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Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Avellaneda - Secretaría de Ciencia, Tecnología y Posgrado

Desarrollo de materiales compuestos en base a tierra cruda incorporando residuos de explotaciones agrícolas.

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Desarrollo de materiales

Pablo Costamagna*1, Araí Rieppi1, Santiago Cabrera2

1 UTN FRVT, Laprida 651, CP S2600, Venado Tuerto, Santa Fe, Argentina,
2 UTN FRSF, Lavaise 610, S3004, Santa Fe, Santa Fe, Argentina.
* Autor a quien la correspondencia debe ser dirigida: pablocostamagna@gmail.com

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Resumen

En este trabajo se reportan las propiedades mecánicas de un material compuesto (tierra, cemento y residuos de explotaciones agrícolas) apto para múltiples aplicaciones en el campo de la construcción, en particular para la materialización de hormigón de pendiente en azoteas accesibles. En este caso se empleó el marlo de maíz como material liviano dentro del compuesto. Para diferentes dosificaciones se obtuvieron los valores de la resistencia a compresión simple, la trabajabilidad y el costo del material compuesto en función del contenido de agregado grueso (marlo) y la humedad. Para bajas densidades de material se alcanzaron resistencias de rotura de 2 kg/cm2 en promedio, lo que se encuentra dentro del rango de resistencias establecido por la norma CIRSOC 101-2005 para el uso propuesto. El costo del compuesto obtenido fue un 66% más económico que los materiales utilizados tradicionalmente en la construcción.
Palabras Claves: Marlo de maíz, tierra, resistencia a la compresión simple.

Abstract

In this paper, the mechanical properties of a composite material (soil, cement and agricultural residues) suitable for multiple applications in the field of construction, in particular for the materialization of concrete slope on accessible roofs are reported. In this case the maize corn was used as a light material inside the compound. For different dosages, the values of the simple compressive strength, the workability and the cost of the composite material were obtained according to the content of coarse aggregate (marlo) and humidity. For low material densities, breaking strengths of 2 kg / cm2 were reached on average, which is within the range of resistance established by the CIRSOC standard 101-2005 for the proposed use. The cost of the compound obtained was 66% cheaper than the materials traditionally used in construction.
Key-words: maize corn, soil, simple compressive strength

Introducción

En la historia y en los diferentes campos de la construcción, el hombre ha utilizado la tierra estabilizada.
La misma se ha logrado principalmente de dos maneras, compactándola o incorporando otros materiales para otorgarle mayor resistencia, entre los que se encuentran las fibras vegetales, las cenizas, los productos orgánicos, la mezcla con otro tipo de suelos y también la incorporación de cal y cemento. Las Facultades Regionales de Santa Fe y Rafaela vienen trabajando en la temática de la tierra cruda como material de construcción desde el año 1999. Específicamente han trabajado con compuestos de tierra y residuos bentoníticos producidos durante la ejecución in situ de fundaciones profundas; habiendo desarrollado y adecuado diversas tecnologías para su uso y transferencia al sector social (Minke, 2000). De nuestro conocimiento no existen trabajos reportados sobre el desarrollo y uso de compuestos en base a tierra cruda que incorporen residuos de la explotación agrícola como el marlo como materiales livianos.
Desde 2015 el grupo Hormiterra de FRVT implementó el marlo de maíz como agregado grueso liviano en la pasta tierra-cemento. En la primera etapa del estudio se realizaron y se analizaron mezclas con diferentes proporciones y tipo de agregado grueso liviano (marlo, cascotes y poliestireno expandido). Esto con el fin de comparar sus propiedades mecánicas y su costo por metro cúbico con otros materiales tradicionales de relleno (tierra-cemento y hormigón pobre). Finalmente, basados en los resultados, se sugirieron algunas posibilidades de aplicación del material compuesto por tierra, cemento y marlo de maíz, como su uso para la construcción de contra-pisos y de rellenos de pendiente en azoteas (Rieppi et al., 2015).
En este trabajo se reportan valores medidos de las propiedades mecánicas del material compuesto.
Teniendo en cuenta el uso recomendado del mismo, se variaron las partes de agua y de agregado grueso para encontrar la dosificación óptima (trabajabilidad, baja densidad y resistencia necesaria). Para ello se determinó la densidad y la humedad de las mezclas estudiadas y se realizaron ensayos de compresión para conocer las cargas de fisura y rotura. Eventualmente se realizó un control de los microorganismos que se presentan en el material durante su proceso de secado.

Desarrollo

Objetivos

El objetivo de la investigación fue encontrar un material cuya forma de preparación en obra fuese similar al hormigón convencional, pero que tuviera una importante proporción de tierra en su composición junto a una reducida concentración de aglomerantes comerciales; y que además tuviera un bajo impacto sobre el medio ambiente. En este sentido se adoptó como agregado grueso un residuo agrícola muy abundante a nivel regional como lo es el marlo de maíz, que implica un costo cero de utilización y un aporte al cuidado del medio ambiente.
Se propuso su utilización para la materialización de hormigón de pendiente o contrapiso en azoteas accesibles o entrepisos, por lo que se buscaron ciertas características especiales en el compuesto: resistencia necesaria, baja densidad y bajo costo.

Materia prima

El suelo utilizado para realizar las muestras provino de una única cantera para limitar la variabilidad en el comportamiento del mismo. Se procedió a realizar una clasificación del suelo empleando para ello el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) (Juárez y Rodríguez, 2005). Dicha clasificación arrojó como resultado un suelo del tipo limo de baja plasticidad (ML). La humedad inicial del suelo utilizado fue de 7,2 % Esta se obtuvo mediante el pesado y secado del mismo como lo estipula la norma IRAM 10519 (1970). Antes de su utilización en la mezcla se procedió a moler los grumos de suelo formados, de manera de lograr una granulometría uniforme para el correcto mezclado de las partes.
Se procedió a preparar los residuos de marlo de maíz utilizados como agregado grueso en la mezclas. La primera partida de marlo se recibió molida ya que así queda el desecho del proceso de donde se obtiene. En la segunda recibimos el marlo entero por lo que se procedió a molerlo manualmente para obtener una granulometría aproximada a la primera partida. Cabe destacar que esta fue la única alteración que se le provocó al residuo. La Fig. 1 muestra una fotografía de este material junto a una escala para caracterizar su geometría.
Se obtuvo la humedad inicial del agregado mediante el método de la norma IRAM 10519 (1970), lo que arrojó una humedad inicial de 15,13%.
Se determinó la granulometría a través del proceso de tamizado, el cual consistió en utilizar una serie de tamices con mallas de diferentes anchos de entramado que fueron ensamblados en una columna. En la parte superior, donde se encontraba el tamiz de mayor entramado, se agregó el marlo de maíz y la columna de tamices fue colocada sobre un vibrador mecánico, el cual además de generar vibraciones realizaba movimientos rotatorios intensos. Luego de terminado el ensayo
se pesó el material retenido en cada uno de los tamices. Los resultados obtenidos en este ensayo se detallan en la Tabla I. El peso total de la muestra que se analizó fue aproximadamente 496.4 gr.

Agregado grueso-marlo de maíz natural

Figura 1. Agregado grueso-marlo de maíz natural

De acuerdo a la experiencia y a estudios realizados anteriormente, como así también la vasta bibliografía sobre el tema, se adoptó como material estabilizante al cemento en una proporción de 10%, para asegurar rigidez y resistencia a la erosión del compuesto final.

Tamaño del agregado grueso.

Tabla l. Tamaño del agregado grueso.

Preparado de la mezcla

En esta etapa se definieron las dosificaciones de los materiales en cada mezcla, se mantuvieron constantes las proporciones de tierra y cemento, variando la del agregado grueso (marlo) y el porcentaje de agua para lograr la “trabajabilidad” en la mezcla resultante (ver Tabla II). La trabajabilidad de la mezcla se determinó según el ensayo del cono de Abrams (Bascoy, 1992) (ver Fig. 2). Para realizar este procedimiento se llenó el molde en tres capas y se apisonó cada capa con 25 golpes de una varilla-pisón. Los que fueron distribuidos más o menos uniformemente. La capa inferior se llenó hasta aproximadamente 1/3 y la capa media hasta aproximadamente 2/3 del volumen total del cono. Posteriormente se retiró el cono y se determinó el asentamiento de la mezcla con la ayuda de una regla graduada midiendo la disminución de altura de la mezcla moldeado respecto del cono.
Se adoptó debido a experiencias anteriores, una dosificación inicial fija de 9 partes de tierra y una de cemento, para luego incluir el agregado de marlo. Todas estas proporciones fueron medidas en volumen.
El procedimiento de obtención del compuesto se inicia mediante el mezclado del suelo y el cemento hasta lograr un color uniforme para luego agregar las diferentes proporciones de agregado grueso (10 y 15 partes de marlo) y conjuntamente la cantidad de agua necesaria. Una vez obtenida una mezcla homogénea, se determinó el asentamiento.

Medición del asentamiento con el cono de Abrams.

Figura 2. Medición del asentamiento con el cono de Abrams. (Castianera, 1994)

Composición volumétrica de las mezclas estudiadas.

Tabla II. Composición volumétrica de las mezclas estudiadas.

Ensayo

Obtenidos los datos de asentamiento de las diferentes mezclas estudiadas, se procedió al llenado de las probetas cilíndricas de caño PVC (diámetro~ 100 mm; altura~ 15 cm) con el mismo método que en el cono de Abrams. Se dejaron reposar en ambiente de laboratorio el tiempo necesario para su secado, es decir sin ninguna condición especifica de humedad y temperatura. La
mezcla sobrante fue llevada a un horno para conocer el porcentaje de humedad contenido, a través de la disminución de su masa.
Finalmente, se ensayaron las probetas moldeadas determinando densidad y resistencia a compresión simple (los resultados se muestran en la Tabla lll), empleando una prensa (ver Fig. 3).

Ensayo a comprensión simple.

Figura 3. Ensayo a comprensión simple.

Comparación de datos estadísticos

Tabla III. Comparación de datos estadísticos.

Resultados

Hongos

Como observación podemos destacar que en el proceso de moldeado y tiempo de secado de las probetas, surgieron hongos superficiales que se mantuvieron mientras la mezcla estuvo húmeda (ver Fig. 4). Esto no presentó grandes limitaciones ya que a medida que la probeta se iba secando, los mismos desaparecían.

Probetas afectas con hongos.

Figura 4. Probetas afectas con hongos.

Costos

Se determinó el costo por m3 de la mezcla con marlo para su comparación con hormigón pobre (ver Tabla lV). Para obtener los valores mostrados se tuvieron en cuenta los pesos que utilizamos de cada material en las mezclas. Los cálculos se realizaron con precios actualizados a junio de 2017.

Detalle del cálculo de costos aproximados.

Tabla lV. Detalle del cálculo de costos aproximados.

Discusión

Analizando los resultados arrojados por las muestras ensayadas realizamos una serie de determinaciones.
Principalmente podemos mencionar que la resistencia inicial es apta para el uso propuesto, ya que sus valores en promedio superan los 2 kg/cm2 de rotura a los 28 días de su elaboración.
Particularmente en las mezclas 4 y 5 donde se redujo el porcentaje de agregado grueso y de agua, logrando resistencias mecánicas superiores a los 3 kg/cm2. Este valor cumple con lo requerido como sobrecarga mínima uniformemente distribuida para azoteas accesibles privadamente y para azoteas inaccesibles, reglamentada en CIRSOC 101-2005. Este reglamento expresa en el capítulo 4.1 que la sobrecarga mínima a tener en cuenta para dichos usos es de entre 1 y 3 Kn/m2.
En cuanto a la densidad varía al cambiar las proporciones de marlo y agua, dando menor densidad cuando aumentamos ambas. La trabajabilidad disminuye incrementando las partes de marlo y mejora al aumentar el contenido de agua.
Analizando los costos de la mezcla tierra-cemento-marlo y hormigón pobre, el primero resulta aproximadamente un 66% más económico.

Conclusiones

Los resultados de este trabajo indican que los materiales compuestos a base de tierra cruda con la incorporación de residuos de explotaciones agrícolas se encuentran dentro del rango de resistencias establecido por el CIRSOC para el uso propuesto; además fueron un 66% más económico que los materiales utilizados tradicionalmente en la construcción. Por estas dos características, se considera este compuesto apto para la construcción de contra-pisos y de rellenos de pendiente en
azoteas accesibles e inaccesibles. Se aclara que solo se tuvieron en cuenta para la evaluación de este compuesto la resistencia mecánica, como así también la densidad obtenida y el costo para su utilización en obra. No se analizaron otras cuestiones como la degradación del marlo y su influencia en la durabilidad del compuesto en obra.

Reconocimientos

Agradecemos la colaboración brindada por el Departamento de Ingeniería Civil y por la Secretaría de Ciencia, Tecnología y Posgrado de la Facultad Regional Venado Tuerto. Agradecemos la colaboración del Laboratorio de Suelos de la Facultad Regional Venado Tuerto, Dr. Leandro Prevosto, Ing. Oscar Braun.

Referencias

CIRSOC 101.E1:2005. (2005).Reglamento Argentino de cargas permanente y sobrecargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras. Buenos Aires, Argentina: INTI.
RIEPPI. A., MEDINA. F., BEJARANO, R.(2016). Desarrollo de materiales compuestos en base a tierra cruda incorporando residuos de explotaciones agrícolas. Tecnología y ciencia vol. 29. (2015), 253-257.
MINKE, G.(2000). Manual de construcción con tierra. Bariloche: BRC.
JUAREZ BADILLO, E., RODRÍGUEZ RICO, A. (2005). Mecánica de suelos. Tomo I. México: Lumisa. Mecánica de suelos. Método de laboratorio para la determinación de la humedad. (1970) IRAM 10519
BASCOY, D.A. (1992).Tecnología del hormigón fresco. Buenos Aires: Asociación Argentina de Tecnología del Hormigón.
CASTIARENA, A. N. (1994). Curso de tecnología del hormigón. Buenos Aires: Asociación Argentina de Tecnología del Hormigón.

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