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UNIVERSIDAD DE JAÉN Escuela Politécnica Superior de Jaén

Trabajo Fin de Grado

VALORIZACIÓN DE RESIDUOS DE

ESPUMAS POLIMÉRICAS EN

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

Alumna: María del Carmen Lillo León Tutoras: María Dolores La Rubia García Dolores Eliche Quesada Dpto.: Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales

Febrero, 2019

Universidad de Jaén

Escuela Politécnica Superior de Jaén

Departamento de Ingenieria Química, Ambiental y de los Materiales

Doña María Dolores La Rubia García y Doña Dolores Eliche Quesada, tutoras del Trabajo Fin de

Grado titulado: VALORIZACIÓN DE RESIDUOS DE ESPUMAS POLIMÉRICAS EN MATERIALES DE

CONSTRUCCIÓN, que presenta María del Carmen Lillo León, autorizan su presentación para

defensa y evaluación en la Escuela Politécnica Superior de Jaén.

Jaén, Febrero de 2019

La alumna: Las tutoras:

MARIA DEL CARMEN MARIA DOLORES MARIA DOLORES LILLO LEÓN LA RUBIA GARCÍA ELICHE QUESADA

María del Carmen Lillo León Valorización de residuos de espumas poliméricas en materiales de construcción

3


Índice

Índice ............................................................................................................... 3

Índice de figuras ............................................................................................... 6

Índice de tablas................................................................................................. 8

RESUMEN ..................................................................................................... 10

ABSTRACT .................................................................................................... 11

1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 12

1.1. Morteros aligerados ............................................................................ 16

1.2. Componentes del mortero ................................................................... 17

1.2.1. Conglomerante ................................................................................ 17

1.2.1.1. Cemento Portland ...................................................................... 18

1.2.1.2. Hidratación del cemento Portland ............................................... 20

1.2.1.3. Designación de los cementos ..................................................... 21

1.2.1.4. Yeso ......................................................................................... 22

1.2.2. Áridos ............................................................................................. 22

1.2.2.1. Designación de los áridos........................................................... 24

1.2.3. Agua ............................................................................................... 24

1.2.4. Aditivos ........................................................................................... 25

1.3. Poliestireno extruido (XPS).................................................................. 26

1.3.1. Descripción .................................................................................. 27

1.3.2. Fabricación .................................................................................. 28

1.3.3. Propiedades ................................................................................. 29

a) Aislante térmico ............................................................................... 29

b) Absorción de agua ........................................................................... 29

c) Resistencia a la compresión ............................................................. 30

d) Fluencia en compresión ................................................................... 30

e) Reacción al fuego ............................................................................ 30

f) Estabilidad dimensional.................................................................... 30

g) Deformación bajo condiciones específicas de carga a compresión y

temperatura ........................................................................................... 30

h) Congelación descongelación ............................................................ 31

i) Tracción perpendicular a las caras.................................................... 31


4


j) Transmisión de vapor de agua.......................................................... 31

k) Efecto de la absorción de agua sobre la conductividad....................... 31

1.3.4. Certificación ................................................................................. 32

1.3.5. Marcado CE ................................................................................. 32

1.3.6. Precauciones ............................................................................... 33

1.3.7. Aplicaciones ................................................................................. 33

1.4. Residuos poliméricos como material aligerante..................................... 35

2. OBJETIVOS ............................................................................................. 41

3. MATERIALES Y ENSAYOS ...................................................................... 42

3.1. Materiales .......................................................................................... 42

3.2. Proceso de caracterización de las materias primas ............................... 42

3.2.1. Proceso de caracterización del cemento Portland ........................... 42

3.2.1.1. Determinación de humedad, PH y superficie específica ............... 43

3.2.1.2. Distribución granulométrica ........................................................ 43

3.2.1.3. Análisis elemental (CHNS-O) ..................................................... 43

3.2.1.4. Estudio microestructural (SEM) .................................................. 44

3.2.1.5. Análisis de difracción de rayos X (DRX) ...................................... 44

3.2.1.6. Espectrometría de fluorescencia de rayos X (FRX) ...................... 45

3.2.2. Proceso de caracterización del poliestireno extruido ....................... 45

3.3. Realización de las probetas de mortero................................................ 46

3.3.1. Elaboración de las mezclas ........................................................... 46

3.4. Ensayos físicos .................................................................................. 50

3.4.1. Densidad aparente de la probeta ................................................... 50

3.4.2. Absorción de agua por capilaridad ................................................. 52

3.5. Ensayos mecánicos ............................................................................ 53

3.5.1. Resistencia a flexión ..................................................................... 53

3.5.2. Resistencia a compresión ............................................................. 55

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN................................................................... 58

4.1. Caracterización de las materias primas ................................................ 58

4.1.1. Caracterización del cemento Portland ............................................ 58

4.1.2. Caracterización de residuo de espuma de Poliestireno extruido

(XPS)…… ................................................................................................ 62

4.2. Composición de las probetas de mortero.............................................. 63

4.3. Caracterización de los morteros........................................................... 65


5


4.3.1. Densidad aparente ....................................................................... 65

4.3.2. Resistencia mecánica a flexión ...................................................... 70

4.3.3. Absorción de agua por capilaridad ................................................. 75

4.3.4. Resistencia mecánica a compresión .............................................. 78

4.4. Posibles usos de los morteros ensayados ............................................ 82

5. ESTUDIO ECONÓMICO ........................................................................... 86

6. CONCLUSIONES ..................................................................................... 91

7. BIBLIOGRAFÍA......................................................................................... 93


6


Índice de figuras

Figura 1: Producción mundial de plástico entre los años 1950 y 2012 ................... 13

Figura 2: Distribución de la demanda de los transformadores de plásticos en Europa

por segmento en 2016........................................................................................ 14

Figura 3: Distribución de la demanda de los transformadores de plásticos en Europa

por tipo de polímero en 2016 .............................................................................. 15

Figura 4: Estructura celular del poliestireno extruido ............................................ 27

Figura 5: Principales características del poliestireno extruido ............................... 27

Figura 6: Proceso de fabricación de XPS ............................................................ 28

Figura 7: Relación conductividad térmica-absorción de agua para algunos plásticos

......................................................................................................................... 32

Figura 8: Materias primas para la elaboración de morteros .................................. 42

Figura 9: Balanza de presión ............................................................................. 46

Figura 10: Amasadora de mortero ...................................................................... 47

Figura 11: Recipiente y pala tipo ........................................................................ 47

Figura 12: Moldes normalizados......................................................................... 48

Figura 13: Mesa de sacudidas para mortero motorizada ...................................... 48

Figura 14: Moldes etiquetados ........................................................................... 49

Figura 15: Desmoldado de probetas ................................................................... 49

Figura 16: Probetas recién sumergidas en acetona ............................................. 50

Figura 17: Peso de una probeta en balanza hidrostática ...................................... 51

Figura 18: Cera de parafina ............................................................................... 52

Figura 19: Semiprismas sumergidos sobre soportes de plástico ........................... 52

Figura 20: Equipo MTS Insight 5 ......................................................................... 53

Figura 21: Software TestWorks ensayo compresión mostrando resultados para serie

M407................................................................................................................. 54

Figura 22: Probeta colocada para ensayo de flexión ............................................ 54

Figura 23: MTS 810 Material Testing Systems .................................................... 56

Figura 24: Software TestWorks ensayo compresión mostrando resultados para serie

M10028 ............................................................................................................. 56

Figura 25: Distribución de tamaño de partícula del cemento Portland empleado como

materia prima..................................................................................................... 59

Figura 26: DRX del cemento Portland................................................................. 61

Figura 27: Imágenes SEM-EDAX del CP (4,5 Kx)................................................ 61

Figura 28: Espuma de poliestireno triturada ........................................................ 62


7


Figura 29: Densidad aparente probetas tras 7 días de curado .............................. 66

Figura 30: Densidad aparente probetas tras 28 días de curado ............................ 67

Figura 31: Comparación densidad aparente probetas tras 7 y 28 días de curado .. 68

Figura 32: Comparación densidad aparente probetas con presencia o falta de aditivo

tras 7 días de curado.......................................................................................... 69

Figura 33: Comparación densidad aparente probetas con presencia o falta de aditivo

tras 28 días de curado ........................................................................................ 70

Figura 34: Resistencia a flexión probetas tras 7 días de curado ............................ 71

Figura 35: Resistencia a flexión probetas tras 28 días de curado .......................... 72

Figura 36: Comparación resistencia a flexión probetas tras 7 y 28 días de curado.. 73

Figura 37: Distribución del residuo en las probetas............................................... 73

Figura 38: Comparación resistencia a flexión probetas con presencia o falta de aditivo

tras 7 días de curado.......................................................................................... 74

Figura 39: Comparación resistencia a flexión probetas con presencia o falta de aditivo

tras 28 días de curado ........................................................................................ 75

Figura 40: Absorción de agua por capilaridad probetas tras 7 días de curado ........ 77

Figura 41: Absorción de agua por capilaridad probetas tras 28 días de curado ...... 77

Figura 42: Resistencia a compresión probetas tras 7 días de curado ..................... 79

Figura 43: Resistencia a compresión probetas tras 28 días de curado ................... 80

Figura 44: Comparación resistencia a compresión probetas tras 7 y 28 días de curado

......................................................................................................................... 80

Figura 45: Comparación resistencia a compresión probetas con presencia o falta de

aditivo tras 7 días de curado ............................................................................... 82

Figura 46: Comparación resistencia a compresión probetas con presencia o falta de

aditivo tras 28 días de curado ............................................................................. 82


8


Índice de tablas

Tabla 1: Tipos de cemento según UNE-EN 197-1:2011 ........................................ 18

Tabla 2: Constituyentes principales del cemento Portland (composición) ............... 19

Tabla 3: Uso de los distintos tipos de áridos ........................................................ 24

Tabla 4: Estudios previos realizados por otros autores sobre el empleo de residuos

plásticos ............................................................................................................ 40

Tabla 5: Velocidades de la pala mezcladora ........................................................ 48

Tabla 6: Propiedades cemento Portland tipo II ..................................................... 58

Tabla 7: Porcentaje de partículas para CP ........................................................... 59

Tabla 8: Análisis elemental (CHNS-O) de los residuos ......................................... 59

Tabla 9: Composición química del cemento Portland ............................................ 60

Tabla 10: Porcentajes de arena y espuma para la elaboración de las mezclas ....... 64

Tabla 11: Densidad aparente para los morteros aligerados con XPS ..................... 65

Tabla 12: Densidad aparente para los morteros aligerados con presencia o falta de

aditivo ............................................................................................................... 69

Tabla 13: Resistencia a flexión para los morteros aligerados con XPS .................. 70

Tabla 14: Resistencia a flexión para los morteros aligerados con presencia o falta de

aditivo ............................................................................................................... 74

Tabla 15: Resistencia a flexión para los morteros aligerados con XPS .................. 76

Tabla 16: Resistencia a compresión para los morteros aligerados con XPS ........... 78

Tabla 17: Resistencia a compresión para los morteros aligerados con presencia o falta

de aditivo........................................................................................................... 81

Tabla 18: Clases de mortero ............................................................................... 83

Tabla 19: Clasificación de las propiedades del mortero endurecido ....................... 84

Tabla 20: Clases de resistencia a compresión para morteros recrecidos y acabados

de suelos........................................................................................................... 84

Tabla 21: Usos de morteros autonivelantes según su clase .................................. 85

Tabla 22: Densidad de las materias primas.......................................................... 86

Tabla 23: Coste de las materias primas ............................................................... 87

Tabla 24: Precio por metro cúbico de mortero 0% XPS......................................... 87

Tabla 25: Precio por metro cúbico de mortero 5% XPS......................................... 87

Tabla 26: Precio por metro cúbico de mortero 10% XPS ....................................... 88





9




Tabla 32: Precio por metro cúbico de mortero 100% XPS ..................................... 89


10


RESUMEN

Hoy en día la espuma de poliestireno extruido (XPS) no presenta una fácil

reutilización. Una manera ecológica de reutilizar dicho residuo es emplearlo en el área

de la construcción para la fabricación de morteros más ligeros y sostenibles.

El objetivo fundamental de este Trabajo Fin de Grado es la valorización de los

residuos de espuma polimérica extruida (XPS) como sustituto de la arena normalizada

en la obtención de morteros de cemento para albañilería, además de comparar los

resultados obtenidos con presencia de aditivo respecto a la ausencia de este. Se ha

empleado un residuo de XPS procedente de bandejas de alimentos de la empresa

Bandesur (Alcalá La Real).

Se ha estudiado la influencia del porcentaje de contenido de residuo y del tiempo

de curado. Para ello se han elaborado morteros de cemento Portland conteniendo un

5, 10, 20, 30, 40, 50, 75 y 100% en volumen del residuo (espuma de poliestireno

triturado) como sustituto del árido (arena). Las probetas de mortero fueron curadas en

cámara húmeda con una humedad relativa del 95% durante 7 y 28 días. Los morteros

de construcción obtenidos han sido ensayados para obtener sus propiedades físicas

como densidad aparente y absorción de agua por capilaridad y sus propiedades

mecánicas como resistencia a flexión y compresión. Los resultados indican que a

medida que se incrementa el contenido de espuma de poliestireno extruido se

obtienen morteros con menor densidad aparente y menores propiedades mecánicas,

resistencia a flexión y a compresión, debido a una mayor porosidad del mortero. La

densidad aparente, la resistencia a flexión y la resistencia a compresión aumentan

con el tiempo de curado.

La incorporación del aditivo, si bien tiene un efecto positivo en la densidad

aparente supone una merma de las propiedades mecánicas, resistencia a flexión y

compresión.


11


ABSTRACT

Nowadays the extruded polystyrene foam (XPS) does not present an easy reuse.

An ecological way to reuse this waste is to use it in the construction area for the

manufacture of lighter and more sustainable mortars.

The fundamental objective of this End of Grade Project is the recovery of

extruded polymeric foam (XPS) waste as a substitute for standardized sand in

obtaining cement mortars for masonry, in addition to comparing the results obtained

with the presence of additive with respect to the absence of this. An XPS residue from

food trays of the company Bandesur (Alcalá La Real) was used.

The influence of the percentage of residue content and curing time has been

studied. To this end, Portland cement mortars containing 5, 10, 20, 30, 40, 50, 75 and

100% by volume of the waste (crushed polystyrene foam) have been prepared as a

substitute for aggregate (sand). The mortar specimens were cured in a humid chamber

with a relative humidity of 95% for 7 and 28 days. The obtained construction mortars

have been tested to obtain their physical properties as apparent density and water

absorption by capillarity and their mechanical properties such as resistance to bending

and compression. The results indicate that as the extruded polystyrene foam content

is increased, mortars with a lower apparent density and lower mechanical properties

are obtained, as well as resistance to bending and compression, due to a greater

porosity of the mortar. The apparent density, the flexural strength and the compressive

strength increase with the curing time.

The incorporation of the additive, although it has a positive effect on the apparent

density, supposes a reduction of the mechanical properties, resistance to bending and

compression.


12


1. INTRODUCCIÓN

Durante las últimas décadas se ha ido apreciando el deterioro al que se está

sometiendo a la naturaleza por la huella ecológica que se genera y, por tanto, una

mayor concienciación sobre el cuidado del medio ambiente se ha ido estableciendo

en nuestro día a día. Esto deriva en la búsqueda de medidas que reduzcan el impacto

de los residuos que se generan por parte de la industria sobre el medio ambiente. En

los países con mayor volumen de industria se han elaborado legislaciones con planes

de prevención ante la destrucción y/o acumulación de tales residuos, es decir, una

eficiente gestión de los mismos (Ley 22/2011, de 28 de julio, de residuos y suelos

contaminados).

Casi en su totalidad, los residuos que generan las superficies industriales se

acumulan en lugares como vertederos donde no tienen ninguna utilidad. De modo que

nace la necesidad de reciclar y reutilizar para disminuir el impacto ambiental y apostar

por la sostenibilidad.

Durante los últimos años ha habido una elevada demanda mundial en cuanto al

desarrollo del reciclaje mecánico y aprovechamiento energético, siendo la legislación

europea líder en cuanto a la protección del entorno (Da Silva et al., 2014).

La directiva 2008/98/CE del Parlamento Europeo y del Consejo Europeo califica

un residuo como aquella “sustancia u objeto del cual su poseedor se desprenda o

tenga la intención o la obligación de desprenderse”.

El concepto europeo de reciclaje abarca los siguientes objetivos:

Reutilización: proceso que da una nueva vida a un material desechado,

permitiendo la renovación u optimización, siempre destinado a la misma

finalidad para lo que estaba hecho.

Reciclado: proceso que persigue el objetivo de utilizar de nuevo un material

reciclado como materia prima para nuevos productos o posterior utilización.

Valorización energética: recuperación de energía a partir de una combustión

del residuo.


13


Durante los últimos años la construcción ha debido adaptarse a nuevas

necesidades, las cuales requieren más sensibilización con el medio ambiente, así

como indagar nuevas utilidades de los materiales reciclados.

Dentro de la categoría de residuos no peligrosos se encuentran los residuos

plásticos. A nivel global la producción de plásticos se ha incrementado

ininterrumpidamente a lo largo de los años, más concretamente desde el año 1950,

aunque la producción española de productos plásticos se ha comportado de modo

cambiante con aumentos significativos en el año 2007 (10,9%) y en el 2010 (19,1%),

y con disminuciones de la producción entre los años 2009 (-3,9%) y 2012 (-0,8%)

hasta noviembre del 2013 como consecuencia de la recesión económica. A finales de

2013 se produjo de nuevo un crecimiento y la producción llegó a las 299 millones de

toneladas. Pero las previsiones son que en 2020 se incrementará un 900% más que

los niveles de 1980, llegando a los más de 500 millones de toneladas al año

[www.greenpeace.org]. Asimismo, durante los últimos años, la producción de plástico

ha crecido entre el 5% y 6% como consecuencia del gran empleo de estos materiales

en el campo de la ingeniería, la construcción y las diversas aplicaciones que de estas

derivan. En la figura 1, se puede apreciar durante los años 1950 y 2012 el incremento

de la producción de plástico.

Figura 1: Producción mundial de plástico entre los años 1950 y 2012

Fuente: Góngora (2014)

13,6

5,95,7

2,9

8

3,7

2,8

0

2

4

6

8

10

12

14

0

50

100

150

200

250

300

1950 1976 1989 2002 2009 2010 2011 2012

Millones de toneladas Tasa de crecimiento


14


Algunos de los plásticos más frecuentes para su reutilización son:

PET – Tereftalato de polietileno (ej.: envases de botellas).

PEAD – Polietilieno de alta densidad (ej.: tubos eléctricos).

PVC – Cloruro de vinilo (ej.: tuberías).

PEBD – Polietileno de baja densidad (ej.: bolsas de basura).

PP – Polipropileno (ej.: módulos de paneles en viviendas).

XPS Y PS – Poliestireno (ej.: envases de comida y bebida).

Las figuras 2 y 3 muestran la producción de plásticos por resina en 2011 y sus

fines respectivamente.

Figura 2: Distribución de la demanda de los transformadores de plásticos en Europa por segmento en 2016

Fuente: Grupo de Estudios de Mercado de PlasticsEurope (PEMRG)

39,9 %

19,7%

10%

6,2%

4,2%

3,3%

16,7% Envases

Construcción yedificación

Automoción

Eléctrico y electrónico

Hogar, ocio y deportes

Agricultura

Otros


15


Figura 3: Distribución de la demanda de los transformadores de plásticos en Europa por tipo de polímero en 2016

Fuente: Grupo de Estudios de Mercado de PlasticsEurope (PEMRG)

Debido al progresivo consumo de plásticos como el polietileno, poliestireno y

plastificantes, esta industria se ha incrementado en un 7,6% (IEES, Instituto de

Estudios Económicos y Sociales, 2014).

La búsqueda del equilibrio entre la protección del medio ambiente y las

necesidades actuales de construcción de la población, considerando siempre la salud

de los habitantes, es la prioridad ahora mismo. Debido al confort y a la eficiencia que

suponen los plásticos, sectores como el de la construcción lo han ido incorporando

hasta que se ha convertido en un material indispensable.

Algunas características de estos son; larga duración y resistencia a la corrosión,

aislamiento térmico y acústico, ligereza, bajo coste, posibilidad de reutilización y el

hecho de ser respetuosos con el medio ambiente con alguna excepción. Todas estas

propiedades los convierten en materiales ideales para aplicaciones en la construcción

como en equipamientos de viviendas y obras públicas, tanto en iluminación como

alcantarillado.

Particularizando en cada tipo de polímero encontramos distintas características

que los distinguen y clasifican para aplicaciones más específicas en el sector. Son

19,3%

19,3%

17,5%

12,3%

10%

7,5%

7,4%

6,7%Otros

PP

LDPE, LLDPE

HDPE, MDPE

PVC

PUR

PET

PS, EPS


16


más las ventajas que los inconvenientes que presentan estos materiales, pero

debemos mencionar:

Al ser productos de usar y tirar incrementan los residuos en los depósitos de

reciclaje y en los vertederos, generando residuos a un nivel insostenible y

consumiendo recursos naturales.

No son biodegradables. En teoría son reciclables, pero no se suele hacer

debido a su baja rentabilidad económica por su escasa densidad y peso.

Causan problemas en los ecosistemas marítimos, ya que al flotar, los animales

los confunden con comida y los ingieren (blog.sinplastico.com).

Poco a poco se han ido incorporando en la construcción residuos de plásticos

para aislar bloques de hormigón, techos y losas, cañerías, escamas para suelos, etc.

Una vía de estudio actual es incorporar residuos plásticos como aligerantes para

morteros. A continuación, se estudiarán los materiales utilizados para realizar

morteros, además de los residuos poliméricos empleados en este TFG como material

aligerante.

1.1. Morteros aligerados

El mortero es un material compuesto de conglomerantes inorgánicos: agua con

conglomerante y arena normalizada. En función del conglomerante utilizado y de las

necesidades de la obra, se pueden obtener morteros de diferentes tipos: de yeso, de

cemento, de cal y arena.

El mortero tiene un papel fundamental en actividades de albañilería, construcción

y otras obras al adherir bloques de piedras, hormigón o ladrillos. También son el

recurso de relleno en estructuras montadas (idaterm.com).

La generalización del empleo de áridos ligeros en el sector de la construcción se

consolida con el hallazgo de la expansión de esquisto. Éste consiste en un agregado

ligero que aporta fuerza y calidad suficiente para aplicaciones estructurales de

hormigón. Hayde (2012) impulsó este proceso a comienzos del siglo XX en Kansas.


17


La demanda de materiales de construcción sostenibles y duraderos es uno de

los motivos por los que se busca la perfecta combinación entre materiales polímeros

y convencionales.

Los morteros aligerados nacen de la búsqueda de materiales sostenibles con el

medio ambiente. Como su propio nombre indica, estos morteros incorporan aditivos

de materiales más ligeros. En función de los requisitos de resistencia y densidad se

harán mezclas parciales o totales que irán sustituyendo al árido de la mezcla. Dentro

de los aditivos encontramos cenizas volantes, perlita, vidrio celular, corcho, arcilla

expandida, escorias volcánicas, etc. o aditivos polímeros como el caucho y la espuma

de poliestireno, en la que se centra este trabajo. De esta manera, se consigue reducir

la polémica gestión de residuos y su eliminación, el consumo de energía y la

contaminación del medio ambiente.

La densidad de los morteros para albañilería ligeros debe ser igual o menor de

1.300 kg/m3 (UNE-EN 998-2:2018).

1.2. Componentes del mortero

1.2.1. Conglomerante

Se puede definir conglomerante como un material que es utilizado para unir

partículas sólidas de forma que consoliden una masa coherente (UNE-EN 998-

2:2018). El conglomerante al humedecerse se transforma en una mezcla más o menos

viscosa, que con el transcurso del tiempo se va endureciendo hasta que se solidifica,

hasta el punto de unir las partículas sólidas adquiriendo firmeza.

El fraguado es la etapa en la que la masa se queda sin elasticidad y, a

continuación, el mortero gana resistencia mecánica que se conoce por

endurecimiento. Cuantos más días, más resistencia mecánica alcanzando a una

asíntota.

Actualmente, para la ejecución de morteros, los conglomerantes más frecuentes

son el yeso, la cal y el cemento los cuales se podrían clasificar como:


18


Conglomerante aéreo: fragua y endurece en el aire. En contacto con el agua

no origina mezclas estables (yeso, cal). Requiere la presencia del compuesto

inorgánico del carbono para formar carbonato cálcico.

Conglomerante hidráulico: fragua y endurece tanto en el aire como en el agua

formando cemento (roca artificial).

1.2.1.1. Cemento Portland

Según la norma UNE-EN 197-1:2011, el cemento se define como

“conglomerante hidráulico, es decir, materiales artificiales de naturaleza inorgánica y

mineral, que finalmente molidos y convenientemente amasados con agua forman

pastas que fraguan y endurecen por medio de reacciones y de procesos de hidratación

y que, una vez endurecido da lugar a productos mecánicamente resistentes y

estables, tanto en aire como en agua”.

Los cementos comunes se pueden dividir principalmente en cinco grupos según

la norma UNE-EN 197-1:2011. La denominación de estos cementos se recoge en la

tabla 1.

Tabla 1: Tipos de cemento según UNE-EN 197-1:2011

Tipos de cemento Denominaciones Designaciones

I Cemento Portland CEM I

II Cemento Portland con adiciones CEM II

III Cemento Portland con escorias de horno alto CEM III

IV Cemento puzolánico CEM IV

V Cemento compuesto CEM V

Fuente: UNE-EN 197-1:2011

En morteros, el conglomerante más usado es el cemento Portland por la amplia

gama de aplicaciones que ofrece: revestimientos para interiores y exteriores tanto en

ambientes húmedos como secos, para estructuras, capas de nivelación en soleras de

edificios, etc.

El cemento Portland se fabrica a partir de una mezcla de clínker y pequeñas

cantidades de yeso, de un 2% al 3%, que actúa como controlador de fraguado

(Gaspar-Tebar, 1978).


19


El clínker es la pieza clave en el proceso de la elaboración del cemento. Mediante

un proceso de sinterización, la arcilla y la caliza molidas, mezcladas homogéneamente

se funden en un gran horno rotatorio a temperaturas que oscilan entre los 1.350 y

1.450ºC en un proceso denominado ‘clinkerización’ (Sánchez de Guzmán, 2001).

Se origina por medio de una transformación mineralógica de una mezcla

específica y según la norma UNE-EN 197-1:2011, precisa de materias primas basadas

en óxidos de calcio, silicio, aluminio y hierro y pequeñas cantidades de otros

elementos. Los compuestos del clínker se muestran en la tabla 2.

Tabla 2: Constituyentes principales del cemento Portland (composición)

Compuesto Fórmula molecular Abreviatura Rango de concentración

%

Silicato tricálcico 3CaO.SiO2 C3S 40-60

Silicato dicálcico 2CaO.SiO2 C2S 20-30

Aluminato tricálcico 3CaO.Al2O3 C3A 7-14

Aluminoferrito tetracálcico

4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 5-12

Oxido de calcio CaO C 0-10

Fuente: UNE-EN 197-1:2011

Además del rango de concentración de estos compuestos, la relación en masa

de CaO y SiO2 no debe de ser menor de 2. Por otro lado, el contenido de óxido de

magnesio (MgO) no debe exceder del 5% en masa (UNE-EN 197-1:2011). Los

minerales que forman el clínker no son una combinación pura, sino fases de cristales

mixtos que contienen los componentes de otras fases (Duda, 2008).

- Silicato tricálcico (C3S)

El silicato tricálcico (alita) es el mineral principal del clínker, este componente es

decisivo debido a que le proporciona altas resistencias al cemento, endurece

rápidamente por su alta velocidad de hidratación (fraguado) y alcanza una gran

resistencia finamente molido y al ser mezclado con agua. Por otra parte, genera altas

cantidades de cal y como principal inconveniente de ello, produce una alteración de

volumen debido a la dilatación térmica provocada por el calor del fraguado.


20


- Silicato dicálcico (C2S)

El silicato dicálcico (belita) es un mineral con menos presencia de cal que la alita,

por lo que presenta una mayor estabilidad. Este componente se endurece más

lentamente que la alita pero a largo plazo proporciona igual resistencia. Este mineral

cristaliza en cuatro formas polimórficas principales (α, α’, β y ϒ) y se estabilizan a altas

temperaturas mediante la incorporación de iones y cationes (Mg2+, Na+, K+, Al3+, P3+,

etc.) durante la clinkerización (Bye, 1999).

- Aluminato tricálcico (C3A)

El aluminato tricálcico se caracteriza por su rápida hidratación, por lo que propicia

una mayor velocidad en el fraguado. Por otro lado, este mineral debe ser controlado

en su proporción, debido a que provoca debilidad frente a los sulfatos. El C3A contiene

el óxido de aluminio que no se combina con él con el aluminoferrito tetracálcico (C4AF)

y funde congruentemente liberando óxido de calcio. Es el compuesto con mayor

contenido de CaO. Este material cristaliza en forma cúbica estando puro pero en

presencia de metales alcalinos (Na+ y K+) cambia a ortorrómbica y monoclínica

acelerando así, su respuesta inicial de reacción con el agua. Además, se ha observado

que el C3A en reacción con los silicatos aumenta la resistencia temprana del cemento

(Locher Friedrich, 2006).

- Aluminoferrito tetracálcico (C4AF)

El aluminoferrito tetracálcico o celita contiene la mayor parte del hierro y del

aluminio contenidos en el clínker y es el mineral que le da el color grisáceo al cemento,

es decir, en ausencia de esta fase el cemento es blanco. Este material fragua

rápidamente pero apenas interviene en las resistencias del cemento.

1.2.1.2. Hidratación del cemento Portland

Se designa hidratación del cemento a la creación de fases sólidas nuevas

conocidas como hidratos en forma de aguja o cristal. Este proceso es consecuencia

de mezclar el cemento Portland con agua. La primera consistencia de la pasta será

semilíquida, estado que permite una gran trabajabilidad, sin embargo con el tiempo se

va endureciendo hasta que no podremos alterar la pasta.


21


Cuando el agua y el cemento están en contacto, se produce una reacción que

desprende calor, a este calor liberado se le denomina ‘calor de hidratación’ (Gómez,

2013).

Entonces se considera que el principal producto derivado de la hidratación del

cemento Portland son los hidratos de silicato cálcico y el hidróxido cálcico. El hidróxido

de calcio es una materia cristalina de composición fija, mientras que los hidratos de

cálcico hidratados o gel CSH son compuestos amorfos de composición variable.

1.2.1.3. Designación de los cementos

En función de la adición que se utilice en el proceso de fabricación de los

morteros distinguimos cinco tipos de cementos comunes de acuerdo con la norma

UNE-EN 197-1:2011.

- Tipo I (CEM I): cemento Portland

- Tipo II (CEM II): cemento Portland compuesto

- Tipo III (CEM III): cemento de horno alto

- Tipo IV (CEM IV): cemento puzolánico

- Tipo V (CEM V): cemento compuesto

Los cementos presentan una resistencia inicial equivalente a la resistencia a

compresión a los dos o siete días. Cada tipo de resistencia normal se asocia a dos

tipos de resistencias iniciales denominadas resistencia inicial ordinaria, que se

identifica con una N, y resistencia inicial elevada designada por la R. Hay una última

denominación de baja resistencia inicial, designada por la letra L, siendo aprovechable

sólo a los CEM III, denominados cementos de alto horno de baja resistencia inicial.

Esta designación está normalizada, de forma que los CEM (cementos comunes)

se identificarán según el tipo y los valores 32,5; 42,5 ó 52,5 que indican la clase de

resistencia. Para poder indicar la clase de resistencia inicial se incorpora la letra N, R

o L según corresponda.

El cemento Portland se designará con las siglas CEM I, seguidas de la clase de

resistencia (32,5 – 42,5 – 52,5) y de la letra R si se trata de alta resistencia inicial o N

si por el contrario es resistencia inicial normal.


22


Los cementos con adiciones se designan por el tipo y la clase, separadas por

una barra, seguidas por una letra indicativa del componente principal usado como

adición del cemento y por último se indica la clase resistente.

1.2.1.4. Yeso

El yeso es un material muy interesante en la construcción. Los morteros de yeso

se emplean para acabados interiores ofreciendo superficies muy lisas y bonitos

acabados. Además, tiene finalidades decorativas por su trabajabilidad y por lo tanto

capacidad de adoptar múltiples formas geométricas.

Se obtiene de la extracción de la roca de yeso por medios mecánicos y se somete

a procesos de trituración, molienda y cocción para almacenarlos y envasarlos en

sacos de papel de 25 kg.

El yeso, en una pequeña proporción, es uno de los componentes del cemento

Portland. Su fin es controlar el fraguado, es decir, controlar el tiempo en el que se cura

para asegurar que no fragüe demasiado pronto.

1.2.2. Áridos

Junto al cemento y agua, los áridos constituyen una parte esencial a la hora de

producir morteros. Aunque su naturaleza se define como inerte, desempeña la función

de estructura de mortero (Asociación Nacional Española Fabricantes de Hormigón

Preparado-ANEFHOP y Agrupación de Fabricantes de Cemento de España-

OFICEMEN, 1978), ya que forma un material compacto al ser cohesionado con el

conglomerante.

Además de ser empleados en la construcción, se destinan como materia prima

para la fabricación de prefabricados (vigas, bloques de hormigón, ladrillos, aceras,

etc.). Los morteros de cemento que emplean áridos presentan mejores propiedades

en cuanto a la resistencia mecánica y térmica. Además disminuyen el efecto de

retracción gracias a sus características mecánicas.

La definición de árido según la norma UNE-EN 998-2:2018 es la de “Material

granular que no contribuye a la reacción de endurecimiento de mortero”, mientras que


23


la norma UNE-EN 13139/AC:2004 lo define como “Material granular utilizado en la

construcción”. Se clasifican en tres tipos:

Árido natural: de origen mineral que solamente ha sido sometido a un proceso

mecánico. Se dividen principalmente en dos grupos: Áridos rodados, son de

naturaleza silícea y proceden de graveras que extraen de depósitos naturales,

como por ejemplo los áridos de río, de canteras o de mar entre otros. Áridos de

machaqueo, que se obtienen por machaqueo de rocas naturales como caliza o

silícea mediante machacadoras rotatorias o de mandíbula, que proporcionan

una mejor resistencia y adherencia aunque presentan superficies rugosas.

Árido artificial: de origen mineral resultante de un proceso industrial, es decir

subproductos o residuos que comprende una modificación térmica o de otro

tipo.

Árido reciclado: de principal desempeño en la construcción y se obtiene a partir

de un tratamiento del material inorgánico, como por ejemplo, los procedentes

de derribos.

Los áridos, en su totalidad, están compuestos por una combinación de arena y

grava, por lo que se puede clasificar en función del tamaño:

Arena (hasta 4 mm): en la clasificación de arenas podemos distinguir tres tipos

posibles: de 2-4 mm, de 0,063-2 mm y menor de 0,063 mm. Esta puede

extraerse de graveras naturales como ríos o lagos, o provenir del triturado

mecánico de rocas extraídas de canteras. Son esenciales en la preparación de

morteros.

Grava (por encima de los 4 mm): en la clasificación de gravas podemos

distinguir tres tipos posibles: de 6-12 mm, de 12-20 mm y de 20-40 mm. Se

extraen de las rocas procedentes de las canteras.

La tabla 3 recoge las aplicaciones más importantes de los distintos tipos de

áridos.


24


Tabla 3: Uso de los distintos tipos de áridos

Árido Rangos Usos

Arena

<0,063 Mezclar con cemento para hacer morteros de enfoscado

0,063 - 2 Mezclar con cemento para hacer morteros de albañilería

2-4 Mezclar con cemento para hacer morteros para solados

Grava >4 Mezclar con arena y cemento para hacer hormigón

Fuente: Mamlouk y Zaniewski (2009)

1.2.2.1. Designación de los áridos

El tamaño de los áridos se denomina con (d/D). El tamaño se determina con

varios tamices de diferentes diámetros de paso, d indica el diámetro menor mientras

D indica el diámetro mayor, en milímetros. Para una relación óptima entre el tamaño

mínimo y máximo de árido no se deberá sobrepasar de 2 milímetros. (Asociación

Nacional Española Fabricantes de Hormigón Preparado-ANEFHOP y Agrupación de

Fabricantes de Cemento de España-OFICEMEN, 1978).

1.2.3. Agua

El agua constituye un elemento fundamental para la fabricación de los morteros.

Se debe utilizar agua destilada, es decir, libre de impurezas para que las posibles

sustancias disueltas o en suspensión no alteren el fraguado del cemento, reduzcan la

resistencia mecánica o produzcan manchas en la superficie de los morteros.

En general, el agua potable se aceptará para la realización de los morteros por

ser inodora, incolora y no contener materia orgánica. Los problemas derivados del

agua se centran más en la cantidad que en la calidad de esta. En caso de duda se

extraerán muestras y se ensayarán en el laboratorio.

El agua se puede clasificar en:

Agua de mezclado: agua necesaria para producir una pasta más húmeda

superficial que contienen los agregados, favoreciendo una buena trabajabilidad

de la mezcla, ya que estará más hidratada. Teniendo en cuenta que parte del

agua se evapora, se necesitará más cantidad de agua para la pasta.


25


Agua de curado: es el proceso por el cual la pasta de mortero se hidrata hasta

que alcanza una temperatura y humedad adecuadas. Se añade un suministro

adicional de agua de curado para compensar la pérdida que se produce durante

el proceso de mezclado por efecto de la evaporación. Hay que tener la

precaución de no añadir un exceso de agua, ya que podría causar la

acumulación de agua libre en las partes internas del mortero y, como

consecuencia, al evaporarse durante el proceso de fraguado daría lugar a una

mayor porosidad y, por lo tanto, el mortero perdería resistencia y sería más

permeable. La cantidad de agua de curado estará condicionada por la

temperatura ambiente a la que se someta el mortero.

Agua de lavado: es el agua que se utiliza cuando se lavan los áridos y debe

estar libre de sustancias perjudiciales que puedan influir negativamente en la

mezcla.

Se debe evitar en cualquier caso el agua de mar, ya que esta contiene sales

solubles y cuando se evapora deja sales recristalizadas como residuo, formando

manchas blancas conocidas como ‘eflorescencias’, aunque serían un problema

estético, ya que no intervienen en las propiedades mecánicas.

1.2.4. Aditivos

El fin de los aditivos es optimizar las propiedades de los morteros y su fabricación

en sí. La norma UNE-EN 998-2:2018 define aditivo como “Material añadido en

pequeñas cantidades para modificar determinadas propiedades”. La suma de aditivos

dota de numerosas propiedades técnicas a los materiales, que sin ellos, no podrían

haber adquirido. Por lo general el aditivo que más se utiliza es de naturaleza

polimérica, aunque también se utilizan de naturaleza inorgánica y orgánica.

Según la norma UNE-EN 934-3:2010+A1:2012 el aditivo no puede superar el 5%

del peso que corresponde al cemento, salvo excepciones. Asimismo, especifica el fin

de los aditivos en albañilería como:

Aditivo inclusor de aire/plastificante: aporta al proceso pequeñas burbujas de

aire distribuidas uniformemente aumentando la trabajabilidad y favoreciendo el

efecto lubricante entre sus partículas. A la vez impide la rotura del mortero

https://www.une.org/encuentra-tu-norma/busca-tu-norma/norma/N0049331







26


cuando se producen variaciones en el volumen por la congelación del agua.

Las ventajas de este aditivo son la mejora del rendimiento, reducción de la

densidad del mortero fresco y reducción del aislamiento térmico. Por el

contrario reduce la resistencia del mortero.

Aditivo retardador del fraguado: como el nombre indica, retrasa la hidratación

del cemento porque aísla las partículas del agua. El principal uso de este aditivo

lo encontramos en el mortero para albañilería.

Aparte de estos, existen más aditivos que no están normalizados o son usados

en morteros con uso diferente al de la albañilería. Algunos ejemplos son los aditivos

generadores de expansión, los que modifican la reología en estado fresco, reductores

de agua, aditivos hidrofugantes, etc. (Rodríguez-Mora, 2004).

El aditivo que se usa en este TFG es aireante/plastificante. Mejora la

trabajabilidad sobre todo cuando se utilizan arenas ásperas o de mala calidad. Permite

reducir el agua de amasado. Aumenta la cohesión, disminuye la exudación y evita la

segregación en el mortero fresco. A parte, debido a la oclusión limitada de aire

aumenta la resistencia del mortero endurecido a las heladas e intemperies.

1.3. Poliestireno extruido (XPS)

El poliestireno extruido (XPS) es un producto de naturaleza polimérica cuya

principal característica es la nula absorción de agua. Esta propiedad tiene una gran

importancia en aplicaciones como aislamientos térmicos exteriores y para evitar

manchas de humedad, reguerones en fachadas de edificios o que el acabado

decorativo se despegue.

Otra propiedad muy importante del XPS es su larga durabilidad, por lo que

actualmente se considera el mejor producto para el aislamiento para el exterior. Tiene

una resistencia mecánica bastante superior que otros aislantes térmicos que se

podrían utilizar para el mismo tipo de aplicación. Esto se traduce en una larga vida

útil del producto, confiriendo a las fachadas, cubiertas y suelos de una gran resistencia

mecánica para soportar golpes y cargas (Asociación Ibérica de Poliestireno Extruido,

AIPEX, www.aipex.es).

http://www.aipex.es/


27


Figura 4: Estructura celular del poliestireno extruido

Fuente: AIPEX, www.aipex.es

1.3.1. Descripción

El poliestireno extruido (XPS) es una espuma aislante, rígida, con carácter

termoplástico y estructura celular cerrada (figura 4). Los elementos constructivos

donde se añade experimentan notables beneficios por su naturaleza y características

técnicas.

La estructura celular cerrada del poliestireno extruido proporciona excelentes

prestaciones contra la absorción de agua y como aislante térmico. La homogeneidad

en sus celdas supone una elevada rigidez de la estructura celular y esto conlleva a

una altísima capacidad de resistencia mecánica.

Son el aislamiento térmico, la elevada resistencia mecánica y la baja absorción

de agua lo que hacen del poliestireno extruido un material idóneo cuando se necesita

un producto con tales prestaciones (figura 5).

Figura 5: Principales características del poliestireno extruido

Fuente: www.bandesur.com


http://www.bandesur.com/


28


1.3.2. Fabricación

Las fases de la producción son:

1) Extrusión

2) Expansión

3) Estabilización

4) Mecanización

Los paneles de XPS se fabrican por un proceso de extrusión, a partir de resina

de poliestireno en forma de granza. La granza se introduce en la extrusora junto a

otros aditivos, fundiéndose y mezclándose hasta formar un fluido viscoso.

Se inyecta entonces un agente espumante, bajo condiciones muy controladas

de presión y temperatura, a continuación la mezcla espumable se conduce hasta el

cabezal, produciéndose la expansión. Durante la calibración se da la forma a la masa

procedente del cabezal permitiendo un acabado liso y plano de la superficie de los

paneles y la uniformidad y homogeneidad de la masa en todo el perímetro de los

paneles.

La banda de XPS resultante circula a través de una línea continua a lo largo de

la cual se cortan los paneles a la dimensión deseada, se dejan reposar los paneles

para estabilizar sus dimensiones, se mecanizan las ranuras y bordes y finalmente se

paletizan los paneles (AIPEX, www.aipex.es). La figura 6 muestra un esquema del

proceso de fabricación del XPS.

Figura 6: Proceso de fabricación de XPS





29


1. Extrusora

2. Alimentación de sólidos (resina de PS, agente ignifugante, colorantes, etc)

3. Dosificación agente espumante

4. Depósito agente espumante (líquido)

5. Mezcladores (gel)

6. Plancha continua de espuma

7. Curado

8. Corte y embalaje

1.3.3. Propiedades

A continuación se describen las principales propiedades de este material.

a) Aislante térmico

La conductividad térmica (λ) de los productos de poliestireno extruido depende

básicamente del gas de espumación utilizado. La conductividad que se obtiene varía

entre 0,029 y 0,036 W/mK (AIPEX, www.aipex.es).

Más importante que la conductividad térmica es el espesor del producto, que

determina la resistencia térmica (RD), es decir, la capacidad para oponerse al paso del

calor:

𝑅𝐷 = 𝑑/𝜆𝑚2 ∙ 𝐾/𝑊

Donde:

d: espesor de XPS

λ: conductividad térmica declarada

b) Absorción de agua

La estructura celular cerrada del XPS permite que sea un producto cuya

absorción de agua por inmersión total de larga duración sea inferior a un 0,7%. En una

cubierta invertida se produce el efecto de la difusión de agua, en este caso, la

absorción de agua por difusión del XPS es inferior al 3% (AIPEX, www.aipex.es).




30


c) Resistencia a la compresión

Esta característica es una de las que se utiliza para determinar el grado de

aptitud de un producto para soportar cargas. “En la medida de la resistencia a

compresión se trata de aplicar una fuerza que provoque una deformación de un 10%

del producto a ensayar. La resistencia a compresión estándar del XPS es de 300 kPa,

aunque pueden conseguirse productos con resistencias de 500 y 700 kPa” (AIPEX,

www.aipex.es).

d) Fluencia en compresión

Esta característica se utiliza para determinar la idoneidad de un producto para

soportar cargas de muy larga duración sin fatiga. Para productos de XPS de 300 kPa

de resistencia a compresión alcanza valores de alrededor de 125 kPa para cargas de

50 años de duración con deformaciones inferiores al 2% (AIPEX, www.aipex.es).

e) Reacción al fuego

La reacción al fuego indica la contribución del producto en caso de incendio a

desprendimiento de energía, formación de humos y formación de gotas. El poliestireno

extruido incorpora ignífugos que le aportan resistencia al fuego, resultando en un

producto de Euroclase E, auto extinguible sin la presencia de gotas ardiendo que evita

la propagación de llamas en el caso de incendio.

f) Estabilidad dimensional

“Al acondicionar los productos de poliestireno extruido durante 48 horas a 70ºC,

incluso a 48 horas a 70ºC y 90ºC de humedad, los cambios relativos en la longitud,

anchura y espesor no deben exceder el 5%” (www.bandesur.com).

g) Deformación bajo condiciones específicas de carga a compresión y

temperatura

Indica la capacidad del XPS de soportar simultáneamente la acción de cargas y

temperaturas. En este caso, la deformación debe ser inferior al 5% tras 168 horas a

70ºC y 40 kPa (AIPEX, www.aipex.es).






31


h) Congelación descongelación

Es un indicador de la durabilidad del XPS en condiciones extremas de

exposición

“Se expresa mediante el nivel 2 que implica una pérdida de resistencia a

compresión <10% y un aumento de absorción de agua <1% después de 300 ciclos de

hielo-deshielo” (AIPEX, www.aipex.es).

i) Tracción perpendicular a las caras

La resistencia del poliestireno extruido cuando se somete a una fuerza de

tracción perpendicular a las caras es superior a 200 kPa (www.bandesur.com).

j) Transmisión de vapor de agua

El factor de resistencia a la difusión del vapor de agua indica la magnitud de

resistencia del producto al vapor de agua con relación a una capa de aire estacionario

del mismo espesor a la misma temperatura y para productos de XPS alcanza valores

superiores a 150 (www.bandesur.com).

k) Efecto de la absorción de agua sobre la conductividad

En relación al efecto de la absorción de agua sobre la conductividad térmica, en

la figura 7 se observan los valores para el XPS y otros plásticos.

Como se puede observar, el XPS presenta una absorción de agua menor que

otros plásticos adoptando un valor inferior al 1%. La conductividad térmica crece

proporcionalmente a la absorción de agua, partiendo del valor de 0,034 W/mK para

una absorción del 0%.





32


Figura 7: Relación conductividad térmica-absorción de agua para algunos plásticos


1.3.4. Certificación

Las normas de referencia para los productos de poliestireno extruido, común en

todo el ámbito europeo son las siguientes (AIPEX, www.aipex.es):

UNE-EN 13164:2013+A1:2015 Productos aislantes térmicos para aplicaciones

en la edificación. Productos manufacturados de poliestireno extruido (XPS).

Especificación.

UNE-EN 13172:2012. Productos aislantes térmicos. Evaluación de la

conformidad.

1.3.5. Marcado CE

El siguiente ejemplo ilustra el código de designación para un producto de espuma

de poliestireno extruido para una cubierta:

XPS − EN 13164 − T2 − DLT(1)5 − DLT(2)5 − CS(10/Y)300 − CC(2/1,5/50)100 − WL(T)

− MU150 − FT2




33


Donde:

XPS abreviatura de espuma de poliestireno extruido (eXtruded PolyStyrene foam)

EN 13164 número de norma europea armonizada

Ti tolerancia en espesor

CS(10\Y)X tensión o resistencia a la compresión

DS (T*) estabilidad dimensional a temperatura específica

DS (TH) estabilidad dimensional a temperatura y humedad específicas

DLT(1)5 estabilidad dimensional bajo condiciones de carga a compresión y temperaturas específicas

CC(i1/i2/y)σc fluencia a la compresión o resistencia a la compresión a largo plazo

WL(T)i absorción de agua a largo plazo por inmersión

WD(V)i absorción de agua a largo plazo por difusión

MUi o Zi transmisión de vapor de agua

FTi resistencia a ciclos de congelación-descongelación

1.3.6. Precauciones

En cuanto a las precauciones que se debe tener en cuenta a la hora de emplear

este material, destacan:

Evitar los disolventes orgánicos: verificar la compatibilidad de pinturas,

adhesivos, etc.

Tomar precauciones con los trabajos de soldadura: aunque no es

propagador de la llama el XPS es combustible.

Evitar la radiación ultravioleta: en largos periodos (años) los rayos UV

degradan el XPS.

Evitar contactos con alta temperatura (>75ºC): el XPS es termoplástico y se

reblandece con la temperatura.

1.3.7. Aplicaciones

Entre las aplicaciones más importantes de este material se encuentran las que

se detallan a continuación:


34


Cubiertas Invertidas Tradicionales Deck

No transitables Ajardinadas

Transitables Sobre soportes Bajo tejas amortejadas Bajo tejas claveteadas

Con baldosas aislantes Tráfico rodado

Suelos

Bajo pavimentos Suelos radiantes Muros enterrados


35


Fachadas Doble hoja Fachada ventilada Sistemas etics/sate

Muros enterrados Corrección puentes térmicos


1.4. Residuos poliméricos como material aligerante

En este apartado se recogen algunos estudios previos realizados por otros

autores en relación a morteros aligerados con residuos plásticos.

Los residuos plásticos son materiales ligeros que se añaden al mortero en mayor

proporción que los aditivos convencionales y como sustituto de los áridos en

determinados porcentajes.

Una forma de reducir la contaminación ambiental que provocan los residuos

plásticos es desarrollar materiales de construcción que incluyan agregados de

materiales reciclados. Mientras que las investigaciones sobre el reciclaje de los

materiales están muy avanzadas, sobre el aspecto de los aligerantes de los morteros

no se ha profundizado tanto por su dificultad en cuanto a la cohesión (Wang et al.,

2009).


36


Entre los diversos estudios publicados, se puede destacar el uso de residuos de

Polietilentereftalato (PET) y de poliestireno como aligerante en la fabricación de

morteros de cemento. El uso de estos plásticos ha aumentado por el consumo de

bebidas a nivel global, sustituyendo así el vidrio en la producción de botellas y por el

uso en la alimentación en general (bandejas). El uso de este residuo en los morteros

es bastante aconsejable para dar salida a los residuos que se generan y solventar el

impacto ambiental que supone.

Un interesante estudio sobre morteros aligerados con residuos de PET es el

elaborado por Magariños et al. (1998) que describe el PET como un material que se

caracteriza por su baja densidad y alta resistencia frente a medios alcalinos, además

de ser suficientemente termoestable respecto a los requerimientos exigidos en la

preparación de morteros.

Los estudios de Magariños et al. (1998) concluyen que a partir de probetas de

cemento, con mayores porcentajes de tereftalato de polietileno como sustituto de la

arena y para edades de siete y veintiocho días de curado:

La resistencia a la flexión se ve disminuida por el aumento del porcentaje de

residuos PET en morteros respecto al de control.

La resistencia a la compresión aumenta con bajos porcentajes de residuos PET

respecto al de control. Sin embargo, cuando el porcentaje de escamas

aumenta, la resistencia a compresión disminuye notablemente.

La absorción aumenta para mayores porcentajes de residuo como

consecuencia de la mala distribución granulométrica del PET. Por otra parte,

posee una fluidez óptima para conseguir una buena trabajabilidad de cara a la

fabricación de morteros.

El estudio de microscopía electrónica de barrido (SEM) determinó que la

microestructura del mortero control tiene una distribución homogénea de sus

componentes con la formación de agujas elongadas y entrecruzadas de

silicatos de calcio hidratados. Por el contrario, la microestructura del mortero

con escamas PET tiene menor adherencia por la superficie lisa y plana de las

escamas y sin absorción (Magariños et al., 1998).


37


El trabajo de Wang et al. (2009) sobre los morteros aligerados con residuos PET

revestidos con polvo de arena de río tiene como finalidad estudiar la calidad del

mortero mediante pruebas de resistencia a la compresión, fluidez y velocidad de

absorción capilar (sortividad).

Los morteros aligerados con residuos poliméricos tienen menor densidad, lo cual

representa una ventaja. Sin embargo, presentan un problema con la absorción de

agua, ya que presentan valores mayores de esta propiedad. No obstante, al mezclar

PET con arena de río, la absorción de agua disminuye, aunque no se consiguen

morteros tan ligeros, por lo que aumenta la densidad en un 47%.

La sortividad es un parámetro indirecto para averiguar la porosidad del mortero

y en este estudio se concluye que al aumentar el porcentaje de residuo PET, aumenta

la porosidad en el interior del mortero respecto al mortero control.

El análisis para determinar la fluidez de la mezcla para cada uno de los

porcentajes indica que, cuanto mayor es el porcentaje de árido sustituido por residuo

plástico, mayor es la fluidez de la pasta, como consecuencia de la forma redondeada

del residuo y de su textura resbaladiza. De hecho, la mezcla que corresponde al 100%

de residuo PET aumenta en un 16% la fluidez sobre su valor normal.

Por el contrario, al llevar a cabo el estudio de resistencia a la compresión se

apreció que la resistencia se reduce hasta en un 42% para una mezcla del 100% de

PET respecto al mortero de control, es decir, el nivel de porcentaje de este residuo es

inversamente proporcional a la resistencia a compresión (Wang et al., 2009).

Considerando los resultados de estudios previos sobre morteros incorporando

materiales de desecho con reemplazos parciales de los áridos naturales, es

indiscutible que las modificaciones que ocasionan a los morteros pueden afectar a la

durabilidad y el rendimiento de estos materiales.

En estudios realizados por otros autores (Da Silva et al., 2014) se alcanzan

conclusiones similares. Por un lado, tanto la densidad aparente como las propiedades

mecánicas y módulo de Young disminuyen con la incorporación de PET debido a las

heterogeneidades creadas por los agregados en la mezcla de cemento.


38


Estos autores observaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM)

una adhesión completa entre la matriz de cemento y los agregados silíceos en los

morteros de control, mientras que en los morteros con agregados plásticos existen

vacíos entre estos agregados y la matriz.

En términos de absorción de agua los resultados de los estudios previos no son

muy consistentes e incluso pueden ser contradictorios. Esto depende del residuo

plástico utilizado como aligerante de morteros, aunque normalmente la absorción de

agua aumenta con mayor porcentaje de plástico. Los autores enlazan estos resultados

con la porosidad de los morteros debido a la mala adherencia entre la matriz y los

agregados plásticos.

En cuanto a la permeabilidad del aire, de nuevo influye la débil unión de la matriz

y el árido plástico que aumenta la porosidad del mortero y, por lo tanto, la

permeabilidad de aire a medida que se incrementa el porcentaje de residuo en el

mortero (Da silva et al., 2014).

El trabajo de Ru-shi et al. (2013) realiza una serie de experimentos para el

estudio de las características de combustión de la espuma de poliestireno extruido

(XPS). La temperatura de ignición de la espuma se estudió por dos medios diferentes.

Los resultados muestran que el punto de ignición de la espuma de poliestireno extruido

es de aproximadamente 355ºC.

Otros estudios incluyen espuma de poliestireno expandido (EPS). Como por

ejemplo la investigación de Ferrándiz-Mas et al. (2014), cuyo objetivo fue desarrollar

morteros de cemento ligeros con buenas propiedades de aislamiento térmico,

mediante la incorporación de poliestireno expandido (EPS) y cenizas de lodo de papel

(PSA), los cuales son materiales de desecho que ocasionan problemas

medioambientales. Los morteros formados tenían baja conductividad térmica y baja

densidad aparente en comparación con las muestras de control. El EPS molido

produjo muestras de conductividad térmica más baja que en polvo. Los morteros que

usan eficientemente los recursos que contienen hasta un 20% de PSA y un 60% de

EPS se consideran adecuados para su uso en aplicaciones de enlucido.

San-Antonio-González et al. (2015) estudian las propiedades físicas y mecánicas

de un nuevo material de construcción ligero fabricado con yeso y poliestireno extruido


39


(XPSw). Para ello, los materiales compuestos preparados con diferentes porcentajes

y tamaños de partículas de estos residuos se probaron por su absorción capilar,

densidad, dureza de la superficie de la orilla C, resistencia mecánica y

comportamiento térmico. Además, la interfaz de los materiales se observó mediante

microscopía electrónica de barrido (SEM). Los resultados muestran que la

incorporación progresiva de un porcentaje creciente de XPSw mejora la absorción

capilar y la resistencia térmica del compuesto de yeso y disminuye su densidad y

resistencia mecánica.

Otro estudio posterior, centrado en el consumo de energía en los edificios y

materiales de construcción de baja conductividad térmica elaborado por Adili et al.

(2016), prepara muestras de mortero de peso ligero con un porcentaje diferente de

perlas de poliestireno y virutas de madera que se caracterizaron térmicamente. Los

resultados obtenidos demuestran que las conductividades térmicas y las densidades

de las muestras elaboradas se han mejorado hasta el 71% y hasta el 36%,

respectivamente. Además, la colocación de un porcentaje de cemento por virutas de

madera y perlas de poliestireno conduce a una reducción de la energía total producida

y la emisión de CO2.

Ese mismo año Chikhi et al. (2016), realizan otro estudio sobre el hormigón de

poliestireno el cual engloba dos aspectos: el primero es medir las propiedades termo

físicas del hormigón de poliestireno y el mortero de cemento. El segundo aspecto es

estudiar el comportamiento hidrotérmico de estos materiales altamente heterogéneos

sometidos a alteraciones externas. Se utilizan aproximaciones numéricas y

experimentales. Los resultados muestran la ventaja de reemplazar el hormigón

ordinario por un hormigón de poliestireno en construcción.

En la tabla 4 se recogen los estudios previos realizados por otros autores.


40


Tabla 4: Estudios previos realizados por otros autores sobre el empleo de residuos plásticos

Residuo Cantidad % Propiedad Referencia

XPS - Temperatura de ignición Ru-shi et al. (2013)

EPS + PSA 0-60 Conductividad térmica y

densidad aparente

Ferrándiz-Mas et al.

(2014)

XPSw 1-4

Propiedades físicas y mecánicas: absorción

capilar, densidad, dureza superficial orilla C,

resistencia mecánica y comportamiento térmico

San-Antonio-González et al. (2015)

Poliestireno 0-4

Densidad, conductividad térmica, sorción isoterma,

comportamiento hidrotérmico

Chikhi et al. (2016)

XPS + madera 5-12

Conductividad térmica, propiedades mecánicas

(eficiencia de aislamiento térmico, módulo de ruptura,

resistencia a la tracción)

Adili et al. (2016)


41


2. OBJETIVOS

El propósito del actual Trabajo Fin de Grado es la fabricación de morteros de

cemento para albañilería, con sustituciones parciales o totales de la arena

normalizada por el residuo poliestireno extruido reciclado (XPS), dando lugar a

morteros aligerados y estudiar las propiedades físicas y mecánicas para intervalos de

tiempo de endurecimiento de 7 y 28 días. De esta manera se conseguirán productos

sostenibles que mejorarán la gestión de estos residuos, pudiendo a la vez introducirlos

en el ámbito estructural con una correcta puesta en obra.

Se va a estudiar el posible uso de espumas poliméricas (espuma de poliestireno

extruido) como aligerante de morteros estudiando la influencia tanto de la cantidad de

residuo adicionado como sustitutivo del árido arena, como del tiempo de curado. Para

ello se establecerán las siguientes metas técnicas:

1. Dosificación de distintas mezclas en función de las propiedades físicas y

mecánicas deseadas mediante la introducción de espumas poliméricas como

sustituto de la arena en un 5, 10, 20, 30, 40, 50, 75 y 100% en volumen.

2. Caracterización de las distintas dosificaciones de morteros que cumplan con la

normativa específica de aplicación, determinando las propiedades físicas como

densidad aparente y absorción de agua por capilaridad; y las propiedades

mecánicas como resistencia a flexión y compresión.

3. Selección de los morteros que por su composición, contenido de residuos de

espumas, propiedades y coste los hagan competitivos frente a los morteros

fabricados con materiales tradicionales.

4. Estudiar la viabilidad económica de este material en el sector de la

construcción.


42


3. MATERIALES Y ENSAYOS

3.1. Materiales

Las materias primas que se han utilizado en el proceso de elaboración de los

morteros aligerados con residuos poliméricos son (figura 8):

Cemento Portland de alta resistencia CEM II/A-V 42,5 R, suministrado por la

empresa HOLCIM S.A.

Arena estándar CEN según DIN EN 196-1:2005 (UNE-EN 196-1:2018) para

ensayos de morteros suministrada por el Instituto Eduardo Torroja.

Agua potable libre de sustancias perjudiciales que no alteren las propiedades

de la mezcla proveniente del laboratorio de la Universidad de Jaén.

Residuos de espuma poliméricos triturados, espuma de poliestireno extruido

reciclado (XPS), procedente de la empresa Bandesur situada en el polígono

industrial Santa Ana, Alcalá la Real, Jaén.

Aditivo aireante plastificante concentrado para mortero, suministrado por la

empresa SIKA, S.A.U. situada en Huércal de Almería.

Figura 8: Materias primas para la elaboración de morteros

3.2. Proceso de caracterización de las materias primas

3.2.1. Proceso de caracterización del cemento Portland

El tipo de cemento que se debe de utilizar para la realización de morteros de

albañilería no viene especificado ni en la Norma UNE-EN 998-1:2018, ni en el Código


43


Técnico de la Edificación (CTE). Sí se recomienda que las características de las

materias primas utilizadas ofrezcan un mortero que cumpla con los requisitos

contemplados en la norma.

Para el actual Trabajo Fin de Grado se ha utilizado un cemento bastante común

en la práctica y con una influencia importante para las prestaciones finales que se

necesitan. Se trata del cemento Portland CEM II/A-V 42,5 R, cuya clase resistente

normal llega a los 42,5 MPa después de 28 días de curado.

La utilización del cemento en el TFG necesita un análisis previo mediante

técnicas que se desarrollan en el próximo punto.

3.2.1.1. Determinación de humedad, PH y superficie específica

Para determinar la humedad del cemento Portland se deja secar a la temperatura

de 105ºC hasta que se obtiene una masa constante. El contenido de humedad se

determina como el cociente entre la masa de la probeta húmeda menos la masa de la

muestra en seco con respecto a la masa de la probeta húmeda.

El PH se calcula con un PH metro de sólidos PCE Instrument (PCE-PH20S).

Por último la superficie específica del cemento Portland se mide mediante el

método de Blaine (Cebrián y Pisonero, 1971).

3.2.1.2. Distribución granulométrica

Para obtener la distribución granulométrica del cemento Portland se utiliza el

equipo Malvem-Mastersizer 2000. Este equipo requiere que el material sólido se

presente de forma dispersa en un medio líquido, comprendido en un rango entre 0,02-

1500 micras y con la ayuda de la tecnología de difracción de luz láser.

3.2.1.3. Análisis elemental (CHNS-O)

El análisis elemental se realiza para determinar cuantitativamente el carbono,

hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno que contiene el cemento Portland.

La técnica de análisis se hizo con un analizador CHNS-O convirtiendo los

elementos en gases simples mediante una combustión en condiciones óptimas de


44


temperatura con atmósfera de oxígeno puro, consiguiendo así una determinación

cuantitativa.

3.2.1.4. Estudio microestructural (SEM)

Mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) se puede evaluar la

microestructura del cemento. Esta técnica permite averiguar la morfología de

materiales sólidos, gracias a imágenes de alta resolución con apariencia

tridimensional, usando interacciones electrón-materia.

El equipo para el estudio es un microscopio electrónico de trasmisión de alta

resolución (JEOL SM 840 y la Espectroscopia de Rayos X de Energía Dispersiva-

EDS) con el que se determina la relación de los constituyentes, siendo la tensión de

aceleración de 20 kV.

3.2.1.5. Análisis de difracción de rayos X (DRX)

En este análisis se determina cuantitativamente y cualitativamente la

composición mineralógica de los materiales, pudiendo diferenciar las diferentes fases

cristalinas o semicristalinas que contiene el cemento Portland. El procedimiento da

lugar a un haz de rayos X difractado en las tres direcciones del espacio, basándose

en la interacción de los rayos X con la materia.

William Henry Bragg y su hijo William Lawrence Bragg en 1913 explican la forma

de comprender y predecir la difracción de un cristal (Jenkis y Snyder, 1996):

𝑑 =𝑛 ∗ 𝜆

2 ∗ sin𝜃

Donde:

d: distancia entre planos

n: número entero

λ: longitud de onda de rayos X empleados

θ: ángulo entre el plano y el rayo

Las distancias se medirán en unidades de Angström (1 Å = 10-8 cm).


45


Además de este, disponemos de otro método que fue desarrollado por P. P.

Ewald, donde se explica de forma más eficiente los efectos de la difracción de rayos

X por medio de la red recíproca (Jenkis y Snyder, 1996). Dicha red se compone de

puntos definidos a partir de las longitudes proporcionales a λ/dhk l, originarias de las

líneas proyectadas desde un punto situado en el interior del cristal perpendicularmente

a los planos h, k, l (Taylor et al., 1978).

Las características de la red recíproca son (Taylor et al., 1978):

Los índices de capa punto de la red recíproca coinciden con los del plano que

la derivan.

Los ejes de la celda unitaria recíproca a*, b* y c*, son perpendiculares a (100),

(010) y (001), y a*= λ/d100, etc.

El análisis de difracción de rayos X se llevó a cabo mediante un difractómetro de

rayos X (X’Pert Pro MPD, PANanalytical) equipado con monocromador primario de Ge

(111), usando radiación con un haz monocromático Kα (λ= 1,5406 Å) y un detector de

rayos X. La posterior identificación de las fases cristalinas se ha llevado a cabo

mediante el software High Score Plus de PANalytical utilizando la base de datos

COD_201.

3.2.1.6. Espectrometría de fluorescencia de rayos X (FRX)

Esta técnica consiste en un análisis cuantitativo de constituyentes elementales

que forman una muestra a partir de un estudio de la excitación de los átomos

provocados por las emisiones de fluorescencia mediante una fuente de rayos X. El

equipo usado en el ensayo es el espectrómetro de FRX Philips Magix Pro (PW-2440).

En el interior del espectro cada elemento tiene una radiación incidente particular que

elimina electrones de las capas internas del átomo y reemplaza los electrones que

anteriormente ocupaban capas exteriores.

3.2.2. Proceso de caracterización del poliestireno extruido

En el actual TFG la espuma de poliestireno extruido usada como sustitución por

la arena para morteros procede de envases destinados para la industria alimentaria y

se caracteriza por ser un material polimérico termoplástico con una estructura celular

cerrada y rígida, rellena de poros con aire, ofreciendo al material una densidad


46


aparente muy leve. El residuo de partida que se utiliza en el laboratorio no tiene una

composición fija, ya que contiene parte pura y parte reciclada con aditivos.

La densidad del XPS se calcula dividiendo el peso medio de las probetas entre

un volumen conocido.

3.3. Realización de las probetas de mortero

Todas las probetas se realizan en el laboratorio A3-907 de la Escuela Politécnica

Superior de la Universidad de Jaén.

Para la preparación, amasado y curado de tales probetas de mortero se tomará

como referencia la norma UNE-EN 196-1:2018. La cantidad de una parte de arena

estará compuesta por la corresponiente suma de espuma de poliestireno extruido y

arena.

3.3.1. Elaboración de las mezclas

Para la elaboración de las probetas se seguirá el siguiente procedimiento:

1. Cada material utilizado (cemento, agua, arena y espuma) se pesará en una

balanza de presión (figura 9) lo que nos permitirá obtener los porcentajes de

sustitución de arena por XPS del 5% al 100% en volumen.

Figura 9: Balanza de presión


47


2. El mortero se amasa en una amasadora de morteros (figura 10) que deberá de

cumplir la norma UNE EN 196-1:2018 en el siguiente procedimiento:

- El primer paso consistirá en mezclar en el recipiente de acero inoxidable

el agua junto al aditivo con el cemento.

- Se enciende la amasadora activando una pala (figura 11) a velocidad

lenta durante 30 segundos. Los detalles del movimiento se recogen en

la tabla 5.

- Inmediatamente, durante 30 segundos adicionales, se introducen la

arena y espuma correspondientes para el porcentaje de sustitución por

la tolva colocada en la parte superior de la amasadora.

- Se continúa amasando durante 30 segundos más a velocidad rápida

(tabla 5).

- Se detiene la amasadora durante 90 segundos. En los primeros treinta

segundos se retira con una espátula metálica el material adherido al

recipiente y se coloca en el centro de la amasadora.

- Se continúa el amasado durante 60 segundos más a velocidad rápida.

Figura 10: Amasadora de mortero Figura 11: Recipiente y pala tipo


48


Tabla 5: Velocidades de la pala mezcladora

Rotación (min-1) Movimiento planetario (min-1)

Velocidad lenta 140 ± 5 62 ± 5

Velocidad rápida 285 ± 10 125 ± 10

3. El enmoldado de las probetas debe ser inmediatamente después de la

preparación del mortero. Para ello se rellenan los moldes (figura 12) hasta la

mitad y se sacude con 60 golpes, utilizando para ello una mesa de sacudidas

para morteros motorizada (figura 13). Se añade la segunda capa de mortero

con un excedente y daremos 60 golpes más. Por último con una espátula que

tenga un borde liso y afilado se retira el exceso de mortero obteniendo la

superficie más lisa y uniforme posible.

4. Se dejan reposando en el laboratorio durante 24 horas a la temperatura de

21ºC y 60% de humedad debidamente etiquetadas (figura 14) para después

desmoldar.

Figura 12: Moldes normalizados Figura 13: Mesa de sacudidas para mortero

motorizada


49


Figura 14: Moldes etiquetados

Para el desmoldado se afloja el tornillo que mantiene el molde totalmente fijado

y con un martillo se dan suaves golpes a las caras para no dañar las probetas (figura

15). Una vez que se han desmoldado los morteros se identifican en función del

porcentaje de sustitución de arena por XPS y los días de curado.

Figura 15: Desmoldado de probetas

5. El curado de las probetas se realiza en cámara climática donde las probetas se

encuentran a una temperatura de 20±1ºC y una humedad relativa mayor o igual

al 90%. Este curado durará 7 y 28 días para cada serie.

6. Pasado el debido tiempo de curado se sacan de la cámara climática y se

sumergen 24 horas en acetona dentro de un recipiente tapado para evitar que

el líquido pueda evaporarse (figura 16). Al sacarlas se dejan que se sequen al

aire en el laboratorio.


50


Figura 16: Probetas recién sumergidas en acetona

3.4. Ensayos físicos

3.4.1. Densidad aparente de la probeta

Las probetas, tras haberse secado en la estufa a una temperatura alrededor de

60ºC, se pesan determinando su peso en estado seco (msec). El siguiente paso será

sumergir en agua las probetas durante 24 horas. Transcurrido este tiempo se retiran

las probetas del agua y con un paño se retira el exceso de agua. Se vuelven a pesar

para conocer el peso saturado (msat). Finalmente se sitúan las muestras en una cesta

sumergida por completo en agua sujeta a una de las balanzas del laboratorio (figura

17) anotando así su peso hidrostático (mh).


51


Figura 17: Peso de una probeta en balanza hidrostática

La densidad aparente (kg/m3) en seco de una probeta dada de mortero

endurecido se determina dividiendo su masa en estado seco en estufa por el volumen

que ocupa cuando se sumerge en agua en estado saturado (UNE-EN 1015-10:2000).

El volumen de la probeta, en m3, se calcula por medio de la siguiente expresión:

𝑉𝑠 =𝑚𝑠,𝑠𝑎𝑡 − 𝑚𝑠,𝑖

𝜌𝑤

Donde:

Vs: volumen de la probeta endurecida en metros cúbicos

ms,sat: masa saturada

ms,i: masa hidrostática

ρw: densidad del agua en kilogramos por metro cúbico


52


3.4.2. Absorción de agua por capilaridad

El coeficiente de absorción de agua por capilaridad se mide por la cantidad de

agua absorbida, en función de la superficie en contacto con el agua y del tiempo de

exposición.

La absorción de agua por capilaridad se realizará tras el ensayo de flexión, por

lo que las probetas ya estarán divididas en dos. Para cada mitad se impregnarán con

un material de sellado, como por ejemplo cera de parafina (figura 18), las caras

colindantes a la superficie por la cual la probeta se partió. La principal característica

de la cera de parafina es tener un punto de fusión elevado a 60ºC. Por ello, se meterán

en la estufa a una temperatura de 60±5ºC durante 24 horas para su secado

garantizando una capa uniforme.

Las probetas se colocan en una bandeja con las caras rotas (superficie de rotura)

de los prismas vueltas hacia abajo sobre unos soportes de plástico, de manera que

no toquen el fondo de la bandeja y se sumergen en agua hasta una altura de 5 a 10

mm (figura 19). Se debe asegurar la completa inmersión de las probetas con

superficies rugosas y evitar la formación de burbujas de aire (UNE-EN 1015-18:2003).

Figura 18: Cera de parafina

Figura 19: Semiprismas sumergidos sobre soportes de plástico


53


Se retiran las probetas del recipiente después de 10 minutos, se elimina

rápidamente el exceso de agua con un paño y se pesan las probetas (M1). Se repite

el mismo procedimiento después de 90 minutos y se vuelven a pesar (M2).

El coeficiente de absorción de agua por capilaridad se calcula:

𝐶 = 0,1 (𝑀2 − 𝑀1) 𝑘𝑔/ (𝑚2 ∗ 𝑚𝑖𝑛0.5)

El resultado final es la media aritmética de los seis semiprismas que compone

cada mezcla.

3.5. Ensayos mecánicos

3.5.1. Resistencia a flexión

La resistencia a flexión se determina mediante el equipo MTS Insight 5 (figura

20) conectada a un ordenador que a través del software específico TestWorks (figura

21) muestra los resultados del ensayo.

Figura 20: Equipo MTS Insight 5


54


Figura 21: Software TestWorks ensayo compresión mostrando resultados para serie M407

El prisma se coloca sobre dos puntos separados 10 cm entre sí que actúan como

apoyos, con su eje longitudinal normal a los soportes y una cara lateral colocada sobre

estos (figura 22). A continuación se ejerce la carga a velocidad constante a través de

un tercer apoyo situado centralmente entre los puntos de apoyo y sobre la cara lateral

opuesta del prisma

Figura 22: Probeta colocada para ensayo de flexión


55


La resistencia a flexión de cada probeta (Rf) se calcula mediante la ecuación:

𝑅𝑓 = 1,5 ∗ 𝐹 ∗ 𝑙

𝑏3

Donde:

Rf: resistencia a flexión (MPa)

F: carga aplicada en la mitad del prisma en la rotura (N)

l: distancia entre los soportes (mm)

b: lado de la sección cuadrada del prisma (mm)

El resultado es la media aritmética de cada valor individual.

3.5.2. Resistencia a compresión

La resistencia a compresión se calcula tras el ensayo de absorción de agua por

capilaridad, una vez que las probetas ya están totalmente secas. Esta vez utilizaremos

el equipo MTS 810 Material Testing Systems (figura 23) obteniendo la resistencia a

compresión tras rotura a través de un ordenador conectado al equipo mediante un

software específico (figura 24).

Para cada ensayo colocamos cada semiprisma de la probeta en un dispositivo

dispuesto de manera que la máquina ejerce la presión sobre una sección del

semiprisma con dimensiones de 40x40mm.


56


Figura 23: MTS 810 Material Testing Systems

Figura 24: Software TestWorks ensayo compresión mostrando resultados para serie M10028

La carga se aplica uniformemente a una velocidad de 2.400±200 N/s hasta la

rotura del semiprisma y la resistencia a compresión Rc se calcula:

𝑅𝑐 =𝐹𝑐

1600


57


Donde:

Rc: resistencia a compresión (MPa)

Fc: carga máxima de rotura (N)

1600 = 40mm x 40 mm, es la superficie de los platos o placas auxiliares

El resultado final es la media aritmética de las seis probetas que componen

cada muestra obtenidas a partir del ensayo de flexión.


58


4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1. Caracterización de las materias primas

4.1.1. Caracterización del cemento Portland

- Humedad, pH, superficie específica y densidad relative

La tabla 6 recoge los valores obtenidos para las diferentes propiedades del

cemento Portland tipo II (CP):

Tabla 6: Propiedades cemento Portland tipo II

Muestra Humedad

(%) pH

Materia orgánica

(%)

Carbonatos (%)

Área superficial

(cm2/g)

Densidad aparente (g/cm3)

CP 0,25 11,8 - 16,98±0,96 3.670 2,84

La presencia de carbonatos en el cemento Portland es debido a la adición de

caliza (CEM tipo II).

Los valores de superficie específica del cemento Portland se han obtenido por el

método de Blaine (Cebrian y Pisonero, 1971), mientras que la densidad relativa se

obtiene mediante el frasco volumétrico de LeChatelier.

- Distribución granulométrica

La figura 25 muestra la distribución de partícula del cemento Portland que

presenta un tamaño medio de partícula D50 de 10,64 μm. El CP está formado por un

86,30% de partículas del tamaño de la arena, un 1,75% de partículas de tamaño de

limo y un 11,95% de partículas finas (<2mm). El 90% de sus partículas tienen un

tamaño inferior a 35,56 micras lo que indica finura importante del cemento Portland.

El tamaño de partícula fino influye en la actividad puzolánica debido al aumento de la

superficie específica de las partículas y de la velocidad de hidratación acelerando, por

tanto, el desarrollo de la resistencia (Agarwal, 2006).


59


Figura 25: Distribución de tamaño de partícula del cemento Portland empleado como materia prima

Tabla 7: Porcentaje de partículas para CP

Particle size distribution (mm) CP (%)

Contenido en arcilla < 0,002 11,95

Contenido en limo (0,002-0,063) 86,3

Contenido en arena (0,063-2) 1,75

- Análisis elemental (CHNS-O)

El análisis CHNS-O (tabla 8) muestra que el cemento Portland no contiene

prácticamente nitrógeno, teniendo una presencia importante de azufre (0,42%). Su

contenido en carbono (0,66 %) proviene de la descomposición de la calcita.

Tabla 8: Análisis elemental (CHNS-O) de los residuos

Muestra %C %H %N %S

CP 0,657 ± 0,013 0,160 ± 0,011 0,003 ± 0,038 0,420 ± 0,012


60


- Fluorescencia de rayos X (FRX)

La composición química del cemento Portland se ha determinado mediante FRX (tabla

9). El cemento Portland es rico en CaO (58,32%), presentando una cantidad

considerable de SiO2 (21,33%). Contiene también menores cantidades de Al2O3 (5,9

%) y Fe2O3 (3,9 %), destacando también la presencia de sulfatos SO3 (4,0%).

Tabla 9: Composición química del cemento Portland

Contenido en óxidos CP (%)

SiO2 21,33

Al2O3 5,89

Fe2O3 3,87

CaO 58,32

MgO 1,39

K2O 0,88

Na2o 0,91

MnO 0,06

TiO2 0,43

P2O5 0,08

SO3 4,03

ZnO -

Cl 0,08

Sr 0,07

Cr 0,02

Ni 0,01

Cu 0,03

Zn 0,03

Ba 0,07

Zr (ppm) 0,08

LOl 2,61

- Caracterización mineralógica (DRX)

En el patrón de difracción del cemento Portland (figura 26) se observan los picos

de difracción de silicato tricálcico o alita (C3S) y silicato dicálcico o belita (C2S).

Presentando en menor proporción aluminato tricálcico, 3 CaO·Al2O3 (C3A) y

aluminoferrita tetracálcica, 4 CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF).


61


Figura 26: DRX del cemento Portland

- Caracterización microestructural (SEM)

El estudio microestructural del cemento Portland se realizó mediante

microscopía electrónica de barrido y espectrometría de dispersión de energía de rayos

X (EDS) (figura 27). Aunque el cemento Portland presenta partículas esféricas

perfectas, la mayor parte son partículas angulares con formas irregulares. El análisis

EDS muestra que las partículas esféricas están compuestas principalmente por Si y

Al, conteniendo cantidades menores de K, mientras que las partículas angulares son

ricas en Ca conteniendo también Si, Al, Mg, Fe y S.

Figura 27: Imágenes SEM-EDAX del CP (4,5 Kx)


62


4.1.2. Caracterización de residuo de espuma de Poliestireno extruido (XPS)

La espuma de poliestireno utilizada como sustito de la arena en la realización de

morteros de cemento procede del reciclaje de bandejas para productos alimenticios.

Este material es de naturaleza orgánica y por tanto no se puede aceptar como

árido granular tradicional, pero según la nota 1 de la Norma UNE-EN 13139/AC:2004

Áridos para morteros “para materiales no habituales de origen secundario, cuando se

pongan en el mercado como áridos, deben cumplir totalmente con esta norma y con

la reglamentación nacional sobre sustancias peligrosas, dependiendo del uso

previsto” (UNE-EN 13139/AC:2004).

Una de las propiedades que caracterizan al árido determinante en el

comportamiento y prestaciones finales del mortero es su granulometría, por este

motivo se han analizado las características geométricas de la espuma de poliestireno.

Las características geométricas del poliestireno utilizado están condicionadas

por el sistema de trituración empleado (figura 28), ya que cuando se han recepcionado

en el laboratorio se han mezclado con los demás componentes para la realización de

la mezcla de morteros y solo se le ha aplicado un comportamiento mecánico al

ensayar el mortero de cemento.

Figura 28: Espuma de poliestireno triturada


63


El proceso de triturado es sencillo, ya que se realiza mediante un molino

convencional de cuchillas. Los esqueletos de las bandejas de poliestireno entran al

molino y tras el proceso de triturado se aspiran a tolvas para la distribución

granulométrica y posterior almacenado.

Las partículas trituradas presentan formas irregulares y con alta superficie

específica, por lo que se encuentran alejadas del árido granular estándar como es la

arena, a pesar de ello no sobrepasa el tamaño máximo del árido (2 mm) y, por tanto,

se utiliza como sustituto del árido convencional.

4.2. Composición de las probetas de mortero

Según la norma de métodos de ensayo de cementos UNE-EN 196-1:2018, la

composición del mortero debe estar formada por una parte de cemento, tres partes de

arena normalizada CEN y media parte de agua. La relación agua/cemento es de 0,5.

Por tanto, cada mezcla con la que se rellenan tres moldes para obtener tres

probetas debe estar compuesta de (450±2) g de cemento, (1.350±2) g de arena y

(225±1) g de agua.

Las proporciones utilizadas en la composición de las probetas de mortero

construidas para la experimentación de este Trabajo de Fin de Grado, que contienen

residuos de espuma de poliestireno extruido como forma de sustituir a la arena son:

Mortero de referencia, sin sustituto del árido: M0

Sustitución de un 5% en volumen de árido por XPS: ME5







Sustitución de un 100% en volumen de árido por XPS, es decir sustitución

total del árido: ME100


64


La mezcla se compone por una parte de cemento Portland y tres partes de arena

más espuma, empleándose una relación (agua/cemento) igual a 0,5 en todas las

dosificaciones.

A continuación se resume el peso (g) que se requiere de arena para la

elaboración de una probeta de mortero de 40x40x160mm en sus distintos porcentajes,

para posteriormente calcular los porcentajes en volumen (ml) mediante su densidad,

ya que se conoce que 1.350 g de arena normalizada equivalen a 750 ml. A partir de

ahí, se calculan los porcentajes de espuma conociendo su densidad. Estos datos

anteriormente citados se recogen en la tabla 10.

Tabla 10: Porcentajes de arena y espuma para la elaboración de las mezclas

Arena Espuma

Muestra P (g) V (ml) P (g) V (ml)

M0 1350 750 0,00 0

ME5 1.282,5 712,50 1,47 37,50

ME10 1215 675 2,93 75

ME20 1080 600 5,87 150

ME30 945 525 8,80 225

ME40 810 450 11,73 300

ME50 675 375 14,70 375

ME75 405 187,50 26,40 562,50

ME100 0 0 35,16 750

Por lo que se han elaborado 9 tipos de morteros y se han curado durante 7 o 28

días. Cada molde de acero contiene tres probetas de 40x40x160 mm dispuestas

horizontalmente, de manera que se pueden preparar tres probetas simultáneamente,

obteniendo un total de 243 probetas para ensayar. La denominación utilizada será la

siguiente:

- La letra “M” indicativa de la palabra Mortero.

- La letra “E” indicativa de la palabra Espuma de poliestireno extruido, material

residual utilizado como sustituto de la arena.

- Los números 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 75 y 100 señalan el porcentaje de espuma

de la que se compone cada muestra.

- Los números 7 y 28 indican los días de curado a los que han sido sometidos

las probetas.


65


Así, por ejemplo la denominación ‘ME507’ designa la Muestra de Espuma con

un 50% en volumen de sustitución de arena por residuo y 7 días de curado.

Para cada mezcla se ha mantenido la relación cemento/agua según la Norma

UNE EN 196-1:2018, ya que se conseguía una buena trabajabilidad de la mezcla. Las

probetas se han elaborado bajo condiciones de laboratorio a una temperatura de

20±2ºC, y el proceso de curado se ha realizado en cámara húmeda con una humedad

relativa superior al 95%.

4.3. Caracterización de los morteros

4.3.1. Densidad aparente

En la tabla 11 se recogen los valores medios de densidad aparente en kg/m3 de

las tres probetas que componen cada muestra de mortero aligerado con XPS para un

tiempo de curado de 7 y 28 días respectivamente. En las figuras 29 y 30 se

representan mediante gráficas. La densidad aparente dependerá fundamentalmente

de los componentes del mortero como arena y la espuma de poliestireno extruido,

además también se ve afectada por la reacción química que provoca la relación agua-

cemento, aunque en este estudio esta relación permanece constante.

Tabla 11: Densidad aparente para los morteros aligerados con XPS

7 días 28 días

Muestra Densidad aparente

(kg/m3) Desviación

típica Densidad aparente

(kg/m3) Desviación

típica

M0 1.849,75 6,39 1.945,28 10,19

ME5 1.955,23 129,56 1.878,58 4,56

ME10 1.719,29 3,58 1.868,05 5,70

ME20 1.703,66 9,59 1.812,08 16,21

ME30 1.630,58 11,71 1.752,20 4,12

ME40 1.696,01 9,71 1.668,01 10,07

ME50 1.674,31 10,64 1.686,29 3,69

ME75 1.315,75 11,62 1.376,42 21,53

ME100 955,85 2,86 938,08 17,39

Las gráficas en función de los días de curado, 7 y 28 respectivamente, muestran

que la densidad aparente disminuye a medida que se incrementan las cantidades del

residuo para ambos tiempos de curado. Por tanto, a mayor porcentaje de XPS la


66


densidad aparente del mortero disminuye. Esto es lógico debido a que la densidad

relativa de la espuma de poliestireno extruido es mucho menor (39,1 kg/m3) a la del

árido arena (1.800 kg/m3).

El mortero de la probeta control (0% XPS) para 7 días de curado presenta un

valor de densidad aparente de 1.849,75 kg/m3. Sin embargo, el mortero con 100% de

sustitución de arena por XPS, presenta una densidad aparente de 955,85 kg/m3. La

disminución que se produce con la sustitución total de arena por el residuo XPS es

del 48,32%. Para los morteros tras 28 días de curado, el valor obtenido para la probeta

de control es de 1.945,28 kg/m3, y el obtenido para la probeta con 100% de sustitución

de arena por XPS, 938,08 kg/m3. La disminución que se produce en la densidad es

aún superior que para las probetas tras 7 días de curado, consiguiéndose una

reducción del 51,78%.

Figura 29: Densidad aparente probetas tras 7 días de curado

0

500

1000

1500

2000

2500

M07 ME57 ME107 ME207 ME307 ME407 ME507 ME757 ME1007

Den

sid

ad a

par

ente

(kg/

m3

)

% en vol. de XPS


67


Figura 30: Densidad aparente probetas tras 28 días de curado

En cuanto a la influencia del tiempo de curado (figura 31), se puede apreciar

como las muestras de mortero tras 28 días de curado alcanzan valores ligeramente

superiores a los morteros tras 7 días de curado, excepto para las sustituciones del 5%

y 40%. La diferencia más representativa se obtiene para la probeta del 10% de

sustitución de arena por XPS con un 8,67% de aumento pasando de 1.719 a 1.868

kg/m3 cuando se incrementa el tiempo de curado de 7 a 28 días. Esto puede ser debido

a que a tiempos de curado de 7 días no se han completado las reacciones de

hidratación de los componentes del cemento formando mayor volumen de silicatos de

calcio hidratado, fases CHS a medida que se incrementa el tiempo de curado. Los

silicatos cálcicos hidratados son los responsables del endurecimiento del material, lo

que trae consigo que la red de poros sea más compacta y por tanto disminuye el

volumen de poros, aumentando así la densidad aparente de las muestras tras 28 días

de curado.

0

500

1000

1500

2000

2500


Den

sid

ad a

par

ente

(kg/

m3

)

% en vol. de XPS


68


Figura 31: Comparación densidad aparente probetas tras 7 y 28 días de curado

El valor de la densidad aparente fijado por la UNE-EN 998-2:2018 para calificar

un mortero como mortero aligerado es menor de 1.300 kg/m3, por lo que de acuerdo

con los resultados obtenidos solamente los morteros con una sustitución de la arena

por espuma igual al 100% se pueden considerar como ‘Mortero para albañilería ligero

(L)’.

Comparando los valores obtenidos para el mortero de control con inclusión del

aditivo aireante/plastificante (Sikamor) utilizado en este TFG respecto al mortero sin

aditivo estudiado en investigaciones anteriores (Ramírez, 2017) para 7 días de curado,

obtenemos densidades de 1.850 kg/m3 y 2.160 kg/m3 respectivamente. En el caso de

28 días, el mortero con inclusión de aditivo alcanza el valor de 1.945 kg/m3 y el mortero

sin aditivo 2.270 kg/m3. Para las muestras con inclusión de aditivo se extrae como

conclusión que la presencia de aditivo en el mortero reduce la densidad aparente. Esto

puede ser debido a que el aditivo produce un aumento de volumen que ocasiona la

oclusión de aire, dando lugar a una menor densidad.

En las muestras de 7 días de curado la mayor diferencia se encuentra en el

porcentaje del 10% de sustitución de arena por residuo XPS, donde para la muestra

de mortero con aditivo se obtiene un valor de 1.719 kg/m3 mientras que la densidad

aparente de la muestra de mortero sin aditivo es de 2.130 kg/m3, lo que se traduce en

una reducción del 19,29%. Para 28 días la diferencia más significativa se localiza en

0

500

1000

1500

2000

2500


Den

sid

ad a

par

ente

(kg/

m3

)

% en vol. de XPS

7 días

28 días


69


la muestra del 5% de sustitución de poliestireno, donde la reducción de densidad

aparente entre las muestras es del 15,36%.

Tabla 12: Densidad aparente para los morteros aligerados con presencia o falta de aditivo

Densidad aparente (kg/m3) 7 días 28 días

Muestra Con aditivo Sin aditivo Con aditivo Sin aditivo

M0 1.850 2.160 1.945 2.270

ME5 1.955 2.020 1.879 2.220

ME10 1.719 2.130 1.868 2.170

ME20 1.704 2.040 1.812 2.100

ME30 1.631 1.960 1.752 1.990

ME40 1.696 1.840 1.668 1.910

ME50 1.674 1.720 1.686 1.840

ME75 1.316 1.440 1.376 1.480

ME100 956 1.010 938 1.120

Figura 32: Comparación densidad aparente probetas con presencia o falta de aditivo tras 7 días de curado

0

500

1000

1500

2000

2500


Den

sid

ad a

par

ente

(kg/

m3

)

% en vol. de XPS

Con aditivo

Sin aditivo


70


Figura 33: Comparación densidad aparente probetas con presencia o falta de aditivo tras 28 días de curado

4.3.2. Resistencia mecánica a flexión

La resistencia a flexión se relaciona directamente con la durabilidad del mortero.

Los resultados obtenidos en el ensayo de flexión para los morteros de poliestireno

extruido tras 7 y 28 días de curado se recogen en la tabla 13.

Tabla 13: Resistencia a flexión para los morteros aligerados con XPS

7 días 28 días

Muestra Resistencia a flexión (MPa)

Desviación típica

Resistencia a flexión (MPa)

Desviación típica

M0 6,51 0,17 6,10 0,37

ME5 5,36 0,28 5,57 0,64

ME10 4,46 0,26 5,38 0,29

ME20 4,31 0,38 4,85 0,36

ME30 3,93 0,28 4,89 0,09

ME40 4,38 0,13 4,05 0,25

ME50 4,08 0,48 3,88 0,17

ME75 1,64 0,17 2,14 0,29

ME100 0,59 0,09 0,81 0,04

En las figuras 34 y 35 se detalla la evolución de la resistencia a flexión que

presentan las probetas con la progresiva presencia del residuo XPS. Los morteros de

control presentan una resistencia a flexión inferior a 7 MPa tanto para 7 como para 28

0

500

1000

1500

2000

2500

3000


Den

sid

ad a

par

ente

(kg/

m3

)

% en vol. de XPS

Con aditivo

Sin aditivo


71


días de curado. De nuevo para ambos tiempos de curado la tendencia de la resistencia

a flexión es decreciente a medida que se incorporan cantidades crecientes de residuo.

Esta disminución puede estar relacionada con la porosidad en los morteros, ya que

de acuerdo con los datos de densidad aparente, la porosidad total se incrementa a

medida que se adicionan porcentajes mayores de residuo. Los poros actúan como

concentradores de tensiones, favoreciendo la transmisión de la carga formando

grietas.

Con edades de curado tempranas el mortero de la probeta control (0% XPS)

presenta un valor de resistencia a flexión de 6,51 MPa, mientras que el mortero con

100% de sustitución de arena por XPS, 0,59 MPa. La disminución que se produce

entre ambos es de un 90,95%. Para los morteros tras 28 días, el valor obtenido para

las probetas control es de 6,10 MPa, y el obtenido para la probeta con 100% de

sustitución de arena por XPS, 0,81 MPa. La disminución que se produce entre ambos

es de un 86,78%. Además se puede apreciar como con adiciones de residuo

superiores al 50% la resistencia a flexión de los morteros se reduce notablemente.

Figura 34: Resistencia a flexión probetas tras 7 días de curado

0

1

2

3

4

5

6

7

8


Res

iste

nci

a a

flex

ión

(M

Pa)

% en vol. de XPS


72


Figura 35: Resistencia a flexión probetas tras 28 días de curado

En la gráfica comparativa de la influencia del tiempo de curado (figura 36) se

observa una pequeña influencia del tiempo de curado en la resistencia a la flexión.

De forma general, los valores de resistencia a flexión incrementan ligeramente cuando

el tiempo de curado se incrementa hasta 28 días. La diferencia más característica

acusada se encuentra en la sustitución del 30%, donde el valor de resistencia a flexión

aumenta de 7 a 28 días un 24,43%. Estos datos están de acuerdo con los datos de

densidad aparente, siendo mayor la resistencia a flexión a mayores tiempos de

curado. Posiblemente esto puede ser debido a la formación de mayor cantidad de

silicatos cálcicos hidratados responsables de la resistencia mecánica de los morteros.

0

1

2

3

4

5

6

7

8


Res

iste

nci

a a

flex

ión

(M

Pa)

% en vol. de XPS


73


Figura 36: Comparación resistencia a flexión probetas tras 7 y 28 días de curado

La figura 37 muestra cómo incluso para adiciones elevadas de XPS se produce

una distribución homogénea del residuo en la pasta. Las probetas corresponden al

0% - 20% - 50% - 75% - 100% de sustitución de arena por XPS respectivamente.

Figura 37: Distribución del residuo en las probetas

En cuanto a la influencia de la adición de aditivo (Ramirez, 2017), se puede

observar como de forma genérica las probetas de mortero con aditivo presentan

valores de resistencia a flexión inferiores a las de las probetas de mortero sin aditivo,

siendo la diferencia más notable en las probetas tras 28 días de curado. Esto puede

0

1

2

3

4

5

6

7

8


Res

iste

nci

a a

flex

ión

(M

Pa)

% en vol. de XPS

7 días

28 días


74


ser debido a la menor densidad y mayor porosidad total que presentan las probetas

que incorporan aditivo como indican los datos de densidad aparente.

Tabla 14: Resistencia a flexión para los morteros aligerados con presencia o falta de aditivo

Resistencia a flexión (MPa) 7 días 28 días


M0 6,51 5,96 6,10 8,10

ME5 5,36 4,11 5,57 8,55

ME10 4,46 5,92 5,38 8,03

ME20 4,31 5,33 4,85 8,03

ME30 3,93 4,76 4,89 7,21

ME40 4,38 4,88 4,05 5,90

ME50 4,08 4,29 3,88 5,02

ME75 1,64 2,84 2,14 2,04

ME100 0,59 1,45 0,81 1,75

Figura 38: Comparación resistencia a flexión probetas con presencia o falta de aditivo tras 7 días de curado

0

1

2

3

4

5

6

7

8


Res

iste

nci

a a

flex

ión

(M

Pa)

% en vol. de XPS

Con aditivo

Sin aditivo


75


Figura 39: Comparación resistencia a flexión probetas con presencia o falta de aditivo tras 28 días de curado

4.3.3. Absorción de agua por capilaridad

El ensayo de absorción de agua por capilaridad nos da una idea de la estructura

capilar que presenta la probeta en su interior. En función de la porosidad este tendrá

mayor o menor capacidad de retener agua. La porosidad en morteros es una

propiedad muy importante, ya que pueden presentarse problemas de humedad. Este

ensayo se realiza a las divisiones de las probetas de cada serie, obteniendo seis

semiprismas tras el ensayo de flexión para tiempos de curado de 7 y 28 días

respectivamente. Los datos obtenidos no van a ser representativos y no van a seguir

una tendencia clara, ya que el residuo empleado no es XPS puro, sino que se emplea

una mezcla de parte reciclada que puede contener aditivos y parte pura. Los

resultados se recogen en la siguiente tabla:

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


Res

iste

nci

a a

fexi

ón

(M

Pa)

% en vol. de XPS

Con aditivo

Sin aditivo


76


Tabla 15: Resistencia a flexión para los morteros aligerados con XPS

7 días 28 días

Muestra Coeficiente por

capilaridad kg/(m2*min0,5)

Desviación típica

Coeficiente por capilaridad

kg/(m2*min0,5)

Desviación típica

M0 0,19 0,01 0,19 0,12

ME5 0,20 0,01 0,18 0,10

ME10 0,21 0,01 0,23 0,12

ME20 0,23 0,01 0,22 0,14

ME30 0,26 0,02 0,22 0,16

ME40 0,28 0,01 0,24 0,12

ME50 0,25 0,02 0,26 0,16

ME75 0,21 0,06 0,43 0,24

ME100 0,12 0,05 0,28 0,35

La probeta sin porcentaje de sustitución (M0) para 7 días presenta un valor de

absorción de agua por capilaridad de 0,19 kg/(m2*min0,5), mientras que el mortero con

100% de sustitución de arena por XPS, presenta un coeficiente de absorción de agua

por capilaridad es de 0,12 kg/(m2*min0,5). La disminución que se produce entre ambos

es de un 36,84%. Para los morteros tras 28 días de curado, el valor obtenido para la

probeta de control es de 0,19, y el obtenido para la probeta con 100% de sustitución

de arena por XPS, 0,28. Hay un incremento del 44,27%.

Como se aprecia en la figura 40 la tendencia de absorción de agua por

capilaridad para las probetas de mortero tras 7 días de curado es creciente hasta el

porcentaje de sustitución de arena por XPS del 40%, a partir del cual se produce un

descenso. Para las probetas tras 28 días de curado sin embargo este crecimiento se

prolonga hasta el 75% y de nuevo decrece en el mortero del 100% de sustitución del

árido por XPS.

Hay que evitar valores elevados de absorción de agua por capilaridad, ya que

indicaría una elevada interconexión de poros que favorece el paso de agua por su

interior. De esta forma, al enfriarse el agua en los huecos de aire internos se pueden

producir condensaciones provocando manchas de humedad y además en el caso de

estar sometido a bajas temperaturas el mortero podría tener resistencia menor a las

heladas e intemperies.


77


Figura 40: Absorción de agua por capilaridad probetas tras 7 días de curado

Figura 41: Absorción de agua por capilaridad probetas tras 28 días de curado

La disparidad de los resultados reside en la mezcla heterogénea del residuo de

partida compuesto por partes puras y partes recicladas. La parte reciclada, además,

puede contener aditivos. La conclusión frente a este ensayo es que no sería

representativo para el comportamiento de los morteros aligerados frente a la absorción

de agua por capilaridad, y por tanto, no se puede predecir cuál sería la tendencia.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

M07 ME57 ME107 ME207 ME307 ME407 ME507 ME757 ME1007Co

efic

ien

te d

e ca

pila

rid

ad k

g/(m

2*m

in0,

5)

% de vol. en XPS

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

M028 ME528 ME1028 ME2028 ME3028 ME4028 ME5028 ME7528 ME10028Co

efic

ien

te d

e ca

pila

rid

ad k

g/(m

2*m

in0,

5)

% en vol. de XPS


78


4.3.4. Resistencia mecánica a compresión

Los resultados obtenidos en el ensayo de resistencia a compresión a partir de

las probetas se recogen en la tabla 16 y están representadas en las figura 42 y 43.

Tabla 15: Resistencia a compresión para los morteros aligerados con XPS

7 días 28 días

Muestra Resistencia a

compresión (MPa) Desviación

típica Resistencia a

compresión (MPa) Desviación

típica

M0 22,53 1,45 23,45 1,06

ME5 22,04 1,31 21,98 1,69

ME10 16,58 1,17 20,65 1,62

ME20 15,23 1,08 17,58 0,93

ME30 11,12 1,21 16,33 0,58

ME40 14,21 0,89 13,73 0,57

ME50 14,73 0,37 15,14 0,55

ME75 8,96 0,89 6,51 0,74

ME100 0,98 0,17 1,14 0,16

En las gráficas se aprecia un progresivo deterioro de la resistencia a compresión

de las probetas con la incorporación de cantidades crecientes de sustitución de arena

por espuma de poliestireno extruido. Para las probetas tras 7 días de curado la

resistencia a compresión disminuye dese 22,53 MPa (M0) hasta 0,98 MPa (ME100),

lo que representa una disminución del 95,65%. Para las probetas de mortero tras 28

días de curado la disminución es similar pasando de una resistencia a compresión de

23,45 MPa (M0) hasta el mímino valor de 1,14 MPa (ME100), lo que supone una

reducción de esta propiedad mecánica del 95,18%. Esta disminución puede ser

debida a la menor densidad de las probetas de mortero a medida que se incorporan

cantidades crecientes de residuo y por tanto a la mayor porosidad, así como a una

mayor discontinuidad de la interfase cemento-residuo XPS, debido a la menor

adhesión y resistencia del residuo XPS con respecto al árido arena.

En las probetas de mortero tras 7 días de curado (figura 42) se observa una

tendencia decreciente de la resistencia a compresión a media que se incorporan

cantidades crecientes de residuo XPS, excepto para los morteros que incorporan el

40% y 50% de sustitución donde los valores de resistencia mecánica a la compresión

aumentan. La misma tendencia en la resistencia a la compresión se observa para los

morteros tras 28 días de curado., a excepción del mortero que incorpora el 50% de


79


residuo donde de nuevo hay un incremento. Esto podría deberse a algún error

experimental en algún paso de todo el proceso de elaboración de los morteros en el

laboratorio. Quedaría pendiente repetir las muestras para corroborar si los datos son

correctos.

La norma UNE-EN 998-1:2018 establece una resistencia mínima a la

compresión tras 28 días de curado de 6 MPa para morteros de juntas de particiones

y morteros de revoco y enlucido, por lo que, todos los morteros que incorporan

sustituciones de arena por XPS hasta el 75 % en volumen, es decir, todos los morteros

aligerados con XPS, excepto los morteros con 100% de residuo, cumplen los

requisitos de diseño.

Figura 42: Resistencia a compresión probetas tras 7 días de curado

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00


Res

iste

nci

a a

com

pre

sió

n (M

Pa)

% en vol. de XPS


80


Figura 43: Resistencia a compresión probetas tras 28 días de curado

En cuanto a la influencia del tiempo de curado, se puede observar que de forma

general la resistencia a compresión de los morteros es mayor a mayores tiempos de

curado (28 días). Este ligero incremento en la resistencia a la compresión puede ser

atribuido a un incremento de silicato de calcio hidratados (CHS) formados a mayores

tiempos de contacto, lo que produce un incremento del volumen de material

cementante en los morteros, como indican los datos de densidad aparente.

Figura 44: Comparación resistencia a compresión probetas tras 7 y 28 días de curado

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00


Res

iste

nci

a a

com

pre

sió

n (M

Pa)

% en vol. de XPS

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00


Res

iste

nci

a a

com

pre

sió

n (M

Pa)

% en vol. de XPS

7 días

28 días


81


Para estudiar la influencia de la adición de aditivo se han comparado los valores

obtenidos para el morteros con inclusión de aditivo respecto a los morteros sin aditivo

(Ramírez, 2017) (tabla 17 y figuras 45 y 46). Se puede observar que los morteros

control tras 7 días de curado, tienen resistencias a compresión de 22,53 y 32,84 MPa,

indicando un efecto negativo del aditivo respecto a esta propiedad mecánica. De igual

manera los morteros tras 28 días de curado presentan el mismo comportamiento

mecánico a compresión, obteniendo valores de resistencia de 23,45 MPa para el

mortero control sin aditivo, incrementando la resistencia a compresión hasta 46,01

MPa para el mortero control sin la adición de aditivo, lo que supone un incremento del

96,2%.

La tendencia es la misma para los morteros que incorporan el residuo XPS tanto

a los 7 como a los 28 días de curado. Esto puede ser debido a la reducción de la

densidad aparente que se obtiene con la adición del aditivo plastificante/aireante que

da lugar a morteros más porosos.

Por tanto, la adición del aditivo si bien tiene un efecto positivo en la densidad

aparente supone una merma de las propiedades mecánicas, resistencia a flexión y

compresión.

Tabla 17: Resistencia a compresión para los morteros aligerados con presencia o falta de aditivo

Resistencia a compresión (MPa) 7 días 28 días


M0 22,53 32,84 23,45 46,01

ME5 22,04 16,52 21,98 56,78

ME10 16,56 34,12 20,65 38,79

ME20 15,23 28,68 17,58 34,33

ME30 11,12 27,14 16,33 27,30

ME40 14,21 18,15 13,73 24,34

ME50 14,73 18,48 15,14 17,82

ME75 4,17 11,99 6,51 12,32

ME100 0,98 4,22 1,14 3,18


82


Figura 45: Comparación resistencia a compresión probetas con presencia o falta de aditivo tras 7 días de curado

Figura 46: Comparación resistencia a compresión probetas con presencia o falta de aditivo tras 28 días de curado

4.4. Posibles usos de los morteros ensayados

El mortero de cemento con agregado de residuo de poliestireno extruido

ensayado puede utilizarse según la norma europea para las siguientes aplicaciones

siempre que cumplan los requisitos mínimos.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00


Res

iste

nci

a a

com

pre

sió

n (M

Pa)

% en vol. de XPS

Con aditivo

Sin aditivo

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00


Res

iste

nci

a a

com

pre

sió

n (M

Pa)

% en vol. de XPS

Con aditivo

Sin aditivo


83


Según la Norma UNE-EN 998-2:2018 Morteros de albañilería designa a los

morteros con la letra ‘M’ seguida de la clase resistente a compresión en N/mm2,

de acuerdo con la tabla 18.

Tabla 18: Clases de mortero

Clase M 1 M 2,5 M 5 M 10 M 15 M 20 M d

Resistencia a compresión (N/mm2)

1 2,5 5 10 15 20 d

Siendo d la resistencia a compresión mayor de 20 N/mm2 y múltiplo de 5,

declarada por el fabricante.

Los morteros según las recomendaciones de aplicación para cada clase y

dependiendo del tiempo de curado, ya sea de 7 o 28 días, podrían actuar para

diferentes usos.

Las muestras con un tiempo de curado de 28 días se clasificarían:

- M20 (resistencia a compresión >20 N/mm2): M028, ME528, ME1028

- M15: ME2028, ME3028, ME5028

- M10: ME4028

- M5: ME7528

- M2,5: ME10028

Según la Norma UNE-EN 998-1:2018 Morteros para revoco y enlucido, los

morteros se clasificarán en categorías según sus valores en resistencia a

compresión (N/mm2) y valores de absorción de agua por capilaridad

(kg/m2*min0.5) para las siguientes propiedades como se recoge en la tabla 19.


84


Tabla 19: Clasificación de las propiedades del mortero endurecido

Propiedades Categorías Valores

Intervalo de resistencia a compresión a los 28 días

(N/mm2)

CS I 0,4 - 2,5

CS II 1,5 - 5

CS III 3,5 - 7,5

CS IV ≥ 6

Absorción de agua por capilaridad a 28 días

kg/(m2*min0,5)

W0 No especificado

W1 c ≤ 0,40

W2 c ≤ 0,20

Tanto el mortero control como casi todos los morteros aligerados con XPS se

encuentran en la categoría más alta CS IV para una resistencia a compresión ≥ 6

N/mm2, a excepción de ME10028 que se encuentra en la categoría CS I con una

resistencia a compresión entre 0,4 y 2,5.

En cuanto al coeficiente de absorción de agua por capilaridad, todos los morteros

se clasifican en W1 ‘c’ ≤ 0,50 kg/m2*min0.5 a excepción de las muestras M028 y ME528

que se clasifican en W2 ‘c’ ≤ 0,20 kg/m2*min0.5. La mayoría de morteros aligerados

con XPS son apropiados para todo tipo de tareas de revoque y enlucido.

Según la Norma UNE-EN 13813:2014 Mortero para recrecidos y acabados de

suelos, los morteros se clasifican según la resistencia a compresión

indicándose con la letra ‘C’ seguida de la clase de resistencia a compresión en

N/mm2 como se recoge en la tabla 4.15 y según la resistencia a flexión

indicándose con la letra ‘F’ seguida de la clase de resistencia a flexión en

N/mm2.

Tabla 20: Clases de resistencia a compresión para morteros recrecidos y acabados de suelos

Clase C5 C7 C12 C16 C20 C25 C30 C35 C40 C50 C60 C70 C80

Resistencia a

compresión (MPa)

5 7 12 16 20 25 30 35 40 50 60 70 80


85


A partir de esta clasificación se recogen en la tabla 21 los requerimientos

exigidos válidos para muestras con porcentaje de residuo de espuma de poliestireno

a 28 días de curado destinados a morteros autonivelantes. Según la UNE-EN

13318:2014 “autonivelante” es la capacidad de un mortero fresco para extenderse de

forma natural y dar lugar a una superficie plana y horizontal.

Tabla 21: Usos de morteros autonivelantes según su clase

Requerimiento Clase

mínima Composición adecuada

Revestimiento flotante y soporte de polietileno ≥ C20 M0, ME5, ME10

Revestimiento flotante, soporte de hormigón y espesor ≥ 40 mm

≥ C12 M0, ME5, ME10, ME20, ME30, ME40, ME50

Revestimiento flotante, soporte de hormigón y espesor 30 - 40 mm

≥ C20 M0, ME5, ME10

Revestimiento adherido y soporte de polietileno ≥ C20 M0, ME5, ME10

Revestimiento adherido, soporte de hormigón y espesor ≥ 40 mm

≥ C12 M0, ME5, ME10, ME20, ME30, ME40, ME50

Revestimiento adherido, soporte de hormigón y espesor 5 - 40 mm

≥ C20 M0, ME5, ME10

Revestimiento calefactado (suelo radiante): Mortero Autonivelante

≥ C20 M0, ME5, ME10

Revestimiento sobre capa de separación, soporte de polietileno y espesor ≥ 40 mm

≥ C12 M0, ME5, ME10, ME20, ME30, ME40, ME50

Revestimiento sobre capa de separación, soporte de polietileno y espesor 30 - 40 mm

≥ C20 M0, ME5, ME10

Revestimiento visto y soporte de polietileno u hormigón

≥ C25 -

Para la mayoría de las utilidades como morteros autonivelantes se pueden usar

los morteros con XPS M0, ME5, ME10, ME20, ME30, ME40, ME50. Para algunas

aplicaciones en las que se requiere menor resistencia a compresión se pueden utilizar

todos los morteros a excepción de ME100 y sólo en un requerimiento específico las

muestras con resistencia a compresión mayor a 25 MPa.


86


5. ESTUDIO ECONÓMICO

Además de estudiar la aptitud y durabilidad de las probetas con espuma de

poliestireno extruido, sería interesante realizar un estudio económico que garantice

una buena elección de este material como residuo aligerante para albañilería. El

empleo de estos materiales afecta directamente a la mejora y sostenibilidad de gestión

de residuos.

El estudio económico de un mortero de cemento se refiere a una valoración

cuantitativa del coste del mortero. A continuación se detalla el desglose del coste de

las materias primas a pie de obra, ya que la confección de la mezcla y la colocación

en obra de los morteros es independiente del usuario.

Los precios de los materiales se han consultado en las diversas empresas

suministradoras de las materias primas utilizadas en la realización de estos morteros

de cemento aligerados, que incorporan XPS como agregado. El precio unitario de

cada material no incluye el coste de transporte hasta la obra, y se considera el precio

del agua suministrada por una acometida de agua municipal. Todas las materias

primas llegan listas para su uso. El coste de la espuma de poliestireno extruido incluye

únicamente el precio de la trituración de la espuma que se realiza en el punto de

producción del residuo, por lo que se suministra triturada al tamaño adecuado para su

uso.

Las densidades de las materias primas para calcular el precio por volumen a

partir del precio por tonelada son:

Tabla 22: Densidad de las materias primas

Densidad (g/cm3) Densidad (t/m3)

Cemento 2,84 2,84

Arena 1,80 1,80

Espuma 0,04 0,04

Agua 1,00 1,00

Aditivo 1,03 1,03

Para conocer el porcentaje que ocupa cada materia prima se calcula el volumen

en función de la masa que pese dicha materia prima y su densidad. Se repite este


87


cálculo para el cemento, arena, espuma, agua y aditivo. Una vez que se tienen todos

los volúmenes, se suman y se obtendrá el volumen total.

Con una simple equivalencia se puede obtener el porcentaje que ocupa cada

componente mediante el volumen que ocupa y el volumen total. Tales datos se

recogen en las tablas 23-32:

Tabla 23: Coste de las materias primas

€/t Densidad (t/m3) €/m3

Cemento 96,81 2,84 274,94

Arena 14,75 1,80 26,55

Espuma 29,39 0,039 1,15

Agua 1,27 1,00 1,27

Aditivo 3.738,9 1,03 3.851,07

Tabla 24: Precio por metro cúbico de mortero 0% XPS

M0 Porcentaje (%) Coste (€/m3) Precio (€/m3)

Cemento 13,98 274,94 38,44

Arena 66,17 26,55 17,57

Espuma 0,00 1,15 0,00

Agua 19,83 1,27 0,25

Aditivo 0,02 3.851,07 0,77

Precio total 57,03



Cemento 13,98 274,94 38,44

Arena 63,01 26,55 16,17

Espuma 3,39 1,15 0,04

Agua 19,83 1,27 0,25

Aditivo 0,02 3.851,07 0,77

Precio total 55,67


88




Cemento 13,98 274,94 38,44

Arena 59,55 26,55 15,81

Espuma 6,54 1,15 0,08

Agua 19,83 1,27 0,25

Aditivo 0,02 3.851,07 0,77

Precio total 55,35



Cemento 13,98 274,94 38,44

Arena 52,94 26,55 14,06

Espuma 13,31 1,15 0,15

Agua 19,83 1,27 0,25

Aditivo 0,02 3.851,07 0,77

Precio total 53,67



Cemento 13,98 274,94 38,44

Arena 46,32 26,55 12,3

Espuma 19,86 1,15 0,23

Agua 19,83 1,27 0,25

Aditivo 0,02 3.851,07 0,77

Precio total 51,99



Cemento 13,98 274,94 38,44

Arena 39,70 26,55 10,54

Espuma 26,40 1,15 0,30

Agua 19,83 1,27 0,25

Aditivo 0,02 3.851,07 0,77

Precio total 50,3


89




Cemento 13,98 274,94 38,44

Arena 33,09 26,55 8,79

Espuma 33,17 1,15 0,38

Agua 19,83 1,27 0,25

Aditivo 0,02 3.851,07 0,77

Precio total 48,63



Cemento 13,98 274,94 38,44

Arena 19,85 26,55 5,27

Espuma 59,57 1,15 0,69

Agua 19,83 1,27 0,25

Aditivo 0,02 3.851,07 0,77

Precio total 45,42



Cemento 13,98 274,94 38,44

Arena 0,00 26,55 0,00

Espuma 79,34 1,15 0,88

Agua 19,83 1,270 0,25

Aditivo 0,02 3.851,07 0,77

Precio total 40,34

Los porcentajes de cemento, agua y aditivo se mantienen constantes para todas

las mezclas por lo que su precio también. El aditivo es el componente más caro,

seguido del cemento y la arena.

La variación del precio dependerá de la espuma y de la arena. A mayor cantidad

de arena, mayor es el precio. Por lo tanto, el empleo del residuo XPS abaratará el


90


coste del mortero obteniendo precios más bajos para porcentajes de sustitución más

altos.


91


6. CONCLUSIONES

El objetivo de este TFG es estudiar la viabilidad de introducir espuma de

poliestireno extruido en morteros de cemento Portland como sustituto de la arena. Así

se ofrece una salida a un material residual y se obtienen materiales de construcción

más sostenibles.

Las conclusiones más importantes a destacar son:

La densidad aparente de los morteros, tanto para 7 como 28 días de curado,

disminuye a medida que se incrementan las cantidades del residuo. Por tanto,

a mayor porcentaje de XPS, menor densidad aparente. Además, se observa

que en las probetas con mayor tiempo de curado esta reducción es mayor,

obteniendo desde el menor porcentaje de sustitución (5% en volumen) hasta el

mayor porcentaje de sustitución (100% en volumen) una reducción de la

densidad del 51,78%. Según la norma UNE-EN 998-2:2018 el único mortero

que se puede clasificar como ligero con una densidad menor a 1.300 kg/m3 y

28 días de curado sería ME100. En cuanto a la influencia del tiempo de curado

se observa un ligero incremento de la densidad aparente a medida que se

incrementa el tiempo de curado, debido a una mayor proporción de silicatos

sódicos hidratados formados a tiempo de curado de 28 días. En cuanto a la

influencia de la adición de aditivo se extrae como conclusión que su empleo

disminuye la densidad aparente de los morteros.

Los resultados obtenidos en el ensayo a flexión determinan para ambos

tiempos de curado que la tendencia de la resistencia a flexión de los morteros

es decreciente a medida que se incorporan cantidades crecientes de residuo.

Así para los morteros tras 28 días de curado, el valor obtenido para las probetas

control es de 6,10 MPa, y el obtenido para la probeta con 100% de sustitución

de arena por XPS es de 0,81 MPa, lo que supone una disminución del 86,78%.

Con adiciones de residuo superiores al 50% la resistencia a flexión se reduce

notablemente. En concordancia con los datos de densidad aparente, se da una

mayor resistencia a flexión para mayores tiempos de curado. La influencia del

aditivo para ambos tiempos de curado disminuye los valores de resistencia a

flexión respecto a la no adición de aditivo.


92


La gran disparidad entre los datos obtenidos para el ensayo de absorción de

agua por capilaridad indican que no van a ser representativos y no van a seguir

una tendencia clara, ya que el residuo empleado no es XPS puro, sino que se

emplea una mezcla heterogénea de parte reciclada que puede contener

aditivos y parte pura. No se puede predecir cuál sería el comportamiento de las

probetas frente a este ensayo.

La propiedad mecánica de resistencia a compresión experimenta un

progresivo deterioro con la sustitución creciente de arena por espuma de

poliestireno extruido para ambos tiempos de curado. En los morteros tras 7 días

de curado esta disminución del M0 al ME100 alcanza el valor del 96,65%.

Respecto a la influencia del tiempo de curado, se puede observar que la

resistencia a compresión de los morteros, en general, es superior a mayores

tiempos de curado (28 días). La inclusión de aditivo tiene un efecto negativo

sobre la resistencia a compresión de las probetas tras 7 y 28 días de curado.

El precio final del mortero depende tanto del coste de la materia prima como de

la cantidad de cada componente que se ha añadido. Conforme aumenta el

porcentaje de residuo de poliestireno extruido el precio del mortero es menor.


93


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