Ingeniería Civil-Departamento de Ciencias de la Tierra
Materia: Taller de Investigación
PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN
Alumno: Armando Antonio Cabrera Cau
Grupo: V-5A
Profesor: Dr. Zakaryaa Zarhri
Chetumal Q. Roo a 20 de enero de 2021.
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Características y fabricación del hormigón translúcido: una revolución en la construcción, Esquemas y mapas conceptuales de Metodología de Investigación
El hormigón translúcido es un material innovador que deja pasar la luz gracias a la adición de fibras ópticas. En este documento, exploraremos su historia, fabricación y tipos, así como sus aplicaciones en arquitectura, telecomunicaciones y militares. Además, analizaremos los diferentes tipos de cemento y agua utilizados en su elaboración, y cómo se realiza su dosificación.
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
2020/2021
1 / 19
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Ingeniería Civil-Departamento de Ciencias de la Tierra
Materia: Taller de Investigación
PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN
Alumno: Armando Antonio Cabrera Cau
Grupo: V-5A
Profesor: Dr. Zakaryaa Zarhri
Chetumal Q. Roo a 20 de enero de 2021.
HORMIGÓN TRANSLUCIDO CON FIBRA ÓPTICA
Introducción: El objetivo principal de este proyecto se basa en el estudio de uno de los materiales más utilizados en construcción, pero reinventado: el hormigón translúcido. El hormigón es un material cuya fabricación y uso en construcción se remonta al tiempo de la Antigua Roma, época en la que ya se conocían las propiedades de compresión y resistencia que podía adquirir la ceniza volcánica al mezclarse con cal y agua. Posteriormente, incorporaron diferentes materiales a la mezcla obteniendo así distintas propiedades que podían ser usadas en diferentes construcciones de acuerdo al objetivo de cada una de ellas. El hormigón siempre se ha conocido como un material compuesto por piedras menudas, cemento, arena y agua, y en ocasiones aditivos o adiciones que mejoran algunas de sus propiedades, como pueden ser los colorantes, aceleradores o retardadores de fraguado, fluidificantes, impermeabilizantes, fibras... De esta mezcla se obtiene un material muy resistente a los esfuerzos de compresión, aunque con un comportamiento algo peor a esfuerzos de tracción, flexión y cortante, es opaco, macizo y muy compacto. El hormigón es un material que a la par que es muy antiguo, está en constante cambio y estudio para intentar mejorar sus propiedades frente a los diferentes problemas que surgen y a las nuevas formas de construcción que se innovan con el paso del tiempo. La principal característica del hormigón translúcido es que deja pasar la luz, ya que a los componentes del hormigón tradicional se han añadido fibras ópticas. Antes de entrar de lleno en el tema aclaremos lo que se entiende por translucidez, y su principal diferencia con la transparencia: Un material presenta transparencia cuando deja pasar fácilmente la luz. La transparencia es una propiedad óptica de la materia. Generalmente se dice que un material es transparente cuando es transparente a la luz visible. Se dice, en cambio, que un material es translúcido cuando deja pasar la luz de manera que las formas se hacen irreconocibles, y que es opaco cuando no deja pasar apreciablemente la luz.
Desarrollo:
Tipos de hormigón translúcido
Una de los grandes conflictos que se les presenta a los arquitectos a la hora de planificar una estructura es el tema de la solidez contra la luminosidad. Llevar a la práctica ambos conceptos dentro de un mismo proyecto arquitectónico podía resultar complicado, aunque para ello existen alternativas como las que pasamos a describir a continuación.
- Pavés El pavés está conformado por dos bloques gruesos de cristal, unidos entre sí mediante un proceso de vacío en el espacio interno para eliminar todo el aire, logrando que se convierta en un gran aislante térmico y sonoro. Las paredes de pavés nunca se han considerado como un hormigón translúcido, aunque se podría considerar como el antecedente más antiguo de este, ya que al igual que el hormigón, constan de cemento, arena y agua para realizar la mezcla que unirá las piezas de cristales de pavés, que se pueden considerar como el árido grueso del hormigón, aunque existen diferencias por las cuales no se puede considerar como hormigón translúcido, estas diferencias son las siguientes: A pesar de que sus componentes son los mismos, no se realiza la mezcla de todos sus componentes y luego se realiza el elemento deseado, sino que se va conformando a medida que avanza la construcción del propio elemento. − Las paredes de pavés no tienen función estructural, mientras que una partición realizada con hormigón, puede tener función estructural y resistir esfuerzos. - Hormigón translúcido manual Los estudiantes de ingeniería civil Joel Sosa Gutiérrez de 26 años y Sergio Omar Galván Cáceres de 25 años, de procedencia mejicana, crearon en el 2005 el hormigón translúcido. Según el folleto comercial del producto, su fabricación es igual a la del hormigón común. Para ello se emplea cemento blanco, agregados finos, agregados gruesos, fibras de vidrio, agua y algunos aditivos extras. El aditivo "ilum" es único en el mundo, ya que le confiere al hormigón 15 veces más resistencia 4,500Kg./cm2 con nula absorción de agua, permite el paso de la luz, es traslúcido, tiene un peso volumétrico 30 por ciento inferior al comercial y puede ser colado bajo el agua. La matriz utilizada en la formulación de este hormigón fue del tipo aglutinante, para darle la rigidez necesaria, pero puede ser cualquier matriz o aglutinante polimérico. En la formulación también se utiliza cemento tipo Portland, preferentemente blanco. Los agregados utilizados en la fabricación y formulación fueron fibras de vidrio, sílice, sílice sol coloidal y fibras ópticas.
También pueden utilizarse elementos pétreos como agregados, por ejemplo gravas, arenas, etc. La matriz o aglutinante episódico utilizado para la formulación de este hormigón, es el éter diglicidílico del bisfenol A (DGEBA), que es deshidratado a vacío a 80° C durante 8 horas antes de su empleo. El endurecedor utilizado es dietilentriamina (DETA), que debe ser deshidratada sobre tamices moleculares antes de su empleo. Se utilizaron fibras de vidrio de hilos cortados, y fibras molidas de longitudes mayores a los 0.02 mm., con la función de mejorar las resistencias a compresión, flexión, tensión y torsión. Las fibras ópticas utilizadas en la formulación de este hormigón son, un fino hilo de vidrio o plástico que guía la luz. Los tipos de fibras utilizadas son fibras monomodo y vírgenes, es decir, en su estado puro y sin recubrimientos cuya finalidad es hacer que transcurra más fácilmente la luz a través del hormigón. Como aditivos se usan pigmentos; agentes antiestáticos para eliminar la electricidad estática; agentes de puente para favorecer la unión a la matriz y dar resistencia y protección contra el envejecimiento; agentes lubricantes para dar protección superficial y agentes fumógenos colantes para dar integridad, rigidez, protección e impregnación, sales metálicas, agentes tixotrópicos (hojuelas de materiales inorgánicos, microesferas de vidrio, carbonates de calcio, dióxido de silicio, etc.), agentes retardadores de llama (elementos que contienen cloro, bromo, fósforo, etc. ), y agentes de protección UV (estabilizadores). Sílica sol, también conocido como hidrosol de sílice, es una solución coloidal de alta hidratación molecular de partículas de sílice dispersas en agua. Es inodoro, insípido y no tóxico. Su fórmula química molecular es mSiO2 nH2 O. Su función es servir como desecante, agente de vínculo, adhesivo y dispersante. La sílice entre un 0.5 y un 10 % del peso de la resina, deberá de utilizarse para que una vez fraguado, proporcione una mayor resistencia y dureza al hormigón. Las características mecánicas como la resistencia a compresión de un hormigón translúcido con matriz epoxi (bisfenol - A) es de hasta 220 MPa. Además de que deja pasar la luz sin distorsión alguna. Las características mecánicas como la resistencia a compresión de un hormigón translúcido con matriz policarbonatada es de hasta 202 MPa, además de que deja pasar la luz sin distorsión alguna. Es de apreciarse la buena dispersión de los agregados, aditivos y sobre todo, de la matriz. La dirección de las capas es paralela a la dirección del vaciado. Tiene un secado laminar en el mismo sentido en que es colado. Presenta una buena cristalización en las partes más altas, y decrece un poco al acercarse al extremo inferior. Fig 2. Hormigón translúcido manual
- Cuadro comparativo de las diferentes tipos Materiales empleados en los hormigones Para poder escoger los materiales que utilizaremos para la fabricación del hormigón translúcido, debemos realizar un estudio previo sobre todas las posibilidades de que disponemos, atendiendo a sus características, para posteriormente poder realizar la elección que permita que las especificaciones del hormigón a realizar sean las deseadas.
- Áridos gruesos Una de las cosas que hay que tener en cuenta a la hora de fabricar un hormigón es la elección del árido grueso a emplear. Dependiendo de su origen podemos encontrar: − Áridos naturales rodados: que nos proporcionan una mayor resistencia a compresión, mejor trabajabilidad, menos cantidad de agua y mayor limpieza. − Áridos naturales triturados: que nos proporcionan una mayor resistencia a tracción, mayor adherencia y menor trabajabilidad. − Áridos artificiales. Para realizar la elección del árido hay que considerar también que debe asegurarse para el hormigón resultante una buena durabilidad, que sea estable y no se altere por el ambiente, una buena adherencia del árido a la pasta de cemento, facilidad de la puesta en obra del hormigón, y que no se produzca segregación. El tamaño máximo del árido grueso será menor que 0,25 de la dimensión mínima de la pieza a hormigonar. Cuanto mayor es el tamaño máximo del árido, es necesaria menos agua para el amasado, y menor contenido de cemento para una resistencia dada del hormigón. También hay que fijarse en la granulometría, se debe asegurar una graduación de tamaños que reduzca los huecos, y una limitación de los finos que precisan un mayor aporte de agua.
- Áridos finos (Arena) También son importante para la fabricación del hormigón los siguientes aspectos a destacar de la arena. Se considera árido fino, cuando su tamaño es inferior a 4, mm. Los áridos finos se pueden clasificar según su tamaño en: − Arena fina: sus granos pasan por un tamiz de mallas de 1mm de diámetro y son retenidas por otro de 0,25 mm. − Arena media: Sus granos pasan por un tamiz de 2,5 mm y son retenidos por otro de 1 mm. − Arena gruesa: sus granos pasan por un tamiz de 5 mm y son retenidos por otro de 2,5 mm. Las arenas de granos gruesos dan lugar a morteros más resistentes que al utilizar arenas finas, pero tienen el inconveniente de necesitar mucha más pasta de conglomerante para rellenar sus huecos. Un agregado fino con partículas de forma redondeada y textura suave requiere menor cantidad de agua de mezclado.
- Cemento Los tipos de cementos que se pueden distinguir según la norma UNEEN 197- 1:2000 sobre cementos comunes son los siguientes:
- Cemento tipo I: Cemento portland destinado a obras de hormigón en general, cuando en la misma no se especifique la utilización de otro tipo (edificios, estructuras industriales...) Libera más calor de hidratación que otros tipos de cemento
- Cemento tipo II: De moderada resistencia a los sulfatos, es el cemento portland destinado a obras de hormigón en general y obras expuestas a la acción moderada de sulfatos, o donde se requiera moderado calor de hidratación (tuberías de hormigón, puentes...)
− Incorporador de Aire: es un aditivo especialmente diseñado para incorporar microburbujas de aire al hormigón, lo que permite un hormigón con una alta resistencia a los ciclos hielo – deshielo, mayor trabajabilidad y menores riesgos de exudación − Inhibidor de Retracción: reduce en forma significativa la fisuración por retracción plástica y de secado. − Aditivo Expansor: es un aditivo diseñado para hormigones que necesiten propiedades expansivas, produce un efecto plastificante en las mezclas, consiguiéndose una mejor introducción de ellas en grietas y nidos de piedras. − Plastificante Reductor de Agua: Su principal característica es la importante reducción de agua, permitiendo una gran economía de cemento para una resistencia especificada.
- Dosificación del hormigón La dosificación del hormigón es la determinación de las proporciones en que han de mezclarse los componentes que constituyen un hormigón. La dosificación se preparará teniendo en cuento lo indicado en el artículo 68 de la EHE. La cantidad mínima necesaria de cemento por metro cúbico de hormigón depende, en particular, del tamaño de los áridos, debiendo ser más elevada a medida que disminuye dicho tamaño, y más reducida a medida que aumenta el tamaño de éstos. El peligro de emplear mezclas muy ricas en cemento, reside en los fuertes valores que, en tales casos, pueden alcanzar la retracción y el calor de fraguado en las primeras edades. No obstante, si se atiende cuidadosamente a otros factores que también influyen en estos fenómenos, tales como el tipo y clase del cemento, la relación agua/cemento, el proceso de curado, etc., es posible emplear proporciones más elevadas de cemento efectuando las comprobaciones experimentales correspondientes. Por ello se admite rebasar la cifra de 400 kg/m en circunstancias especiales, en las que, como ocurre en ciertos casos de prefabricación, se cuidan y controlan al máximo todos los detalles relativos a los materiales, granulometrías, dosificación, ejecución y curado final. La relación agua/cemento es un factor importante en la durabilidad del hormigón y por ello deberá ser tan baja como sea posible, y nunca superior a los valores límites establecidos por razones de durabilidad. Sin embargo, relaciones agua/cemento bajas, deben ser compatibles con una adecuada trabajabilidad del hormigón que permita su adecuada compactación y minimice los fenómenos de segregación, lo que requerirá, en ocasiones, la utilización de contenidos de cemento superiores a los estrictamente necesarios, o bien el empleo de aditivos reductores de agua.
- Fibra óptica
Una definición general de la fibra óptica, dado su diversidad de uso, puede resumirse en que es un conductor de ondas (en este caso luminosas) en forma de filamento. Los haces de luz penetran la fibra la cual posee una reflexión total interna. La mayor explotación de la fibra óptica se ha generado en área de las telecomunicaciones, debido a su rápida conducción de ondas y su capacidad para enviar grandes cantidades de datos. Otros usos de la fibra óptica son la medicina, iluminación, arqueología, inspección de piezas, sensores, aplicaciones militares, entre otras. Los orígenes de la fibra óptica aparecen cuando el físico irlandés John Tyndall descubre que la luz es capaz de viajar dentro de un material curvado por la reflexión interna total. La invención se le otorga al físico Narinder Singh Kapanyl, que en 1952 realiza experimentos que lo llevan a descubrir la fibra óptica. Con este descubrimiento nacen sus primeros usos; como usar un haz de fibras para la transmisión de imágenes, dando paso al endoscopio médico o la primera transmisión telefónica en 6 Mbit/s, el 22 de abril de 1977, por General Telephone and Electronics. Luego con la popularidad del invento nacen otros como el amplificador de fibra, siendo el inventado por David Payne, y Emmanuel (amplificador de fibra con Erbio) el de mayor relevancia. Características de la fibra óptica La mayoría de las fibras ópticas están hechas de arena o sílice, materias primas abundantes en relación al cobre (anterior transmisor). Su funcionamiento se basa en trasmitir el haz luminoso a través del núcleo de la fibra, evitando que éste lo atraviese, de manera que se refleje y continúe viajando por el interior del núcleo. Cuando un haz de luz que se propaga por un medio y traspasa a otro distinto una parte del haz luminoso se refleja y otra se refracta (cambio de dirección y velocidad). Para conocer esta desviación, se debe conocer el índice de refracción. n- índice de refracción co- velocidad de la luz en el vacío (3x10^8 m/s) v- velocidad de la luz en el medio en cuestión n= co / V Además de esto, para que la luz continúe su viaje al interior del núcleo se debe conocer la Apertura Numérica (A.N.) de la fibra. Éste valor a su vez determina el ángulo de aceptación, que es el ángulo máximo con que un haz de luz puede ingresar al núcleo de la fibra para que haya reflexión interna total. En resumen, para que la luz continúe viajando y reflejándose por el núcleo de la fibra, el índice de refracción del núcleo debe ser mayor al índice del revestimiento y su ángulo de incidencia (o ángulo de aceptación) debe ser mayor al ángulo límite. Si esto se cumple, la transmisión interna no tendrá pérdidas por las largas distancias. Fig 4. Esquema de refracción y reflexión
convertirse en fluidos al alcanzar determinada temperatura y mantener la forma adquirida una vez restituida la temperatura ambiente, y es amorfo porque al enfriar su estructura molecular se agrupa de forma anárquica, con una contracción del material constante en las tres dimensiones. Por contra, los termoplásticos cristalinos al enfriar cristalizan, por lo que tienden a ocupar el menor espacio posible y se contraen más en el sentido del flujo que en el transversal. El ser amorfo le confiere mayor transparencia. Fig 6. Metil metacrilato A diferencia de la fibra óptica de vidrio, la fibra óptica polímero orgánica es químicamente inerte, resistiendo a los álcalis, por ejemplo, de mucha mejor manera. Otra diferencia es que con la luz solar el plástico se va degradando; posee menor resistencia a la radiación ultra violeta, agentes químicos y los microorganismos. A pesar de ello, estas deficiencias pueden ser controladas con el uso de aditivos antioxidantes y estabilizadores. La fibra óptica poliméricas, además, tiene una menor resistencia a altas temperaturas pero al exponerlas a variaciones bruscas, no demuestra variaciones. Otra deficiencia es que tiene un módulo de elasticidad bajo y un flujo plástico alto, es decir, una menor resiliencia. Finalmente, su costo más elevado es un factor influyente, sin embargo las ventajas que la fibra óptica de vidrio posee pueden mitigar este costo. Fig 7. Fibra óptica Dentro de esta podemos encontrar a su vez: *Fibra Monomodo: Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. Sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único). Son fibras
que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 mm. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo, ya que sus pequeñas dimensiones implican un manejo delicado y entrañan dificultades de conexión aún se dominan mal. Fig 8. Fibra óptica monomodo -Fibra Multimodo de Índice Gradiante Gradual: Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega hasta los 500MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra. La fibra multimodo de índice de gradiente gradual de tamaño 62,5/125 m (diámetro del núcleo/diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden encontrar otros tipos de fibras. *Fibra Multimodo de índice escalonado: Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de vidrio, con una atenuación de 30 dB/km, o plástico, con una atenuación de 100 dB/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz por kilómetro. En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado.
- Tipos de hormigón Como ya hemos dicho anteriormente el hormigón es un material compuesto por piedras menudas, cemento, arena y agua, y en ocasiones aditivos o adiciones que mejoran algunas de sus propiedades. Pero con el paso del tiempo han ido apareciendo diferentes tipos de hormigones, cada uno con unas propiedades y características determinadas, y su utilización dependerá de las necesidades de la obra a realizar. A continuación explicaremos cuales son los tipos de hormigón más utilizados y sus principales características. Hormigón celular: Es un material de construcción destinado a la obra gruesa. Producido exclusivamente a partir de materias primas naturales, se compone de agua, arena, cemento y aire. Es ideal para rellenos e inyecciones, también es utilizable en muros o tabiques con moldes adecuados. Las principales características del hormigón celular son: -No necesita un aislamiento complementario ya que su estructura alveolar con miles de micro células de aire, le confiere esta propiedad. -Es un material que respira, dejando pasar el vapor de agua, evitando los riesgos de humedad, condensación y aparición de hongos. –Resiste al fuego 6h y es estanco a los humos y los gases tóxicos. -Es un hormigón muy ligero. Hormigón autocompactante Es un material que tiene la propiedad de fluir y rellenar cualquier parte del encofrado solamente por la acción de su peso propio, sin ser necesaria la compactación por medios mecánicos y sin bloqueo ni segregación. Se emplea en hormigones vistos que requieren de encofrados de vibrado difícil. Las principales características del hormigón autocompactante son: -Hormigonado fácil y rápido -Puesta en obra prescindiendo del vibrado -Mayor resistencia a la compresión con igual cantidad de cemento -Excelente acabado superficial -Muy ligero y con alta resistencia. -Gran durabilidad e impermeabilidad. Hormigón polimérico
Es un material compuesto de distintos tipos de áridos ligados mediante resinas de poliéster. Sus principales características son las siguientes: -Ligereza y prácticamente nulo porcentaje de absorción de agua. -Inalterabilidad a los ciclos hielo-deshielo -Alta resistencia a los productos químicos y al choque -Mínimo desgaste por abrasión Hormigón blanco Es un hormigón formado por cemento blanco, en lugar del cemento portland utilizado normalmente. El cemento blanco debe su color a la ausencia de óxidos férricos, que son los que le confieren el color gris al cemento. Para suplir la carencia de óxidos de hierro, se suele añadir óxido de calcio (CaO), fluorita (CaF2) o carlita (Na3 AlF6). Debido a ser ésta su única diferencia con el hormigón común, las características son pues las mismas que las del hormigón común, la única característica que los diferencia será el color. Hormigón ligero Es un hormigón de poca densidad, formado por áridos de pequeña densidad. Es utilizado para la obtención de elementos que no precisen grandes resistencias, como tabiques o fachadas de revestimiento, y sobre todo como aislante del calor y del sonido. Su principal característica es que se pueden realizar piezas de grandes dimensiones aligerando la estructura. Estos son solo algunos de los posibles tipos de hormigón a utilizar, aunque hay muchos más.
Referencias https://construinnova.net/2015/10/29/hormigones-translucidos/ http://www.sergioperezarq.com/10cosashormigontranslucido/#:~:text=1_Existen %20dos%20tipos%3A%20hormig%C3%B3n%20transl%C3%BAcido, %C3%B3ptica%20y%20hormig%C3%B3n%20transl%C3%BAcido%20polim %C3%A9rico. http://hormigontranslucidocristofert.blogspot.com/p/ historia.html#:~:text=ANTECEDENTES&text=LA%20HISTORIA%20DE%20ESTE %20NOVEDOSO,PRIMERA%20MUESTRA%20DE%20HORMIG%C3%93N %20TRANSL%C3%9ACIDO.&text=EN%20ESTA%20PATENTE%20LOSOCZI %20UTILIZ%C3%93,DE%20TRANSMISI%C3%93N%20DE%20LA%20LUZ civilgeeks.com/2014/07/21/guia-de-diseno-de-concreto- translucido -con-fibra-optica/