The Effect of Fiber Surface Modification on the Microstructure and Strength of Sisal Reinforced mortar

Resumen Técnico: El efecto de la modificación superficial de la fibra en la microestructura y la resistencia del mortero reforzado con sisal

Planteamiento del problema
La industria de la construcción busca cada vez más materiales de refuerzo sostenibles y de baja energía para reemplazar las fibras convencionales de acero y sintéticas. Las fibras vegetales naturales, particularmente la sisal, ofrecen ventajas en densidad, renovabilidad y rentabilidad. Sin embargo, su naturaleza hidrófila inherente y su composición química (rica en hemicelulosa, lignina y pectina) las hacen susceptibles al hinchamiento por humedad, la inestabilidad dimensional y la degradación alcalina dentro del entorno de alto pH de las matrices cementicias. Estas limitaciones comprometen la zona de transición interfacial (ITZ), lo que conduce a una mala adhesión, una reducción de la resistencia mecánica y una durabilidad disminuida a largo plazo. Aunque existen diversos tratamientos superficiales, existe una falta de datos comparativos exhaustivos que vinculen parámetros de tratamiento específicos (específicamente la combinación de álcali y parafina) con la evolución microestructural y el rendimiento de la durabilidad durante periodos de curado prolongados (hasta 56 días).

Metodología
El estudio investigó tres mezclas distintas de mortero reforzadas con 1% de fibra de sisal por peso de cemento:

1. USFRC: Hormigón reforzado con fibra de sisal no tratada.
2. ATSFRC: Hormigón reforzado con fibra de sisal tratada con álcali (NaOH).
3. PATSFRC: Hormigón reforzado con fibra de sisal tratada con parafina y álcali.

La investigación empleó un enfoque de caracterización multiescala:

• Preparación de materiales: Las fibras de sisal se obtuvieron, limpiaron y cortaron a 30 mm. Los tratamientos consistieron en una inmersión en una solución de NaOH al 1% (2 horas) para eliminar componentes amorfos, seguida de un recubrimiento de cera de parafina (70–80 °C) para crear una barrera hidrófoba.
• Análisis microestructural: Se utilizaron Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Energía Dispersiva de Rayos X (EDX) para examinar la morfología superficial y la composición elemental. La Difracción de Rayos X (XRD) analizó la cristalinidad y la espectroscopia de Transformada de Fourier de Infrarrojos (FTIR) identificó los grupos funcionales químicos y la eficacia del tratamiento.
• Ensayos mecánicos: Se midieron las resistencias a la compresión, tracción indirecta y flexión a los 3, 7, 14, 28 y 56 días. La trabajabilidad se evaluó mediante mesa de flujo y ensayos de revenimiento, mientras que los tiempos de fraguado fueron registrados.
• Evaluación de la durabilidad: Se probaron la sorptividad (absorción capilar de agua) y la conductividad de cloruros (permeabilidad rápida de cloruros) a los 2 8 y 56 días. La resistencia alcalina se evaluó mediante ciclos de secado-humedecido.

Resultos clave

• Microestructura y química:

  • SEM/EDX: Las fibras no tratadas mostraron superficies lisas con impurezas (ceras, pectina) que dificultan la unión. El tratamiento con NaOH eliminó estas impurezas, exponiendo microfibrillas de celulosa rugosas y aumentando el área superficial para el trabazón mecánico. El recubrimiento de parafina creó una capa hidrófoba suave que selló los microporos, reduciendo la absorción de agua pero reteniendo parte de la rugosidad subyacente.
  • XRD: El tratamiento alcalino aumentó el índice de cristalinidad de la celulosa de aproximadamente ~62.5% a ~75% mediante la eliminación de componentes amorfos. El recubrimiento de parafina no alteró la estructura cristalina central, pero añadió una señal de dispersión hidrófoba.
  • FTIR: Los espectros confirmaron la eliminación de los picos de hemicelulosa y lignina en las muestras tratadas y la presencia de cadenas de hidrocarburos en las fibras tratadas con parafina, lo que indica una modificación hidrófoba exitosa.

• Trabajabilidad y fraguado:

  • Las fibras no tratadas redujeron la trabajabilidad debido a la alta absorción de agua y la formación de bolas de fibra.
  • El tratamiento con NaOH mejoró la dispersión pero aumentó los tiempos de fraguado debido a una mayor hidrofilia de la fibra y la demanda de agua.
  • Las fibras tratadas con parafina (PATSFRC) ofrecieron la mejor trabajabilidad y los tiempos de fraguado más rápidos, ya que el recubrimiento hidrófobo evitó la absorción de agua, dejando más agua libre para la hidratación del cemento.

• Resistencia mecánica:

  • Todas las mezclas reforzadas con fibras superaron al mortero de control sin refuerzo.
  • ATSFRC alcanzó las mayores resistencias mecánicas a los 56 días: 37 MPa (compresión), 3.4 MPa (tracción) y 5.3 MPa (flexión). La superficie rugosa del tratamiento alcalino optimizó la unión fibra-matriz, maximizando la transferencia de carga.
  • PATSFRC mostró una resistencia mecánica ligeramente inferior a la de ATSFRC, pero significativamente mayor que la de USFRC, equilibrando la fuerza de unión con la durabilidad.

• Desempeño de la durabilidad:

  • Sorptividad: El PATSFRC demostró la menor absorción de agua, con coeficientes de sorptividad de 0.08 mm/min¹/² a los 28 días y 0.05 mm/min¹/² a los 56 días. Esto representó una reducción del 64% en comparación con el USFRC a los 56 días. La barrera de parafina bloqueó eficazmente las vías capilares.
  • Permeabilidad de cloruros: El PATSFRC exhibió la menor conductividad de cloruros (500 C a los 56 días), acercándose al umbral de "muy baja permeabilidad". El USFRC tuvo la mayor permeabilidad (600 C a los 56 días).
  • Resistencia alcalina: Después de 30 ciclos de secado-humedecido, el PATSFRC retuvo el 95.7% de su resistencia inicial, mientras que el USFRC retuvo solo el 70.1%, sufriendo hinchamiento y descomposición de la fibra.

Significancia y afirmaciones
El artículo concluye que la modificación superficial es crítica para la viabilidad de la fibra de sisal en compuestos cementicios. Si bien el tratamiento alcalino (ATSFRC) es más efectivo para maximizar la resistencia mecánica mediante la mejora de la unión interfacial, el tratamiento combinado de álcali y parafina (PATSFRC) proporciona el perfil de durabilidad global superior. El recubrimiento de parafina mitiga eficazmente los principales mecanismos de falla de las fibras naturales: la absorción de humedad y la degradación alcalina.

El estudio afirma que el PATSFRC es una alternativa viable y sostenible para aplicaciones estructurales que requieren resistencia a la humedad y al ingreso de cloruros, como entornos marinos o estructuras expuestas a sales de deshielo. La investigación establece que, si bien las fibras no tratadas comprometen la durabilidad, las estrategias de tratamiento adecuadas pueden refinar la estructura de poros y la zona de transición interfacial para producir hormigón de baja permeabilidad y alta durabilidad. Los autores enfatizan que el curado extendido (56 días) mejora aún más el desempeño de todas las mezclas, pero el tratamiento superficial sigue siendo el factor decisivo para lograr valores de durabilidad absoluta superiores.