Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal
Abstract
La tapia es una antigua técnica constructiva basada en el uso de tierra compactada con un cierto grado de humedad rellenando un encofrado tradicionalmente de madera. Esta técnica ha sido empleada para la construcción de todo tipo de edificios y ejecutada por distintas civilizaciones, las cuales han aportado a su desarrollo y preservación. Todo ello asociado al instinto de supervivencia y al hecho de pertenecer a un hogar mediante uno de los elementos más básicos y disponibles como es la tierra. Este material presenta múltiples ventajas entre las que destacan su gran disponibilidad y una fácil manipulación de tal forma que no se requiere una mano de obra altamente cualificada. Con la llegada de la industrialización materiales como el hormigón y el acero, dejaron a las construcciones con tierra en un segundo plano. La sociedad actual se enfrenta a un problema común como es la preservación del medio ambiente para la cual no contribuye la extracción, refinamiento y gasto de energía para la obtención de muchos de los materiales destinados a la industria de la construcción. Ante esta situación, la construcción con tierra y, en concreto la técnica de la tapia, podría suponer una solución más que viable para la cual se está desarrollando una normativa reguladora. El proyecto presentado pertenece a una línea de investigación ya iniciada por el departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la ETSI de Sevilla, el cual contribuye a la elaboración de esta normativa y persigue la reutilización de otros materiales para poderlos incluir en la construcción con tapia. En este caso se añadió a la tapia cal y vidrio reciclado con el objetivo de comprobar si estos contribuían en la mejora de las prestaciones mecánicas ya conocidas de la tapia. Para ello se llevaron a cabo una campaña experimental basada en la realización de dos ensayos: ensayo de ultrasonidos y ensayo mecánico a compresión, siendo este último el que se aborda en mayor profundidad en este proyecto. Para estos ensayos se elaborarán dos tandas de probetas con cal, pero solo a una de ellas se le añadirá el vidrio reciclado. Con esto se busca comparar resultados como la resistencia a compresión simple, la ley de comportamiento o el análisis del efecto de la edad.
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Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Autor: Manuel Antonio Gallardo Navarro Tutores: Mario Solís Muñiz, José Daniel Rodriguez Mariscal Dpto. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022
Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Autor: Manuel Antonio Gallardo Navarro Tutores: Mario Solís Muñiz Profesor Titular José Daniel Rodriguez Mariscal Profesor Sustituto Interino Dpto. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022
Trabajo Fin de Grado: Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Autor: Manuel Antonio Gallardo Navarro Tutor: Mario Solís Muñiz, José Daniel Rodriguez Mariscal El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal
Agradecimientos on este apartado pongo fin a estos años de carrera donde me he formado para ejercer la profesión de ingeniero, aquello que siempre he soñado. Ha sido un camino con momentos difíciles y otros increiblemente buenos, pero el haber llegado hasta final no solo ha sido fruto de mi esfuerzo. En primer lugar, agradecer a mis padres su cariño, confianza y apoyo porque ellos me han guíado desde pequeño a luchar siempre por lo que quiero y a los que estoy infinamente agradecido por todo lo que han hecho por mí. Todo lo que soy es gracias a ellos. A mi hermana, no podría ser más afortunado de haber crecido a tu lado, por su alegría y positividad contagiosa en todo momento y para la que siempre estaré ahí. A mi pareja, mi acompañante y guía durante todos estos años a la que agradezco su paciencia, consejos y apoyo incondicional en todo momento. Gracias por todo lo vivido y por lo que nos queda por vivir, lo mejor siempre está por llegar. Finalmente, acordarme de todos aquellos profesores que han compartido sus conocimientos y experiencia durante este camino. Especialmente a Mario Solís Muñiz y José Daniel Rodriguez Mariscal por su cercanía, disponibilidad y ayuda en todo momento, los cuales me han brindado la oportunidad de realizar este trabajo y colaborar con ellos mostrándome una posible y apasionante función de la ingeniería en la sociedad. También a mi compañero de proyecto Joseba García Román por su dedicación y capacidad de trabajo. Agradecer al departamento de Construcciones Arquitectónicas II de la ETS de Ingeniería de Edificación de Sevilla su colaboración en la realización de este proyecto. Manuel Antonio Gallardo Navarro Sevilla, 2022 C
Resumen a tapia es una antigua técnica constructiva basada en el uso de tierra compactada con un cierto grado de humedad rellenando un encofrado tradicionalmente de madera. Esta técnica ha sido empleada para la construcción de todo tipo de edificios y ejecutada por distintas civilizaciones, las cuales han aportado a su desarrollo y preservación. Todo ello asociado al instinto de supervivencia y al hecho de pertenecer a un hogar mediante uno de los elementos más básicos y disponibles como es la tierra. Este material presenta múltiples ventajas entre las que destacan su gran disponibilidad y una fácil manipulación de tal forma que no se requiere una mano de obra altamente cualificada. Con la llegada de la industrialización materiales como el hormigón y el acero, dejaron a las construcciones con tierra en un segundo plano. La sociedad actual se enfrenta a un problema común como es la preservación del medio ambiente para la cual no contribuye la extracción, refinamiento y gasto de energía para la obtención de muchos de los materiales destinados a la industria de la construcción. Ante esta situación, la construcción con tierra y, en concreto la técnica de la tapia, podría suponer una solución más que viable para la cual se está desarrollando una normativa reguladora. El proyecto presentado pertenece a una línea de investigación ya iniciada por el departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la ETSI de Sevilla, el cual contribuye a la elaboración de esta normativa y persigue la reutilización de otros materiales para poderlos incluir en la construcción con tapia. En este caso se añadió a la tapia cal y vidrio reciclado con el objetivo de comprobar si estos contribuían en la mejora de las prestaciones mecánicas ya conocidas de la tapia. Para ello se llevaron a cabo una campaña experimental basada en la realización de dos ensayos: ensayo de ultrasonidos y ensayo mecánico a compresión, siendo este último el que se aborda en mayor profundidad en este proyecto. Para estos ensayos se elaborarán dos tandas de probetas con cal, pero solo a una de ellas se le añadirá el vidrio reciclado. Con esto se busca comparar resultados como la resistencia a compresión simple, la ley de comportamiento o el análisis del efecto de la edad. L
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Gran Pirámide del Sol de Teotihuacan, México 11 Figura 1.2. Ciudadela de Arge Bam, Irán 12 Figura 1.3. Clasificación de las Técnicas de Construcción con Tierra 13 Figura 1.4. Bloques de adobe 14 Figura 1.5. Castillo de Biar, Alicante 14 Figura 1.6. Áreas de construcción con tierra y lugares que son Patrimonio de la Humanidad 15 Figura 1.7. Castillo de Alcalá de Guadaira, Sevilla 16 Figura 1.8. Tapial tradicional de la comarca de Els Ports, Castellón 17 Figura 1.9. Representación tapial tradicional y contemporáneo 17 Figura 1.10. Biblioteca Valverde de Burguillos, Badajoz 18 Figura 1.11. Piscina municipal de Toro, Zamora 19 Figura 2.1. Vidrio medio sin triturar 24 Figura 2.2. Vidrio grueso sin triturar 24 Figura 2.3. Sustitución Arena-Vidrio al 50% y tipos de vidrios empleados 25 Figura 2.4. Granulometría mezcla 50% A y 50% B 26 Figura 2.5. Sustitución Arena-Vidrio al 75% y tipos de vidrios empleados 26 Figura 2.6. Granulometría mezcla 35% A y 65% B 27 Figura 2.7. Molde con muestra compactada, Ensayo Próctor Normal 28 Figura 2.8. Muestra compactada y desmoldada, Ensayo Próctor Normal 29 Figura 2.9. Gráfica Ensayo Próctor Normal 31 Figura 3.1. Molde fabricación probetas 32 Figura 3.2. Representación ejes y numeración de probetas, esquema planta del molde 33 Figura 3.3. Representación 2D y 3D modelo probeta 34 Figura 3.4. Procedimiento de fabricación 35 Figura 3.5. Arcilla, limo, arena y grava empleados en la mezcla, Laboratorios ETSI 35 Figura 3.6. Medición humedad con sartén 37 Figura 3.7. Identificación columnas compactación probetas 40 Figura 3.8. Probetas compactadas en el molde 41 Figura 3.9. Probetas columna con vidrio (izquierda) y sin vidrio (derecha) 41 Figura 3.10. Descripción códigos probetas 42 Figura 3.11. Secado probetas con vidrio 43
vii vii Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 3.12. Secado probetas sin vidrio 43 Figura 3.13. Densidad aparante probetas CV 90 días 44 Figura 3.14. Densidad aparante probetas SV 90 días 44 Figura 3.15. Porosidad probetas CV 90 días 45 Figura 3.16. Porosidad probetas SV 90 días 45 Figura 4.1. Equipo ensayo ultrasonidos 48 Figura 4.2. Máquina hidráulica ensayo a compresión 49 Figura 4.3. Extensómetro, ensayo a compresión simple 50 Figura 4.4. Sistema de videextensometría, ensayo a compresión simple 51 Figura 4.5. Sistema de videoextensometría y extensómetro, ensayo a compresión simple 51 Figura 4.6. Planos y caras probeta, representación 3D 52 Figura 4.7. Esquema actuación ensayo ultrasonidos 53 Figura 4.8. Diagrama de flujo procedimiento ensayo de ultrasonidos 54 Figura 4.9. Patrón tarado en 5 mm sobre pletina metálica 55 Figura 4.10. Calibración sistema vídeo extensometría 56 Figura 4.11. Gráfica X(tiempo, s)-Y(tensión, MPa) ciclos de carga, Ensayo a compresión simple 56 Figura 4.12. Probeta 30 días sin refrentar, Ensayo a compresión simple 57 Figura 4.13. Probetas 90 días refrentadas, Proceso de refrentado 58 Figura 5.1. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 30 días con vidrio 60 Figura 5.2. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 30 días sin vidrio 61 Figura 5.3. Gráfica resistencia a compresión probetas 30 días con vidrio/sin vidrio 61 Figura 5.4. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 60 días con vidrio 62 Figura 5.5. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 60 días sin vidrio 63 Figura 5.6. Gráfica resistencia a compresión probetas 60 días con vidrio-sin vidrio 63 Figura 5.7. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 90 días con vidrio 64 Figura 5.8. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 90 días sin vidrio 65 Figura 5.9. Gráfica resistencia a compresión probetas 90 días con vidrio-sin vidrio 65 Figura 5.10. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 120 días con vidrio 66 Figura 5.11. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 120 días sin vidrio 66 Figura 5.12. Gráfica resistencia a compresión probetas 120 días con vidrio-sin vidrio 67 Figura 5.13. Gráfica resistencia a compresión-edad de ensayo, probetas con y sin vidrio 68 Figura 5.14. Clasificación gráficas tensión-deformación 69 Figura 5.15. Gráfica tensión-deformación 30 días – con vidrio 70 Figura 5.16. Gráfica tensión-deformación 30 días – con vidrio: media y desviación típica 70 Figura 5.17. Gráfica tensión-deformación 30 días – con vidrio: media, máximo y mínimo 71 Figura 5.18. Gráfica tensión-deformación 30 días – sin vidrio 71 Figura 5.19. Gráfica tensión-deformación 30 días – sin vidrio: media y desviación típica 72 Figura 5.20. Gráfica tensión-deformación 30 días – sin vidrio: media, máximo y mínimo 72
Figura 5.21. Gráfica tensión-deformación 60 días – con vidrio 73 Figura 5.22. Gráfica tensión-deformación 60 días – con vidrio: media y desviación típica 73 Figura 5.23. Gráfica tensión-deformación 60 días – con vidrio: media, máximo y mínimo 74 Figura 5.24. Gráfica tensión-deformación 60 días – sin vidrio 74 Figura 5.25. Gráfica tensión-deformación 60 días – sin vidrio: media y desviación típica 75 Figura 5.26. Gráfica tensión-deformación 60 días – sin vidrio: media, máximo y mínimo 75 Figura 5.27. Gráfica tensión-deformación 90 días – con vidrio 76 Figura 5.28. Gráfica tensión-deformación 90 días – con vidrio: media y desviación típica 76 Figura 5.29. Gráfica tensión-deformación 90 días – con vidrio: media, máximo y mínimo 77 Figura 5.30. Gráfica tensión-deformación 90 días – sin vidrio 77 Figura 5.31. Gráfica tensión-deformación 90 días – sin vidrio: media y desviación típica 78 Figura 5.32. Gráfica tensión-deformación 90 días – sin vidrio: media, máximo y mínimo 78 Figura 5.33. Gráfica tensión-deformación 120 días – con vidrio 79 Figura 5.34. Gráfica tensión-deformación 120 días – con vidrio: media y desviación típica 79 Figura 5.35. Gráfica tensión-deformación 120 días – con vidrio: media, máximo y mínimo 80 Figura 5.36. Gráfica tensión-deformación 120 días – sin vidrio 80 Figura 5.37. Gráfica tensión-deformación 120 días – sin vidrio: media y desviación típica 81 Figura 5.38. Gráfica tensión-deformación 120 días – sin vidrio: media, máximo y mínimo 81 Figura 5.39. Gráfica tensión-deformación con vidrio a todas las edades de secado 82 Figura 5.40. Gráfica tensión-deformación y desv. típica con vidrio a todas las edades de secado 82 Figura 5.41. Gráfica tensión-deformación sin vidrio a todas las edades de secado 83 Figura 5.42. Gráfica tensión-deformación y desv. típica sin vidrio a todas las edades de secado 83 Figura 5.43. Gráfica tensión-deformación con/sin vidrio a todas las edades de secado 84 Figura 5.44. Probeta 30-CV-M4-P1-T antes/después ensayo a compresión 85 Figura 5.45. Probeta 30-CV-M3-P4-T antes/después ensayo a compresión 85 Figura 5.46. Probeta 30-SV-M3-P4-T antes/después ensayo a compresión 86 Figura 5.47. Probeta 60-CV-M1-P3-T antes/después ensayo a compresión 87 Figura 5.48. Probeta 60-SV-M4-P1-B después ensayo a compresión 87 Figura 5.49. Probeta 90-CV-M4-P2-B antes/después ensayo a compresión 88 Figura 5.50. Probeta 90-SV-M1-P4-T antes/después ensayo a compresión 88 Figura 5.51. Probeta 120-CV-M2-P2-T antes/después ensayo a compresión 89 Figura 5.52. Probeta 120-SV-M1-P1-T antes/después ensayo a compresión 89 Figura 5.53. Prueba de carbonatación, probeta CV-120-M1-P1-T 91 Figura 5.54. Prueba de carbonatación, probeta SV-120-M3-P3-T 92 Figura 11.1. Humedad y temperatura durante el proceso de secado 120
ix ix Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal
1 INTRODUCCIÓN a evolución del ser humano desde el nomadismo al sedentarismo en la etapa conocida como el Mesolítico llevó a que se alcanzase una nueva realidad donde la tierra, el ser humano y la arquitectura estaban entrelazados. Con el comienzo de la vida nómada, hicieron su aparición los primeros refugios construidos con el material más simple y con mayor disponibilidad que tenía el ser humano, la tierra. El comienzo de la arquitectura con tierra es una necesidad adherida al origen de las primeras civilizaciones en la historia de la humanidad hace más de 10000 años en Mesopotamia. De esta primera civilización se destacan algunas construcciones con tierra cruda como la Torre de Babel, la cual se considera el primer rascacielos de la historia. Las construcciones con tierra perduraron y evolucionaron a lo largo de los siglos debido a su resistencia y solidez. A partir del siglo V antes de la era cristiana, se decidió emplear la tierra como material de construcción en La Gran Muralla China junto con la piedra como material de revestimiento. A su vez, las culturas amerindias emplearon también la tierra como material de construcción de viviendas y grandes conjuntos arquitectónicos como la gran pirámide del Sol de Teotihuacan (México), construida entre los siglos I y III, donde se utilizaron más de un millón de metros cúbicos de tierra para formar su núcleo (Figura 1.1).[1] Figura 1.1. Gran Pirámide del Sol de Teotihuacan, México L
Introducción 12 12 Todas las grandes civilizaciones de la historia usaron la tierra. Las ruinas y restos arqueológicos de los persas, asirios, egipcios, babilonios, griegos y romanos nos muestran como estos pueblos usaban la tierra para cualquier tipo de edificio, desde sus propias casas a los palacios más majestuosos. Por lo tanto, el empleo de este material en la construcción se convirtió en un elemento transversal y común entre las grandes civilizaciones de la historia del ser humano, las cuales cada una tenía sus propios dioses, culturas y tipología de vida, pero un mismo instinto de supervivencia basado en la pertenencia a un hogar.[2] En la actualidad, en torno a un tercio de la humanidad vive en casas de tierra. Este material es todavía predominante en aquellas regiones donde las necesidades de viviendas son más acusadas como África, Oriente Medio y América Latina (Figura 1.2). De la misma manera, la tierra es un material de construcción fundamental en China y en la India, donde hay más de 50 millones de casas construidas con este elemento. Como se ha podido comprobar, la construcción con tierra se encuentra más arraigada en el llamado Tercer Mundo. Esto se debe principalmente a que es un recurso barato, abundante y sólo requiere una asignación mínima de mano de obra cualificada al igual que de maquinaria y medios auxiliares. Figura 1.2. Ciudadela de Arge Bam, Irán Desde un punto de vista más local, en España, no existe una normativa técnica reguladora que permita la construcción con tierra lo que supone un obstáculo administrativo y legal. En la actualidad, se ha avanzado en ese aspecto de tal forma que ya se ha publicado una norma que posibilita la construcción con Bloques de Tierra Comprimida (BTC), y está en elaboración otra sobre el tapial.[1] La construcción con tierra abre una alternativa y posible solución a los graves problemas medioambientales de la actualidad derivados del mundo industrializado actual. A parte de su abundancia, disponibilidad y viabilidad económica presenta otras características reseñables como su reutilización, disminución de la contaminación ambiental, aislante térmico, acústico e incluso su resistencia al fuego. Aunque son numerosas las ventajas que presenta hay que destacar algunas desventajas que limitan las construcciones con tierra. En comparación con materiales industrializados como el hormigón, la tierra no es un material de construcción estandarizado, se contrae al secarse (puede originar la aparición de grietas) y no es impermeable por lo que es realmente sensible a agentes externos como la erosión por viento o agua.[1,3]
13 13 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal 1.1. Uso de la tierra como material de construcción Este elemento ofrece distintas posibilidades constructivas, las cuales se clasifican en diversos métodos de construcción. Cada método se adapta a la calidad de la tierra empleada y, refleja a su vez, la identidad y cultura de las personas que han desarrollado cada uno de ellos pudiendo distinguirse incluso cientos de variantes en función de la región. En la actualidad, se distinguen doce métodos claramente diferenciados que se pueden clasificar en tres grandes grupos de sistemas constructivos según el uso de la tierra cruda: forma monolítica y portante, albañilería portante y relleno de una estructura o armazón de apoyo hecho de otro material. Estas doce técnicas de construcción vienen determinadas por el grado de plasticidad de la tierra empleada entre los que se distingue: sólido, húmedo, plástico y líquido (Figura 1.3). Figura 1.3. Clasificación de las Técnicas de Construcción con Tierra De los tres grandes grupos de sistemas constructivos señalados destacar la tapia (monolítica portante), el adobe (albañilería) y el BTC o “Bloque de Tierra Comprimida” (albañilería). Estos dos tipos de forma de construcción con tierra son los más destacados en España, no solo formando parte de la cultura monumental, sino también de construcciones actuales en zonas menos industrializadas del territorio nacional.[2] 1.1.1 Adobe El adobe es un bloque de tierra arcillosa amasada con arena o paja cortada, moldeada en forma prismática como el ladrillo y secado al aire. Esta técnica tiene su origen en épocas remotas y su uso es más habitual en regiones donde escasea la piedra. La tierra arcillosa se coloca en un molde en forma de paralelepípedo colocado sobre una superficie plana o el mismo terreno (Figura 1.4). Una vez se desmolda, se deja secar al sol durante unas tres semanas ofreciendo una resistencia y durabilidad razonables.
Introducción 14 14 Figura 1.4. Bloques de adobe 1.1.2 Tapia Esta forma de construcción con tierra cruda es la más utilizada en la arquitectura monumental, la cual consiste en la realización in situ de grandes bloques de tierra encofrada y compactada. Esta técnica se basa en la compactación manual de la tierra mediante un pisón o de forma más actualizada con apisonadores eléctricos, compactándose sobre un encofrado desmontable de madera. La tierra se añade por tongadas comprendidas entre los 10 y 20 cm y, cada tongada, se compacta antes de verter la siguiente repitiendo el proceso hasta la parte superior del molde. En comparación con técnicas en las que la tierra se usa en un estado más húmedo, la tapia proporciona una retracción más baja al haber una menor diferencia de humedad entre el estado inicial y final de la tierra empleada y, a su vez, una mayor resistencia. La tapia debe ser más arenosa que el adobe y con una dosificación granulométrica en la que es fundamental la presencia de áridos de todos los tamaños. La ventaja respecto al adobe es que las construcciones de tapial son monolíticas y por ello proporcionan una mayor durabilidad (Figura 1.5). Figura 1.5. Castillo de Biar, Alicante
15 15 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal 1.2. Interés de la tierra como material de construcción La tierra como material de construcción presenta diversos intereses y ventajas, los cuales se pueden clasificar desde distintos puntos de vista. Estos pueden ser principalmente el económico, medioambiental, social o patrimonial. En primer lugar, afrontándolo desde el ámbito económico, la tierra es un material que tiene un bajo coste de obtención y la mano de obra empleada en las construcciones realizadas con tierra no tiene que estar altamente cualificada. A su vez, en relación con el ámbito social, es un elemento muy presente en las culturas de países en vías de desarrollo donde se sigue empleando para la construcción de viviendas y se siguen perfeccionando las técnicas de construcción empleadas durante siglos. Muchas de estas técnicas han ido añadiendo elementos a las construcciones con tierra, los cuales permitían adaptarse a las particularidades naturales de cada región. Un caso notable son los muros de tapial reforzados con bambú que se desarrolló en 1978 como parte de un proyecto de investigación en Guatemala, los cuales demostraron añadir cuatro veces más resistencia a flexión según las fuerzas horizontales originadas por un sismo que un muro de 14 cm de espesor.[3] La construcción con tierra es tan antigua como el ser humano y está extendida por los cinco continentes donde muchas de esas construcciones son consideradas Patrimonio de la Humanidad (Figura 1.6). Durante el siglo XIX se empezó a tomar una mayor conciencia sobre la importancia del patrimonio cultural y se empieza a introducir el concepto de la conservación, mantenimiento y restauración del patrimonio edificado. Esta idea evoluciona hasta 1972 donde en la Conferencia General de la UNESCO se aprueba la Convención sobre la protección del patrimonio cultural y natural en el cual se incluyen las construcciones con tierra cruda.[2] Figura 1.6. Áreas de construcción con tierra y lugares que son Patrimonio de la Humanidad Por último, desde el ámbito medioambiental, la contaminación es uno de los grandes problemas del ser humano en la actualidad y en el futuro más próximo. La escasez de determinados recursos, los métodos de obtención de ciertos materiales de construcción y la creciente demanda de vivienda a nivel mundial no contribuyen de la mejor manera a la preservación del medioambiente. Ante este problema, la tierra es un material idóneo y una posible solución hacia la eficiencia energética y la sostenibilidad.
Propiedades del material 22 22 Con todos los componentes descritos hasta ahora y en una correcta proporción, se alcanzaría la mezcla necesaria para la obtención de la tapia. A continuación, se le añadirá la cal como estabilizador cuya influencia en la resistencia mecánica se pretende comprobar. La cal empleada endurecerá las probetas por secado y reaccionando con el dióxido de carbono por el proceso de carbonatación. Este posible aumento en la resistencia a compresión simple se espera que se produzca a largo plazo. A parte del aumento a compresión, la adición de cal también mejora la resistencia de la tapia ante uno de los aspectos más desfavorables para la misma como es la erosión hídrica.[5] En cuanto a la adición del vidrio, con el objetivo de marcar dos procesos de fabricación diferenciados entre probetas con y sin vidrio, se realizarán dos tandas de fabricación separadas. Las mezclas empleadas tendrán exactamente la misma proporción de componentes sólo que en una de ellas se realizará una sustitución parcial de la arena fina y gruesa por el vidrio. A su vez, el vidrio se añadirá en dos estados: por un lado, vidrio medio triturado y, por otro lado, vidrio grueso sin triturar. 2.1 Granulometría La granulometría juega un papel fundamental en la obtención de una mezcla válida para la tapia. En relación a este aspecto, no existen unos valores fijos a añadir para cada uno de los componentes sino más bien unos límites aproximados establecidos según la experiencia de distintos autores. Este criterio tiene un aspecto más regional que universal debido a las particularidades naturales de cada zona así como de las características de la tierra extraída. En la construcción con tapia, todas estas variantes en los porcentajes añadidos de cada material persiguen un mismo objetivo que es la correcta cohesión y comportamiento mecánico de la tapia en la construcción. Teniendo en cuenta esto, se deberán analizar las variaciones en las proporciones planteadas por distintos autores con el objetivo de obtener una aproximación adecuada que cumpla los requisitos establecidos anteriormente para la mezcla. Como primera referencia, se tiene en cuenta la publicación del MOPT “Bases para el Diseño y Construcción con Tapial” de Gonzalo Bauluz y Pilar Bárcena junto con el trabajo expuesto en el libro “Construire en terre” del Centro de Investigación y Aplicación del Material Tierra de Francia (CRATerre) (Tabla 2.2). [1,6] Grava Arena Limo Arcilla 18% 40% 22% 20% Tabla 2.2. Porcentajes componentes tapia, MOPT y CRATerre Otro planteamiento también publicado desde el CRATerre en el libro “Traité de Construction en Terre”, de H. Houben y H.Guillaud (Tabla 2.3). [1,7] Grava Arena Limo Arcilla 10 – 54% 24 – 50% 12 – 22% 10 – 18% Tabla 2.3. Porcentajes componentes tapia, CRATerre
23 23 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal En el ámbito nacional, según el PIET – 70, los porcentajes empleados se muestran en la Tabla 2.4.[1] Grava Arena Limo Arcilla 10 – 20% 10 – 40% 20 – 40% 10 – 40% Tabla 2.4. Porcentajes componentes tapia, Prescripciones del Instituto Eduardo Torroja Teniendo en cuenta el trabajo desarrollado durante las últimas décadas por distintos autores, se pueden plantear unos porcentajes cuyos límites superiores e inferiores sean el resultado de todos ellos. La composición aproximada de la mezcla sin tener todavía en cuenta la adición de la cal y del vidrio se muestran en la Tabla 2.5. Grava Arena Limo Arcilla 10 – 54% 10 – 50% 12 – 40% 10 – 40% Tabla 2.5. Porcentajes planteados para la mezcla del proyecto Sea cual sea el porcentaje de adición de cada uno de los componentes anteriores debe tener el índice de plasticidad adecuado para su manejo y compactación teniendo en cuenta la adición de agua. Esto evitará superar el límite líquido a partir del cual se pueden producir fenómenos no deseados como la falta de cohesión. Teniendo en cuenta los porcentajes propuestos para la mezcla se procede a añadir la cal y el vidrio. Como se ha mencionado anteriormente, se va a fabricar un grupo de probetas con vidrio y otro sin vidrio, diferencia que determina dos granulometrías y procesos de fabricación distintos. En el caso del lote de fabricación de probetas sin vidrio a la mezcla se le añade un 5% de cal sobre el total quedando los porcentajes mostrados en la Tabla 2.6. Grava Arena Limo Arcilla Cal 15% 50% 20% 15% 5% Tabla 2.6. Porcentajes mezcla probetas sin vidrio
Propiedades del material 24 24 2.1.1 Granulometría vidrio En el lote de fabricación de probetas con vidrio, como se ha señalado anteriormente se va a añadir el vidrio en dos estados: vidrio triturado (medio) y vidrio sin triturar (grueso) (Figura 2.1-2.2). La incorporación del vidrio reciclado se basa en la sustitución parcial de arena por una cantidad determinada del mismo. Esta sustitución parcial se puede realizar desde cuatro porcentajes distintos: • Sustitución de arena/limo por vidrio al 0% No habrá presencia alguna de vidrio en la mezcla • Sustitución parcial de arena/limo por vidrio al 50% Presencia similar de vidrio, arena fina y arena gruesa en la mezcla • Sustitución parcial de arena/limo por vidrio al 75% Mayor presencia de vidrio que de arena fina y gruesa • Sustitución de arena/limo por vidrio al 100% No habrá presencia de arena, la cual habrá sido sustituida en su totalidad por el vidrio Descartando los casos al 0% donde no habría vidrio en la mezcla y al 100% donde la arena se sustituiría completamente por el vidrio, llegamos a dos situaciones posibles: la sustitución al 50 o al 75% de la arena por el vidrio. Para su correcta elección se sometió al vidrio a un estudio granulométrico el cual fue realizado en la ETS de Ingeniería de Edificación de Sevilla. Figura 2.1. Vidrio medio sin triturar Figura 2.2. Vidrio grueso sin triturar
25 25 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Las distintas tipologías de vidrio se facilitan desde una empresa de origen local, la cual lo proporciona en dos estados: vidrio grueso y vidrio medio. Para el ensayo a realizar se tritura parte de la totalidad de ambos tipos de vidrios. Para la granulometría inicial se toma una muestra de unos 200g de cada uno de los tipos de vidrio señalados en la Tabla 2.7. VIDRIO Tamaño Vidrio grueso sin triturar (g) Vidrio grueso triturado (g) Vidrio medio sin triturar (g) Vidrio medio triturado (g) 8 mm 0 0 0 0 4 mm 98,9 0 0 0 2 mm 93,4 9,3 25,6 6,4 1 mm 7,8 43,3 178,7 83,9 0,5 mm 0 48,4 0,3 37,7 0,250 mm 0 36,6 0 27,5 0,125 mm 0 35,1 0 30 0,063 mm 0 17,3 0 12,9 Bandeja 0 8,7 0 5,1 Total 200,1 198,7 204,6 203,5 Tabla 2.7. Granulometría inicial vidrio El estudio granulométrico realizado se basa en el método de Fuller. Este método consiste en mezclar los áridos presentes de tal forma que las curvas granulométricas obtenidas de cada uno de ellos se adapten lo máximo posible a la curva ideal de Fuller mediante un proceso de tanteo sucesivo. Este proceso de optimización parte de unos porcentajes iniciales de áridos a partir de los cuales se obtiene la mezcla ideal, pero en este caso tanto los porcentajes de sustitución arena-vidrio como los porcentajes de cada tipo de vidrio dentro de la sustitución están fijados. De tal forma que con la granulometría realizada, se comprobará qué tipo de sustitución parcial es válida en comparación con la curva ideal de Fuller. Para llevar a cabo el ensayo se emplearon los siguientes tamices normalizados según la norma UNE 7050- 2:1997, mientras que para la sedimentación de los distintos tipos de tamaño de partículas de vidrio se siguió la norma UNE 103-102:1995. Los tamices normalizados empleados fueron los siguientes: 125, 63, 31.5, 16, 8, 4, 2, 1, 0.5, 0.25, 0.125, 0.063 mm.[10,11] A continuación, se recogen los siguientes datos para cada una de las dos sustituciones: tipos de vidrio empleados y resultados obtenidos en cada granulometría (Figura 2.3-2.6) (Tabla 2.8-2.9). • Sustitución al 50% Figura 2.3. Sustitución Arena-Vidrio al 50% y tipos de vidrios empleados Sustitución Arena-Vidrio al 50% 50 % de árido A - Vidrio grueso triturado 50 % de árido B - Vidrio medio triturado
Propiedades del material 26 26 MEZCLA (50% A+ 50%B) Tamiz % Árido A % Árido B % y (Mezcla) Fuller 125 100 100 100 100 63 100 100 100 100 31,5 100 100 100 100 16 100 100 100 100 8 100 100 100 100 4 100 100 100 100 2 95,35 96,77 96,06 100 1 73,70 54,49 64,09 70,7 0,5 49,50 35,48 42,49 50 0,25 31,20 21,62 26,41 35,4 0,125 13,65 6,50 10,08 25 0,063 5,00 0,00 2,50 17,7 Tabla 2.8. Granulometría mezcla 50% A y 50% B Figura 2.4. Granulometría mezcla 50% A y 50% B • Sustitución al 75% Figura 2.5. Sustitución Arena-Vidrio al 75% y tipos de vidrios empleados 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 125 63 31,5 16 8 4 2 1 0,5 0,25 0,125 0,063 % y Tamices UNE %Y (Grueso) %Y (Medio) %Y (Mz) Fuller Sustitución Arena-Vidrio al 75% 35 % de árido A - Vidrio grueso triturado 65 % de árido B - Vidrio medio triturado
27 27 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal MEZCLA (35%A+65%B) Tamiz % y (A) % y (B) % y (Mz) Fuller 125 100 100 100 100 63 100 100 100 100 31,5 100 100 100 100 16 100 100 100 100 8 100 100 100 100 4 50,57 100,00 82,70 70,70 2 3,90 96,08 63,81 50,00 1 0,00 64,28 41,78 35,40 0,5 0,00 42,75 27,79 25,00 0,25 0,00 26,73 17,37 17,70 0,125 0,00 10,45 6,79 12,50 0,063 0,00 2,90 1,89 8,80 Tabla 2.9. Granulometría mezcla 35% A y 65% B Figura 2.6. Granulometría mezcla 35% A y 65% B De los resultados obtenidos se deduce que la sustitución parcial arena-vidrio al 50% no es válida. Esto es debido a que en los tamices comprendidos entre los 16 y 0.063 mm, la curva de la mezcla está por debajo de la curva ideal de Fuller. Se deduce que de la mezcla al 50% de vidrio grueso triturado y 50% medio triturado pasa menos cantidad de la que debe pasar debido a que el tamaño de las partículas en los tamices indicados es más grueso que lo señalado por Fuller. Por el contrario, en la sustitución parcial de arena-vidrio al 75% se dan unas condiciones válidas. En comparación con el caso anterior, la mayor parte de la curva de la mezcla está por encima de la curva ideal de Fuller exceptuando ciertos valores comprendidos en los tamices de menor tamaño. La cantidad de partículas de vidrio que pasan en los tamices comprendidos entre 0.25 y 16 mm se encuentra a unos niveles iguales o superiores que los marcados por Fuller. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 125 63 31,5 16 8 4 2 1 0,5 0,25 0,125 0,063 % y Tamices UNE A_Grueso original B_Medio triturado Mezcla A+B Fuller
Propiedades del material 28 28 Del proceso se deduce que el caso óptimo es la sustitución al 75% con la siguiente mezcla: 35% de vidrio grueso sin triturar y 65% de vidrio medio triturado, la cual se empleará en la fabricación de las probetas con vidrio (Tabla 2.10). Persiguiendo la homogeneidad de la mezcla en las probetas con vidrio, se espera que el vidrio grueso tenga una función parecida a la grava proporcionando cierta resistencia mientras que el vidrio medio triturado se asimile a la arena ocupando posibles huecos presentes en la misma. Grava Arena Limo Arcilla Cal Vidrio triturado Vidrio sin triturar 15% 50% 20% 15% 5% 35% 65% Tabla 2.10. Porcentajes mezcla probetas con vidrio 2.2 Ensayo Próctor Normal La realización de este ensayo fue guiada y asistida por el departamento de Construcciones Arquitectónicas II de la ETS de Ingeniería de Edificación de Sevilla. El objetivo del ensayo es conocer la densidad seca máxima a partir de la cual se obtiene una humedad óptima para la mezcla asegurando un grado de compactación máximo. Con los resultados obtenidos se realizará una gráfica basada en cinco puntos cuyo punto de inflexión será el valor buscado. El proceso descrito a continuación se basa en la norma UNE 103-500:1994.[12] En primer lugar, se realizó una mezcla de 10 kg basándonos en las proporciones señaladas en la tabla 2.6 sin añadir agua y sin tener en cuenta el porcentaje de cal. A esta mezcla se le añadirá agua gradualmente tomando como referencia el peso de la mezcla. Se añadirá un total de cinco veces pequeñas cantidades de agua y, en cada ocasión, se realizará el ensayo obteniendo así los puntos de la gráfica representada posteriormente. Los porcentajes de agua añadidos serán del: 3, 2, 2, 3 y 3% en el orden indicado. Figura 2.7. Molde con muestra compactada, Ensayo Próctor Normal
29 29 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 2.8. Muestra compactada y desmoldada, Ensayo Próctor Normal En cada una de las muestras con porcentajes de agua distintos, se realizó la compactación del material en tres tongadas distintas lo más uniformemente posible mediante 26 golpes bien distribuidos por la superficie (Figura 2.7). Una vez se ha realizado la compactación de las tres tongadas, se desmolda el material compactado, se divide en tres partes y se coge una muestra de unos 300g de la parte intermedia de cada una de ellas (Figura 2.8). Para cada uno de los cinco ensayos, estas muestras se secaron en el horno durante 24 horas y se obtuvieron medidas antes y después de introducirlas a secar con el objetivo de obtener la diferencia de humedad. Las medidas tomadas se realizaron para obtener los valores necesarios de humedad y densidad seca de cada una de las muestras obteniendo los resultados mostrados en las Tablas 2.11-2.12. Muestra 1 2 3 4 5 % Agua añadida 3 % 2 % 2 % 3 % 3 % Molde + Suelo + Agua (g) 7928 7975 8128 8030 7971 Molde (g) 5912 5912 5912 5912 5912 Suelo + Agua (g) 2016 2063 2216 2118 2059 Suelo (g) 1.896,13 1.918,54 1.975,13 1.830,67 1.754,75 Densidad seca (g/cm3) 1,92 1,94 2,00 1,85 1,77 Tabla 2.11. Medidas densidad seca, Ensayo Próctor Normal
Propiedades del material 30 30 Muestra 1 2 3 4 5 Tara (g) 157 156 155 197 202 Tara + Suelo + Agua (g) 341 613 569 455 493 Suelo + Agua (g) 184 457 414 258 291 Tara + Suelo (g) 331 581 524 420 450 Suelo (g) 174 425 369 223 248 Agua (g) 11 32 45 35 43 Humedad (%) 6,32 % 7,53 % 12,20 % 15,70 % 17,34 % Tabla 2.12. Medidas humedad, Ensayo Próctor Normal Para la obtención de la humedad y la densidad seca se han empleado las ecuaciones 1-2. 𝑯𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂𝒅 (%)=𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑆𝑢𝑒𝑙𝑜 ∗100 (1) 𝑫𝒆𝒏𝒔𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒔𝒆𝒄𝒂 = 𝑆𝑢𝑒𝑙𝑜 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 (2) Por otro lado, la energía de compactación por impacto se calcula a partir de la masa del vástago, el valor de la gravedad y la altura de caída del pisón del vástago. Se añade dicho cálculo junto con la energía de compactación por tongada y por muestra en las ecuaciones 3-4. 𝑬𝑪= 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ ℎ = 2,5 𝑘𝑔 ∗ 9,807 𝑚 𝑠2∗ 0,3 𝑚 = 𝟕, 𝟑𝟓𝟕𝟓 𝑱/𝒊𝒎𝒑𝒂𝒄𝒕𝒐 (3) 𝑬𝒕= 𝐸𝐶∗3∗26 =𝟓𝟕𝟑,𝟖𝟖𝟓 𝑱/𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 (4) Inicialmente no se sabe el porcentaje de humedad del que se parte por lo que se decide añadir cantidades de agua que supongan un pequeño porcentaje del total de la mezcla. Como se ha señalado anteriormente, se ha realizado el ensayo en cinco puntos aunque podrían ser más obteniendo así una gráfica más exacta. Si existe como limitación el hecho de que la mezcla compactada no presente resistencia alguna a la hora de compactarla con el pisón, lo que se significa que hay un exceso de agua en la mezcla. Con la mezcla realizada y las proporciones indicadas, las cuales se emplearán posteriormente en la fabricación de ambas tandas de probetas, el resultado obtenido en el ensayo se muestra en la Figura 2.9.
31 31 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 2.9. Gráfica Ensayo Próctor Normal Se puede observar que la máxima densidad seca obtenida ha sido de 2 gr/cm3 para un porcentaje de humedad del 12,20%. 6,32 %; 1,92 7,53 %; 1,94 12,20 %; 2,00 15,70 %; 1,85 17,34 %; 1,77 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 2,05 0% 5% 10% 15% 20% Densidad seca (gr/cm3) Humedad (%)
Procedimiento de fabricación de las probetas 38 38 Tabla 3.4. Medida humedad mezcla seca sin vidrio Se obtiene un porcentaje de humedad promedio del 1,18% para la mezcla seca antes del añadido de agua. El proceso de adición del agua en pequeñas cantidades se basaba en comprobar visualmente la consistencia y textura óptima de la mezcla para el proceso de compactación de las probetas. De esta manera, cuando se comprobaba que el estado de la mezcla con el añadido del agua era el adecuado, se comenzaba el proceso de fabricación de las probetas. Tanto en la tanda de fabricación de las probetas con vidrio como de las probetas sin vidrio, se decide añadir los 100 kg a la mezcladora junto con la cal e ir añadiendo el agua en pequeños porcentajes durante el proceso de mezclado. Para el mezclado de la tierra con vidrio se añadieron los 100 kg directamente y surgió el incoveniente de que no se realizaba la operación de mezclado de forma homogénea ya que el conjunto de materiales con el agua añadida llevaba a la mezcladora a su límite de capacidad. Como solución se separaba del proceso un cubo de material en torno a los 20 kg de peso, el cual se añadía posteriormente y se volvía a sacar otro cubo de mezcla. Este proceso aligeró y mejoró el proceso de mezclado. Teniendo en cuenta los problemas observados durante el proceso de mezclado de los 100 kg de la tierra con vidrio, en esta segunda tanda de fabricación de las probetas sin vidrio se optó por dividir los 100 kg de tierra en dos tandas de 50 kg cada una. Para ello hubo que recalcular el peso de cada material mediante los porcentajes ya definidos sobre un total de 50 kg. En las dos subtandas de 50 kg se realizo la misma operación: se añadió el material a la mezcladora, se añadió la cal para realizar una primera mezcla y, a continuación, se añadió el agua de forma progresiva en cantidades de 0,5 litros hasta llegar aproximadamente a los 4 litros correspondientes a los 50 kg de mezcla. Durante la adición del agua se comprobó que el mezclado de todo el material se realizó más rápida y homogéneamente que en el caso anterior. Tanto en el proceso de adición de agua de la mezcla con vidrio como de la mezcla sin vidrio se comprobó que el grado de humedad óptimo a simple vista se situaba en torno al 8% de agua respecto al total de la mezcla. Para confirmar el grado de humedad de la mezcla con vidrio y sin vidrio justo antes del proceso de compactación y comprobar si este grado de humedad era cercano al obtenido como resultado del Ensayo Próctor Normal o efectivamente se situaba en torno al 8%, se midió para la mezcla de ambos tipos de probetas el porcentaje de humedad. Para ello, se tomaron cinco muestras tanto de la mezcla con vidrio como de la mezcla sin vidrio y se obtuvieron los porcentajes de humedad respectivos de cada una justo antes de comenzar el proceso de fabricación. Estas muestras se secaron en el horno durante 24 horas obteniendo los resultados mostrados en las Tablas 3.5-3.6. Nº Peso recipiente (kg) Peso recipiente + Muestra húmeda (kg) Peso recipiente + Mezcla seca (kg) Mezcla húmedo (kg) Mezcla seca (kg) Agua (kg) Humedad (%) 1 0,222 1,104 1,093 0,882 0,871 0,011 1,26 2 0,224 0,959 0,950 0,735 0,726 0,009 1,24 3 0,225 0,877 0,870 0,652 0,645 0,007 1,09 4 0,317 1,106 1,097 0,789 0,78 0,009 1,15 5 0,317 1,094 1,085 0,777 0,768 0,009 1,17
39 39 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Nº Peso recipiente (kg) Peso recipiente + Muestra húmeda (kg) Peso recipiente + Mezcla seca (kg) Mezcla húmedo (kg) Mezcla seca (kg) Agua (kg) Humedad (%) 1 0,156 0,559 0,530 0,403 0,374 0,029 7,75 2 0,155 0,649 0,613 0,494 0,458 0,036 7,86 3 0,202 0,707 0,670 0,505 0,468 0,037 7,91 4 0,157 0,470 0,446 0,313 0,289 0,024 8,30 5 0,198 0,568 0,540 0,37 0,342 0,028 8,19 Tabla 3.5. Medida humedad mezcla fabricación con vidrio Nº Peso recipiente (kg) Peso recipiente + Muestra húmeda (kg) Peso recipiente + Mezcla seca (kg) Mezcla húmedo (kg) Mezcla seca (kg) Agua (kg) Humedad (%) 1 0,155 0,694 0,514 0,539 0,359 0,18 50,14 2 0,156 0,768 0,728 0,612 0,572 0,04 6,99 3 0,155 0,787 0,601 0,632 0,446 0,186 41,70 4 0,198 0,785 0,743 0,587 0,545 0,042 7,71 5 0,202 0,871 0,82 0,669 0,618 0,051 8,25 Tabla 3.6. Medida humedad mezcla fabricación sin vidrio De los resultados obtenidos para mezcla de fabricación sin vidrio, se puede observar que el porcentaje en humedad para la muestra 1 y 3 no son válidos, por lo que no se han tenido en cuenta para el cálculo de la media. Esta tiene un valor del 7,65% lo que se acerca considerablamente al 8% considerado como grado de humedad adecuado a simple vista en el añadido de agua a ambos tipos de muestras. Por otro lado, para la mezcla de fabricación con vidrio se obtiene justamente un porcentahe de humedad del 8%. Por lo tanto, el contenido de humedad promedio con el que se realizó tanto la fabricación de las probetas con vidrio como sin vidrio está en torno al 8% lo que se aleja en un 4% respecto al valor óptimo de humedad obtenido por el Ensayo Próctor Normal. 3.3.3 Procedimiento de compactación La compactación y fabricación de ambas tipologías de probetas fue el paso siguiente al añadido del agua para alcanzar la humedad óptima. Este proceso se dividió en dos días de trabajo con una semana aproximada de diferencia de tal forma que en la primera tanda se fabricaron las probetas con vidrio y en la segunda las probetas sin vidrio. El desarrollo del proceso de fabricación pasaba por todos los miembros del grupo de trabajo cumpliendo cada uno una tarea. De todas ellas era de especial interés que la persona encargada de la compactación de las probetas en el molde siempre fuese la misma y, de esta forma, la carga aplicada en la compactación siempre sería la misma. Este proceso se llevó a cabo con un martillo percutor el cual facilitó y agilizó el proceso de compactación permitiendo fabricar todas las probetas estimadas en un mismo día de trabajo. Este martillo consistía en un brazo aplicado a la base y, situado sobre este brazo, se colocaba la pieza con la que se ejercía presión a la mezcla dentro del molde. Esta pieza tenía un forma cuadrada con una sección ligeramente más pequeña que la sección del hueco del molde para así posibilitar la entrada y salida del martillo.
Procedimiento de fabricación de las probetas 40 40 La metodología de compactación estuvo definida por el tipo de molde disponible. Como se describió anteriormente, este se dividía en cuatro columnas las cuales permitían la fabricación de ocho probetas a dos alturas de forma simultánea. Se enumeraron los huecos del molde entre el 1 y el 4, lo que permitó organizar y enumerar las probetas según el hueco del molde en el que se habían fabricado así como facilitar su identificación en la realización de ensayos después del proceso de secado (Figura 3.7). Figura 3.7. Identificación columnas compactación probetas El proceso de compactación se realizaba según el orden marcado en los huecos colocando previamente una placa de metacrilato en la base antes de añadir la mezcla y así se facilitaba la operación de desmolde. Empezando por el primer hueco, se añadía una tongada de 1 kg de mezcla previamente pesada, se compactaba durante 10 segundos y se pasaba al siguiente hueco. Cada probeta constaba de tres tongadas de material por lo que cuando se había realizado el anterior proceso tres veces ya se habían compactado las cuatro primeras probetas. Antes de pasar a la compactación de las siguientes cuatro probetas se colocaba un separador de neopreno el cual permitía separar la probeta inferior y superior de un mismo hueco. A continuación, se realizaba la compactación de las cuatro probetas superiores volviendo a empezar por el primer hueco y terminando por el cuarto hueco empleando la misma metolodología. De esta manera, una vez terminada la compactación de la parte superior, ya se habían producido las ocho probetas correspondientes a un molde (Figura 3.8). Por último, se añadía una tongada al final de cada columna que se compactaba para realizar pruebas de porosidad. Una vez estaba el molde completo, este se llevaba a la zona de desmolde donde se iban a colocar las probetas para su posterior secado (Figura 3.9). Se desmoldaban identificándolas con: fecha de fabricación, con/sin vidrio, columna y molde procedente. En la primera tanda de fabricación para las probetas con vidrio, se realizaron un total de 3 moldes completos y un cuarto molde, el cual no se completó por la falta de material. De todos ellos se obtuvieron un total de 28 probetas con vidrio y algunas adicionales, las cuales se dejaron para las pruebas con el instrumental de los ensayos o por si alguna de las probetas enumeradas sufría algún desperfecto. Para la fabricación de las probetas sin vidrio, se llevó a cabo la misma metolodología que para las probetas con vidrio añadiendo igualmente tongadas de 1 kg compactadas durante 10 segundos. En este caso se realizaron también 3 moldes completos y un cuarto molde sin completar de los que se obtuvieron 30 probetas más algunas adicionales destinadas a la realización de pruebas. La diferencia en la cantidad total de mezcla con y sin vidrio referenciada en el punto 3.3.1 del presente proyecto se reflejó en una mayor cantidad de probetas sin vidrio.
41 41 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 3.8. Probetas compactadas en el molde Figura 3.9. Probetas columna con vidrio (izquierda) y sin vidrio (derecha) 3.3.4 Secado Por último, una vez se han compactado y desmoldado las probetas se procede a situarlas para su secado siendo este un proceso lento, el cual no se puede agilizar. Durante el secado, la mezcla va a perder el contenido en humedad que tenía justo antes de la fabricación de las probetas ganando así la resistencia y cohesión correspondientes. Estas cualidades mecánicas dependen mayormente del contenido de arcilla presente en las probetas. Tanto las probetas sin vidrio como con vidrio se colocaron en unas cámaras situadas en el mismo laboratorio donde se habían fabricado buscando que estuviesen lo más resguardadas posibles de agentes externos tales como la lluvia o los cambios de temperatura. El objetivo es que la temperatura y humedad durante el secado de las probetas se mantengan lo más uniforme posible y sin grandes variaciones, por lo que para comprobar esos cambios a lo largo de los meses y poder asociarlo a los resultados obtenidos en los ensayos contábamos con un controlador de temperatura y humedad en estas salas.
Procedimiento de fabricación de las probetas 42 42 El tiempo de secado se planteó con 30 días de diferencia desde el día de fabricación de cada uno de los dos tipos de probetas, las cuales se diferencian una semana por lo que las probetas se sacarían de las cámaras a los 30, 60, 90 y 120 días. En la Tabla 3.7 se plantean las fechas de ensayos propuestas antes de comenzar esta fase del proyecto. Finalmente estas fechas se modificaron durante el desarrollo de los ensayos debido a distintos inconvenientes quedando las edades reales de ensayo tal y como se muestran en la Fabla 4.1. Fabricación 30 días 60 días 90 días 120 días Probetas CV 15/03/2022 14/04/2022 14/05/2022 13/06/2022 13/07/2022 Probetas SV 21/03/2022 20/04/2022 20/05/2022 19/06/2022 20/07/2022 Tabla 3.7. Fechas establecidas ensayos El objetivo es ver como afecta el proceso de secado a la resistencia mecánica de la tapia y comprobar si esta aumenta conforme el tiempo de secado es mayor, así como la dispersión de la resistencia de cada una de las probetas ensayadas en esas fechas. Para facilitar la identificación de las probetas durante el periodo de secado así como para la realización de los ensayos se les incluye un código, el cual permite saber si la probeta tiene o no vidrio, el molde y la columna en la que se compactó así como si fue en la parte superior o inferior de la misma y la fecha de secado (Figura 3.10). Por lo tanto, este código viene definido por la posición de la probeta en el molde. Figura 3.10. Descripción códigos probetas Una vez ya se habían compactado las probetas sin vidrio, al compararlas con las probetas con vidrio apreciamos una diferencia notable en la apariencia externa de ambos tipos de probetas. Mientras que las probetas con vidrio tenían una textura más rugosa con algunos huecos apreciables a simple vista e incluso unos acabados más irregulares, las probetas sin vidrio eran más lisas y estéticas a simple vista (Figuras 3.11-3.12). Teniendo en cuenta que la granulometría es la misma y el porcentaje de humedad también, se puede atribuir este hecho a una distinta metodología de dosificación y mezclado de los componentes realizada para agilizar el trabajo de la mezcladora, medida que no se empleó para las probetas sin vidrio. CV/SV - M1/2/3/4 - P1/2/3/4 - T/B Con vidrio/Sin vidrio - Molde 1/2/3/4 - Probeta 1/2/3/4 - Top/Bottom
43 43 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 3.11. Secado probetas con vidrio Figura 3.12. Secado probetas sin vidrio 3.4 Densidad y porosidad En el proceso de fabricación, al terminar la compactación de las dos probetas correspondientes a cada hueco del molde, se compactaba una última tongada de 1 kg tal y como se puede observar en las imágenes de la página anterior. Todas estas porciones de material compactado se enviaron al laboratorio de Construcciones Arquitectónicas II de la ETS de Ingeniería de la Edificación en Sevilla donde se les realizaron pruebas de densidad y porosidad. El interés estaba en comprobar si la sustitución al 75% de la arena por el vidrio había modificado de forma notable o no la densidad de la mezcla así como la porosidad. Los resultados obtenidos se muestran las Figuras 3.13-3.16.
Procedimiento de fabricación de las probetas 44 44 Figura 3.13. Densidad aparante probetas CV 90 días Figura 3.14. Densidad aparante probetas SV 90 días Según los datos obtenidos, la densidad aparente promedia de las probetas con vidrio es de 1,87 g/cm3 mientras que para las probetas sin vidrio es de 1,89 g/cm3 por lo que son similares (Figura 3.13-3.14). Esta característica se relaciona con la velocidad de las ondas de tipo P, las cuales son ondas elásticas de tipo volumétricas que comprimen y dilatan el medio por el que se propagan alternadamente en la dirección de propagación. Estas atraviesan a las probetas de tal forma que a mayor densidad aparente, más rápida es la velocidad con la que las ondas se transfieren por las mismas siendo este aspecto tratado en el ensayo de ultrasonidos. Por otro lado, se observa una dispersión algo notable en ambas gráficas, las cuales están basadas en los resultados numéricos tabulados en el Anexo A del presente proyecto. 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 Densidad aparente (g/cm3) Muestras CV Promedio Desviación típica 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 Densidad aparente (g/cm3) Muestras SV Promedio Desviación típica
45 45 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 3.15. Porosidad probetas CV 90 días Figura 3.16. Porosidad probetas SV 90 días En el caso de la porosidad, el promedio obtenido para las probetas con vidrio es del 26,74% mientras que para las probetas sin vidrio es del 29,21% (Figura 3.15-3.16). Si existe una mayor diferencia entre los promedios en la porosidad que en la densidad aparente así como la dispersión es menor en el caso de la porosidad. A la vista de los resultados para la densidad aparente, la porosidad debería ser algo superior para las probetas con vidrio, algo que no se cumple. Por lo tanto, a pesar de la diferencia visual entre las probetas con vidrio y sin vidrio, ambos tipos tienen valores semejantes en densidad y porosidad. Debido a esto se puede confirmar que la diferencia visual no se debe a estos valores y que las probetas son similares. 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% Porosidad (%) Muestras CV Promedio Desviación típica 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% Porosidad (%) Muestras SV Promedio Desviación típica
Ensayos experimentales 46 46 4 ENSAYOS EXPERIMENTALES e realizaron dos tipos de ensayos tanto a las probetas con vidrio como sin vidrio: ensayo a compresión simple y ensayo de ultrasonidos. La realización de las tandas de ensayos venía determinada por los días de secado establecidos para cada conjunto de probetas, por lo que se llevaron a cabo un total de cuatro tandas de ensayos correspondientes a los 30, 60, 90 y 120 días de secado. En cada uno de esos tiempos marcados, en primer lugar, se llevaron a cabo los ensayos de las probetas con vidrio y, a continuación, de las probetas sin vidrio las cuales se ejecutaban con una semana de diferencia respetando los tiempos de fabricación. En cada una de las tandas se realizó primero el ensayo de ultrasonidos y posteriormente el ensayo mecánico a compresión, ensayándose un total de 58 probetas. Ambos ensayos se llevaron a cabo en el mismo laboratorio donde se fabricaron las probetas, el cual se encuentra en la ETSI de Sevilla. Las edades de las probetas en la realización de los ensayo se muestran en la Tabla 4.1. Edad ensayo Campaña de ensayo 1ª 2ª 3ª 4ª CV – Con vidrio 35 días 73 días 107 días 134 días SV – Sin vidrio 32 días 73 días 102 días 129 días Tabla 4.1. Fechas establecidas ensayos Como se puede observar y tal y cómo quedó reflejado en el cronograma expuesto en el primer apartado del proyecto, por incompatibilidad de horarios y ciertos imprevistos no se pudieron ensayar las probetas justamente cada 30 días desde la fecha de fabricación aunque esto no supuso ningún problema para la obtención de los resultados buscados. La realización de los ensayos se realizó desde marzo hasta julio del presente así como la obtención y análisis de los resultados obtenidos. S
47 47 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal 4.1 Normativa de referencia La normativa empleada para el ensayo a compresión simple es la UNE-EN-14580:2005[14]. Mediante esta norma se pretende medir las deformaciones longitudinales de las probetas en dos estados distintos de cargas a compresión y así calcular el módulo de elasticidad estático. Para la realización del ensayo, la norma especifica aspectos como: el equipo a usar, el mínimo de probetas a ensayar, las dimensiones de las probetas en función de su tipología y el procedimiento de ensayos entre algunos otros. Mediante este procedimiento se obtendrá la deformación medida sobre dos caras de las probetas en su dirección longitudinal y las tensiones a compresión alcanzadas en cada instante de tiempo, lo que permitirá obtener las gráficas tensión-deformación para las probetas con y sin vidrio en cada tanda de ensayos establecida. Las características mecánicas del material que se podrán obtener mediante la normativa empleada en el ensayo a compresión son: • Tensión – deformación A partir de las curvas de tensión – deformación de cada una de las probetas ensayadas se obtendrán la ley de comportamiento correspondiente clasificada según dos criterios: probetas con/sin vidrio y por la fecha de ensayo. Para obtener estos valores es necesario conocer la distancia longitudinal de la probeta así como la superficie sobre la que se aplica la carga a compresión. 𝜎 = 𝐹 𝐴 𝜀 = ∆𝐿 𝐿 • Módulo de Young, E Para cada una de las edades indicadas se representarán distintas gráficas que reflejarán la ley de comportamiento de las probetas de tapia con y sin vidrio. Para el cálculo del módulo de elasticidad, algo que no se aborda en el presente proyecto, se tendría en cuenta el tramo lineal comprendido entre 1/3 fc y 2/3 de fc para establecer un mismo criterio de comparación dado el posible grado de no linealidad que pueda presentar la ley de comportamiento obtenida. 𝐸 = 𝜎 𝜀 • Resistencia a compresión, fc Este valor se obtendrá del máximo valor de tensión que soporta la probeta a compresión. El objetivo es determinar la evolución de los valores de resistencia a lo largo del tiempo en ambos tipos de probetas. A su vez, también se pretende demostrar si las probetas con vidrio junto con el tiempo de secado aportan una resistencia característica a compresión por encima de los valores obtenidos en las probetas sin vidrio, lo que confirmaría un mejor comportamiento a compresión para las construcciones de tapia con la inclusión de vidrio reciclado. Por otro lado, para el ensayo de ultrasonidos, el objetivo es relacionar la velocidad de propagación de las ondas P con el módulo de elasticidad (E) obtenido de las curvas tensión-deformación y con la densidad del material (ρ). Para la realización de este ensayo se sigue la norma UNE-EN 12504-4:2006[15].
Ensayos experimentales 54 54 Figura 4.8. Diagrama de flujo procedimiento ensayo de ultrasonidos Inicio ¿Tomografía? T = 6 ¿T = 12? ¿R = 12? R = R + 1 T = T + 1 R = 6 Plano I/Plano II, Trans . Bottom, Rec. Top T = 1 ¿T = 5? ¿R = 5? R = R + 1 T = T + 1 R = 1 Directo T,R = 6 ¿T,R = 12? R = R + 1 T = T + 1 Plano II Plano I ¿Plano II? Fin No Si Si Si Si Si Si Si No No No No No No Plano I, Trans. X+ y Rec. X-/Plano II, Trans. Y- y Rec. Y+ Plano I, Trans. X+ y Rec. X-/Plano II, Trans. Y- y Rec. Y+ Plano I/Plano II, Trans . Bottom, Rec. Top ¿T,R = 12? R = R + 1 T = T + 1 No Si
55 55 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal En el diagrama de flujo mostrado anteriormente cada incremento del valor de T (Transmisor) y R (Receptor) es un movimiento de cada uno de los cabezales empleados para el ensayo de ultrasonidos. Se puede comprobar de esta manera, que el ensayo tomográfico lleva mayor tiempo y, a su vez, es más exhaustivo mientras que el ensayo directo es más rápido, pero aporta menos resultados. El procedimiento de obtención y análisis de los resultados de los ensayos de ultrasonidos fue llevado a cabo por mi compañero en el presente proyecto, estudiante del Máster en Diseño Avanzado en Ingeniería Mecánica en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla, Joseba García Román [8]. Debido a esto, en el punto 5 del presente proyecto únicamente se mostrarán los resultados del ensayo a compresión simple. 4.3.2 Ensayo a compresión simple La realización de este ensayo permitirá obtener las curvas tensión-deformación tanto de las probetas con vidrio como sin vidrio, así como la resistencia característica a compresión a distintas edades de secado. A su vez, según el procedimiento descrito en la normativa de referencia para este ensayo, se podrá calcular el módulo de elasticidad y relacionarlo con los resultados del ensayo de ultrasonidos. 4.3.2.1 Medición de deformaciones En concreto, durante el ensayo a compresión simple, se midió el desplazamiento relativo de las pletinas pegadas sobre los lados de las probetas enfocados por las cámaras del sistema de vídeo extensometría. Sobre las pletinas se pegaron los patrones que identifican las cámaras, los cuales deben tener las dimensiones apropiadas según su distancia a las mismas. Mediante la realización de varias pruebas se llegó a la conclusión que la distancia apropiada entre los patrones tarados a 5 mm y las cámaras debía ser de unos 10 cm (Figura 4.9). Estos patrones se situaron en la parte intermedia de las probetas disminuyendo así la posibilidad de que surgiesen fallos locales por deformación durante el ensayo, los cuales perjudicasen la medida de la deformación relativa por parte de las cámaras. Figura 4.9. Patrón tarado en 5 mm sobre pletina metálica Antes de la realización de los ensayos se llevaba a cabo la calibración del sistema de vídeo extensometría mediante el ajuste de las cámaras y de los parámetros relativos a ellas controlados por el software informático. Se debían controlar parámetros como: el tarado, la superficie máxima y mínima reconocida por el sistema y la relación de aspecto máxima y mínima. Con la calibración de estos factores, el sistema reconoce el patrón situado en las probetas y da una primera medida de la distancia entre ambas pletinas situadas en ambas caras de la probeta que se pretende ensayar (Figura 4.10). A partir de esta medida, cualquier diferencia entre los patrones es reconocida por el sistema y mostrada por pantalla en tiempo real, así como registrada en los datos almacenados sobre el ensayo.
Ensayos experimentales 56 56 Los datos registrados y guardados en tiempo real durante la realización del ensayo a cada una de las probetas son: el tiempo (s) registrado cada 0.5 segundos, la fuerza (kN) ejercida por el actuador, la posición (mm) del actuador, la deformación (mm) medida por la cámara 1 y por la cámara 2, el día y la hora. Figura 4.10. Calibración sistema vídeo extensometría 4.3.2.2 Ciclos de carga El proceso del actuador se basa en cargar y descargar las probetas mediante unos ciclos de carga midiendo la deformación y la tensión respectiva durante todo el proceso. El ciclo de carga ejercido por el actuador se programó siguiendo la normativa de referencia señalada en el apartado 4.1. Las probetas ensayadas estuvieron controladas en desplazamiento en vez de un control en fuerza. En este caso la máquina busca la fuerza programada por encima del estado de la probeta, lo que por otro lado, podría ser un error fatal si la programación del actuador no fuese la correcta. Antes de comenzar el ensayo se posicionaba el actuador a través del programa lo más pegado posible a la parte superior de la probeta. Para reducir la fricción durante los ensayos a compresión y evitar el fenómeno de confinamiento de las probetas durante el aumento de la carga a compresión, el cual pueda afectar a las propiedades mecánicas de las probetas se colocaron unas láminas de teflón de unos 5 mm de espesor con una sección algo superior a las mismas. El ensayo consta de un total de cuatro tramos diferenciados (Figura 4.11). Figura 4.11. Gráfica X(tiempo, s)-Y(tensión, MPa) ciclos de carga, Ensayo a compresión simple
57 57 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal A partir de la norma UNE-EN-14580:2005[14] y teniendo en cuenta a la tapia como material ensayado, se plantea como resistencia última (fu) 1 MPa. Con esta resistencia y la sección de las probetas que se van a ensayar se obtienen las cargas al 2% y al 20% respecto a la resistencia última considerada necesarias para definir los ciclos de carga indicadas en la Figura 4.11. • Tramo 1 El actuador ejerce una fuerza a compresión la cual aumenta a una velocidad de 1 mm/min hasta llegar a los 2 kN correspondientes al 20% de la resistencia última (fu) considerada. A partir de este valor inicia una descompresión a la misma velocidad hasta llegar a los 0,2 kN como 2% de la resistencia última (fu). • Tramo 2 El segundo ciclo de carga es semejante al primero. Mediante estos dos primeros ciclos de carga se busca el asentamiento de la probeta. Este proceso permite adaptar a la probeta a la carga realizada llevando así a que se puedan distribuir uniformemente durante el proceso de compresión posterior. • Tramo 3 No se realiza carga alguna durante 30 segundos. • Tramo 4 Aumento de la carga a compresión hasta punto de rotura. 4.3.2.3 Refrentado de probetas Como se ha explicado anteriormente, todo el proceso de compactación de las probetas lo llevó a cabo una misma persona con el objetivo de la carga aplicada a través del martillo percutor fuese lo más semejante posible durante todo la fabricación. Conforme se fueron secando las probetas se observaron una serie de irregularidades en la parte superior e inferior de algunas probetas donde se apreciaba una cierta pendiente. Esta pendiente era más notable en la parte superior de las probetas y, en concreto, de algunas de las probetas que se habían compactado en la parte superior del molde. Por lo tanto, teniendo en cuenta el trabajo realizado por la persona que realizó la tarea de compactación, se llegó a la conclusión de que esta tarea se dificultaba gradualmente conforme se iban añadiendo tongadas en cada uno de los huecos del molde. Cada tongada suponía unos 10 cm de altura lo que hacía que la colocación del martillo percutor no fuese totalmente perpendicular a la superficie de la tierra añadida y esto se traducía en una cierta pendiente en las últimas tongadas de tierra de las probetas superiores (Figura 4.12). Figura 4.12. Probeta 30 días sin refrentar, Ensayo a compresión simple
Ensayos experimentales 58 58 Como se puede comprobar en la imagen anterior para una probeta ensayada a los 30 días de secado, la pendiente de la parte superior hacia la cara X+ de la probeta es muy notable. Durante la realización de los ensayos a 30 días de secado, se llegó a la conclusión de que estas debido a estas pendientes en algunas de las probetas no se estuviesen obteniendo los resultados verdaderamente buscados que se obtendrían en el caso de que no presentasen esta imperfección. Por todo ello, para los ensayos a 60, 90 y 120 días de secado, se llevó a cabo el refrentado de las probetas tanto por la parte superior como por la inferior. La ejecución de esta tarea fue guiada por varios profesores del departamento de Construcciones Arquitectónicas II de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Edificación de Sevilla. Mediante la operación del refrentado se pretendía corregir la posible pendiente y algunas imperfecciones en la cara superior e inferior de las probetas como la erosión de las esquinas, las cuales eran sensibles a la manipulación de las probetas. Este proceso no suponía un tiempo añadido a la realización de los ensayos. Este consistía en la mezcla de yeso y agua buscando una consistencia suficiente para realizar la correción de la pendiente mediante un nivelador de burbuja. La ejecución de la tarea debía ejecutarse lo más rápidamente posible ya que la mezcla se secaba con rapidez. Esta se dejaba secar sobre una superficie plana y se retiraba con facilidad debido a la adición de aceite en la zona antes del proceso de refrentado (Figura 4.13). Figura 4.13. Probetas 90 días refrentadas, Proceso de refrentado De este proceso se espera que puedan aumentar los resultados obtenidos de resistencia característica a compresión a 30 días tanto para los probetas con vidrio como sin vidrio, los cuales se muestran posteriormente. A su vez, también puede influir en la forma de romper de las probeta ya que la distribución de las cargas va a ser distinta.
59 59 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal 5 RESULTADOS Y ANÁLISIS DEL ENSAYO MECÁNICO na vez se definieron los aspectos relativos a la maquinaria de ensayo así como los procedimientos que se iban a llevar a cabo, se procedió a la realización de los ensayos. Como se ha comprobado anteriormente, las dos tipologías de probetas fabricadas fueron sometidas a dos tipos de ensayo: el ensayo a compresión simple y el ensayo de ultrasonidos. Aunque la realización de los ensayos se llevó a cabo de forma conjunta, los resultados del ensayo de ultrasonidos y el análisis de los mismos quedan fuera del presente proyecto, los cuales fueron llevados a cabo por mi compañero, Joseba García Román.[8] En este punto se explicarán los resultados obtenidos para el ensayo destructivo relacionándolos con distintos aspectos del proceso tales como la compactación de las probetas, su granulometría o el refrentado entre otros. Estos resultados se pretenden contrastar entre las distintas edades de secado de las probetas donde habrá que tener en cuenta el efecto de la edad, la carbonatación de la cal aplicada y las condiciones de humedad y temperatura en las cámaras de secado. En la Tabla 5.1 se muestra el número de probetas ensayadas de cada tipología así como el número total por cada fecha de ensayo: Días de secado/Fecha de ensayos Probetas Con vidrio Sin vidrio Total 30 días 7 7 14 60 días 8 8 16 90 días 7 8 15 120 días 6 7 13 Tabla 5.1. Número de probetas ensayadas a compresión para cada fecha de ensayo U
Resultados y análisis del ensayo mecánico 60 60 5.1 Resistencia a compresión simple En términos de resistencia, con el desarrollo de los ensayos destructivos a distintos días de secado desde el proceso de fabricación, se pretende comprobar si la presencia del vidrio junto con la cal en las probetas de tapia aumenta la resistencia de las mismas o, por el contrario, no tiene una influencia significativa. A su vez, también se espera relacionar los resultados obtenidos en resistencia con el tipo de rotura de las probetas visto en el punto anterior. La obtención y procesamiento de los resultados de resistencia obtenidos en los ensayos fue llevado a cabo por mi compañero de proyecto, Joseba García Román. Como parte fundamental del ensayo a compresión simple y del presente proyecto, en este punto se mostrarán la resistencia a compresión simple (fc) obtenida en cada fecha de secado. El objetivo es relacionar los resultados con la presencia del vidrio, con la cal, con las condiciones de humedad y temperatura en las cámaras donde se han secado las probetas, con el refrentado, la fabricación y granulometría de las probetas, en definitiva, esta es una forma de comprobar como afecta cada una de las variables mencionadas a la resistencia a compresión simple. En cada una de ellas se distinguirá entre probetas con y sin vidrio y se obtendrán los valores promedio y la desviación típica. En el Anexo B se muestran las tablas de valores a partir de las cuales se han representado las gráficas que se muestran en este punto. 5.1.1 Probetas 30 días Los resultados para las probetas con y sin vidrio a 30 días de secado fue un primer paso en la presente investigación, los cuales no se podían comparar con ningún tipo de resultado, pero si se puede observar la dispersión y el promedio de las resistencias obtenidas así como la resistencia a compresión simple (fc) para las probetas con vidrio y sin vidrio (Figura 5.1-5.3). Figura 5.1. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 30 días con vidrio 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 1234567 Tensión (MPa) Probetas 30 días con vidrio Promedio Desviación típica
61 61 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 5.2. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 30 días sin vidrio Figura 5.3. Gráfica resistencia a compresión probetas 30 días con vidrio/sin vidrio 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 1234567 Tensión (MPa) Probetas 30 días sin vidrio Promedio Desviación típica 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 1 2 3 4 5 6 7 Tensión (MPa) Probetas 30 días con/sin vidrio Con vidrio Sin vidrio
Resultados y análisis del ensayo mecánico 62 62 A partir de los resultados obtenidos en las Figuras 5.1-5.3 y de los datos numéricos mostrados en el Anexo B del proyecto, se puede observar que las probetas con vidrio presentan una resistencia a compresión media ligeramente superior a las probetas sin vidrio aunque la dispersión es semejante. Estos resultados se compararán con los resultados obtenidos para las probetas a los 60 días con el objetivo de comprobar la influencia del refrentado y observar el tipo de rotura como consecuencia de las pendientes de algunas probetas en la cara superior. La resistencia característica y desviación típica a los 30 días de secado se muestran en la Tabla 5.2. PROBETAS 30 DÍAS Con vidrio Sin vidrio Resistencia característica 1,316 MPa 1,135 MPa Desviación típica 0,244 0,228 Tabla 5.2. Resistencia característica y desviación típica, probetas 30 días 5.1.2 Probetas 60 días Figura 5.4. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 60 días con vidrio 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 1 2 3 4 5 6 7 8 Tensión (MPa) Probetas 60 días con vidrio Promedio Desviación típica
63 63 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 5.5. Gráfica promedio y desv. típica, resistencia a compresión probetas 60 días sin vidrio Figura 5.6. Gráfica resistencia a compresión probetas 60 días con vidrio-sin vidrio A partir de los resultados representados en las Figuras 5.4-5.6 y tabulados en el Anexo B, se puede confirmar el incremento significativo de la resistencia media obtenida tanto para las probetas con vidrio como las probetas sin vidrio. A su vez, también ha aumentado la dispersión de los resultados sobre todo para las probetas con vidrio de los 30 a los 60 días de secado. Aún sin llegar a los resultados obtenidos a los 90 y 120 días, se relaciona este incremento generalizado de la resistencia con el mayor secado de las probetas y con la operación del refrentado para corregir la pendiente que mostraban muchas probetas de las ensayadas en la cara superior. 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 1 2 3 4 5 6 7 8 Tensión (MPa) Probetas 60 días sin vidrio Promedio Desviación típica 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 1 2 3 4 5 6 7 8 Tensión (MPa) Probetas 60 días con/sin vidrio Con vidrio Sin vidrio
Resultados y análisis del ensayo mecánico 70 70 5.2.2.1 Probetas 30 días Con vidrio Figura 5.15. Gráfica tensión-deformación 30 días – con vidrio Figura 5.16. Gráfica tensión-deformación 30 días – con vidrio: media y desviación típica
71 71 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 5.17. Gráfica tensión-deformación 30 días – con vidrio: media, máximo y mínimo Sin vidrio Figura 5.18. Gráfica tensión-deformación 30 días – sin vidrio
Resultados y análisis del ensayo mecánico 72 72 Figura 5.19. Gráfica tensión-deformación 30 días – sin vidrio: media y desviación típica Figura 5.20. Gráfica tensión-deformación 30 días – sin vidrio: media, máximo y mínimo En primer lugar, comparando las Figuras 5.15 y 5.18, se puede apreciar como el número de curvas sin vidrio seleccionadas es notablemente inferior al número de curvas con vidrio. Esto se debe a que en mayor número, las curvas obtenidas de las probetas sin vidrio han mostrado un comportamiento fuera de lo esperado y se han descartado para el análisis
73 73 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Otro aspecto a destacar es la acusada dispersión tanto en la Figura 5.16 como en la Figura 5.19. A su vez, en ambas figuras se observa a partir de una deformación relativa de 3.5 x 10-3 una cierta zona de fluencia precedida de un tramo pequeño donde la tensión disminuye levemente mientras la deformación aumenta. Este comportamiento promedio de las probetas con y sin vidrio a 30 días de secado, puede deberse a que durante el ensayo a compresión se ha producido una cierta redistribución de esfuerzos lo que ha llevado a una leve disminución de la tensión, a partir de la cual esta se ha mantenido constante mientras seguía aumentando la deformación. 5.2.2.2 Probetas 60 días Con vidrio Figura 5.21. Gráfica tensión-deformación 60 días – con vidrio Figura 5.22. Gráfica tensión-deformación 60 días – con vidrio: media y desviación típica
Resultados y análisis del ensayo mecánico 74 74 Figura 5.23. Gráfica tensión-deformación 60 días – con vidrio: media, máximo y mínimo Sin vidrio Figura 5.24. Gráfica tensión-deformación 60 días – sin vidrio
75 75 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 5.25. Gráfica tensión-deformación 60 días – sin vidrio: media y desviación típica Figura 5.26. Gráfica tensión-deformación 60 días – sin vidrio: media, máximo y mínimo La Figura 5.24 en comparación con la Figura 5.18 a los 30 días de secado, presenta un mayor número de curvas válidas para la obtención de la curva tensión-deformación promedio. Esto puede ser una consecuencia del mayor tiempo de secado, lo que haya llevado a una mayor consistencia en las probetas y como consecuencia a que estas tengan un comportamiento más normalizado en el ensayo a compresión. Por otro lado, puede ser consecuencia también del refrentado de las probetas lo que ha llevado a que la carga se aplique uniformemente sobre la superficie de contacto de la probeta y con ello a una mejor distribución de esfuerzos sobre la misma.
Resultados y análisis del ensayo mecánico 76 76 En cuanto a la Figura 5.21 se puede observar como las curvas representadas consideradas válidas muestran un comportamiento prácticamente ideal con un tramo elástico claramente diferenciado, en comparación con la Figura 5.15 a los 30 días de secado donde no ocurre de una forma tan evidente. Esto puede ser efecto también del refrentado y de un mayor tiempo de secado para las probetas. 5.2.2.3 Probetas 90 días Con vidrio Figura 5.27. Gráfica tensión-deformación 90 días – con vidrio Figura 5.28. Gráfica tensión-deformación 90 días – con vidrio: media y desviación típica
77 77 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Figura 5.29. Gráfica tensión-deformación 90 días – con vidrio: media, máximo y mínimo Sin vidrio Figura 5.30. Gráfica tensión-deformación 90 días – sin vidrio
Resultados y análisis del ensayo mecánico 78 78 Figura 5.31. Gráfica tensión-deformación 90 días – sin vidrio: media y desviación típica Figura 5.32. Gráfica tensión-deformación 90 días – sin vidrio: media, máximo y mínimo En las gráficas tensión-deformación obtenidas para los 90 días de secado no existe una gran diferencia respecto a las obtenidas para los 60 días de secado. A su vez, a los 90 días de secado, se puede observar una zona lineal tanto en la Figura 5.28 como en la Figura 5.31, aunque es apreciable que la dispersión es ligeramente menor en la primera figura lo que indica un comportamiento más favorable para las probetas con vidrio.
79 79 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal 5.2.2.4 Probetas 120 días Con vidrio Figura 5.33. Gráfica tensión-deformación 120 días – con vidrio Figura 5.34. Gráfica tensión-deformación 120 días – con vidrio: media y desviación típica
Resultados y análisis del ensayo mecánico 86 86 En las Figuras 5.42 y 5.43, se puede observar como existe una falta de paralelismo entre la cara superior e inferior en las dos probetas con vidrio ensayadas a 30 días de secado. Esta imperfección se ha traducido en una rotura diagonal no deseada y fuera del rango esperado en ambas probetas, donde parte de la misma se ha desprendido. Este tipo de rotura no solo se podría asociar a la falta de planeidad en la cara superior de ambas probetas, sino también al hecho de que no haya pasado el suficiente tiempo de secado como para que la tapia haya alcanzado el estado óptimo para ser cargada a compresión. En dos de las probetas con vidrio mostradas en las Figuras 5.42 y 5.43, en concreto aquellas que presentaban una pendiente más pronunciada en la cara superior, se produjo el tipo de rotura mostrada mientras que las cinco restantes rompieron de una forma más adecuada. Figura 5.46. Probeta 30-SV-M3-P4-T antes/después ensayo a compresión En el caso de las probetas sin vidrio a 30 días de secado, todas ellas rompieron de forma controlada, pero con grietas significativas y cierto desprendimiento de material en algunas de ellas. En la imagen anterior se puede apreciar que la probeta tiene una pendiente considerable en la parte superior aunque no rompe de la misma forma que las probetas con vidrio ya vistas. Por lo tanto, al finalizar la primera tanda de ensayos destructivos correspondientes a los 30 días de secado, se observó que las probetas no llegaban a romper de la forma esperada lo que se asociaba directamente a las imperfecciones que presentaban ciertas probetas así como al poco tiempo de secado.
87 87 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal 5.3.2 Probetas 60 días Observando la gran influencia que habían tenido ciertas imperfecciones de las probetas a 30 días de secado en la forma de rotura, para los ensayos destructivos realizados a los 60 días se realizó el refrentado de las mismas. Los resultados obtenidos en rotura se muestran en las Figuras 5.45 y 5.46. Figura 5.47. Probeta 60-CV-M1-P3-T antes/después ensayo a compresión Figura 5.48. Probeta 60-SV-M4-P1-B después ensayo a compresión
Resultados y análisis del ensayo mecánico 88 88 En las Figuras 5.45 y 5.46 para dos probetas ensayadas a compresión en la tanda de 60 días de secado, se puede comprobar a simple vista las consecuencias del refrentado de las probetas. En el desarrollo de esta tanda, las probetas rompieron de forma más controlada produciéndose grietas difíciles de apreciar en algunos casos, lo que confirma positivamente el uso del refrentado. Por otro lado, la diferencia en la rotura no es significativa entre las probetas con y sin vidrio para este tiempo de secado. 5.3.3 Probetas 90 días Figura 5.49. Probeta 90-CV-M4-P2-B antes/después ensayo a compresión Figura 5.50. Probeta 90-SV-M1-P4-T antes/después ensayo a compresión
89 89 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Las probetas ensayadas a 90 días de secado también fueron refrentadas lo que llevó en los ensayos a una rotura más adecuada y en la mayoría de los casos con grietas dificilmente de apreciar a simple vista. En esta tanda de ensayos también se observó una cierta tendencia a que las grietas de las probetas sin vidrio fuesen algo más acusadas que en el caso de las probetas con vidrio, lo que llevaba a un mayor desprendimiento de ciertas partes de la probeta. 5.3.4 Probetas 120 días Figura 5.51. Probeta 120-CV-M2-P2-T antes/después ensayo a compresión Figura 5.52. Probeta 120-SV-M1-P1-T antes/después ensayo a compresión
Resultados y análisis del ensayo mecánico 90 90 En las probetas ensayadas a 120 días de secado, las cuales también fueron refrentadas se confirmó el comportamiento observado en las probetas de 90 días: se produjeron roturas controladas, grietas con un grosor mínimo en la mayor parte de los casos y algo más significativas en las probetas sin vidrio. En concreto, para la probeta sin vidrio mostrada en la figura anterior sí se produjo una rotura fuera del comportamiento esperado según los resultados que se habían observado para otras probetas sin vidrio. Como se ha observado, entre las distintas tandas de ensayos realizadas, la mayor diferencia se encuentra entre las probetas de 30 y 60 días de secado, cuya diferencia es el hecho de que las primeras no estaban refrentadas. Según las imágenes que se han mostrado en el presente punto y teniendo en cuenta la totalidad de los resultados de rotura obtenidos en el laboratorio, se puede confirmar en términos de rotura de las probetas de tapia que el refrentado ha llevado a una rotura más controlada como se ha podido comprobar en las probetas de 60, 90 y 120 días. En general, tanto en las probetas con vidrio como sin vidrio se esperaban que rompiesen y se deformasen a partir de grietas verticales que recorriesen la probeta longitudinalmente y que, el límite entre tongadas, considerado como una región de la probeta de menor adherencia que la zona intermedia de cada una de ellas, no fuese una región dominante de rotura por efecto del deslizamiento entre tongadas ante una distribución no uniforme de esfuerzos. Por lo tanto, la presencia de grietas notables en el límite entre tongadas o grietas horizontales eran signo de que la distribución de esfuerzos no estaba siendo la correcta así como la forma de romper de las mismas. Estas roturas se caracterizaban por un ensanchamiento de la probeta por efecto Poisson durante el proceso de carga final hasta el punto de rotura debido a la incorrecta distribución de esfuerzos, lo que llevaba a que rompiesen preferentemente por el límite entre tongadas. El comportamiento a flexión no era el realmente buscado en el desarrollo de los ensayos, aunque las construcciones con tapia pueden llegar a soportar cierto esfuerzo a flexión debido por ejemplo a la carga de viento, la cual habría que tener en cuenta, pero no es comparable a la carga a compresión. En puntos posteriores, se comprobarán los respectivos resultados de resistencia característica para cada una de ellas. Estos resultados observados en la rotura están directamente relacionados con los valores de resistencia a compresión obtenidos, a su vez, podrían tener una influencia directa en la obtención de resistencias a compresión inferiores a las obtenidas si las probetas no presentasen dichas imperfecciones. 5.4 Análisis efecto edad A la vista de los resultados obtenidos en la realización del ensayo a compresión simple, se procederá al análisis de los mismos relacionándolos no solo con el proceso de fabricación de las probetas o con la operación del refrentado sino también con el efecto de la edad. El objetivo es saber hasta que punto el aumento de los días de secado influye en el proceso de curado de las probetas y, a su vez, en el comportamiento mecánico de las mismas. Para tener en cuenta el efecto de la edad sobre las probetas con y sin vidrio hay que analizar previamente dos factores fundamentales, los cuales dependen el uno del otro: las condiciones de humedad y temperatura y el grado de reacción de la cal hidráulica añadida a las probetas. Observando las gráficas de tensión-deformación y los resultados de resistencia a compresión, se pretende encontrar una justificación a la mejora progresiva de los resultados más allá del refretando del cual ya se ha confirmado su influencia en el ensayo destructivo. 5.4.1 Condiciones de humedad y temperatura Durante el proceso de curado de las probetas de tapia, se llevó a cabo un registro de las condiciones de humedad y temperatura de las cámaras donde se situaron. Mediante estos resultados, se podrán sacar conclusiones más concluyentes sobre el secado de las probetas y así relacionarlo con los valores obtenidos en los ensayos realizados.
91 91 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal La representación de las mediciones tomadas de humedad y temperatura se encuentran en el Anexo E del presente de puede observar a corto plazo que las condiciones de secado son estables, pero teniendo en cuenta que el curado de las probetas ha estado comprendido entre los meses de marzo y julio, si se puede observar cambios a largo plazo. Las condiciones de humedad muestran una tendencia descendente y, a su vez, la temperatura se ha ido incrementado. El conjunto de estas condiciones ha podido llevar a un secado considerable sobre todo para las probetas de 120 días, lo que se ha podido reflejar en los resultados obtenidos en el ensayo destructivo. 5.4.2 Carbonatación de la cal En relación a los resultados obtenidos en los ensayos, la cal podría haber tenido cierta influencia sobre todo en los resultados de resistencia correspondientes a los 120 días de secado. Esto se debe a que el proceso de endurecimiento adicional provocado por la reacción de la cal hidratada con el dióxido de carbono del aire es muy lento y, solo después del paso de algunos meses, se puede comprobar un cierto aumento de la resistencia. La prueba consistía en añadir una cierta cantidad de fenolftaleína mediante goteo, el cual reacciona con el contenido en cal de las probetas colorando la parte de estas que no ha reaccionado aún. Esto permite estimar un porcentaje aproximado de la cantidad de tapia con cal que ya ha reaccionado con el dióxido de carbono desde la parte externa hacia la interna de la probeta. Una vez se habían ensayado las probetas a compresión simple, se extraía la tongada superior e inferior de la misma y se les realizaba la prueba de carbonatación. El hecho de emplear la tongada superior y la inferior y no considerar la tongada intermedia era comprobar si la gravedad afectaba de cierta manera al proceso de reacción de la cal, así como a las condiciones de humedad en dirección longitudinal de la probeta. Con el objetivo de comprobar el porcentaje de probeta cuyo contenido en cal ya había reaccionado, se sometió a las probetas ensayadas a los 120 días a una prueba para comprobar el estado de la carbonatación. Se realizó esta prueba a un total de 6 probetas de las cuales 3 eran con vidrio y 3 sin vidrio, las cuales eran semejantes entre ellas ya que se habían compactado en la misma posición en el molde solo que una llevaba vidrio y la otra no. A continuación, se muestra el resultado obtenido en una probeta con vidrio (Figura 5.53) y sin vidrio (Figura 5.54). Figura 5.53. Prueba de carbonatación, probeta CV-120-M1-P1-T
Resultados y análisis del ensayo mecánico 92 92 Figura 5.54. Prueba de carbonatación, probeta SV-120-M3-P3-T La zona coloreada es la parte de la probeta que aún no ha reaccionado y cuyas medidas se recogen en la Tabla 5.6 tanto para la tongada superior como la inferior. Probeta 120 días Con vidrio Sin vidrio Probeta Top Bottom Top Bottom M1-P1-T 55,47 mm 53,39 mm 52,36 mm 55,75 mm M2-P2-T 56,8 mm 53,46 mm 56,73 mm 58,3 mm M3-P3-T 52,27 mm 51,51 mm 55,73 mm 54,39 mm Tabla 5.6. Medidas zona no carbonatada en probetas de 120 días Los resultados son semejantes entre las 3 probetas expuestas tanto con vidrio como sin vidrio. Comparando las tongadas superiores de las probetas con vidrio con las tongadas inferiores se puede observar que estas últimas son ligeramente inferiores a las primeras. Por otro lado, en las probetas sin vidrio ocurre todo lo contrario. Teniendo en cuenta que la medida de la sección transversal de la probeta es de 100 mm, se puede comprobar que a los 120 días de secado y después de las condiciones de humedad y temperatura registradas, no ha reaccionado entre el 50 y el 60% de la cal añadida a las probetas.
93 93 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal 6 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS eniendo en cuenta todo el proceso seguido en el proyecto desde el planteamiento de las tandas de fabricación hasta la realización de los ensayos, en este apartado se analizan los resultados obtenidos así como las conclusiones que se han ido planteando durante todo el proyecto. El objetivo principal es comprobar si la adición del vidrio reciclado a las probetas ha modificado las prestaciones mecánicas de la tapia y, en ese caso, si ha supuesto o no una cierta mejora. Para ello, se plantea un resumen del proyecto que se ha llevado a cabo a partir del cual se sacan las conclusiones mostradas en el apartado siguiente. Por último, teniendo en cuenta los resultados obtenidos así como la línea de investigación a la que pertenece el presente proyecto, se plantean algunas modificaciones del mismo en el caso de que vuelva a ser realizado y una serie de investigaciones alternativas las cuales podrían continuar el trabajo ya realizado. 6.1 Resumen del alcance del proyecto Tal y como se mencionó al principio del proyecto, el desarrollo y ejecución del mismo persigue un doble objetivo: la reutilización de un material como el vidrio en la tapia, el cual se desecha en grandes cantidades en la sociedad actual y la comprobación de que este mejora el comportamiento mecánico a compresión de la tapia. A su vez, también se contribuye a una amplia línea de investigación, la cual no solo brinda una posible salida a materiales sin uso como en este caso el vidrio, sino que persigue el desarrollo de una normativa reguladora para las construcciones con tapia como las normas ya existentes para materiales como el hormigón o el acero. Teniendo en cuenta la fragilidad de las probetas de tapia durante su manejo, se fabricaron probetas prismáticas y de un tamaño reducido con el objetivo de facilitar su manejo durante los ensayos. La granulometría empleada para la fabricación de la tapia fue semejante a las proporciones empleadas hace cientos de años, pero con el añadido de la cal y, a la mitad de las fabricadas, también del vidrio. Esta adición se basa en una sustitución parcial al 75% como resultado del método de Fuller empleado para distintos porcentajes de vidrio sustituidos en la mezcla original. Los tipos de vidrio empleados son dos: un vidrio grueso cumpliendo una función parecida a la grava y un vidrio medio asemejándose a la arena. Seguidamente, para el proceso de mezclado y posterior fabricación fue fundamental encontrar la humedad óptima mediante el ensayo Próctor Normal. A continuación, se realizó la fabricación de las probetas mediante un molde de metacrilato y un martillo percutor aligerando así el proceso de forma significativa. Este se planificó de forma exhaustiva entre el grupo de trabajo para no pasar por alto ninguna de las variables presentes en el proceso como: la compactación, la humedad en la mezcla, las cantidades añadidas, el manejo del molde o identificación de las probetas. Este último aspecto fue fundamental para el desarrollo de las tandas de ensayo, así como para relacionar los resultados obtenidos con la posición donde se habían compactado las probetas. T
Conclusiones y trabajos futuros 94 94 Una vez se habían fabricado las probetas se colocaron para su secado y con su respectiva identificación teniendo en cuenta la parte del molde donde se había fabricado y la fecha en la que se iba a ensayar. En total se fabricaron 58 probetas distribuidas en cuatro tandas de ensayos a los 30, 60, 90 y 120 días de secado. Se realizaron un total de dos ensayos a cada una de las probetas fabricadas: ensayo de ultrasonidos y ensayo a compresión simple. La realización de ensayos se llevó a cabo de forma conjunta entre todo el grupo de trabajo aunque los resultados del ensayo de ultrasonidos fueron analizados e interpretados por mi compañero de proyecto Joseba García Román y, los resultados del ensayo mecánico a compresión, son los expuestos en el presente proyecto. Para este ensayo destructivo se empleó un sistema de vídeoextensometría mediante el cual se leía la deformación relativa de las probetas a compresión mediante unos patrones colocados en las mismas y relacionaban estas mediciones con la fuerza a compresión ejercida por la máquina de ensayo. Los aspectos fundamentales medidos durante el ensayo destructivo fueron: el tipo de rotura de las probetas, la resistencia a compresión y los resultados de fuerza a compresión y deformación. Tras la realización de las cuatro tandas de ensayos, estos aspectos iban a revelar el grado de influencia de la cal, del vidrio y del tiempo de secado sobre las probetas de tapia ensayadas. Durante el desarrollo de los ensayos, entre los 30 y 60 días de secado, se decidió realizar el refrentado para las probetas a ensayar a los 60, 90 y 120 días debido a que la tanda correspondiente a los 30 días de secado presentaba una pendiente acusada en la cara superior de las probetas. Dentro del ensayo mecánico se buscaba conocer la evolución de la resistencia a compresión a través de la distintas edades de secado de las probetas. A partir de los datos registrados en los ensayos se procedió a su análisis mediante Matlab con el objetivo de representar las curvas de tensión-deformación de cada una de las probetas. Estas curvas se representaron según distintos tipos de criterios, aunque las gráficas más relevantes son aquellas en la que se comparan los resultados del sistema de vídeo extensometría en una misma fecha de secado tal y como se señala en el apartado 5.2 del presente proyecto. Entre estas curvas se descartaron mediante criterio visual aquellas que mostraban un comportamiento fuera de lo esperado. Por último, se obtuvieron mediante Matlab las curvas promedio, la desviación típica, el máximo y el mínimo para cada fecha de ensayo. Para cerrar el proyecto realizado y poder relacionar las conclusiones sacadas con los resultados obtenidos del análisis de los resultados de los ensayos, se sacaron las condiciones de humedad y temperatura de las cámaras donde se secaron las probetas con el objetivo de relacionar cualquier posible anomalía a las condiciones de secado ya que son determinantes en la definición de la resistencia mecánica de la tapia. A su vez, se les realizó una prueba de carbonatación a las probetas ensayadas a los 120 días de secado para ver la evolución de la reacción de la cal contenida en las probetas. 6.2 Conclusiones sobre resultados de los ensayos Para cerrar el proyecto presentado, se exponen a continuación las conclusiones metodológicas y procedimentales. 1. En el proceso de preparación de la mezcla con vidrio, se plantearon distintos porcentajes de sustitución entre la arena y este material. Para ello, se realizó un estudio granulométrico del vidrio con el método de Fuller, el cual reveló que la sustitución óptima para la adición del vidrio a la tapia es del 75%. 2. Para la realización de la mezcla de fabricación, el porcentaje de humedad óptima teórica obtenida mediante el Ensayo Próctor Normal del 12% no coincidió con el grado de humedad óptima del 8% obtenido tanto para la mezcla con vidrio como sin vidrio, la cual se comprobó mediante la textura y apariencia de ambas mezclas. 3. En cuanto a la forma de las probetas, estas se realizaron prismáticas y con unas dimensiones que permitiesen no solo realizar los ensayos correctamente sino también manejarlas con facilidad. Aún así, el manejo de la tapia mostraba una apreciable debilidad ya que se desprende cierta cantidad de finos e incluso grava que se encuentra en la capa externa y, a su vez, también eran frágiles las esquinas.
95 95 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal 4. En la primera tanda de ensayos se observó una gran diferencia visual entre las probetas con vidrio y las probetas sin vidrio. La porosidad y la densidad aparente eran similares para ambos tipos de probetas, por lo que se descartó su influencia sobre el aspecto de las mismas. Con todo esto, considerando que la granulometría y el porcentaje de vidrio son los mismos para ambas tipologías, se considera que esta diferencia se debe a la modificación del proceso de adición de componentes en la mezcladora para las probetas con vidrio. 5. Con el empleo del martillo percutor en el proceso de fabricación de las probetas, se redujo el coste temporal del proceso y se mejoró el resultado esperado realizando una compactación más uniforme. Este concepto era determinante en la posterior respuesta mecánica de las probetas. 6. La presión ejercida por el martillo percutor no siempre fue totalmente perpendicular al plano donde estaba contenida la mezcla a compactar en el molde, lo que se tradujo en que la mayor parte de las probetas presentaban una falta de planeidad en la cara superior. 7. La pendiente de las probetas dió lugar a una distribución de esfuerzos no uniformes. Esto llevaba a un cierto deslizamiento en el límite entre tongadas, al ser estas, las zonas de la probeta que presentan una menor adherencia. Para corregir todos estos problemas y obtener unos resultados en resistencia cercanos a la realidad se llevó a cabo el refrentado de las probetas. Atendiendo a la evolución de los resultados en resistencia a lo largo de las distintas fechas de secado mostrados en las figuras 5.1-5.13 y en las tablas numéricas del anexo B del presente proyecto se llegan a las conclusiones en resistencia. 1. A los 30 días de secado existe una dispersión significativa entre los resultados obtenidos. La resistencia promedio de las probetas con vidrio es ligeramente superior a las probetas sin vidrio. 2. Entre los 30 y los 60 días de secado, se observa una diferencia notable entre los resultados obtenidos de resistencia ya que esta aumenta en ambos tipos de probetas entre un 30 y un 40% en su valor promedio. Por otro lado, la dispersión disminuye entre ambas fechas. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos para fechas de ensayos posteriores, la diferencia en resistencia entre los 30 y 60 días se debe al refrentado de las probetas más que al secado de las mismas o al efecto de la cal. Se observa que la dispersión de las probetas sin vidrio se mantiene constante mientras que en las probetas con vidrio aumenta en torno a un 22% respecto a los valores a los 30 días. 3. Entre los 60 y los 90 días de secado, se comprueba que la dispersión disminuye en un 26% para las probetas con vidrio y en un 30% en las probetas sin vidrio. Esto se considera en mayor medida como una consecuencia del secado de las probetas ya que las probetas de ambas fechas de ensayo están refrentadas. La resistencia promedio entre las probetas de 60 y 90 días se mantiene semejante tanto para las probetas con vidrio como sin vidrio. 4. Entre los 90 y 120 días de secado, se confirma la tendencia descendente en el valor de la dispersión para los valores de resistencia obtenidos. En el caso de las probetas con vidrio disminuye en un 30% mientras que en las probetas sin vidrio en un 56%, obteniendo así un descenso más acusado que el observado entre las probetas de 60 y 90 días. En términos de resistencia, se observa que en el caso de las probetas sin vidrio la resistencia promedio se mantiene semejante mientras que en las probetas con vidrio se produce un aumento en un 27%. 5. El aumento notable en la resistencia para las probetas con vidrio ensayadas a los 120 días no se puede deber al efecto de la cal ya que se hubiesen mostrado mayores valores en resistencia también para las probetas sin vidrio, ni tampoco al efecto del refrentado ya que las dos tandas anteriores de probetas también habían sido refrentadas. Por lo tanto, se asocia mayormente a la edad y condiciones de secado ya que según los resultados obtenidos en las condiciones de humedad y temperatura en el Anexo E, estas últimas probetas han estado expuestas a una temperatura media elevada y a una mínima humedad durante unos 15 días aproximadamente. Esto junto con la presencia del vidrio en las probetas han derivado en un aumento de la resistencia a compresión de la tapia.
Anexo B 102 102 Probetas Resist. Comp. (MPa) Promedio (MPa) Desviación típica M3-P4-B 1,284 1,408 0,309 M2-P4-T 1,692 M1-P2-B 1,064 M1-P3-T 1,558 M4-P2-T 1,234 M4-P1-B 0,97 M2-P3-B 1,746 M3-P1-T 1,714 Tabla 0.3. Resistencia a compresión simple, promedio y desviación típica, probetas 60 días con vidrio Probetas Resist. Comp. (MPa) Promedio (MPa) Desviación típica M3-P4-B 1,593 1,445 0,23 M2-P4-T 1,31 M1-P2-B 1,461 M1-P3-T 1,672 M4-P2-T 1,421 M4-P1-B 1,439 M2-P3-B 0,977 M3-P1-T 1,69 Tabla 0.4. Resistencia a compresión simple, promedio y desviación típica, probetas 60 días sin vidrio
103 103 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Probetas Resist. Comp. (MPa) Promedio (MPa) Desviación típica M4-P2-B 1,224 1,41 0,227 M1-P3-B 0,983 M1-P4-T 1,578 M3-P2-T 1,444 M2-P4-B 1,487 M2-P1-T 1,566 M3-P1-B 1,591 Tabla 0.5. Resistencia a compresión simple, promedio y desviación típica, probetas 90 días con vidrio Probetas Resist. Comp. (MPa) Promedio (MPa) Desviación típica M3-P4-B 1,197 1,412 0,159 M2-P4-T 1,504 M1-P2-B 1,439 M1-P3-T 1,62 M4-P2-T 1,264 M4-P1-B 1,416 M2-P3-B 1,593 M3-P1-T 1,261 Tabla 0.6. Resistencia a compresión simple, promedio y desviación típica, probetas 90 días sin vidrio
Anexo B 104 104 Probetas Resist. Comp. (MPa) Promedio (MPa) Desviación típica M1-P1-T 1,92 1,937 0,157 M2-P2-T 2,083 M3-P3-T 1,747 M1-P4-B 1,782 M3-P2-B 1,947 M2-P1-B 2,142 Tabla 0.7. Resistencia a compresión simple, promedio y desviación típica, probetas 120 días con vidrio Probetas Resist. Comp. (MPa) Promedio (MPa) Desviación típica M1-P1-T 1,396 1,417 0,071 M2-P2-T 1,547 M3-P3-T 1,365 M1-P4-B 1,454 M4-P3-B 1,362 M3-P2-B 1,448 M2-P1-B 1,346 Tabla 0.8. Resistencia a compresión simple, promedio y desviación típica, probetas 120 días sin vidrio
105 105 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal ANEXO C En el siguiente anexo se presenta un diagrama de procesos indicando la metodología de trabajo seguida a la hora de realizar el análisis e interpretación de datos de los resultados obtenidos a todas las edades de secado del ensayo mecánico a compresión mediante el uso de Matlab. Seguidamente, a modo de ejemplo, se encuentra el código de Matlab desarrollado y empleado para la obtención de las gráficas tensión-deformación a los 90 días de secado para las probetas con vidrio. Este código sería semejante al código de las probetas sin vidrio donde solo habría que cambiar los datos de entrada y, a su vez, no habría prácticamente cambio alguno respecto a los códigos desarrollados para los 30, 60 y 120 días. Mediante estos códigos se obtuvieron las curvas de todas las probetas ensayadas durante las distintas etapas de ensayo y, a partir de estas, los valores promedio, desviación típica, máximos y mínimos. Las gráficas basadas en estos resultados se encuentran en el apartado 5.2.
Anexo C 106 106 Tabla 0.1. Resistencia a compresión simple, promedio y desviación típica, probetas 120 días sin vidrio Representación media, máximo y mínimo Se obtienen a partir de los valores experimentales empleados y se representan en una gráfica Representación media y desviación típica Se obtienen mediante el vector deformación E y se representan en una gráfica Vector deformación E Vector deformación con unas particiones iniciales las cuales se modificarán en el proceso de obtención de la gráfica Representación curvas probetas Se representan las curvas de las probetas consideradas como válidas Deformaciones Deformación relativa de la cámara 1 y 2 Tensiones A partir de la fuerza se calcula la tensión en MPa Resultados ensayo mecánico Se vuelcan los archivos de texto doblemente para cámara 1 y 2, con los datos obtenidos de los ensayos Datos geométricos probetas Sección Altura Distancia puntos de medida
107 107 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal clc; clear all; close all; % Seccion S = 0.01; % [m2] % Altura H = 0.15; % [m] % Distancia puntos de medida L0 = 0.05; % [m] % Vector deformación E con particiones adaptadas E = [0:1e-5:4e-4,4e-4:3e-5:1e-3,1e-3:4e-5:1.5e-3]; % Strain rank % Vector donde se indica el final de cada gráfica seleccionada fin = [243,348,0,0,280,285,0,245,0,310,285,294,287,263]; % Para el cálculo de máximos, mínimos, media y desviación típica iii = [1,2,5,6,8,10,11,12,13,14]; % La camara nos da delta de L y solo hay que dividirlo entre 50 % Tendremos deformacion para cada camara, es decir, la 1 y la 2 % para una probeta, una curva tensión deformacion para la camara 1 y otra % curva para la camara 2 -> deltaL/L % La camara da directamente deltaL % Asignación probetas las cuales se duplican con el objetivo de rescatar % los datos de la cámara 1 (C1) y los datos de la cámara 2 (C2) para el % duplicado probeta{1} = '90_1_CVM4P2_B.Txt'; % 1 C1 probeta{2} = '90_2_CVM1P3_B.Txt'; % 2 C1 probeta{3} = '90_3_CVM1P4_T.Txt'; % 3 C1 probeta{4} = '90_4_CVM3P2_T.Txt'; % 4 C1 probeta{5} = '90_5_CVM2P4_B.Txt'; % 5 C1 probeta{6} = '90_6_CVM2P1_T.Txt'; % 6 C1 probeta{7} = '90_7_CVM3P1_B.Txt'; % 7 C1 probeta{8} = '90_1_CVM4P2_B.Txt'; % 8 C2 probeta{9} = '90_2_CVM1P3_B.Txt'; % 9 C2 probeta{10} = '90_3_CVM1P4_T.Txt'; % 10 C2 probeta{11} = '90_4_CVM3P2_T.Txt'; % 11 C2 probeta{12} = '90_5_CVM2P4_B.Txt'; % 12 C2 probeta{13} = '90_6_CVM2P1_T.Txt'; % 13 C2 probeta{14} = '90_7_CVM3P1_B.Txt'; % 14 C2 prob = 1:7; % para la representación de f_c color = 'bmcrgkyx'; % Carga de archivos SV for i = 1:14 data{i} = load(probeta{i}); end
Anexo C 108 108 % -------------- FUERZAS Y POSICIONES --------------- % Fuerzas máximas y sus posiciones para SV for i = 1:7 FSV{i} = data{i}(:,2)*1e3; % [kN] -> [N] F_maxSV(i) = max(FSV{i}); % [N] DPos_maxSV(i) = find (FSV{i} == F_maxSV(i),1,'first'); end % -------------- TENSIONES --------------- % Tensiones SV for i = 1:14 FSV{i} = data{i}(:,2)*1e3; % [kN] -> [N] sigmaSV{i} = (1e-6.*FSV{i})./0.01; %[N/m2] -> [MPa] end % -------------- DEFORMACIONES CÁMARA 1 Y 2 --------------- % Deformaciones SV for i = 1:7 DefSV{i} = data{i}(:,5)./50; % [-] end for i = 8:14 DefSV{i} = data{i}(:,6)./50; % [-] end % Gráficas cambiadas de signo % ------------------------------------------------------------------------- % GRÁFICA TENSIÓN-DEFORMACIÓN - CON VIDRIO - CÁMARA 1-CÁMARA 2 figure(1) hold on for i = [1,2,5,6,8,10,11,12,13,14] dataSV{i}(:,1) = DefSV{i}(1:fin(i),1)-DefSV{i}(1,1); dataSV{i}(:,2) = sigmaSV{i}(1:fin(i),1)-sigmaSV{i}(1,1); [EE,ii] = unique(dataSV{i}(:,1)); dataSV{i} = dataSV{i}(sort(ii),:); for jj=1:length(dataSV{i}(:,1))-1 dif1{i}(jj) = dataSV{i}(jj+1,1) - dataSV{i}(jj,1); end for jj=length(dif1{i}):-1:1 if dif1{i}(jj) <= 0 dataSV{i}(jj+1,:)=[]; end end xlabel('{\it Deformación} (-)','Fontsize',15) ylabel('{\it Tensión} (MPa)','Fontsize',15) title('{\it Cámara 1, CV}','Fontsize',15) plot(dataSV{i}(:,1),dataSV{i}(:,2)) end title('CV 90 C1 y C2')
109 109 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal legend('1-C1-M4P2B','2-C1-M1P3B','5-C1-M2P4B','6-C1-M2P1T',... '1-C2-M4P2B','3-C2-M1P4T','4-C2-M3P2T','5-C2-M2P4B','6-C2-M2P1T','7-C2- M3P1B') xlabel('{\it Deformación} (-)','Fontsize',15) ylabel('{\it Tensión} (MPa)','Fontsize',15) % Interpolación for i = [1,2,5,6,8,10,11,12,13,14] for ii = 1:length(E) % Se interpola mediante vector deformación E T(ii,i) = interp1(dataSV{i}(:,1),dataSV{i}(:,2),E(ii),'nearest'); end end for k = 1:length(E) t = T(k,iii); if any(isnan(t)) [rr,pos] = find(isnan(t)); t(pos) = []; end Tmed(k) = mean(t); % Media Tstd(k) = std(t); % Desviación típica Tmax(k) = max(t); % Máximo Tmin(k) = min(t); % Mínimo end figure(2) % Gráfica media y desviación típica TM = plot(E,Tmed,'g'); hold on SM = plot(E,Tmed+Tstd,'r'); SM1 = plot(E,Tmed-Tstd,'r'); hold off title('CV 90 Media y Desv. Típica') xlabel('Deformación (-)') ylabel('Tensión (MPa)') legend([TM,SM],'Media','Desvi.Típica (+/-)') axis ([ 0 E(end) 0 2 ]) figure (3) % Gráfica media, máximo y mínimo for i = [1,2,5,6,8,10,11,12,13,14] TE = dataSV{i}(:,2); % N EE = dataSV{i}(:,1); % mm ED = plot(EE,TE,'.-','color',gris(7,:)); %Valores experimentales hold on end MV = plot(E,Tmed,'r'); MaxV = plot(E,Tmax,'b'); MinV = plot(E,Tmin,'b'); title('CV 90 Media, Máximo y Mínimo') legend([ED,MV,MaxV],'Valores Exp.','Media','Max-Min') xlabel('Deformación (-)') ylabel('Tensión (MPa)') axis ([ 0 E(end) 0 2 ])
Anexo D 110 110 ANEXO D En este último anexo se encuentran las curvas tensión-deformación representadas según la fecha de secado, según la cámara del sistema de vídeo extensometría que mide la deformación y si la probeta ensayada tiene vidrio o no. Estas son las mismas gráficas que las expuestas en el apartado 5.2, pero clasificadas de distinta forma, las cuales se han considerado como gráficas complementarias.
111 111 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal Tabla 0.1. Curvas tensión-deformación cámara 1, probetas 30 días con vidrio Tabla 0.2. Curvas tensión deformación cámara 1, probetas 30 días sin vidrio
Anexo D 118 118 Tabla 0.15. Curvas tensión deformación cámara 2, probetas 120 días con vidrio Tabla 0.16. Curvas tensión deformación cámara 2, probetas 120 días sin vidrio
119 119 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal ANEXO E En este último anexo se presenta la gráfica con la evolución de las condiciones de humedad y temperatura referenciada en el apartado 5.4.1, a las cuales se han secado tanto las probetas con vidrio como las probetas sin vidrio hasta la fecha de realización de las respectivas tandas de ensayos.
Anexo E 120 120 Figura 0.1. Humedad y temperatura durante el proceso de secado
121 121 Comportamiento a compresión de tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal REFERENCIAS [1] FONT, F. y HIDALGO, P., 2009. Arquitecturas de tapia. Castellón: Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos Técnicos de Castellón. ISBN 978-84-613-3142-0. [2] ROCHA, M. y JOVÉ SANDOVAL, F., 2015. Técnicas de construcción con tierra: Introducción. Lisboa: Argumentum. ISBN 9789728479893. [3] MINKE, G., 2010. Manual de construcción en tierra: la tierra como material de construcción y su aplicación en la arquitectura actual. Teruel: EcoHabitar. ISBN 9788461424054. [4] MILETO, C. y VEGAS, F., 2014. La restauración de la tapia en la Península Ibérica: criterios, técnicas, resultados y perspectivas. Valencia [etc: TC cuadernos]. ISBN 978-84-942233-3-4. [5] ARREDONDO Y VERDU. F..1991. Yesos y cales. Madrid: Revista de Obras Públicas. Servicio de Publicaciones. ISBN 8474931398. [6] BAULUZ DEL RÍO, G. y BÁRCENA BARRIOS, P., 1992. Bases para el diseño y construcción con tapial. Madrid: Ministerio de Obras Públicas y Transportes, Centro de Publicaciones. ISBN 84-7433-839- 5. [7] HOUBEN, H., 1995. Traité de construction en terre. [2me. ed.]. Marseille: Parenthèses. ISBN 2-86364- 041-0. [8] GARCÍA, J., 2022. Tapia con residuo de vidrio incorporado y estabilizadas con cal: inspección por ultrasonidos y caracterización de resistencia a compresión [9] UNE 41410, Bloques de tierra comprimida para muros y tabiques. Definiciones, especificaciones y métodos de ensayo. 2008. [10] UNE 7050-2, Tamices y tamizado de ensayo. 1997. [11] UNE 103-102, Análisis de suelos finos por sedimentación. 1995. [12] UNE 103-500, Ensayo de Compactación. Próctor Normal. 1994 [13] UNE 103-300, Determinación de la humedad de un suelo mediante el secado en estufa. 1993 [14] UNE-EN-14580, Métodos de ensayo para piedra natural. Determinación del módulo de elasticidad estático. 2005. [15] UNE-EN 12504-4, Ensayos de hormigón en estructuras. 2006.