Las fibras vegetales pueden aportar a los productos de cemento una combinación diferente de propiedades. Pueden ayudar a distribuir las pequeñas grietas, reducir la densidad y mejorar el comportamiento térmico de algunos materiales para paredes. Además, absorben agua, y muchas fibras naturales sufren cambios en el entorno altamente alcalino del cemento Portland. Un diseño eficaz comienza por determinar qué funciones debe cumplir el producto y, a continuación, probar un tipo de fibra concreto en el aglutinante real.
En Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd., suministramos fibras Ecocretefiber™ para materiales a base de cemento. Nuestra gama de fibras de celulosa es una opción para aquellos fabricantes que buscan una fibra de origen vegetal. La elección sigue requiriendo una aplicación clara y una prueba controlada. Un estudio sobre la investigación en materia de paja, bambú, tallos de colza y otras fibras vegetales muestra por qué no existe una única “hormigón con fibra vegetal”Receta».
¿Qué se considera fibra vegetal en el hormigón?
Una fibra vegetal es una hebra o un fragmento corto procedente de una fuente natural, como la paja, el bambú, el sisal, el yute, la fibra de coco o la celulosa procesada. Sus principales componentes son la celulosa, la hemicelulosa, la lignina y pequeñas cantidades de ceras y otros compuestos. Sus proporciones varían en función de la especie, la cosecha, el procesamiento y el almacenamiento. Dos productos etiquetados como “fibra de celulosa”Por lo tanto, «» puede presentar dimensiones, capacidad de absorción y comportamiento muy diferentes en el cemento.
La forma es tan importante como el origen. Los tallos troceados, las partículas de paja molida y los filamentos cortos de celulosa purificados no proporcionan el mismo refuerzo. Una fibra larga puede cubrir una grieta más ancha, mientras que una fibrilla fina ofrece una mayor superficie de contacto y puede influir en la cohesión de la mezcla fresca. Ninguna de estas características por sí sola demuestra la capacidad estructural del material. Es necesario medir la longitud, la relación de aspecto, la resistencia a la tracción, la adherencia, la dosificación y la dispersión del tipo seleccionado.
Las fibras vegetales también se diferencian de microfibras de polipropileno y a partir de éteres de celulosa solubles. PP monofilamento tiene un perfil de absorción de agua diferente, mientras que el éter de celulosa modifica el comportamiento del mortero frente al agua y su fluidez en forma de polvo. Nuestra guía sobre fibra de celulosa y etilcelulosar explica por qué no se pueden intercambiar en función del peso.
| Forma material | Función principal: evaluar | Principal motivo de preocupación en materia de cualificación |
| Paja o tallos crudos picados | Baja densidad, distribución de grietas o aislamiento en determinados productos | Composición variable, absorción de agua, sustancias extractivas y estabilidad a largo plazo |
| Fibra de celulosa transformada | Control de fisuras a pequeña escala y cohesión de la mezcla | Homogeneidad de la calidad, dosificación, dispersión y compatibilidad |
| Bambú u otras fibras vegetales más largas | Potencial puenteo de fisuras en un compuesto a juego | Adherencia, orientación, movimiento de la humedad y envejecimiento alcalino |
| Microfibra de PP | Control precoz de las grietas gracias a la baja absorción de agua de las fibras | Pruebas de calidad, dosificación y rendimiento del proyecto especificadas |
La comparación describe posibles funciones de diseño, no resultados garantizados. Una especificación debe indicar el nombre del producto concreto y su rendimiento comprobado, y no solo su familia botánica.
Cómo influyen las fibras en la resistencia y el comportamiento frente a las grietas
Las fibras pueden atravesar una grieta en formación y transmitir la fuerza de tracción a medida que se abre la matriz de cemento. Este puente puede modificar la forma en que falla una viga y el número de grietas que se forman. Una red fina y bien distribuida puede ayudar a mantener estrecha una grieta. La fuerza útil depende de si la fibra permanece intacta y de si la interfaz transfiere la carga sin deslizamiento excesivo ni rotura prematura.
Una revisión de 2020 realizada por Bai Shiqi en Nuevas tecnologías y productos de China Se compararon varios ejemplos de investigación. En una serie de ensayos con hormigón con fibra de paja se observó que la resistencia a la compresión, a la tracción por hendidura y a la flexión disminuía a medida que aumentaba el contenido de paja. En otro experimento con fibra de bambú se observó una mejora notable en la resistencia a la tracción por hendidura. Estos resultados pueden coexistir debido a que las fibras, los diseños de la mezcla, los rangos de dosificación y los métodos de ensayo eran diferentes. No utilizaríamos el resultado del bambú para predecir la resistencia de una mezcla con paja.
El estudio también describe un experimento con tallos de colza a baja dosis, con niveles de fibra de 0,11 TP3T, 0,21 TP3T, 0,31 TP3T y 0,41 TP3T. Varias medidas de resistencia aumentaron primero y luego disminuyeron. Los valores máximos de resistencia a la tracción por hendidura y a la flexión registrados se produjeron en torno a 0,21 TP3T por volumen con fibra de entre 20 y 30 mm. Ese es el resultado obtenido con un sistema concreto de tallos de colza. Se trata de no La dosis de celulosa Ecocretefiber™ y el porcentaje en volumen no deben transcribirse a una ficha de producción basada en la masa sin haber realizado los cálculos de la densidad de la fibra y de la mezcla.
¿Por qué puede ser perjudicial un exceso de fibra? Un mayor contenido de material vegetal puede absorber agua de la pasta fresca, reducir la trabajabilidad y provocar la formación de grumos. La mezcla puede entonces atrapar aire o dejar zonas con muy poca pasta alrededor del árido y las fibras. Una densidad menor puede resultar útil para un elemento de pared, pero los huecos adicionales pueden reducir la resistencia a la compresión. El ingeniero debe decidir qué propiedad es prioritaria y mantener las demás dentro de unos límites aceptables.
Para la toma de decisiones estructurales, solicita la resistencia a la compresión medida y la respuesta completa a la flexión en la edad de fraguado elegida. La resistencia máxima a la flexión y la carga residual tras la aparición de fisuras responden a cuestiones diferentes. ASTM C39/C39M-26 abarca la resistencia a la compresión de los ensayos cilíndricos de hormigón pertinentes. ASTM C78/C78M-22 mide la resistencia a la flexión mediante una carga en el tercer punto. Cuando es importante el comportamiento residual de la viga, ASTM C1609/C1609M-24 evalúa hormigón reforzado con fibras a partir de su curva de carga y deformación. El método del proyecto y el tipo de probeta deben ajustarse al producto que se va a homologar.
Las ventajas del aislamiento térmico requieren una comparación adecuada
Algunos compuestos de fibra vegetal presentan una menor conductividad térmica debido a que su estructura retiene más aire y tiene una menor densidad aparente. El estudio de 2020 describe un hormigón de tallos de colza con poros más grandes que una mezcla de referencia y una tendencia hacia una menor conductividad a medida que aumenta el contenido de fibra. Ese mismo cambio en los poros puede afectar a la resistencia y al movimiento del agua. Por lo tanto, es necesario evaluar conjuntamente el aislamiento y la resistencia.
Una comparación citada indica una conductividad térmica de 0,15 W/(m·K) para una pajita bloque de cemento de oxicloruro de magnesio, frente a los 0,81 W/(m·K) de un ladrillo de arcilla y los 1,51 W/(m·K) de un hormigón de referencia según esa fuente. La cifra de 0,15 corresponde a ese bloque de pared concreto y a las condiciones de ensayo en las que se obtuvo. No describe el hormigón de cemento Portland ordinario, todas las mezclas con fibras vegetales ni ningún producto Ecocretefiber™.
Un producto para paredes puede resultar atractivo cuando el objetivo es reducir el flujo de calor y las exigencias estructurales son moderadas. En el caso de un pavimento o de un elemento sometido a cargas elevadas, el equilibrio es diferente. Solicite la conductividad para los niveles de humedad y densidad indicados, las dimensiones de la unidad y los ensayos pertinentes de resistencia a la compresión y durabilidad. La humedad puede alterar el resultado térmico, por lo que un valor obtenido en condiciones de laboratorio en seco puede no ser representativo de una pared expuesta.
Cuando un fabricante se centre en el rendimiento térmico, se deben comparar unidades o paneles totalmente acabados siguiendo un método consensuado. ASTM C518-21 Es un método de medición del flujo térmico para determinar las propiedades de transmisión térmica en régimen estacionario. Elige una configuración de ensayo adecuada y anota las condiciones de acondicionamiento, el tamaño de la probeta, la densidad y la humedad.
La absorción de agua es el primer reto en el diseño de la mezcla
Las fibras vegetales suelen contener poros y grupos hidrofílicos. Pueden absorber agua antes o durante la mezcla. Esto puede reducir el agua libre disponible para humedecer el cemento y el árido, alterar el asentamiento o la fluidez, y hacer que un lote de planta se comporte de forma diferente a un pequeño lote de laboratorio. Durante su uso, la humectación puede hacer que la fibra se hinche y el secado puede hacer que se contraiga. Estos cambios repetidos pueden debilitar la interfaz entre la fibra y la matriz.
El estudio citado describe un compuesto de fibra de paja cuya absorción de agua aumentaba con el contenido de fibra. En un ensayo de tratamiento concreto se observó que el lavado o el tratamiento alcalino reducían la absorción en comparación con las versiones sin tratar. Uno de los valores más bajos registrados fue de 9,321 TP3T tras una inmersión de 12 horas en el caso de una mezcla que utilizaba un 51 TP3T de fibra tratada en una solución de hidróxido de sodio al 41 TP3T. Se trata de un resultado experimental muy concreto. No constituye una predicción general para todos los hormigones con fibra vegetal, ni una fórmula química recomendada para una fábrica.
En la producción, se debe registrar la humedad de la fibra tal y como se recibe, así como su comportamiento de absorción. Un plan de prehumectación, un ajuste controlado del agua o un tipo de fibra diferente pueden mejorar la consistencia, pero cada cambio debe someterse a ensayo. Añadir agua hasta que la mezcla parezca trabajable puede aumentar la relación efectiva entre agua y ligante y reducir la resistencia. En algunas mezclas, puede resultar más adecuado ajustar el superplastificante, siempre que se compruebe su compatibilidad.
Mide la entrada de agua en el hormigón por separado de la absorción de las fibras. ASTM C1585-20 Mide la tasa de absorción de agua por parte del hormigón de cemento hidráulico a través de una superficie expuesta. Resulta útil cuando la aplicación requiere una comparación definida de la sorptividad. No sustituye a la medición de la humedad mediante fibra ni a un programa de durabilidad del proyecto.
Por qué puede ralentizarse la hidratación del cemento
Una fibra vegetal contiene algo más que celulosa. Algunos tallos y otras fibras en bruto pueden liberar azúcares solubles y compuestos procedentes de la hemicelulosa o la lignina en el agua de mezcla. Esos extractos pueden retrasar las reacciones del cemento. La revisión de 2020 cita una investigación sobre la liberación de calor en la que la paja redujo la velocidad máxima de hidratación y disminuyó el calor liberado durante los primeros siete días. Esa observación se aplica a la paja y al aglutinante sometidos a ensayo. Un tipo de celulosa limpia o procesada podría comportarse de forma diferente.
Una mezcla de fraguado más lento puede retrasar el desmoldeo, el acabado o la carga temprana. También puede complicar la producción en climas fríos. Una fábrica debería comparar mezclas sin aditivos y con fibras utilizando el mismo aglutinante, agua, aditivo, temperatura y método de curado. Realice un seguimiento de la fluidez en fresco, el tiempo de fraguado, la resistencia inicial y la resistencia posterior. Si la mezcla utiliza materiales cementosos suplementarios, valide ese sistema de ligante completo en su totalidad, en lugar de dar por sentado que un cambio en el contenido de cemento soluciona cualquier incompatibilidad.
ASTM C403/C403M-23 Permite medir el tiempo de fraguado mediante la resistencia a la penetración en las mezclas de hormigón o fracciones de mortero pertinentes. La calorimetría isotérmica puede aportar información adicional sobre el perfil de liberación de calor. Estos ensayos permiten al equipo determinar si la preparación de la fibra y el aglutinante interactúan adecuadamente en las condiciones de producción previstas.
El problema de la durabilidad frente a los álcalis y la adherencia
La solución intersticial del cemento Portland ordinario es alcalina. Con el paso del tiempo, ese entorno puede atacar los componentes de algunas fibras naturales. La humedad y los ciclos repetidos de humectación y secado pueden agravar aún más el deterioro. Un estudio sobre el sisal en matrices de cemento analizó la degradación en condiciones alcalinas y ricas en minerales, mientras que otros trabajos experimentales han medido el envejecimiento de las fibras naturales bajo exposición alcalina. La vida útil de un compuesto depende de la fibra y la matriz concretas, por lo que un resultado atractivo de resistencia a los 28 días es solo un punto de partida. Lee el estudio sobre la degradación de la matriz de cemento y investigación experimental sobre el envejecimiento.
La superficie de la fibra también puede dificultar la adhesión. Las ceras o los residuos pueden limitar el contacto con la pasta de cemento. Una fibra que se desprende con demasiada facilidad no puede transferir mucha carga a través de una fisura. Sin embargo, una adhesión muy fuerte con una fibra frágil puede provocar la rotura de esta. La mejor interfaz depende de la anchura de la fisura requerida y de la fase de carga.
La limpieza, el tratamiento alcalino controlado, el recubrimiento y el tratamiento mecánico o con plasma de la superficie son posibles métodos. Presentan diferentes costes y efectos. El tratamiento debe evaluarse en cuanto a daños en la fibra, residuos químicos, absorción de agua, compatibilidad con la mezcla y rendimiento a largo plazo. El estudio analiza el plasma frío como método para modificar la química de la superficie, pero no establece un proceso universal ni un beneficio económico para todos los tipos de fibra vegetal.
Un fabricante también puede estudiar modificaciones en el aglutinante, incluidos los materiales cementosos suplementarios adecuados, como parte del diseño de durabilidad. Esto no garantiza automáticamente que un material sea seguro en todas las condiciones de exposición. Combina el acondicionamiento acelerado con las propiedades conservadas de las fibras y los compuestos, y confirma las condiciones de servicio con el ingeniero.
Dónde encajan las fibras vegetales y en qué aspectos es necesario seguir investigando
Los paneles de pared, los bloques ligeros, algunos elementos prefabricados, el yeso y determinados morteros pueden requerir una combinación de menor densidad, cohesión o rendimiento térmico. No obstante, cada producto debe cumplir sus propios criterios de resistencia y humedad. Un elemento estructural de hormigón sometido a cargas elevadas requiere una resistencia mucho mayor, especialmente si el diseño se basa en carga residual tras la rotura. No consideres que todas las fibras vegetales son un sustituto directo de armadura de acero o una fibra sintética macro de fabricación artificial.
Ofrecemos un Fibra de celulosa Ecocretefiber™ opción con longitudes de corte e información sobre calidades publicadas. Se trata de un producto transformado, no de la paja en bruto ni de las muestras de bambú de los estudios citados. Su página de producto puede dar pie a un debate sobre las calidades, mientras que la mezcla elegida requiere su propia verificación. También ofrecemos un una gama más amplia de fibras cuando PP, PVA, acero u otro material se ajusta mejor al objetivo de rendimiento.
Para que el ensayo resulte útil, defina primero el producto final. Seleccione una muestra de referencia sin tratar y al menos dos niveles de fibra. Utilice el mismo aglutinante, árido, tratamiento de curado y control de agua para cada serie. Registre la humedad de la fibra, la dispersión, la fluidez en fresco, el contenido de aire, el peso específico, el fraguado, la resistencia a la compresión y el comportamiento a la flexión. Añade ensayos de absorción, térmicos y de envejecimiento cuando dichas propiedades sean relevantes durante el servicio. Fotografía las probetas fracturadas y anota si las fibras se han desprendido, se han roto o se han agrupado.
A continuación, realiza una prueba de mezcla y colada a escala de planta. La fibra debe dosificarse de forma uniforme, dispersarse sin formar grumos y mantener el acabado deseado. Si la trabajabilidad requiere más agua, rediseña la fórmula y vuelve a realizar las pruebas, en lugar de modificar discretamente la mezcla aprobada. La fórmula ganadora es aquella que cumple todas las propiedades requeridas con un coste y un proceso repetibles.
Preguntas frecuentes
¿Es el hormigón con fibra vegetal siempre más resistente que el hormigón normal?
No. Algunas fibras y dosis bajas mejoran determinados parámetros de resistencia a la tracción o a la flexión, mientras que otras mezclas pierden resistencia. Un exceso de agua o de aire, o una dispersión deficiente, pueden reducir la resistencia a la compresión. Compara el tipo de mezcla elegido con una muestra de control sin aditivos, siguiendo el mismo método de ensayo.
¿Todas las fibras vegetales mejoran el aislamiento térmico?
No. La densidad, la estructura porosa, la humedad, el aglutinante y la geometría del producto son factores importantes. El ejemplo de 0,15 W/(m·K) corresponde a un bloque de oxicloruro de magnesio tipo «paja» y no puede atribuirse a otro producto.
¿Podemos utilizar la dosis indicada del 0,2 % para la fibra de celulosa?
No directamente. Esa cifra correspondía a una fracción volumétrica en un experimento concreto con tallos de colza. Averigua la densidad del grano, decide si en tu producción se utiliza la dosificación por volumen o por masa, y define un rango de prueba en tu carpeta.
¿Resolverá el tratamiento alcalino el problema de la durabilidad a largo plazo?
El tratamiento puede mejorar una propiedad y perjudicar otra. Elige un proceso bien definido y, a continuación, mide la absorción de agua, la integridad de la fibra, el fraguado, la resistencia y las propiedades conservadas tras el envejecimiento pertinente. Sigue los procedimientos adecuados de manipulación de productos químicos en la planta.
¿La fibra de celulosa procesada es lo mismo que el éter de celulosa?
No. Una fibra de celulosa sigue siendo un filamento físico que puede contribuir a salvar las grietas. Un éter de celulosa es un polvo soluble o hidratable que se utiliza principalmente para modificar la retención de agua y la fluidez de la mezcla fresca. Ambos materiales requieren especificaciones diferentes.
Conclusión
Las fibras vegetales pueden resultar útiles en los productos de cemento, especialmente cuando son importantes la distribución de las grietas, la cohesión de la mezcla, el peso o el comportamiento térmico. Su absorción de agua, la química de su superficie, los efectos de la hidratación y la resistencia a los álcalis también pueden limitar su rendimiento. Los ejemplos de investigación mencionados apuntan a una regla práctica: evalúa un tipo de fibra concreto en un aglutinante concreto y mide las propiedades que tu cliente va a utilizar realmente.
Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. puede suministrar muestras de fibra de celulosa Ecocretefiber™ y analizar otras opciones de fibra para su producto. Ponte en contacto con nuestro equipo indicándonos la aplicación prevista, el aglutinante, el método de mezcla y los ensayos necesarios, para que podamos ayudarle a elegir una muestra de prueba adecuada.
