Entre las primeras investigaciones referente al uso de los residuos textiles posconsumo (prendas de vestir) en materiales de construcción está el trabajo de Lee (2003), en donde se estudió el coeficiente de absorción de residuos no tejidos de poliéster, con la finalidad de encontrar un nuevo material de menor costo e impacto ambiental que pueda sustituir a materiales aislantes como la lana de vidrio y lana de roca (13).

La gran cantidad de residuos textiles y diversidad de fibras como el algodón, lana, seda, poliéster, nylon, se han estudiado como refuerzo en matrices de distintos tipos, materiales de aislamiento y aligeramiento de materiales, debido a su bajo costo, baja densidad, disponibilidad, ahorro de energía y preservación el medio ambiente (14). La principal dificultad al emplear textiles posconsumo es determinar las fibras de las que están compuestas. Blanch et al. (15), mediante el uso de imágenes hiperespectrales, ha mejorado los procesos de clasificación en de textiles empleando infrarrojos; del mismo modo, Koopera (16) ha desarrollado maquinaria para la clasificación de textiles en base a su composición y color. Determinar las fibras que componen las prendas recicladas permite conocer sus características y viabilidad como material de refuerzo, ya que al tener una alta relación superficie/volumen, las fibras son altamente resistentes (17).

Las fibras de algodón son las fibras naturales más empleadas en las prendas de vestir. Residuos obtenidos a partir de pantalones vaqueros de algodón 100%, se emplearon en la elaboración de hormigón poliéster, alcanzando un incremento de hasta un 40% su resistencia a compresión (18). Cuando se emplea fibras de algodón en geopolímeros hay que considerar variantes como las dimensiones, tipo de fibra, el tratamiento previo de fibras y su orientación en el compuesto (19). En geopolímeros a base de cenizas volantes, permite la disminución la densidad del compuesto conforme se aumenta el contenido, ya que facilita el ingreso de burbujas de aire residual a través de la mezcla, aumentando su porosidad (20).

Sin embargo, hay que considerar porcentajes máximos de adición del 2.1%, ya que a medida que se aumenta este porcentaje sus resistencias mecánicas disminuyen debido a los problemas de unión entre la fibra y la matriz (21). Finalmente, la ceniza volante previene la degradación de la tela de algodón a altas temperaturas, y se recomienda una orientación horizontal de las fibras ya que aporta una mayor resistencia a la deformación que al estar orientadas verticalmente; sin embargo, variables como la longitud, espesor, tipo de fibra, tratamiento previo, pueden modificar su rendimiento (21, 22).

La aplicación del algodón en capas para elaboración de paneles de cal hidráulica permitió una mejor porosidad al emplearse las fibras saturadas, sin embargo, el aumento de agua disminuye las resistencias mecánicas (23). Respecto a las adiciones en los compuestos, variarán dependiendo de la matriz. Es así como en el caso de los ladrillos de cemento se considera óptimo hasta un 5% de adición (24). En paneles de epoxi verde se han realizado adiciones de hasta un 20% de fibras (25). Al analizar las fibras respecto a las propiedades físico-mecánicas de geopolímeros, se encontró que fibras de algodón y sisal presentaron mejoras en su resistencia a compresión (14%) y flexión (6%) (26).

Mientras que fibras obtenidas de residuos de alfombras y lana merina aumentó un 50% la resistencia a flexión (27). Otras fibras como el tencel, viscosa, cáñamo, modal y micromodal, presentaron mejores comportamientos a flexión y compresión, sobresaliendo las fibras de viscosa y cáñamo respectivamente en matrices de resina epoxi (28). El uso de fibras sintéticas como el nailon, en morteros de cemento incremento de la resistencia a tracción (35%) y tenacidad fue 13 veces superior que las muestras sin refuerzo (29). Las fibras con mayor longitud y con características elastoméricas poseen una excelente compatibilidad con los morteros (30).

Las fibras naturales como el sisal y lino presentaron una buena adhesión y mejoras en el comportamiento mecánico, probablemente debido a que las fibras naturales presentan un alto grado de flexibilidad lo que permite doblarse en lugar de fracturarse en la matriz (31). El lino ha mostrado buenos resultados de resistencia a compresión en adiciones del 4.1%, en geopolímeros con cenizas volantes en donde presentó un aumento de su resistencia a compresión de 19,4 a 91 MPa (32). Sin embargo, hay que tener en cuenta que la tela de sisal y lino estudiadas fueron compradas ya que se deseaba que el tejido tuviera un espaciamiento entre la trama y la urdimbre especifico, para facilitar la unión de la fibra y la matriz, cabe destacar que estos tipos de fibras han presentado buenos resultados al emplearse en materiales de construcción por lo cual sería conveniente el estudiar la viabilidad de obtener este tipo de fibras recicladas.

A continuación, se presenta un resumen de los estudios antes descritos, la Tabla 1 detalla el autor, tipo de fibra (residuo textil posconsumo) empleada, porcentaje de adición y propiedades del compuesto obtenido.

Podemos determinar que, para mejorar las características mecánicas, el formato más empleado ha sido el hilo, un número muy limitado de estudios emplearon los residuos textiles en formato de tela y su aplicación se realizó por capas; Alomayri, et al., (2013) obtuvo los mejores resultados con esta aplicación y el uso de tres capas de tela de algodón mostrando un aumento de su resistencia a flexión y compresión de hasta un 300%.

Respecto al tipo de fibras empleadas, las fibras naturales tuvieron mayor demanda como el algodón, sisal, lana, lino, las cuales se han convertido en una propuesta muy interesante si consideramos que son ligeras y poseen una alta resistencia, por ello se pueden llegar a considerar como una alternativa a las fibras convencionales como aramita, carbono, vidrio, las cuales desde un punto de vista ambiental resultan altamente contaminantes. Adicionalmente las fibras naturales presentan un alto grado de flexibilidad que les permite doblarse en lugar de fracturarse cuando se procesan o se mezclan enérgicamente con una matriz.

La función principal del refuerzo con las fibras textiles fue proporcionar ductilidad y control de la fisuración, mejorando su resistencia a la flexión, no obstante, en algunos casos la resistencia a compresión disminuyó o las mejoras eran inferiores a las obtenidas en la resistencia a flexión. Spadea et al., (2015) determinó que la disminución en la resistencia a la compresión del mortero examinado (hasta -37%), se debió al empleo fibras muy cortas las cuales fueron de 0,5 - 1 y 1,5 cm longitud, hay que tener en cuenta también la trabajabilidad de la mezcla, ya que a medida que se aumenta su longitud pueden presentarse problemas en el amasado porque estas tienden a enmarañarse entre sí.

En los estudios los métodos convencionales de mezcla de fibras naturales en las resinas se han basado habitualmente en mezcla o agitación mecánica. Este proceso no permite la incorporación de una fracción de gran volumen de fibras y tiene la tendencia a dañar las fibras, aglomerarlas y/o generar burbujas de aire durante la preparación de la muestra. Respecto a los porcentajes de adiciones estos varían del 0,5 al 50% y dependerán sobre todo en el tipo de matriz y materiales con los que estemos trabajando, en el caso de materiales compuestos con resinas se han alcanzado adiciones de hasta el 50%, pero en el caso de morteros con adiciones superiores al 4% presentaron problemas de trabajabilidad y un descenso en los resultados de resistencia a flexión y compresión, sin embargo a medida que se aumenta el porcentaje de fibras obtendremos un material más poroso y menos denso. Por lo tanto, se ha encontrado que el tipo de fibra, las dimensiones, la cantidad y el tratamiento previo de las fibras afectan las propiedades finales de los compuestos resultantes, por lo cual todos estos son factores se deben tomar en cuenta al momento de determinar el refuerzo de un material con fibras textiles.

En el caso específico de las fibras textiles posconsumo de algodón, estas se han empleado en la elaboración de compuestos a base de cemento, ceniza volante, resinas epoxi; sin embargo, los estudios en matrices de yeso son muy limitados, por ello se ha decidido estudiar la influencia de los residuos textiles posconsumo en las propiedades de los yesos para posibles aplicaciones como refuerzo. Entre las investigaciones que han analizado la influencia de las fibras de algodón podemos mencionar a Kalkan (2017), que investigó yesos de nueva generación, compuestos de cemento portland ordinario blanco 29% (WOPC), cal hidratada en polvo 5,5% (HPL), piedra pómez 45% (NPA), perlita expandida 8,5% (EPA), calcita en polvo 6-11% (PCF) y cuatro tipos de fibras (longitud 2-5 cm) obtenidas de fábricas de reciclaje de textiles; y empleó una relación de agua del 0,73 a 1,02 en función del residuo y porcentaje de fibra empleada. Ramírez et al., estudio paneles de escayola que incorporan un 45% en peso de material de cambio de fase, Para ello se ha mejorado previamente sus prestaciones mecánicas y físicas mediante adiciones binarias: fibras de polipropileno y dispersión de melanina formaldehído, en donde se menciona que la incorporación de fibras no afecta de manera significativa la disminución de peso y el incremento de la proporción de fibras disminuye la densidad húmeda y seca de la muestra ya que incrementa el volumen sin apenas añadir masa. G. Vasconcelos et al., (2015) analizó muestras de yeso, corcho granulado y fibras textiles recicladas de neumáticos (poliamida). El corcho fue determinante en la resistencia a compresión, ya que en porcentajes del 5% y 7 % disminuyeron la resistencia a compresión, y las fibras jugaron un papel fundamental en el aumento de la energía de fractura. Tasán (2011) estudió morteros de yeso y escayolas reforzados con fibras de eslingas textiles de un solo uso (6mm de longitud), compuestas por poliéster. Analizaron muestras con el 5%, 7,5% y 10% de adición: las probetas de yeso con adiciones de 10% alcanzaron una mejor resistencia mecánica, y las muestras con escayola con el 7,5% de adición y adiciones superiores disminuyeron la resistencia de las muestras.

En los estudios analizados se han empleado las fibras textiles en el refuerzo de compuestos de yeso con una relación de agua que varía del 0,73 al 1,02; las adiciones inferiores al 2% de fibras presentan mejores resultados, ya que a medida que se aumenta este porcentaje se presentan problemas en el amasado y pérdida de resistencia a flexión y compresión. Se determinó un mejor rendimiento a compresión con la adición de las fibras textiles en bajos porcentajes, mejora en la fractura y fisura de las muestras ensayadas. Hay que tener en cuenta que en todos los casos las fibras se han empleado en formato de hilo. En el caso de las placas de escayola reforzadas con fibras de polipropileno y aligeradas con EPS alcanzan una mayor tenacidad, como consecuencia de la deformabilidad, evitando la rotura frágil de las placas (36-37).

En base a lo revisado podemos destacar que en compuestos de yeso se han empleado adiciones máximas del 10%; no obstante, las mejores resistencias flexión y compresión se obtuvieron con adiciones del 0,5% al 1,5%; en lo que respecta a la longitud de fibras empleadas en yesos, estas oscilan entre 0,6 cm a 5 cm, ya que a medida que se aumenta la longitud de la fibra se presentan problemas en el amasado y homogeneidad de la pasta, ya que éstas tienden a enmarañarse. La relación de A/Y fluctúa entre los 0,65-1,02; sin embargo, una relación A/Y: 0,80 deja de cumplir con los requerimientos mínimos especificados en la norma española UNE-EN 13279-1 (38), que establece una resistencia a flexión mínima de 1N/mm2 y a compresión 2 N/mm2, por lo cual será conveniente una relación entre 0,65-0,75 para la elaboración de probetas en el presente estudio. La Tabla 2 detalla los mejores resultados porcentuales obtenidos de los estudios de matrices de yeso (33-35) con incorporación de fibras textiles, en cada una de las propiedades analizadas.

Para la elaboración de las probetas se utilizó Yeso LONGIPS -tipo B1, de Saint-Gobain Placo Ibérica, que cumple con las especificaciones de las normas UNE-EN 13279-1. En cuanto a las fibras textiles se emplearon fibras de algodón obtenidas de textiles reciclados posconsumo, los formatos de fibra N y NH se obtuvieron de un pantalón vaquero (98% algodón + 2% elastano) con un tejido tipo sarga, para lo cual se retiraron botones y cremallera; el formato de residuo N , en el caso del formato de fibra NH la tela se recortó en cuadrados de 20x20 mm y 35x35 mm, posteriormente se separaron manualmente las fibras hasta obtener los hilos; el formato de fibra B se obtuvo de un jersey (algodón 100%) con tejido de punto por urdimbre; para obtener la fibra tipo C se obtuvo de un jersey (algodón 100%) con tejido punto por trama; para los dos últimos formatos de fibra (C y B), se cortó la tela con una longitud de 20mm y 35mm y 0,5mm de espesor. En la Figura 1, se muestran los cuatro tipos de formatos de fibra.

La revisión bibliográfica permitió determinar las características, tipo de fibra, el formato y adiciones de las fibras, así como prever el posible comportamiento de las fibras en la matriz, en base a esto los porcentajes de fibra elegidos. Se ha determinado emplear porcentajes de adición de 0,5% y 1,0% ya que en base a la revisión documental adiciones superiores al 1,5% muestran un descenso en las resistencias mecánicas de los compuestos como se observa en las Tablas 1 y 2.

Las fibras poseen dos longitudes 20 mm y 35 mm, ya que en base a los estudios analizados el uso de fibras con longitudes inferiores a los 6 mm presentó descensos en las resistencias mecánicas y lo mismo ocurre con las fibras mayores a los 50 mm, en donde adicionalmente se presentan problemas en el amasado ya que conforme se aumenta la longitud los compuestos tienden a enmarañarse dificultando una distribución homogénea de las fibras en la mezcla.

Se empleó una relación A/Y (relación agua yeso) 0,65 determinado mediante el método de amasado a saturación, según la UNE-EN 13279-2, y considerando además que la ficha técnica del yeso LONGIPS sugiere una relación A/Y inferior a 0,8. Adicionalmente en base a la literatura analizada se determinó como idónea una relación A/Y entre 0,65 a 0,75. En la Tabla 3 se detallan las dosificaciones empleadas en el presente trabajo.

Es importante resaltar los siguientes aspectos:

Se utilizó un molde triple de 0,256 cm³ para la elaboración de las 45 probetas, que componen 15 series; una serie de referencia y 14 fueron adicionadas con cuatro formatos de residuo textil de algodón N (recortes de tela sarga), NH (hilos de tela sarga), B (recortes de tela con tejido punto por urdimbre) y C (recortes de tela con tejido punto por trama), con una relación A/Y de 0,65; y adiciones de 0,5% y 1,0%. Como se describe en la Tabla 3.

Para la elaboración de las probetas se colocaron las fibras textiles de algodón posconsumo durante 3 minutos en el agua para su saturación, debido al comportamiento higroscópico de las fibras la relación A/Y puede verse modificada, sin embargo, debido a los bajos porcentajes de adición de fibras empleadas en el presente estudio (0.5 y 1.5) está modificación es mínima.

Una vez saturadas las fibras se incorporó el yeso, realizó el amasado, la mezcla se vertió en los moldes procurando una distribución homogénea de las fibras en los moldes con la ayuda de una espátula, para evitar la aparición de coqueras, se elevó el molde unos 10mm desde uno de sus extremos y se dejó caer, esta operación se repitió unas 5 veces. Debido a que las fibras tenían una longitud máxima de 35mm y un espesor de 0.5mm a excepción de fibra NH (hilo), no se enmarañaron las fibras.

Una vez alcanzaron la resistencia adecuada se desmoldaron las probetas, estas se secaron durante 7 días a temperatura ambiente, se colocaron en estufa durante 24 horas a una temperatura de 40 ± 2 º, se retiraron y se dejaron enfriar hasta alcanzar la temperatura del laboratorio, para su posterior ensayo físico-mecánico. Las muestras se elaboraron y ensayaron en el Laboratorio de Materiales de la Escuela Técnica Superior de la Edificación de la Universidad Politécnica de Madrid. La temperatura de la sala de ensayos fue de 21,2ºC y la humedad relativa del aire 68,0%.

Las probetas se sometieron a ensayos de densidad, resistencia a flexión y compresión en base a la norma UNE-EN 13279-2:2014 Yesos de construcción y conglomerantes a base de yeso para la construcción. Parte 2: Métodos de ensayo (39). Para los ensayos de absorción por capilaridad las recomendaciones de la RILEM (40), este ensayo determina el nivel de ascensión de agua que experimenta una probeta sumergida en agua hasta una profundidad de 10 mm durante 10 min, se han pesado las probetas para determinar la cantidad de agua absorbida en gr. En la Figura 2, se pueden observar los ensayos de dureza superficial shore C y de resistencia a flexión.

El peso empleado para el cálculo de la densidad fue el obtenido después del secado en estufa de las muestras, y el volumen se determinó por las dimensiones de la probeta (4x4x16 cm). Los resultados se muestran en la Figura 3. La probeta de referencia alcanzó una densidad de 1,13 g/cm3, las series con adición de fibras presentan densidades similares a la probeta de referencia a excepción de las muestras NH1 y NH2, en las cuales se redujo un 6% y 2% respectivamente; en ambos casos se empleó el mismo porcentaje de adición.

Sin embargo, las fibras con una longitud de 20mm fueron las que obtuvieron los mejores resultados. Esto se debe a la relación masa/volumen de la fibra NH que, al ser tan ligera y ocupar un mayor volumen en la matriz de yeso, permitió alcanzar densidades más bajas que los otros formatos de fibra estudiados. Finalmente, para obtener muestras más ligeras será necesario aumentar el porcentaje de adición; sin embargo, en base a la revisión documental con adiciones superiores al 4%, se presentaron problemas de amasado y los compuestos tuvieron menores resistencias a flexión y compresión.

Los resultados obtenidos de este ensayo se muestran en la Figura 4. Según la información especificada en la ficha técnica del yeso Longips, su dureza superficial es ≥45 unidades Shore C con una relación A/Y de 0,8; y las muestras realizadas tuvieron una relación A/Y de 0,65 debido a esto su dureza alcanzó 64,73 unidades Shore C.

En general se puede observar que los valores se encuentran por encima del valor de referencia, y respecto a las adiciones empleadas, las muestras con el 1% presentan resultados superiores a las muestras con adiciones del 0,5%. El formato del residuo no ha influido en los resultados, por lo cual podemos determinar que la dureza está proporcionalmente relacionada con el aumento del porcentaje de fibra empleada y el aumento en su longitud. Esto se puede constatar en la probeta C5, la cual contiene 1% de adición en fibras de 35mm de longitud, dando como resultado un incremento en su dureza de un 14,78%.

De acuerdo con las normas UNE-EN para yesos de construcción y aglomerantes a base de yeso para la construcción, la dureza superficial mínima que deben cumplir estos compuestos es 65 unidades Shore C, mientras que para yesos de la construcción aligerados indica ≥45 unidades Shore C. Por lo tanto, en el caso de los compuestos estudiados se cumple con estos requerimientos a excepción de las series N1 y N4, que tienen una dureza superficial mínima por debajo de lo establecido en la normativa, pero superior a la dureza requerida en yesos aligerados.

Se observa que a mayor cantidad de fibras textiles las muestras disminuyen la absorción de agua. A pesar de ser el algodón una fibra que absorbe agua con gran facilidad, su capacidad de absorción es inferior a la del yeso, por lo cual contribuye a un descenso de la absorción del agua en los compuestos.

En la Figura 5, se observa que la muestra B2 absorbió 11,5 gr de agua menos que la probeta de referencia, es decir que redujo en un 26% su capacidad de absorción; respecto a los centímetros que ascendió el agua en la probeta B2, fueron 12 mm por debajo de la referencia, es decir un 12% menos de ascensión en mm respecto a la referencia.

Cabe mencionar que a pesar de ser menor la cantidad de agua absorbida, las fibras facilitaron el ascenso del agua de forma vertical, ya que el agua se absorbió con mayor rapidez y facilidad por medio de las fibras a través de la probeta. Debido a esto algunas muestras con fibras presentaron una mayor altura en mm de agua ascendida respecto a la referencia a pesar de haber absorbido una menor cantidad de agua en gr (probeta NH1).

En la Figura 6 se pueden observar las probetas tras el ensayo a flexión; el formato de hilo en las probetas NH2 obtuvo una mejor distribución en la mezcla, la adición de fibras mejoró la tenacidad de las muestras, las probetas con la adición de fibras posterior al ensayo de flexión se mantuvieron unidas por las fibras las dos partes de la probeta como se observa en la Figura 7.

Podemos evidenciar una disminución de la resistencia flexión en gran número de las muestras; sin embargo, algunas muestras presentaron incremento en su resistencia, sobresaliendo la serie C4 y C5 con un incremento en sus resistencias de 5,9% y 3,48% respectivamente, casos en los que las fibras empleadas poseen una longitud de 35mm; por el contrario, la muestra con una longitud de 20mm como la probeta N1, presentó un descenso del 23% en su resistencia, confirmándose que la longitud de la fibra juega un papel fundamental en la resistencia de los compuestos.

Respecto a la resistencia a compresión, las muestras C4, C5, NH2, NH1 y B2 con una adición del 1% de fibras en diferentes formatos y una longitud de 35 mm, alcanzaron un incremento en su resistencia de hasta el 11% (C4) respecto a la referencia. La serie con formato N, tuvo un descenso en su resistencia a compresión del 28%, a diferencia de la serie con adición de fibras NH, que debido a su formato en hilo incremento su resistencia 1,5 MPa, evidenciando la influencia del formato de la fibra en el refuerzo ya que el formato N corresponde a recortes de tela y NH a formato de hilo, adicionalmente como se observa en la Figura 8, las fibras en formato hilo empleadas en la muestra NH2 mejoraron la tenacidad de la muestra.

Los resultados evidencian que las resistencias de los materiales disminuyen a medida que se incorporan fibras de menor longitud, o en formato de recortes de tela, mientras que las fibras en formato de hilo presentan mejores resultados ya que se adhieren y distribuyen mejor en el material.

La densidad de las muestras está relacionada con la resistencia a compresión y flexión en los compuestos con formato de fibra tipo N, C y B, en los que se establece una pérdida de resistencia conforme disminuye la densidad de los compuestos. No obstante, en las muestras con formato tipo NH, la resistencia mecánica no se ve influenciada por la disminución de su densidad, siendo la serie NH1 la menos densa y con un comportamiento mecánico superior a la referencia. En general se cumple con esta relación entre densidad y resistencia a flexión y compresión: cuanto mayor es el porcentaje de adición (1%) y el largo de la fibra (35mm), mayor es la dureza (+14.78%), resistencia a flexión (5.9%) y compresión (11%) respecto a las probetas de referencia.

El aumento en la adición de las fibras al 1% mejoró las resistencias a compresión y flexión de los compuestos y también aumentó sus densidades, aunque como hemos observado anteriormente, la densidad está directamente relacionada con el formato del residuo y su relación masa/volumen; además, los hilos con diámetros mayores aumentaron las densidades, mientras que los más delgados como el hilo del formato NH disminuyó la densidad de las muestras.

En los ensayos a compresión se evidencia como la adición de fibras evita el desprendimiento de grandes fragmentos de yeso en el momento de alcanzar la carga de rotura, manteniendo unidas las partes de la probeta, al contrario de lo que sucede con la probeta sin adiciones. Por lo cual podemos afirmar que la incorporación de las fibras mejora la tenacidad del compuesto obtenido.