Jorge Alberto CELANO (1)

Transcripción

1 2 do Encuentro de Jóvenes Investigadores en Ciencia y Tecnología de Materiales Posadas Misiones, Octubre PANELES TERMO-ACÚSTICOS A BASE DE RESIDUOS DE MADERA Jorge Alberto CELANO (1) Director: Obdulio Pereira; Co-Director Guillermo Jacobo (2) Departamento de Tecnología de la Madera - Universidad Nacional de Misiones Eldorado - Posadas - Misiones arquicel@yahoo.com.ar TÓPICO: (12) MATERIALES COMPUESTOS RESUMEN El trabajo tiene por objetivo el desarrollo de componentes constructivos alternativos a base de desperdicios de la industria de la madera, aserrín y virutas, provenientes de bosques implantados de pinus en la provincia de Misiones; y evaluar su factibilidad técnica, para ser utilizados como aislantes termoacústicos en el mercado de la construcción regional, en reemplazo de los materiales aislantes tradicionales (fibra de vidrio, lana de vidrio, poliestireno, poliuretano, etc.), foráneos a la región del Nordeste Argentino. Para los ensayos experimentales se realizaron probetas compuestas con el material fibroso aserrín, viruta en tres concentraciones diferentes % fino, 50-50% y % grueso; y con tres adhesivos, cemento pórtland, vinílico D3, resina urea-formaldehído, que se mezclaron en concentraciones alta y baja, y se obtuvieron 5 repeticiones por cada combinación con un total de 90 probetas. Se realizaron ensayos sobre las propiedades físicas (térmicas y acústicas), mecánicas y tecnológicas (resistencia al fuego, agua) y condiciones de trabajabilidad y uso (manipuleo, aserrado, disgregado). Las probetas y las técnicas de ensayos se desarrollaron en base a la normativa IRAM, las que se registraron metódicamente para su posterior repetición. Los resultados de ensayos demostraron ser eficientes respecto al aislamiento térmico y como buen material absorbente acústico. Palabras claves: paneles, térmico, acústico, residuos, madera. INTRODUCCIÓN La construcción tradicional en nuestro país y principalmente la vivienda de interés social desarrollada por el Estado, demostró poca utilización de los sistemas constructivos alternativos como los industrializados, y la utilización de materiales innovadores y el aprovechamiento integral de los recursos renovables, como es el caso de la madera, que ofrece una variedad de productos y materiales para la construcción. En la provincia de Misiones, la cual procesa el 64% de rollos de maderas implantadas del país, el uso de la madera en la construcción habitacional oficial, para la ejecución de viviendas industrializadas de madera representa solo el 13% del total de 5560 viviendas de la construcción tradicional húmeda de mampostería (periodo ). El mayor uso de la madera se restringe al uso en cielorrasos de machimbre, puertas placas interiores y en algunos casos estructuras del techo. En nuestro país los productos utilizados como aislantes termo-acústicos para la construcción, siguen siendo los tradicionales, como la lana de vidrio, lana mineral, film plástico alveolar y las espumas de poliestireno y espumas poliuretanicas ; los cuales en su Análisis de Ciclo de Vida UCV tanto en sus procesos de producción, utilización y desecho, producen altos grados de contaminación al medio ambiente y un consumo considerable de energía de producción, con el consecuente alto costo ecológico. En las viviendas industrializadas de madera, metal y hormigón, se profundiza este lineamiento, donde los paneles exteriores y el techo de la vivienda se recubren con material aislante térmico. Esto denota el potencial de demanda de aislantes térmicos a ser suplido por materiales alternativos más ecológicos. La madera como material de construcción posee ventajas comparativas frente a otros materiales tradicionales, dado que se elaborada como producto industrial con un consumo aceptable de energía y de bajo impacto ambiental por la mínima emisión de CO2. La madera específicamente favorece al ahorro del

2 consumo energético por sus cualidades naturales como aislantes térmico y mejora las condiciones de habitabilidad por las cualidades acústicas. Este recurso natural, pueden estar disponibles como nuevos materiales y productos alternativos (1), de manera accesible en cuanto a costos y tecnología; si se los implementa según una explotación racional, sustentable, a través de su máximo aprovechamiento de toda la variedad de sus productos y subproductos, como los residuos del procesamiento de la madera. En la región NEA a lo largo de las rutas se observan las industrias de la madera con grandes pilas de aserrín que no tienen uso de valor considerable y siendo el destino la quema, el uso como abono o como biomasa para la generación de energía; estos desperdicios son la fuente de materia prima para el desarrollo materiales alternativos como los paneles de aislación termo-acústicos. Analizando el aprovechamiento de estos residuos forestales, donde la extracción anual de madera de pino implantada en Misiones(2) son 4,8 millones de toneladas equivalente a 5,9 millones de m3, se tiene un aprovechamiento de madera aserrada de alta calidad (bolk blanc) de 1,7m3 es decir un 29%, dejando un saldo de 71% de subproductos; de los cuales un 42% (corteza, madera defectuosa, chip) son para celulosa o caldera, y un 23,9% equivalente a 1,41millones de m3 residuos de granulometría pequeñas no apto de uso industrial actual, de los cuales el 8,4% (polvo, aserrín y virutas seca), se esta orientando al uso como briquetas y pellets; y los 15,5% restante (aserrín verde y viruta seca) sin uso productivo actual; nos deja un saldo de m3 de materia prima para elaboración de paneles termo-acústicos. Realizando un ensayo preliminar y tomando como cierto que una vivienda industrializada consume 13,07 m 3 de espacio para aislación en paredes y techo, en una vivienda tipo de 54 m 2 (3) este espacio es posible de ser utilizado por aislaciones a base de viruta-aserrín; lo que nos posibilita realizar un total de viviendas más ecológicas. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Elaboración de probetas: Se realizaron en base a un Diseño de Mezclas Binario, que se ejecutaron y ensayaron en el Laboratorio de Tecnología de la Madera FCF-UNaM. Las probetas fueron compuestas con el material fibroso aserrín, viruta en tres concentraciones diferentes %, 50-50% y %; y con tres adhesivos seleccionados: cemento pórtland, vinílico monocomponente D3, resina urea-formaldehído, que se mezclaron en concentraciones alta y baja, y se obtuvieron 5 repeticiones por cada combinación con un total de 90 probetas. La dosificación y mediciones de todos los elementos se unificaron por peso; para todas las probetas el material fibroso fue 340 gr.; la presión de encofrado o armado con el peso de una persona y la temperatura de prensado fue del ambiente. La cantidad de adhesivo estuvo en relación a la capacidad aditiva, a la capacidad de formación del empaste, al costo y su incidencia en el precio final del producto. Tabla 1: Dosificación de probetas y su relación con el costo-adhesivo. Parámetros Un. Cemento Vinílico D3 Ureica 65% Dosificación - bajo alto bajo alto bajo alto M.P.F. Gr Adhesivo Gr Precio* $ 0,43 0,55 0,45 0,9 0,21 0,42 Agua Gr Temperatura ºC Presión gr/cm (*Valores de precios al año 2006) Los ensayos se realizaron sobre los paneles experimentales y sobre los materiales aislantes tradicionales, a fin de comparar los resultados con un mismo método. Los ensayos principales fueron la determinación de la densidad, contenido de humedad, comportamiento térmico y comportamiento acústico; como ensayos secundarios, que no figuran en esta presentación, se determino el comportamiento al fuego al agua, retracciones y deformaciones, condiciones de trabajabilidad referido a aserrado y manipuleo. Densidad de las probetas de paneles (en base a norma IRAM 9704,9705), El ensayo consistió en pesar las probetas estacionadas, y dividir por el volumen correspondiente; el volumen se determino al tomar el promedio de espesor de sus cuatro caras, y multiplicar por el área determinada por la medición de sus lados. Las mediciones se realizaron sobre las 5 repeticiones de cada tipo de probeta, se obtuvo la media y el coeficiente de variación. La densidad se relaciona con componentes indirectos del panel: el vacío referido a la porosidad y el contenido de humedad. Estas propiedades son significativas respecto a la aislación térmica y acústica. Macro-porosidad representa el volumen de aire en la probeta respecto al volumen total del conjunto de todos los componentes, madera, adhesivo, agua (humedad), vacío de material (aire). Contenido de humedad: (en base a normas IRAM 9704), El ensayo consistió en determinar el contenido de humedad

3 en equilibrio higroscópico de las probetas, las probetas se pesaron en la balanza de precisión de 0,001gr, y se obtuvo el peso húmedo, luego se llevaron a estufa a 105º C por 24hs, se retiraron y se volvieron a pesar, determinándose el peso seco. Para realizar las comparaciones con los otros parámetros físicos se utilizo la humedad base húmeda Hbh. De = Densidad panel, gr/cm3 Ip = Porosidad, % Hbh= Humedad % De=Pe/Ve Pe = Peso estacionado, gr. Ip=Va/Vt Va =Vol. aire,cm3 Hbh=(Ph-Ps)/Ps Ph = Peso húmedo, gr Ve =Vol. estacionado, cm3 Vt = Vol. total,cm3 Ps= Peso seco gr Comportamiento Térmico: (en base a normas IRAM 11559), La evaluación del comportamiento térmico del panel para su uso en edificaciones, se realizaron ensayos del tipo: aislación térmica referida a la capacidad de retardar el paso del calor desde el exterior al interior del edificio; y de inercia térmica a la capacidad de la pérdida del calor acumulado en el panel hacia el interior. Se elaboro el siguiente método de ensayo. Aislacion térmica: Las probetas se colocaron en la boca de la estufa con el interior a 103ºC ±2ºC y cara al exterior a temperatura ambiente sin moviendo de aire a 24ºC, ( t= 80ºC); se registraron lecturas cada 5 minutos en la cara exterior del panel por un periodo de 45 minutos; se tomaron 3 lecturas instantáneas en el punto central y perpendicular al panel a 15 cm de separación; también se registraron valores sobre las condiciones de borde, con un total de 9 mediciones y 3 repeticiones cada 5 minutos. Con este ensayo se mide la transferencia de calor generada en la estufa por radiación y conveccion hacia la cara interna del panel y el efecto por conducción hacia la cara externa. Para cuantificar la capacidad térmica de los paneles (material compuesto) y comparar con otros materiales comerciales, se determino el coeficiente de conductividad térmica λ para lo cual se desarrollo un método analítico aproximado, que consiste en: calcular la Resistencia térmica Ri de cada uno de los componentes del panel (madera, adhesivo, aire, agua), cuantificar según las proporciones de composición (espesores), obtener la Resistencia térmica total Rt y calcular el coeficiente de conductividad térmica del panel λt. Los datos obtenidos fueron correlacionados con la medición térmica y verificada con la base de datos de materiales de las normas IRAM λt = Rt / et λ = coef. conductividad térmica, W/m.ºC t = Total (panel) Rt = Rm, Ra, Rv, Rh R = Resistencia térmica, m 2.ºC/W m = Madera R = e/λ Ve= Volumen estacionado a = Adhesivo e = Ve/A e = Espesor de material, cm. v = Aire Ve = (Pe / De) h = Agua Inercia térmica: se midió la caída de temperatura de la cara interna (irradiada en estufa) cada 5 segundos, inmediatamente desde que se saca de la estufa a 103ºC hasta equilibrar con la temperatura de su medio ambiente en 24ºC. Comportamiento Acústico: (en base a norma IRAM 4063) El aislamiento acústico tiene por objetivo alcanzar condiciones mínimas de protección contra la transmisión de ruidos externos o internos atenuándolos o impidiendo su propagación. El comportamiento acústico se basa en determinar el Índice compensado de reducción sonora (Rw) para ello el ensayo consistió en generar el sonido dentro de la caja acústica con el panel ubicado en la boca de la caja y medir la diferencia de sonido en (db) decibeles en el exterior. Se generaron tres niveles de sonido, en distintas frecuencias y a un mismo volumen, grave 150hz, medio 1000hz y agudo 6000hz. Para medir los decibeles (db) se utilizo un decibelímetro digital TES-1350A, se configuro con un rango bajo low db, respuesta interativa, función A, con un grado de sensibilidad de 0,1db. El decibelímetro se coloco perpendicular al panel a 5cm. de separación y a su altura media. Se registraron 3 lecturas consecutivas para cada frecuencia, y en 3 sectores diferentes, al centro y en los extremos por la condición de borde. El ensayo se realizo en una sala con un nivel de ruido ambiental de 32,4 db. Rw = Índice compensado de W Rw = 10 log. W 1 / W 2. 1 = Potencia sonora emisor, en db. reducción sonora, db. W 2 = Potencia sonora en receptor, en db. Rw = I 1 (db) I 2 (db) I 1 = Volumen de aire, en cm3. I 2 = Volumen total, en cm3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La densidad existen dos variaciones debidas al tipo de adhesivo y a la granulometría utilizada. Las probetas presentan un aumento de densidad cuando el adhesivo es el cemento dado que posee un peso propio seco es superior a los otros adhesivos líquidos que al fraguar pierden humedad y peso. Dentro de las mezclas, en todos los casos la densidad aumenta cuando el contenido de adhesivo es alto, siendo más evidente en el cemento. Lo mismo referido a la granulometría, cuando es pequeña (100% aserrín) dado que posee un menor espesor final de panel por tener una mejor acomodación de las partículas. En todos los casos la dispersión de las mediciones aumenta desde la granulometría fina (aserrín) con poca dispersión, luego la granulometría gruesa (100% viruta), hasta el máximo de dispersión con la mezcla (50%-50%). Referido al adhesivo y contrariamente a la intuición, el cemento presenta mayor dispersión.

4 El Contenido de humedad afecta directamente a la capacidad aislante térmico del material (4) y a las condiciones favorables para la propagación de hongos (5) disminuyendo su vida útil. Las probetas que presentan menor contenido de humedad son a base de cemento en rangos de entre 5,5% al 6,6%, con la tendencia de retener mayor humedad en las de menor contenido de cemento; mientras que en las probetas de UF y D3 se comportan de manera similar con altos contenidos de humedad. Para las probetas de UF el contenido de humedad varía entre 11,3 a 12,1% con el menor valor para la mezcla de 50-50%UF-B, y mayores retenciones de humedad en contenidos de adhesivo altos; en cambio, para las probetas de D3 muestran valores entre 8,6 a 11,0% siendo la tendencia de menor contenido de humedad las de mayor contenido de adhesivo. En la figura 1 se observa la relación entre densidad y contenido de humedad que muestra que las probetas de mayor densidad poseen menor contenido de humedad y viceversa. Esta relación se presenta entre-grupo por tipo de adhesivo, mientras que la relación intra-grupo por tipo de granulometría es aleatoria, aumentando el contenido de humedad para densidades bajas en el cemento, y viceversa en el adhesivo UF donde disminuye la humedad con la densidad; en el adhesivo D3 es aleatorio. Se puede inferir que el contenido de humedad varía según la capacidad del adhesivo de permitir a la madera absorber humedad es decir la impermeabilidad que le proporciona, otorgándole una propiedad hidrofobica. Este efecto se observo al determinar el ph en condensador, donde las partículas de madera sin adhesivo absorbían agua rápidamente, mientras que la madera disgregada de paneles con adhesivos presentaba cierto agrupamiento en la superficie del agua lo que denota la poca absorción de agua. 70,00% 60,00% 0,629 50,00% 40,00% 0,431 0,494 30,00% 20,00% 10,00% 0,343 0,123 0,100 0,207 0,172 0,212 0,202 0,303 0,271 0,178 0,164 0,271 0,221 0,00% A B A B UF B UF B HUMEDAD UF B D3 A DENSIDAD Figura 1. Relación Densidad de panel (gr/cm3) Humedad de panel (%). Comportamiento Térmico: La aislación térmica referida a la capacidad de retardar el paso del calor desde el exterior al interior del edificio, para nuestro ensayo refiere desde el interior de estufa al exterior en el ambiente. Las probetas que mejor resultado presentaron a los 40 minutos de exposición son la y UF-ALTO con t=30ºc, las peores son -ALTO y D3_ALTO con t=35ºc. Se observa que con el paso del tiempo la probeta que mejor se comporta % UF-ALTO que demuestra un rápido aumento de temperatura a los 25 minutos con t=32ºc pero se mantiene estable en adelante, caso contrario la probeta -ALTO que demuestra un retardado aumento de temperatura alcanzando los t=34ºc a los 40 minutos y en aumento progresivo. Comparando con los materiales comúnmente usados como termoacústicos, el promedio general de las probetas alcanza t=32,7ºc es decir aísla un 69,1% en la cara exterior muy por debajo que el resto de los materiales: para la lana de vidrio 38mm con papel y placa Spanacustic presenta t=37,5ºc, aísla un 64,3% determinándose un λ= 0,042, y para la placa de lana mineral (Armstrong) t=43ºc aisla un 59,1% con un λ= 0,048, la madera de pino de 12,5mm con t=59,5ºc asila un 56,6% y λ= 0,16, la espuma poliuretano es el único superior con t=23,7 asila 77,4% y λ=0,021. El único similar es la madera maciza de pino de 36mm con t=33ºc, la diferencia radica en que para el promedio de paneles esta temperatura alcanza a los 30 minutos y se mantiene estable en adelante, mientras que para la madera alcanza a los 35 minutos pero continua en ascenso. Referido a la inercia térmica como a la capacidad de la pérdida del calor acumulado en el panel, se observa la curva que mejor ajusta al panel D3ALTO. Los paneles con mejor comportamiento referido a la rapidez de pérdida de temperatura (propicio para edificaciones en clima calidos) son y UF, el de peor condiciones presenta a base de cemento con la MPF gruesa. Comparando con los materiales tradicionales, el panel D3-ALTO (mejor comportamiento) presenta un comportamiento regular dado que tarda en perder calor, ya que los materiales tradicionales termo-acústicos presentan una rápida perdida de calor (La lana de vidrio y el Spanacustic el aire caliente D3 B D3 A D3 B D3 A D3 B

5 entre sus fibras se escapa rápidamente) presenta una baja inercia térmica. Dos casos notables respecto de nuestro panel, son el aglomerado que presenta mayor inercia térmica y la madera maciza 36mm que si bien posee una rápida caída de temperatura del 30% el resto del calor posee una gran inercia térmica. 100 TEMPERATURA ºC ,0 73,5 72,5 72,0 75,0 71,0 72,0 72,5 74,0 73,5 70,5 71,0 73,5 73,0 70,5 73, ,5 32, , ,5 34, , ,5 32 TEMPERATURA ºC 0 52,0 49,0 46,0 43,0 40,0 37,0 34,0 31,0 28,0 25,0 22,0 19,0 16,0 100 B A B A PROBETAS TIPO UF B UF B UF B D3 A D3 B D3 A D3 B D3 A D3 B CARA EXTERIOR AISLACION Figura 2. Aislacion termica entre paneles TIEMPO x 5 minutos Paneles prom. total Spanacustic 30mm Armstrong 15,5mm Aglomerado 18mm Lana Vidrio 38mm M adera 12,5mm M adera 3,6mm Telgopor Panel virtura pren. Figura 3. Aislacion termica entre promedio de paneles frente a materiales tradionales. A TEMPERATURA ºC B A UF B UF B UF B D3 A D3 A TIEMPO x 5 segundos D3 B D3 A D3 B Figura 4. Inercia termica entre diferentes paneles. Comportamiento Acústico: El aislamiento acústico referido a la capacidad de absorber el nivel de ruido en distintas frecuencias medidas en decibeles. Las probetas que mejor comportamiento en los 3 niveles de frecuencias son D3-ALTO w=51db (83-32db) presenta 61,44% de aislación y valores de Rw=12,3db y -ALTO y BAJO estas poseen granulometría pequeña (aserrín). La frecuencia que menos aíslan son las altas frecuencias (6000hz) luego la baja frecuencia (150hz) y el mejor comportamiento

6 se registra con la frecuencia media (1000hz) que es la que se asimila a una conversación entre personas. Referido a los materiales tradicionales, los paneles poseen una posición intermedia; los materiales de mayor densidad, homogeneidad y compacidad en su estructura poseen una mayor aislacion acústica, como ser la madera maciza de pino de 12,5mm con 26,8% y Rw=22,3db, el tablero de viruta prensada y la placa Armstrong de fibra mineral con 24,1% y Rw=20,0db; mientras que otros materiales termo-acústicos poseen menor calidad de aislacion como las placas de cielorraso Spanacustic y lana de vidrio con 9,81% y Rw=8,20db y la espuma poliuretano con 11,8% y Rw=9,8db. 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% B A B A UF B UF B UF B D3 A D3 B D3 B D3 A D3 A D3 B 150Hz 1000Hz 6000Hz 40% Figura 5. Aislacion acústica entre paneles a diferentes frecuencias. 37,03% 37,21% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 11,45% 14,43% 8,41% 19,48% 29,64% 14,91% D3 A Viruta pre. 16,5mm 28,85% 18,33% 24,04% 13,65% Madera 20mm Armstrong Spanacustic Lana vidrio 38mm 150Hz 1000Hz 6000Hz Figura 6. Aislacion acústica entre panel óptimo y diferentes materiales tradicionales. CONCLUSIONES Los ensayos físicos y mecánicos de laboratorio, han demostrado las cualidades positivas de los paneles alternativos para el uso en edificaciones. Particularmente el comportamiento térmico de aislacion es superior a los materiales tradicionales denominados termo-acústicos, especialmente eficientes para clima calidos. Respecto al comportamiento acústico es un material intermedio por sus cualidades. Las observaciones preliminares permiten decir que es factible el desarrollo de productos alternativos, y que al ser utilizados como componentes en la construcción, se obtendrán rendimientos técnicos aceptables en aislaciones termoacústicas. Estos materiales serán económicamente rentables en el mercado regional, ya que denota una reducción de costos de producción por ser estos componentes producidos con maquinaria regional, materia prima orgánica de costo mínimo como el aserrín y virutas (son desperdiciados), y con mano de obra de la región. Además del beneficio ambiental, al utilizarse un recurso natural renovable y generando un mercado regional de la construcción que posibilite la radicación regional de inversiones productivas. REFERENCIAS 1. JACOBO, G.: Nuevos Materiales para la concreción del Hábitat Humano. UNNE, Argentina, MASLATON, C.: Revista Saber Como Nº 59 del INTI; IPRODHA; Prototipo de vivienda MD/05. Posadas, Misiones, CORONEL, O. Propiedades físicas y mecánicas de las maderas. ITM-FCF-UNsE, Argentina, IWAKIRI, S.: Paneis de madeira ; FUPEF, Curitiba, Brasil ,12% 9,81% 0,30% 3,53% 5,45% 0,67%