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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. vol.33 no.2 Santiago ago. 2018

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732018000200155 

Articles

Uso potencial de la fibra de curauá (ananas acutifolius) para la fabricación de compuestos cementicios

G. Katalyne Bilcati* 

A. Matoski* 

R. Trianoski** 

E. Lengowski***   1  

* Federal Technological University of Paraná. Paraná. BRASIL

** University of Paraná. Paraná. BRASIL

*** Universidad Federal de Mato Grosso. Cuiabá. BRASIL

Resumen:

El objetivo de este estudio fue caracterizar y evaluar el rendimiento de la fibra amazónica de curauá (Ananas erectifolius) como reforzamiento en el proceso de producción de paneles defibrocemento. Para la fabricación de estos paneles se determinó el contenido de sustancias extraíbles y la densidad aparente de las fibras. Se fabricaron paneles con fibras de curauá, variando su contenido (5%, 10% y 20%). Asimismo, como metodología, se trataron lasfibras vegetales a través de la inmersión en agua fría durante 24 horas, inmersión en agua caliente durante 6 horas y, finalmente, se sumergieron en una solución de NaOH durante 2 horas a una concentración del 1%. Los paneles medían 500x500x15mm, con una densidad aparente nominal de 1,60g/cm3 y se mantuvieron bajo presión (4 MPa) durante 24 horas. Después de prensarlos, los paneles se acondicionaron durante 28 días para el curado del cemento. Como resultado, se observó que la adición de un 10% de fibras de curauá es idónea para reforzar la matriz cementiciaen la fabricación de paneles de madera-cemento. También se encontró que el tratamiento químico de las fibras mejora las propiedades físicas del material.

Palabras Clave: Paneles de fibrocemento; fibras vegetales; curauá; Amazonas; compuestos

Introducción

El volumen cada vez mayor de residuos producto de la explotación forestal, así como la amplia gama de fibras vegetales en Brasil, han impulsado la búsqueda de nuevas alternativas de componentes para la construcción. A pesar de su potencial uso, estos materiales son escasamente utilizados a escala comercial (Ferraz et al. 2011); (Wang et al. 2000).

Algunos países carecen de reservas forestales que satisfagan la demanda de producción de leña, madera, paneles reconstituidos, componentes constructivos a base de madera, entre otros, pero poseen cantidades importantes de otros materiales lignocelulósicos, como las fibras vegetales que están disponibles como desecho agrícola y se pueden usar perfectamente en la producción de paneles y otros componentes constructivos (Youngquist et al. 1996).

Los materiales compuestos reforzados con fibras celulósicas de la madera y otras fuentes de fibra constituyen alternativas promisorias para los productos constructivos, los cuales permiten una construcción más rápida, especialmente cuando se aplican de manera modular en las obras, ya que es posible omitir una serie de pasos y otros problemas en la implementación de las modificaciones finales. Algunas de las muchas ventajas de usar paneles como elementos constructivos son el rango de tamaños de precisión geométrica, las terminaciones y su fácil instalación (Matoski et al. 2013). Son materiales amigables con el medio ambiente, de bajo costo, con un rendimiento técnico adecuado y requieren un bajo nivel de industrialización para su procesamiento (Maden y Gamstedt 2013). Por otra parte, le otorgan un valor agregado a materiales de baja aceptación, como la madera proveniente del raleo de bosques, el desecho del procesamiento de la madera y otras fibras naturales(Sá et al. 2010), y además pueden reducir o eliminar características indeseables, como el tamaño original de la materia prima, defectos naturales, higroscopia y anisotropía (Paula et al. 2009).

Las fibras de curauá (Ananas erectifolius) se encuentran entre las fibras vegetales que sí se pueden utilizar. Esta fibra tiene un gran potencial y una alta calidad, debido a su resistencia, suavidad y bajo peso específico y se puede utilizar en la industria automotriz y en la construcción (Spinacé et al. 2011).

Las fibras de curauá se usan para tejer hamacas, en la fabricación de cuerdas, sedales, canastos y esteras. Su cultivo es poco demandante en términos de fertilidad del suelo, tiene un bajo nivel de pérdida durante la estación seca del verano y, por lo tanto, su cultivo es económicamente viable (Picanço y Ghavami 2008); (Monteiro et al. 2006).

El uso de componentes derivados de la madera, como las fibras vegetales, aún no es significativo en la industria de la construcción, debido a la falta de comprensión de los mecanismos y tecnologías involucrados en la interfase del cemento y los materiales lignocelulósicos para el desarrollo de materiales compuestos de la matriz cementicia reforzados con fibras vegetales (Fan et al. 2012).

Entre las posibles dificultades que se presentan en la fabricación de paneles compuestos de cemento-madera, se pueden mencionar los compuestos fenólicos, ácidos, azúcares solubles, resinas y extraíbles de fibras lignocelulósicas, que pueden ser responsables de retrasar o incluso impedir totalmente su uso; por ejemplo, cuando entran en contacto con el medio alcalino generado por el cemento y se solubilizan y reaccionan con éste, impidiendo así la cristalización y el fraguado (Iwakiri y Prata 2008); (Hofstrand et al. 1985).

A fin de superar estas posibles incompatibilidades químicas entre la matriz cementicia y las fibras con alto contenido de extraíbles, es necesario tratar las fibras, con el objeto de remover los agentes químicos inhibidores. Algunos de los tratamientos más comunes son: inmersión de las partículas o fibras en agua fría por 24 horas; inmersión en agua caliente durante 6 horas, inmersión en una solución de NaOH (Moslemi et al. 1983).

En este contexto, considerando la disponibilidad, las características y la importancia de la fibra de curauápara generar nuevos productos, el objetivo de este estudio fue evaluar el comportamiento de la fibra vegetal decurauá (Ananas erectifolius), para potencializar el proceso de producción de paneles cementicios compuestos, así como identificar el porcentaje de fibras que debe agregarse a la matriz, con el objeto de maximizar sus propiedades mecánicas.

Materiales and métodos

Las fibras de curauá (Ananas erectifolius) se obtuvieron en el Centro de Apoyo de Proyectos de Acción Comunitaria (CEAPAC), ubicado en la ciudad de Santarem del estado de Pará y se cortaron de 4 cm de largo, en la empresa Pematec Triangel, también ubicada en Santarem. Posteriormente, las fibras se trituraron en un molino de cuchillas.

Después de separarlas, las fibras se caracterizaron de acuerdo al contenido de sustancias extraíbles y la densidad aparente específica. El contenido de extraíbles se realizó según la norma brasilera (NBR 7987 2012) y la densidad aparente se determinó de acuerdo con la metodología establecida por la norma (NBR 6922 1991).

La producción de paneles compuestos se llevó a cabo según el diseño experimental mostrado en la Tabla 1.

En la primera fase se determinó el contenido máximo de fibra, de manera que el porcentaje definido cumpliera con la norma (ASTM D1037 2012). En la segunda fase se realizaron los tratamientos de la fibra para evaluar su efecto sobre las propiedades de los paneles.

Tabla 1 Diseño experimental 

Los paneles se fabricaron según la norma (ASTM D 1037 2012), es decir, con dimensiones de 50 x 38,5 x 1,5cm (largo, ancho y espesor, respectivamente). Se adoptó la densidad aparente nominal objetivo de 1,60g/cm3. Cada tratamiento se repitió tres veces. Siguiendo el modelo utilizado por otros autores, como (Soroushiam et al. 2003), se adoptaron las siguientes características:

Se utilizó cemento Portland CPV ARI, con una densidad aparente de 3,12g/cm3;

La relación agua/cemento fue constante e igual a 1:2,5;

El aditivo químico cloruro de calcio (CaCl2), en una proporción del 3% en relación al peso del cemento, se diluyó en agua y se agregó como agente acelerante del curado del cemento.

En la segunda fase se buscó determinar el efecto de los siguientes tratamientos, según se indica en la Tabla 2.

Tabla 2 Tratamiento de las fibras 

Después de mezclar los componentes en una hormigonera y de formar las matrices, éstos fueron separados mediante placas metálicas, sujetos con abrazaderas y prensados en frío.

Después del prensado, los paneles fueron sometidos al proceso de curado durante 28 días en una cámara climatizada. Luego se dividieron en secciones para confeccionar los especímenes de muestra y determinar sus propiedades físicas y químicas. Las propiedades físicas estudiadas fueron la densidad aparente (EN 323 2002c), la absorción de agua y la expansión del espesor (EN 317 2002b); las propiedades mecánicas fueron el módulo de ruptura y el módulo de elasticidad (EN 310 2002a).

Los resultados fueron analizados estadísticamente mediante el ensayo de Bartlett; el análisis de varianza y covarianza y la comparación de medias se analizaron con el ensayo de Tukey.

Resultados y discusión

Propiedades de las fibras

El resultado promedio del contenido de sustancias extraíbles en las fibras de curauá fue de 7,07%; este valor se considera relativamente alto comparado con el de otros materiales lignocelulósicos como el pino y el eucalipto.

En comparación con las fibras de coco, (Ferraz et al. 2011) obtuvieron un valor promedio de 4,86%, lo que indica que las fibras de coco ejercen menos inhibición sobre el curado y el endurecimiento del cemento. En relación a la madera, también se verifica que la especie Pinus taeda, el pino más utilizado, presenta valores promedio menores a la fibra de curauá, donde (Rigatto et al. 2004) obtuvieron contenidos promedio de 2.93% y (Brand et al. 2011) oscilaron entre 2.24% y 2.90%. En comparación con las especies de eucaliptos, especialmente Eucalyptus grandis, la literatura indica valores más bajos y similares a la fibra de curauá, donde (Sarto y Sansigolo 2010) encontraron un valor promedio de 6.4%.

El valor promedio de la densidad aparente de las fibras de curauá fue de 66,57 kg/m3.Este valor se considera bastante bajo comparado con el pino y el eucalipto, lo que implica que se debe utilizar un gran volumen de fibras al momento de fabricar los productos.

Este resultado implica un alto volumen de fibras por peso en el momento de la fabricación del producto, posiblemente indicando que altos porcentajes de esta materia prima hacen que sea imposible homogeneizar los componentes en la matriz de cemento, además de la baja disponibilidad de cemento por superficie de fibra, generando un compuesto con baja resistencia mecánica.

Comparando con el valor promedio encontrado por (Ferraz et al. 2011), se puede observar que la masa específica a granel de la fibra de curauá es similar a la fibra de coco (57,94 kg/m3), e inferior a los valores promedio obtenidos para la madera utilizada en la construcción, como pino (Brito et al. 1982) y eucalipto (Ribeiro y Machado 2005), obtuvieron un valor promedio de 1877.5 kg/m3 y 1904 kg/m3 para la masa voluminosa de partículas de pino. En base a estos resultados, se asume que el porcentaje de fibras a utilizar en matrices cementosas debería ser mucho menor en comparación con las partículas de madera; de lo contrario, una buena homogeneización de los componentes además de la baja disponibilidad de cemento por área superficial de fibra, resultando en baja resistencia mecánica, que no es deseable en los componentes de construcción estructurales.

Propiedades de los paneles

Efecto del porcentaje de fibras de curauá

Los resultados promedio de las propiedades físicas y mecánicas de los tratamientos elaborados con diferentes porcentajes de fibra se indican en la Tabla 3. Es de destacar que debido a la baja masa específica de la fibra de curauá, el tratamiento con 20% de incorporación de fibra dio como resultado un gran volumen de material lignocelulósico, siendo insuficiente la cantidad de cemento y agua para la humectación y aglomeración de las fibras en la formación de los paneles, lo que hace imposible consolidarlo

Tabla3. Propiedades físicas y mecánicas de los paneles reforzados con fibra de curauá 

DA: densidad aparente; AA: absorción de agua; EE: expansión del espesor; MOR: módulo de ruptura, MOE: módulo de elasticidad. Las medias seguidas de la misma letra en la misma columna son estadísticamente iguales según la prueba de Tukey, con un nivel de confianza del 95%.

Los resultados promedio de la aparente masa específica entre los tratamientos con diferentes porcentajes de fibras de curauá indicaron una diferencia estadística significativa, siendo necesaria la aplicación del análisis de covarianza para eliminar la influencia de este factor sobre las otras propiedades. La diferencia en la propiedad puede explicarse por el hecho de que el tratamiento con mayor incorporación de un material menos denso da como resultado un volumen mayor, siendo más difícil su acomodación en la consolidación del panel, así como en un espesor ligeramente mayor que con los paneles con un porcentaje del 5%, lo que implica directamente la masa específica.

Los valores promedio para la absorción de agua después de 2 y 24 horas mostraron medias entre 9,17% y 13,95%, no habiéndose detectado diferencias estadísticamente significativas entre los tratamientos en ambos intervalos de inmersión. De manera similar, no se evidenció una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de la propiedad de expansión del espesor, cuyos valores fluctuaron entre 0,35% y 1,64% y cumplieron con el requisito del proceso de Bison, que sugiere una expansión máxima de 1,20% después de 2 horas y de 1,80% después de 24 horas de inmersión.

Con respecto a la expansión del espesor, no se evidenció una diferencia estadísticamente significativa en relación a los contenidos de fibra de 5 y 10%. Estos resultados se explican por la naturaleza higroscópica de las fibras y su composición química, puesto que esta fibra es rica en hemicelulosa, la cual es a su vez más hidrofílica, lo que contribuye a la variación en la dimensión del producto.

En cuanto a las propiedades mecánicas de la flexión estática, se verificó que el tratamiento con 5% de incorporación de fibras de curauá mostró un valor promedio ligeramente superior al tratamiento con 10% de fibras, y no se encontraron diferencias estadísticamente significativas. Este resultado ligeramente más alto puede justificarse por el hecho de que con un menor porcentaje de fibras es necesario usar una mayor cantidad de cemento para generar el compuesto, donde este componente influye directamente en la dureza, dando al compuesto una mayor resistencia, siendo utilizado en gran escala como material estructural en la construcción civil (Mehta y Monteiro 2008). Respecto al módulo de elasticidad, aunque no se encontraron diferencias estadísticamente significativas entre los diferentes porcentajes de fibras incorporadas, se observó que el tratamiento con 10% mostró un valor promedio mayor, donde este resultado puede ser un reflejo de la característica de fibra utilizada. Ninguno de los tratamientos alcanzó los requisitos mínimos de 9 MPa y 3.000 MPa, como lo sugiere el proceso de Bison para el módulo de ruptura y el módulo de elasticidad, respectivamente.

Considerando que no hubo diferencias estadísticamente significativas entre las propiedades físicas y mecánicas de los tratamientos anteriores, así como, buscando fomentar un mayor uso de la fibra de curauá para su aplicación en materiales compuestos cementosos, reduciendo así el costo del producto y el aspecto negativo de La emisión de dióxido de carbono generado por las industrias cementeras, optamos por incorporar el porcentaje de 10% de fibras de curauá en los paneles para el análisis de la influencia de los tratamientos con agua fría, agua caliente e hidróxido de sodio.

Efecto de los tratamientos sobre la fibra de curauá

En la Tabla 4 se indican los resultados de las propiedades físicas y mecánicas de los paneles fabricados con fibras tratadas.

Tabla 4 Propiedades físicas y mecánicas de los paneles fabricados con fibras de curauá tratadas 

DA: densidad aparente; AA: absorción de agua; EE: expansión del espesor; MOR: módulo de ruptura, MOE: módulo de elasticidad. Las medias seguidas de la misma letra en la misma columna son estadísticamente iguales según la prueba de Tukey, con un nivel de confianza del 95%. Los valores entre paréntesis se refieren al coeficiente de variación.

No se observaron diferencias estadísticamente significativas entre los valores de densidad aparente de los paneles producidos con fibra tratada, lo que indica que los distintos tratamientos químicos, si bien eliminan o reducen el contenido de sustancias extraíbles, no influyen en la densidad aparente de las fibras y, por ende, en la densidad aparente de los paneles.

Los resultados para la absorción de agua luego de 2 horas de inmersión fluctuaron entre 4,44% y 13,22%, lo que indica que los tratamientos con fibra tratada en agua caliente y NaOH resultaron mejores para remover los componentes hidrofílicos. Por otro lado, las fibras en natura generaron el tratamiento con mayor absorción media, siendo esta, estadísticamente inferior a las demás. Se observó un comportamiento similar para el intervalo de inmersión de 24 horas, cuyos valores promedio presentaron una variación de 5,07% a 15,37%, lo que indica que el tratamiento químico en las fibras favorece la propiedad de absorción de agua.

La expansión del espesor de los compuestos luego del contacto con el agua mostró un aumento de la estabilidad dimensional con la extracción de los extraíbles, donde las medias fluctuaron entre 0,22% y 1,02% luego de 2 horas de inmersión, y entre 0,36% y 1,68% a las 24 horas. Los compuestos producidos con fibras tratadasse mostraron estadísticamente iguales entre ellos y más bajos en comparación con las fibras de control, es decir, el tratamiento redujo la expansión del espesor.

En general, el tratamiento de las fibras produce compuestos con mayor estabilidad dimensional, como resultado de la remoción de extraíbles y, por lo tanto, una mejor compatibilidad entre la fibra y el cemento. Todos los tratamientos propuestos en el estudio cumplieron con los requisitos de expansión del espesor sugeridos por el proceso de Bison, esto es, un máximo de 1,20% luego de 2 horas de inmersión, y 1,80% después de 24 horas de inmersión.

Se encuentra que los valores obtenidos para la absorción de agua y el hinchamiento de espesor de los paneles reforzados con fibra de curauá son menores en comparación con los resultados de los paneles reforzados con fibra de coco producidos por (Ferraz et al. 2011), cuyos valores obtenidos por este autor variaron de 19.30% a 37.60% para la absorción de agua, y de 0.68% a 2.38% para la hinchazón en el espesor. También son más estables en comparación con los paneles de cemento de madera de Hevea brasiliensis producidos por (Okino et al. 2004), y los de Schizolobium amazonicum y Cecropia hololeuca estudiados por (Iwakiri et al. 2012).

Con respecto a las propiedades mecánicas, no se encontraron diferencias estadísticamente significativas ni en el módulo de ruptura ni en el módulo de elasticidad, entre los paneles fabricados con fibras tratadas y no tratadas. Las medias más altas las obtuvo el tratamiento producido con fibras sometidas a 24 horas de inmersión en agua a temperatura ambiente. Cabe destacar además, que ninguno de los tratamientos logró cumplir con los requisitos recomendados por el proceso de Bison, de 9 MPa para el módulo de ruptura y 3.000 MPa para el módulo de elasticidad, lo que indica que estos compuestos deben aplicarse para propósitos que no requieren resistencia mecánica.

En comparación con los valores mencionados en la literatura, se observa que los valores promedio obtenidos para el módulo de resistencia a la flexión y elasticidad a partir de la prueba de flexión estática de los paneles reforzados con fibras de curauá fueron considerablemente más altos en comparación con los paneles reforzados con coco fibra de (Ferraz et al. 2011), que obtuvo valores de 1.84 MPa a 2.60 MPa para el módulo de ruptura y de 634.3 a 1.783,1 MPa para el módulo de elasticidad. Sin embargo, en comparación con los paneles de cemento Portland reforzados con partículas de madera, los valores fueron inferiores a los obtenidos por (Okino et al. 2004), quienes evaluaron los paneles de Hevea brasiliensis, los de (Iwakiri y Prata 2008) que estudiaron las propiedades de los paneles de cemento de madera producidos con Eucalyptus grandis, y también los de (Iwakiri et al. 2012) utilizando partículas de madera de Schizolobium amazonicum y Cecropia hololeuca en la matriz cementosa.

Conclusiones

Basados en los resultados obtenidos en el presente estudio, se puede concluir lo siguiente:

Es posible usar fibras de curauá para la producción de composites cementosos.

El análisis de las propiedades de la fibra arrojó que esta especie tiene un alto contenido de sustancias extraíbles, lo que puede causar una incompatibilidad con el cemento, y una baja densidad aparente, lo que produce compuestos no deseables con altos porcentajes de adición de este material lignocelulósico.

Es posible adicionar un 10% de fibras de curauá para reforzar la matriz cementicia en la fabricación de paneles de cemento-madera.

El tratamiento químico de las fibras mejora las propiedades físicas de los compuestos.

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Recibido: 03 de Agosto de 2017; Aprobado: 10 de Marzo de 2018

1Autor de correspondencia: elainelengowski@yahoo.com.br

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