Materiales para arquitectura sostenible : participación de los materiales en la sostenibilidad de la arquitectura

1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA PROYECTO FÍN DE GRADO Materiales para Arquitectura Sostenible. Participación de los Materiales en la Sostenibilidad de la Arquitectura Por: Ribera Pastor, Ana Dirigida por: D. Javier Orozco Messana Valencia, mayo 2011 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERIA DE EDIFICACIÓN 2 Índice 1. Objetivo…………………………………………………………………………………………………………………..3 2. Introducción…………………………………………………………………………………………………………….3 2.1 Sostenibilidad en la edificación. 2.2 Criterios para el análisis de la sostenibilidad. 2.3 Propiedades ecológicas de los materiales. 2.4 Tabla Homogeneización como herramienta para el estudio de la sostenibilidad. 2.5 Base de datos, constructor 3. Base de datos como herramienta para la elección de materiales sostenibles……………6 3.1 Estudio de la sostenibilidad de los materiales. 4. Relación entre las características geométricas y la sostenibilidad: Aumento del rendimiento del material……………………………………………………………………………………….29 5. Estudio del PYKRETE como alternativa sostenible en climas fríos……………………………29 5.1 Introducción a los materiales compuestos. 5.2 Materiales compuestos reforzados con partículas. 5.3 Materiales compuestos reforzados con fibras. 5.4 Historia del Pykrete 5.5 Características del Pykrete 6. Estado del arte……………………………………………………………………………………………………….36 7. Memoria de laboratorio…………………………………………………………………………………………41 8. Resultados y análisis………………………………………………………………………………………………70 9. Determinación de las restricciones de proyecto, esfuerzos y restricciones, ponderar soluciones………………………………………………………………………………………………………………74 9.1 Restricciones de proyecto 9.1.1 Entorno 9.1.2 Normativa 9.1.3 Presupuesto 10. Futuras líneas de investigación……………………………………………………………………………….76 11. Bibliografía…………………………………………………………………………………………………………….76 3 1. Objetivo El objetivo de la realización de este estudio es la investigación sobre materiales sostenibles para la edificación cuyo impacto ambiental sea relativamente bajo y cuyas características, propiedades mecánicas y medio ambientales cumplan con las prescripciones de calidad, seguridad y habitabilidad deseadas. Por ello estudiaremos dentro de la problemática de las estructuras, que materiales son los que confieren mejores propiedades mecánicas con un coste aceptable y una mejor asignación de recursos. Para ello dispondremos de múltiples herramientas, como son bases de datos creadas por nosotros que nos aportará el motor de búsqueda que necesitamos para obtener objetivamente los materiales deseados, hojas de cálculo, investigaciones propias... Dentro de este estudio realizaremos un proceso de investigación de un material poco conocido y que hemos considerado muy importante, no porque sea extraordinariamente resistente, sino porque es un material que existe en abundancia en la naturaleza, es económico, no contamina, es duradero y capaz de transmitir cargas estructurales. La investigación la vamos a realizar sobre el Pykrete (una mezcla de hielo y serrín) y estudiaremos y compararemos con la resistencia del hielo en masa y del hormigón. Se estudiará como afecta a las propiedades mecánicas la adición de fibras de bamboo, fibras de esparto y fibras de madera, y ver en general como afectan éstas a las propiedades del Pykrete y si se producen mejoras en las propiedades resistentes de éste. Se estudiará el efecto del serrín en la durabilidad, la segregación, la compacidad. Para ello se estudiará el Pykrete con diferentes dosificaciones para obtener una dosificación óptima. Además se estudiará las propiedades mecánicas del Pykrete tras la introducción de fibras de madera de diferentes clases y observaremos cual es la idónea para su utilización. Se hablará también de los diferentes tipos de fibras, las características de cada una y las mejoras aportadas a la probeta objeto de estudio, intentando incorporar la dosificación más adecuada para obtener el resultado deseado. Todo esto lo comprobaremos realizando los ensayos necesarios de compresión y flexotracción, descritos en el apartado 7. En resumen, encontrar un Pykrete que sea lo más homogéneo posible, con una resistencia comparable al hormigón con una propiedad fundamental y que es objeto de este estudio, la sostenibilidad. 2. Introducción 2.1 Sostenibilidad en la edificación. La construcción sostenible es un concepto global que identifica un proceso completo en el que influyen numerosos factores como el proceso de fabricación, el tratamiento, el transporte y 4 puesta en obra que, apoyados unos sobre otros, tienen como consecuencia productos eficientes y respetuosos con el Medio Ambiente. Como para dogma de la sostenibilidad sería una edificación que no consumiera energía para su construcción, mantenimiento y demolición y que para poder llevarla a cabo no se produjera contaminación ambiental de ningún tipo. Debido a que actualmente esto no es viable podemos acercarnos lo más posible para crear viviendas respetuosas con el medio ambiente y por tanto sostenibles. Actualmente uno de los mayores problemas medioambientales y económicos son la contaminación y la energía. Por ello podremos decir que una edificación es sostenible cuando sea viable de hacer (cueste una cantidad de dinero razonable), cuando realizar el proceso constructivo más todos los procesos industriales para la fabricación o transformación de los materiales no se consuma una cantidad de energía excesiva (energía embebida por los materiales) ni se emita una cantidad excesiva de CO2 y al finalizar la vida útil de la edificación se pueda reciclar el producto existente para crear otro igual o un producto distinto pero con valor en el mercado. El objetivo general de actuación dentro del área de los materiales es reducir al máximo la huella ecológica producida por la extracción, producción, uso y desecho de los materiales y productos de la construcción, así como de los procesos asociados a ellos, tales como la obtención y transformación de las materias primas empleadas y la generación de emisiones y vertidos consecuencia de las diferentes formas de transformación, industrialización y puesta en obra y expresada en forma de su contribución a los Impactos Medioambientales Globales. 2.2 Criterios para el análisis de la sostenibilidad. La sostenibilidad de la edificación depende de múltiples parámetros, como las propiedades de los materiales, los procesos de producción, fabricación, transporte, seguridad de utilización, calidad de lo ejecutado, junto a los procesos de puesta en obra. Por ello es importante definir que parámetros van a ser importante para la sostenibilidad y que criterios vamos a adoptar para delimitar que propiedades necesitamos de los materiales. 2.3 Propiedades ecológicas de los materiales. Vamos a definir que parámetros van a ser importantes para analizar la sostenibilidad y que propiedades necesitamos de los materiales. La energía embebida (producción primaria) es la energía necesaria para hacer 1 kg de material, los datos son aproximados pero son de gran importancia para saber la energía que necesita un material antes de poder ser utilizado. Estos datos son aproximados debido a que dependen en gran medida del rendimiento de las maquinas que los producen, de la reutilización de fuentes energéticas en el proceso de fabricación y a los requerimientos medioambientales existentes en la zona de producción. En zonas donde la legislación ambiental es poco restrictiva, el 5 proceso de manufactura del material es más barato debido a que no se gastan recursos en la separación de residuos. Se mide en MJ/kg o en Kcal/lb. La huella de CO2 es la cantidad de CO2 en kg producidos y liberados a la atmósfera como consecuencia de la producción de un kilogramo de materia. Se mide en Kg/Kg o en Lb/lb. La reciclabilidad del material, es el proceso fisicoquímico o mecánico que consiste en someter a una materia o un producto ya utilizado a un ciclo de tratamiento total o parcial para obtener una materia prima o un nuevo producto. Si el material es biodegradable, es decir, si el material puede descomponerse en sus elementos químicos que los conforman, debida a la acción de agentes biológicos, como plantas, animales, microorganismos y hongos, bajo condiciones ambientales naturales. Posibilidad de recuperación de energía por combustión, si se permite el procesado del material en vertederos… Estas propiedades son básicas a la hora de analizar la sostenibilidad de una construcción, pero no son las únicas, también son de gran importancia los procesos de producción y fabricación, los procesos de puesta en obra, su durabilidad, la conductividad térmica del material, su resistencia (Compresión, Tracción, módulo de Young…), precio, toxicidad, resistividad eléctrica, si es abundante en la naturaleza o no, propiedades térmicas y acústicas… Puede pensarse que la resistencia o la conductividad térmica no es un parámetro que condicione la sostenibilidad de la edificación pero es tan importante como los demás ya que nos va a condicionar la cantidad de material que debemos disponer para la ejecución de la obra con los mismos requisitos de habitabilidad, durabilidad y resistencia exigidos. Todas estas propiedades se ponderan en una escala de valores en donde veremos que material nos aporta mayor satisfacción con las exigencias y requisitos con unos aportes de energía menores y con una durabilidad y precio aceptables en un mercado libre y sin subvenciones estatales. 2.4 Tabla Homogeneización como herramienta para el estudio de la sostenibilidad. Para ponderar todas estas propiedades de los materiales de forma global hemos creado una tabla de homogeneización. El objetivo de la utilización de esta herramienta es comparar muchas propiedades distintas y obtener un resultado fiable y objetivo para obtener un material idóneo. Por ello la tabla homogeneiza, es decir, pondera numéricamente cada propiedad para obtener una solución única y global. Consta de dos tablas. En la primera tabla lo que se introducen es una lista de materiales junto a las propiedades que vamos a utilizar para la homogeneización. En donde se introducen las propiedades para cada material. 6 En la segunda tabla lo que se hace es comparar, para una misma propiedad, todos los materiales a estudio. Se le asigna una escala de valores dependiendo en gran medida cual sea el estudio final que queramos obtener, por ejemplo, en nuestro caso queremos obtener un material que sea sostenible, resistente y duradero. Por ello debemos de asignar que peso se le asigna a cada propiedad para poder obtener un resultado fiable. Esta asignación no es gratuita ni tampoco fija y estará fundamentada en una memoria justificativa. Está basada en datos bibliográficos. Así obtenemos un valor homogeneizado. 2.5 Base de datos, constructor La primera parte del estudio ha sido la creación de una base de datos, en donde hemos introducido los materiales con cada una de sus propiedades, descripciones… En nuestro caso hemos aportado los materiales más significativos en estructuras para la edificación como el hormigón, acero… El objetivo es la aportación de una base de datos fiable y de libre distribución, cuyo propósito se ha conseguido. Sin embargo, se ha utilizado una base de datos de GRANTA para el estudio de la sostenibilidad en nuestro proyecto para otorgarle una mayor fiabilidad de los datos aportados. En la base de datos del CES Edu Pack podemos conseguir datos sobre las propiedades de los materiales objeto de estudio, así como comparar las propiedades con otros materiales de la misma familia o de otras para poder decidir cuál es mejor o cuál se ajusta más a las necesidades planteadas en el proyecto. Para el análisis de la sostenibilidad ha sido de gran ayuda para la determinación de los materiales con mejores propiedades. 3. Base de datos como herramienta para la elección de materiales sostenibles Una base de datos o banco de datos (en ocasiones abreviada con la sigla BD o con la abreviatura b. d.) es un conjunto de datos pertenecientes a un mismo contexto y almacenados sistemáticamente para su posterior uso. Existen programas denominados sistema gestor de bases de datos, abreviado SGBD, que permiten almacenar y posteriormente acceder a los datos de forma rápida y estructurada. Las propiedades de estos SGBD, así como su utilización y administración, se estudian dentro del ámbito de la informática. En nuestro proyecto el programa encargado de encontrar, procesar y comparar la información en el CES CONSTRUCTOR y la base de datos que vamos a utilizar es la CES SELECTOR. 7 El CES SELECTOR es una potente aplicación que ayuda a los usuarios a buscar, ver y analizar información contenida en la base de datos y aplicar una metodología sistemática para seleccionar entidades y optimizar rendimientos y especificaciones de diseño. El CES SELECTOR puede ser usado para ver y analizar bases de datos provenientes de Granta Design Limited, o como en nuestro caso, de la base de datos creada por nosotros mediante el CES CONSTRUCTOR. CES CONSTRUCTOR es una herramienta para hacer y editar bases de datos para usar en el CES SELECTOR. La estrategia que seguiremos a la hora de la elección de los materiales óptimos será igual, lo único que podrá variar es la forma de mostrar las gráficas. Para entender esto primero vamos a explicar cómo vamos a realizar la búsqueda y qué tipo de variables podemos encontrarnos. Cuando realizamos una búsqueda, una de las opciones que tenemos es que nos compare dos propiedades de los materiales, como por ejemplo que nos compare el precio con la resistencia, y el programa nos devolverá una gráfica donde nos dibujara cada material como elipses, una tabla de abscisas y ordenadas donde un eje de la elipse corresponderá a la diferencia de precios que podemos encontrar en el mercado y el otro eje corresponde a la diferencia de resistencia que el material es capaz de aportar dependiendo de la calidad, estado… En la base de datos podemos encontrar diferentes tipos de datos, por ejemplo, datos donde sea un valor comprendido entre dos números, datos que sea pasa o no pasa o datos como en la conductividad térmica en donde puede ser muy aislante, aislante pobre, conductor pobre o muy conductor. Dependiendo que datos comparemos en la tabla nos saldrán un tipo de grafica u otra. Otra de las estrategias de búsqueda de materiales que nos permite el programa es la de condicionar propiedad por propiedad el rango en el que nos queremos mover, mediante límites, por ejemplo indicarle al programa que nos busque que materiales cumplen con la condición de que el módulo de Young sea mayor de 400 y simplemente dando a Apply nos devuelve automáticamente que materiales cumple con la condición, estos son por ejemplo: el carburo de boro, el carburo de silicio y el carburo de tungsteno. 3.1 Estudio de la sostenibilidad de los materiales. Para comenzar con la búsqueda de los materiales sostenibles centrándonos en el apartado estructural, vamos a realizar primeramente una búsqueda comparando su precio en €/kg y su resistencia a compresión y se condiciona al software que devuelva materiales aptos estructuralmente, el precio del material es importante para la viabilidad de los proyectos ejecutados con él, al hacer la selección el programa pasa de mostrarnos 127 materiales que nos mostraba inicialmente a 77 aptos para ser usados estructuralmente. El resultado de esta búsqueda tiene como finalidad la búsqueda de materiales que sean económicos y que sean capaces de transmitir los esfuerzos. El resultado de esta búsqueda dará una idea de materiales 8 sostenibles debido a que el precio condiciona el costo de los procesos industriales, la energía embebida del material, su transporte… Fig. 3.1 Resistencia Compresión – Precio El programa nos devuelve para cada material una elipse, que es el área barrida por los rangos aceptables para las propiedades graficadas, lo que indica es la variación que existe entre sus variables, que diferencia de resistencia a compresión puede haber en un material dependiendo de su puesta en obra, de su curado, de tratamientos térmicos que se le aplique al material, de dosificaciones distintas, adiciones, aleaciones e igualmente para el otro eje de la elipse que nos indica que diferencia de precios puede haber dependiendo del país donde se adquiera, la calidad que posea, etc… El gráfico muestra como a medida que los materiales son capaces de absorber mayores esfuerzos también aumentan su precio, esto no implica necesariamente que su implantación sea más cara, ya que la cantidad de material para transmitir las mismas cargas es menor conforme aumenta su resistencia y el precio global puede ser menor. También se han obtenido las gráficas comparativas de módulo resistente a compresión comparándolo con la resistencia a compresión. El módulo de compresibilidad mide la resistencia del material a comprimirse para causar una disminución unitaria de volumen. Por lo tanto se comparan dos propiedades fundamentales para la comparación de materiales resistentes a compresión. Compressive strength (MPa) 110 100 1000 10000 Price (EUR/kg) 0.01 0.1 1 10 100 9 Fig. 3.2 Módulo compresibilidad – Resistencia a compresión Compressive strength (MPa) 110 100 1000 Bulk modulus (GPa) 0.001 0.01 0.1 1 10 100 High performance concrete Asphalt concrete Concrete (structural lightweight) Dense concrete Concrete, stone and brick Wood, plywood, glulam, bamboo, straw and cork 16 Fig. 3.9 Precio – Atmosfera industrial. En la comparación de durabilidad en atmosferas industriales vemos que los pétreos artificiales como los hormigones tienen muy buenas características. Sobre todo aquellos con dosificaciones cuidadas y con gran cantidad de cemento, los cuales tienen características excelentes al igual que pétreos naturales como granitos, pizarras… Los ladrillos cara vista y cerámica en general disponen de características aceptables. Como se observa maderas y pétreos con resistencias químicas menores deben de limitar su uso en estos ambientes. Sin embargo vemos una dato que nos llama la atención, y es que el acero bajo en carbono dispone de una calificación de uso limitado, nos llama la atención debido a que la mayoría de naves industriales son, hablando estructuralmente y sin contar la cimentación, totalmente en hechas en acero. Esto es debido a que existe la necesidad de formar grandes luces dentro de las naves industriales, sin pilares por medio del espacio de trabajo, y la solución más viable son estructuras aligeradas mediante cerchas metálicas. A estas estructuras se les aporta de un revestimiento anticorrosión. Industrial atmosphere Unacceptable Limited use Acceptable Excellent Price (EUR/kg) 0.1 1 10 100 Granite Softwood (pine) parallel to the grain Marble Plywood parallel to board Plywood perpendicular to board Medium carbon steel Limestone Low carbon steel Slate Engineering brick Glulam Facing brick Common brick Sandstone Reactive powder concrete Dense concrete Concrete (structural lightweight) Asphalt concrete High performance concrete 17 Fig. 3.10 Precio – Ácidos débiles. En la gráfica de la fig. 3.10 donde se comparan los materiales según su durabilidad a ácidos débiles vemos que existen hormigones con buenas características aunque la mayoría bajan un escalón, asfaltos continúan con excelentes características de durabilidad aunque hormigones de alta resistencia tienen características aceptables. Para estas solicitaciones se debe estudiar muy bien la viabilidad de los materiales utilizados. Se deben estudiar la posibilidad según proyecto de ejecutar una estructura con hormigón armado y realizar un revestimiento de granito o pizarra, pudiendo plantearse la utilización de estructura de muros de carga con ladrillos para estas solicitaciones ya que disponen de características aceptables. Son soluciones específicas para proyectos muy característicos que pudieran darse. En el siguiente gráfico se ha comparado dos propiedades fundamentales de la sostenibilidad, la energía embebida y la huella de Co2, estos parámetros son claves para obtener la energía que debemos de utilizar desde que se extrae la materia prima y se procesa para obtener un producto útil para la construcción. El resultado es una gráfica bastante lineal. Es un resultado obvio ya que son características diferentes pero están relacionadas entre sí, ya que al fabricar un material necesitamos una cantidad de energía específica, y esta produce una cantidad de co2 que sigue una cierta proporción a la cantidad de energía embebida del material. Weak acids Unacceptable Limited use Acceptable Excellent Price (EUR/kg) 0.1 1 10 100 Hardboard parallel to board Low carbon steel High volume fly ash concrete Slate Engineering brick Facing brick Common brick Plywood parallel to board Plywood perpendicular to board Hardboard perpendicular to board Dense concrete Cement (ordinary Portland) Marble Limestone Sandstone Granite Reactive powder concrete Concrete (structural lightweight) High performance concrete Asphalt concrete 18 En aplicación a materiales compuestos, la cantidad de energía embebida y huella de CO2 dispondrá de la misma relación en peso que disponga el material. Así, por ejemplo para obtener la cantidad de energía embebida (o huella de CO2) que gasta un material bastará con obtener la relación existente entre los distintos materiales en peso y sumar los valores para cada material de la cantidad de energía multiplicado por la dosificación. Basta con sumar el porcentaje existente de cada material por su energía embebida. E embebida Mat Compuesto = (E embebida Mat Constituyente 1 x Dosificación en peso material. 1)+ (E embebida Mat Constituyente 2 x Dosificación en peso material. 2)+ (E embebida Mat Constituyente N x Dosificación en peso material. N). Siendo N el número de materiales constituyentes del material compuesto. Fig 3.11 Energía embebida – Huella de CO2 Se observa la cantidad de energía embebida de los materiales y su huella de CO2. Embodied energy, primary production (MJ/kg) 0100 200 300 400 500 600 700 CO2 footprint, primary production (kg/kg) 0 10 20 30 40 19 Fig. 3.12 Energía embebida – Huella de CO2 Como se observa en la Fig. 3.12 la familia de materiales que menor energía embebida y menor huella de CO2 tienen son, dentro de la familia de las maderas, la paja. Si nos fijamos vemos que la energía embebida es 0 o incluso negativa y que la huella de CO2 es negativa. Esto es debido a que la materia vegetal durante su vida consumen gran cantidad de CO2 lo que produce que al sumar la huella de Co2 que se produce con la producción y el transporte sea menor que la que la planta ha producido lo que provoca que sea negativa la huella de CO2. La energía embebida puede ser 0 debido a que, como en el caso de las balas de paja, no precisa de ninguna transformación para su utilización. ¿Cuándo puede ser negativa? cuando el material pueda ser utilizado como combustible para la recuperación de energía se producirá más energía que la que el mismo material necesita para su utilización como material para la construcción. Como se ve en la gráfica el hormigón dispone de buenas características medio ambientales (mejores que la mayoría de materiales de la familia de las maderas), ya que es la familia con mejores índices de huella de CO2 y una baja energía embebida para la mayoría de los materiales de la familia. Adicionalmente vemos a la familia de los metales muy por encima en los índices de formación de CO2 en su proceso de fabricación y una cantidad de energía embebida muy grande en comparación de los materiales pétreos y los provenientes de la madera. Embodied energy, primary production (MJ/kg) -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 CO2 footprint, primary production (kg/kg) -4 -2 0 2 4 6 8 10 Technical ceramic Metal, ferrous and non-ferrous Glass Concrete, stone and brick Wood, plywood, glulam, bamboo, straw and cork 20 Fig. 3.13 Energía embebida – Huella de CO2 Observamos en la fig. 3.7 que los pétreos con una cantidad de energía embebida baja y una menor huella de CO2 son los pétreos naturales que se extraen directamente de la naturaleza y no necesitan de prácticamente ningún proceso para poder ser utilizados. Vemos que hormigones de alta densidad junto a ladrillos cara vista poseen buenas características medioambientales. Seguidamente se analiza un gráfico que nos compara la huella de CO2 del material en producción primaria con la huella de CO2 del proceso de reciclado. El programa selecciona los materiales que son capaces de ser reciclados y nos vuelca la información de estos. Embodied energy, primary production (MJ/kg) -1 0 1 2 3 4 5 CO2 footprint, primary production (kg/kg) -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Concrete, stone and brick Marble Asphalt concrete Dense concrete Autoclaved aerated concrete (AAC) Slate Sandstone Limestone Facing brick Refractory brick (low density) 21 Fig.3.14 Huella de CO2 de la producción primaria – Huella de CO2 de su reciclaje El programa nos devuelve 31 resultados de materiales que son reciclables entre los cuales se encuentran la mayoría de los materiales de la familia de los pétreos artificiales (hormigones) y gran parte de los de la familia de los metálicos. También son reciclables materiales usados en la construcción como son vidrios y la forja. Es de destacar la huella de CO2 que se produce la forja en su producción primaria y la poca que consume en su reciclado. Ahora vamos a comparar la energía embebida del material con el módulo de Young o módulo elástico El módulo de Young es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico. Para un material elástico lineal, el módulo de Young tiene el mismo valor siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico. CO2 footprint, recycling (kg/kg) 0.1 1 10 CO2 footprint, primary production (kg/kg) 0.1 1 10 Concrete, stone and brick Glass Metal, ferrous and non-ferrous Soda-Lime glass (float glass) Wrought iron Titanium alloys Bronze Copper Aluminum alloy, wrought (6061, T4) Aluminum, pure (1200, H4) Medium carbon steel Dense concrete High performance concrete Asphalt concrete 22 Fig.3.15 Energía embebida en producción primaria – Módulo de Young La zona de la gráfica más interesante para nuestro estudio de sostenibilidad en la edificación se encuentra en la zona inferior derecha. Donde existen materiales con mucho módulo elástico y una energía embebida baja. En esta zona se encuentran de nuevo los materiales pétreos como los que observamos con mayor claridad que adquieren buenas características mecánicas con energías embebidas bajas. Sin embargo como se observa los materiales metálicos adquieren propiedades mecánicas mejores aumentando significativamente la energía embebida del material. Explicaremos esto exponiendo un ejemplo: Un hormigón denso puede adquirir un módulo de young de 42 GPa con 1,3 MJ/kg, sin embargo un acero bajo en carbono posee un módulo de young de 215 GPa con una energía embebida del material de 35 MJ/kg. El módulo de Young es 5 veces mayor pero ha producido que la energía embebida y por tanto la contaminación ser multiplique 27 veces. Las maderas tampoco adquieren buenos resultados, vemos necesitan de una energía embebida de en torno a 10 veces más con unas características resistentes muy por debajo de los hormigones. Para nuestro objetivo de viviendas sostenibles es importante que los materiales dispongan de una alta resistividad térmica o lo que es lo mismo una baja conductividad térmica. Lo que mide esta propiedad es la capacidad de conducción del calor. Si comparamos resistividad térmica con la energía embebida obtenemos la siguiente tabla. Young's modulus (GPa) 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Embodied energy, primary production (MJ/kg) 0.1 1 10 100 1000 High performance concrete Dense concrete Concrete (structural lightweight) Technical ceramic Composites Metal, ferrous and non-ferrous Wood, plywood, glulam, bamboo, straw and cork Concrete, stone and brick 23 Fig. 3.16 Energía embebida – Resistividad térmica. Fig.3.17 Thermal resistivity (m.°C/W) 0.01 0.1 1 10 Embodied energy, primary production (MJ/kg) 0.1 1 10 100 1000 Technical ceramic Composites Concrete, stone and brick Metal, ferrous and non-ferrous Wood, plywood, glulam, bamboo, straw and cork 24 Como se observa la familia de los metales tienen baja resistividad térmica (alta conductividad térmica). Sin embargo los de la familia de las maderas disponen de buenas características en cuanto a resistividad térmica. En una posición intermedia están los pétreos, los cuales disponen de unas características inferiores a la de las maderas pero muy superiores a los metales en cuanto a resistividad térmica se refiere. Para la ejecución de elementos estructurales, la resistividad térmica no es una característica decisiva a la hora de la elección del material, ya que podemos suplir carencias mediante la protección de estos elementos utilizando materiales con mejores comportamientos térmicos aunque sí que debe ser motivo de estudio. A continuación se ve una lista de materiales que cumplen la condición de ser resistentes estructructuralmente y reciclables. Se encuentran ordenados por resistencia a compresión. Name Compressive strength (MPa) Low alloy steel 245 - 2.26e3 Medium carbon steel 305 - 1.76e3 Silica glass (Vycor) 1.1e3 - 1.6e3 Titanium alloys 130 - 1.4e3 High carbon steel 335 - 1.16e3 Nickel alloys 70 - 1.1e3 Cast iron, white 500 – 900 Hierro fundido Tungsten alloys 555 - 800 Cast iron, nodular (spheroidal, ductile) 229 - 799 Bronze 65 - 700 Cast iron, gray (flake graphite) 130 - 590 Stainless steel 310 – 515 Acero Inoxidable Brass 70 - 500 Copper 30 - 500 Zinc alloys 80 - 450 Low-e glass 360 - 420 Soda-Lime glass (float glass) 360 - 420 Laminated glass 370 - 410 Magnesium alloys 70 - 400 Low carbon steel 250 – 395 Acero bajo en carbono Borosilicate glass (Pyrex) 264 - 384 Aluminum/silicon carbide composite 280 - 325 Wrought iron 270 - 280 Aluminum alloy, wrought (6061, T4) 97 - 172 Aluminum, pure (1200, H4) 109 - 121 High performance concrete 55.2 - 75.8 Hormigón alta resistencia Concrete (structural lightweight) 11.3 - 28 Dense concrete 14 - 14.4 Hormigón de alta densidad Lead alloys 8 - 14 Autoclaved aerated concrete (AAC) 1.2 - 1.87 Asphalt concrete 0.5 - 1.3 Asfalto Observamos que materiales comúnmente utilizados en la edificación poseen estas propiedades ecológicas. Como principales ventajas que poseen los pétreos artificiales es que disponen de una buena resistencia a compresión lo que permite su utilización para la transmisión de cargas, en cerramientos y en multitud de aplicaciones tanto estructurales como no estructurales. Los hormigones son los más económicos y tienen una gran durabilidad hasta en atmosferas exigentes como la marina, la energía embebida del material junto a la huella de CO2 es la más baja, es decir, son respetuosos con el medio ambiente, son materiales reciclables y son los que 25 menor huella de CO2 producen en su reciclado exceptuando un material de la familia de los metálicos (la forja), disponen de una buena relación módulo elástico - energía embebida. Las principales desventajas es la incapacidad de trabajar a tracción y por ello a flexión. Las ventajas de los materiales metálicos son principalmente las resistencias tanto a compresión, a flexión, módulo de Young… Son materiales muy resistentes que pueden absorber gran cantidad de tensión antes de romper (Aceros bajos en carbono) y por lo tanto que ofrecen coeficientes de seguridad muy altos. Desventajas tienen bastantes, sobre todo en el ámbito de nuestro estudio de sostenibilidad. Los materiales de la familia de los metálicos que utilizamos en la construcción de estructuras son abundantes en la naturaleza pero debido a los procesos de transformación para su utilización requieren de gran cantidad de energía y producen mucho CO2. Por lo tanto no son respetuosos con el medio ambiente por lo que debemos limitar su uso. Al necesitar de gran cantidad de energía tanto para su fabricación, como para su montaje y transporte produce que el precio de este material sea muy superior a otros, lo que puede provocar que un proyecto deje de ser viable. Su durabilidad está muy comprometida a la protección que se le aplique y a un correcto mantenimiento, lo que perjudica su utilización. Su conductividad térmica y eléctrica son muy altas lo que no beneficia su uso en la construcción. La familia de las maderas tampoco adquiere un buen resultado medioambiental, las maderas tienen una energía embebida y una huella de CO2 mayor que los pétreos aunque menor que los metales. Disponen de una resistencia media-baja en comparación con pétreos y metales aunque son capaces de trabajar tanto a compresión como a tracción. Son biodegradables y renovables. Por ello la durabilidad de la madera es menor a otros materiales. La solución medioambiental óptima parece estar en la utilización de estructuras de hormigón armado. Solución óptima porque: Solución con baja energía embebida y baja huella de CO2 (mayor que en el hormigón en masa) Durable. Hormigón como pasivador de armaduras. Resistente a todo tipo de solicitaciones gracias al acero. Económico gracias a la sección de hormigón. Conductividad térmica aceptable y no conductor de la electricidad. 32 poliéster. Las resinas epoxi son la base de los materiales compuestos basados en fibra de carbono o de poliaramida. Actualmente, cada vez se utilizan más materiales reforzados con fibras que sean más baratos y de menor impacto medioambiental. Para ello se están reforzando muchos polímeros con fibras provenientes de productos naturales como el lino o la fibra de coco. Cada vez se utilizan más en la industria del automóvil donde según una directriz de la UE para el 2015 el 95 % de la masa de un coche debe ser reutilizable. Además, si las fibras de refuerzo vienen de vegetales, el impacto medioambiental total en la fabricación de las piezas es mucho menor. Tabla 5.1. Propiedades de algunas fibras naturales que se utilizan en materiales compuestos. En la tabla 5.1 se dan los valores de la densidad, contenido de humedad, elongación antes de la ruptura, resistencia a la ruptura y módulo de Young de diferentes fibras naturales. Se está dedicando mucho esfuerzo de investigación en la fabricación de materiales compuestos completamente “ecológicos” o “verdes”. En ellos se refuerza la matriz del polímero natural (p. Ej. celulosa) con fibras de origen vegetal (p. Ej. fibra de lino). Ya existen polímeros comerciales completamente “verdes” y se prevé que su producción aumente en el futuro (aunque actualmente los precios son mayores que los análogos obtenidos del petróleo). Hay varios tipos de materiales compuestos para la construcción y desde el tiempo de los egipcios se conocía el adobe que consiste en una mezcla de fibra de paja en una matriz de arcilla (con agua) para dar una pasta moldeable de la que se hacían ladrillos (con la forma deseada) y que se ha utilizado como cemento en construcciones. Actualmente, el hormigón es un material más importante y más usado como componente estructural en la construcción. El hormigón es un material compuesto formado por partículas dispersas (grava y arena) de gran tamaño (0.5 – 20 mm) generalmente SiO2 en una matriz dura de silicatos y aluminatos (aglutinantes) que provienen de la hidratación del cemento (generalmente Portland, aunque 33 hay otros como los de alto contenido en aluminio). La pasta moldeable original se forma por la agitación física de las cantidades adecuadas de cemento Portland, agua, aditivos, adiciones, agregado fino y grueso. La pasta del cemento actúa en el hormigón como aglutinante y mantiene unidas las partículas. El hormigón es un material compuesto y tiene una resistencia a la compresión mucho mayor que a la tensión. La mejora de las propiedades de resistencia a la tracción se puede llevar a cabo mediante el refuerzo con barras de acero (que pueden estar pretensadas). 5.4 Historia del Pykrete En 1942, Geoffrey Pyke logró convencer a Lord Mountbatten de su proyecto, un barco de hielo. La idea de un barco de hielo impresionó a los Estados Unidos y Canadá. El buque de 18 m de largo y 1000 toneladas fue construido en un mes en el lago Patricia en las montañas rocosas canadienses. Sin embargo fue construido con hielo normal y no con Pykrete. El barco le costó poco más de un verano en derretirse, pero el hielo normal había demostrado ser lo suficientemente fuerte. Más tarde Pyke aprendió de un informe de Herman Mark, el cual afirmaba que el hielo hecho con agua mezclada con fibras de madera formaba un conglomerado mucho más fuerte que con agua pura. Entonces, un día, Pyke entregó un informe que decía le resulta difícil de entender, redactado por Herman Mark, antiguo profesor de química física en Viena, que había perdido su puesto allí cuando los nazis invadieron Austria, y encontró un refugio en el Instituto Politécnico de Brooklyn. Como experto en plásticos, sabía que muchos de ellos eran frágiles en estado puro, pero pueden ser endurecidos por las fibras de inserción, tales como la celulosa en ellos, así como de concreto puede ser reforzada con alambres de acero. Mark y su asistente, Walter P. Hohenstein, agitaron un poco de algodón o pulpa de madera en agua y encontraron que estas adiciones habían fortalecido el hielo de forma espectacular. Cuando se leyó su informe, se paralizaron todos los experimentos con hielo puro y se estableció un laboratorio para la fabricación y las pruebas de hielo reforzado. Operaciones Combinadas requisó una gran tienda de carne de cinco pisos subterráneos debajo de mercado de Smithfield y se construyó un túnel de viento grande para congelar la pasta de madera húmeda. Las pruebas pronto confirmaron los resultados de Mark y Hohenstein. Los bloques de hielo que contienen fibras de madera fueron tan fuerte como el hormigón. Por ello en honor del iniciador del proyecto, llamamos a este hielo reforzado "Pykrete". La primera prueba a la que fue sometido el Pykrete fue el de impacto. Le dispararon una bala de fusil en un bloque vertical de hielo puro, el bloque se desmenuzó en pedazos, en el bloque de Pykrete la bala hizo un pequeño cráter y se incrustó sin causar ningún daño. El Pykrete tenía una finalidad, construir un portaaviones enorme, en realidad se parecía más a una isla flotante, por ello los experimentos de Perutz y sus colaboradores en el mercado de 34 carne de Smithfield en la ciudad de Londres se llevó a cabo con gran secreto. Las pruebas confirmaron que Pykrete era mucho más fuerte que el hielo puro. A pesar de estas pruebas, el proyecto Habacuc nunca se puso en marcha debido a las limitaciones de fondos. 5.5 Características del Pykrete. Durante la historia se han utilizado los materiales abundantes en la naturaleza para utilizarlos para la construcción. Un claro ejemplo lo encontramos en una de las siete maravillas del mundo, en petra, donde se ha esculpido en la propia montaña. El PYKRETE es un material compuesto formado por una matriz continua formada por hielo en un 86% que rodea una fase dispersa a base de fibras de madera (serrín) en un 14% en peso. Basado en criterios de la microestructura, el Pykrete es un material compuesto reforzado con fibras. El Pykrete tiene algunas propiedades interesantes, en particular, su tasa de fusión relativamente lenta (debido a la baja conductividad térmica), su resistencia y dureza. El Pykrete lo podemos considerar un material compuesto, puesto que está formado por dos materiales diferentes que presentan algunas propiedades físicas determinadas en su conjunto superiores a las de los materiales que lo constituyen. Un ejemplo es el adobe reforzado con paja, la misión de ésta en el adobe es reducir el agrietamiento interno del barro producido por 35 su secado al sol. Por tanto la paja no tiene una misión resistente estructural dentro del adobe, sino, disminuir su agrietamiento con el consiguiente aumento de la resistencia mecánica. Otro ejemplo sería el hormigón armado, el hormigón, por sí solo resiste bien las compresiones pero tiene un mal comportamiento en los esfuerzos de tracción, sin embargo, el hormigón armado, gracias a las propiedades resistentes del acero ante los esfuerzos de tracción, hace que se puedan realizar elementos estructurales que se encuentren sometidos a flexión, y por tanto, traccionados en alguna zona. Un ejemplo que ilustra lo anterior: consideramos una probeta paralelepipédica de 100x100x400 mm como se indica en la figura 5.2. La resistencia a flexión ensayado en cuatro puntos para el hielo es 1,37 MPa Sin embargo para una probeta hecha de Pykrete (hielo y serrín) obtendríamos un material compuesto capaz de soportar 4,34 MPa a flexión, se incrementaría unas tres veces la resistencia que del hielo. Mediante otras adiciones de fibras naturales como fibras de bamboo, la carga a flexión que resiste es de 11,30 MPa, se observa que se incrementa ocho veces la resistencia del hielo y entorno a dos o tres veces la que resiste el Pykrete. = 1,37 MPa Fmáxima = 4,55 KN = 4,34 MPa Fmáxima = 14,48 KN = 11,30 MPa Fmáxima = 37,68 KN Fig.5.2 Resultados ensayos flexión. F F F 36 Su resistencia a compresión es de 15,50 MPa aunque sabemos que es mayor. Su resistencia a flexión es de 4,34 MPa. (1,37 MPa Hielo puro) Su densidad 960 kg/m3 Gran facilidad de reparación de fisuras y grietas. Resistencia a las heladas: MUY BUENA Moldeabilidad: BUENA Baja energía embebida Baja huella de CO2 Muy económico. 6. Estado del arte 6.1 Materiales Los materiales utilizados en la fabricación del Pykrete son agua y fibras de madera básicamente, en nuestro caso hemos utilizado agua potable con bajo contenido en sodio y serrín utilizando dosificaciones distintas. 6.1.1 Agua El agua es el componente principal del Pykrete, empleándose desde el amasado del mismo como para su vinculación con las fibras de madera y su objetivo final de transmisión de cargas. El agua en el Pykrete tiene las siguientes misiones: la primera es la de hidratar y saturar las fibras de madera para que exista una unión entre el hielo y las fibras y la segunda es actuar como lubricante haciendo posible que la masa fresca sea trabajable. El agua debe encontrarse limpia de impurezas con el fin de no exista ningún vínculo que impida la adherencia de las partículas de serrín con la masa de hielo. El agua de mar en ningún caso podrá ser utilizada para tal fin siempre que se acredite su viabilidad en laboratorio o proceda de desaladora con capacidad para producir agua potable con baja cantidad en sodio. 6.1.2 Fibras de madera Las fibras son elementos de diferentes longitudes dependiendo de la granulometría, largas si las comparamos con su sección que se incorporan para darle unas determinadas propiedades. 37 Estas fibras en el caso del Pykrete deben ser consideradas en el cálculo debido a que proporcionan una resistencia extra a la masa ante solicitaciones pero también debe de considerarse por aportar una mejor relación de propiedades como evitar la fisuración por el aumento de volumen experimentado por la masa, incremento de la resistencia a la abrasión, al impacto… Se pueden utilizar todos los tipos de fibras existentes, la utilización de uno u otro debe estar asociada a la resistencia que deba aportar, a la economía, a la disponibilidad... Se podrán disponer de fibras de distinta naturaleza y dimensiones siempre que exista adherencia entre las fibras y el hielo. Se debe realizar un ensayo del laboratorio que nos indique si la adherencia es buena y si la resistencia de las fibras también lo es para unas solicitaciones determinadas. 6.1.2.1 Bamboo El bambú es uno de los materiales usados desde más remota antigüedad por el hombre para aumentar su comodidad y bienestar. En el mundo de plástico y acero de hoy, el bambú continúa aportando su centenaria contribución y aun crece en importancia. 38 La variedad en las características mecánicas del bambú como cilindro hueco sigue siendo tan grande por la densidad del material dentro de las paredes del tubo y los discos del nudo perpendicular. La sección transversal de bambú se diferencia en una zona oscura exterior de aproximadamente el 30% y una zona blanca porosa interior del 70%. La acumulación de fibras de alta resistencia en la zona externa hace que sea efectivo a las fuerzas de tracción, flexión y cortante, teniendo gran elasticidad. Al igual que la madera, al aumentar la carga, se reduce el módulo de la elasticidad (5-10%). Para el cálculo en construcciones se puede utilizar un módulo de elasticidad de 2. 000 kN/cm². La zona exterior tiene una firmeza a la tracción de dos a tres veces más que el interior. En los nudos esta firmeza es moderada, puesto que las fibras se cruzan, teniendo que los nudos disminuyen la firmeza a la tracción. También con palos de más de 5 años su firmeza a tracción se reduce. Sin embargo, la fuerza de compresión aumenta con la edad. Los resultados de una prueba determinaron que: las cañas de bamboo de 6 años tienen una resistencia de compresión 2,5 veces más, que una de un ano. Las secciones de un tubo con nudos tienen unas características mecánicas sobre el 8% más altas que los que no tienen nudo, al aplicarle cargas de compresión paralelas a las fibras. Con la presión perpendicular a las fibras los nudos absorben la fuerza hasta en un 45%, comparándolos con los que no tienen nudo. Los aspectos que influyen en la densidad de los vasos para aumentar la firmeza a la presión son la altitud de la zona y la edad de los tallos. La firmeza a las acciones de la fuerza cortante es más alta con los tallos delgados que con los gruesos, debido a la proporción de fibras de alta resistencia por la sección transversal. Las secciones con nudos tienen una firmeza a las fuerzas cortante 50% más alta que las intersecciones. El bamboo demuestra una eficiente capacidad de carga a las fuerzas de compresión. En este material no ocurre un rompimiento sorpresivo de sus paredes por efecto de las sobrecargas de compresión. En las pruebas, es más frecuente que ocurran fisuras por el efecto de corte. En las secciones del bamboo que resisten altas cargas de las fuerzas de corte, se rellenan con hormigón para su refuerzo. Debido al alto grado de ácido silícico de la corteza y a su alta densidad, se puede clasificar al bambú en como un material poco inflamable. La susceptibilidad al fuego depende en particular de las posiciones de las unidades de la construcción, las dispuestas en horizontal son menos susceptibles que las verticales o las diagonales. Con un palo de bambú horizontal las llamas se extienden como anillo al nudo siguiente. Allí el fuego se apaga, ya que la llama no puede conseguir el nudo ni el diafragma al próximo entrenudo. Si el entrenudo estalla en grietas transversales o longitudinales, el oxígeno entrante contribuye con la combustión, con las grietas transversales se reduce la capacidad de carga. Si uno llena un palo de bambú con agua y se coloca fuego debajo de ella, esta puede llegar a hervir, debido a que el palo de bamboo puede resistir temperaturas de 400°C. 39 Algunas de las características más destacadas del bamboo son: - Es ligero y flexible - Tiene un bajo costo - Tiene una buena resistencia sísmica - Tiene una baja resistencia a los huracanes - Tiene una baja resistencia a la lluvia - Tiene una baja resistencia a los insectos 6.1.2.2 Madera de níspero La madera del níspero es fuerte y duradera, los dinteles de madera que formaron el apoyo de las vigas en los templos mayas se han encontrado intactos en las ruinas. También se ha utilizado para traviesas de ferrocarril, pisos, carretas nativas, mangos de herramientas, lanzaderas y gobernantes. Entre las propiedades de la madera existen ventajas como la facilidad de labrado, la baja densidad, su resistencia mecánica, sus propiedades térmicas y acústicas, y su belleza. Los inconvenientes son la alta combustibilidad, la inestabilidad volumétrica, y su putrefacción Propiedades físicas: Anisotropía: la madera es un material anisótropo, o sea que se comporta diferente según la dirección de las fibras. Es más fácil cepillarla en el sentido de las fibras que transversalmente. Con el corte sucede lo opuesto. Resistencia: la madera posee excelentes cualidades para el trabajo a tracción, debido a su estructura de fibras direccionales. Alcanza el máximo de resistencia cuando la tracción tiene dirección paralela al sentido de las fibras, pero cuando es perpendicular a las fibras, presenta una resistencia mínima. La flexión es un esfuerzo compuesto por dos fuerzas, una de tracción y otra de compresión. En este caso, la madera tiene una resistencia máxima cuando la fuerza actuando es perpendicular a la fibra, y la resistencia mínima es cuando los esfuerzos son paralelos al hilo. Flexibilidad: la madera acepta ser curvada o doblada mediante calor, humedad, o presión. Es más fácil doblar una madera verde que una seca. Las maderas blandas son más flexibles que las duras. Dureza: es una de las propiedades de la madera por la cual, la dureza se relaciona directamente con la densidad, a mayor densidad, mayor dureza. Peso específico o densidad: depende del contenido de agua de la madera. Conductividad térmica: en la madera seca, quedan células que perdieron el agua y encierran burbujas de aire que hacen que se comporte como aislante térmico. Es más aislante en el sentido de la fibra, que en el sentido perpendicular a la fibra. Propiedades térmicas: 40 Como todos los materiales, la madera dilata con el calor y contrae al descender la temperatura, pero este efecto no suele notarse pues la elevación de temperatura lleva consigo una disminución de la humedad, como esto último es mayor, lo otro es inapreciable. También son mayores los movimientos en la dirección perpendicular a las fibras. La transmisión de calor dependerá de la humedad, del peso específico y de la especie. No obstante, se efectúa mejor la transmisión en la dirección de las fibras que en las direcciones perpendiculares a ésta Propiedades eléctricas: La Madera seca es un buen aislante eléctrico, su resistividad decrece rápidamente si aumenta la humedad. Para un grado de humedad determinado la resistividad depende de la dirección (es menor en la dirección de las fibras), de la especie (es mayor en especies que contienen aceites y resinas) y del peso específico (crece al aumentar el mismo). Propiedades mecánicas: Dureza: es la resistencia opuesta por la madera a la penetración o rayado. Interesa por lo que se refiere a la facilidad de trabajo con las distintas herramientas y en el empleo de la madera en pavimentos. Es mayor la dureza del duramen que la de la albura y la de la madera vieja que la de la joven. Resistencia a la Compresión: influyen varios factores: La humedad: en general, por debajo del punto de saturación de las fibras (30%), la resistencia a compresión aumenta al disminuir el grado de humedad, no obstante, a partir de ese % la resistencia es prácticamente constante. También la dirección del esfuerzo tiene una gran repercusión en la resistencia a compresión de la madera, la máxima corresponde al esfuerzo ejercido en la dirección de las fibras y va disminuyendo a medida que se aleja de esa dirección. Su resistencia a compresión paralela a la fibra es elevada, alcanzando valores característicos de 16 a 23 N/mm2. Su resistencia a compresión perpendicular a la fibra es muy inferior a la de la dirección paralela. Sus valores característicos varían entre 4,3 y 5,7 N/mm2, lo que representa la cuarta parte de la resistencia en dirección paralela a la fibra. La rotura en compresión se verifica por separación de columnillas de madera y pandeo individual de éstas. Cuanto mayor es el peso específico, mayor es su resistencia. Resistencia a la Tracción: la madera es un material muy indicado para el trabajo a tracción, su uso en elementos sometidos a este esfuerzo sólo se ve limitado por la dificultad de transmitir a dichos elementos los esfuerzos de tracción. También influye el carácter anisótropo de la madera, siendo mucho mayor la resistencia en dirección paralela (oscilan entre 8 y 18 N/mm2) que en perpendicular a las mismas (del orden de 30 a 70 veces menos que en la dirección paralela). La rotura en tracción se produce de forma súbita, comportándose la madera como un material frágil. La resistencia no estará en función del peso específico. Resistencia al Corte: es la capacidad de resistir fuerzas que tienden a que una parte del material se deslice sobre la parte adyacente a ella. Este deslizamiento, puede tener lugar paralelamente a las fibras; perpendicularmente a ellas no puede producirse la rotura, porque 41 la resistencia en esta dirección es alta y la madera se rompe antes por otro efecto que por éste. En las piezas sometidas a flexión y a cortante, las tensiones que intervienen son conjuntamente las de cortadura y deslizamiento. Sus valores característicos (pordeslizamiento) varían entre 1,7 y 3,0 N/mm2 Resistencia a la Flexión: puede decirse que la madera no resiste nada al esfuerzo de flexión en dirección radial o tangencial. No ocurre lo mismo si está aplicado en la dirección perpendicular a las fibras. Un elemento sometido a flexión se deforma, produciéndose un acortamiento de las fibras superiores y un alargamiento de las inferiores. Al proyectar un elemento de madera sometido a flexión no sólo ha de tenerse en cuenta que resista las cargas que sobre él actúan, es necesario evitar una deformación excesiva, que provoque un agrietamiento en el material de revestimiento o alguna incomodidad de cualquier otro tipo, bastaría con aumentar el canto de la pieza aumentando la rigidez. Elasticidad: el módulo de elasticidad en tracción es más elevado que en compresión. Este valor varía con la especie, humedad, naturaleza de las solicitaciones, dirección del esfuerzo y con la duración de aplicación de las cargas. En la práctica se utiliza un único valor del módulo de elasticidad para la dirección paralela a la fibra. Su valor varía entre 7.000 y 12.000 N/mm2. Hendibilidad: propiedad que presenta la madera de poderse romper a lo largo de las fibras, por separación de éstas, mediante un esfuerzo de tracción transversal. Es una cualidad interesante cuando se trata de hacer leña, en cambio es perjudicial cuando la pieza ha de unirse por clavos o tornillos a otras adyacentes. 6.1.3 Aditivos Como línea de trabajo futura se podrían estudiar sustancias que ayuden al agua a congelarse antes… que aporte un punto de fusión más bajo al hielo para que fragüe antes. También se puede estudiar la posibilidad de añadir colorantes a las fibras y crear tonalidades diferentes. Otro apartado muy interesante es la de añadir cohesionantes, que aportan cohesión a la mezcla cuando esta no dispone de los finos necesarios. Son derivados de la celulosa lo que nos aportará una cantidad extra de fibras de granulometría muy pequeña comparable a los finos en el hormigón. 7. Memoria de Laboratorio. Los ensayos se han realizado en el laboratorio de materiales del departamento de construcciones arquitectónicas del la escuela técnica superior de ingeniería de la edificación. 11/04/2011 El lunes 11 de abril se han realizado 4 probetas. 48 49 14/04/2011 50 Se ha realizado las pruebas de carga a las probetas. 1) Se ha comenzado con la probeta hecha de Pykrete 14 (14% serrín, 86% agua). Los resultados han sido: Resistencia a compresión 155,26 kN = 15,526 MPa Resistencia a flexión 14,48 kN = 4,344 MPa 51 Observaciones: El material ha sufrido una rotura frágil. 2) Para la probeta realizada Pykrete14 + fibras de bamboo los resultados han sido: Resistencia a compresión 153,9 kN = 15,39 MPa Resistencia a flexión 37,68 kN = 11,304 MPa 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 0 1 2 3 4 5 6 Pykrete 14% Mpa 52 NOTA: El palpador se quedó corto para el ensayo. 3) Para la probeta realizada con Pykrete14 + fibras de madera los resultados han sido: Resistencia a compresión 161,3 kN = 16,13 MPa Resistencia a flexión 31,89 kN = 9,567 MPa 0 2 4 6 8 10 12 0 1 2 3 4 5 Pykrete 14% + Fibras Bamboo Mpa 53 54 Probeta ensayada a compresión. Al ensayar la probeta a compresión, no hemos conseguido su rotura completa ya que al hacer presión con las planchas metálicas el hielo se convertía en agua lo que impidió efectuar el ensayo completo. 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 Pykrete 14% + Fibras de madera Mpa 55 18/04/2011 Se ha realizado 4 probetas. 1) Probeta patrón sólo agua. (HIELO) 2) Probeta de PY 4. La dosificación en peso de la masa de Pykrete 4 son un 4% de serrín y un 96% de agua. 3) Probeta de PY 4 + Fibras de esparto + Bamboo. La dosificación en peso de la masa de Pykrete 4 son un 4% de serrín y un 96% de agua. Hemos añadido 30g de fibras de esparto y 80g de fibras de bamboo. 4) Probeta de PY 14 + Fibras de esparto + Bamboo. La dosificación en peso de la masa de Pykrete 14 son un 14% de serrín y un 86% de agua. Hemos añadido 60g de fibras de esparto y 120g de fibras de bamboo. 19/04/11 Se ha realizado las pruebas de carga a las probetas. Se ha comenzado con la probeta patrón. (HIELO). Los resultados han sido: 1) Probeta patrón sólo agua. (HIELO) 56 Resistencia a flexión 4,55 kN = 1,365 MPa Observaciones: Rotura frágil 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 0,05 0,1 0,15 0,2 HIELO Mpa 57 2) Probeta de PY 4. La dosificación en peso de la masa de Pykrete 4 son un 4% de serrín y un 96% de agua. 64 Pykrete 4% + Esparto + Fibra bamboo Pykrete 14% + Esparto + Fibra bamboo DOSIFICACIÓN Kg/m3 DOSIFICACIÓN Kg/m3 Serrín 0,200 Serrín 0,700 Agua 4,800 Agua 4,300 Esparto 0,030 Esparto 0,060 Fibra bamboo 0,080 Fibra bamboo 0,120 Estado endurecido Estado endurecido 24 h Fuerza(KN) Resistenc(Mpa) 24 h Fuerza(KN) Resistenc(Mpa) Flexión 39,72 11,916 Flexión 51,05 15,315 Compr. Compr. Se ha procedido a la extracción de un testigo para la obtención de una fotografía electrónica para ver cómo se encuentran unidas las partículas que componen el Pykrete. El procedimiento es sencillo, hemos vertido una lechada de escayola sobre la superficie del material y se ha contenido mediante un molde. 65 Más tarde hemos dejado descongelar la pieza y se ha obtenido el contra molde. Hemos llevado la muestra al laboratorio, en donde le han dado un baño de oro para que la muestra pueda ser utilizada en el microscopio electrónico ya que la superficie debe ser conductora de la electricidad. 66 Los resultados en el laboratorio de la fotografía electrónica son las siguientes: 67 En esta fotografía podremos observar la gran cantidad de fibras dispuestas en todas las direcciones, de forma que estas partículas forman un encamisado interno que atan la masa en todas las direcciones 68 69 En las fotografías anteriores hemos obtenido un nivel de aumento mayor que la anterior donde se aprecia con claridad la rugosidad y su apariencia fibrosa dentro de la masa. La rugosidad aumenta la superficie de contacto lo que permite un aumento en las propiedades mecánicas del material compuesto. Dentro de cada estructura fibrosa vemos que existe una naturaleza laminar lo que produce mejoras en el comportamiento de estas fibras. En la fotografía anterior vemos una zona del material en donde existe una dirección predominante. Esta zona podría estar situada en la zona de rotura del material, al producirse el colapso de la probeta a unas determinadas solicitaciones, se ha producido sobre el material unos cráteres característicos, también pensamos en la posibilidad de que estos cráteres sea consecuencia de una limpieza manual provocada en el laboratorio a la hora de la extracción de la probeta. Pensamos en esta posibilidad ya que aunque en la fotografía se observa una gran cantidad de cráteres en la misma dirección existen zonas como en la esquina superior derecha en donde no se observan estas características. 70 En esta fotografía se observan claramente la gran densidad de fibras y como se encuentran dispuestas en todas las direcciones, lo que ayuda a que trabaje toda la sección del material como una sola (un ejemplo para que se entienda sería como los cercos en vigas y pilares de hormigón armado, encargados de encamisar o comprimir la sección para que trabaje mejor a las solicitaciones de cortante fundamentalmente) 8. Resultados y análisis. En este apartado se estudian las propiedades y características del Pykrete. Se analizan los resultados obtenidos en el laboratorio así como otras propiedades obtenidas en bibliografía. Dia Ensayo Compresión Flexión 1 Hielo+Fmadera 9,14 8,50 Mpa 2 Pycreto14 15,53 4,34 Mpa 2 Py14+Bamboo 15,39 11,30 Mpa 2 Py14+Madera 16,13 9,57 Mpa 3 Hielo 6,00 1,37 Mpa 3 PY4 - 2,17 Mpa 3 PY4+ESPART+BAMB - 11,92 Mpa 3 PY14+ESPART+BAMB - 15,32 Mpa *Valor obtenido de bibliografía específica 71 La resistencia a compresión se ha duplicado gracias a la aplicación de agua con serrín. Y ha aumentado mucho la resistencia a flexión. La resistencia a compresión ha sido un valor difícil de probar ya que ninguna de las probetas llegó a romper simplemente se deshacía antes de romper. La adherencia del bamboo es inferior pero su resistencia es la mayor de todas las fibras naturales, por ello el objetivo que nos hemos marcado ha sido conseguir fibras más finas para aumentar significativamente la adherencia y disminuir el grado de incertidumbre que disponíamos con fibras mayores ya que existía gran probabilidad de que no se encontraran en toda la pieza. Resistencia a compresión. En los ensayos se han obtenido unos resultados muy superiores gracias a la adición de fibras en la fase dispersa del Pykrete. Así, en los ensayos a compresión realizados con las probetas testigo de hielo se ha obtenido un resultado muy inferior a las probetas reforzadas con fibras a nivel microscópico. Además las probetas con fibras disponían de mejores características térmicas ya que (al igual que en las maderas cuando se produce un incendio la parte calcinada protege al interior de la pieza) en las probetas cuando la capa superficial se deshacía las partículas de fibras de madera protegían y aislaban térmicamente al resto de la masa lo que reducía drásticamente su transmisividad térmica. En las probetas de hielo reforzadas con fibras de madera a nivel macroscópico han mejorado sustancialmente las propiedades mecánicas del hielo puro aunque sigue existiendo una gran diferencia a las reforzadas a nivel microscópico, las cuales disponen de características potencialmente buenas. Resistencia a flexión. Las mayores resistencias a flexión las aportan la dosificación adecuada de fibras, de tamaño microscópico y macroscópico. Como se observa en la tabla las mayores resistencias se han obtenido con una masa de Pykrete al 14%, fibras de bamboo y esparto. Las fibras de bamboo y del esparto tienen una gran resistencia a tracción. Las fibras del esparto son finas, largas y muy resistentes lo que permiten que aguanten gran resistencia a flexión. El problema que hemos detectado es que son fibras muy resistentes y muy finas, cuando existe una deformación actúan a modo de cuchillos que ejercen una gran solicitación a cortante intersticial que cortan la probeta. La adherencia de estas fibras ha sido magnifica debido a la gran longitud que tienen frente a su diámetro muy reducido. Una de las ideas que hemos tenido a cerca de esto es diseñar una maya o cables con esparto a modo de armaduras a tracción que se dispongan dentro de la masa y le aporten de todas las ventajas del esparto reduciendo el efecto cortante sobre la masa de Pykrete. 72 73