Efecto de la fibra de arroz carbonatada en las propiedades

TESIS DE INVESTIGACIÓN EFECTO DE LA FIBRA DE ARROZ CARBONATADA EN LAS

PROPIEDADES MECANICAS Y FISICAS DEL CONCRETO

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

VILLAVICENCIO

2020

Por: Andrés Orlando Bacca Tapiero Daniel Arturo Vélez González

TESIS DE INVESTIGACIÓN EFECTO DE LA FIBRA DE ARROZ CARBONATADA EN LAS

PROPIEDADES MECANICAS Y FISICAS DEL CONCRETO

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

VILLAVICENCIO

2020

Por: Andrés Orlando Bacca Tapiero Daniel Arturo Vélez González

Documento final presentado como opción de grado para optar al título profesional

de ingeniero civil

Aprobado por:

Ing. Geovanny González Maldonado, M.S. Director

AUTORIDADES ACADÉMICAS

Fray José Gabriel Mesa Ángulo, O.P. Rector General

Fray Eduardo González Gil, O.P. Vicerrector Académico General

Fray José Antonio Balaguera Cepeda, O.P. Rector Sede Villavicencio

Fray Rodrigo García Jara, O.P. Vicerrector Académico Sede Villavicencio

Julieth Andrea Sierra Tobón Secretaria de División Sede Villavicencio

Ing. Manuel Eduardo Herrera Pabon Decano Facultad de Ingeniería Civil

NOTA DE ACEPTACIÓN

_____________________________ _____________________________ _____________________________

ING. MANUEL EDUARDO HERRERA PABON DECANO FACULTAD INGENIERÍA CIVIL

_____________________________ ING. GEOVANNY GONZÁLEZ MALDONADO

_____________________________ ING. EMIRO ANDRÉS LOZANO PÉREZ

_____________________________ JURADO

VILLAVICENCIO, 24 DE 01 DE 2020

RESUMEN

Se busca estudiar el comportamiento en las propiedades mecánicas y físicas, ya sea positivas o negativas del concreto mediante la adición de fibras de cascarilla de arroz que fueron sometidas a un proceso de carbonatación con el fin de sacar el máximo provecho a aquellos componentes químicos que puedan contribuir a mejorar el concreto como por ejemplo el sílice que es un material que se puede encontrar en la cascarilla de arroz, se plantea su adición durante el amasado del mismo, probando dosificación diferentes con el fin de encontrar y determinar cuánto de este material es necesario para encontrar resultados que apoyen la investigación, esta técnica se ha implantado y encontrado diversas aplicaciones dentro del campo de los concretos estructurales usado en diferentes proyectos de ingeniería civil y que actualmente sigue siendo objeto de estudio de numerosos investigadores, produciendo un gran avance en la industria de la construcción.

Para le realización de esta investigación se realizaron diferentes estudios a los materiales con el fin de conocer su comportamiento y determinar en qué campos de la ingeniería civil pueden ser utilizados, así mismo, verificar que factores afectan su correcto funcionamiento e identificar qué efectos produce la cascarilla de arroz carbonatada como aditivo para el concreto, que consecuencias económicas puede llegar a tener si es implementado este concreto en proyectos de ingeniería civil y si es viable continuar investigando este material con el fin de que en un futuro se pueda establecer una dosificación apropiada para la fabricación del concreto con esta fibra de arroz una vez estudiado sus propiedades.

Palabras Clave: Fibra de arroz, diseño de mezcla, estructura, propiedades mecánicas, propiedades físicas.

ABSTRACT

It seeks to study the behavior in the mechanical and physical properties, whether positive or negative of the concrete by adding rice husk fibers that were subjected to a carbonation process in order to make the most of those chemical components that can Contribute to improve concrete such as silica, which is a material that can be found in the rice husk, its addition is proposed during kneading, testing different dosing in order to find and determine how much of this material is necessary To find results that support the research, this technique has been implemented and found various applications within the field of structural concrete used in different civil engineering projects and that is currently still being studied by numerous researchers, producing a breakthrough in the industry of the construction.

In order to carry out this research, different studies were carried out on the materials in order to know their behavior and determine in which fields of civil engineering they can be used, as well as to verify what factors affect their correct functioning and identify what effects the scale produces. of carbonated rice as an additive for concrete, what economic consequences can it have if this concrete is implemented in civil engineering projects and if it is feasible to continue investigating this material so that in the future an appropriate dosage can be established for Concrete manufacturing with this rice fiber once studied its properties.

Key Word: Rice fiber, concrete, mix design, mechanical properties, physical properties.

Efecto de la fibra de arroz carbonatada en las propiedades mecánicas y físicas del concreto

USTA Sede Villavicencio – Facultad de Ingeniería Civil VII

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 1 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 3 3. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 4 4. OBJETIVOS .................................................................................................. 5 4.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................... 5 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................... 5 5. ALCANCE ..................................................................................................... 6 6. MARCO DE REFERENCIA ........................................................................... 7 6.1 ESTADO DEL ARTE ..................................................................................... 7 6.1.1 Breve Reseña Histórica .............................................................................. 7 6.1.2 Línea De Tiempo ........................................................................................ 7 6.1.3 Concreto Con Compuestos En La Actualidad En Colombia ....................... 9 6.1.3.1 Concreto reforzado con fibras ................................................................. 9 6.1.3.2 Fibras para refuerzo de concreto ........................................................... 11 6.1.4 Referencias Metodológicas ....................................................................... 12 6.2 MARCO TEÓRICO ...................................................................................... 13 6.2.1. Teoría de falla ........................................................................................... 13 6.2.1.1 Teoría De Von Misses ........................................................................... 13 6.2.1.2 Teoría de Rankine ................................................................................. 14 6.2.2. Ensayos De Caracterización Del Comportamiento Mecánico Del Concreto

15 6.2.2.1. Ensayo para determinar el tiempo de fraguado mediante aparato de vicat

16 6.2.2.2. Compresómetro de Poisson .................................................................. 16 6.2.2.3. Compresión de Cilindros ....................................................................... 16 6.2.3. Diseño de mezcla ..................................................................................... 16 6.2.4. Patología de las fallas estructurales, por esfuerzos a flexión y compresión

18 6.2.4.1. Retracción del Concreto ........................................................................ 20 6.2.4.2. Compresión del concreto ....................................................................... 20 6.3. MARCO CONCEPTUAL .............................................................................. 21 6.3.1. Cemento Portland ..................................................................................... 21 6.3.2. Agua Para el Concreto .............................................................................. 22 6.3.3. Agregados ................................................................................................ 23 6.3.3.1. Clasificación .......................................................................................... 23 6.3.4. Propiedades Del Concreto ........................................................................ 24 6.3.4.1. Propiedades del concreto fresco ........................................................... 24 6.3.4.2. Propiedades del concreto endurecido ................................................... 25 6.3.5. Diseño De Mezclas De Concreto .............................................................. 25 6.4. MARCO NORMATIVO ................................................................................ 26 7. EQUIPO DE INVESTIGACION Y TRAYECTORIA ...................................... 27 8. METODOLOGÍA .......................................................................................... 28 9. ETAPA EXPERIMENTAL ............................................................................ 31


USTA Sede Villavicencio – Facultad de Ingeniería Civil VIII

10. ETAPA 2 ...................................................................................................... 33 11. ANALISIS DE RESULTADOS ..................................................................... 36 12. DESCRIPCION DE PRODUCTOS FINALES .............................................. 41 13. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS .............................................. 42 13.3. CONCLUSIONES ........................................................................................ 42 13.4. TRABAJOS FUTUROS ............................................................................... 43 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 44


USTA Sede Villavicencio – Facultad de Ingeniería Civil IX

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.Valores de fisuración a las 24 horas para un mismo concreto sin reforzar y con diferentes alternativas de reforzamiento .................................................. 10

Tabla 2.Referencias Metodológicas del Concreto Armado .................................... 12 Tabla 3. Asentamientos recomendados dependiendo del tipo de obra, sistema de

compactación y ubicación ............................................................................... 18 Tabla 4.Marco Normativo ....................................................................................... 25 Tabla 5. Materiales e insumos ............................................................................... 31 Tabla 6. Resultados del ensayo de área superficial. .............................................. 36 Tabla 7. Resistencia promedio de las muestras en su respectivo tiempo de curado

..........................................................................................................................37 Tabla 8. Medición de rebote de concreto con fibra de arroz a 7 días ..................... 38 Tabla 9. Medición de rebote de concreto con fibra de arroz a 14 días ................... 39 Tabla 10. Medición de rebote de concreto con fibra de arroz a 28 días ................. 39


USTA Sede Villavicencio – Facultad de Ingeniería Civil X

LISTA DE FIGURAS

Ilustración 1.Tenacidad de concreto fibroreforzado y sin reforzar .......................... 10 Ilustración 2. Funciones de las fibras ..................................................................... 11 Ilustración 3.Representación Gráfica de la Teoría de von misses ......................... 14 Ilustración 4.Estructura de Circulo Morh de Rankine ............................................. 15 Ilustración 5.Estructura del Bloque De Whitney ..................................................... 16 Ilustración 6. Fallas presentes en el concreto según el tipo de carga que se aplique.

.........................................................................................................................19 Ilustración 7.Diagrama de flujo de la metodología aplicada ................................... 30 Ilustración 8. Preparación de cilindros ................................................................... 31 Ilustración 9. Cilindros para ensayos de laboratorio .............................................. 32 Ilustración 10. Laboratorio de análisis de agregados finos y gruesos .................... 33 Ilustración 11. Laboratorio de análisis de agregados finos y gruesos .................... 33 Ilustración 12. Ensayo de área superficial por medio de la aguja de vicap ............ 34 Ilustración 13. Máquina de compresión simple usada en los laboratorios ............. 34 Ilustración 14. Muestra de las fallas presentadas en los cilindros (tipo 3) .............. 35 Ilustración 15. Muestra de las fallas presentadas en los cilindros. (Tipo 4) ........... 35


USTA Sede Villavicencio – Facultad de Ingeniería Civil 1

1. INTRODUCCIÓN

En el transcurso de la historia la construcción ha sido de vital importancia para el desarrollo económico y social de las naciones, esto debido a que los beneficios que genera para el crecimiento de un país en sus diferentes ámbitos son bastante considerables, generando una mejora en el bienestar de las personas [1].

En los procesos constructivos siempre se buscan nuevas maneras y métodos para mejorar la eficiencia de los materiales y los equipos utilizados, ya sea para reducir tiempos o para menores costos de las obras.

Para contrarrestar los desafíos de la construcción a nivel mundial, se destaca como una solución la búsqueda de nuevos materiales de alto desempeño, esto con el fin de que ayuden a mejorar los procesos constructivos y aumentar la vida útil de las edificaciones: Uno de estos materiales es el concreto que consiste en una mezcla entre un material cementante, un material granular y agua, lo que produce una composición que mientras se encuentran en estado fresco son manejables y permiten su fácil colocación en los lugares donde se requiera.

Por otra parte, respecto a sus propiedades mecánicas se tiene una alta resistencia al fuego y a las variaciones climáticas, igualmente a pesar de que el cemento y los aditivos generan grandes costos en su fabricación, mientras que los otros componentes se encuentran a bajo costo.

Lo más importante es que su resistencia a la compresión permite soportar los grandes esfuerzos a los que va a ser sometido. Así mismo, al igual que las piedras naturales, el concreto tiende a fallar de manera frágil como se puede observar en el pavimento rígido, con baja resistencia a la tensión, este último tradicionalmente para mejorar esta propiedad es reforzado con barras de acero.

Aunque es un método muy eficiente, también se sabe que incrementa considerablemente los costos finales del proyecto, para mejorar esto, se han realizado estudios en que se adicionan materiales orgánicos o sintéticos para mejorar las propiedades mecánicas de este material.

La adición de fibras de cascarilla de arroz en la mezcla de concreto se realiza teniendo en cuenta las características de la cascarilla de arroz y su gran producción en Colombia con el fin de mejorar las propiedades mecánicas tales como la resistencia a la tensión y compresión.

Uno de los productos de mayor consumo en Colombia es el arroz, según estudios realizados es el tercer alimento de mayor consumo ocupando 12% del territorio colombiano, igualmente ha llegado a producir más un millón de toneladas de arroz en tan solo un semestre según el DANE en el 2017 [2]. Esto crea una materia prima muy abundante en el territorio colombiano y más aun teniendo en cuenta que la cascarilla de arroz es considerada un desecho en el proceso que se somete para consumo humano.



Para su implementación en la mezcla de concreto es necesario conocer las propiedades mecánicas de este y como es su comportamiento ante agentes externos.

En la ciudad de Villavicencio, se pueden encontrar un gran número de molinos de arroz pertenecientes a empresas productoras para consumo humano, en la que se pueden encontrar Procesadora De Arroz Del Llano en donde se obtendrá la cascarilla de arroz que será sometida al proceso de carbonatación, teniendo en cuenta que esta empresa genera que la oferta de cascarilla de arroz que se produce como desecho en la producción sea muy abundante y fácil de adquirir en el caso urbano.

Para el desarrollo y análisis de las metodologías planteados, se utilizarán las máquinas y equipos que se encuentran en el laboratorio de concreto ubicado en la Universidad Santo Tomas, sede Villavicencio, priorizando los ensayos de tensión y compresión que son requeridos para los ensayos establecidos con el fin de determinar si por medio de la implementación de la matriz se obtienen beneficios a las propiedades mecánicas del concreto.



2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Dentro del desarrollo ingenieril se ha visto involucrada la acción y la evolución de los materiales a través de la historia de la misma, en función a esto se ha pernotado una gran importancia a la funcionalidad de los mismos, es decir, que los materiales juegan un papel realmente importante en el futuro de la ingeniería estructural, ya que, de la eficiencia de los mismos depende el alcance de las nuevas posibilidades en construcción, no obstante la evolución de la ciencia de los materiales se ha visto obstruida por diferentes factores, como lo son la falta de las materias primas y el alto costo de la manufacturación y la producción de las mismas.

En Colombia el desarrollo de nuevos materiales que permitan la construcción de edificaciones que generen beneficios a la sociedad, ha tenido un crecimiento importante desde que el país ha entrado en una etapa de post conflicto, esto debido a que se necesitan nuevos proyectos que logren satisfacer la necesidad de la sociedad en torno a su crecimiento socioeconómico; a partir de esto surge la necesidad de generar nuevo conocimiento científico relacionado a la capacidad de desarrollo infraestructural.

En función a esto, este proyecto plantea el desarrollo de un nuevo material anisotrópico el cual constara de una matriz ligante de cascarilla de arroz carbonatada (CAC) y una fase de concreto, es decir, cemento, arena y agregados pétreos. Todo esto en función a lograr un nuevo material con mejores capacidades y mayor eficiencia entre precio y cantidad, comparado con los materiales con los cuales contamos en la actualidad.

Es decir, se plantea la introducción y el desarrollo de una matriz ligante basada en una materia prima ecológica; con la incertidumbre en la funcionalidad de esta junto al concreto, es por eso por lo que la base del proyecto es la cuestión ¿Pueden mejorar las propiedades físicas y mecánicas del concreto con la implementación de la cascarilla de arroz carbonatada?



3. JUSTIFICACIÓN

El concreto ha sido un elemento fundamental para las edificaciones a lo largo de la historia, desde civilizaciones antiguas quienes realizaban mezclas de arena, piedras, arcillas y agua, realizando maravillosas obras de ingeniería como las pirámides de Egipto, los templos en Grecia, estructuras del imperio romano, entre otras, y hasta la fecha, utilizando procesos similares, pero a diferencia de décadas pasadas, actualmente el hombre se ve beneficiado con el desarrollo tecnológico, maquinaria que se encarga de extraer la materia que es transportada a grandes industrias para la fabricación masiva del concreto. [3]

Gracias a los avances en tecnología ya mencionados, estudios, visión e ingenio del hombre, se busca obtener diferentes alternativas en construcción, sostenibles y sustentables, optimizando recursos, tiempo y financiación, fomentando la investigación [4], favoreciendo a la academia y a quienes empleen aquellas alternativas estructurales que puedan surgir, de esta manera mitigar los impactos ambientales que traen consigo la fabricación del concreto sin afectar su calidad y si es posible mejorar el elemento estructural, ya que contiene diferentes propiedades, tanto físicas como mecánicas.

Debido a la evolución de los materiales que permitieron mejorar las propiedades mecánicas del concreto, se redujeron los espesores de los elementos estructurales y los costos de construcción, al implementar estos nuevos materiales se produjo avances en la construcción, tales como estructuras más altas y resistentes, así como construcciones donde en la antigüedad no se podían construir. [5]

En el territorio colombiano, las obras de construcción y las investigaciones relacionadas al desarrollo de la ingeniería civil se han restringido debido a los altos costos y al conflicto armado que ha sufrido el país por más de 50 años. En la actualidad el país se encuentra en una época de post conflicto lo que permite un crecimiento exponencial en las obras de infraestructura para las sociedades, esto genera que las exploraciones de nuevos materiales que reduzcan los gastos en la planeación de los proyectos tengan una importancia aún mayor.

Una de las alternativas para la fabricación es la utilización de la cascarilla de arroz en el concreto, esta alternativa natural es de fácil transporte y consecución, pues es producida a gran escala en el departamento del Tolima y en los Llanos Orientales. Además, la utilización de cascarilla de arroz favorece el establecimiento de industrias para su obtención y fabricación.



4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Comparar las propiedades físicas y mecánicas del concreto de uso tradicional y un concreto

con una matriz ligante compuesta por cascarilla de arroz carbonatada (CAC)

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estimar los costos de fabricación de concreto con fibras de cascarilla de arroz evaluando la producción en el departamento del Meta, costos de transporte y cantidades necesarias esto con el fin de realizar un análisis costo-beneficio del producto final.

Calcular el porcentaje óptimo de aditivo de cascarilla de arroz carbonatada que permita mejorar las propiedades mecánicas del concreto en comparación al concreto normal

Realizar diferentes ensayos de compresión, determinación del tiempo de fraguado, tanto del concreto normal y del concreto con la matriz ligante; con el fin de obtener la información necesaria para obtener gráficos de su comportamiento y hacer el análisis de estos teniendo en cuenta las propiedades del arroz que se produce en el Meta.

Comparar las propiedades mecánicas y físicas a través de los análisis de los resultados obtenidos en los ensayos.

Calibración de la mezcla de concreto mediante ensayos físicos de compresión, tensión y flexión, con el fin de obtener la validación de este.



5. ALCANCE

Dentro del buen desarrollo del proyecto se han delimitado las actividades y el accionar de las mismas de acuerdo al margen que presente el proyecto; las actividades prácticas serán realizadas bajo los requisitos establecidos por las normativas pertinentes a las mismas; es decir, que se realizaran todas las actividades señaladas en los objetivos bajo las normativas nacionales establecidas para proyectos de esta índole y parámetros académicos brindados para el desarrollo de esta tesis. En función a esto se han planteado los siguientes entregables:

Resultado de los ensayos de compresión

Resultado de los ensayos de retracción del concreto

Resultado de los ensayos de área superficial

Resultado de ensayos para determinar módulo de elasticidad y relación de Poisson.

Análisis de los resultados de los ensayos de compresión

Análisis de los resultados de los ensayos de retracción del concreto

Análisis de los resultados de los ensayos de área superficial

Análisis de los resultados de los ensayos de módulo de elasticidad y relación de Poisson

Análisis de costo-beneficio de la manufacturación de producción

Establecer estrategias de implementación de la fibra de arroz carbonatada a la mezcla de concreto.

Todos estos entregables tendrán su respectivo análisis y estarán bajo las normativas y estructuras metodológicas establecidas en el desarrollo de este proyecto.



6. MARCO DE REFERENCIA

6.1 ESTADO DEL ARTE

6.1.1 Breve Reseña Histórica

Debido a la necesidad de evolución de las construcciones para satisfacer a la sociedad, el uso y el desarrollo de materiales con resistencias capaces de soportar las cargas a la que va a ser sometido se ha convertido en uno de los principales problemas de investigación para los ingenieros, en consecuencia, en cada etapa del desarrollo de las sociedades se han propuestos e implementado materiales acordes a la tecnología disponible para cumplir con los requerimientos que se tengan.

Para llegar a lo que hoy en día se conoce como concreto armado, los constructores e ingenieros han hecho modificaciones e implementado diferentes materiales para mejorar las propiedades físicas y mecánicas del concreto normal, desde la era de la civilización romana hasta la actualidad se siguen haciendo experimentos y utilizando nuevos aditivos con el fin de cumplir con las nuevas exigencias a la que las sociedades los exige.

6.1.2 Línea De Tiempo

En la era mediterránea según los diferentes estudios realizados, se sabe que, para la realización de las diferentes edificaciones pequeñas, solo eran utilizadas cierto tipo de piedras las cuales eran colocadas de manera horizontal buscando que sus bordes se acomodaran lo más uniforme posible con el fin de hacer muros que resistieran la pocas cargas a las que eran sometido. Con el pasar del tiempo el desarrollo de las sociedades obligo a los constructores a buscar un material que ayudara a unir los materiales y mejorara sus propiedades, en ese momento fue que se empezó a implementar el yeso, que sirvió como un material ligante que permitía que las piedras pudieran unirse de una forma más un homogénea y resistente, lo que permitió la realización de obras más imponentes y de mayor tamaño comparadas con las que se antes [6].

Posteriormente con la llegada del imperio romano surgió la necesidad de construcciones con una altura que hasta ese momento no se habían visto y con unas resistencias que superaran a las antes requeridas, debido a esto los ingenieros romanos buscaron por medio de la mezcla de materiales un compuesto que cumpliera con las especificaciones demandadas, en ese momento nació el primer concreto conocido hasta ahora, que surgió de la mezcla de piedra, agua y una arena volcánica que era de gran abundancia en el territorio, que al ser mezclado con los otros materiales lograba un comportamiento similar al del concreto [7].

En 1824 debido al desarrollo de las sociedades nació un nuevo tipo de cemento con in comportamiento similar a la de la piedra de Portland, también conocido como el cemento Portland que surgió de la necesidad de un concreto con alta resistencia, pero con buenas



propiedades hidráulicas y con un menor tiempo en el endurecimiento del mismo, todo esto tomando como base la mezcla desarrollas por los ingenieros romanos [7].

Durante 1910 la denominada etapa clásica del hormigón armado entro en su apogeo, esto debido a la necesidad de mejorar las propiedades del concreto, ya que al ser su comportamiento similar al de una roca tiene muy buenas propiedades bajo esfuerzos compresibles, pero al ser sometido a esfuerzos de tensión se vuelve un compuesto muy susceptible a fallar rápidamente [7] [6].

Ante esta problemática los ingenieros por medio de la implementación del hierro en el concreto, pero posteriormente los ingenieros se dieron cuenta de que el acero unido con el concreto funcionaba mejor ante esfuerzos de tensión además de que estos dos materiales ligan realmente bien y que el concreto ayuda a evitar que esté presente procesos corrosivos [6].

Durante varios años el concreto reforzado se vio limitado por la falta de conocimiento del comportamiento de este ante los diferentes esfuerzos a los que se ve sometido, fue hasta la construcción de la iglesia Saint-Jean ubicada en Montmartre (1904) que los ingenieros y los arquitectos comenzaron a innovar en las formas y las estructuras que se podían llegar a realizar con esta mezcla, debido a esto en concreto armado es usado definitivamente en la construcción debido a si amplio catálogo en las diferentes soluciones a nivel estructural que podía brindar.

Entre los años 1910 y 1940 ocurrió una época clásica para el concreto reforzado en la que debido a las guerras y al crecimiento de las sociedades alrededor del mundo hacen que el auge del concreto armado para constricciones de vivienda, edificios, muros de contención, entre otras estructuras hicieron que su expansión fuera aun mayor, ante la creciente demanda de concretos con mejores comportamientos por ejemplo para la construcción de puentes surgió la necesidad de crear otro tipo de concreto.

Tras realizarse diferentes ensayos y probarse nuevas estrategias constructivas y nuevos materiales, surgió el llamado concreto pres forzado, que impulso en desarrollo de infraestructuras especificas debido a sus características físicas y mecánicas, que sirvieron para satisfacer los nuevos requerimientos que con el pasar del tiempo y con el desarrollo continuo se ven en la necesidad de experimentar y encontrar diferentes maneras de cumplir y satisfacer con las necesidades que se crean [7].

A manera de conclusión es pertinente mencionar el desarrollo ligado a la evolución social y la evolución del concreto como materia prima para la construcción, como se logra evidenciar en la anterior línea de tiempo, en el trascurso del crecimiento social aumentaba de manera exponencial la necesidad de encontrar nuevas variantes del concreto que lograran satisfacer las necesidades emergentes de una sociedad en desarrollo basada en la industrialización, el comercio y el crecimiento de las relaciones socio comerciales.



6.1.3 Concreto con compuestos en la actualidad en Colombia

En la actualidad las principales empresas que ofrecen este producto en Colombia resultan ser Sika y Toxement, quienes nos muestran los beneficios que se pueden obtener gracias a la utilización de este tipo de reforzamiento, a continuación, se hará una breve reseña sobre cada una de ellas:

6.1.3.1 Concreto reforzado con fibras

Uno de los principales problemas del concreto son las fisuras que se producen en este, que pueden llegar a presentarse antes y después de ser sometido a esfuerzos y es consecuencias de diferentes problemáticas que se pudieron llegar a presentar tanto en su fabricación como en su instalación.

Para dar una solución a esta problemática se planteó utilizar fibras teniendo en cuenta diferentes materiales y con variaciones en los tamaños, para los materiales se tomaron muestras metálicas, sintéticas, de vidrio y naturales, para conocer por medio de pruebas de laboratorio cual daba más beneficios al concreto, igualmente se clasificaron en microfibras y macro fibras teniéndose en cuenta que cada una daba un aporte diferente a la mezcla de concreto [8].

En el caso de las microfibras, su función principal es evitar la creación de figuras en el proceso de endurecimiento del concreto, es decir, en la llamada retracción plástica, todo esto sin que el concreto pierda manejabilidad en el momento de su instalación, esto por medio de microfibras de Polipropileno, ya que estas le permitieron a la empresa la implementación de estas fibras si ver afectada la integridad de la mezcla [8].



Tabla 1.Valores de fisuración a las 24 horas para un mismo concreto sin reforzar y con diferentes alternativas de reforzamiento.

Fuente: [8].

En el caso de las macro fibras, su función es actuar como puentes en presencia de fisuras en el concreto, todo esto cuando el concreto esta endurecido, proceden a mitigar y frenar los procesos de fisuramiento cuando el concreto sea sometido a esfuerzos, ya que además de aumentar su capacidad para resistir tensiones, se presenta un incremento considerable en su tenacidad [8].

Ilustración 1.Tenacidad de concreto fibroreforzado y sin reforzar Fuente: [8].



6.1.3.2 Fibras para refuerzo de concreto

Varias empresas dentro de la gran variedad de productos que ofrecen, nos da una alternativa para el uso de reforzamiento de acero y de malla electro soldada, se trata de la implementación de fibras denominadas TUF STRAND SF, que se obtuvieron de la mezcla entre polipropileno y polietileno, esto después de que se comprobara que el implementar estas fibras se obtuvieran beneficios de funcionalidades presentes en las microfibras y las macro fibras [9].

Ilustración 2. Funciones de las fibras Fuente: [9].

Dentro de las ventajas muestra que sus fibras se pueden encontrar su bajo consto de producción y de instalación, además de su solución para el reforzamiento del concreto en sustitución al acero o a la malla electro soldada, así mismo, recomienda que este tipo de aditivo se implemente principalmente en pisos, pavimentos y estructuras habitacionales.



6.1.4 Referencias Metodológicas

Tabla 2. Referencias Metodológicas del Concreto Armado.

AUTOR TITULO RESUMEN

Luis Eduardo Terreros Rojas Iván Leonardo

Carvajal Corredor

Análisis de las propiedades mecánicas de un concreto convencional adicionando fibra de Cáñamo

Como producto de las pruebas y análisis realizados, se concluyó que al implementar fibras de Cáñamo a la mezcla de concreto se genera una mejora en la resistencia a la flexión, y mejor comportamiento ante procesos de agrietamiento evitando perdida de material cuando ocurre la rotura, lo que representa un material que por su bajo costo y su mejora a las propiedades del concreto puede ser utilizado para el sector constructivo

Esteban Molina Salas

Evaluación del uso de la cascarilla de arroz en la fabricación de bloques de concreto

Después de analizar y comparar los resultados de los ensayos se determinó que, al usarse cascarilla de arroz en estado natural como aditivo en una mezcla de concreto, no presenta mejoras en las propiedades mecánicas del concreto, debido a esto se recomienda seguir haciendo ensayos a este material, pero realizando antes un procesamiento que permita aprovechar al máximo sus capacidades ya que posee agentes físico- químicos que pueden ser beneficiosos para el concreto

Rafael Andrés Delgado Rúgeles

Edgar Darío Delgado Rúgeles

Mejoramiento de la resistencia a la flexión del concreto con adición de viruta de acero con porcentaje de 6, 8, 10, 12% y 14% respecto al agregado fino de la mezcla

Al realizarse los diferentes ensayos y pruebas a los que fue sometido el concreto con diferentes porcentajes de viruta de acero se obtuvo que el porcentaje óptimo es del 10%, debido a que en este porcentaje se encontró una mejoría en la capacidad del concreto para resistir a la flexión sin afectar su fluidez y su manejabilidad.

Cristian David Castiblanco Sarmiento

Luis Anderson Carrero Bastos

Estudio teórico y experimental del comportamiento del hormigón con materiales no convencionales: fibras de vidrio y fibras de carbono, sometido a

La implementación de fibras de vidrio ayuda a mejorar el comportamiento mecánico del concreto dotándolo de mayor rigidez y menor deformaciones al someterlo a esfuerzos a compresión, aumentando su resistencia ultima, capaz de sustituir al acero, por otra parte, el uso de fibras de carbono en el concreto no presento mejoría en las propiedades de este, aunque no



esfuerzos de compresión

se descarta su uso en otras ramas de la ingeniería.

Cesar Antonio Juárez

Alvarado

Concreto base de cemento Portland reforzados con fibras naturales (agave lechuguilla), como materiales para construcción en México

Por medio de la implementación de fibras naturales compuestas de lechuguilla generar un concreto con propiedades que le permitan ser usado en la construcción con un costo de desarrollo bajo, como resultado de los análisis hechos a los diferentes ensayos realizados se obtuvo que estas fibras tienen una muy buena resistencia ultima a la tensión y que pueden ser utilizadas para la realización de elementos constructivos

Fuentes: [10]

El desarrollo de este proyecto es visualizado en mejorar las propiedades físicas y mecánicas del concreto por medio de la implementación de una matriz ligante de cascarilla de arroz carbonatada(CAC), como se puede apreciar en lo anteriormente mencionado, varios estudios en la actualidad se enfocan en la utilización de material orgánico como aditivo para la mezcla de concreto, como se puede apreciar en los resultados que en estos estudios se obtuvieron, se experimenta una mejora considerable al comportamiento del concreto sometido a cargas en diferentes direcciones.

6.2 MARCO TEÓRICO

6.2.1. Teoría de falla

6.2.1.1 Teoría De Von Misses

Una etapa multi-axial los esfuerzos en un cuerpo, es el estado más común que puede conseguirse ante una situación de solicitación. Los materiales usados en las construcciones civiles tienen que estar diseñados para soportar cargas de compresión, tensión, presión, flexión y muchas veces estas se presentan al mismo tiempo, así mismo estos esfuerzos se producen en más de una dirección y en cualquier punto, la simulación de estas cargas por medio de ensayos y pruebas de laboratorio es realmente difícil, ya que suponer esto para obtener datos en detalle es muy complejo, sabiendo también los costos que estos ensayos implican [11].



Ilustración 3.Representación Gráfica de la Teoría de von misses Fuente: [12]

Debido a esto, es necesaria la realización de una teoría o hipótesis que permitan un análisis comparando los diferentes comportamientos que pueda llegar a tener los materiales al ser expuestos a esfuerzos y que a su vez no generen costos relativamente altos, todo esto para determinar que materiales son aptos para la implementación en obras civiles.

6.2.1.2 Teoría de Rankine

Cuando se dice que un material tiende a fallar de forma frágil, se entiende que su comportamiento cuando es sometido a esfuerzos que superan su resistencia ultima presenta fallas o fracturas en la homogeneidad estructural de este, en consecuencia, esta teoría ha tenido gran influencia al momento de predecir el punto de critico de un material frágil, sabiendo a si mismo que este criterio es muy diferente al de fluencia [11].



Ilustración 4.Estructura de Circulo Morh de Rankine Fuente: [13]

La anterior grafica nos muestra la curva máxima en donde los puntos los separa una coma, se toma el mayor de ellos como la resistencia ultima del material, estos valores se consideran como los esfuerzos máximos que puede soportar el material a compresión, igualmente el valor

de a tensión es la misma que a compresión [11].

6.2.2. Ensayos De Caracterización Del Comportamiento Mecánico Del Concreto

Para determinar las propiedades que se ven afectadas dentro del concreto al ser sometido a esfuerzos, es necesario realizar ensayos en un laboratorio para simular las cargas que soportara en su uso normal, dentro de las propiedades mecánicas que debe poseer, se encuentra la resistencia a la compresión que se define por medio de máquina de ensayo universal la cual presiona un cilindro de concreto hasta que esté presente fallas en su integridad con el fin de establecer si resistencia ultima antes de fallar, posteriormente es necesario hacer en ensayo a tensión, que igualmente es sometido un cilindro de concreto, aunque se sabe que ante la tensión el concreto se comporta de una manera frágil, a su vez, se tiene que evaluar su resistencia a la flexión que se hace sometiendo una viga a una carga central lo que produce tensiones a tracción y compresión [14].



Ilustración 5.Estructura del Bloque De Whitney Fuente: [12]

Por medio de estos tres ensayos se puede comparar los resultados de un concreto normal y un concreto con una matriz de fibra ligante para conocer su mejora o no las resistencias ultimas de este.

6.2.2.1. Ensayo para determinar el tiempo de fraguado mediante aparato de vicat

Es necesario preparar previamente la muestra para realizar el ensayo, para esto debe mezclarse 650 g de cemento con la relación de agua requerida para consistencia óptima. Luego de tener la consistencia requerida, esta debe moldearse de manera esférica y colocar rápidamente en el molde, quitar los excesos en la parte superior una vez estando dentro del molde. Se debe realizar la penetración en la mezcla con una aguja de 1mm de diámetro y repetir este mismo procedimiento cada 15 minutos hasta que la muestra seque por completo. [11]

6.2.2.2. Compresómetro de Poisson

Este ensayo permite medir el módulo de elasticidad y relación de poisson debido a los cambios de longitud que se producen, ya sea acortamiento o ensanchamientos que se presentan en cilindros de concreto introducidos en el aparato.

6.2.2.3. Compresión de Cilindros

Es un ensayo mecánico en el cual el cilindro es sometido a cargas altas de compresión hasta alcanzar su punto de falla y poder establecer su resistencia en relación con el tiempo sometido a dichas cargas.

6.2.3. Diseño de mezcla



Para diseñar una mezcla de concreto se tiene que tener en cuenta que lo que se desea es la composición más eficiente tanto en el sentido económico, como al garantizar las características adecuadas que se deben tener esta, teniendo en cuenta, los principales componentes del concreto como son el cemento, el agua y los agregados pétreos, sin olvidar el uso de aditivos según para lo que se requiera el concreto [15].

Para determinar las dosificaciones apropiadas, se requiere realizar el análisis de los resultados que se obtienen de las pruebas de laboratorios a diferentes muestras, que son fabricadas en base a la normativa y a los principios que las rigen, tomando los resultados obtenidos se deben realizar ajustes con base en encontrar las proporciones más exactas que cada material debe tener dentro de la muestra. Al diseñar el concreto se deben cumplir algunas propiedades, en la etapa que el concreto en estado fresco se debe permitir que dependiendo de la dosificación de los materiales, el concreto sea manejable y a su vez no genere un aumento de costos, y en su etapa de endurecimiento ya se solicita que el concreto tenga la capacidad de resistir cargas y de durabilidad [15].

Dentro de algunas recomendaciones se pueden seguir para obtener las dosificaciones de la mezcla, se tiene que seguir unos paso a paso con el fin de llevar un orden que permita llegar a las características deseadas:

Selección de asentamiento Este se determina dependiendo de uso que se la vaya a dar al concreto tomando en cuenta los requerimientos que tenga la obra, en la tabla 3 se pueden encontrar algunos en ejemplos.

Control del tamaño nominal máximo Se debe tener en cuenta el tamaño nominal máximo del agregado, y con base en ello determinar las proporciones de la mezcla

Cantidad de agua Esta depende directamente del asentamiento escogido para la mezcla y del agregado, del tipo de concreto que se esté buscando y si hay presencia de algún aditivo

Estimación de la resistencia Las proporciones de la mezcla de concreto se realizan teniendo en cuenta a que esfuerzos va a someterse el concreto y dependiendo de ello, que resistencia se necesita alcanzar.

Relación agua-cemento Esta se determina teniendo en cuenta la resistencia y la durabilidad a la que se quiere llegar, teniendo en cuenta que se debe trabajar con el valor de relación agua-cemento más inferior para garantizar las características que se requieran.

Estimación de dosificaciones iniciales



Este se indica por medio de relaciones por masa de los materiales de la mezcla, tomado como referencia el cemento.

Tabla 3. Asentamientos recomendados dependiendo del tipo de obra, sistema de

compactación y ubicación

Fuente: [15]

6.2.4. Patología de las fallas estructurales, por esfuerzos a flexión y compresión

Para determinar los denominadas lesiones o trastornos que pueden llegar a generarse en el concreto, es necesario comprender como es el comportamiento de este al ser sometido a cargas, igualmente se debe conocer cómo fue su proceso de fabricación y la calidad de materiales que se implementaron [16].



Ilustración 6. Fallas presentes en el concreto según el tipo de carga que se aplique. Fuente: [17]

Dentro de las patologías presentes en el hormigón en el ámbito de la compacidad y la corrosión se pueden considerar que son producto de ciertas causas principalmente [18]:

La proporción de cementó

El aire atrapado en la mezcla

La relación agua-cemento

La relación agregado-cemento

Los gases generados por la atmosfera

la calidad del agua

la presencia de agentes de origen orgánico Cuando se habla de fisuras en el concreto, se clasifican en tres categorías cada una dependiendo del espesor de la rotura: micro fisura, fisura y macrofisura. Y los principales factores que pueden generar la presencia de estas son [18]:



Deficiencia en el proceso de curado.

Retracción.

Asentamiento.

Entumecimiento.

Presencia de ataques químicos.

Cargas mayores a las previstas.

Fallas en el proyecto.

Errores en el proceso de aplicación.

Fallas en el proceso de fraguado

En manera de conclusión, se puede determinar que las fallas que se producen en el concreto depende directamente de las etapas existentes en su ciclo de vida, en las características y materiales que se tienen en cuenta en la etapa de diseño, en los mecanismos y estrategias utilizados en la etapa de construcción y en los procesos y agentes que intervienen en su ejecución [19].

6.2.4.1. Retracción del Concreto

La retracción es la disminución del volumen del concreto durante el proceso de fraguado de este, y se produce por la pérdida de agua (debida a evaporación). Dicha pérdida de volumen genera tensiones internas de tracción que dan lugar a las fisuras de retracción. La retracción puede ser en gran medida un fenómeno reversible, si se utilizan métodos de curado adecuados, por ejemplo, la saturación después de la contracción que dilatará casi a su volumen original a la estructura. Se pueden usar así mismo, aditivos químicos que crean capas impermeables que evitan las pérdidas de humedad. La retracción es en cierto modo proporcional a la cantidad de agua empleada en la mezcla. Y generalmente un concreto con elevada fluencia, posee también elevada retracción.

Retracción plástica: Esto ocurre Cuando la retracción por secado y la consecuente fisura ocurren cuando el concreto está recién colocado (blandito o “plástico”), se dice que se presentó una retracción plástica.

La retracción química o autógena: Comienza en el instante en que el cemento entra en contacto con el agua. Pastas puras de cemento y agua tienen un encogimiento del 1 % de su volumen en las primeras 24 horas. [18]

6.2.4.2. Compresión del concreto

La resistencia a la compresión de las mezclas de concreto se puede diseñar de tal manera que tengan una amplia variedad de propiedades mecánicas y de durabilidad, que cumplan con los requerimientos de diseño de la estructura. La resistencia a la compresión del concreto es la medida más común de desempeño que emplean los ingenieros para diseñar edificios y otras estructuras. La resistencia a la compresión se mide tronando probetas cilíndricas de concreto en una máquina de ensayos de compresión, en tanto la resistencia a la compresión se calcula a partir de la carga de ruptura dividida entre el área de la sección que resiste a la carga y se reporta en mega páscales (MPa) en unidades SI. Los requerimientos para la resistencia a la



compresión pueden variar desde 17 MPa para concreto residencial hasta 28 MPa y más para estructuras comerciales. Para determinadas aplicaciones se especifican resistencias superiores hasta de 170 MPa y más.

Los resultados de las pruebas de resistencia a la compresión se usan fundamentalmente para determinar que la mezcla de concreto suministrada cumpla con los requerimientos de la resistencia especificada, ƒ´c (resistencia nominal) del proyecto.

Los resultados de las pruebas de resistencia a partir de cilindros moldeados se pueden utilizar para fines de control de calidad, aceptación del concreto o para estimar la resistencia del concreto en estructuras, para programar las operaciones de construcción, tales como remoción de cimbras o para evaluar la conveniencia de curado y protección suministrada a la estructura. [20]

6.3. MARCO CONCEPTUAL

Según ASOCRETO, define el concreto como la unión de diferentes materiales, entre los que podemos decir que hay un material aglutinante que normalmente es cemento Portland que funciona de ligante en la mezcla, así mismo es necesario un material de relleno también llamado agregado y, por último, pero no menos importante, una cierta cantidad de agua. Todo esto hace una mezcla que al momento de endurecerse se vuelve un sólido con propiedades muy favorables para procesos constructivos a nivel mundial [12].

6.3.1. Cemento Portland

Se conoce como cemento Portland a la mezcla de diferentes materiales tratados a temperaturas altas que también cuenta con la adición de yeso, nombrado así por apariencia parecida a una piedra que se encuentra en Portland, Inglaterra [12].

En la actualidad se realizan diferentes tipos de cemento para cumplir con la demanda y los

diferentes propósitos para los que son requeridos, a continuación, nombraremos los cementos

Portland más utilizados en Colombia:

tipo 1 (Normal)

tipo 2 (De resistencia moderada a los sulfatos)

tipo 3 (alta resistencia inicial)

tipo 4 (bajo calor de hidratación)

tipo 5 (resistencia elevada a los sulfatos)

Blanco (color blanco normalmente tipo 1 o 3)

Cemento Portland (tipo 1): Es normalmente usado en proyectos de concreto que no

estén expuestos a agentes agresivos, como por ejemplo algunos sulfatos que se

encuentran en el agua o en el suelo, las obras en las que comúnmente son utilizados



son: puentes, estructuras en concreto reforzado, tanques o depósitos, pavimentos,

mampostería, entre otros [21] [12].

Propiedades químicas: debido a los materiales que componen el concreto se pueden

determinar las propiedades químicas de esta mezcla, una de las más importantes es su

reacción ante la presencia de agua, que actúa como un factor de enlace, esto se puede

observar en el proceso de curado en donde se producen reacciones exotérmicas (liberar

calor) esto se hace con el fin de que el concreto se endurezca.

Propiedades físicas y mecánicas: las propiedades mecánicas y físicas más

importantes son la resistencia a la compresión y a la flexión, que son las analizamos su

comportamiento al momento de ser implementado en una obra, no obstante, existen

otras propiedades que pueden afectar a la mezcla las cuales son su consistencia, fluidez,

densidad, expansión, etc. [21].

6.3.2. Agua Para el Concreto

Es uno de los componentes más importantes en la mezcla, esto debido a que la relación

agua/cemento en el que se necesitan cantidades específicas de agua dependiendo de

las necesidades de resistencia y maleabilidad [21].

Usos del agua: dentro de los usos se encuentran:

Agua de lavado de agregados: en este proceso el agua es utilizada para remover

suciedades y material extra de finos presente, por lo que lógicamente el agua debe

estar lo más limpia posible para impedir que en vez de ayudar, perjudique la muestra,

como por ejemplo materia orgánica que puede llegar impedir una calidad óptima del

concreto [21].

Agua de mezclado o amasado: esta entra directamente en el proceso de mezclado

para producir el concreto, la fluidez de la mezcla dependerá directamente de la

cantidad de agua se adhiera, de la cual una será liberada en el proceso de

endurecimiento yotra se fijará siendo un factor importante en la estructura, igualmente

la cantidad de agua que se adicione a la mezcla afecta las propiedades finales de la

mezcla como puede ser su resistencia, su impermeabilidad, entre otras [21].

Agua de curado: una vez completado el proceso de fraguado, es de suma

importancia mantener la humedad en la mezcla, así mismo, es necesario conservar

una temperatura idónea, es decir el concreto debe estar saturado [21].



Calidad del agua: dependiendo del tipo y las características propias del concreto se

tienen unos requerimientos para la calidad del agua que se utilizara para el desarrollo de

la mezcla [21].

Una de las recomendaciones que se puede ver implementada alrededor del mundo, es

que, si el agua es aceptable para consumo humano, puede ser utilizada para la

realización de concreto, aunque según estudios realizados, debido a los diferentes

químicos que se implementan en el proceso de potabilización del agua pueden llegar a

afectar en los resultados finales de la mezcla de concreto ya sea en sus características

o en sus propiedades finales.

Igualmente, es necesario realizar diferentes estudios al agua que se planea usar en la

mezcla, como por ejemplo conocer cuál es su PH, conocer que tan libre de agentes

contaminantes está el agua, ya que estos también pueden afectar tanto al concreto

como al acero de refuerzo [12].

6.3.3. Agregados

Los agregados usualmente constituyen más del setenta por ciento de la mezcla

(hablando de un metro cubico de muestra), a su vez reduce costos en su fabricación.

Al ser implementado en la mezcla proporciona propiedades al concreto muy favorables

para el ámbito constructivo [21].

Para que un agregado puede ser usado en la fabricación de concreto, es necesario

cumplir con unos requisitos de calidad y esta puede variar dependiendo de él origen,

su granulometría, su forma, su superficie y su densidad, a grandes rasgos existen dos

tipos de agregados, los agregados gruesos y finos, los cuales se determinan por su

tamaño que se puede determinar por medio de tamices con aberturas específicas,

dentro de los agregados gruesos se pueden encontrar dos tipos igualmente clasificados

por el tamaño de la partícula, que son la gravilla y la grava [12].

6.3.3.1. Clasificación

Según su procedencia: existen dos grandes clasificaciones, ya sean naturales o

artificiales, cuando se habla de agregado artificial son los que se elaboran por medio

de un procedimiento industrial, mientras que el agregado natural se obtenido por

medio de fuentes naturales, como canteras, ríos, entre otros [21] [12].

Según su tamaño: también se le llama granulometría, esta consiste en separar los

agregados dependiendo de su tamaño, todo esto por medio de tamices o mallas con

aberturas de amplitud específicas.

Según su densidad: esta clasificación obedece a la cuantía de la masa por unidad



de volumen y a la porosidad del agregado, esto puede llegar a perjudicar la densidad

final del concreto que se produzca [21].

Propiedades de los agregados: las propiedades de los agregados dependen

directamente de su procedencia y se pueden determinar por medio de pruebas de

laboratorio, esto es necesario al momento de seleccionar el agregado que se va a

utilizar dependiendo del concreto que se va a producir y las propiedades que queremos

de este.

Granulometría: es la asignación del tamaño de las partículas del agregado, el

procedimiento para la separación de la muestra es por medio de un análisis

granulométrico.

Para la realización de concreto, es indispensable que la mezcla de grava y arena

proporcione una pasta unitaria máxima, esto con el fin que los vacíos dentro de la

mezcla sean los mínimos posibles, lo que suministrara un concreto con propiedades

óptimas [12].

Para realizar el análisis granulométrico es necesario utilizar una serie de tamices por

los que se pasara la muestra del agregado, las aberturas de los tamices dependen

están sujetas a los parámetros que se establecen en la norma para determinar su

clasificación, por ejemplo, se encuentra la clasificación AASHTO y la USCS.

6.3.4. Propiedades Del Concreto

El concreto tiene múltiples características y etapas en su proceso de desarrollo, en cada

etapa la mezcla va modificando sus propiedades según los niveles de humedad y

endurecimiento, en la primera etapa el concreto es fácilmente maleable y tiene gran

fluidez, en la segunda o también llamada fraguado, se presenta una mayor rigidez y en

su última etapa se presenta el endurecimiento del concreto, donde se adquieren las

propiedades mecánicas necesarias para ser usado en procesos constructivos [21].

6.3.4.1. Propiedades del concreto fresco

Las propiedades en estado fresco del concreto deben permitir que se llene

adecuadamente las formaletas, así como también obtener una masa homogénea sin

grandes burbujas de aire o agua atrapada [12].

Manejabilidad: se define como la capacidad del concreto para acomodarse y

justarse fácilmente dependiendo de la necesidad, manteniendo la estabilidad de la

mezcla, todo esto sin presentar fallas o fisuras y sin dejar vacíos [12].



6.3.4.2. Propiedades del concreto endurecido

Para la implementación del concreto enprocesos constructivos, es necesario que este

tenga ciertas propiedades mecánicas en su etapa final para que pueda soportar los

esfuerzos a los va a ser sometido, todo esto con el fin que el concreto sea capaz de

durar en funcionamiento durante bastante tiempo e igualmente no se vea afectado por

agentes externos propios del medio ambiente [21] [12].

Una de las propiedades más importantes del concreto es su resistencia mecánica a

diferentes trabajos los cuales va a ser constante durante su periodo de vida, todo esto,

dependiendo del tipo de uso que se le al concreto, ya que dependiendo del trabajo o de

los esfuerzos a los que va a ser sometido algunas otras propiedades pueden ser más

indispensables, debido a esto todas las propiedades del concreto deben ser tomadas

en cuenta al momento de su implementación, para garantizar que la eficiencia de las

estructuras.

Resistencia a la compresión: este criterio es uno de los más importantes al

momento de diseñar estructuras de concreto, cuando se evalúa la calidad del

concreto esta resistencia tiene un gran porcentaje para la aprobación de este [21].

6.3.5. Diseño De Mezclas De Concreto

El tipo de concreto decide la calidad de la mezcla dependiendo de los esfuerzos a los

que va a ser sometido y a la función que va a cumplir, esta calidad depende de los

materiales usados en su desarrollo.

Existen métodos empíricos, experimentales, analíticos y semi-analiticos para

determinar el porcentaje de los ingredientes, estos porcentajes se pueden definir tanto

por volumen o en peso. Todo esto dependiendo del uso que se la vaya a dar el concreto.

Para el diseño del concreto se debe garantizar que los materiales disponibles permitan

el máximo provecho tanto cuando el concreto se encuentre en estado fresco, en el que

se deben tener condiciones de maleabilidad y en cuando este endurecido con

propiedades de resistencia, perdurabilidad, entre otros [21].



6.4. MARCO NORMATIVO

Tabla 4.Marco Normativo

ORIGEN TITULO DESCRIPCION

NTC 3937 Ingeniería civil y arquitectura. Arena normalizada para

ensayos de cemento hidráulico

NSR 10 Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo

resistente.

NTC 77 Concretos. Método para el análisis por tamizado de los

agregados finos y gruesos.

NTC 5541

Concretos reforzados con fibras

NTC 5721

Método de ensayo para determinar la capacidad de absorción de energía (Tenacidad) de concreto reforzado

con fibras

NTC 108

Ingeniería civil y arquitectura. Cementos. Extracción de muestras y cantidad de ensayos para cemento hidráulico

Internacional

AASHTO T26

Standard Method of Test for Quality of Water to be Used in Concrete.

ASTM C 1399

Método de ensayo para determinar el esfuerzo residual promedio del concreto reforzado con fibra

ASTM C 1550

Método de ensayo para determinar la tenacidad a flexión del concreto reforzado con fibras.

ASTM C 1609

Método de ensayo para determinar el desempeño del concreto reforzado con fibra

ASTM D 512

Standard Test Methods for Chloride Ion in Water.

ASTM D 516 Standard Test Method for Sulfate Ion in Water.

BS 5328 Methods for Specifying Concrete, Including Ready-Mixed

Concrete.

ASTM C666/C666M

Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing.

Fuente: [10].



7. EQUIPO DE INVESTIGACION Y TRAYECTORIA

PERSONAL NOMBRE PERFIL EXPERIENCIA

Director

Geovanny González

Maldonado

Ingeniero civil

Docente tiempo

completo

Universidad Santo

Tomas sede

Villavicencio, 10

años de experiencia

repartidos en 7 años

en obras de

ingeniería civil, 2

años en

interventoría, 3 años

en consultoría y

actualmente 2 años

en ejerciendo como

docente

Autor

Andres Orlando

Bacca Tapiero

Estudiante de

Ingeniería Civil

2 meses en Control

AV

1 mes en starlight

electronic

Autor

Daniel Arturo Vélez

González

Estudiante de

Ingeniería Civil

5 meses en la

Concesionaria Vial

del ORIENTE

Fuente: [10]



8. METODOLOGÍA

Se establece una metodología investigativa cuantitativa, la cual para este proyecto se

basa en estudiar el comportamiento en las propiedades mecánicas y físicas, ya sea

positivas o negativas del concreto mediante la adición de fibras durante el amasado de

este, esta es una técnica que se ha implantado, encontrando diversas aplicaciones

dentro del campo de los concretos estructurales y que actualmente sigue siendo objeto

de estudio de numerosos investigadores, produciendo un gran avance en la industria

de la construcción. Se puede establecer una dosificación apropiada para la fabricación

del concreto con esta fibra de arroz una vez estudiado sus propiedades mediante

ensayos (ensayos en estado fresco del concreto, ensayo de revenimiento o

asentamiento en el cono de Abrams, estado endurecido del concreto, resistencia a

compresión), y estimar los costos de su producción.

Fase de diseño del proyecto

En esta etapa se decidió el tema que se abordara en el transcurso del proyecto, se

proyectaron las actividades que se llevaran cabo en el transcurso del desarrollo del

proyecto, así como el presupuesto requerido y determinar los ítems necesarios.

Fase de recopilación de información

el objetivo es recoger la toda la información necesaria para determinar las pruebas que

se realizaran a la muestra, igualmente conocer cuáles son las condiciones que tenemos

en cuenta para comprender el comportamiento del concreto, así como otras

investigaciones relacionadas al tema para saber que contribuciones han hecho.

Fase de pruebas en el laboratorio

Para conocer como es el comportamiento de la mezcla de concreto adicionada de fibras

carbonatadas de cascarilla de arroz se realizarán pruebas a los moldes de concreto,

pero antes se necesita hacer un análisis granulométrico del agregado que se va a

implementar, igualmente se determinara los porcentajes que se utilizaran para el

concreto, finalmente se realizaran ensayos de compresión y de flexión a los diferentes

moldes.

Fase de procesamiento de información

En esta etapa se observará el comportamiento que tengan las fallas en el concreto

teniendo en cuenta el porcentaje de cascarilla que tenga, se tabularan los resultados y

se compararan con el comportamiento del concreto normal en estos mismos ensayos y

del concreto reforzado.

Fase de análisis de resultados



Primeramente, se realizará un análisis del comportamiento del concreto por medio de

una gráfica que tiene que tener mínimo tres puntos por cada porcentaje implementado

en la mezcla, posteriormente se evaluaran las variaciones que tengan las propiedades

del concreto, y si es necesario probar más muestras para encontrar el porcentaje idóneo.

Fase de validación

Para comprobar la factibilidad del concreto es necesario realizar diferentes estudios que

garanticen la viabilidad de este proyecto, así mismo, se desarrollara un análisis costo-

beneficio de la implementación de las fibras de cascarilla de arroz versus el

reforzamiento convencional, finalmente se evaluara la hipótesis para comprobar su

validez.

Fase de conclusiones

Después de realizar un análisis y una validación de resultados, comprobar si la

implementación de las fibras de cascarilla de arroz carbonatada en proyectos de

construcción, en donde se puedan reducir gastos y mejorar las propiedades mecánicas

del concreto.



Ilustración 7.Diagrama de flujo de la metodología aplicada. Fuente: [10]



9. ETAPA EXPERIMENTAL

Para la realización del proyecto es necesario trabajar una metodología basada en datos cuantitativos, para determinar qué características mecánicas y físicas presenta el concreto con adición de CAC, todo esto por medio de los resultados y análisis que se obtengan.

9.1. Diseño de Mezcla

ADITIVO: Cascarilla de arroz Carbonatada (CAC)

PORCENTAJES DE CAC: MP: 0%, M1: 9%, M2: 10%, M3: 11%, M4:12%

CANTIDAD DE UNIDADES: se realizaron 3 modelos por cada tiempo de curado (7,14 y 28 días), 3 modelos por porcentaje de aditivo y 3 modelos patrón para cada tiempo de ensayo.

9.2. Materiales

Tabla 5. Materiales e insumos Materia Prima Referencia Proveedor

Cemento ARGOS Homecenter

Grava Rio Guatiquia Mina Guatiquia

Arena Rio Guatiquia Ferretería Donde Manu

Agua - -

CAC - Universidad de los llanos

Fuente: [10]

9.3. Elaboración de las muestras

Ilustración 8. Preparación de cilindros Fuente: [10]



Ilustración 9. Cilindros para ensayos de laboratorio Fuente: [10]



10. ETAPA 2

10.1. Determinación de la humedad relativa de la muestra.

Ilustración 10. Laboratorio de análisis de agregados finos y gruesos Fuente: [10]

Ilustración 11. Laboratorio de análisis de agregados finos y gruesos Fuente: [10]



10.2. Determinación del tiempo de fraguado de las muestras con adición de CAC y la muestra patrón

Ilustración 12. Ensayo de área superficial por medio de la aguja de vicap Fuente: [10]

10.3. Ensayo a la compresión para las muestras con adición de CAC y a las muestras patrón

Ilustración 13. Máquina de compresión simple usada en los laboratorios Fuente: [10]



Ilustración 14. Muestra de las fallas presentadas en los cilindros (tipo 3) Fuente: [10]

Ilustración 15. Muestra de las fallas presentadas en los cilindros. (Tipo 4) Fuente: [10]



11. ANALISIS DE RESULTADOS

Los resultados obtenidos son suministrados por los laboratorios de la Universidad Santo Tomás y la empresa Concay S.A.

A continuación, se relacionan los ensayos: Granulometría, área superficial, Modulo de elasticidad y relación de Poisson.

Como se puede evidenciar en la gráfica, los resultados obtenidos en el ensayo se encuentran dentro del rango o límites establecidos, los cuales definen el comportamiento de la granulometría del material.

Se determina el tiempo de fraguado inicial y final de la mezcla.

Tabla 6. Resultados del ensayo de área superficial. RESULTADOS

TIEMPO (min) TIEMPO (horas) PENETRACION (mm)

M. Patron 7% 9% 11% 13%

0 0 40 40 40 40 40

15 0.25 40 40 40 40 40

30 0.5 40 40 40 40 40

45 0.75 40 40 40 40 40

60 1 40 40 40 40 40

90 1.5 40 40 40 40 40

120 2 40 40 40 40 40

150 2.5 40 35 40 40 40

180 3 40 26 40 40 40

210 3.5 40 10 40 40 20

240 4 40 5 40 40 10

270 4.5 32 2 40 40 5

300 5 29 1 25 40 5

330 5.5 11 0 7 24 0

Fuente: [10]

Para la realización del ensayo se tuvieron dos tipos de cascarilla de arroz carbonatada una con una temperatura de carbonatación de 700°C que se implementó en las muestras de 7% y 13%, y la segunda CAC con una temperatura de carbonatación de 600°C que se usó en las muestras de 9% y 11%.

Se pudo observar que la CAC con un tiempo de carbonatación de 700°C tiene un mejor comportamiento y un menor tiempo de fraguado, asimismo se obtuvieron mejores resultados si el porcentaje implementado en la mezcla es menor.



A continuación, se presentan las tabulaciones y respectivas gráficas de los ensayos de resistencia a la compresión y medición de rebote.

Tabla 7. Resistencia promedio de las muestras en su respectivo tiempo de curado

MUESTRA DIA PSI PROMEDIO

M1

7 1609

14 2599

28 3267

M2

7 1231

14 1668

28 1727

M3

7 754

14 1171

28 1679

M4

7 506

14 664

28 1048

MP

7 1466

14 1990

28 2748

Fuente: [10]



Grafica 1. Comportamiento de la resistencia del concreto en sus diferentes tiempos de curado

Fuente: [10]

En la tabla 7. Se observa como con una adicción del 9% de CAC y teniendo en cuenta que se implementó CAC con una temperatura de carbonatación de 700°C se obtuvo una resistencia superior a la de la muestra patrón. Igualmente, en las muestras de 11% y 12% en las que se implementó CAC carbonatada a una temperatura de 600°C, se observa una resistencia mucho menor a la esperada y un alto nivel de porosidad en los cilindros con estos porcentajes.

Tabla 8. Medición de rebote de concreto con fibra de arroz a 7 días

MUESTRA EDAD MUESTRA No. TOMA

(DIAS) 1 2 3 4 PROMEDIO

M-1 7 5 11 4 7 6,75

M-2 7 3 8 5 3 4,75

M-3 7 8 2 7 0 4,25

M-4 7 6 4 9 7 6,5

M-P 7 10 6 7 14 9,25

Fuente: [10]

RESISTENCIA DE LOS CILINDROS CON Y SIN CAC

3500

3000

2500 M1

2000 M2

1500 M3

1000 M4

500 MP

0

0 7 14 21 28 35

DIAS

PSI






M-1 14 10 6 9 12 9,25

M-2 14 8 6 10 7 7,75

M-3 14 9 6 7 3 6,25

M-4 14 12 7 9 10 9,5

M-P 14 21 13 15 17 16,5

Fuente: [10]




M-1 28 19 17 15 16 16,75

M-2 28 14 10 9 9 10,5

M-3 28 10 5 9 10 8,5

M-4 28 12 10 12 9 10,75

M-P 28 22 19 17 15 18,25

Fuente: [10]



ENSAYO - ESCLEROMETRO

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Gráfica 2. Relación medición de rebote de concreto de fibra de arroz

M-1 M-2 M-3 M-4 M-P

7 Dias 6.75 4.75 4.25 6.5 9.25

14 Dias 9.25 7.75 6.25 9.5 16.5

28 Dias 16.75 10.5 8.5 10.75 18.25

Fuente: [10]

Según los resultados se puede determinar el incremento de rebotes de las muestras y evidenciar que la M-1, así como en otros ensayos es la muestra que tiende a tener una resistencia similar a la muestra patrón, teniendo consecuencias positivas en las propiedades mecánicas y con un proceso adecuado la elaboración e implementación en obra con esta mezcla puede tener mejor desempeño y vida útil en comparación con la muestra patrón (M-P).

Nú

me

ro d

e R

eb

ote

s



12. DESCRIPCION DE PRODUCTOS FINALES

Obteniendo los resultados de los respectivos ensayos se pudo evidenciar que la muestra (M- 1) fue similar e incluso superó en algunos ensayos a la mezcla convencional (mezcla patrón), teniendo así un porcentaje óptimo de fabricación.



13. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

13.3. CONCLUSIONES

1. Durante los ensayos realizados a las muestras con adición de fibra, luego de determinar el porcentaje optimo, se pudo evidenciar en los resultados que la resistencia de las muestras durante todos los tiempos de fraguado ninguna disminuía su valor, no se producían variaciones significativas debido al aumento de vacíos y por consiguiente creando falencias en la adhesión de las fibras, con relación a la muestra patrón.

2. Se determinó que la temperatura de carbonatación en la cascarilla afecta el

comportamiento en los diferentes ensayos realizados, analizando que la CAC (cascarilla de arroz carbonatada) sometida a 700°C mostró un comportamiento más aprovechable como aditivo para el concreto mejorando su resistencia en el ensayo a compresión y teniendo un mejor comportamiento en el ensayo de área superficial.

3. Teniendo en cuenta las características obtenidas del concreto con una adición del 9%

de cascarilla de arroz carbonatada y considerando que los costos en comparación a la fabricación de concreto estándar son mucho menores, ya que se reduce el volumen de cemento con adición de CAC (cascarilla de arroz carbonatada) lo que disminuye los costos totales en la producción de este tipo de concreto con cascarilla de arroz carbonatada.

4. Por medio de los resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio se estableció que

el porcentaje de adición de 9% supero a los generados de la muestra patrón, lo que significó una mejora en las propiedades mecánicas, esto quiere decir que la Cascarilla de Arroz Carbonatada tuvo un efecto positivo en el concreto y que puede ser investigada más detalladamente para que se pueda implementar en obras de ingeniería civil



13.4. TRABAJOS FUTUROS

Para profundizar en las ventajas que puede proporcionar la cascarilla de arroz carbonatada como aditivo en el concreto, se recomienda:

Realizar más ensayos en donde se determine si este concreto puede ser usado en obras de ingeniería civil, conocer mejor sus propiedades físicas y mecánicas con un análisis más detallado de su comportamiento a largo plazo y con cargas constantes

Hacer más muestras con porcentajes de aditivo diferentes a los implementados en el presente trabajo, con el fin de establecer si el comportamiento y los resultados obtenidos son constantes en otros ensayos

Los resultados que se obtuvieron en este trabajo no permiten garantizar que la cascarilla de arroz carbonatada como aditivo en el concreto pueda ser implementado para uso estructural, por lo que es necesario realizar más estudios y exámenes a este material



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Efecto de la fibra de arroz carbonatada en las propiedades