Materiales tradicionales y nuevos para morteros de eficiencia energética.

Transcripción

1 Materiales tradicionales y nuevos para morteros de eficiencia energética. 1. Introducción. En 2005, el funcionamiento de los edificios provocó la emisión de 8,3 Gt de CO 2, esto supone alrededor del 30 % anual de las emisiones de gases de efecto invernadero en los países desarrollados. La directiva 2012/27/EU ha establecido un marco de trabajo común para la promoción de la eficiencia energética en Europa y ha subrayado la importancia de la renovación de los edificios ya existentes como el sector potencial donde mayor ahorro energético se puede conseguir. Por lo tanto, a este respecto, se están introduciendo conceptos como casas pasivas y edificios de cero emisiones. Para satisfacer las demandas de mejora de la eficiencia energética, el aislamiento térmico de los edificios tiene un papel importante. Además de utilizar los materiales de aislamiento tradicionales en espesores cada vez mayores sobre la envolvente de la edificación,.en la actualidad se está desarrollando nuevos materiales aislantes con valores de conductividad térmica baja y así como nuevas soluciones técnicas, La principal característica que deben satisfacer los materiales de aislamiento térmico para su aplicación en la envolvente de los edificios es lograr un valor de conductividad térmica tan bajo como sea posible, al objeto de minimizar el valor de conductividad térmica de la edificación. En un material la conductividad térmica total es la suma de varios factores y para que la conductividad térmica sea la menor posible es necesario que cada uno de estos factores debe de adquirir el menor valor posible: λ tot = λ solid + λ gas + λ rad + λ conv + λ leak Donde λ tot es la conductividad global; λ solid es la conductividad térmica del estado sólido y viene asociada al transporte entre átomos dentro de la misma red de vibración; λ gas es la conductividad térmica del gas ocluido, que es debida al enfriamiento producido al chocar las moléculas de gas entre sí; λ rad es la conductividad térmica por radiación y está asociada a la radiación del espectro electromagnético en la región del IR de la fuente de emisión que recibe el material; λ conv, es la conductividad térmica por convección, está relacionada con el movimiento de aire y humedad por convección; λ coupling, es la conductividad térmica originada por efectos de segundo orden, esta contribución no se suele tener en cuenta y λ leak que es la

2 conductividad térmica que se pierde, que suele ser despreciable. Todas estas contribuciones dependen de la temperatura o de la diferencia de temperatura a la que se somete el material. 2. Materiales de aislamiento térmico tradicionales: 1 A continuación exponemos una breve descripción de los principales materiales utilizados tradicionalmente como materiales para aislamiento térmico Lana mineral: Dentro de esta terminología se incluye tanto la lana de vidrio (fibra de vidrio) como la lana de roca, que normalmente se producen en forma de paneles, pero ocasionalmente también como material de relleno. Una lana mineral ligera se utiliza para casas de madera y otras estructuras con cavidades. Tableros más pesados y con mayor densidad se utilizan en los pisos o los techos. La fibra de lana de vidrio se produce a partir de vidrio borosilicatado a 1400 C, la fibra de lana de roca se produce fundiendo la piedra a 1500 C. En ambos casos se le añaden aceites y resinas para mejorar la unión de las fibras y mejorar las propiedades del producto. Los valores típicos de conductividad térmica están entre los 30 y 40 mw m -1 K -1. El valor de conductividad térmica de este material cambia con la temperatura, contenido de humedad y densidad de masa, así por ejemplo variando la humedad del 0 al 10 % cambia el valor de 37 a 55 mw m -1 K -1. Este material puede ser perforado, cortado y ajustado sin pérdida de la resistencia térmica Poliestireno expandido (EPS). Son pequeñas esferas de poliestireno que contienen un agente de expansión (normalmente pentano), el cual se expande con el vapor de agua por calentamiento. Las esferas se mantienen unidas debido a la gran superficie de contacto que tienen entre ellas. Tiene una estructura porosa abierta y los valores de conductividad térmica oscilan entre los 30 y 40 mw m -1 K -1. Normalmente, se fabrica en planchas en un proceso en línea. El valor de conductividad térmica cambia con la temperatura humedad y densidad de masa y puede perforarse, cortarse y ajustarse sin pérdida de resistencia térmica Poliestireno extruido (XPS). Se prepara fundiendo el poliestireno y adicionando un gas expansivo como puede ser el HFC, CO 2 o pentano. La extrusión se consigue a través de una aguja que libera la presión y provoca la extrusión. Se produce en continuo y puede ser cortado después de enfriarse, la estructura porosa es cerrada y los valores de conductividad típicos oscilan entre los 30 y 40 mw m -1 K Bjorn Petter Jelle. Energy and Buildings 43 (2011)

3 Al igual que en los casos anteriores, el valor de la conductividad depende de la temperatura, humedad y densidad, encontrándose que un aumento del 0 al 10 % de humedad provoca una variación en la conductividad de 34 a 44 mw m -1 K -1. También puede ser cortado, perforado y ajustado sin pérdida de la resistencia térmica Celulosa. Es un polisacárido que se obtiene a partir de papel reciclado o fibra de madera. El proceso de producción da al material una consistencia similar a la de la lana de vidrio. Para mejorar sus propiedades, se le suele añadir ácido bórico y bórax. Suele usarse como material de relleno aunque también se puede preparar en tableros. Los valores de conductividad térmica oscilan entre los 40 y 50 mw m -1 K -1. El valor de la conductividad depende de la temperatura, humedad y densidad, encontrándose que un aumento del 0 al 5 % de humedad provoca una variación en la conductividad de 40 a 66 mw m -1 K -1. También puede ser cortado, perforado y ajustado sin pérdida de la resistencia térmica Corcho. Proviene del alcornoque o del roble, se puede preparar como relleno o en paneles y su conductividad térmica es del orden de los materiales vistos anteriormente. Al igual que los anteriores también pueden ser cortados, perforados y ajustados sin pérdida de la resistencia térmica Poliuretano (PUR). Se forma a partir de la reacción del isocianato con un poliol, el proceso de expansión provoca la oclusión del gas expansivo usado en la síntesis. Se produce en paneles aunque también puede ser usado como material de relleno en forma de espuma expansiva para sellar cavidades en puertas, ventanas, etc. Su conductividad térmica oscila entre los 20 y 30 mw m - 1 K -1, es decir, considerablemente menor que los anteriores. El valor de la conductividad depende de la temperatura, humedad y densidad, encontrándose que un aumento del 0 al 10 % de humedad provoca una variación en la conductividad de 25 a 46 mw m -1 K -1. También puede ser cortado, perforado y ajustado sin pérdida de la resistencia térmica. Es importante destacar que aunque es un material seguro, en caso de incendio puede liberar ácido cianhídrico e isocianatos que son productos nocivos para la salud Otros materiales aplicados en construcción. Las conductividades térmicas de otros materiales ampliamente usados en construcción, incluyendo los utilizados como soporte de carga, son mayores que los denominados materiales aislantes. De forma comparativa, algunos materiales pueden ser madera ( mw m -1 K -1 ), acero (55,000 mw m -1 K -1 ), acero inoxidable (17,000 mw m -1 K -1 ), aluminio (220,000 mw m -1 K - 1 ), hormigón ( mw m -1 K -1 ), áridos ligeros ( mw m -1 K -1 ), ladrillo ( mw m -1 K -1 ), piedra ( mw m -1 K -1 ) y vidrio (800 mw m -1 K -1 ).

4 3. Nuevas propuestas de materiales de aislamiento térmico 3.1. Aerogeles. 2,3,4,5, 6 Los aerogeles son geles secos con una alta porosidad, fueron descubiertos en la década de los 30 por Kistler. Se preparan siguiendo un proceso sol-gel de baja temperatura y posteriormente se realiza un secado supercrítico. El material de partida suele ser TMOS (tetramethoxysilane. Si(OCH 3) 4) o TEOS (tetraethoxysilane, Si(OC 2H 5) 4). El potencial de los aerogeles, como materiales de aislamiento térmico, es debido a sus inusuales propiedades en estado sólido. Durante su formación se producen cadenas de SiO 2 entrecruzadas que dejan en su interior poros llenos de aire. El tamaño de los poros oscila entre 5 y 70 nm y dependiendo del método de preparación la cantidad de aire ocluida puede ser entre un 85 y 99.8 % del volumen total del aerogel. La densidad del armazón estructural de sílice es de 2200 Kg m -3 mientras que la densidad en masa es de 3 Kg m -3 (la densidad del aire es de 1.2 Kg m -3 ). Actualmente son los materiales más prometedores dado que su conductividad térmica es de unos mw m -1 K -1 a presión ambiente. Además, combinada con Carbón Black y a una presión de 50 mbar es capaz de llegar a 40 mw m -1 K -1. Su pequeño tamaño de poro y alta porosidad les confiere buenas propiedades físicas, térmicas, ópticas y acústicas. No obstante, sus principales inconvenientes son: muy altos costes de producción y alta fragilidad de los materiales que la incluyen debido a su baja resistencia a flexión. Este efecto es debido a un menor empaquetamiento entre las partículas de cemento. Esto puede mejorarse de forma física utilizando diferentes procedimientos de mezcla, o de forma química utilizando materiales anfílicos o fibras que actúen como punto de unión entre ambas superficies, por ejemplo añadiendo fibra de carbono a la matriz. Los resultados encontrados en la bibliografía no son homogéneos en cuanto a la cantidad máxima en que se pueden añadir (siendo los valores más frecuentes entre 40 y 50 % en volumen) manteniendo unas propiedades mecánicas aceptables y unos valores de conductividad interesantes (260 mw m -1 K -1 ) Materiales de cambio de fase (PCM). 7,8,9,10,11,12 2 Ihara T. and col. Applied Energy 142 (2015) Ibrahim M. and col. Energy and Buildings 84 (2014) Baetens R. and col. Energy and Buildings 43 (2011) Gao T. and col. Construction and Building Materials 52 (2014) Ng S. and col. Construction and Building Materials 77 (2015) Edsjo S. and col. Energy and Buildings 94 (2015)

5 No son realmente materiales para aislamiento térmico pero si son interesantes para aplicaciones térmicas en edificios. Los PCMs cambian de fase sólida a líquida cuando se calientan absorbiendo energía en un proceso endotérmico. Cuando la temperatura del ambiente disminuye, el líquido se vuelve sólido mediante un proceso exotérmico, es decir, liberando energía. Estos ciclos de cambio de fase, estabilizan la temperatura interior de la sala disminuyendo las necesidades de acondicionamiento de la sala. Estos materiales pueden ser orgánicos o inorgánicos. En el caso de los orgánicos, normalmente son parafinas, ácidos grasos o polietilen glicol. Las principales ventajas son unos mayores rangos de temperaturas de trabajo, estabilidad química, no segregación, seguros y no reactivos y fácilmente reciclables. Las desventajas son baja conductividad térmica, baja capacidad de almacenamiento de calor e inflamables. Los inorgánicos, normalmente son sales hidratadas. Las principales ventajas son alta capacidad de almacenamiento de calor, bajo coste y fácil disponibilidad, alta conductividad térmica y no inflamables. Sus desventajas son grandes cambios de volumen, problemas de segregación y subenfriamiento. La preparación de materiales de construcción con PCMs puede realizarse de las siguientes maneras: Impregnación. Consiste en impregnar directamente el material de construcción yeso, mortero, hormigón, vermiculita, madera o cualquier otro material poroso, con el material que es capaz de absorber energía durante el cambio de estado y que suelen ser compuestos orgánicos. En este caso, la estructura del material poroso transporta el calor por los poros. El principal inconveniente encontrado es que se producen lixiviaciones que hacen que se pierda eficiencia en el proceso. Microencapsulación. Consiste en encapsular el PCM dentro de un material polimérico. El aspecto final del producto es similar a un material de construcción como el cemento o el árido, es decir, se puede utilizar como un aditivo más, pero que lleva incluido el material de cambio de fase. En este caso el principal problema que podemos encontrarnos es que el material utilizado para realizar la capsula interaccione de forma negativa con el material cementante. Las propiedades mecánicas del material final que incluye este aditivo pueden verse muy afectadas según la forma, tamaño y porcentaje de adición de PCM. 8 Kheradmand M. and col. Energy and Buildings 84 (2014) Vaz A. and col. Energy and Buildings 49 (2012) Kuznik F. and col. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) Zhou D. and col. Applied Energy 92 (2012) Lecompte T. and col. Energy and Buildings 94 (2015)

6 Inmovilizados. Se preparan a partir de una mezcla líquida y un material de soporte que envuelve de forma hermética al material de cambio de fase, suele ser polietileno de alta densidad (HDPE) y estireno-butadieno-estireno (SBS). Con una buena elección del material de soporte se puede conseguir inmovilizar hasta un 80 % de PCM. Aunque presentan la ventaja de no producir lixiviación, su conductividad térmica no es muy elevada, es por ello que se les suele añadir algún material que mejore la conductividad térmica. La principal diferencia entre los microencapsulados y los inmovilizados está en que mientras que los primeros se presentan como si fuera un árido más, en los segundos son paneles grandes, es decir, serán utlizados como la lana de roca en el sistema de aislamiento. Otros contenedores. Otros materiales usados son por ejemplo paneles de PVC o paneles multicapa con láminas de aluminio y PCM, etc. Estos materiales se están comercializando en muchos formatos y con diferentes tipos de productos, una relación de algunos de ellos se encuentran en el Anexo I 3.3. Áridos ligeros. 13,14,15,16,17,18 La incorporación de áridos ligeros como la perlita y la vermiculita se traducen en una pérdida de propiedades mecánicas del mortero endurecido, incluso el mortero podría no tener interés práctico por el hecho de la pérdida de cohesión en el material. La porosidad juega un papel importante tanto sobre las propiedades mecánicas como sobre la absorción de agua. Es por ello que el uso de estos áridos requiere alcanzar una solución de compromiso entre las propiedades térmicas deseadas y las propiedades mecánicas alcanzadas. Para el caso de la perlita, se reduce la conductividad térmica de forma importante cuando se sustituye el árido normal por perlita expandida (una sustitución del 40 % de árido se puede traducir en una reducción de la conductividad térmica de un 12 %). También se conoce una relación directa entre la conductividad térmica y la densidad de la mezcla. En el caso específico de hormigones la resistencia a la compresión y el módulo elástico disminuye conforme aumenta la cantidad de perlita introducida, observándose una variación más acusada en el módulo elástico que en la resistencia a compresión. No obstante, la sustitución de un 20 % de árido por perlita permite clasificar al hormigón como hormigón aislante. 13 Vieira J. and col. Energy and Buildings 70 (2014) Silva L.M. and col. Cement and Concrete Composites 32 (2010) Goncalvez H. and col. Energy and Buildings 74 (2014) Sengul O. and col. Energy and Buildings 43 (2011) Turhan S. and col. Cement and Concrete Composites 38 (2013) Shackow A. and col. Construction and Building Materials 57 (2014)

7 En el caso de la vermiculita hay que ser cuidadoso ya que puede absorber mucha agua de la que se añade para el amasado. Su densidad oscila entre 1.13 y 1.29 g cm -3 y una conductividad térmica de entre 340 y 500 mw m -1 K -1 en función del porcentaje de sustitución. 3. Materiales comerciales con prestaciones de eficiencia térmica. En productos comerciales, los principales morteros encontrados forman parte de un sistema SATE y no se suelen emplear directamente como solución completa, sino como complemento al sistema. Estos productos son: - SIKA - WEBER ( 2014/hojas-datos-producto/familias-hojas-datos/rehabilitacion-fachadas-acabadosinteriores/productos-fachadas.html) ( - Morteros Tudela Veguin ( - WURTH ( - HOLCIM ( SLAMIENTO.pdf) - TEAIS ( os/perlais+m/1209/12090.html) Anexo I. Materiales comerciales. En las siguientes tablas se encuentran resumidos una buena parte de los PCMs utilizados en productos comerciales dentro de aplicaciones en el sector de la construcción. Estas tablas han sido sacadas de la referencia 7.

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