Autor: HURTADO FIGUEROA, Oswaldo
Título: Confección de paneles constructivos a base de un compuesto natural reforzado con paja de arroz y fibras de pseudotallo del plátano en matriz arcillosa
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE EDIFICACIÓN
Departamento: TECNOLOGIA DE LA EDIFICACION
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/92085/
Director/a(s):
- Director/a: COBO ESCAMILLA, Alfonso
- Director/a: VARUM, Humberto Salazar Amorim
Resumen: La presente tesis doctoral muestra los resultados investigativos que dieron origen a la elaboración de paneles constructivos con matriz arcillosa reforzados con paja de arroz y fibras de pseudotallo de plátano. Green composite con características compostables que puede sustituir los paneles de yeso cartón y fibrocemento usados en el sistema constructivo Drywall o construcciones livianas en seco. La investigación contemplo el cumplimiento de 5 objetivos específicos de los cuales los 4 primeros fueron divulgados mediante publicaciones en revistas de alto impacto. En el primer objetivo se mejoró la topografía superficial de la paja de arroz mediante proceso de mercerización. Se determinó la incidencia del proceso alcalino en la eliminación de lignina, hemicelulosa, ceras e impurezas presentes en la paja de arroz. Se concluyó que tratamientos alcalinos al 2% en masa con exposición en solución a 2 horas, generan rugosidad superficial en fibras vegetales mejorando su anclaje con la matriz. En contraste, altos % de hidróxido de sodio y mayores tiempos de exposición promueven el desprendimiento de microfibrillas de celulosa. Característica que disminuye considerablemente propiedades mecánicas. En el segundo objetivo se estabilizo la matriz arcillosa mediante adición de carboximetilcelulosa, almidón de yuca y cal hidratada. Las mezclas fueron conformadas por 97% en peso de arcilla y 3% en peso de adiciones. Las adiciones comprendieron el 0.75%, 1.5%, 2.25% y 3% del peso total de las mezclas. Se concluyo en la importancia del carboximetilcelulosa y almidón de yuca como agentes de acoplamiento que evitan desprendimientos de partículas. Estos elementos orgánicos mejoraron el comportamiento mecánico de mezclas. En contraste, la adición de cal hidratada, genero desprendimientos de partículas disminuyendo la resistencia mecánica. La adición de cal aumento el % de absorción de humedad por capilaridad. En el tercer objetivo se mejoraron las propiedades fisicomecánicas de las fibras de pseudotallo de plátano. El incremento de resistencia mecánica se realizó mediante proceso de mercerización. Las fibras fueron sumergidas en 3 soluciones alcalinas NaOH 4%, 5% y 6% durante 2 horas. Los ensayos mecánicos indicaron que la solución NaOH 5% mejoro considerablemente las propiedades de las fibras en comparación con las demás soluciones. En el cuarto objetivo se realizó un estudio experimental mediante el ensayo de arrancamiento. Se identifico la tensión de adherencia de la paja de arroz y su longitud optima de trabajo. El ensayo consistió en embeber fibras de paja de arroz en matriz arcillosa para ser arrancadas. Las longitudes embebidas fueron 5 mm, 10 mm y 15 mm. Longitudes que corresponden al 50% de la longitud de trabajo de la fibra. Se concluyo la importancia de la longitud de fibra y el tratamiento alcalino en la interacción fibra-matriz. La microscopia electrónica identifico el anclaje de matriz en zonas rugosas de fibras tratadas químicamente. En contraste, se evidencio falta de adherencia de matriz en superficies de fibras no tratadas. En el quinto y último objetivo, se elaboraron paneles experimentales de 200 mm de largo y 100 mm de ancho. Los espesores de los paneles fueron variados, 9.5 mm, 12.7 mm y 15.9 mm, mismos espesores de los paneles de yeso cartón comercializados. Los elementos para la elaboración de los paneles fueron seleccionados con base en los resultados de los objetivos anteriores. Se evaluó la resistencia mecánica, conductividad térmica, absorción acústica, biodegradación y compostabilidad de los paneles experimentales. Los mismos ensayos se realizaron a paneles de yeso cartón. Los resultados permitieron realizar un análisis comparativo. El desarrollo de este último objetivo concluyo en la incidencia de la paja de arroz y las fibras de pseudotallo de plátano y su tratamiento alcalino en las propiedades termo-acústicas y mecánicas del panel experimental. ABSTRACT This doctoral thesis shows the research results that gave rise to the development of construction panels with clay matrix reinforced with rice straw and plantain pseudostem fibers. Green composite with compostable characteristics that can substitute the gypsum board and fiber and cement panels used in the Drywall construction system or light steel framing. The research contemplated the fulfillment of 5 specific objectives, the first 4 were disclosed through publications in high impact journals. In the first objective, the surface topography of rice straw was improved by mercerization process. The incidence of the alkaline process in the elimination of lignin, hemicellulose, waxes and impurities present in the rice straw was determined. It was concluded that alkaline treatments 2% by weight with exposure in solution 2 hours, generate surface roughness in vegetable fibers improving their anchorage with the matrix. In contrast, high % sodium hydroxide and longer exposure times promote the detachment of cellulose microfibrils. This characteristic considerably decreases mechanical properties. In the second objective, the clay matrix was stabilized by adding carboxymethylcellulose, cassava starch and hydrated lime. The mixtures were made up of 97% by weight of clay and 3% by weight of additions. The additions comprised 0.75%, 1.5%, 2.25% and 3% of the total weight of the mixtures. The importance of carboxymethyl cellulose and cassava starch as coupling agents that prevent particle detachment was concluded. These organic elements improved the mechanical behavior of mixtures. In contrast, the addition of hydrated lime generated particle detachment, decreasing the mechanical strength. The addition of lime increased the % of moisture absorption by capillarity. In the third objective, the physicomechanical properties of plantain pseudostem fibers were improved. The increase in mechanical strength was achieved by mercerization process. The fibers were immersed in 3 alkaline solutions NaOH 4%, 5% and 6% for 2 hours. The mechanical tests indicated that the 5% NaOH solution considerably improved the properties of the fibers compared to the other solutions. In the fourth objective, an experimental study was carried out by means of the pull-out test. The adherence tension of the rice straw and its optimum working length were identified. The test consisted of embedding rice straw fibers in clay matrix to be pulled out. The embedded lengths were 5 mm, 10 mm and 15 mm. These lengths correspond to 50% of the working length of the fiber. The importance of fiber length and alkaline treatment on fiber-matrix interaction was concluded. Scanning electron microscopy identified matrix anchorage in rough areas of chemically treated fibers. In contrast, lack of matrix adhesion was evidenced on untreated fiber surfaces. In the fifth and last objective, experimental panels of 200 mm long, 100 mm wide were made. The thicknesses of the panels were varied, 9.5 mm, 12.7 mm and 15.9 mm, the same thickness of commercially available gypsum board panels. The elements for the elaboration of the panels were selected based on the results of the previous objectives. The mechanical resistance, thermal conductivity, acoustic absorption, biodegradation and compostability of the panels were evaluated. The same tests were performed on gypsum board panels. The results allowed a comparative analysis to be made. The development of this last objective concluded in the incidence of rice straw and plantain pseudostem fibers and their alkaline treatment on the thermoacoustic and mechanical properties of the experimental panel.