valores de elongación y esfuerzos mecánicos de tensión en muestras

de fibras de estopa de coco, correspondientes a las muestras ensayadas e identificadas con los Nos.

18, 22, 26 y 27.

ELONGACIÓN

mm.

ESFUERZO

kg/cm²

0 389.84

1 945.63

2 873.70

3 1,600.00

4 1,778.66

5 1,243.18

6 1,420.90

7 1,597.74

8 1,698.42

10 2,009.41

11 2,313.05

12 2,480.16

13 2,267.15


Figura No. 4. Grafica de esfuerzo – elongación de fibras de estopa de coco ensayadas a

tensión en el Centro de Investigaciones de Ingeniería.


56

III.1.4. CARACTERIZACIÓN DE MATRICES FIBRORREFORZADAS

Se procedió a realizar pruebas preliminares, mezclando morteros y

concretos de cemento con diferentes porcentajes y longitudes de fibra de coco

para determinar la laborabilidad de las mezclas y los porcentajes máximos de fibra

que puede tolerar la mezcla y en base a estos resultados se determinaron las

proporciones a utilizar para la caracterización.

Se elaboraron siete tipos de mezclas de mortero, y se consideraron como

variables la longitud de fibra y el porcentaje de adición de fibra. Se trabajó con dos

longitudes de fibra 4 y 8 cm, con las que se realizaron dos cantidades de adición de

fibra al mortero (Ver Tabla No. 1).

Para todas las mezclas se trabajó con una misma matriz de mortero. Una de

las mezclas se elaboró sin adición de fibras para tener muestras de control. Las

proporciones se realizaron en base al peso del cemento

La proporción utilizada en la matriz de mortero fue de 1:3, una de

cemento y tres partes de arena de río pasada por el tamiz No 4.

Por cada mezcla se elaboraron 12 cilindros de los cuales 6 se ensayaron a

compresión y los otros 6 se ensayaron a tensión indirecta, de estos 6 se

ensayaron tres a 28 días y tres a 56 días de edad. En total se ensayaron 84 cilindros.

Por cada mezcla se elaboraron 6 vigas para los ensayos de flexión, fueron

ensayadas, tres a 28 días y tres a 56 días de edad. En total se ensayaron 42 vigas

prismáticas.

Todas las muestras fueron curadas en inmersión en agua, desde el día siguiente

de su hechura hasta los 28 días de edad.

Para el caso de mezclas de concreto de cemento, se elaboraron muestras y se

realizaron ensayos a 28 y 56 días de edad. También fueron ensayados 84 cilindros y

42 vigas, de la misma forma que para los morteros de cemento. Para este caso, se

utilizó fibra de 2 centímetros de longitud, variando los contenidos en 1%, 2% y 3%.

Para fibra de 4 centímetros de longitud, se variaron los contenidos en 0.6% y 1.33%.

Para fibra de 8 centímetros de longitud, se variaron los contenidos en 0.5% y 1%.

Los ensayos que se realizaron para la caracterización de las muestras de

mortero de cemento y de concreto de cemento fueron:

-Resistencia a Compresión

57

- Resistencia a Flexión

- Resistencia a Tensión Indirecta ó Tensión por hendido

Las pruebas se realizaron en los laboratorios de materiales del Centro de

Investigaciones de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala,

aprovechando la infraestructura de equipo que el mismo tiene. Para realizar los

ensayos se utilizó la máquina universal marca BALDWIN LIMA HAMILTON cuya

capacidad máxima es de 60 000 kilogramos. Esta máquina cuenta con diferentes

escalas de carga dependiendo de los ensayos que se quieran realizar; para los

ensayos a flexión, en este caso, se utilizó la escala de 600 kilogramos, mientras que

para los ensayos a Compresión y Tensión indirecta se utilizó la escala de 12

000 kilogramos.

Antes de la realización de los ensayos, se tomaron datos de peso y dimensiones

de las muestras. Para la identificación de las muestras, se asignó una nomenclatura

a cada una de las probetas para registrar sus propiedades de una manera ordenada.

La nomenclatura utilizada, por ejemplo, para los morteros de cemento, fue la

siguiente:

- A, B, C, D, E, F, G = porcentaje y longitud de fibra

- 1 = flexión, 2 = compresión, 3 = tensión indirecta

- Por último se colocó el número de probeta ensayada.

Por ejemplo:

A.2.4 = 4% de fibra de 4 cm, ensayo de compresión, probeta numero 4.

FOTOGRAFÍA No. 19. Máquina Universal de Ensayos del Centro de Investigaciones de

la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Carlos de Guatemala.

Ensayo de matrices fibrorreforzadas.


58

III.1.4.1. Ensayo de Compresión

Este ensayo se realizó de acuerdo a lo establecido en la Norma ASTM C 39/C

39M –04a (Método de ensayo para resistencia a compresión de especímenes

cilíndricos de concreto), la cual tiene por objeto describir el procedimiento para

determinar la resistencia a compresión de especímenes cilíndricos. Las probetas

fueron niveladas sin adherencia, de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM C

– 1231/C1231M-04 (Practica estándar para uso de cabezales no adheridos en la

determinación de la resistencia a compresión de cilindros de concreto

endurecido). Adicionalmente se determinó el modulo de Elasticidad, conforme a la

norma ASTM C 469–02e (Método de ensayo para determinar el modulo de

elasticidad estático y relación de Poisson del concreto en compresión).

Las pruebas fueron realizadas a especímenes cilíndricos de 3 pulgadas

(7.62 cm) de diámetro y 6 pulgadas (15.24 cm) de altura.

La norma establece que los resultados del esfuerzo de compresión no

pueden diferir en +/- 14% del promedio, por lo que se realizó un análisis

estadístico para determinar que todos los datos se encontraran dentro del rango

indicado.

El Modulo de Elasticidad en Compresión se calculó de acuerdo a la norma

ASTM C 469 – 02e (Método de ensayo para determinar el modulo de elasticidad

estático y relación de Poisson del concreto en compresión), por medio de la

siguiente formula:

E = (S2 – S1) / (Є2 – 0.000050)

Donde: E = Modulo de Elasticidad, MPa

S2 = Esfuerzo correspondiente al 40% de la carga última, MPa

S1 = Esfuerzo correspondiente a la deformación longitudinal,

Є1, de 50 millonésimas, en MPa

Є2 = Deformación longitudinal producido por el esfuerzo S2

Para medir las deformaciones se utilizó un compresómetro Marca Ploog

Eng. Co, con aproximación de 0.0001” y con capacidad máxima de deformación de

0.2 pulgadas (5.08mm), la longitud efectiva del compresómetro es de 10 centímetros.

El Modulo de Resilencia que se utiliza para determinar la cantidad de

energía absorbida al esforzar el material hasta el límite elástico se calcula como

el área bajo la curva esfuerzo-deformación en la zona plástica o rango elástico.

Las gráficas que se obtuvieron con los resultados de los ensayos de compresión

en morteros a edades de 28 y 56 días, se presentan en las Figuras Nos. 5 a 19.

59

FOTOGRAFÍA No. 20. Coronamiento de FOTOGRAFÍA No. 21. Ensayo de compresión

superficie superior de muestras cilíndrica. de una muestra de material fibrorreforzado.


Figuras Nos. 5 y 6. MEZCLA G SIN REFUERZO. Resultados del ensayo

a compresión a 28 y 56 días de edad

28 días 56 días


60

Figuras Nos. 7 y 8. MEZCLA "F" (Longitud 8 cm, 1.5%). Resultados del ensayo a compresión a

28 y 56 días de edad.

28 días 56 días


Figuras Nos. 9 y 10. MEZCLA "E" (Longitud 8 cm, 2%). Resultados del ensayo a compresión a

28 y 56 días de edad.

28 días 56 días


61

Figuras Nos. 11 y 12. MEZCLA "D" (Longitud 8 cm, 2.5%). Resultados del ensayo a

compresión a 28 y 56 días de edad.

28 días 56 días


Figuras Nos. 13 y 14. MEZCLA "C" (Longitud 4 cm, 2%). Resultados del ensayo a compresión

a 28 y 56 días de edad.

28 días 56 días


62

Figuras Nos. 15 y 16. MEZCLA "B" (Longitud 4 cm, 3%). Resultados del ensayo a compresión


28 días 56 días


Figuras Nos. 17 y 18. MEZCLA "A" (Longitud 4 cm, 4%). Resultados del ensayo a compresión


28 días 56 días


63

III.1.4.2. Ensayo de Flexión

Este ensayo fue realizado de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM C

293 – 02 (Método de ensayo para resistencia a la flexión del concreto utilizando

una viga simple con carga en el punto medio)), la cual tiene por objetivo determinar la

resistencia a flexión de una viga simple con apoyos en los extremos y carga

aplicada en el punto central. Los ensayos fueron realizados en vigas prismáticas

con dimensiones de 2 pulgadas (5.08 cm) de ancho, 2 pulgadas (5.08 cm) de altura y

12 pulgadas (30.48 cm) de longitud. La longitud libre entre apoyos fue de 22

centímetros y la carga fue aplicada en el centro de la luz.

FOTOGRAFÍA No. 22. Equipo utilizado para el ensayo de flexión en matrices reforzadas con

fibras de coco.


Para medir las deformaciones se utilizó un deformómetro Marca SOILTEST.

INC, con aproximación al 0.01 de milímetro y con capacidad máxima de

deformación de 25 mm (1 pulgada), también se utilizó un deformómetro marca

MERCER, con aproximación al 0.01 de milímetro y con capacidad máxima de

deformación de 25 mm (1 pulgada).

Las gráficas que se obtuvieron con los resultados de los ensayos de flexión en

morteros a edades de 28 y 56 días, se presentan en las Figuras Nos. 19 a 32.

64

Figura No. 19 y 20. MEZCLA "G" (Sin Refuerzo). Resultados del ensayo a flexión a 28 y 56

días.

28 días 56 días


Figura No. 21 y 22. MEZCLA "F" (Longitud 8 cm, 1.5%). Resultados del ensayo a flexión a 28

y 56 días.

28 días 56 días


65

Figura No. 23 y 24. MEZCLA "E" (Longitud 8 cm, 2%). Resultados del ensayo a flexión a 28 y

56 días.

28 días 56 días


Figura No. 25 y 26. MEZCLA "D" (Longitud 8 cm, 2.5%). Resultados del ensayo a flexión a 28

y 56 días.

28 días 56 días


66

Figura No. 27 y 28. MEZCLA "C" (Longitud 4 cm, 2%). Resultados del ensayo a flexión a 28 y

56 días.

28 días 56 días


Figura No. 29 y 30. MEZCLA "B" (Longitud 4 cm, 3%). Resultados del ensayo a flexión a 28 y

56 días.

28 días 56 días


67

Figura No. 31 y 32. MEZCLA "A" (Longitud 4 cm, 4%). Resultados del ensayo a flexión a 28 y

56 días.

28 días 56 días


III.1.4.3. Ensayo de Tensión Indirecta

Las pruebas fueron realizadas en especímenes cilíndricos de 3 pulgadas

(7.62 cm) y 6 pulgadas (15.24 cm) de altura.

Este ensayo consiste en cargar a compresión el cilindro a través de dos ejes

longitudinales opuestos diametralmente.

La resistencia a Tensión Indirecta ó Tensión por hendido, fue calculada por

medio de la fórmula:

T = 2P/πdL

Donde:

T = esfuerzo de tensión por hendido, en MPa


d = diámetro de la muestra, en mm

L = longitud de la muestra, en mm

Las gráficas que se obtuvieron con los resultados de los ensayos de tensión

indirecta en morteros a edades de 28 y 56 días, se presentan en las Figuras Nos. 33 a

44.

68

FOTOGRAFÍA No. 23. Equipo utilizado para el ensayo de tensión indirecta en matrices reforzadas con fibras de coco.


Figuras Nos. 33 y 34. MEZCLA "G" (Sin Refuerzo). Resultados del ensayo a tensión indirecta a

28 y 56 días.

28 días 56 días


69

Figuras Nos. 35 y 36. MEZCLA "F" (Longitud 8 cm, 1.5%). Resultados del ensayo a tensión

indirecta a 28 y 56 días.

28 días 56 días


Figuras Nos. 37 y 38. MEZCLA "E" (Longitud 4 cm, 2%). Resultados del ensayo a tensión


28 días 56 días


70

Figuras Nos. 39 y 40. MEZCLA "D" (Longitud 4 cm, 2.5%). Resultados del ensayo a tensión


28 días 56 días


Figuras Nos. 41 y 42. MEZCLA "C" (Longitud 4 cm, 2%). Resultados del ensayo a tensión


28 días 56 días


71

Figura No. 43. MEZCLA "B" (Longitud 4 cm, 3%). Resultados del ensayo a tensión indirecta a

56 días.

56 días


Figura No. 44. MEZCLA "A" (Longitud 4 cm, 4%). Resultados del ensayo a tensión indirecta a

56 días.

56 días


72

III.1.5. SISTEMAS CONSTRUCTIVOS

III.1.5.1. Sistema Pancoco SAM

Este sistema constructivo se diseñó con bloques esbeltos reforzados con fibra

de coco, los cuales forman paneles para cerramientos en viviendas. Cada panel está

formado por 4 bloques, con dimensiones de 8 cm de espesor, 55 cm de alto y 100 cm

de ancho. Cada bloque tiene 5 agujeros de 5 cm de diámetro, tiene un macho y

hembra de forma trapezoidal en la parte superior e inferior, para la unión de un bloque

con otro y una muesca de junta en los extremos para unir un panel con otro, en las

figuras siguientes se pueden observar los detalles de los bloques.

0,4 0,2 0,2 0,1

1Varila de Acero No. 3 Diámetro 0.05 m

0,008

0,5

50,0

1

1

0,15 0,0750,20,1 0,05

ELEVACIÓN

Figura No. 45 Planta de bloque Figura No. 46

Elevación de bloque

0,08

0,02

0,01

0,55

34°

0,015

Ver Detalle

Figura No. 47

Perfil de bloque

Figura No. 48

Detalle de macho y hembra

Cada panel tiene las siguientes dimensiones: 2.20 m de alto, 1 m de ancho y

0.08 m de espesor, reforzado con varillas de acero No. 3 de grado 40 a cada 0.40 m

como se observa en la Figura No. 8. En la parte inferior está amarrada por un cimiento

corrido de sección de 0.25 m de base y 0.15 m de alto con un armado de tres varillas

de acero No.3 grado 40 y eslabones No. 2 a cada 0.15 m. En la parte superior está

amarrada por una solera de sección de 0.10 m de base y 0.15 m de alto con un armado

de dos varillas de acero No. 3 y eslabones No.2 a cada 0.15 m. Para suelos rocosos o

73

suelos bien consolidados, donde no se requiere de un cimiento corrido descrito

anteriormente, se puede utilizar un bloque pómez tipo U con un armado de dos varillas

de acero No. 3 grado 40 y eslabones No.2 a cada 0.15 m, estos detalles se muestran en

las figuras siguientes.

Panel

Cimiento Corrido

Solera de Corona

CIMIENTO

VER DETALLE No. 1

BARRRA DE ACEROACERO No. 3

SOLERA DE CORONAVER DETALLE No. 2

CORTE A - A'

0,1

0,1

52,2

0.25

0.1

5

Figura No. 49. Isométrico de panel Figura No. 50. Corte típico de

panel

3 No. 3 + Esl. No.2 a/c 0.15m.Concreto Proporción 1:2:2

0,05

0.25

0.1

5

DETALLE No. 1

0,0

70.30

Figura No. 51.

Detalle de cimiento

Figura No. 52.

Armado en cimiento

0.1

5

0.10

2 No. 3 + Esl. No.2 a/c 0.15m.Concreto Proporción 1:2:2

DETALLE No. 2

0.30

.02

Figura No. 53.

Detalle de solera de corona

Figura No. 54.

Armado en solera de corona

74

0,2

0,2

BLOCK "U" DE 0.20X0.20m.

2 No. 3 + Esl.No. 2 a/c 0.15m.

Figura No. 55.

Detalle de cimiento con block U

Estos bloques permiten la modulación en puertas, ventanas, cambios de dirección y

encuentros de paneles, como lo es una escuadra, una te y una cruz; detalles que son

necesarios en cerramientos de viviendas. Para el anclaje de escuadra, te, y cruz se

pueden utilizar eslabones y escuadras de acero No. 2, amarrados al refuerzo de los

paneles y colocados en cada bloque. Estos detalles se pueden observar en las figuras

siguientes.

Esl. No 2 encada bloque

Esl. No 2 encada bloque

Figura No. 56. Figura No. 57.

Detalle en T Detalle en L

III.1.5.2. Sistema Pancoco PV

Este sistema constructivo se diseñó con marcos de madera de pino aserrada con

amarres de malla hexagonal de alambre de pequeño diámetro que se utiliza como

refuerzo de las paredes rigidizantes de los marcos y como apoyo del relleno de

aislamiento térmico y acústico constituido por estopa de coco. Cada panel está

formado por 2 elementos verticales con dimensiones de 5 cm por 9 cm de sección y

240 cm de altura. Transversalmente, los elementos verticales están unidos por 5 piezas

de madera de 5 cm por 9 cm de sección y la longitud necesaria para obtener el ancho

del panel. Los paneles tienen una altura total de 240 cm y un ancho de 96 cm, como se

ilustra en la Figura No. 16.

75

Figura No. 58. Dimensiones del marco de madera del sistema PV. Los paneles están

complementados con una malla hexagonal de alambre de pequeño diámetro, estopa de coco como

aislante térmico y acústico y el mortero reforzado con fibras de coco.


Sobre el marco de madera elaborado con las piezas de las dimensiones ya

indicadas, se sujeta un lienzo de malla hexagonal de alambre de media pulgada de

abertura (tradicionalmente llamada de gallinero), con grapas de tres cuartos de

pulgada. La malla se extiende bien, antes de clavarse.

Luego de clavada la malla con las grapas, se coloca la estopa de coco que

constituye el aislante. Otra capa de malla debe colocarse en la parte posterior del

marco (ver Fotografía No. 24).

El marco de madera con la malla y la estopa permite tener unidades

prefabricadas, de tal forma que su proceso es susceptible de industrializarse a nivel de

pequeña empresa. Para formar muros, los paneles se unen entre si por medio de clavos

o tornillos. El sistema PV considera una cimentación sencilla de una solera de concreto

reforzado en toda su periferia, de 15 cm de ancho y 15 cm de altura, reforzada con 2

varillas de acero No. 3, Grado 40, con eslabones de varillas de acero No. 2 a cada 0.15

m. También considera una solera de remate de madera de 5 cm por 9 cm de sección,

con los detalles adecuados de anclaje en cada panel.

76

FOTOGRAFÍA No. 24. Panel típico del Sistema Pancoco PV, previo a la colocación de las capas

de mortero fibrorreforzado.


Cuando los paneles de madera armados están unidos a la cimentación y a la

solera de remate indicada, todos los muros son revestidos con un mortero de cemento

con las siguientes proporciones: para la primera capa: 1 parte de cemento, 5 partes de

arena de rio tamizada por la malla de un cuarto de pulgada y 0.5 partes de agua. La

primera capa de mortero permite llenar los vacíos que quedan en el relleno de estopa;

esta capa no debe cubrir la malla ya que como se mencionaba solamente llenará vacíos,

por lo que el mortero debe ser pobre en cemento. Para la segunda capa: 1 parte de

cemento, 3 partes de arena de rio tamizada por la malla de un cuarto de pulgada, 0.5

partes de agua y 2 % en peso de fibra de coco de longitud natural. Esta capa de

preferencia debe ser de 1 cm de espesor, incluyendo el acabado final.

FOTOGRAFÍA No. 25. Proceso de aplicación del mortero sobre la malla de alambre.


77

III.1.6.CONSTRUCCIÓN DE MUROS DE ENSAYO DE LOS DOS

SISTEMAS CONSTRUCTIVOS, A ESCALA NATURAL

III.1.6.1. Sistema SAM

Para la elaboración de bloques, previamente se diseñaron y construyeron

moldes de madera. Se hicieron dos moldes de 3 bloques cada uno.

FOTOGRAFÍA No. 26. Moldes para la elaboración de paneles fibrorreforzados, tipo SAM.

Fuente: FODECYT 075-06)

FOTOGRAFÍA No. 27. Proceso de armado de Moldes para elaborar bloques tipo SAM


Las Fotografías Nos. 26 a 31, muestran el proceso de armado y fundición de

bloques, para la construcción de paneles en el Sistema SAM. Después de la

elaboración de los bloques, los mismos fueron curados por medio de arena saturada de

agua, en su etapa inicial. Esta arena fue colocada por encima de los bloques durante

24 horas, como se observa en la fotografía No. 31. Después del curado inicial, los

bloques se trasladaron al área de almacenamiento donde fueron curados por 7 días,

como se aprecia en la Fotografía No. 32.

78

Luego de la elaboración de los bloques, se construyeron los muros de paneles

para los ensayos estructurales (ver Fotografías Nos. 33 y 34). Se construyeron siete

sistemas de paneles, dos para carga a compresión, dos para carga a flexión, dos para

carga de impacto y uno para carga horizontal, estos paneles de bloques

fibrorreforzados.

FOTOGRAFÍA No. 28. Colocación de FOTOGRAFÍA No. 29. Fundición de

tubos en moldes, Sistema SAM bloques del Sistema PANCOCO-SAM


FOTOGRAFÍA No. 30 Proceso de fundición FOTOGRAFÍA No. 31. Curado de bloques de paneles tipo, Sistema PANCOCO - SAM. de paneles tipo, Sistema PANCOCO-SAM .

FOTOGRAFÍA No. 32. Bloques tipo Sistema PANCOCO – SAM, en proceso de curado final.


79

FOTOGRAFÍAS Nos. 33 y 34. Proceso de elaboración de muros de bloques tipo SAM, para ensayos estructurales de carga lateral.


III.1.6.2. Sistema PV

El sistema PV fue más fácil de construir, por la naturaleza de su proceso. Se

armaron los marcos de madera de acuerdo a la descripción que se realizó en el numeral

I.5.6.2. Los muros y paneles a escala natural que se prepararon en el laboratorio para

las pruebas estructurales, se pueden apreciar en las Fotografías Nos. 35 y 36.

FOTOGRAFÍAS Nos. 35 y 36. Proceso de elaboración de muros de bloques tipo PV, para

ensayos estructurales de compresión y de carga lateral.


80

III.1.7. ENSAYO DE MUROS DE LOS SISTEMAS CONSTRUCTIVOS

III.1.7.1. Ensayo a compresión



procedimiento para determinar la resistencia a compresión de paneles para la

construcción.

FOTOGRAFÍAS Nos. 37 y 38. Ensayos estructurales de laboratorio, panel y bloque del Sistema

constructivo tipo PANCOCO – SAM, sometidos a cargas de compresión.


FOTOGRAFÍA No. 39. Ensayos estructurales de laboratorio, panel del sistema constructivo PANCOCO - PV, sometidos a cargas de compresión.


81

El esfuerzo a compresión fue calculado utilizando la fórmula:

S = F / A

Donde:

S = esfuerzo de compresión, en kg/cm^2

F = carga necesaria para que falle el espécimen, en kg

A = área de la sección transversal del espécimen, en cm^2

Los resultados de los ensayos de compresión en bloques y paneles del Sistema

SAM se aprecian en las Figuras Nos. 59 a 61.

Figura No. 59. Gráfica carga-deformación del

ensayo en panel 1 Sistema SAM, sometido a compresión


82

Figura No. 60. Gráfica carga-deformación del

ensayo en panel 2 Sistema SAM, sometido a compresión


Figura No. 61. Gráfica carga-deformación del bloque fibrorreforzado Sistema SAM, sometido a

compresión


83

III.1.7.2. Ensayo a carga lateral



procedimiento para determinar la resistencia a cargas horizontales o de sismos de


La aplicación de la carga fue con un gato hidráulico marca ENERPAC de 10

toneladas y pistón de 2.24 pulgadas cuadradas de área, con lecturas a cada 100 libras por

pulgada cuadrada de indicación del manómetro que registra la carga, y el equipo de

empotramiento y arriostramiento para muros de corte (chapulín) con que se cuenta en el

área de prefabricados del Centro de Investigaciones de Ingeniería.

Las deformaciones de desplazamiento y volteo se registraron con 3

deformómetros marca SOILTEST. INC, con aproximación de 0.01 milímetros y

con capacidad máxima de deformación de 25 mm (1 pulgada), también se utilizó un

deformómetro marca MERCER, con aproximación de 0.01 milímetros y con

capacidad máxima de deformación de 25 mm (1 pulgada).

FOTOGRAFÍAS Nos. 40 Y 41. Ensayos estructurales de laboratorio, muros de bloques del

sistema constructivo PANCOCO - SAM y muros del sistema constructivo PANCOCO – PV.


La información obtenida de los ensayos del muro de paneles tipo SAM a

escala natural, sometido a carga horizontal se presenta en las curvas siguientes

(Figuras Nos. 62-64).

84

Figura No. 62. Gráfica carga – desplazamiento horizontal de muro

Deformómetro No. 1


Figura No. 63. Gráfica carga – deformación por volteo de muro. Deformómetro No. 2


85

Figura No. 64. Gráfica carga – desplazamiento horizontal de muro.

Deformómetro No. 3


III.1.7.3. Ensayo a flexión

Debido a que en el Centro de Investigaciones de Ingeniería de la Universidad

de San Carlos de Guatemala no contaba con una maquina de ensayos según

especificación ASTM E 72 - 05 para ensayo a flexión de paneles y ASTM E695 – 03

para ensayo a impacto de paneles a escala natural y en sentido vertical, se optó por

construir un aparato que cumpliera las especificaciones de sujeción y aplicación de

cargas según las normas correspondientes a cada ensayo para que los datos fueran

confiables.

La configuración de los ensayos de flexión y impacto se pueden ver en las

figuras Nos. 65 y 66, correspondientes a las normas ASTM utilizadas.

Para la construcción, se utilizaron dos rieles de tren para hacer el marco y el

soporte del aparato; se utilizaron perfiles de acero para los apoyos de los paneles y de

barras lisas de acero de 1 pulgada de diámetro para los rodillos. Los utensilios y

accesorios necesarios para la construcción de este aparato fueron diseñados en la

Sección de Eco-Materiales del Centro de Investigaciones de Ingeniería.

El ensayo a flexión se realizó de acuerdo a lo establecido en la Norma ASTM

E72-05 (prueba de carga de paneles para construcción), la cual tiene por objeto

describir el procedimiento para determinar la resistencia a cargas flexionantes a


86

Figura No. 65 Figura No. 66 Configuración de ensayo a flexión Configuración de ensayo a impacto

Fuente : ASTM E72- 05

Fuente: ASTM E695-03

FOTOGRAFÍA No. 42. Equipo para ensayos de paneles a flexión e impacto, construido con reciclaje de materiales en la ciudad universitaria, acorde a los requerimientos de las normas

internacionales ASTM 072-05 y ASTM E-695-03.


87

La aplicación de la carga fue por medio de un gato hidráulico marca

ENERPAC de 10 toneladas y pistón de 2.24 pulgadas cuadradas de área, con lecturas a

cada 100 libras por pulgada cuadrada de indicación del manómetro que registra la

carga, sostenido sobre una base de madera y sujetado en la parte central del aparato de

ensayo. Las deflexiones se registraron con un deformómetro marca SOILTEST. INC,

con aproximación de 0.01 milímetros y con capacidad máxima de deformación de

25 mm.

FOTOGRAFÍAS Nos. 43 y 44. Ensayos estructurales de laboratorio, muros de bloques del sistema constructivo PANCOCO – SAM, sometidos a cargas de flexión, en el sentido vertical


FOTOGRAFÍA No. 45. Ensayo estructural de laboratorio, muro del sistema constructivo PANCOCO - PV, sometido a cargas de flexión, en el sentido vertical. Observe la falla en el nudo

de uno de los elementos del panel de madera.


88

Los resultados de los ensayos de flexión en bloques y paneles del Sistema SAM

se aprecian en las Figuras Nos. 67 a 68.

Figura No. 67. Gráfica carga-deflexión del panel fibrorreforzado 1, Sistema SAM, sometido a

flexión

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

10

20

30

40

50

60

Carga vrs Deflexión

Series1

Polinómica (Series1)

Deflexión panel 1 (mm)

Ca

rga

(k

gf)


Figura No. 68. Gráfica carga-deflexión del panel fibrorreforzado 2, Sistema SAM,

sometido a flexión

0

100

200

300

400

500

600

700

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Carga vrs Deflexión

Series1



Ca

rga

(k

gf)


89

III.1.7.4. Ensayo a impacto

El ensayo de impacto se realizó de acuerdo a lo establecido en la Norma

ASTM E695-03 (Medición de la Resistencia Relativa de Pared, Piso, y Techo a cargas

de impacto), la cual tiene por objeto describir el procedimiento para determinar la

resistencia a cargas de impacto a paneles para la construcción.

Las deformaciones se registraron a través de un aparato construido por

personal de la Sección de Ecomateriales del Centro de Investigaciones de Ingeniería.

Este aparato tiene un dispositivo que sale de la base y que hace contacto con el panel

que va a presión.

FOTOGRAFÍAS Nos. 46 y 47. Ensayos estructurales de laboratorio, panel del Sistema PV,

sometido a cargas de impacto, en el sentido vertical


FOTOGRAFÍA No. 48. Ensayo estructural de laboratorio, muro del Sistema Pancoco PV sometidos a cargas de impacto, en el sentido vertical. Observe el marco de carga, el equipo de

medición de la deformación y los accesorios de aplicación de la carga.


90

Los resultados de los ensayos de impacto en bloques y paneles del Sistema

SAM se aprecian en las Figuras Nos. 69 a 70.

Figura No. 69. Gráfica carga-deflexión del

panel fibrorreforzado 1 Sistema SAM, sometido a impacto

-5.00

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.000 5

10

15

20

25

30

35

40

45

Fuerza vrs Deflexión

Series1



Fu

erz

a (N

ew

ton

)


Figura No. 70. Gráfica carga-deflexión del

panel fibrorreforzado 2 Sistema SAM, sometido a impacto

-10.00

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50

Fuerza vrs Deflexión

Series1



Fu

erz

a (N

ew

ton

)


91

III.1.8. CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO DEMOSTRATIVO

Finalmente fue construido un módulo demostrativo con el Sistema Pancoco-

PV, para ejemplificar la aplicación de uno de los sistemas experimentados. La

secuencia de las Fotografías Nos. 49 a 54, evidencian el proceso seguido en la

construcción del Módulo.

FOTOGRAFÍAS Nos. 49 y 50. Sistema constructivo PANCOCO - PV. Construcción de un módulo demostrativo. Preparación de los paneles previo a la aplicación del mortero

fibrorreforzado.


FOTOGRAFÍAS Nos. 51 y 52. Sistema constructivo PANCOCO - PV. Construcción de un módulo demostrativo. Muros de paneles preparados para la aplicación del mortero fibrorreforzado y aplicación del mortero reforzado con fibra de la estopa del coco.


92

FOTOGRAFÍAS Nos. 53 y 54. Sistema constructivo PANCOCO - PV. Construcción de un módulo demostrativo. Concluida la aplicación del mortero reforzado con fibras de estopa de coco.


III.1.9. OTRAS ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS

III.1.9.1. Vinculación Académica

Ocho trabajos de graduación se presentaron a la Escuela de Ingeniería Civil de

la Universidad de San Carlos de Guatemala; los mismos tuvieron su origen en este

proyecto de investigación y alimentaron los resultados del mismo.

Los trabajos de graduación concluidos a la fecha son: a) Caracterización

física, mecánica y química de fibras de desecho del fruto del coco, para utilización en

matrices fibro-reforzadas, a cargo del estudiante Oscar David Toj Atz; b)

Caracterización físico-mecánica de morteros fibro-reforzados de matriz cementicia y

fibra de coco, a cargo del estudiante Demis Omar Alvarez Molineros; c) Elaboración

de matrices de polímeros reciclados reforzados con fibras de la estopa de coco y

determinación de sus propiedades físicas y mecánicas, a cargo del estudiante Milton

Adolfo Pérez Escobar; d) Inventario de sistemas constructivos a base de paneles

prefabricados, a cargo de la estudiante Anaite Orellana; e) Elaboración y

caracterización de placas de matrices de cemento fibro-reforzadas, a cargo del

estudiante José Marco Tulio Gómez Vásquez; f) Diseño, experimentación y

evaluación del Sistema Constructivo Pancoco-SAM, a cargo del estudiante Samuel

Alexander Gómez Palacios; g) Diseño, experimentación y evaluación del Sistema

Constructivo Pancoco-PV, a cargo del estudiante Leonel Enrique Morales Aguirre.

Los estudiantes Pérez Escobar, Álvarez Molineros y Toj Atz ya realizaron su examen

público de graduación, mientras que los trabajos de los estudiantes Morales Aguirre,

Gómez Palacios y Orellana están concluidos en su parte experimental e informe,

estando únicamente pendientes de examen de graduación. El trabajo del estudiante

Gómez Vásquez está aún en proceso de experimentación.

93

III.1.9.2. Vinculación Científico-tecnológica

En el área de Prefabricados de la Ciudad Universitaria de la Universidad de San

Carlos de Guatemala se realizó en noviembre de 2 007, el Taller “Tecnología para la

producción social del hábitat”, organizado por el equipo de investigación de éste

proyecto como parte de las actividades científico-tecnológicas del proyecto XIV.8

CASA-PARTES del Programa de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo –CYTED-.

Esta fue una oportunidad para presentar los avances en el desarrollo de este proyecto

de investigación.

FOTOGRAFÍAS Nos. 55 y 56. Talleres demostrativos de tecnología para la producción social del hábitat desarrollados en la ciudad universitaria, zona 12, como parte del Proyecto CASAPARTES

que se desarrolló en Iberoamerica, en el Programa de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo.


FOTOGRAFÍAS Nos. 57 y 58. Aplicación de morteros fibrorreforzados en diferentes sistemas constructivos, durante los talleres de transferencia de tecnología del Programa CYTED, Proyecto

XIV.8., en noviembre de 2 007.


94

Una de las actividades desarrolladas fue la elaboración de plaquetas de fibra de

coco con resina vegetal, las cuales fue mezclado la fibra en longitud original y

aplicándole una presión para que pudiera tomar la forma del molde utilidad. La

experiencia de la Universidad de Sao Paulo, fue muy ilustrativa mediante la

participación del Dr. Osny Pellegrino.

Como se puede observar en la Fotografía No. 59, esta resina es de color café,

pero se puede agregar un colorante y tener una plaqueta de otro color. Actividad

realizada conjuntamente con los Profesores de la Universidad de Sao Paulo, en la

Universidad de San Carlos de Guatemala.

FOTOGRAFÍA No. 59. Resina Vegetal + Fibra de Coco, experiencia desarrollada durante uno de los talleres de transferencia de tecnología.


95

III.2 DISCUSION DE RESULTADOS

III.2.1. INFORMACIÓN RELACIONADA CON FIBRAS VEGETALES

Importante información fue localizada en relación con las fibras vegetales que

se utilizan como refuerzo de morteros en ingeniería civil. Los documentos relevantes

en esta materia son los que se listan en el numeral I.4.2.1.

El documento que se considera más abundante en relación con la información

del fruto del coco es Modern Coconut Management de J.G. Ohler, mientras que la

información relativa a los materiales fibrorreforzados se encuentra abundantemente en

las Memorias del Curso Internacional sobre Compuestos Fibrorreforzados.

La información relativa a la caracterización de las fibras de desecho de estopa

de coco y de los materiales fibrorreforzados se lista en el numeral I.4.2.2.; destacan las

recomendaciones de las normas internacionales de ASTM y AOAC.

La información que se refiere a la caracterización de paneles de construcción se

listan en el numeral I.4.2.3.; los métodos y requerimientos adoptados están contenidos

principalmente en las normas internacionales de ASTM y NTC.

III.2.2. IDENTIFICACIÓN DE FUENTES DE MATERIA PRIMA

Durante el desarrollo de la investigación se ubicaron tres fuentes importantes

de materia prima: a) en la zona del Atlántico la Finca Baltimore en el Caserío Punta

de Palma, en el Municipio de Puerto Barrios, Departamento de Izabal; b) en la zona

del Pacífico la Aldea Los Laureles en el Municipio de Ocós, Departamento de San

Marcos; c) el Mercado de La Terminal en la zona 4 de la Ciudad de Guatemala, la

cual resultó ser la mayor fuente de estopa concentrada en un solo lugar y representa un

problema de contaminación ambiental, además de requerir fuertes costos de

mantenimiento por parte de la Municipalidad de Guatemala.

Existen muchos otros lugares tanto en la costa del Pacífico como del Atlántico

con cocoteros dispersos, los cuales crecen de manera desordenada y algunas veces

espontáneamente. En esos lugares la recolección de la estopa se torna complicada.

Prácticamente en todos los mercados de las poblaciones de Guatemala se ubica

por lo menos una venta de cocos, donde la estopa también representa un problema de

contaminación. No se detectaron usos para la estopa en ninguno de ellos. El costo de

recolección de ese recurso se considera muy elevado.

96

III.2.3. PROPORCIONES DE MEZCLAS PARA LA ELABORACIÓN DE

MATERIALES FIBRORREFORZADOS

Recopilada la información relativa a las posibles matrices que pudieran

utilizarse en Guatemala, se definieron las matrices, acorde a los materiales locales. La

determinación de las matrices utilizadas se puede consultar en la Tabla No. 1., del

numeral 1.4.6.3.

III.2.4. NORMAS APLICABLES PARA LA ELABORACIÓN DE PROBETAS Y

ENSAYOS DE MATERIALES FIBRORREFORZADOS

La información de las normas identificadas para la elaboración de probetas y

ensayos de matrices fibrorreforzadas se incluye en el numeral 1.4.6. Son de especial

interés las normas de la Sociedad Americana de Ensayo de Materiales (ASTM)

relativas a los ensayos de compresión, flexión y tensión indirecta.

III.2.5. PROCEDIMIENTOS PARA REALIZACIÓN DE ENSAYOS DE FIBRAS

Los procedimientos para la realización de ensayos de fibras se encuentran

listados en el numeral I.4.2.2., el cual contiene las normas internacionales de las cuales

se obtuvieron los requerimientos para realización de ensayos y caracterización física,

química y mecánica de las fibras de la estopa de coco. Destacan las recomendaciones

de las normas internacionales de ASTM y AOAC.

III.2.6. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE

FIBRAS DE ESTOPA DE COCO

En los numerales I.4.6.1, I.4.6.2 y I.4.6.3, se hace una descripción de los

procedimiento de ensayo para la caracterización física, mecánica y química de fibras

de estopa de coco obtenidas del Mercado de La Terminal y procesadas previamente.

III.2.7. ENSAYOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN

DE LAS FIBRAS DE ESTOPA DE COCO

III.2.7.1. De la determinación de las longitudes y diámetros

De acuerdo a los resultados que se presentan en la Tabla No. 2, las longitudes

de las fibras de coco muestreadas en el Mercado de La Terminal y procesadas para su

caracterización, muestran valores que oscilan entre 3.9 y 10.1 centímetros, ubicándose

el 80% de las fibras en el rango de longitud de 4 a 8 centímetros. Es importante

mencionar que el proceso mecánico de extracción pudo haber reducido la longitud

original de las fibras.

97

Las longitudes encontradas en fibras de estopa de coco de Guatemala se ubican

dentro del rango proporcionado por David A. Lange de la Universidad de Illinois

(1998), mencionado en II.10.2.

Los diámetros de las fibras de estopa de coco caracterizadas, según la Tabla

No. 2, oscilaron para el diámetro equivalente del extremo superior, entre 0.055 y 0.25

milímetros, ubicándose el 65 % entre 0.055 y 0.15 mm.; para el diámetro en el centro

de la fibra, oscilaron entre 0.05 y 0.30 mm, ubicándose el 65 % entre 0.10 y 0.20 mm;

para el diámetro en el extremo inferior, los valores oscilaron entre 0.06 y 0.33 mm,

ubicándose el 90 % entre 0.06 y 0.20 mm.

De acuerdo a la determinación de valores promedio, según los datos de la Tabla

No. 2, los valores de diámetro oscilaron entre 0.05 y 0.38 mm., dicho rango está muy

cercano al establecido por David A. Lange de la Universidad de Illinois (1998),

mencionado en II.10.2.

III.2.7.2. Del ensayo de absorción

Según los datos indicados en las Tablas Nos 3 y 4, la fibra absorbe gran

cantidad de agua en corto tiempo; en un minuto absorbe 112% en relación a su peso;

diez minutos son suficientes para que la fibra absorba 186% y su capacidad de

absorción alcanza los 254% en 72 horas.

Este factor es de tomarlo en consideración al momento de efectuar ensayos con

una matriz cementicia porque puede absorber mas agua de lo considerado en el cálculo

de mezcla y por lo tanto puede variar la resistencia de las muestras.

De la grafica de absorción- tiempo, que se muestra en la Figura No. 3, se puede

observar que su tendencia es logarítmica. Esta ecuación puede ser utilizada para

determinar el grado de absorción en cualquier periodo de tiempo hasta los 60 minutos

con un coeficiente de variación de 10%.

Según David A. Lange de la Universidad de Illinois (1998), los valores de

absorción reportados se ubican en el intervalo de 130 a 180 %, mientras que Savastano

y Agopyan (1997) indican valores de 98% para fibras de coco brasileñas, aunque no

mencionan para que tiempos de inmersión en agua. Dicho rango se encontró en las

fibras de estopa de coco muestreadas en el Mercado de La Terminal, para valores de

10 minutos de inmersión en agua. Sin embargo, para tiempos mayores de inmersión

/72 horas), en esta investigación se llegó hasta 250 %.

98

III.2.7.3. Del ensayo de fuerza - elongación

Según se puede observar en las Tablas Nos. 6, 7, 8 y 9 del numeral III.1.3.3., en

este ensayo se obtuvo un amplio margen de resultados de esfuerzos debido a que se

tomaron 30 muestras al azar de toda la estopa que se recolectó.

Al aplicar parámetros estadísticos se pudo observar que el esfuerzo máximo de

las fibras de coco, como una media representativa es de 2,383.47 kg/cm² con un

coeficiente de variación de 3.45%. La elongación máxima promedio del conjunto de

fibras ensayadas estuvo en el orden de 15%.

De la grafica de esfuerzo-elongación que se muestra en la Figura No. 4, se

observa que su tendencia es polinómica. y la ecuación resultante es la siguiente:

Y = 3.9334 X² + 181.78 X + 664.18

Esta ecuación puede ser utilizada para determinar el esfuerzo de cualquier

elongación hasta los 13 milímetros de deformación con un coeficiente de variación de

3.45 %.

Las fibras de menor diámetro son las que presentan mayor valor de esfuerzo

según lo demuestra la agrupación por frecuencias mostrada en la Tabla No. 10.

Tabla No. 10. Rango de diámetros y esfuerzos máximos para la fibra de estopa de coco ensayada

en el Centro de Investigaciones de Ingeniería

RANGO

Diámetro en

mm.

FRECUENCIA

30 Muestras

ESFUERZO

kg/cm²

Promedio

0.05 a 0.09 11 3,068.52

0.10 a 0.14 11 2,204.92

0.15 a 0.19 5 1,134.75

0.20 a 0.24 1 926.17

0.25 a 0.29 1 786.21

0.30 a 0.35 1 753.07


Los valores reportados por Savastano y Agopyan de la Universidad de Sao

Paulo (1997), para fibras de coco brasileñas, son del orden de 950 a 1180 kg/cm2,

mientras que los valores reportados por David A. Lange de la Universidad de Illinois

(1998) están en el rango de 1200 y 2000 kg/cm2. Los valores de resistencia en

99

tensión de fibras de coco ensayadas en esta investigación se ubican en el rango entre

1000 y 3000 kg/cm2, siendo los valores mínimos coincidentes con las referencias

indicadas.

III.2.7.4. Del análisis químico

Según el informe de resultado del análisis químico efectuado en las fibras,

realizado en la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad de San

Carlos de Guatemala, Escuela de Zootecnia, Unidad de Alimentación Animal, incluido

en el numeral III.1.3.2., Tabla No. 5, indica que los componentes de la fibra de coco a

nivel molecular son los siguientes:

Contenido de Hemicelulosa 35.10 %

Contenido de Celulosa 19.17 %

Contenido de Lignina 26.43 %

Aunque para este trabajo de investigación el polvo de la estopa del coco no

tiene mayor relevancia, este también tiene sus componentes particulares, los cuales se

pueden apreciar en el informe de resultados correspondiente (Tabla No. 5).

III.2.8. MORTEROS FIBRORREFORZADOS

III.2.8.1. Resistencia a Compresión

En base a los ensayos realizados se determinó que la inclusión de fibras de

coco a la mezcla de mortero de cemento disminuye la resistencia compresión. Si se

relaciona la resistencia de la probeta control G con las probetas A y B que

contenían 4% y 3% de fibra de 8 cm, se observa que las mismas presentaron una

disminución del 31.2% y 49.5% respectivamente. la probeta D con 2.5% de fibra de 4

cm disminuyó la resistencia en un 42.1%. Los mejores resultados se obtuvieron en

las mezclas con menor volumen de fibra, las probetas C con 2% de fibra de 8

cm, E y F con 2% y 1.5% de fibra de 4 cm que presentaron una disminución del

20.7%, 11.5% y 17% respectivamente (Figuras Nos. 7-18). Por otro lado, se

determinó que la inclusión de fibras de coco en la mezcla, aumenta la capacidad de

deformación significativamente, debido al anclaje de las fibras en el mortero. La

muestra de control G es la que presenta menor capacidad de deformación en relación

con las muestras fibrorreforzadas, en las cuales la mezcla A (8cm, 4%) es la que tiene la

mayor capacidad de deformación (Figuras Nos. 7-18).

III.2.8.2. Resistencia a Flexión

La resistencia a flexión fue menor para las muestras que contenían fibra de coco,

100

en relación con la muestra control. La muestra B fue la que presentó la mayor

disminución de resistencia con un 36%. Por otra parte, las muestras A, D y F

presentaron disminuciones de resistencia de 28%, 24% y 24%, respectivamente. Los

mejores resultados se obtuvieron con las muestras que contenían 2% de fibra ((8 cm) y

E (4 cm), con una disminución de 16% y 15%, respectivamente (Figuras Nos. 19-32).

La inclusión de fibra de coco a la mezcla, sin embargo, aumentó muy

significativamente la capacidad de deflexión de las muestras. Las muestras con mayor

longitud y con volúmenes altos de fibra tienen mayor capacidad de deflectarse que

aquellas que tienen menor longitud y volúmenes muy bajos. Las muestras A (8 cm, 4%)

y B (8 cm, 3%) fueron las que tuvieron mayor capacidad de deflexión, además después

de que las muestras fallaron, permanecieron unidas y con mayor deflexión, mientras que

la muestra de control G presentó una falla violenta (Figuras Nos. 19-32).

III.2.8.3. Resistencia a Tensión Indirecta

Los resultados de los ensayos de tensión indirecta presentaron un

fenómeno diferente a los de compresión y flexión, ya que algunas muestras con fibra

exhibieron valores de resistencia mayores a los de la muestra de control. Las

muestras A (8cm, 4%), C (8cm,2%) y E (4cm, 2%) presentaron un aumento en la

resistencia de 4.5%, 22.7% y 12.9% respectivamente, mientras que las demás

presentaron una disminución de la resistencia en comparación con la muestra control

G (Figuras Nos. 33-44). La inclusión de fibra en la mezcla ayuda a que las muestras

puedan deformarse más aún después de haber fallado y mantienen la muestra unida,

evitando la falla súbita; a mayor cantidad de fibra, aumenta la capacidad de

deformación, obteniéndose mejores resultados con las fibras de 4 cm, que con las de 8

cm; pero en general para los dos tamaños de fibra, la capacidad de deformación fue

mucho mayor que en la muestra de control G (Figuras Nos. 33-44).

III.2.8.4. Tipos de fallas en los especímenes ensayados

III.2.8.4.1. Fallas a compresión

La norma ASTM C 39/C 39M – 04a (método de ensayo para resistencia

a compresión de especímenes cilíndricos de concreto) clasifica las fallas a

compresión en 6 tipos dependiendo del tipo de fractura que sufra el espécimen.

En los ensayos realizados se pudo observar que ocurrieron 3 tipos diferentes de

fallas las cuales se describen a continuación. (FOTOGRAFÍA No. 60): TIPO 2:

aparece un cono bien formado en un extremo, y grietas verticales corriendo a lo

largo del espécimen. TIPO 3: aparecen grietas verticales a través de ambos

extremos. TIPO 4: fractura diagonal sin grietas a través de los extremos.

101

FOTOGRAFÍA No. 60. Fallas en los especímenes ensayados a compresión Fuente: FODECYT 075-06

En los elementos fibrorreforzados el espécimen no se desintegró debido al

anclaje con las fibras, mientras que en los especímenes sin refuerzo fallaron

súbitamente.

III.2.8.4.2. Fallas en flexión

En los especímenes ensayados a flexión, la falla ocurrió siempre en el rango

del tercio medio de la viga, en los especímenes fibrorreforzados después de ocurrida la

falla el espécimen seguía unido y resistiendo carga debido al anclaje de la matriz

con las fibras de coco, mientras que en los especímenes sin refuerzo la falla ocurría

súbitamente, sin tener la capacidad de resistir carga después de la primera falla

(FOTOGRAFÍAS Nos. 61 y 62).

FOTOGRAFÍA No. 61. Falla a FOTOGRAFÍA No. 62. Falla a flexión

flexión en muestra fibrorreforzada Trabajo de las fibras de coco a

espécimen fibrorreforzado tensión


102

III.2.8.4.3. Falla a tensión indirecta En la prueba de tensión indirecta, ocurrió una factura vertical a lo largo de

los puntos de carga. Al igual que en las otras pruebas en los elementos

fibrorreforzados la probeta no se desintegro y permaneció unida aún después

de ocurrida la fallas, mientras que en los elementos sin refuerzo la falla fue

súbita partiendo los cilindros a la mitad (Fotografías Nos. 63 y 64). III.2.8.5. Efecto de la fibra sobre el mortero El efecto positivo que tiene la incorporación de la fibra al mortero es que al

momento de la falla el mortero sigue unido, con lo que se puede deducir que hay

una buena adherencia de fibra con la matriz, lo cual impide que las grietas

progresen en el material y se presente una mayor ductilidad. Según observaciones y

bibliografía consultada se comprobó que los refuerzos de fibra mejoran de varias

maneras la tenacidad de la matriz, ya que las grietas que puedan aparecer en

la matriz son transmitidas a las fibras absorbiendo la energía y no permiten que las

grietas se sigan propagando. Una mala unión entre la fibra y la matriz puede

ocasionar que la fibra empiece a separarse de la matriz aumentando la

posibilidad de fracturas. La resistencia a compresión y flexión disminuyeron en comparación con la

muestra de control, pero su capacidad de deformarse aumentó

significativamente, manteniendo unida la probeta aún después de ocurrida la falla,

por su parte la resistencia a tensión aumentó, así como su capacidad de

deformarse. Las probetas que presentaron mejores resultados para los tres

ensayos fueron C y E que contenían 2% de fibra y una longitud de 8 cm y 4 cm

respectivamente. FOTOGRAFÍA No. 63. Falla a tensión FOTOGRAFÍA No. 64. Falla a tensión

en espécimen fibrorreforzado en espécimen sin refuerzo Fuente: FODECYT 075-06

103

III.2.9. CARACTERÍSTICAS DE PANELES DE CONSTRUCCIÓN

Las características de los paneles de construcción están indicadas en los

numerales III.1.5.1. y III.1.5.2. El Sistema Pancoco SAM se considera de mayor peso

que el Sistema Pancoco PV. Por otra parte el primero de ellos es un sistema que está

compuesto por bloques que se yuxtaponen y se unen por medio de varillas de acero en

el sentido vertical y se anclan en las soleras inferior y superior para formar un

elemento monolítico, mientras que el Sistema Pancoco PV es un sistema más liviano

que utiliza paneles continuos, cuya composición es una combinación de madera,

estopa de coco, malla de alambre y mortero fibrorreforzado con fibra de la estopa de

coco. Se considera que el Sistema Pancoco PV es de menor exigencia en cuanto a la

utilización de mano de obra no calificada.

III.2.10. PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN DE LOS PANELES

Los procedimientos de construcción están indicados en los numerales III.1.6.1.

y III.1.6.2. El Sistema Pancoco SAM se considera que es bastante exigente en cuanto

al proceso de construcción debido fundamentalmente al peso de los bloques

fibrorreforzados, mientras que el Sistema Pancoco PV tiene un procedimiento más

versátil debido a la forma en que paulatinamente se van uniendo los diferentes

componentes, por otra parte este último sistema no requiere mano de obra calificada.

III.2.11. NORMAS PARA ENSAYO DE PANELES

Varias normas fueron consultadas para el ensayo de los paneles. Las únicas

normas que se consideraron adecuadas para la evaluación de los paneles fueron las

normas ASTM E-72 para el caso de solicitaciones de compresión, flexión y carga

lateral, mientras que la norma ASTM E-695 para el caso de cargas de impacto. Las

recomendaciones de estas normas fueron adoptadas, sin embargo, el equipo para los

ensayos de flexión e impacto fue diseñado y construido en el laboratorio. Esta

innovación fue una de las aportaciones, si no la más significativa que el proyecto

brindó al Centro de Investigaciones de Ingeniería, ya que el mismo podrá utilizar estos

equipos para evaluación de otros sistemas constructivos con fines de investigación y de

certificación de aptitud técnica.

III.2.12. PROCEDIMIENTOS PARA ENSAYO DE PANELES

Para el ensayo de los paneles se siguieron los procedimientos indicados en las

normas adoptadas. Para el caso de ensayos de flexión e impacto con los equipos

innovados, los procedimientos se ajustaron a los requerimientos indicados en las

mismas normas.

III.2.13. CONSTRUCCIÓN Y ENSAYO DE PANELES

Los paneles de los sistemas constructivos ensayados fueron construidos y

ensayados en el laboratorio de estructuras. En la construcción participaron estudiantes

104

que elaboraron sus trabajos de graduación así como otros estudiantes de los últimos

años de la carrera de ingeniería civil. Es importante mencionar que en las tareas de

construcción y ensayo de paneles participaron estudiantes de los dos géneros. El

Sistema Pancoco SAM presentó algunas limitaciones para el género femenino en su

construcción debido al manejo de piezas pesadas. El Sistema Pancoco PV se adaptó

de mejor manera en materia de género, ya que el peso de los componentes es bajo y de

fácil maniobrabilidad y por otra parte el proceso de armado de los paneles hacen que

esta labor sea más sencilla y flexible.

III.2.14. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE ENSAYOS DE PANELES

III. 2.14.1. Del ensayo a compresión

De los especímenes ensayados a compresión se observó que el comportamiento

de ambos paneles tuvieron características similares siguiendo la misma tendencia,

variando un 4.3% la carga última (1042 kgf) uno respecto al otro. La fallas iníciales se

dieron al 82.2% de la cargas últimas y las mismas se localizaron en la juntas de los

bloques, tal como se puede apreciar en las Figuras Nos. 59 a 61. Los paneles tuvieron

una carga de comprensión a rotura de 10,672 kgf/m que cumple con la especificación

de grado 3 y deformación admisible en compresión de subgrado “a” de la Norma

Técnica Colombiana NTC 2446. En la Tabla No. 11 se puede observar los resultados

de los ensayos.

Tabla No. 11.

Resultados de ensayo a compresión de paneles fibrorreforzados


Las fallas principales presentadas por los paneles fueron por pandeo y

compresión, las juntas de los bloques se acomodaron conforme se les aplicaba carga y

las mismas cedieron para los lados haciendo que estos fallaran. En la carga última se

dieron fallas a compresión y se localizaron en el sentido vertical, siguiendo los

agujeros sin refuerzo. No hubo colapso de los bloques, las fibras adheridas a la matriz

resistieron carga permitiendo que las fallas fueran graduales y no explosivas, y las

mismas mantuvieron unidos los fragmentos de bloques.

105

Tabla No. 12.

Resultado de esfuerzo de bloque y panel


III.2.14.2. Del ensayo a carga horizontal

En el muro ensayado, las fallas de corte se presentaron en los bloques, cimiento

y solera de corona. El sistema trabajó conjuntamente, las primeras fallas se dieron en

las juntas de los bloques al 65% de la carga última. Al 87% del valor de la carga

última se presentaron las fallas de corte en los bloques extremos superior e inferior y a

los 7,629.43 kgf que es la carga última, se presentó la falla de corte en la solera de

corona, siempre a L/3 de su extremo superior, tal como se puede ver en las Figuras

Nos. 62 a 64. El muro tuvo una carga horizontal a la rotura de 3,464 kgf/m que

cumple con la especificación de grado 3 y deformación admisible en cargas

horizontales de sub-grado “a” de la Norma Técnica Colombiana NTC 2446.

Después del ensayo, el muro de paneles de bloques se recuperó en un buen

porcentaje, quedando estable. Los bloques se acomodaron en sus juntas, por lo cual el

sistema trabajó rígidamente y no se dieron las grietas longitudinales donde llevaban los

refuerzos como sucedió en el ensayo de compresión.

Las deformaciones de desplazamiento y volteo no fueron significativas, por eso

no influyeron mucho en los resultados. De los diagramas carga-deformación del

ensayo a carga horizontal se pueden ver que las gráfica muestran una tendencia

polinómica, que sigue el comportamiento lógico de un muro de este tipo.

III. 2.14.3. Del ensayo a flexión

De los especímenes ensayados a flexión se observó que el comportamiento de

ambos paneles tuvieron características similares siguiendo la misma tendencia,

variando la carga última en 7.7%, uno respecto del otro. La fallas iníciales se

localizaron en la juntas centrales y ocurrieron al 69.1% de la cargas últimas. El panel

tuvo una carga transversal a la rotura de 660.32 kgf/m que cumple con la

especificación de grado y deformación admisible en cargas transversales de subgrado

“b” de la Norma Técnica Colombiana NTC 2446.

106

Tabla No. 13.

Resultados de ensayo a flexión de paneles fibrorreforzados


Las primeras fallas presentadas por los paneles de debieron a que las juntas

entre los bloques no estaban bien ajustadas y como se puede observar en la tabla

anterior estas fallas ocurrieron muy temprano. Las fallas principales aparecieron en

L/3 hacia la parte central del panel. No hubo colapso de los bloques, y se pudo notar

que las fibras de coco anclaron la matriz permitiendo resistir carga después de ocurrir

la carga última, las mismas fueron graduales y no repentinamente, como suele suceder

en otros sistemas.

En los diagramas carga-deformación de ensayo a flexión se puede notar que

después de ocurrir las fallas y la carga última, el panel retuvo la carga por algunos

segundos, permitiendo botar la carga en ciclos hasta llegar a cero. Se pueden notar en

las gráficas como se recuperaron los paneles de su deformación final (Figuras Nos. 67

y 68).

III. 2.14.4. Del ensayo a impacto

Los especímenes ensayados a impacto tuvieron un comportamiento con

características similares, siguiendo una tendencia lineal en su comportamiento. Se

pudo observar que la energía potencial provocada por la masa fue absorbida y bien

distribuida en todo el panel gracias al refuerzo de las fibras en la matriz.

Se llegó a la altura máxima posible de caída y el panel no presentó ninguna

fractura en los bloques, sin embargo, se deflectó considerablemente debido a que las

juntas centrales cedieron, como sucedió en los ensayos anteriores. La Norma Técnica

Colombiana NTC 2446 indica que se considera satisfactorio un panel cuando exista un

choque de 120 Joules; en este caso el panel no presentó deterioro aparente con un

choque de 240 Joules. El comportamiento se puede observar en las Figuras Nos. 69 y

70. El panel no tuvo deterioro aparente o rotura, por lo que se considera que cumple

con la normativa adoptada.

107

III.2.15. CONSTRUCCIÓN DE PANELES DE MATERIALES

FIBRORREFORZADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO A

ESCALA NATURAL

La construcción de paneles para la construcción de un módulo a escala natural

se realizó en el lugar, por la naturaleza del sistema constructivo. En las Fotografías

Nos. 49 a 52 se pueden apreciar los paneles en conjunto formando la estructura del

módulo a escala natural experimentado. Los paneles utilizados para la construcción

del módulo fueron del Sistema Pancoco Pv, por las razones de peso, proceso,

comportamiento que ya se discutieron.

III.2.16 CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO BÁSICO DE PAREDES DE UNA

VIVIENDA, A BASE DE PANELES FIBRORREFORZADOS CON FIBRAS DE LA

ESTOPA DE COCO

La construcción del módulo demostrativo fue una experiencia que permitió

establecer que el Sistema Pancoco PV propuesto, es de fácil adaptación en el proceso

de construcción; por otra parte, el sistema es liviano y consume menor cantidad de

materiales que otros sistemas a base de paneles. El proceso de colocación del mortero

fibrorreforzado se puede apreciar en las Fotografías Nos. 53 y 54.

III.2.17. EVALUACIÓN DEL MÓDULO BÁSICO A BASE DE PANELES

FIBRORREFORZADOS

El módulo fue monitoreado durante diez meses, período en el cual no se

apreció deterioro alguno o la evidencia de fallas en los muros. Este módulo permanece

construido en las instalaciones de la Ciudad Universitaria y será monitoreado en

función del tiempo.

108

PARTE IV

IV.1. CONCLUSIONES

1. Se produjeron y caracterizaron materiales fibrorreforzados a base de matrices de

cemento reforzados con desecho del fruto del coco (Cocus Nocifera L.) en el laboratorio

y se produjeron y caracterizaron paneles de matrices reforzadas con fibra de coco

(Cocus Nocifera L), así como se evaluó la aplicación de paneles en la construcción de

un módulo de vivienda económica a escala natural.

2. Se estableció un banco de información relacionado con la práctica y profundización del

conocimiento de materiales reforzados con fibras vegetales.

3. Se identificaron las fuentes más abundantes de materia prima (cocos) en el país.

(Numerales III.1.1. y III.2.2)

a. Existen muy pocas plantaciones de coco y estas exportan sus productos a otros

países donde es procesada la fruta.

b. La estopa que se genera en estas plantaciones es utilizada como abono orgánico

para el mismo cultivo, pues aún no han le han encontrado utilidad a tal desecho.

c. La mayoría de cocos que se comercializan en Guatemala vienen de la costas

del país y lo siembran familias para que la planta genere sombra o que sirva

como cerco de propiedades o potreros.

d. El punto de mayor comercio de este fruto es el Mercado de La Terminal de la

Zona 4 de la Capital de Guatemala y por consiguiente es el lugar donde se

genera la mayor cantidad de estopa, aproximadamente 30 metros cúbicos al día

y esta cantidad puede aumentar en la temporada de verano, especialmente en la

Semana Santa y en época Navideña.

4. Se identificaron las proporciones de mezclas más adecuadas para la elaboración de

materiales fibrorreforzados con fibras de coco, mismas que fueron experimentadas en el

laboratorio. (Numerales III.1.4. y III.2.3.)

5. Se identificaron las normas aplicables para la elaboración de probetas y ensayos de

materiales fibrorreforzados con fibras de coco. Las normas de la Sociedad Americana

para Ensayo de Materiales (ASTM) fueron las utilizadas para tal fin. (Numerales

I.4.2.2.., I.4.2.3., III.2.4. y III.2.5.)

6. Se identificaron los procedimientos para la realización de ensayos de fibras de coco y

materiales fibrorreforzados con fibras de coco. Las normas que indican los

procedimientos utilizadas para ensayos en de fibras de coco son las mismas utilizadas

para textiles. (Numerales I.4.2.2. y III.2.5.)

7. Se describieron los ensayos para la caracterización de las fibras y de los materiales

fibrorreforzados. Los procedimientos que describen esta caracterización están

contenidos en las normas de la Sociedad Americana para Ensayos de Materiales

adoptadas y se incluyen en este trabajo. (Numerales I.4.6.1, I.4.6.2, I.4.6.3. y

III.2.6.)

8. Se realizaron los ensayos para determinar las características físicas y propiedades

109

mecánicas de los materiales fibrorreforzados con fibras de coco. (Numerales III.1.4. y

III.2.8.)

a. Los ensayos predominantes fueron de compresión, tensión y flexión.

b. La incorporación de las fibras a una matriz de mortero de cemento,

disminuye la fragilidad del elemento haciendo que se pueda deformar mas

aún después de haber alcanzado su capacidad máxima y manteniendo al

espécimen unido, sin permitir que se desintegre. Por lo que hay una mayor

capacidad de absorber energía.

c. Al comparar los morteros fibrorreforzados con los morteros normales se

observó que los primeros tienen la capacidad de seguir resistiendo carga aún

después de haber fallado, mientras que los que no tienen fibra una vez alcanzan su

capacidad máxima no lo hacen.

d. La resistencia a compresión de morteros fibrorreforzados fue inferior en

todos los casos en relación a la mezcla de control; los mejores resultados se

obtuvieron para un volumen de 2% fibra para las longitudes de 4 cm y 8 cm donde

alcanzaban su resistencia máxima, mientras que con volúmenes mas altos o mas

bajos la resistencia disminuye.

e. La resistencia a flexión se disminuyó con la introducción de fibras de coco, en

relación con la mezcla de control, al igual que en el ensayo de compresión

los mejores resultados se obtuvieron para un volumen de 2% fibra para las

longitudes de 4 cm y 8 cm; al aumentar o disminuir el volumen de fibra, la

resistencia disminuye para los dos tamaños de fibra.

f. La resistencia a tensión en los morteros fibrorreforzados muestra un

aumento en r e l a c i ó n co n la muestra de control, para la longitud de 8 cm con

4% y 2% de fibra y para la longitud de 4cm con 2% de fibra, mientras que para

los demás la resistencia fue menor que la de la mezcla control.

g. La capacidad de deformación para los elementos ensayados a compresión, es

directamente proporcional a la longitud y el porcentaje de fibra en la mezcla, ya

que para longitudes largas y porcentajes altos de fibra las deformaciones

obtenidas fueron mas grandes que las de la muestra control en un rango de

1.2 – 3.7 mayor.

h. La capacidad de deformación para los elementos fibrorreforzados ensayados a

flexión es mucho mas grande en re l ac ión con la muestra de control, y es

directamente proporcional a la longitud y al porcentaje de fibra, encontrándose

variaciones en un rango de 10.1 – 34.6 mayor que las de la muestra control.

i. De acuerdo con el efecto que tienen las fibras sobre las propiedades

mecánicas del mortero, una aplicación adecuada para este tipo de compuesto

sería la construcción principalmente de elementos sometidos a flexión y tensión.

9. Se analizaron los resultados de laboratorio, para determinar la relación entre las

variables determinadas. (Numerales III.2.8.)

110

a. Entre las características físicas observadas en las fibras del desecho de coco se

puede mencionar que son muy delgadas, entre 0.05 y 0.44 milímetros; la

longitud depende de la forma de extracción de la fibra y está comprendida entre

3.9 y 10.1 centímetros.

b. El color varia de amarillo a café y la textura va de fina a áspera.

c. Con relación al esfuerzo se puede mencionar que las fibras de menor diámetro

presentaron valores más altos que las de mayor diámetro, y el esfuerzo

máximo obtenido luego de realizar un análisis estadístico fue de 2,383.5

kg/cm² que corresponde a la media aritmética con un coeficiente de

variación del 3.45%.

d. El comportamiento de la elongación fue lo contrario a la conclusión anterior

ya que las fibras con mayor diámetro presentaron mayor porcentaje de

elongación, alrededor de 18.00 %. El promedio general fue del 15%.

e. La capacidad de absorción de la fibra de coco en función de su peso es muy alta

ya que llega a 112.3% en tan solo un minuto, a los 60 minutos alcanza el 186.8%

y logra alcanzar 254.7% en 72 horas.

f. Los componentes químicos esenciales de la fibra de coco son Hemicelulosa

35.10 %, Celulosa 19.17 y Lignina 26.43 %.

10. Se establecieron las características de los paneles de construcción, acorde a los

resultados de la caracterización de los materiales fibrorreforzados con fibras de coco.

(Numerales III.1.5. y III.2.9.)

11. Se establecieron los procedimientos de construcción de los paneles de construcción,

acorde a los resultados de la caracterización de los materiales.(Numerales III.1.6. y

III.2.10).

12. Se identificaron normas aplicables para la realización de los ensayos de laboratorio de

paneles construidos con materiales fibrorreforzados con fibras de coco, atendiendo a los

resultados de la caracterización de los materiales. (Numerales I.4.2.3. y III.2.11.)

13. Se identificaron los procedimientos para el ensayo de los paneles de materiales

fibrorreforzados con fibras de coco. (Numerales I.4.2.3. y III.2.12).

14. Se construyeron y ensayaron paneles fibrorreforzados con fibras de coco. (Numerales

III.1.6., III.1.7. y III.2.13.) .

a. La incorporación de las fibras de coco en la matriz de los bloques, hizo

incrementar las propiedades de resistencia, disminuyendo su fragilidad y con

mayor capacidad de deformación después de alcanzar su máxima carga.

b. Las fibras de coco mantuvieron unido los fragmentos de los bloques sin permitir

su desintegración, haciendo que las fallas fueran graduales y no súbitamente

como suele suceder en estos cerramientos de viviendas cuando se presentas

cargas de sismos, impacto y flexión.

15. Se analizaron los resultados obtenidos en los ensayos de paneles fibrorreforzados con

fibras de coco. (Numerales III.2.14.).

111

a. En los sistemas de construcción ensayados, en relación al peso se determinó que

el Sistema SAM es muy pesado, mientras que el Sistema PV es bastante liviano.

b. La resistencia a compresión del bloque en el Sistema SAM fue 5 veces mayor a

la que presentaron los paneles a compresión; los resultados fueron influenciados

por la relación de altura del bloque y el panel.

c. Los paneles de bloques fibrorreforzados presentaron muy buenos resultados

bajo la acción de carga de flexión e impacto, ya que después de alcanzar su

máxima carga tuvieron una recuperación significativa en la deformación,

gracias a la absorción y disipación de la energía que las fibras de coco le

proporcionan.

d. En el ensayo a carga horizontal de muros de paneles del Sistema SAM, se pudo

notar que los elementos del muro trabajaron conjuntamente, fallando las juntas,

bloques y solera de corona a corte.

e. En todos los paneles ensayados, lo crítico fueron las juntas entre los bloques, las

irregularidades de la geometría de las juntas no permitieron un adecuado

asentamiento, y en la aplicación de las cargas sucedió el acomodamiento

quedando los bloques un poco desalineados.

f. En los diferentes ensayos realizados, los paneles se presentaron estables

después de alcanzar su máxima carga, no presentaron daños significativos y

fueron retirados sin ningún problema de las maquinas de ensayos, además, si se

hubiera querido darles un uso se pudieron haber reparado.

16. Se construyeron paneles de materiales fibrorreforzados para la construcción de un

módulo a escala natural. El Sistema Pancoco PV fue el seleccionado para este

propósito. (Numerales III.1.8. y III.2.15.).

17. Se construyó un módulo básico de paredes de una vivienda económica a base de paneles

fibrorreforzados con fibras de coco. El módulo fue construido con el Sistema Pancoco

PV. (Numerales III.1.8. y III.2.16.).

18. Se evaluó la construcción del módulo básico a base de paneles fibrorreforzados. La

construcción de un modelo prototipo a escala natural ha evidenciado después de 10

meses, un comportamiento satisfactorio, bajo condiciones normales de uso. (Numeral

III.2.17).

112

IV.2. RECOMENDACIONES

1. En función de la información que se logró recabar, fue posible la puesta en

comunicación con expertos en materiales fibrorreforzados y como producto de ello se

realizó el intercambio de información con autores de reconocido prestigio,

principalmente de Brasil, Colombia y Canadá. Es recomendable continuar con esta

relación, ya que de esa forma se tiene acceso a la información reciente que se ha

generado en el tema. Es deseable la especialización de estudiantes egresados de la

Facultad de Ingeniería en estudios de maestría y doctorado, principalmente en las

Universidades de Sao Paulo y de Montreal.

2. Se recomienda la investigación de la extracción de la fibra de la estopa por métodos

alternativos, ya que la forma mecánica que se utilizó en este trabajo requiere de

energía eléctrica, lo cual significa un costo agregado al proceso, un proceso químico

de bajo costo sería deseable.

3. En este trabajo se diseñó y construyó un equipo especial para la caracterización física

de las fibras de la estopa de coco, atendiendo a las recomendaciones de las normas

para ensayos. Es recomendable que este equipo evolucione en cuanto a su

concepción original, tendiente a su perfeccionamiento. Se recomienda afinar los

detalles de los equipos propuestos para la evaluación de las características mecánicas

de las fibras. Es recomendable también la localización y/o adquisición de equipo

específico para la caracterización de fibras de diferente índole de Guatemala.

4. Las características físico mecánicas que se evaluaron corresponden a las fibras de la

estopa de coco, sin embargo, es recomendable considerar la evaluación de las

características de la fibra del tallo y de las hojas de los cocoteros, pues se ha

determinado que toda la planta es generadora de fibras. Es conveniente también evaluar

las variaciones en las características, dependiendo del tipo y edad del cocotero,

condiciones naturales de crecimiento, lugar de extracción del fruto.

5. Se recomienda evaluar matrices fibrorreforzadas con dosificaciones diferentes y

considerando la adición de admixturas que otorguen facilidad de manipulación de las

mismas. Aditivos de tercera y cuarta generación deben considerarse.

6. Se sugiere evaluar matrices fibrorreforzadas con fibras más cortas, debido a la

relación de esbeltez, fragilidad y características de la sección. Para dicha evaluación

deben considerarse procesos que faciliten la segmentación de la fibra.

113

7. De acuerdo con los resultados de la caracterización de los materiales fibrorreforzados,

se considera que este tipo de compuestos son adecuados principalmente para

elementos sometidos a flexión e impacto y donde el refuerzo con varillas se hace

dificultoso por el espesor de los elementos.

8. Los sistemas constructivos propuestos deben ser sujetos de mayor investigación,

sobre todo debe buscarse la evolución de la estructura de soporte y el método

constructivo, antes de una aplicación en programas de desarrollo.

9. Se recomienda la utilización y mantenimiento del equipo para determinaciones

estructurales en paneles de construcción que fue diseñado y construido en este

proyecto. Este equipo se puede utilizar para evaluar sistemas constructivos a base de

paneles de cualquier tipo de material.

10. Se recomienda realizar investigación sobre el reciclaje de polímeros reforzados con

fibras de la estopa de coco, para tableros de usos diferentes a la construcción. Una

experimentación preliminar realizada en esta investigación evidenció que es

altamente probable la generación de tableros con estos materiales.

114

IV.3. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Agopyan, V. (1991). Materiais reforcados com fibras para a construcao civil nos países

em desenvolvimento: o uso de fibras vegetais. Sao Paulo, Brasil.

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para resistencia a compresión de especímenes cilíndricos de concreto. C–

1231/C1231M-04 Practica estándar para uso de cabezales no adheridos en la

determinación de la resistencia a compresión de cilindros de concreto endurecido.

C 469 – 02e Método de ensayo para determinar el modulo de elasticidad

estático y relación de Poisson del concreto en compresión. C 293 – 02 Método

de ensayo para resistencia a la flexión del concreto (usando viga simple con carga

en el punto medio). C-31/C31M-06 practica normalizada para preparación y

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http://www.cyted.org/

Nombre del Proyecto:

Numero del Proyecto:

Investigador Principal:

Monto Autorizado:

Fecha de Inicio y Finalización:

1 Servicios No Personales

122 Impresiòn, encuadernacion y Rep.

133 Viàticos (interior o exterior).

142 Fletes

163

Mantenimiento y reparación de equipo médico-

sanitario y de laboratorio

181 Estudios,investigacionesy proyectos de factibilidad

181

Estudios,investigacionesy proyectos de factibilidad

(Evaluación Externa de Impacto)

189 Otros estudios y/o servicios

196 Servicios de atención y protocolo

2 Materiales y Suministros

211 Alimentos para personas

214

Productos agroforestales, madera, corcho y sus

manufacturas

223 Piedra, arcilla y arena

224 Pómez, cal y yeso

229 Otros minerales

241 Papel de escritorio

243 Productos de papel o cartón

244 Productos de artes gráficas

245 Libros, revistas y periódicos

253 Llantas y neumáticos

261 Elementos y compuestos químicos

262 Combustibles y lubricantes

267 Tintes, pinturas y colorantes

268 Productos plásticos, nylon, vinil y pvc

269 Otros productos químicos y conexos

272 Productos de vidrio

274 Cemento

281 Productos siderúrgicos

282 Productos metálicos no férricos

283 Productos de metal

286 Herramientas menores

ONCEAVA CONVOCATORIA

LINEA FODECYT

Grupo Nombre del GastoRenglon

289 Otros productos no metálicos

291 Ütiles de Oficina

293 Utiles educacionales y culturales

297 Utiles, accesorios y materiales eléctricos

299 Otros materiales y suministros

3 Propiedad, planta y equipo

9 Asignaciones Globales

(-) Gastos Administrativos (10%)

TOTAL

Monto Autorizado

( -) Ejecutado

Sub-total

( -) Primero, segundo y tercer Desembolsos

Total por Ejecutar

75-2006

Ing. Francisco Javier Quiñónez de la Cruz

Q288.613,60

24 meses

01/11/2006 al 31/10/2008

Menos (-) Mas (+)

3.000,00Q 407,65Q 2.592,35Q

8.000,00Q 100,00Q 720,00Q 7.180,00Q

100,00Q 100,00Q -Q

3.000,00Q 194,60Q 2.805,40Q

188.976,00Q 557,00Q 164.692,00Q 24.941,00Q

8.000,00Q 8.000,00Q

557,00Q 557,00Q -Q

2.000,00Q 2.000,00Q

82,75Q 82,75Q -Q

2.000,00Q 1.000,00Q 2.930,00Q 70,00Q

2.000,00Q 1.272,90Q 727,10Q

2.000,00Q 1.303,16Q 48,44Q 648,40Q

1.000,00Q 125,00Q 875,00Q

1.700,00Q 267,25Q 415,10Q 1.017,65Q

256,00Q 256,00Q -Q

11,25Q 11,25Q -Q

3.500,00Q 3.500,00Q

2.000,00Q 2.000,00Q

2.000,00Q 114,15Q 1.885,85Q

18.200,00Q 15.493,92Q 2.706,08Q

2.000,00Q 542,47Q 1.457,53Q

1.000,00Q 953,99Q 46,01Q

1.000,00Q 1.000,00Q

1.000,00Q 225,00Q 775,00Q

2.000,00Q 140,61Q 2.140,61Q -Q

629,80Q 629,80Q -Q

150,00Q 150,00Q

300,00Q 266,54Q 33,46Q

236,96Q 111,96Q 125,00Q

Pendiente de

Ejecutar

PRÓRROGA AL 30/04/2009


LINEA FODECYT

En Ejecuciòn TRANSFERENCIA Asignacion

Presupuestaria Ejecutado

Evaluación experimental de matrices fibro-reforzadas con desechos del fruto del coco Cocus nocifera l. y de

paneles para construcción de vivienda económica (Sistema constructivo de matriz fibroreforzada pancoco)

1.000,00Q 1.000,00Q -Q

2.000,00Q 111,96Q 756,70Q 1.131,34Q

2.000,00Q 2.000,00Q

3.000,00Q 15,15Q 1.136,86Q 1.847,99Q

15,15Q 15,15Q -Q

26.237,60Q 26.237,60Q -Q

288.613,60Q 3.479,52Q 3.479,52Q 220.312,44Q 68.301,16Q

288.613,60Q Disponibilidad: 68.301,16Q

220.312,44Q

68.301,16Q

193.532,05Q

68.301,16Q

AD-R-0013


LINEA FODECYT

Evaluación experimental de matrices fibro-reforzadas con desechos del fruto del coco Cocus nocifera l. y de

paneles para construcción de vivienda económica (Sistema constructivo de matriz fibroreforzada pancoco)

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