PALABRAS CLAVE: Fibra de bagazo de caña de azúcar; Materiales compuestos; Materiales de construcción.

ABSTRACT: A material composite of concrete cane bagasse fiber was prepared, where the fibers presented a random distribution within the composite. We studied the influence of the size and the fiber addition expressed in percentage of the gross weight, the resistance to compression and the density of the material. This it studied found that with fibers retained by the sieve N° 6, and with an addition between 0.5 and 2.5% of fibers in relation to the gross weight of the heavy aggregate, it offered a resistance between 16.8 and 8,6MPa, to the 14 days of setting, and between 141 and 336 kg/m³in its density compared with a concrete heavy of 2400 kg/m³.

KEYWORDS: Sugar cane bagasse fiber; Composite materials; Building materials.

En consecuencia con el desarrollo sostenible y la posibilidad de utilizar materiales alternativos de construcción, que permitan reducir la extracción y uso de materiales convencionales, se presenta la necesidad de continuar investigando en el campo de materiales que permitan no solamente reducir costos sino que brinden seguridad en cuanto a sus propiedades y necesidades de resistencia según sus usos.

Para tales efectos, existe la posibilidad de uso de fibras naturales en concretos y morteros las cuales han tenido un amplio estudio desde los años 70’s, entre las cuales se tienen las fibras de coco, plátano, bagazo de caña y algunos tipos de bambúes.

Un hormigón o concreto es un material compuesto de partículas grandes formado por una matriz continua cementante que une a un agregado de partículas (agregado u árido fino o arena, y agregado o árido grueso).

En este sentido amplio, la matriz cementante o aglutinante podrá ser de naturaleza cerámica (cementos Pórtland, yeso, cal hidratada, arcilla, azufre entre otros), polimérica (resina epóxica, acrílico, polipropileno, betún, brea o asfalto, etc), y metálica (un metal puro o una aleación) (Sánchez de Guzmán, 1993).

Se denomina bagazo al residuo de materia después de extraído su jugo. Una clase de bagazo es el residuo leñoso de la caña de azúcar. En estado fresco estos bagazos contienen un 40% de agua. Suelen utilizarse como combustible de las propias azucareras.

La fibra de la caña de azúcar tiene una significación particular, por cuanto constituye, además de un material combustible para la industria azucarera y otras, una valiosa materia prima para otras industrias tales como la del papel, maderas artificiales entre otros.

El uso de la fibra de bagazo para material manufacturado, es otra alternativa de solución para el uso de este tipo de materiales. Si se compara el uso de las fibras naturales con materiales sintéticos, estas tienen dos grandes ventajas, su baja densidad y su reutilización (J.M.L Reis, 2006).

Según Sera (1990), las características morfológicas y las propiedades físico-mecánicas del bagazo de caña de azúcar, lo catalogan como un material adecuado para ser usado como Fibrorefuerzo.

En la Tabla 1, se dan a conocer las propiedades mas significativas del bagazo de caña, las cuales sirven de base para el aprovechamiento y manipulación de este tipo de material.

Tabla 1. Propiedades de la Fibra del Bagazo de Caña (Sera, 1990).
Table 1. Properties of the Fiber of the Cane Bagasse (Sera, 1990).

La necesidad de obtener materiales alternativos al concreto reforzado convencional se han incrementado; y, en esa búsqueda de alternativas, el concreto reforzado con fibras presenta las características de una solución con viabilidad técnica y económica. Así, se han utilizado ya, fibras de acero, fibras de vidrio, fibras de carbón, fibras minerales y naturales (madera, yute, bambú, coco, henequén, asbesto, lana, entre otros), fibras de polipropileno y muchas otras fibras sintéticas como el Nylon y Poliéster (Cepeda, R. 1997).

La alta alcalinidad de la pasta de cemento Pórtland, aunque protege a las fibras de acero de la corrosión afecta a otros tipos de fibras deteriorándolas con el paso del tiempo como es el caso de las fibras de vidrio y las fibras naturales celulósicas. Este último ocurre por la degradación que sufre la fibra natural debida al ataque químico que con el tiempo le produce el agua alcalinizada por los elementos alcalinos contenidos en el cemento (Gram & Hans, 1988).

Los procesos de mineralización (petrificación) mejora indudablemente la adherencia entre la fibra y la matriz. De este modo, la fibra se rigidiza y fragiliza a medida que transcurre el tiempo, aunque se hace más resistente. Como consecuencia, disminuye la alta tenacidad o capacidad de absorción de energía producida en el compuesto inicialmente por la incorporación de las fibras. Sin embargo, la Resistencia a la Flexión y el Módulo de Elasticidad se incrementan comparativamente (Gram & Hans, 1988).

Se han obtenido algunas prácticas con el fin de minimizar los procesos de deterioro de las fibras vegetales en la matriz de concreto por efectos de alcalinidad, y buscando que el fraguado del cemento no se vea afectado, utilizando par ello el lavado del material. (Beraldo, 1997).

Para evitar estos agrietamientos en las matrices concreto-fibras naturales como es el bambú, tanto en los procesos de armado y curado, se han utilizado varios tipos de tratamientos con diferentes grados de usos, entre los cuales se encuentran algunas cloruros y capas finas de Igol-T o negrolin, los cuales han mejorado la relación entre la interfase bambú-concreto por encima del 90% (Pereira da Rosa, 2002).

Igualmente, Beraldo (2004), realizó experimentos con partículas de fibras naturales como son el bambú para evitar la incompatibilidad en la matriz cemento-bambú, utilizando para ello varios tipos de tratamientos, donde se obtuvo como mejor resultado el lavado realizado con solución de cloruro de calcio al 5% por 24 horas en el cual fueron inmersas las fibras de bambú.

Esta investigación, corresponde a los resultados de una primera fase de un proyecto global que se viene adelantando en el Departamento de Ingeniería Agrícola y de Alimentos de La Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, el cual tiene como objetivo la caracterización de los concretos reforzados con fibras de bagazo de caña, con el fin de recomendar ampliamente su uso, principalmente a nivel rural. Para ello es indispensable continuar adelantando una serie de investigaciones que permitan encontrar la incidencia de algunos parámetros en la resistencia final del concreto y su comportamiento en el tiempo, como lo son los tipos de tratamientos inhibidores de reacciones químicas en la matriz entre el cemento y el material vegetal, el tipo de arenas, el tipo de cemento a utilizar, las relaciones agua cemento entre otros.

Se pretendió entonces, a partir de este trabajo conocer el comportamiento a compresión del concreto reforzado con fibras de bagazo de caña, aprovechando los grandes volúmenes de desechos provenientes de la agroindustria de beneficio de caña de azúcar, que se generan en algunas zonas del país, especialmente en las regiones del Valle, Santander y algunas zonas de Antioquia,

2.1 Localización
El presente trabajo se llevo a cabo en el laboratorio de Construcciones de la Facultad de Arquitectura de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín.

2.2 Metodología
Se realizaron ensayos para determinar la resistencia a la compresión en cilindros de concreto reforzado con fibras de bagazo de caña, para ello se preparó una mezcla con la variedad de caña Integral RD 7511 y concreto 1:2:3 bajo la norma NI 550 y 673.

Se fabricaron probetas en concreto 1:2:3, (cemento, arena y grava) adicionando las fibras retenidas por el tamiz N°4 ( 4,76 mm ) y el tamiz N°6 ( 3,56 mm ) cuyo porcentaje de fibras en relación con el peso del agregado grueso adicionado para cada probeta, fue del 0,5, 2,5 y 5,0 %.

Estos porcentajes fueron definidos una vez realizado ensayos preliminares, y fueron los que mejores resultados han dado en estudios con otras fibras realizados por Juárez et al (2004) y Beraldo (2004), y se elaboraron unas probetas testigos, con la misma relación de concreto.

Partículas de bagazo. El bagazo seleccionado presentó un porcentaje de humedad promedio del 35% en base seca.

Se realizó un lavado previo de las fibras a utilizar como fibrorefuerzo para eliminar la presencia de carbohidratos libres luego se efectuó el secado del bagazo para evitar problemas de ataque de hongos y plagas, siguiendo las recomendaciones realizadas por Juárez, et al (2004).

Posteriormente, se efectuó un corte en la fibra entre 15 y 25 mm de longitud, cuyas dimensiones son recomendadas por Juárez et al (2004), y las que mejor comportamiento presentaron después de realizar ensayos preliminares.

Tratamiento aplicado a las partículas. Las partículas o fibras de bagazo fueron inmersas en Hidróxido de calcio al 5,0 % durante 24 horas a una temperatura de laboratorio de 24°C , para darle una protección del medio alcalino de la pasta de cemento.

Cemento. Se utilizo el cemento Pórtland tipo I, con adiciones de cloruro de calcio al 3%.

Elaboración de la mezcla. Para la elaboración de los cilindros se caracterizaron las arenas y el triturado empleado en la elaboración de las mezclas, utilizando las mallas recomendadas por la norma 174 dada por Icontec (2000) citadas por el IPC (1994).

Se creo una mezcla patrón manteniendo una relación de cemento, arena y grava de 1:2:3 y una relación Agua/Cemento (a/c) de 0,55 recomendada por Fördös (1988) de tal manera que la cantidad de agua diera a la mezcla un fácil manejo a la hora del mezclado, vaciado y desmoldado, además de una resistencia óptima, manteniendo siempre constantes la humedad en cada uno de estos elementos.

A la mezcla compuesta por concreto y partículas de bagazo se le adicionó cloruro de calcio al 3,0 %, en relación a la masa de cemento como acelerante del fraguado, siguiendo las recomendaciones realizadas por Beraldo (2004); obteniéndose finalmente fibras con una humedad superior al 100% con el fin de evitar la perdida de trabajabilidad y una incompatibilidad química entre la fibra y el cemento.

Para la elaboración de los cilindros del 0.5, 2,5 y 5,0% con adición de fibra como reemplazo en parte del agregado grueso, se mantuvo una relación en la mezcla de 1:2:2,98:0,015; 1:2:2,92:0,075 y 1:2:2,85:0,15 (cemento, arena, grava y fibra) respectivamente. Se elaboraron 6 tipos de mezcla, en donde permanecieron constantes la cantidad de cemento, arena y la relación a/c, variando únicamente la cantidad de agregado grueso, representado en peso de la fibra de bagazo. En la Tabla 2, se da a conocer el peso en gramos del bagazo seco, agregado a cada uno de los diferentes cilindros.

Tabla 2. Peso de la fibra en gramos para cada cilindro.
Table 2. Weight of the fiber in grams for each cylinder.

La distribución de las fibras de bagazo de caña en la matriz de concreto se presento de manera aleatoria como se puede ver en la Figura 1.

Figura 1. Distribución de fibras en el material compuesto.
Figure 1. Fiber distribution in the composite material.

2.3 Procedimiento Para El Montaje De Los Cilindros De Prueba
Previamente al llenado de los moldes, estos fueron impregnados con una película delgada de aceite mineral; y se seleccionó la muestra de hormigón para el ensayo a compresión, según norma Icontec 454.

Los cilindros preparados permanecieron en reposo y después 24 horas de haber sido elaborados se procedió a desmoldarlos. Inmediatamente después los cilindros fueron sometidos a un proceso de curado en tanques de agua durante 14 días.

Ensayo de las probetas. Para el ensayo de las probetas a compresión, se utilizo las normas Icontec 550 y 673, para lo cual se utilizó probetas cilíndricas de diámetro igual 6” ( 15 cm .) y altura igual a 12” (30cm.) (ver Figura 2).

Figura 2. Ensayo a compresión para obtener la resistencia del compuesto.
Figure 2. Test to compression to obtain the resistance of the composite.

Para cada tamaño de fibra (tamiz N°4 y N°6) se elaboraron tres probetas, con contenidos de fibra al 0.5, 2.5 y 5% del peso total del agregado grueso.

A cada probeta le fue determinada la resistencia a la compresión axial, a los 14 días de fraguado del compuesto, fallada para esto en la prensa hidráulica o maquina universal de ensayos, bajo la norma N, I. 550 y 673.

Análisis Estadístico. El modelo estadístico utilizado correspondió a una Análisis de Variancia ANOVA de 2², con tres repeticiones, con un α = 0,05, es decir un nivel de confianza del 95%. Este modelo permitió definir la incidencia de cada uno de los factores más representativos en la resistencia a la compresión y su interacción.

El valor de n fue probado para n=3 y se obtuvo una potencia deseada mayor o igual a 95%, por lo que el tamaño muestral fue considerado como adecuado.