Tesis:
Caracterización de fibras de Aphandra natalia para refuerzo de morteros cementicios de edificación
- Autor: BALCÁZAR ARCINIEGA, Cristian André
- Título: Caracterización de fibras de Aphandra natalia para refuerzo de morteros cementicios de edificación
- Fecha: 2020
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: AEROTECNIA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/66751/
- Director/a 1º: HERNÁNDEZ OLIVARES, Francisco
- Director/a 2º: PINILLA MELO, Javier
- Resumen: Esta tesis en correspondencia con el uso de recursos naturales renovables para reducir el efecto perjudicial de los materiales sintéticos en el medio ambiente encontró el desafío en estudiar una fibra poco común como la de Aphandra natalia. Además, convertir los subproductos de los desechos agrícolas como las cenizas de cáscara de arroz (RHA1), y los subproductos de los desechos de la construcción como el polvo fino de mortero de cemento calcinado reciclado (BRMF2), en productos de utilidad para morteros cementicios de edificación. Se abordaron las propiedades físicas, mecánicas y de microestructura de las fibras, su durabilidad en medios alcalinos, y su desempeño en morteros de cemento, sin tratar, con tratamiento alcalino, y con una capa de recubrimiento de agentes hidrófugos y materiales cementantes suplementarios (SCM3). En primer lugar, las fibras se clasificaron por su grosor4 en seis rangos de frecuencias relativas, después fueron ensayadas a tracción, y examinadas mediante microscopía electrónica, y microscopía electrónica de barrido (SEM5). Se utilizó el módulo de Weibull para cuantificar el grado de variabilidad de la resistencia a la tracción, módulo de Young, y deformación de rotura en relación a los defectos sobre la superficie y la microestructura de las fibras. Los estudios fueron complementados con los análisis de densidad, absorción de agua, y contenido de humedad. Se reconocieron fibras con su microestructura completa y fibras fragmentadas o separadas. Se detectó en las fibras con su microestructura completa, que la médula y los defectos que conlleva su presencia sobre la superficie aumenta la probabilidad de falla a una tensión inferior que las fibras con microestructura fragmentada. También se encontró una relación inversamente proporcional entre los valores de la media de la resistencia a la tracción y la media del módulo de Young obtenidos del análisis estadístico Weibull, y la media aritmética del grosor y el área de la sección transversal en el plano de fractura de las fibras ensayadas a tracción en relación a los seis rangos de frecuencia. Los valores más altos de resistencia a la tracción y módulo de Young corresponden a las fibras más finas, sin embargo, los valores más altos de deformación de rotura corresponden a las fibras más gruesas. En segundo lugar, se caracterizaron los SCM: RHA, BRMF, y humo de sílice (SF6). Se analizaron sus propiedades químicas a través de la técnica de espectroscopia de fluorescencia de rayos X (FRX7), se determinó la distribución del tamaño de partícula por tamizado, se observó la morfología de las partículas a través de microscopía óptica, y se analizó la efectividad puzolánica como sustituto de cemento a través de la medición del pH de soluciones de agua- cemento, y soluciones agua – cemento – SCM. Los tres SCM disminuyeron la alcalinidad del cemento, sin embargo, RHA y SF por su composición química rica en sílice y una mejor calidad de partícula mostraron mejores resultados que BRMF. Finalmente, se determinaron los valores de las propiedades físicas (densidad aparente, porosidad abierta, coeficiente de absorción de agua por inmersión, y capilaridad), y mecánicas (resistencia a la flexión y módulo de elasticidad) de los morteros endurecidos con fibras sin tratar, con fibras tratadas con hidróxido de calcio, y con fibras recubiertas con una capa de látex de caucho natural (NRL8) - SCM, y aceite de linaza (LO9) - SCM. Después de los ensayos de resistencia a la flexión las probetas de mortero fibroso fueron divididas en dos partes, las fibras expuestas en el punto de fractura fueron separadas del hormigón y observadas mediante microscopia electrónica, mientras que una de las partes de las probetas fue usada para determinar las propiedades físicas, la otra fue triturada para obtener el valor del pH de la solución de poros. A la par, se estudió la durabilidad de las fibras en un medio alcalino. Las fibras sin tratar, tratadas con hidróxido de calcio, y recubiertas con una capa de NRL - SCM, y LO - SCM fueron sumergidas en una solución de hidróxido de sodio por 98 días pesándolas cada 7 días. Tanto los ensayos de capilaridad, pH de la solución de poros de los morteros triturados, y de durabilidad de las fibras en medios alcalinas se realizaron con el propósito de predecir con ayuda de artículos científicos la durabilidad de los morteros fibrosos investigados. Los resultados mostraron, primero, que el recubrimiento de las fibras con una capa de NRL- SCM mejoró la resistencia a la flexión de los morteros endurecidos a 28 días de curado, también disminuyó la degradación de las fibras en medios alcalinos en relación a las fibras sin tratar, a las fibras tratadas con hidróxido de calcio, y a las fibras recubiertas con una capa de LO - SCM; segundo, NRL presentó mayor compatibilidad con los SCM que LO; tercero, NRL fue mejor impermeabilizante para las fibras que LO; cuarto, las RHA presentaron mayor compatibilidad con el polímero y el aceite que SF o BRMF; finalmente, el efecto combinado NRL - BRMF mejoró la resistencia a la flexión de los morteros de 28 días de curado, sin embargo después de ese tiempo el incremento de pH de las solución de poros de los morteros triturados en relación a los morteros sin fibras señaló que el efecto puzolánico de BRMF no fue sostenible. Esto guardó correspondencia con los valores del ensayo de la durabilidad de las fibras en un medio alcalino, las fibras recubiertas con una capa de NRL - BRMF presentaron menor pérdida de masa a los 28 días, pero a los 98 días los valores fueron más altos incluso que las fibras sin tratar. Estas observaciones pueden traducirse en un mortero fibroso (NRL-BRMF) con menor durabilidad ante la humedad del agua que los morteros sin fibras, que los morteros con fibras sin tratar, y que los morteros con fibras tratadas con hidróxido de calcio. ----------ABSTRACT---------- This thesis in correspondence with the use of renewable natural resources to reduce the detrimental effect of synthetic materials on the environment found the challenge in studying a rare fiber such as that of Aphandra Natalia. In addition, converting agricultural waste by-products such as Rice Husk Ash (RHA), and construction waste by-products such as Burned Recycled Mortar Powder Fines (BRMF) dust, into utility products for cementitious mortar from edification. The physical, mechanical and microstructure properties of the fibers, their durability in alkaline media, and their performance in cement mortars, untreated, with alkaline treatment, and with a coating layer of water-repellent agents and Supplementary Cementing Materials (SCM) were addressed. First, the fibers were classified by their thickness in six ranges of relative frequencies, then they were tensile tested, and examined by electron microscopy, and Scanning Electron Microscopy (SEM). The Weibull modulus was used to quantify the degree of variability of the tensile strength, Young's modulus, and breaking strain in relation to the defects on the surface and the microstructure of the fibers. The studies were complemented with the analysis of density, water absorption, and moisture content. Fibers with their complete microstructure and fragmented or separated fibers were recognized. In the fibers with their complete microstructure it was detected that the medulla and the defects that its presence entails on the surface increases the probability of failure at a lower tension than the fibers with fragmented microstructure. An inversely proportional relationship was also found between the mean values of the tensile strength and the mean Young's modulus obtained from the Weibull statistical analysis, and the arithmetic mean of the thickness and the cross-sectional area in the fracture plane of the fibers tested in tension in relation to the six frequency ranges. The highest values of tensile strength and Young's modulus correspond to the finest fibers; however, the highest values of breaking strain correspond to the thickest fibers. Second, SCMs: RHA, BRMF, and silica fume (SF) were characterized. Its chemical properties were analyzed through the X-ray fluorescence (XRF), the particle size distribution was determined by sieving, the morphology of the particles was observed through optical microscopy, and the pozzolanic effectiveness as a cement substitute was analyzed by measuring the pH of water-cement solutions and water-cement-SCM solutions. The three SCMs decreased the alkalinity of the cement, however, RHA and SF due to their chemical composition rich in silica and better particle quality showed better results than BRMF. Finally, the values of the physical properties (apparent density, open porosity, coefficient of absorption of water by immersion, and capillarity), and mechanical (flexural strength and modulus of elasticity) of the hardened mortars with untreated fibers were determined. With fibers treated with calcium hydroxide, and with fibers coated with a layer of Natural Rubber Latex (NRL) - SCM, and Linseed Oil (LO) - SCM. After the flexural strength tests, the fibrous mortar specimens were divided into two parts, the fibers exposed at the fracture point were separated from the concrete and observed by electron microscopy, while one of the parts of the specimens was used to determine the physical properties, the other was crushed to obtain the pH value of the pore solution. At the same time, the durability of the fibers in an alkaline environment was studied. The untreated fibers, treated with calcium hydroxide, and covered with a layer of NRL-SCM, and LO-SCM were immersed in a sodium hydroxide solution for 98 days, weighing them every 7 days. Both the capillary tests, the pH of the pore solution of the crushed mortars, and the durability of the fibers in alkaline media were carried out with the purpose of predicting, with the help of scientific articles, the durability of the fibrous mortars investigated. The results showed; first, that the coating of the fibers with a layer of NRL-SCM improved the flexural strength of the hardened mortars at 28 days of curing, it also decreased the degradation of the fibers in alkaline media in relation to the fibers untreated, to fibers treated with calcium hydroxide, and to fibers coated with a layer of LO – SCM; second, NRL presented greater compatibility with SCMs than LO; third, NRL was better waterproofing for the fibers than LO; fourth, RHAs showed greater compatibility with the polymer and oil than SF or BRMF; finally, the combined NRL - BRMF effect improved the flexural strength of the mortars after 28 days of curing. However, after that time, the increase in pH of the pore solution of the crushed mortars in relation to the mortars without fibers indicated that the pozzolanic effect of BRMF was not sustainable. This corresponded to the values of the fiber durability test in an alkaline medium, the fibers coated with a layer of NRL-BRMF presented less mass loss at 28 days, but at 98 days, the values were even higher than untreated fibers. This can translate into a fibred mortar with less durability in the face of water humidity than mortars without fibers and mortars with untreated fibers and treated with calcium hydroxide. These observations can be translated into a fibrous mortar (NRL-BRMF) with less durability in the face of water humidity than mortars without fibers, than mortars with untreated fibers, and than mortars with fibers treated with calcium hydroxide.