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MÁSTER EN INGENIERÍA AMBIENTAL PROYECTO FIN DE MÁSTER
DESARROLLO DE MATERIALES ABSORBENTES ACÚSTICOS A PARTIR DE RESIDUOS AGRÍCOLAS
AUTORA: MARTA PAREJO GAMBOA TUTOR: CARLOS LEIVA FERNÁNDEZ NOVIEMBRE 2013
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
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INDICE
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Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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DESARROLLO DE MATERIALES ABSORBENTES ACÚSTICOS A PARTIR DE RESIDUOS AGRÍCOLAS
ÍNDICE GENERAL 1. INTRODUCCIÓN 11 1.1 EL RUIDO 11 1.1.1 Diferencia entre sonido y ruido 12 1.1.2 Conceptos fundamentales, definiciones, notaciones, unidades 13 1.1.3 Distribución espacial del sonido 1.1.3.1 Absorción acústica
19
20
1.1.3.2 Reflexión acústica 21
1.2 CONTAMINACIÓN ACÚSTICA 22 1.2.1 Fuentes de contaminación acústica 23 1.2.2 Efectos sobre la salud 23 1.2.3 Índices de valoración de ruidos 26 1.2.4 Control de la contaminación acústica 27
1.3 MARCO LEGAL 30 1.3.1 España 30 1.3.2 Andalucía 31 1.3.3 Europa 32
1.3.4 Normativa 32 1.3.4.1. Normas de Laboratorio
32
1.3.4.2. Normas de mediciones in-situ 1.3.4.3. Otros procedimientos
33
34
1.4. AISLAMIENTO ACÚSTICO EN EDIFICACIÓN 34 1.4.1 Formas de transmitir el ruido en las estructuras 34 1.4.1.1 Ruido aéreo: medición y magnitudes relacionadas Índices de aislamiento 36 1.4.1.2 Sistemas constructivos y aislamiento a ruido aéreo 37 1.4.1.3 Ruido de impacto. Magnitudes relacionadas:
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índices Ln,w y ∆Lw
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1.4.1.4. Sistemas de aislamiento a ruido de impacto 41
1.5 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ABSORBENTES MÁS COMUNES EN EDIFICACIÓN 42 1.5.1. Tipos de materiales 46 1.5.1.1 Lanas minerales: lana de roca y fibra de vidrio 47 1.5.1.2 Virutas de madera aglomerada 49 1.5.1.3 Materiales blandos a flexión (espuma de poliéster, resina de melanina, resina de poliuretano) 50
1.6 MODELOS MATEMÁTICOS DE ABSORCIÓN ACÚSTICA PARA MATERIALES DE TIPO POROSO 51 1.6.1 Impedancia acústica de materiales porosos
52
1.6.2 Modelo de Delany y Bazley 56 1.6.3 Modelo de Miki 57 1.6.4 Modelo de Allard y Champoux 58 1.6.5 Modelo de Zwikker y Kosten 60 1.6.6 Cálculo del coeficiente de absorción acústica a partir del modelo de Zwikker y Kosten 62
2. ANTECEDENTES 65 2.1 INTRODUCCIÓN 66 2.2 CASCARILLA DE ARROZ 68 2.3 ESTADO DEL ARTE 71 2.3.1 Reutilización de cascarillas de arroz 71 2.3.2 Reutilización de residuos en materiales acústicos 76
3. OBJETO Y ALCANCE 81
4. MATERIALES Y MÉTODOS 83 4.1 MATERIALES 84 4.1.1 Cascarilla de arroz 84 4.1.2 Resina epoxi 86 4.1.3 Resina Ceys
87
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4.1.4 Resina de poliéster 87 4.1.5 Vermiculita 88 4.1.6 Espuma de poliuretano 89 4.1.7 Lana de roca
89
4.1.8 Fibra de vidrio 90
4.2 MÉTODOS DE CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
91
4.2.1 Caracterización química y física 91 4.2.1.1 Porosidad abierta 91 4.2.1.2 Densidad aparente 92
4.2.2 Caracterización de las propiedades mecánicas 94 4.2.2.2 Resistencia a compresión 94
4.2.3 Caracterización de las propiedades acústicas 95 4.2.3.1 Coeficiente de absorción acústica 95 4.2.3.2 Coeficiente de reducción de ruido (NRC) 101 4.2.3.3 Coeficiente de evaluación de la absorción acústica (DLα) 101
4.3 MÉTODO DE FABRICACIÓN DE PROBETAS 101 4.3.1 Relación de muestras fabricadas para ensayo 101
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 101 5.1 ESTUDIO DE UN MATERIAL ABSORBENTE ACÚSTICO 111 5.2 RATIO RESINA/CATALIZADOR 111 5.2.1 Propiedades físicas y mecánicas 112 5.2.1.1 Porosidad abierta 113 5.2.1.2 Densidad aparente 114 5.2.1.3 Resistencia a compresión 115 5.2.2 Propiedades acústicas 116 5.2.2.1 Coeficiente de absorción acústica 116 5.2.2.2 Índice de evaluación de la absorción acústica y coeficiente de reducción de ruido 117
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5.3 RATIO MEZCLA/BIOMASA 119 5.3.1 Propiedades físicas y mecánicas 119 5.3.1.1 Porosidad abierta 120 5.3.1.2 Densidad aparente 120 5.3.1.3 Resistencia a compresión 121 5.3.2 Propiedades acústicas 121 5.3.2.1 Coeficiente de absorción acústica 122 5.3.2.2 Índice de evaluación de la absorción acústica y coeficiente de reducción de ruido 124
5.4 COMPOSICIÓN ÓPTIMA 125 5.4.1 Influencia de la longitud de probeta en las propiedades acústicas del material acústico absorbente 126 5.4.1.1 Coeficiente de absorción acústica 127 5.4.1.2 Índice de evaluación de absorción acústica y coeficiente de reducción de ruido 129
5.5 COMPARACIÓN CON DISTINTAS RESINAS 131 5.5.1 Propiedades físicas y mecánicas 132 5.5.1.1 Densidad aparente y resistencia a compresión 132 5.5.2 Propiedades acústicas 133 5.5.2.1 Coeficiente de absorción acústica 133 5.5.2.2 Índice de evaluación de la absorción acústica y coeficiente de reducción de ruido 134
5.6 DESARROLLO DE UN MATERIAL ACÚSTICO ABSORBENTE A BASE DE VERMICULITA 136 5.6.1 Propiedades físicas y mecánicas 137 5.6.1.1 Porosidad abierta
137
5.6.1.2 Densidad aparente 138 5.6.1.3 Resistencia a compresión 139 5.6.2 Propiedades acústicas 140 5.6.2.1 Coeficiente de absorción acústica 140 5.6.2.2 Índice de evaluación de absorción acústica
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y coeficiente de reducción de ruido 142
5.7 COMPARACIÓN DE PROPIEDADES ACÚSTICAS CON MATERIALES COMERCIALES 143 5.7.1 Propiedades acústicas de los diferentes materiales 143 5.7.1.1 Coeficiente de absorción acústica 143 5.7.1.2 Índice de evaluación de la absorción acústica y coeficiente de reducción de ruido 144
5.8 ANÁLISIS DE COSTES MATERIALES ABSORBENTES ACÚSTICOS
146
6. CONCLUSIONES 147
7. BIBLIOGRAFÍA 150
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Efectos del ruido 27 Tabla 1.2. Coeficientes de absorción acústica de distintos materiales empleados en la construcción 43 Tabla 2.1. Producción de cascarillas de arroz en España, en 2012 69 Tabla 4.1. Propiedades físicas de la cascarilla de arroz 85 Tabla 4.2. Propiedades químicas de la cascarilla de arroz 85 Tabla 4.3. Constituyentes de la cascarilla de arroz 85 Tabla 4.4. Comportamiento de absorción 102 Tabla 5.1. Composición en % peso de las probetas 112 Tabla 5.2. Valores de densidad y resistencia a compresión de cada uno de las tres composiciones resina/catalizador 115 Tabla 5.3. Valores de NRC y DLα de las distintas composiciones resina/catalizador 118 Tabla 5.4. Composición en % peso de las probetas 119 Tabla 5.5. Valores de densidad y resistencia a compresión de las distintas composiciones resina/catalizador 122 Tabla 5.6. Valores NRC y DLα de distintas composiciones mezcla/biomasa 124
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Tabla 5.7. Tabla resumen de las propiedades de la composición óptima 125 Tabla 5.8. Valores de NRC y DLα para los distintos espesores fabricados con
la composición óptima 130
Tabla 5.9. Valores de densidad y resistencia a compresión de las muestras fabricadas con distintas resinas 132 Tabla 5.10. Valores de NRC y DLα de las composiciones con distintas resinas 135 Tabla 5.11. Composición en % peso de las probetas 136 Tabla 5.12. Valores de densidad y resistencia a compresión de las distintas composiciones mezcla/vermiculita 139 Tabla 5.13. Valores de NRC y DLα de distintas composiciones mezcla/vermiculita 142 Tabla 5.14. Valores de NRC y DLα de los distintos materiales comerciales 145 Tabla 5.15. Comparativa de costes de materiales ensayados 146
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Onda acústica 14 Figura 1.2. Curvas de ponderación 18 Figura 1.3. Distribución espacial del sonido 19 Figura 1.4. Barreras acústicas 35 Figura 1.5. Esquema de Ley teórica de masas 38 Figura 1.6. Atenuación sonora de pantallas 41 Figura 1.7. Absorbente poroso de estructura rígida y flexible 46 Figura 1.8. Lana de roca (izquierda) y fibra de vidrio (derecha) 48 Figura 1.9. Placas de virutas de maderas de distintos tamaños 50 Figura 1.10 Placas modelos: Piramidal (izquierda), Wedges (centro) y Foam Flat (derecha) 50 Figura 2.1. Localización municipios productores de arroz en Andalucía 70 Figura 4.1. Aspecto de las cascarillas de arroz 84 Figura 4.2. Estructura anillo epoxi 86 Figura 4.3. Cadena larga de anillos epoxi 86 Figura 4.4. Reacción de la polimerización 88 Figura 4.5. Aspecto de la vermiculita usada para la experimentación 89
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Figura 4.6. Muestras de espuma poliuretano 89 Figura 4.7. Muestra de lana de roca Rockwool de 4 cm 90 Figura 4.8. Aspecto de la fibra de vidrio 90 Figura 4.9. Equipo usado en determinación de resistencia a compresión 95 Figura 4.10. Esquema tubo Kundt 96 Figura 4.11. Posiciones de micrófonos y distancias en tubo de impedancia 97 Figura 4.12. Tubo de impedancia acústica 100 Figura 5.1. Variación de la porosidad abierta de las distintas composiciones de resina/catalizador 113 Figura 5.2. Variación de la densidad aparente de las distintas composiciones de resina/catalizador 114 Figura 5.3. Curvas de los coeficientes de absorción acústica 116 Figura 5.4. Variación de la porosidad abierta de las distintas composiciones de mezcla/biomasa 120 Figura 5.5. Variación de la densidad aparente de las distintas composiciones de mezcla/biomasa 121 Figura 5.6. Curvas de los coeficientes de absorción acústica 123 Figura 5.7. Curvas de los coeficientes de absorción acústica 127 Figura 5.8. Comparativa de coeficientes de absorción de una fibra de vidrio de varios espesores 129 Figura 5.9. Probetas fabricadas con resina epoxi 131 Figura 5.10. Probetas fabricadas con resina Ceys 131 Figura 5.11. Probetas fabricadas con resina de poliester 131 Figura 5.12. Curvas de los coeficientes de absorción acústica 133 Figura 5.13. Coste por 1Kg de las tres resinas estudiadas 136 Figura 5.14. Probetas con vermiculita de distintos ratios m/v 137 Figura 5.15. Variación de la porosidad abierta de las distintas composiciones de mezcla/vermiculita 138 Figura 5.16. Variación de la densidad aparente de las distintas composiciones de mezcla/vermiculita 139 Figura 5.17. Curvas de los coeficientes de absorción acústica 141 Figura 5.18. Curvas de los coeficientes de absorción acústica 143
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1. INTRODUCCIÓN
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1. INTRODUCCIÓN
El ruido es un problema
frecuente en nuestra sociedad. Todas las
actividades relacionadas con nuestra vida cotidiana producen ruído: hablar, conducir, cocinar, trabajar, etc. Según la Organización Mundial de la Salud, el nivel sonoro medio no debe exceder de 45 dBA durante la noche, y 55 de día. Si hay demasiado ruido la salud se ve afectada: está demostrado que unos niveles excesivos de presión sonora afectan a la salud: el ruido puede producir efectos sobre la salud de quienes lo sufren y por extensión, eso hace que la calidad de vida se resienta.
Por todo ello, la ciencia evoluciona a favor de crear materiales cada vez más absorbentes de ruido y que permita un mejor aislamiento acústico para incrementar el confort, tanto en la vida cotidiana como en casos extraordinarios. Así también la legislación sobre edificación y las exigencias comerciales aumentan. No solo se están creando materiales absorbentes sintéticos, sino que se está buscando el aprovechamiento de residuos de todo tipo, que no suponga un riesgo para la salud, y que su costo sea el menor posible. Exactamente lo que se está investigando en el presente proyecto; a partir de un residuo agrícola como la cascarilla de arroz, se intenta crear un material que absorba el ruido en la mayor medida de lo posible. De este modo se valoriza un residuo para fabricar un producto necesario y que debe evolucionar con los tiempos.
1.1
EL RUIDO
Es un sonido indeseable, es un fenómeno ambiental al que se está expuesto desde antes de nacer y a lo largo de la vida. El ruido también puede considerarse como contaminante ambiental, un producto de desecho generado mientras se realizan varias actividades antropogénicas. El ruido, es cualquier sonido, cualquiera que sea su intensidad. Es uno de los problemas ambientales más relevantes. Su indudable dimensión social contribuye en gran medida a ello, ya que las fuentes que lo producen
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forman parte de la vida cotidiana: actividades y locales de ocio, grandes vías de comunicación, los medios de transporte, las actividades industriales, etc
1.1.1 DIFERENCIA ENTRE SONIDO Y RUIDO
Dentro de la corrección acústica no se habla de “sonido” sino de “ruido”. Esta diferenciación, que puede parecer no más que un juego de palabras, es de vital importancia.
● Sonido:
El sonido es una perturbación que se propaga por un medio, por ejemplo el aire. Se puede asemejar el sonido con las ondulaciones producidas en un estanque al tirar una piedra: existe un foco (lugar de la superficie del agua donde cae la piedra) y una propagación de la perturbación producida (las ondas que vemos en la superficie).
Con mayor precisión, se define sonido como la variación en la presión detectada por el oído humano. Es sabido que el oído humano sólo es capaz de percibir los sonidos cuya frecuencia está comprendida entre 20 s.f. y 16 Khz. aproximadamente. Por debajo de los 20 s.f. se extiende la banda de los infrasonidos y por encima de los 16 Khz. la banda de los ultrasonidos.
● Ruido:
Se puede definir como un sonido molesto o la sensación sonora no deseada. Por tanto, no existe un criterio fijo para determinar si un sonido es o no ruido; es un concepto subjetivo.
Este término está estrechamente relacionado con la contaminación acústica debido a que ésta se da cuando el ruido es considerado como un
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contaminante,
teniendo
importante
efectos
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sobre
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los
seres
humanos.
El ruido puede ser clasificado de forma genérica en función de la frecuencia. Así se distinguen los siguientes tipos de ruido:
- Ruido blanco: Se trata de un tipo de ruido que tiene la misma energía en todas las frecuencias. Su espectro en tercios de octava es una recta de pendiente 3 Vd. /octava.
- Ruido rosa: El nivel de energía de este tipo de ruido decae a razón de 3 Vd. /octava. El espectro, en tercios de octava, es un valor constante.
1.1.2
CONCEPTOS
FUNDAMENTALES,
DEFINICIONES,
NOTACIONES
Y
UNIDADES
A continuación se detallan las definiciones de algunos de los conceptos fundamentales que aparecen en esta investigación, ordenados de modo que se facilite su compresión.
I. Onda acústica aérea: Es una vibración del aire caracterizada por una sucesión periódica en el tiempo y en el espacio de expansiones y compresiones. Se conocen también como ondas sonoras.
Las ondas se pueden clasificar en dos tipos:
●
Ondas
transversales:
la vibración asociada a la perturbación es
perpendicular a la dirección de propagación. Estas ondas sólo pueden propagarse en medios sólidos.
● Ondas longitudinales: la vibración asociada a la perturbación presenta la misma dirección que la propagación. Las ondas longitudinales representan un cambio en el volumen y se pueden propagar en cualquier medio. Dentro de este grupo quedan englobadas las ondas sonoras.
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Figura 1.1. Onda acústica
Para que una onda acústica quede definida, es necesario conocer sus parámetros ondulatorios (Figura 1.1):
- Periodo (T): Tiempo que tarda en producirse un ciclo completo de la onda sonora. Su unidad es el segundo (s).
- Frecuencia (f): Es el número de pulsaciones de una onda acústica senoidal que ocurren en el tiempo de un segundo. Equivale al inverso del periodo. La unidad de medida es el herzio (s.f.).
Existen una serie de frecuencias, denominadas preferentes, indicadas en la Norma EN ISO 266:1998, entre 100Hz y 5000Hz. Para bandas de octava son: 125, 250, 500, 1000, 2000 y 4000 s.f.. Para tercios de octava son: 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000 y 5000 s.f..
- Velocidad del sonido (c): Es la velocidad a la que se propaga la onda acústica en un medio elástico, y sólo dependerá de las características de éste. Se mide en metros por segundo (m/s). La velocidad del sonido en el aire, para 0ºC y 1 atmósfera, es de 331,20 m/s; para las condiciones
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normales de un local esta velocidad es prácticamente 340 m/s [Flores, 1990]. - Longitud de onda (l): Es la distancia entre puntos análogos en dos ondas sucesivas. Se mide en metros (m). La longitud de onda está relacionada con la velocidad del sonido, frecuencia y periodo, por la expresión:
- Amplitud: Es el desplazamiento máximo respecto a la posición de equilibrio. La amplitud del sonido ambiental es prácticamente despreciable, del orden de 10-7 hasta algunos milímetros.
II.
Octava:
Intervalo
de
frecuencias
comprendido
entre
una
frecuencia determinada y otra igual al doble de la anterior.
III. Presión acústica (P): Diferencia que experimenta la presión atmosférica alrededor del valor estático en un punto que se produce cuando se propaga una onda. La unidad de medida es el pascal (1 Pa = 1 N/m2).
IV. Impedancia acústica específica (Z): Se define como la relación, real o compleja, entre la presión acústica de la onda y la velocidad propia del movimiento vibratorio (velocidad del sonido):
V. Valor pico, valor medio y valor cuadrático medio: Estas son una serie de medidas, que varían con el tiempo, de interés en el ámbito acústico.
● Valor pico (Apico): Es el valor de la amplitud máxima de la onda en un periodo considerado.
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● Valor medio (Amedio): Es el valor medio de la señal que viene dado por la expresión:
● Valor cuadrático medio (ARMS): Esta es la magnitud más común y está directamente relacionada con la energía contenida en la señal. La expresión que define este valor es la que sigue:
VI. Potencia acústica (W): Es la energía emitida en la unidad de tiempo por una fuente determinada. Su unidad de medida es el vatio (W).
VII. Intensidad acústica (I): Es la energía que atraviesa, en la unidad de Tiempo, la unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación de ondas. La unidad de medida es el vatio por metro cuadrado (W/m2).
VIII. Relación entre potencia, intensidad y presión acústica: Las expresiones que relacionan estas tres magnitudes son las que se muestran a continuación:
Siendo: I = intensidad sonora (W/m2) PRMS = presión cuadrática media (Pa) ρ = densidad del aire (Kg/m3) c = velocidad del sonido (m/s) W = potencia acústica (W)
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r = distancia de la fuente (m)
IX. Nivel de presión acústica (Lp): Se define mediante la expresión Lp = 20Log P/P0 , donde P es la presión acústica considerada (en Pa) y P0 es la presión acústica de referencia que se establece en 2·10-5 Pa. Este parámetro se mide en decibelios (Vd.).
X. Nivel de intensidad acústica (LI): Se define mediante la expresión: Donde I es la intensidad acústica considerada (W/m2) e I0 es la intensidad acústica de referencia que se establece en 10-12 W/m2. La unidad de medida de este parámetro es el decibelio (Vd.).
XI. Nivel de potencia acústica (Lw): Se define mediante la expresión: Donde W es la potencia acústica considerada (W) y W0 es la potencia acústica de referencia establecida en 10-12 W. La unidad de medida es el decibelio (Vd.).
Donde W es la potencia acústica considerada (W) y W0 es la potencia acústica de referencia establecida en 10-12 W. La unidad de medida es el decibelio (Vd.).
XII. Decibelio (Vd.): Es una unidad logarítmica relativa empleada en acústica para expresar la relación entre una magnitud acústica y una magnitud de referencia.
Al ser una unidad relativa, para las aplicaciones acústicas, se toma como convención, un umbral de audición de 0 Vd. equivalente a un sonido con una presión de 20 Pa. El umbral de dolor se produce a partir de los 140 Vd. (200 Pa).
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Se utiliza una escala logarítmica porque la sensibilidad que presenta el oído humano a las variaciones de intensidad sonora sigue una escala aproximadamente logarítmica, no lineal. Por ello el decibelio (Vd.), resulta adecuado para valorar la percepción de los sonidos por un oyente.
XIII. Escala ponderada A de niveles, decibelio A: Esta escala se emplea para compensar las diferencias de sensibilidad que el oído humano tiene para las distintas frecuencias dentro del campo auditivo y se establece mediante el empleo de una curva de ponderación A. Se aplica para los sonidos de bajo nivel y se utiliza como unidad el decibelio A (dBA). Existen además otras escalas ponderadas como la B (para los sonidos de nivel medio) y la C (aplicada en caso de sonidos de alto nivel), como puede observarse en la Figura 1.2.
Figura 1.2. Curvas de ponderación
XIV. Tiempo de reverberación (TR): Es el tiempo necesario para que la intensidad de un sonido disminuya a la millonésima parte de su valor inicial o, lo que es lo mismo, para que el nivel de intensidad acústica disminuya 60 Vd. por debajo del valor inicial.
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1.1.3 DISTRIBUCIÓN ESPACIAL DEL SONIDO
Cuando una onda sonora choca contra un material o una superficie, parte de ella se absorbe, parte se refleja y el resto se transmite. Existe, por tanto, una relación inminente entre la energía incidente y la energía absorbida, reflejada y transmitida (Figura 1.3).
Figura 1.3. Distribución espacial del sonido
De aquí, surge la siguiente expresión referente a la conservación de energía: Eincidente = Eabsorbida + Ereflejada + Etransmitida
1.1
Si los dos miembros de la ecuación se dividen por la energía incidente, la expresión anterior queda como sigue: 1 = α + |r|2+|t|2
1.2
Donde, α = Coeficiente de absorción |r|2= Coeficiente de reflexión de energía |t|2= Coeficiente de transmisión de energía
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Si el fragmento de energía que traspasa la muestra es muy pequeño (despreciable) comparada con la absorbida, entonces el coeficiente de absorción de energía es obviamente representado por la ecuación [1.3] [Castañeda et Al.] α = 1 -|r|2
1.3
Por tanto se centrará la atención en los fenómenos de absorción y reflexión acústica.
1.1.3.1. Absorción acústica
Se denomina absorción al fenómeno por el cual una parte de la energía
sonora
que
incide
sobre
una
superficie
es
absorbida
transformándose en otra forma de energía, generalmente calorífica.
La característica fundamental de los materiales absorbentes es transformar gran parte de la energía sonora que los atraviesa, reflejando la mínima cantidad de sonido, de modo que la mayor energía sonora posible sea susceptible de ser transformada en calor por efecto Joule.
No hay reglas fáciles para definir su comportamiento, lo que se puede afirmar es que todo material absorbente debe ser poroso. Esto quiere decir que debe permitir el paso de aire, para que el material pueda disipar las ondas sonoras en sus choques contra las paredes de las cavidades. Los materiales con celdas interiores de superficie cerrada, no pueden ser buenos absorbentes en ningún caso.
Todos los materiales absorben parte de la energía contenida por la onda sonora que incide sobre ellos; esta absorción de la energía sonora por un material está expresada por un factor de absorción o coeficiente de absorción (α). Se define como la relación existente entre la energía acústica absorbida y la incidente. De esta forma:
αi = Eabsorbida / Eincidente
1.4
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Por definición una abertura absorbe la totalidad de la energía incidente, siendo αi = 1. La unidad de absorción es el Sabino, que expresa la capacidad absorbente de una superficie en unidades de absorción por unidad m2 o ft2. Así, una superficie de 100 m2 con un coeficiente de absorción de 0,8 presentará una absorción de 80 sabinos m2, al igual que una abertura de 0,8 m2.
El coeficiente de absorción de un material depende de:
- El espectro sonoro de la onda incidente. - La naturaleza del material (tipo, forma, espesor, características constructivas, etc.) - Las condiciones termohigrométricas del ambiente.
1.1.3.2. Reflexión acústica
Cuando la onda acústica incide sobre el material, parte de ella rebota y se refleja cambiando de dirección. Así, la reflexión del sonido representa el porcentaje de energía acústica incidente que refleja la superficie.
Según esto, el coeficiente de reflexión se define como la relación existente entre la energía acústica reflejada y la incidente. Así:
r = Ereflejada/Eincidente
1.5
Este fenómeno tiene lugar cuando la superficie del material es dura y lisa, como por ejemplo: el hormigón, el ladrillo, etc. En acústica, este tipo de materiales que presentan elevada reflexión se emplean como aislantes de ruido aéreo.
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CONTAMINACIÓN ACÚSTICA
Incluida en los problemas medioambientales, la contaminación acústica constituye un elemento más de la degradación medioambiental. Aunque hasta hace poco tiempo, este tipo de contaminación ha estado en un segundo plano sin que se le otorgase la importancia que le corresponde, en la actualidad el ruido es una de las principales causas de preocupación entre la población de las ciudades por ser considerado como uno de los mayores responsables del deterioro del nivel de calidad de vida y por los efectos nocivos que éste provoca en la salud, comportamiento y actividades humanas. Esta falta de atención hacía la contaminación acústica se debe a tres factores fundamentales:
- Se trata de una contaminación localizada, por lo tanto afecta a un entorno limitado a la proximidad de la fuente sonora.
- Los efectos perjudiciales, en general, no aparecen hasta pasado un tiempo largo, es decir, sus efectos no son inmediatos.
- A diferencia de otros contaminantes es frecuente considerar el ruido como un mal inevitable y como el resultado del desarrollo y del progreso.
En un conocido informe de la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico (OCDE) se señala que en las décadas de los años sesenta y setenta se produjo un desarrollo muy notable de los modernos medios de transporte y de sus índices de utilización, originándose un aumento considerable en los niveles de ruido ambiental. Se afirma, además, que unos 130 millones de habitantes de los países de la Unión Europea están expuestos a niveles de ruido inaceptables, por encima de los 65 Vd., y unos 300 millones a niveles comprendidos entre 55-65 Vd.. De acuerdo con este informe, España ocupa el segundo lugar, por detrás de Japón, en el ranking mundial de los países en los que la contaminación sonora es más elevada, entendiéndose que alrededor de un 23% de la población se ven expuestos a niveles de ruido superiores a 65 Vd. [García et Al. 2006].
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Para una correcta interpretación de estos datos es importante saber que por debajo de 45 Vd. no se perciben molestias; con sonidos de 55 Vd. un 10% de la población se ve afectada y con 85 Vd. todos los seres humanos se sienten alterados. Así, aunque la presencia del sonido es consustancial en nuestro entorno y forma parte de los elementos cotidianos que nos envuelven, éste se puede convertir en un agente agresor en forma de ruido, ya que es un contaminante de primer orden y puede generar patologías específicas.
1.2.1 FUENTES DE CONTAMINACIÓN ACÚSTICA
Existen dos importantes grupos de fuentes productoras de ruido:
- Fuentes naturales (viento, sonido del mar, etc.)
- Fuentes antropogénicas: ruidos que aparecen en el medio causados por la actividad humana.
Son los ruidos englobados en el segundo grupo los de mayor repercusión y los principales causantes de la contaminación acústica. Así, los elementos que causan esta contaminación se asocian con los procesos derivados principalmente del transporte por carretera, tráfico ferroviario, tráfico aéreo, industria, obras de construcción y civiles y actividades recreativas entre otros. Los vehículos de motor suponen casi el 80% de las fuentes productoras de contaminación acústica, el 10% corresponde a las industrias, el 6% a ferrocarriles y el 4% a bares, locales públicos, talleres industriales, etc.
1.2.2 EFECTOS SOBRE LA SALUD
Las diferentes investigaciones realizadas a lo largo de las últimas décadas por numerosos autores en todo el mundo han demostrado que la contaminación sonora afecta claramente a la salud de las personas,
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produciendo una larga serie de efectos fisiológicos y psicológicos de naturaleza muy diversa. A continuación se citan algunos de los efectos nocivos provocados por el ruido:
A.
Malestar
Es el efecto más común del ruido sobre las personas. La sensación de malestar procede de la interferencia con la actividad en curso o con el reposo y de otras sensaciones, menos definidas pero a veces muy intensas, de
estar
siendo
perturbado
como
son:
intranquilidad,
inquietud,
desasosiego, depresión, desamparo, ansiedad o rabia. Todo ello contrasta con la definición de "salud" dada por la Organización Mundial de la Salud: "Un estado de completo bienestar físico, mental y social, no la mera ausencia de enfermedad".
Durante el día se suele experimentar malestar moderado a partir de los 50 Vd., y fuerte a partir de los 55 Vd..
B.
Interferencia con la comunicación
El nivel del sonido de una conversación en tono normal oscila entre los 50 y 55 dBA. Hablando a gritos se puede llegar a 75 u 80 Vd.. Por otra parte, para que la palabra sea perfectamente inteligible es necesario que su intensidad supere en alrededor de 15 dBA al ruido de fondo.
Por lo tanto, un ruido superior a 35 ó 40 Vd. provocará dificultades en la comunicación oral que sólo podrán resolverse, parcialmente, elevando el tono de voz. A partir de 65 Vd. de ruido, la conversación se torna extremadamente difícil.
Situaciones parecidas se dan cuando el sujeto está intentando escuchar otras fuentes de sonido (televisión, música, etc.). Ante la interferencia de un ruido, se reacciona elevando el volumen de la fuente creándose así una mayor contaminación sonora sin lograr totalmente el efecto deseado.
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C.
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Pérdida de atención, de concentración y de rendimiento
Cuando la realización de una tarea necesita la utilización de señales acústicas, el ruido de fondo puede enmascarar estas señales o interferir con su percepción. Por otra parte, un ruido repentino producirá distracciones que reducirán el rendimiento en muchos tipos de trabajos, especialmente en aquellos que exijan un cierto nivel de concentración. En ambos casos la realización de la tarea se ve afectada, apareciendo errores y disminuyendo la calidad y cantidad de la misma. Además, algunos accidentes, tanto laborales como de circulación, pueden ser debidos a este efecto.
D.
Trastornos del sueño
El ruido influye negativamente sobre el sueño de tres formas diferentes que se dan, en mayor o menor grado según peculiaridades individuales, a partir de los 30 decibelios:
1. Dificultad o imposibilidad de dormirse.
2. Puede causar interrupciones del sueño que, si son repetidas, pueden llevar al insomnio. La probabilidad de despertar depende de la intensidad ruido y de la diferencia entre ésta y el nivel previo de ruido estable. A partir de 45 dBA la probabilidad de despertar es grande.
3. Disminuye la calidad del sueño, volviéndose éste menos tranquilo y acortándose sus fases más profundas. Aumentan la presión arterial y el ritmo cardiaco, hay vasoconstricción y cambios en la respiración.
Consecuencia de todo ello, el descanso no es el apropiado. Si la situación se prolonga, el equilibrio físico y psicológico se ven seriamente afectados.
E.
Daños al oído
Se trata de un efecto físico que depende únicamente de la intensidad del sonido, aunque sujeto a variaciones individuales. En la sordera
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transitoria o fatiga auditiva no existe aún lesión. La recuperación es normalmente casi completa al cabo de dos horas y completa a las 16 horas de cesar el ruido, si se permanece en un estado de confort acústico (menos de 50 Vd. en vigilia o de 30 durante el sueño). La sordera permanente está producida por: exposiciones prolongadas a niveles superiores a 75 dBA, sonidos de corta duración de más de 110 dBA, o bien por acumulación de fatiga auditiva sin tiempo suficiente de recuperación. Hay lesión del oído interno.
F.
Estrés
Las personas sometidas de forma prolongada a situaciones como las anteriormente descritas (ruidos que hayan perturbado y frustrado sus esfuerzos de atención, concentración o comunicación, o que hayan afectado a su tranquilidad, su descanso o su sueño) suelen desarrollar algunos de los síndromes siguientes:
- Cansancio crónico
- Tendencia al insomnio.
- Enfermedades
cardiovasculares:
hipertensión,
cambios
en
la
composición química de la sangre, isquemias cardiacas, etc. Se han mencionado aumentos de hasta el 20-30% en el riesgo de ataques al corazón en personas sometidas a más de 65 Vd. en periodo diurno.
- Trastornos del sistema inmune responsable de la respuesta a las infecciones y a los tumores.
- Trastornos psicofísicos tales como ansiedad, depresión, irritabilidad, náuseas, jaquecas, y neurosis o psicosis en personas predispuestas a ello.
- Cambios conductuales, especialmente comportamientos antisociales tales como hostilidad, intolerancia, agresividad y aislamiento social.
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Para evitar estos efectos las legislaciones europeas marcan como límite aceptable 65 Vd. durante el día y 55 Vd. durante la noche, ya que la capacidad auditiva se deteriora en la banda comprendida entre 75 Vd. y 125 Vd. y pasa a un nivel doloroso cuando se superan los 125 Vd.; alcanzándose el umbral de dolor a los 140 Vd..
A continuación, se muestra la Tabla 1.1, en la que se indica en la primera columna los valores a partir de los cuales se empiezan a sentir, dependiendo de la sensibilidad individual, los efectos que se señalan en la segunda columna.
Tabla 1.1. Efectos del ruido
1.2.3 ÍNDICES DE VALORACIÓN DE RUIDOS
En este apartado se definen algunos de los parámetros acústicos que se utilizan para evaluar el nivel de ruido.
-
Índice de presión sonora (Lp)
También conocido como nivel de presión acústica, ya se ha definido anteriormente en el apartado 1.1.2 mediante la expresión Lp = 20log P/P0
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-
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Nivel de presión sonora equivalente (Leq)
Conocido como nivel equivalente continuo, es el nivel de ruido continuo que contiene la misma energía que el ruido medido en un periodo de tiempo determinado, T. Viene dado por la expresión
Para medidas discretas la expresión anterior se transforma en un sumatorio:
Este parámetro permite comparar el riesgo de daño auditivo ante la exposición a diferentes tipos de ruido.
-
Nivel percentil N (LN)
Nivel de ruido que es alcanzado o superado el N % del tiempo de observación. Uno de los más utilizados es el L90, indicativo del ruido de fondo de la señal.
1.2.4 CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ACÚSTICA
El control del ruido ambiental está basado en una amplia diversidad de estrategias. Para que se dé el problema de contaminación acústica se necesitan al menos tres factores: una fuente sonora, un medio de propagación y un receptor. Así, la actuación debe dirigirse hacia cada uno de estos factores de una manera eficaz.
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A.
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Fuente sonora
La acción más directa y eficiente contra los niveles de ruido excesivo es la reducción del ruido en la propia fuente. En este sentido, en muchos países desarrollados existen regulaciones sobre los niveles máximos permitidos para la emisión sonora por parte de diversas fuentes como vehículos de motor, aviones, vehículos empleados en construcción y obras públicas, etc. En términos generales, las estrategias más efectivas para reducir su impacto sobre las personas, consisten en rediseñar o reemplazar los vehículos o equipos ruidosos por otros más silenciosos [García et al.2006].
B.
Medio de propagación
Otra posibilidad es actuar sobre el medio de propagación. En este caso hay que destacar la importancia de una adecuada planificación urbanística. Así, una reducción adicional en los niveles de ruido puede obtenerse aumentando simplemente la distancia existente entre el receptor y la fuente de ruido. Por ejemplo, el impacto sonoro producido por un aeropuerto proyectado sobre los residentes en una zona urbana puede reducirse mucho si el aeropuerto se construye lejos de esta zona. Los niveles de contaminación sonora producidos por una autopista sobre una zona
residencial
se
pueden
reducir
sustancialmente
planificando
adecuadamente esa vía de tráfico y mediante un diseño urbanístico muy cuidadoso de dicha zona. La transmisión del sonido se puede controlar también usando pantallas o barreras acústicas.
C.
Receptor
En este caso, el mejor ejemplo de control de ruido mediante esta estrategia se encuentra en la utilización de dispositivos de protección personal. En sentido amplio se incluye también el aislamiento acústico de edificios.
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Una política efectiva destinada a controlar con éxito el ruido ambiental exige la aplicación de una larga serie de acciones específicas tomadas en orden secuencial.
La primera fase consiste en una cuidadosa evaluación de los problemas planteados: identificación de las principales fuentes de ruido, análisis de sus características, medida de los niveles sonoros, etc. Esta tarea se basa en la elaboración de un mapa sonoro de la zona considerada. En la segunda fase se realiza una formulación realista de los objetivos a alcanzar. En la tercera fase, se aplican los principios técnicos y administrativos más efectivos para alcanzar los objetivos señalados. En el diseño
de
las
iniciativas
destinadas
a
controlar
un
problema
de
contaminación sonora debe tenerse en cuenta que todos los problemas consisten en una cadena con tres eslabones diferentes: la fuente de ruido, el camino de transmisión sonora y el receptor. En consecuencia, las medidas o actuaciones para controlar el ruido pueden ser aplicadas únicamente a algunos de estos tres elementos o a todos ellos en su conjunto. La cuarta y última fase consiste en comprobar la efectividad de las medidas adoptadas. En caso de no alcanzar los objetivos propuestos inicialmente, habrá que repetir todas las actuaciones desde su fase inicial.
1.3.- MARCO LEGAL
1.3.1. ESPAÑA
- Ley 37/2003 del Ruido, de 17 de Noviembre. La ley que regula el ruido ambiental a nivel estatal es la ley 37/2003 del Ruido que es parte de la transposición de la directiva 2002/49/CE sobre evaluación y gestión del ruido ambiental. Hasta 2003 no existía en España una ley básica sobre ruidos y la legislación existente sobre ruido ambiental hasta entonces, estaba dispersa en diversos reglamentos autonómicos y ordenanzas municipales. Sus objetivos, son la prevención, la vigilancia y la reducción de la contaminación acústica. La Ley del Ruido se aplica a todos los emisores acústicos de cualquier índole. Por emisor acústico se entiende
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cualquier actividad, infraestructura, maquinaria o comportamiento que genere contaminación acústica. Se excluyen: las actividades domésticas, que no son consideradas fuentes emisoras de ruido ambiental y las actividades laborales y militares que se rigen por su legislación específica. Esta ley influye de manera directa en el planeamiento urbanístico, en la ordenación del territorio, en la definición de los usos del suelo y en los edificios, a los que considera una protección pasiva frente al ruido exterior y propone objetivos de calidad acústica del interior de los locales de los edificios. La Ley del Ruido hace referencia al Código Técnico de la Edificación (CTE) y dice que éste dispondrá de un sistema de verificación de las condiciones acústicas de los locales de los edificios.
Otros referentes son:
- Real Decreto 1513/2005, de 16 de diciembre, desarrolla la Ley 37/2003, de 17 de noviembre.
- Real Decreto 286/2006, de 10 de marzo, sobre la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición al ruido.
- Real Decreto 1367/2007, de 19 de octubre, por el que se desarrolla la Ley 37/2003, de 17 de noviembre, del Ruido, en lo referente a zonificación acústica, objetivos de calidad y emisiones acústicas.
- Real Decreto 1371/2007, de 19 de octubre, por el que se aprueba el documento básico «DB-HR Protección frente al ruido» del Código Técnico de la Edificación y se modifica el Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación.
1.3.2. ANDALUCÍA
- Decreto 74/1996, de 20 de Febrero, por el que se aprueba el Reglamento de la Calidad del Aire.
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- Decreto 326/2003, de 25 de Noviembre, aprueba el Reglamento de Protección contra la Contaminación Acústica.
- Orden de 29/6/2004, sobre técnicos acreditados y actuación subsidiaria de la Consejería de Medio Ambiente en materia de Contaminación Acústica.
- Ley 7/2007, de 9 de Julio, de Gestión Integrada de la Calidad Ambiental.
1.3.3.
EUROPA
- Directiva 2002/49/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, sobre evaluación y gestión del ruido ambiental.
1.3.4. NORMATIVA
1.3.4.1.Normas de Laboratorio
UNE EN ISO 140-1:1998 : Acústica. Medición de los Aislamientos Acústicos en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 1. Requisitos de las instalaciones de los laboratorios sin transmisiones indirectas
UNE EN ISO 140-3:1999 (corrección de errata del 200) : Acústica. Medición de los Aislamientos Acústicos en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 3. Medición en laboratorio del aislamiento acústico a ruido aéreo en laboratorio de los elementos de construcción.
UNE EN ISO 140-6:1999: Acústica. Medición de los Aislamientos Acústicos en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 6. Mediciones en laboratorio del aislamiento acústico de suelos al ruido de impactos.
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UNE EN ISO 140-8:1998: Acústica. Medición de los Aislamientos Acústicos en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 8. Mediciones en laboratorio de la reducción del ruido de impacto transmitido a través de revestimientos de suelos sobre forjado normalizado pesado.
UNE EN ISO 140-12:2000: Acústica. Medición de los Aislamientos Acústicos en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 12. Mediciones en laboratorio a ruido aéreo y al ruido de impactos entre locales con suelo registrable.
1.3.4.2. Normas de mediciones in-situ.
EN 1793 Acústica. Dispositivos reductores de ruido de tráfico en carreteras. Método de ensayo para determinar el comportamiento acústico. Parte 1: Características intrínsecas relativas a la absorción sonora. Parte 2: Características intrínsecas relativas al aislamiento al ruido aéreo; y Parte 3: Espectro normalizado de ruido de tráfico.
UNE EN ISO 140-4:1999: Acústica. Medición de los Aislamientos Acústicos en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 4. Medición in situ del aislamiento acústico a ruido aéreo entre locales.
UNE EN ISO 140-5:1999: Acústica. Medición de los Aislamientos Acústicos en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 5. Medición in situ del aislamiento acústico a ruido aéreo de elementos de fachadas y fachadas.
UNE EN ISO 140-7:1999: Acústica. Medición de los Aislamientos Acústicos en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 7. Medición in situ del aislamiento acústico de suelos al ruido de impactos.
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1.3.4.3. Otros procedimientos
UNE EN ISO 717-1:1997: Acústica. Evaluación del Aislamiento Acústico en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 1. Aislamiento a ruido aéreo.
UNE EN ISO 717-2:1997: Acústica. Evaluación del Aislamiento Acústico en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 2. Aislamiento al ruido de impactos.
UNE EN 20354:1994: Acústica. Medición de la absorción acústica en una cámara reverberante.
1.4.- AISLAMIENTO ACÚSTICO EN EDIFICACIÓN
El aislamiento acústico es el método principal de control de la propagación del sonido en los edificios. En particular, el aislamiento acústico se ocupa de reducir la transmisión del ruido entre dos locales o en general, entre un recinto y otro. El aislamiento modifica la diferencia entre el nivel de intensidad acústica L1 en un local emisor y el nivel de intensidad acústica L2 en un local receptor (Figura 1.4).
Es importante notar que cuando se acondiciona acústicamente un local colocando materiales absorbentes lo que se consigue es bajar el nivel de ruido L1 pero se deja inalterada la diferencia L2 – L1.
1.4.1. FORMAS DE TRANSMISIÓN DEL RUIDO EN LAS ESTRUCTURAS
El ruido entre dos recintos de un edificio se transmite por tres diferentes caminos (Figura 1.4):
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a.
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Por vía directa a través del paramento.
En este caso las ondas incidentes hacen vibrar el elemento constructivo que transmite su deformación al aire del espacio adyacente provocando el llamado “efecto tambor” o “efecto diafragma”. El ruido transmitido por este mecanismo se denomina ruido aéreo.
b.
Por transmisiones laterales (flanking).
Se deben a que la presión sonora no provoca solamente la vibración de la pared de separación sino que todas las superficies adyacentes se convierten en fuentes de producción de ruido en el recinto anejo. Consecuencia directa de este fenómeno es que el aislamiento acústico que calculamos considerando sólo el elemento separador será siempre superior al real.
c.
Por impacto directo en la estructura.
Las pisadas, vibraciones provocadas por la puesta en marcha de maquinarias
(ascensores,
lavadoras,
etc.)
y
en
general
todo
ruido
provocado por un impacto directo con un elemento constructivo genera una serie de vibraciones que se propagan rápidamente por toda la estructura con poca pérdida de energía. Estos ruidos se denominan ruidos de impacto.
Figura 1.4. Transmisión del ruido aéreo a través de las estructuras.
35
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1.4.1.1 Ruido aéreo: medición y magnitudes relacionadas. Índices de aislamiento.
La forma más habitual de obtener datos de aislamiento acústico de un elemento constructivo es la realizar unos ensayos de laboratorio. Las normas que establecen los criterios de medición de aislamiento acústico y la forma de expresar los resultados son las siguientes:
- UNE-EN ISO 140 Medición del aislamiento acústico en los edificios y de los elementos de construcción. En esta norma se describen los métodos de medición y como expresar los resultados.
- UNE-EN ISO 717 Evaluación del aislamiento acústico en los edificios y de los elementos de construcción. Describe los métodos de cálculo que permiten expresar en un sólo resultado los datos resultantes de las mediciones.
Es importante considerar que los valores que obtendremos sólo tienen en cuenta la transmisión directa y no otros parámetros como la presencia de instalaciones o las transmisiones laterales que debilitan la estanqueidad del recinto. Por lo tanto las mediciones de laboratorio representan un resultado ideal y el dato de aislamiento acústico será siempre superior al que se medirá “in situ”. Las mediciones de laboratorio se efectúan por bandas de 1/3 de octava mientras que in situ se utilizan generalmente bandas de una octava. El resultado es una curva que a cada frecuencia asocia un valor R denominado índice de aislamiento acústico. Es posible en ambos casos expresar el resultado con un único valor que se denomina índice de aislamiento acústico ponderado. Este índice corresponde al valor a 500 Hz de una curva de referencia ajustada y se calcula según cuanto indicado en la norma ISO 717.
El símbolo que lo identifica es Rw y se mide en dB. El subíndice w indica que tal valor es ponderado (weighting en inglés). El índice Rw es
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acompañado normalmente por dos
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factores de corrección C y Ctr
denominados términos de adaptación espectral. El primer término se aplica cuando existe un predominio de ruido rosa mientras el segundo cuando prevalgan las bajas frecuencias. La expresión completa del índice Rw es entonces Rw (C; Ctr). Es importante observar como el termino C tenga su aplicación en el cálculo de aislamiento entre viviendas mientras que Ctr representando el ruido del tráfico urbano se utiliza para calcular el aislamiento en fachadas.
Sin embargo, la norma española DB-HR hace referencia a RA como índice de aislamiento que representa el valor global de aislamiento a ruido rosa. RA puede determinarse en laboratorio generando un ruido rosa en la sala emisora y medir su nivel en dBA en la sala receptora aplicando una corrección que tenga cuento de las características de la sala.
Para las mediciones in situ se hace referencia al aislamiento acústico bruto D que es la diferencia de niveles de presión acústica entre locales y a DnT,w diferencia de niveles estandarizada ponderada que tiene en cuenta el tiempo de reverberación.
1.4.1.2. Sistemas constructivos y aislamiento a ruido aéreo.
El aislamiento a ruido aéreo puede conseguirse de distinta forma dependiendo del mecanismo que opera y del tipo de elemento constructivo.
a)
Paredes simples.
En una pared simple el aislamiento acústico depende primariamente de su masa superficial (kg/m2). Por esto la ley teórica general que permite el cálculo del índice de aislamiento R es nota como Ley teórica de masas (Figura 1.5). En este caso la pared, bajo el impacto de la onda acústica, vibra y transmite el ruido al local contiguo. La ley de masas prevé que cuanto más ligera y rígida sea la pared menor será su aislamiento. También establece
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que el aislamiento se incrementa en 6 dB al doblar la masa por una frecuencia fija. En la realidad esto se cumple sólo en el intervalo entre 500 y 1000 Hz y hasta los 45 dB. La ley de masa no deja de ser una ley teórica y no considera otros parámetros que afectan el aislamiento como la frecuencia de resonancia f0 y la frecuencia critica fc.
Figura 1.5. Esquema de Ley teórica de masas
La frecuencia de resonancia es aquella a que la pared vibra de forma natural cuando recibe el impacto de una onda sonora. La dirección del desplazamiento es perpendicular a la superficie e provoca lo que se llama “efecto tambor”. Depende de la masa y de las condiciones al contorno, es decir de cómo la pared está sujeta al resto de la estructura. Normalmente f0 está situada en la zona de frecuencias muy bajas (Figura 1.5). Cuando la pared vibra se producen ondas de flexión en su superficie. Si las ondas incidentes tienen la misma frecuencia que las ondas de flexión entonces la transmisión de energía es máxima y el aislamiento mínimo. Esta
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frecuencia se denomina frecuencia crítica o de coincidencia y depende del material y del espesor. Las paredes delgadas tienen una f0 alta y las gruesas una f0 baja.
b)
Paredes dobles.
El aislamiento acústico se puede incrementar utilizando paredes dobles. Esto pero puede hacerse en el caso de paredes ligeras ya que cuanto más pesada (y más aislante) sea la pared más nos costará aumentar el aislamiento. La solución pasa por construir dos paredes simples y separarlas
a
una
cierta
distancia.
Este
conjunto
proporcionará
un
aislamiento mayor que el de una pared simple de masa equivalente y representa un sistema masa – resorte – masa. Los factores que disminuyen el aislamiento en este sistema son:
- Frecuencia de resonancia de la pared doble f0 propia del conjunto. Depende de las masas y de la distancia de separación siendo más baja a masas y/o distancias elevadas.
- Frecuencias críticas de las dos paredes.
- Ondas estacionarias en la cámara de aire que originan el efecto “caja de guitarra” o “tambor”.
Para minimizar las pérdidas de aislamiento originadas por las resonancias en la cavidad, debe colocarse un material absorbente acústico. Para aumentar el aislamiento acústico del sistema en todo el rango de frecuencias y así mejorar el aislamiento acústico global, se utilizaran materiales absorbentes acústicos, y se probará si la cascarilla de arroz adherida con resina es efectivo para ello.
El incremento se aislamiento puede conseguirse colocando un material flexible y absorbente dentro de la cavidad de forma que se incrementa el efecto resorte y se eliminan las ondas estacionarias. Otra forma eficaz sobre todo en el caso de paredes muy rígidas es la utilizar el
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efecto membrana. Este consiste en el colocar en la cavidad un material constituido por una membrana de poco espesor y f0 muy baja situada entre dos elementos resorte. Los elementos resorte impiden el desplazamiento de la membrana golpeada por las ondas sonora S y esto provoca una mayor disipación de energía sonora en energía mecánica con consiguiente aumento del aislamiento.
c)
Paredes de yeso laminar.
Los tabiques de placa de yeso laminar son muy utilizados en hoteles, oficinas, hospitales etc. La ventaja de este sistema es la posibilidad de lograr elevados aislamientos con relativamente poca masa respecto a las paredes de albañilería tradicional. Siendo sistemas ligeros tiene un bajo aislamiento a las bajas frecuencias. Para construirla se utilizan estructuras autoportantes de acero constituidas por canales horizontales a U y perfiles verticales
a
C
de
ancho
variable.
Dependiendo
del nivel de
aislamiento que se desea alcanzar es posible utilizar una o dos estructuras independientes. El ancho del canal determina la cámara de aire entre las placas que se atornillan en ambos lados de la estructura. La frecuencia critica fc es muy elevada (2700 – 3000 Hz) y no depende del número de placas colocadas. Es importante colocar materiales absorbentes en el interior de la cavidad para evitar el “efecto tambor”.
La utilización de una membrana visco-elástica de elevada masa superficial acoplada con placas de yeso hará que esta se deforme al recibir el impacto de la onda reduciendo la transmisión de vibraciones y sonido. Este sistema permite incrementar sobre todo la respuesta a las bajas y medias frecuencias y reducir la frecuencia de resonancia del sistema.
1.4.1.3. Ruido de impacto. Magnitudes relacionadas: índices Ln,w y ∆Lw
La reducción de la transmisión del ruido de impacto y de las vibraciones se logra reduciendo la cantidad de energía transmitida. Así como para el ruido aéreo, también para el ruido de impacto se realizan
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ensayos de laboratorio según la EN-ISO 140-6/7 utilizando una máquina de impactos normalizada. Como resultado obtendremos una curva que a cada frecuencia asocia un valor Ln nivel normalizado de presión sonora de impacto. Utilizando la norma EN ISO 717-2 es posible resumir la curva en un único valor Ln,w índice global ponderado de presión sonora de impacto.
Figura 1.6. Transmisión del ruido de impacto en la estructura
1.4.1.4. Sistemas de aislamiento a ruido de impacto
En general, hay dos métodos para realizar esta operación: colocar sobre la superficie a aislar un material elástico muy flexible y con espesor adecuado para que tenga función al mismo tiempo de acabado, o desolidarizar la superficie sobre la que se produce el impacto del resto de la estructura (suelos flotantes). Como revestimientos de suelos se pueden utilizar moquetas de vario espesor (Lw hasta 30 dB), productos vinílicos en varias capas o parquet flotantes que pueden proporcionar Lw de hasta 20 dB.
Los materiales que se utilizan para la realización de suelos flotantes son: - Polietileno expandido en 5 y 10 mm de espesor.
41
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- Lana de roca o fibra de vidrio de oportuna densidad y espesor (30 40 mm). Es necesario proteger estos materiales de la humedad que aporta el mortero de recrecido. - Poliestireno expandido elastizado. - Espumas de poliuretano de alta densidad y varios espesores. - Caucho. - Corcho aglomerado con goma.
Es muy importante evitar la unión lateral del elemento flotante con las paredes que rodean el perímetro. Esto se consigue entregando el material con las paredes por encima del nivel que tendrá el pavimento acabado y recortando el exceso sucesivamente.
1.5.
PROPIEDADES
DE
LOS
MATERIALES
ABSORBENTES
MÁS
COMUNES EN EDIFICACIÓN.
Cada material tiene unas características absorbentes diferentes, por ello es importante conocerlas para poder elegir el material adecuado en función de las características acústicas del recinto y de los tiempos de reverberación que se quieran obtener. Estas características de absorción dependen no sólo de sus propiedades físicas, sino también de su forma de colocación y de otros condicionantes.
Es por ello que, para realizar cualquier diseño acústico, resulta imprescindible disponer de información de los coeficientes de absorción acústica
(α),
obtenidos
mediante
ensayos
de
laboratorio,
según
procedimiento homologado. En la tabla 1.2. se acompañan los coeficientes de absorción orientativos de algunos materiales, a las frecuencias centrales.
42
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Tabla 1.2. Coeficientes de absorción acústica de distintos materiales empleados en la construcción. Fuente: Catálogo de elementos constructivos del CTE.
Así se denominan materiales absorbentes acústicos a todos aquellos materiales o sistemas que disponen de elevados coeficientes de absorción sonora, en todo o en parte del espectro de
frecuencias
audibles.
Entre
estos se diferencian los porosos o fibrosos y los resonadores, en función de su forma de actuación frente a la energía sonora que incide sobre ellos,
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2013
aunque dentro de cada uno existen diferenciaciones en cuanto a su constitución, presentación comercial o forma de colocación.
Los materiales porosos están constituidos por múltiples surcos o poros que se entrecruzan entre sí mientras que los fibrosos están formados por gran cantidad de fibras entrecruzadas y comprimidas. Ambos tipos funcionan de manera similar: la energía acústica incidente se transforma en energía calorífica debido al rozamiento interno del aire que pasa a través de los poros o fibras. La absorción de este tipo de material es muy elevada a altas frecuencias y limitada a bajas. En este grupo se incluyen los textiles con aplicación acústica.
Los sistemas resonadores son los otros absorbentes acústicos, cuya principal característica es que su absorción es muy selectiva en un rango estrecho del espectro de frecuencias, siendo los más utilizados: los resonadores de membrana y los resonadores de Helmholtz. Mientras los primeros, pertenecen a sistemas que pueden realizarse in situ, los segundos tienen una presentación comercial determinada. Este estudio se centra en materiales porosos.
Los principales objeticos de estos materiales absorbentes son:
a) Aumento de unidades de absorción a frecuencias altas.
b) Prevención o eliminación de ecos u otras anomalías acústicas (reducción del Tr).
c) Reducción del nivel de presión sonora en espacios ruidosos (fabricas, salas de máquinas).
A veces, la colocación de revestimientos absorbentes de paramentos persigue una disminución interna de los niveles de presión sonora, más que intentar conseguir parámetros de confort interno necesarios, en cuanto a la inteligibilidad y tiempos de reverberación. Esto suele suceder en el caso de
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salas de maquinaria ruidosa, complementando las soluciones de “aislamiento” acústico y de atenuación de vibraciones.
Aun siendo absorbentes, la onda sonora incidente en estos materiales es parcialmente reflejada, pero la que no lo es penetra en el material y se atenúa por rozamiento continuado en los poros internos, con lo que una parte alcanza de nuevo su superficie después de reflejarse en el paramento base rígido posterior. El planteamiento teórico es que este proceso continúa indefinidamente. La onda sonora reflejada en el interior del material puede imaginarse como compuesta por un número ilimitado de componentes sucesivas, cada una más débil que la precedente a causa de la considerable atenuación
que
tiene
lugar
en
el
interior
del
material.
Este
mecanismo de absorción del sonido es propio de todos los materiales porosos, fibrosos y textiles siempre y cuando estén constituidos por una estructura sólida dentro de la cuál existen una serie de pequeños poros conectados entre sí y con el exterior, a modo de laberinto, no así los de estructura celular cerrada, de cavidades no comunicadas, que impiden la entrada de las ondas sonoras (la mayor parte de los corchos, poliestirenos, hormigón celular).
Aunque la estructura interna de estos materiales es muy irregular, suelen considerarse homogéneos e isótropos. La cualidad de homogeneidad supone que las características del material son las mismas en cualquier parte de la muestra, mientras que la cualidad de isotropía supone que las características son idénticas en cualquiera de las tres direcciones espaciales.
En cuanto a su constitución, se puede distinguir entre materiales esqueleto rígido, flexible (mantas), tal como se pueden ver en la figura 1.7., y borra (a granel, ligeramente impregnada en resina), y dentro de ellos, las distintas variedades, como las fibras minerales o naturales, los textiles, espumas de poliuretano, de poliéster, morteros proyectados, etc. Normalmente, su presentación (a excepción de las borras y los proyectados) es de paneles de dimensiones estándar o en rollo, pero también, como objetos o bafles descolgados puntualmente (adoptando formas cilíndricas ó rectangulares prismáticas). En su cara exterior puede
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ser conveniente la aplicación de una barrera de vapor (velos acústicos transparentes, papel kraft, aluminio).
Figura 1.7. Absorbente poroso de estructura rígida (izquierda) y flexible (derecha). Fuente: www.metrasoni.es
1.5.1. TIPOS DE MATERIALES
Valero Granados, S. resalta las siguientes variedades dentro de los materiales absorbentes porosos, fibrosos y textiles:
a) Materiales fibrosos, que son las lanas minerales (lana de roca, fibra de vidrio, espuma de
poliéster) y vegetales, con capacidad de
absorción en función de su resistividad al flujo del aire, espesor, grado de porosidad y textura. Para acondicionamiento, suelen presentarse revestidos por velos ignífugos, presentándose solos ó en cámaras de los otros dos tipos de sistemas absorbentes.
b) Fibras de madera, aglomeradas con ligante hidráulico (cemento ó magnesita), telas con foam ó muletón, moquetas, alfombras, cortinas)
c) Textiles (tapizado de mobiliario)
d) Espumas de poliuretano, presentados con superficie lisa o irregular (crestas repetidas). e) Morteros proyectados, con un ligante (por ejemplo yeso) y un absorbente ligero (por ejemplo vermiculita) aplicados a chorro en
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pequeños espesores, con la ventaja de su aplicación continúa en elementos de difícil acceso, pero con el inconveniente de que los coeficientes de absorción no son muy altos. La absorción sonora se produce por los huecos que se generan entre las partículas del agregado, confiriendo cierto grado de porosidad.
f) Aglomerados piedras
piedras
de
naturales
piedras
naturales,
trituradas,
de
naturales,
granulometría
compuesto pequeña,
aglomeradas con resinas sintéticas, sintéticas, sintéticas, conformando paneles conformando paneles conformando paneles delgados.
g) Elementos independientes (bafles y cilindros suspendidos, mamparas, objetos).
Las cortinas también influyen en la acústica de un recinto cerrado, dependiendo de su densidad su coeficiente de absorción será mayor o menor. Cuanto más densidad superficial y más lugar ocupan, mayor eficacia tendrán a baja frecuencia. También influye la distancia a la que se colocan al paramento o ventana más cercana.
1.5.1.1. Lanas minerales: lana de roca y fibra de vidrio.
Los materiales absorbentes porosos más utilizados en construcción, tradicionalmente, han sido la lana de roca y la fibra de vidrio, que industrial: la materia pasa por unos diminutos orificios de un sistema rotatorio que gira a gran velocidad y que genera unos hilos finos flexibles que al enfriarse, se entrelazan entre sí por medio de una resina termoendurecible, formando una malla que mantiene el aire en estado inmóvil. La diferencia entre la lana de roca y la lana de vidrio (Figura 1.8.) es que la materia de la primera es roca de basalto fundida y molida, y en la segunda, arena silícea. Esta estructura permite conseguir productos muy ligeros con alto nivel de aislamiento acústico, aislamiento térmico y resistencia al fuego.
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Figura 1.8. Lana de roca (izquierda). Fuente: www.rockwool.com y fibra de vidrio (derecha). Fuente: www.isover.es
Los filamentos que componen las lanas minerales tienen estructura elástica y porosidad abierta, lo que supone alta capacidad de amortiguación y absorción de la energía acústica causante del ruído.
Por su estructura flexible, se presentan en manta, o también pueden aparecer en borras. La densidad del sílice es más baja que la del basalto y, por ello, las lanas de vidrio son más ligeras a igualdad de espesor. Ninguna de las dos es cancerígena de acuerdo con la nota Q de la Directiva 97/69 CE, evidenciándose mediante la certificación EUCEB que disponen los fabricantes.
El color de la lana de roca es más verdoso o marrón, mientras que el de la fibra de vidrio es más amarillo, aunque últimamente están saliendo al mercado fibras de vidrio con un color más oscuro. En la construcción se utiliza muchísimo este material, porque debido a sus características, su comportamiento en edificación es muy bueno. En realidad ambos materiales son muy parecidos, y es tal la presión del mercado que no se encuentran estudios comparativos en cuanto al comportamiento
térmico
y
acústico.
Sí
parece
estar
claro
que
el
comportamiento contra el fuego es prácticamente el mismo.
Recientemente, ha surgido la aparición de otras fibras de origen vegetal, que actúan también como absorbentes acústicos en cámaras de tabiques o trasdosados de entramado autoportante o techos de aislamiento,
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que son ignífugas, inatacables por insectos y roedores, transpirables e insensibles a la humedad (evitando así la aparición de condensaciones y la degradación), comercializadas en los mismos formatos que las minerales, cumpliendo con los más exigentes requisitos ecológicos.
1.5.1.2. Virutas de madera aglomerada.
Las fibras que las forman son sometidas a un proceso mineralizante que mantiene inalterables las propiedades de la madera, anulándoles el proceso de deterioro biológico y volviéndolas inertes y muy resistentes al fuego. Estas de aglomeran con magnesita, cemento blanco ó gris, y se prensan
para
formar
una
estructura
alveolar,
estable,
resistente
y
compacta. El resultado final son unas placas rígidas o semirrígidas de fibras de madera aglomerada, que dispone de buenas propiedades como aislante térmico y absorbente sonoro. Es un material fácil de manipular e instalar y no precisa mantenimiento. La mayor parte de los modelos dispone también, de buena resistencia a golpes de impacto. Tienen mayor eficacia acústica a medias y altas frecuencias, mientras que a graves la absorción depende del espesor de la pieza y, sobre todo, de su cámara trasera. Para incrementar la eficacia en este rango de frecuencias, a veces se acompañan en el plenum paneles de lana de roca o de vidrio. Existe gran variedad de acabados, colores, texturas y dimensiones. Los espesores comerciales comunes son de 15 (desaconsejable), 25, 35 y 50 mm. Las placas que están constituidas por virutas más finas y coloreadas (Figura 1.9), presentan un aspecto más moderno y vanguardista. También podrían utilizarse como revestimiento de paredes, con (trasdosado) o sin cámara trasera.
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Figura 1.9. Placas de virutas de maderas de distintos tamaños.
1.5.1.3. Materiales blandos a la flexión (espuma de poliéster, resina de melanina, resina de poliuretano).
Estos
paneles
absorben
sobre
todo
altas
frecuencias
y
se
comercializan en distintos grosores, con cara vista plana o irregular. Estas pueden tener forma prismática, repetidas de manera homogénea o aleatoria (normalmente, triángulos, crestas, ondas o cuadrados), cuya aplicación tradicional ha sido en recintos de acústica exigente (estudios de grabación, locales de ensayo, conservatorios). Los modelos de superficie plana, en placas de forma cuadrada, romboide o rectangular, empiezan a utilizarse en todo tipo de espacios. Es un material de fácil corte, manipulación y adaptación a cualquier superficie. Normalmente, van pegados al elemento base rígido (con lo que ocupan muy poco espesor), pero existen modelos para incorporar a perfilería tradicional de falsos techos. La marca española EZ Acoustics comercializa paneles absorbentes en espuma de poliuretano y fibra mineral, en superficie vista de forma piramidal (modelos "Piramidal" y "Wedges") y plana con cantos perimetrales biselados (modelo "Foam Flat").
Figura 1.10. Placas modelos: Piramidal (izquierda), Wedges (centro) y Foam Flat (derecha). Fuente:www.ezacoustics.com
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1.6. MODELOS MATEMÁTICOS DE ABSORCIÓN ACÚSTICA PARA MATERIALES DE ESTRUCTURA RÍGIDA POROSA
Son varios los autores que se han dedicado a desarrollar modelos y teorías para intentar predecir el comportamiento de los materiales desde un punto de vista acústico. A continuación se va a hacer un recorrido por los principales modelos matemáticos que han sido desarrollados para el estudio del comportamiento acústico de los materiales de tipo poroso.
Son diversos los parámetros que caracterizan acústicamente un material:
impedancia
superficial,
porosidad,
tortuosidad,
impedancia
característica compleja, constante de propagación, longitud característica térmica, etc. Entre todos estos parámetros, hay dos que permiten caracterizar completamente los materiales de tipo poroso y fibroso: la impedancia característica compleja (Z) y la constante de propagación compleja (G).Estos dos parámetros están directamente relacionados con la capacidad de absorción acústica de los materiales.
Los modelos que permiten determinar
la impedancia acústica
característica y la constante de propagación de los materiales porosos a partir de sus propiedades físicas se clasifican en empíricos, fenomenológicos y microestructurales.
El más conocido de los modelos empíricos es el de Delany y Bazley [Delany et al; 1970], que presentan unas relaciones a partir del ajuste de una gran cantidad de datos experimentales. Este modelo sólo necesita como dato de entrada la resistividad al flujo (σ). Los materiales porosos también pueden ser estudiados con modelos teóricos. La denominada aproximación fenomenológica consiste en sustituir un sólido poroso saturado por un fluido equivalente disipativo.
Uno de los autores más importantes en el desarrollo de los modelos teóricos ha sido Biot [M. A. Biot, 1956], que desarrolló una teoría general de la propagación de ondas en un sólido poroso saturado con estructura elástica.
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En último lugar, la aproximación microestructural consiste en el estudio de la propagación de las ondas sonoras en el interior de un poro para, posteriormente, generalizar los resultados a escala macroscópica. Los autores
Zwikker
y
Kosten
[Zwikker
et
al;
1949]
y
Attenborough
[Attenborough K; 1982] han desarrollado modelos microestructurales. Estos modelos se caracterizan porque requieren el conocimiento de cinco parámetros: porosidad, tortuosidad, resistividad, longitud característica térmica y longitud característica viscosa.
Estos modelos microestructurales proporcionan una buena visión física de los mecanismos de disipación de energía, pero son más complejos y se necesita un conocimiento muy detallado de la microestructura de los materiales.
1.6.1. IMPEDANCIA ACÚSTICA DE MATERIALES POROSOS
La impedancia acústica (Z) es una propiedad de estado intensiva. Es la resistencia que opone un medio a las ondas que se propagan en sobre este, es decir, una forma de disipación de energía de las ondas que se desplazan en un medio. Se define como la razón entre la presión sonora (p) y la velocidad de las partículas (u) de un medio material.
El problema de la absorción acústica de materiales porosos ha sido abordado por muchos autores. Muchos de ellos se han dedicado a relacionar la impedancia acústica normal o coeficiente de absorción acústica de un material poroso con ciertas condiciones de incidencia de la onda sonora y con ciertas constantes del material [Leo, L; 1942].
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La ecuación de ondas derivada es aquella ecuación que incluye los términos que tienen en cuenta que en cada unidad de volumen están presentes el aire y la materia sólida. Para obtener la ecuación de ondas se combinan la ecuación de continuidad y de fuerza derivadas.
Aquí se va a tratar el problema de única dimensión, pero es de entender que los resultados se puedan generalizar al caso tridimensional sin mucha dificultad. A continuación se definen los incrementos de volumen total, de materia sólida y de aire que se han tomado.
La porosidad, P, de un material acústico se define como la proporción de aire contenido en el volumen total considerado.
Ecuación de continuidad.
Y en condiciones estacionarias:
Donde ahora p y u son funciones solamente de x.
Ecuación de fuerza. Digamos que es la variación de presión media sobre una de las superficies S del volumen considerado, entonces la fuerza neta aplicada a ese volumen será
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La fuerza debido a la fricción y en condiciones estacionarias: R2 = R’ ∆x · ∆x2 Donde R’ es la resistencia acústica específica debido a la fricción y se mide a través de la resistencia al flujo.
En condiciones estacionarias, asumiendo que la densidad media del sólido es mayor que la densidad media del aire (ρ2 >> ρ), y si el volumen se reduce infinitesimalmente de modo que
,
entonces la ecuación de fuerza queda:
Donde R1 y ρ1 son:
-
Ecuación de ondas. Al combinar las ecuaciones de
fuerza (1.8) y la de continuidad (1.7) se obtiene la ecuación de ondas para el caso unidimensional.
Donde c12 se calcula como:
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-
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Derivación de las funciones de impedancia. Una
solución a la ecuación (1.9) en una dimensión es:
P+ y P- son las amplitudes complejas de la onda de ida y de la onda de vuelta respectivamente.
De la ecuación de fuerza se puede averiguar la componente normal de la velocidad de la partícula u y tomando la relación entre p y u se llega a la ecuación de la impedancia superficial Zd.
Las condiciones ambientales determinan el valor de φ. Las constantes son las que siguen:
ω= frecuencia angular ρ1= densidad efectiva de las partículas de gas en el material c1= (p0/ρ1)1/2 p0= presión estática atmosférica R1=resistencia dinámica específica de fricción P= porosidad= Va/VT j= (-1)1/2 d= espesor del material
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1.6.2. MODELO DE DELANY Y BAZLEY
Este modelo es, posiblemente, el mas conocido de los modelos matemáticos para los materiales absorbentes acústicos de tipo poroso [Delany et al; 1970]. En su trabajo se presentan los valores de la impedancia característica y de la constante de propagación para un conjunto de materiales absorbentes acústicos de tipo poroso. Las relaciones para el cálculo de estos dos parámetros son función de la relación entre la frecuencia (f) y la resistencia específica al flujo (σ). La determinación que hicieron estos autores de la impedancia característica compleja (Z) y de la constante de propagación compleja (Γ) se expresa con las ecuaciones 1.12 y 1.13.
Donde p0 es la densidad del aire, c0 es la velocidad del sonido en aire, f es la frecuencia, σ es la resistencia específica al flujo por unidad de espesor. Estas relaciones son validas en el rango que especifica la ecuación 1.14.
Cabe señalar que, según este modelo, para el cálculo de la impedancia característica y de la constante de propagación sólo es necesario el conocimiento de la resistencia específica al flujo (σ).
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La
resistencia
específica
al
flujo
puede
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determinarse
experimentalmente con la técnica del tubo de impedancia acústica, descrito por Ingard & Dear [Ingard et al; 1985], o mediante la práctica que se propone en la norma europea EN 29053:1994, donde se obtiene la resistencia al flujo con la medida de la presión a través de la muestra con un flujo de aire de velocidad determinada.
Los materiales con los que trabajaron Delany y Bazley son materiales con alto factor de porosidad (factor de porosidad: es la relación entre el volumen de aire en los poros y el volumen total de material). En el caso de tener materiales de baja porosidad, habría que realizar modificaciones en el procedimiento descrito por estos autores.
1.6.3. MODELO DE MIKI
El modelo matemático desarrollado por Miki [Y. Miki, 1990] se basa en el anteriormente expuesto de Delany y Bazley, introduciendo una serie de modificaciones. Este modelo fue desarrollado para la caracterización de materiales porosos.
Miki observó que con el modelo de Delany y Bazley, en los materiales multicapa, algunas veces la parte real de la impedancia superficial era negativa. Las modificaciones introducidas por Miki resuelven esta anomalía, puesto que la parte real de la impedancia debe ser una función positiva. Según Miki, la impedancia característica (Z) y la constante de propagación (Γ) vienen dadas por las ecuaciones 1.115 y 1.16:
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Estas ecuaciones son, básicamente, las mismas que Delany y Bazley propusieron con unos nuevos coeficientes.
1.6.4. MODELO DE ALLARD Y CHAMPOUX
Los autores Allard y Champoux [Allard et al; 1992] desarrollaron nuevas ecuaciones que sustituyen al modelo de Delany y Bazley. Ademas, las ecuaciones propuestas son también validas a bajas frecuencias. Este modelo establece la dependencia de la propagación del sonido en los materiales porosos con la porosidad y tortuosidad y con la densidad del material.
Estos autores señalan que en los modelos anteriores no se ha tenido en cuenta la geometría de los materiales. En el modelo de Allard y Champoux, la impedancia característica (Z) y la constante de propagación (Γ) vienen dadas por las ecuaciones 1.17 y 1.18.
Donde ρ(ω) es la densidad dinámica (Kg/m3), K(ω) es el modulo de compresibilidad efectivo dinámico (N/m2). Estos valores para el aire a temperatura ambiente y a presión atmosférica se expresan con las ecuaciones 1.19 y 1.20.
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Expresado f en s.f. y σ en Rayls/m. Estas expresiones anteriores solo son validas para incidencia normal y bajo la hipótesis de que los materiales tienen unos factores de tortuosidad y de porosidad elevados (cercanos a la unidad).
La constante de propagación Г(ω)=α+iβ, donde α es la atenuación y β es la constante de fase, y la impedancia característica Z(ω)=R-iX a incidencia normal vienen dadas por las ecuaciones 1.21 y 1.22.
La impedancia superficial, Zs, con terminación rígida, de una capa de espesor l, puede calcularse mediante la expresión 1.23.
Mientras que el coeficiente de absorción acústica α a través de la ecuación 1.24.
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1.6.5. MODELO DE ZWIKKER Y KOSTEN
La relación entre el exceso de presión en el material, p, y la componente en la dirección de la propagación del sonido de la velocidad del aire presente en las cavidades, se puede deducir a través de la ecuación de continuidad junto con la ecuación de movimiento. En el caso de onda plana esta ecuación es:
Se denota como ρ la densidad del aire y u es la componente x de la velocidad del aire (media para todo el aire presente en las cavidades). Si se introduce la relación
Definiendo k como el módulo de compresibilidad del aire, la ecuación de la continuidad se convierte en:
Para la ecuación del movimiento [Rayleigh, L; 1935]:
Siendo σ la resistividad al flujo de aire.
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Un avanzado desarrollo de la base de esta teoría lleva a calcular la impedancia de la onda acústica Zw=p/u, que depende solamente de una característica propia del material, la resistencia al flujo de aire σ. Pero para obtener las condiciones del coeficiente de absorción acústico predominantes en la frontera entre el aire y el material poroso, se debe introducir un factor de porosidad h. Para que se cumpla la continuidad del flujo de aire se requiere que en la frontera se satisfaga ν=h·u, siendo ν la velocidad al aire libre.
Por otro lado, anteriormente se había propuesto la ecuación [Kühl, V. et al, 1932]:
El significado físico de k puede ser interpretado de muchas maneras. Según Kühl y Meyer k·ρ representa la masa vibrante en 1 cm3. Zwikker interpreta k como un factor de giro. Si todos los poros del material formaran un ángulo θ con el eje x, habría que escribir k=1/cos2θ. Es ese caso el gradiente de presión en un poro viene dado por cosθ. De este modo la ley de Newton se puede escribir de la forma:
Se puede hacer una tercera interpretación de k [Kosten et al. 1941]. Se puede definir como la relación que existe entre el volumen de todos los poros y cavidades del material y el volumen de esos poros que recorren en tramo recto el material. La
interpretación
de
k
como
factor
de
giro
y
esta
última
interpretación están íntimamente relacionados a través de la constitución interna del material, de este modo se denota a este factor como factor de forma. Este factor de forma es específico para cada material.
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De este modo, las propiedades fundamentales para describir el comportamiento acústico de un material son la porosidad, la resistencia al flujo de aire y el factor de forma.
1.6.6. CALCULO DEL COEFICIENTE DE ABSORCION ACUSTICO A PARTIR DEL MODELO DE ZWIKKER Y KOSTEN.
El fenómeno de absorción acústica en el interior de un material poroso se debe principalmente a los procesos disipativos de la conducción térmica y viscosa en el fluido dentro del material. Para este tipo de materiales, estos procesos son función de varios parámetros envueltos en las características microestructurales: porosidad (Ω), tortuosidad (T) y resistencia al flujo de aire (σ).
Para diseñar un material acústico adecuado a las características del ruido incidente es conveniente elaborar un modelo fisicomatemático para predecir sus propiedades acústico absorbentes en función de la frecuencia. En general, la cuestión para modelar el comportamiento acústico de un material poroso es encontrar una expresión para la impedancia acústica característica. La impedancia acústica es la relación entre la presión de propagación y la velocidad de una onda de presión acústica en el material, que
es
función
de
la
densidad
dinámica
ρ(ω)
y
del
modulo
de
compresibilidad K(ω) del material, que a su vez son función de la frecuencia.
Si el material se puede considerar como una estructura rigida cuyos poros están rellenos por un fluido conocido (la estructura es inmóvil para un amplio
rango
de
frecuencias),
puede
ser
reemplazado
en
escala
microscópica por un fluido equivalente, y la densidad efectiva de BIT del fluido (aire) se puede expresar como:
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Siendo
T
la
tortuosidad
microscópica
del
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material,
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ω
=2пƒ
(f=frecuencia de la onda incidente), ρ0 la densidad del aire, y F(λ) es una función compleja relacionada con las funciones de Bessel de 0 a 1 según el factor de forma (adimensional).
Siendo c un parámetro de ajuste.
Llevando a cabo la simplificación propuesta por Johnson [Johnson DL; 1987] para F(λ):
Esta simplificación tiene suficiente grado de precisión. Para poros cilíndricos sin intersecciones entre ellos, la ecuación 1.29 proporciona una solución exacta, porque en este caso el factor de forma c=1.
Para el cálculo del módulo de compresibilidad K, y en la ausencia de un modelo para la dependencia de K de la frecuencia, se usa la misma dependencia que para poros cilíndricos, tomando la expresión de ZwikkerKosten, e introduciendo la simplificación de Johnson.
Donde
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NPr es el número de Prandtl y c’ es otro factor de forma relacionado con los gradientes térmicos en los poros (c está relacionado con las pérdidas viscosas en los poros). En general c=1/c’, y 0,3 < c < 3.
Teniendo ρ y K, la impedancia específica de un material granular se puede evaluar como una función que depende de la frecuencia (ecuación 1.26).
Se sabe bien [Attenborough, K; 1983] que la relación entre la impedancia superficial de una capa de material poroso de espesor d, para incidencia normal de las ondas sonoras, considerando soporte rígido, es:
Siendo k el número de onda en el material:
A trabes de esta expresión de la impedancia se puede calcular el coeficiente de reflexión acústica por medio de la ecuación 1.32. Donde ρ0c es la impedancia del aire en condiciones estándar ρ0c = 415 Rayls MKS. Finalmente, el coeficiente de absorción acústica del material se puede obtener según la ecuación 1.38.
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2. ANTECEDENTES
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2.1 INTRODUCCIÓN
El aprovechamiento al máximo de cualquier subproducto generado durante un proceso industrial tiene que tener hoy día carácter prioritario. Una de las formas de reciclar estos materiales es buscar aplicaciones concretas de uso que sean factibles con las características de los mismos. Una de las ventajas que presenta el sector de la construcción es que, al margen de poder digerir ingentes cantidades de productos, admite una gama inmensa de calidades, lo que permite confeccionar una gran panorámica de materiales, cada uno adecuado para un uso concreto.
La directiva 2008/98/CE del Parlamento Europeo y del Consejo establece un marco jurídico para el tratamiento de los residuos en la Unión Europea. Su objetivo es proteger el medio ambiente y la salud humana mediante la prevención de los efectos nocivos que suponen la producción y la gestión de residuos. Según esta directiva, con el fin de proteger mejor el medio ambiente, los estados miembros deberán adoptar medidas para tratar los residuos de conformidad con la siguiente jerarquía de prioridades:
• Prevención • Preparación para la reutilización • Reciclado • Otro tipo de valorización, por ejemplo, la valorización energética • Eliminación
Se define la valorización como cualquier operación cuyo resultado principal sea que el residuo sirva a una finalidad útil. La valorización incluye todos aquellos circuitos que permiten el aprovechamiento de los recursos contenidos en los residuos y puede ser material o energética.
Hay muchas definiciones de biomasa, incluso desde el punto de vista legal en muchas disposiciones. La más adecuada para el objetivo del posible aprovechamiento integral de la misma es la que define la biomasa como: “la materia orgánica de origen animal o vegetal, o procedente de cualquier transformación de las mismas, considerando tanto las que se producen de
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2013
forma natural como artificial”.
En este concepto de biomasa, la formación o transformación de la materia orgánica debe ser reciente, por lo que se excluyen a los combustibles fósiles. En esta definición podemos considerar varios tipos de biomasa. La biomasa natural, sería la que se produce en la naturaleza sin intervención humana en bosques, matorrales, etc. Esta biomasa debe de estar protegida y no ser utilizada con fines energéticos, ya que su empleo masivo puede provocar la destrucción de ecosistemas naturales.
Otro tipo de biomasa es la residual, o la que se produce en cualquier actividad humana, destacando los subproductos de las industrias forestales, agrícolas, ganaderas, etc. Este tipo de biomasa debe aprovecharse, bien con fines energéticos, bien con otros fines de valorización (reutilización y/o aprovechamiento másico), siendo su aprovechamiento muy positivo y aconsejable.
La industria de la construcción puede adsorber una gran cantidad de residuos. Los residuos pueden entrar como materias primas (hablamos entonces de valorización material) o como combustibles alternativos (lo que se denomina valorización energética). La valorización material supone dos alternativas prioritarias en la gestión de residuos y apenas se encuentran implantadas en España en comparación con otros países europeos más concienciados en aspectos medioambientales. En este sentido, el sector de la construcción aporta un gran potencial en la colaboración con la gestión global de los residuos, ya que es capaz de incorporar ciertos residuos o subproductos de otros sectores.
La recuperación, ya sea reutilización o reciclado, se convierte en una opción atractiva económicamente cuando se generan grandes cantidades de residuos viables. De esta forma, el reciclaje puede alcanzar tasas óptimas, tanto desde el punto de vista medioambiental como económico, siendo parte de una política integrada de gestión de residuos.
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Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
Por lo general, los materiales reciclados tienen que competir con productos de bajo coste. No obstante, cuando las propiedades de los residuos permiten su uso en procesos de elaboración de materiales para aplicaciones específicas, estos pueden resultar claramente competitivos, al no tener que contemplar los costes medioambientales que la gestión de su vertido conlleva.
La cascarilla de arroz es un residuos agrícola que se puede someter a valorización, tanto energética extrayendo sus cenizas, como material que es la opción que se estudia en este proyecto.
2.2. CASCARILLA DE ARROZ
Las cascarillas de arroz son subproductos de la industria molinera que se acumula abundantemente en las zonas arroceras de muchos países y que presentan unas propiedades morfológicas que los hacen, en principio, atractivos para su utilización como constituyente básico de materiales reciclados con propiedades de absorción acústica. Se producen en grandes cantidades, aproximadamente de cada 100 kg de arroz se obtienen 20 kg de cascarilla. Los mayores productores mundiales son la India, China, Tailandia y Bangladesh. En Europa, España junto con Italia son los mayores productores, generándose en España unas 100.000 Tm de cascarilla de arroz (Ospina, M,A. el al. 2008). En España, las cooperativas Agro-alimentarias ha estimado que la producción de arroz cáscara de 2012 ha alcanzado las 870.000 t, lo que supone una reducción del 4,2 % respecto al ejercicio anterior, aunque los rendimientos medios han sido un 2,73% superior. De la cantidad global de arroz recogida en los campos españoles, 406.639t corresponden a la variedad indica y 462.976t a japónica. En cuanto a la superficie de cultivo, alcanzó este año las 113.780,54 ha, un 6,75% menos, según han detallado las Cooperativas.
68
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
Las
principales
cantidades
recolectadas
en
ETSI
España
2013
(Tabla2.1.)
corresponden a Andalucía (354.650t, -1,89%), seguida de Extremadura (217.657t, +0,77) y Comunidad Valenciana (120.000t, +2,56). Las principales caídas de cosechas en esta campaña, respecto a la anterior, se han producido en Aragón (-49,29%), Baleares (-84,39%), Murcia+Albacete (-26,63%) y Navarra (-38,93%).
PRODUCCION ARROZ CASCARA 2012 CC.AA
PRODUCCION (t)
Variación (%)
ANDALUCIA
354.650
-1,89
BALEARES
100
-84,39
ARAGON
38.538
-49,29
CATALUÑA
125.000
8,7
EXTREMADURA
217.657
0,77
2.700
26,63
NAVARRA
10.970
-38,93
C.VALENCIANA
120.000
2,56
TOTAL
869.614
-4,2
MURCIA+ALBACETE
Tabla 2.1. Producción de cascarillas de arroz en España, en 2012. Fuente: Estimaciones de Cooperativas Agro-alimentarias,2012.
Las explotaciones de arroz se concentran en Andalucía en las provincias de Sevilla y Cádiz principalmente y en menor medida en la provincia de Huelva (Figura 2.1.) El municipio que presenta más superficie de arroz es La Puebla del Río con 8.858 ha, seguido de Isla Mayor y Aznalcázar con 4.829 ha y 2.914 ha respectivamente. En el rango de las 2.000 ha a las 1.000 ha de superficie de arroz se encuentran los municipios de Utrera y Las Cabezas de San Juan, ambos en la provincia de Sevilla y Vejer de la Frontera en Cádiz. El resto de municipios presentan una superficie inferior a las 700 ha. (Consejería de Agricultura y Pesca, Junta de Andalucía)
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Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
Figura 2.1. Localización de los municipios productores de arroz en Andalucía.
Con respecto a las características, decir que la longitud de la cascarilla depende de la variedad de arroz y está entre 5 y 11 mm. Su ancho es casi el 30-40% de la longitud y de acuerdo a su tamaño una cascarilla puede pesar entre 2,5 y 4,8 mg. Entre sus principales propiedades físico-químicas se destaca que es un sustrato orgánico de baja tasa de descomposición (difícil degradación), es liviano (baja densidad), de alto volumen, de buen drenaje, buena aireación.
Para verificar el uso de cascarilla de arroz como material aislante acústico, se ha partido de la idea de que es un residuo agrícola clasificado como biomasa con baja resistencia física. Para corregir este parámetro desfavorable, se ha usado resina sintética comercial que permitan fabricar muestras para el estudio de propiedades, tanto acústicas como físicomecánicas, como se verá en el capítulo 4 de Materiales y Métodos.
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Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
2.3. ESTADO DEL ARTE
2.3.1. REUTILIZACIÓN DE LAS CASCARILLAS DE ARROZ
A continuación se presenta una breve búsqueda bibliográfica de distintos reciclados de cascarilla de arroz. •
Medida de la capacidad de absorción acústica y propiedades mecánicas de un material compuesto por cascarilla de arroz y aserrín. [Kang, C-W. et al., 2011)
Se construyeron tableros de cascarillas de arroz y aserrín para destinarlos a construcción. Los parámetros variables fueron la densidad (400, 500, 600 y 700 kg/m3), y el contenido de cáscara de arroz como porcentaje en peso de cáscara de arroz / resina de aserrín / fenol (10/80/10, 20/70/10, 30/60 /10, y 40/50/10) . Como comparativa en los análisis de absorción acústica se usaron placas de yeso comercial y tableros de fibra. El módulo promedio de ruptura (MOR) de la muestra con una densidad de 700 kg/m3 y de cáscara de arroz en proporción en mezcla del 10 % fue de 8,6 MPa , y el de la muestra con un 400 kg/m3 densidad y una proporción de cascarilla de arroz de 40 % fue de 2,2 MPa . El MOR aumentó con el aumento de la densidad de la muestra o/y la disminución de cascarilla de arroz en proporción en la mezcla. Los coeficientes absorción acústica de algunas muestras (400 kg/m3 y 10 %, 500 kg/m3 y 30 % , y 500 kg/m3 y 40 %) eran mejores que las de yeso comercial de 11mm de espesor. Por lo tanto, se concluyo que las muestras compuestas de cascarilla de arroz y aserrín pueden emplearse como barreras que absorben el sonido en la construcción debido a sus altos coeficientes de absorción de sonido . •
La
investigación
experimental
sobre
la
correlación
de
la
temperatura, la humedad, y CO 2 en un ambiente interior aislado con cascarillas de arroz. [Lee, K.-I., et al., 2013]. Dado que la calidad de vida se ha convertido en un centro de atención a nivel internacional, los estudios sobre ambientes interiores confortables se están llevando a cabo activamente. En particular, el número de pacientes que sufren de enfermedades relacionadas con la calidad del aire interior,
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ETSI
2013
tales como la dermatitis atópica y el nuevo síndrome de la vivienda han aumentado y el tiempo medio que se pasa en ambientes interiores actualmente es un día más de la media, por ello se buscan soluciones a nivel arquitectónico, potenciando el uso de materiales ecológicos. Con estos antecedentes, esta investigación tuvo como objetivo verificar el efecto de arroz cáscara para aislamiento en el ambiente interior, ya que es ampliamente utilizado en las zonas rurales. Para ello, se han realizado dos maquetas a escala real con aislamiento de arroz casco y paneles aislantes de poliestireno, que es la construcción se utiliza generalmente en las zonas rurales. Se construyeron y analizaron, y se verificó el efecto de arroz como un buen aislante de un ambiente interior.
•
Efectos de tamaño de partícula y contenido de cáscara de arroz en las propiedades mecánicas y el aspecto visual de un material con plástico y madera preparados a partir de poli (cloruro de vinilo). [Petchwattana, N. et al., 2013].
Esta investigación tiene como objetivo desarrollar compuestos plásticos de madera (WPC) con cascarillas de arroz y poli (cloruro de vinilo) (PVC). El tamaño de las cascarillas de arroz y su contenido influyen en las propiedades mecánicas y el aspecto visual de las muestras cubiertas de WPC que se han investigado. Los resultados experimentales revelaron que la resistencia al impacto tiende a disminuir con el aumento de contenido de cascarillas de arroz. Los materiales compuestos con tamaños de partícula más grandes mostraron mayor resistencia al impacto. Con respecto a la resistencia a tracción y flexión, a mayor tamaño de cascarillas compactada mayor resistencia. Los tamaños de partícula más grandes eran de 106 micras y se ha blanqueado para convertirlo en una unidad de PVC blanco. •
Estudio de paneles para pared compuestos de un cascarillas de arroz. [Wang, Y. et al., 2012]
Para reducir eficazmente el derroche de energía en la construcción se debe proporcionar al material una buena conservación de la energía y buena hermeticidad, para ello se ha investigado las cascarillas de arroz como un material para la pared. La fuerza, densidad, conductividad térmica y
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ETSI
2013
resistencia a la congelación se estudian por medio de experimentos. La estructura se compone cascarillas de arroz, barras de acero y panel de lana de roca, y se estudian también la resistencia al fuego, el aislamiento acústico y el aislamiento térmico. El resultado experimental muestra que este panel de pared tiene buenas propiedades de resistencia al fuego, aislamiento acústico y aislamiento térmico, que pueden satisfacer también las propiedades físicas y mecánicas. El método de diseño se plantea acorde con los costos y beneficios económicos. •
Arroz casco como una materia prima renovable y sus rutas de procesamiento [Efremova, SV. 2012].
Se ha demostrado que la cascarilla de arroz tiene una composición única y se puede utilizar como una materia prima renovable. Se propone un método de conversión en materiales polifuncionales, lo que da un producto sólido, un producto orgánico líquido, y una mezcla de gases no condensables. El producto sólido es adecuado como material de relleno como elastómeros, suplemento de forraje para aves de corral granja, y sorbente para la recuperación de metales noble y raros. El producto líquido actúa como un colector altamente selectivo de minerales de plomo en beneficio de minerales complejos, estimulantes del crecimiento vegetal, y el agente antiséptico. La mezcla de gases no condensables se puede utilizar para la producción de carbón o como un combustible de alto valor calorífico.
•
Método para la obtención de silicio puro a partir del reciclado de cascarillas de arroz. [Xiaoyu, Ma et al., 2011]
Se propone una tecnología para la obtención de polvo de sílice a partir de las cenizas de cascarillas de arroz y NH4F. El silicio contenido en la cascarilla de arroz se ha disuelto con una disolución de NH4F para producir (NH4) 2SiF6 y NH3. El polvo de sílice precipita a NH3·H2O con la agregación de una solución de (NH4) 2SiF6, y esta precipitación se ha caracterizado mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). También se han estudiado experimentalmente las condiciones de preparación y el proceso de reciclado El rendimiento de sílice alcanzó un valor de hasta 94,6% y las partículas son
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Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
esféricas con un diámetro de 50-60 nm. Lo más importante, es que todos los reactivos y subproductos fueron reciclables en este proceso. • Utilización del residuo obtenido en el proceso de combustión de la cascarilla
de
arroz
para
la
preparación
de
materiales
de
construcción de bajo coste con base cementicia. [Ospina, M,A. et al. 2008]. La cascarilla de arroz es un residuo agrícola que se producen en grandes cantidades, aproximadamente de cada 100 kg de arroz se obtienen 20 kg de cascarilla. Los mayores productores mundiales son la India, China, Tailandia y Bangladesh. En Europa, España junto con Italia son los mayores productores, generándose en España unas 100.000 Tm de cascarilla de arroz. La incineración, es una de las formas de gestión más habitual de de la cascarilla de arroz que permite la eliminación de la materia orgánica contenida en la misma (la quinta parte de la cascarilla de arroz se transforma en ceniza después de la combustión). La ceniza obtenida en condiciones específicas de combustión, presentan propiedades puzolánicas, lo que permite su utilización en la preparación de morteros, como sustitución parcial del cemento portland. Las investigaciones desarrolladas han consistido en utilizar este residuo para la preparación de tejas de microhormigón, mediante la sustitución parcial de cemento por ceniza de cascarilla de arroz, como forma de reutilización de este residuo agrícola de difícil gestión. •
Estudio de la variación en la conductividad térmica de la cascarilla de arroz aglomerada con fibras vegetales [ Cadena, C.J, et al., 2002]
Ante la necesidad de desarrollar alternativas tecnológicas que permitan la utilización
de
elementos
desechados
en
procesos
productivos
para
aprovechar su potencial y contribuir a la disminución del impacto ambiental que puedan generar por una inadecuada disposición, surge la oportunidad de aprovechar productos vegetales de desecho que permitan innovar en el área de los materiales de ingeniería, campo en el cual la cascarilla de arroz se perfila como un aislante térmico de alta efectividad, competitividad y de fácil obtención, lo cual contribuye al reemplazo de productos derivados del
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Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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petróleo. Este estudio se propone desarrollar nuevos materiales para aislamientos térmicos a partir de cascarilla de arroz y fibras vegetales, para lo cual se han realizado pruebas según la norma ASTM C-177, para la cuantificación de su capacidad conductiva de calor, lo cual ha puesto en evidencia su potencial aislante. •
Alternativas de aprovechamiento de la cascarrilla de arroz en Colombia. [Vergara, C., 2009]
Crear conciencia del uso racional de los recursos naturales por parte de los seres humanos es un compromiso que ha trascendido las fronteras nacionales para convertirse en una causa global. Uno de los mecanismos a la mano es el uso de los subproductos de los procesos industriales o agroindustriales de los cuales se generan una serie de residuos que en cierto grado se pueden aprovechar y con ello se apunta a mejorar dos condiciones, una de ellas es el manejo de las basuras y otra, qué al aprovecharlos oportunamente se disminuye el uso de recursos energéticos tales como el petróleo, la madera, que cada día incrementan sus costos y tienden a escasearse. Con la realización de esta monografía, centramos la atención en la cascarilla de arroz como alternativa de uso en niveles energéticos y constructivos dada sus características de aislante térmico, combustible alternativo entre otras posibilidades .Se hace referencia así a todos
las
aproximaciones
tecnológicas
e
investigativas
a
nivel
de
Latinoamérica y Colombia y la contribución de las mismas a la problemática generada por el destino final de dicho subproducto.
•
Materiales de construcción con propiedades aislantes a base de cáscara de arroz [Salas Serrano, J. et al., 1985].
El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación "Materiales, Tecnologías y Prototipos de Viviendas de muy Bajo Coste". Se pretende conseguir un material de construcción para su empleo como aislante térmico, a base de cemento y cascara de arroz tratada. Se analiza el comportamiento
de
distintas
dosificaciones
optando, en base
a los
resultados, por dos de ellas, con las que se realizaron paneles patrón de 60 X 90 X 6 cm que se ensayaron a flexión y se determinaron los valores de la
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Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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conductividad térmica, valor de λ que oscila entre 0,105 y 0,123.Asimismo se trata de un conjunto de resultados parciales, de distintas aplicaciones, que se encuentran en proceso de resolución en el marco del estudio de hormigones pobres, especialmente pensados para su elaboración en países en vías de desarrollo.
2.3.2 REUTILIZACIÓN DE RESIDUOS EN MATERIALES ACÚSTICOS •
Influencias de la cáscara de arroz en la espuma de poliuretano en sus características de absorción de sonido. [Wang, Y. et al., 2013].
En este artículo, de cáscara de arroz (HR) fue utilizado en la fabricación de espuma de poliuretano (PU). El artículo analiza la participación de RH en la reacción química de la síntesis de la PU con el método de la reflexión total espectroscopia infrarroja atenuada de Fourier. Además, se estudia la influencia de la humedad relativa en la formación de la estructura de los poros junto con el rendimiento acústico, tales como la tasa de impedancia acústica, la reflexión acústica, el coeficiente de absorción de sonido, y la pérdida de transmisión mediante el método de transferencia de Función. Los resultados indicaron que la HR influyó significativamente en la uniformidad del diámetro de los poros de la espuma de PU. A medida que el contenido de humedad relativa aumenta, el pico de absorción de sonido se desplaza hacia la región de baja frecuencia. Los coeficientes de absorción de sonido aumentan hasta el valor umbral de contenido de RH. •
Investigación
de
las
propiedades
absorción
acústica
de
materiales fibrosos reciclados [Seddeq, SA et al., 2013] Recientemente, muchos estudios se han llevado a cabo en el campo del reciclado de materiales y se ha descubierto el uso potencial de nuevos materiales para aplicaciones como buen absorbente acústico. En este trabajo se investigó las propiedades de absorción de los materiales fibrosos reciclados incluyendo fibras naturales, fibras sintéticas y fibras agrícolas lignocelulósicas. Se han probado acústicamente telas a partir de fibras naturales recicladas mezcladas con fibras sintéticas. Además, compuestos
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2013
de residuos agrícolas como paja de arroz y aserrín. Los resultados indicaron que las muestras no tejidas tienen altos coeficientes de absorción acústica a frecuencias altas (2000-6300 Hz), bajo absorción a baja frecuencia (100400 Hz) y mejor absorción a medias frecuencias (500-1600 Hz). La absorción acústica aumenta con el grosor de los tejidos. Además, la adición de espacio de aire detrás de la muestra mejoró la absorción a frecuencias bajas y medias. La paja de arroz alcanzó alta absorción a frecuencias bajas y medias. Sin embargo, tienen poca absorción a altas frecuencias. La adición de aire mejora la absorción a frecuencias bajas y medias. En general, los resultados indicaron que los materiales fibrosos reciclados son válidos como materia prima que absorbe el sonido favorablemente a bajo costo, con peso ligero y con biodegradabilidad. •
Evaluación de la absorción acústica y propiedades mecánicas de hojas celulósicas recicladas delgadas que contienen lana, fibra de cerámica, y polvo de algodón. [Karademir, A., 2012]
Un número de biocomposites delgados se produce a partir de residuos de pulpa de cartón ondulado con 15% y 30% de mezcla de fibras de lana (WF), fibras cerámicas (CF), y polvo de algodón (CD), respectivamente. El alto coeficiente de absorción acústica se obtuvo de las muestras que contienen 30% de fibras de lana. Las fibras de cerámica mejoraron la estabilidad térmica de las hojas, que fue seguido por WF y CD. La resistencia mecánica fue escasa, desafortunadamente. Se encontró, además, que la adición de CD, CF y WF aumentaron los valores de permeabilidad al aire de los materiales resultantes paralelo a la reducción en la densidad. •
Absorción acústica de espumas de aluminio. [Navacerrada, M.A. et al, 2008]
Se presenta un estudio del coeficiente de absorción acústica a incidencia normal
de
espumas
de
aluminio
fabricadas
mediante
la
técnica
pulvimetalúrgica. Se fabricaron espumas de aluminio de distinta morfología superficial variando el tipo de precursor y usando materiales de relleno durante el proceso de espumación. Se muestra un estudio comparativo del coeficiente de absorción acústica de las espumas de aluminio fabricadas y las espumas comerciales conocidas como ALPORAS. Para cada muestra
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2013
fabricada se estudió la influencia del espesor sobre el valor del coeficiente de absorción. El atractivo de las espumas de aluminio radica en que en ellas se combinan interesantes propiedades acústicas y mecánicas. Se analizó el efecto de una cámara de aire de 2, 5 y 10 cm de anchura sobre el coeficiente de absorción acústica, solución constructiva habitual para reducir el tiempo de reverberación en un recinto. Los resultados muestran que se consigue un aumento significativo del valor del coeficiente de absorción a bajas frecuencias. Este aumento depende de la densidad y espesor de la espuma de aluminio y de la anchura de la cámara de aire. En esta misma línea, y dado el uso habitual de lanas minerales como absorbentes acústicos también se investigó el coeficiente de absorción a incidencia normal de la espuma de aluminio con una lana mineral. •
Barreras acústicas obtenidas a partir de residuos industriales. [García-Vallés, M. et al, 2008]
La contaminación acústica es un problema medioambiental que cada vez está incrementando más su importancia en la sociedad. Asimismo, la acumulación de los residuos que se generan y la necesidad de gestionarlos se están convirtiendo en situaciones urgentes a resolver. En este estudio se describe un nuevo material llamado PROUSÓ, obtenido a partir de residuos industriales. Los materiales que forman la base para la elaboración de PROUSÓ son escorias del proceso de reciclado de aluminio, polvo de la industria del mármol, arenas de fundición y poliestireno expandido reciclado de empaquetamiento. También se han usado algunos materiales naturales, como arcillas plásticas. Para obtener PROUSÓ se usa un proceso de cerámica convencional, formando nuevas fases minerales e incorporando elementos contaminados en la estructura. Absorbe un 95% del sonido para una frecuencia de 500 Hz. Su resistencia a compresión lo hace ideal para su uso como pared cerámica en construcción. •
Propiedades acústicas de polvo de neumáticos. [Pfretzschner, J. et al, 1999]
Los vertederos de neumáticos son una problemática que va en aumento. En EE.UU. se desechan alrededor de 20 millones de neumáticos por año, y en torno a dos billones de llantas se acumulan en pilas de almacenamiento por
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todo el país. En Europa la situación es análoga, hay miles de neumáticos apilados en chatarrerías, vertederos y otros lugares que se pasan a ser un problema medioambiental, de seguridad y de salud. La principal aplicación acústica de la reutilización de caucho de neumáticos consiste en su uso en pavimentos, como asfalto modificado, aumentando la elasticidad, resistencia a la rotura, y reduciendo los niveles de emisión. Se puede alcanzar una reducción del ruido originado por el tráfico si la carretera porosa, a través de la absorción parcial de la energía acústica en la superficie de la carretera, reduciendo el ruido que se propaga cerca de la superficie. Debido a que es necesario que este tipo de asfalto sea compatible con sus transformaciones mecánicas, los espectros de absorción presentan bandas de frecuencia muy estrechas centradas en 1200 Hz. Sin embargo, teniendo en cuenta que esta banda de frecuencia se corresponde con el rango de frecuencia a la que el oído humano es más sensible, la sensación de absorción acústica que se puede alcanzar con este tipo de nueva superficie es entre 3 y 5 dB más de la real La posibilidad de reducir el ruido de tráfico usando superficies de carretera porosas es hoy en día un tema bien conocido, pero la explicación física de cómo se produce esta transformación acústica permanece todavía conocida de
manera
experimental
(depende
del
tamaño
y
la
distribución
granulométrica de las partículas, del espesor de la placa, etc.). Otra aplicación se basa en el uso del polvo de neumáticos en la construcción de barreras acústicas que, colocadas a lo largo de las carreteras, puedan reducir el ruido de tráfico en áreas residenciales. En este caso, se debe diseñar un nuevo material de modo que sus características referentes a la absorción acústica se hagan máximas en aquellas bandas de frecuencia que coinciden con las bandas de máxima emisión de ruido. •
Desarrollo de un material compuesto de corcho-yeso para aplicaciones en la construcción. [Hernández-Olivares, F. et al, 1999]
En esta investigación se presenta un análisis de un nuevo material compuesto, corcho-yeso. Se muestra que el corcho y el yeso son mutuamente compatibles y se pueden hacer cantidad de materiales de construcción diferentes tan solo mezclando estos dos materiales en distintas
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Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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proporciones volumétricas. Se han medido las propiedades mecánicas de compuesto de corcho-yeso. Se han determinado de forma experimental el coeficiente de absorción acústica y la conductividad térmica del material y con estos valores se ha procedido al diseño. En referencia a las características de aislamiento acústico, el compuesto no es un material buen absorbente acústico pero sí es reflectante, y necesita de un tipo de perforaciones para que se comporte como un material absorbente acústico. Las propiedades de aislamiento térmico son buenas según los resultados obtenidos en los ensayos de conductividad térmica. Se sugiere el uso de este nuevo material compuesto para la elaboración de elementos de compartimentación en la edificación.
80
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2013
E
3. OBJETO Y ALCANCE
81
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
El objetivo principal de esta investigación es la identificación potencial de aplicación de cascarillas de arroz como constituyente de materiales acústicos
absorbentes
aplicables
como
complemento
a
muros
de
infraestructuras.
Además, se deben destacar otros objetivos específicos, que son los siguientes:
-
Analizar
y
optimizar
la
proporción
de
los
constituyentes
que
componen el material de modo que se equilibre la absorción acústica con las propiedades mecánicas. -
Determinar el efecto de catalizador, resina y cascarillas de arroz en las propiedades físicas, mecánicas y acústicas del producto.
-
Determinar el efecto del espesor del producto en el coeficiente de absorción acústica.
-
Determinar las propiedades físicas, mecánicas y acústicas de la vermiculita sustituyendo en proporción a las cascarillas de arroz en el producto final para comprobar su eficacia como material absorbente acústico.
-
Comparación positiva del producto final con respecto a la de otros materiales comerciales tradicionales usados para el mismo fin.
-
Analizar y optimizar una solución constructiva con propiedades equiparables
a
las
de
los
productos
comerciales
utilizados
tradicionalmente para este tipo de aplicaciones, comparando costes.
Por último, como objetivos particulares se pretende reciclar y valorizar un residuo que procede de la agricultura en el desarrollo de materiales acústicos absorbentes con aplicación potencial dentro del campo del aislamiento
acústico,
reduciendo
su
incidencia
medioambiental
y
aportándose un valor añadido. Asimismo se extraerán conclusiones sobre la aplicabilidad industrial y viabilidad técnica de los materiales desarrollados y se analizará su idoneidad para el sometimiento de los mismos a ensayos normalizados a escala industrial, de cara a su uso como complemento a muros de infraestructuras.
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4. MATERIALES Y MÉTODOS
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4. 1.- MATERIALES 4.1.1. CASCARILLAS DE ARROZ La cascarilla de arroz es un tejido vegetal constituido por celulosa y sílice que presenta una gran variedad de características fisicoquímicas que es preciso estudiar, según la aplicación que se desee darle. En este caso, lo más importante y determinante para el estudio que se lleva acabo es que disponga de unas buenas propiedades físicas sobretodo. Entre las propiedades físico-químicas de la cascarilla de arroz se destaca que es un sustrato orgánico de baja tasa de descomposición, baja densidad, alto volumen, de buen drenaje, buena aireación, baja retención de la humedad. Su característica más importante con respecto al estudio es su baja densidad
0,12 - 0,13 g/ml.
La cascarilla tiene un aspecto parecido al de la paja (Figura 4.1.), es muy ligera y su composición típica es de 40% de celulosa, 20% de cenizas en base seca, 10% humedad y 30% extracto no nitrogenado.
Figura 4.1. Aspecto de las cascarillas de arroz.
En las Tablas 4.1. y 4.2. se muestras las propiedades físicas y químicas más importantes de la cascarilla de arroz.
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Tabla 4.1. Propiedades físicas de la cascarilla de arroz.
Tabla 4.2. Propiedades químicas de la cascarilla de arroz.
A
parte
de
su
alto
contenido
en
sílice
(80%),
tiene
otros
constituyentes que se reflejan en la Tabla 4.3. Componentes
Porcentaje/unidad
C
42%
H
5.5%
N
0.6%
S
0.07%
O
37.5%
K
0.6%
Tabla 4.3. Constituyentes de la cascarilla de arroz. Fuente: FRAILE, Diego. Generación de electricidad a partir de cascarilla de arroz. En: Ingeniería Química. Madrid Vol 32No: 366, (2000). Pág.: 174.
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4.1.2. RESINA EPOXi Las resinasepoxi o epóxicas son polímeros que poseen en su constitución, un anillo de tres miembros conocido como “anillo epoxi” (Figura 4.2.)
Figura 4.2. Estructura anillo epoxi.
Son productos obtenidos mediante reacciones de condensación (en presencia de hidróxido de sodio) entre la epiclorhidrina (1-clor-2,3-epoxipropano) y el bisfenol A [2,2-bis(4'-hidroxifenil) propano], el cual es obtenido a partir del fenol y la acetona. El resultado de esta reacción es un polímero de cadena larga con anillos epoxi en sus extremos (Figura 4.3).
Figura 4.3. Cadena larga de anillos epoxi
Se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o «endurecedor», y durante el proceso de curado se transforma pasando de ser un material de bajo peso molecular a ser un sistema polimérico con alto grado de entrecruzamiento, y son estas cadenas entrecruzadas las que confieren las características de rigidez y resistencia. Entre sus propiedades están: buena humectación y adherencia, buen aislamiento eléctrico, buena resistencia mecánica, resisten la humedad, resisten el ataque de fluidos corrosivos, resisten temperaturas elevadas, excelente resistencia química, poca contracción al curar y excelentes propiedades adhesivas.
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La resina empleada para este estudio, conforme a la Conforme a la UNE-EN 1504-4, es LANCOPOX 533 que contiene una base fluída (A) más un catalizador (B), de la empresa PAREX.
4.1.3. RESINA CEYS La resina de la marca Ceys se utiliza para pegar vidrio, pero en el estudio se someterá a la prueba de adhesión de las cascarillas de arroz. Se utiliza junto con un catalizador para alcanzar la reacción óptima, siendo la cantidad de resina con respecto a catalizador es de 1:1, es decir, que deben llevar las dos sustancias la misma cantidad para que la resina sea eficaz. La resina de Ceys se ha adquirido en un tienda de bricolaje y pinturas.
4.1.4. RESINA DE POLIESTER Son grupos de resinas sintéticas producidas por poli-condensación de ácidos dicarboxílicos con alcoholes dihidroxilados. Productos termoestables que una vez moldeados no pueden reblandecerse con el calor, debido a que experimentan una transformación química llamada fraguado (reticulación o curado). Durante este proceso las moléculas se enlazan permanentemente mediante polimerización (unión de las cadenas lineales obtenidas por condensación del diácido con el dialcohol a través de las moléculas de monómero insaturado, quedando rígido el polímero). Están formados por cadenas hidrocarbonadas que contienen uniones éster. Las resinas de poliéster son una variedad de líquidos de diferentes viscosidades que están formados por la mezcla de los dos compuestos siguientes: Poliéster insaturado: Producto de la condensación lineal de un diácido (maleíco, ftálico, adípico) con un dialcohol (propilenglicol, etilenglicol, neopentilglicol). Monómero insaturado: Generalmente estireno.
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Las resinas de poliéster endurecidas por polimerización (Figura 4.4) son sólidas, generalmente transparentes, de propiedades mecánicas y químicas muy diversas, dependiendo de las materias primas utilizadas, pero con una baja resistencia a la tracción y al impacto, la cual se mejora con su refuerzo con fibra de vidrio, reemplazando esta mezcla a muchos productos por sus cualidades y su larga vida útil.
Figura 4.4. Reacción de la polimerización
La resina de poliester empleada se ha adquirido en un comercio de bricolaje y pinturas, junto con el catalizador.
4.1.5. VERMICULITA La vermiculita es un mineral formado por silicatos de hierro o magnesio, del grupo de las micas (Figura 4.5.). Se origina principalmente en la alteración hidrotermal de biotita y su fórmula química es (Mg,Ca) 0.7 (Mg,Fe,Al) 6.0 [(Al,Si) 8O20)] (OH) 4.8 H2O. Es utilizado en la fabricación de materiales que presentan aplicaciones como aislantes acústicos y/o térmicos. Esta es la razón por la cual se han elaborado probetas compuestas de vermiculita y la misma resina epoxi usada para la investigación con cascarilla de arroz. Para analizar las propiedades acústicas y mecánicas de los materiales, se han fabricado varias muestras en las que se ha ido aumentando progresivamente el contenido de vermiculita, y disminuyendo el de resina.
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Figura 4.5. Aspecto de la vermiculita usada para la experimentación.
4.1.6. ESPUMA DE POLIURETANO La espuma de poliuretano ensayada es un material comercial adquirido en la empresa INASEL y perteneciente a la gama INABSORBER. La Figura 4.6. muestra una imagen de la espuma de poliuretano ensayada
Figura 4.6. Muestras de espuma poliuretano
4.1.7. LANA DE ROCA Se ha empleado lana de roca comercial perteneciente a la marca ROCKWOOL, que aparece en catálogo bajo la denominación de ALPHAROCK-E 225. La Figura 4.7. muestra una imagen de la lana de roca comercial ensayada.
89
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Figura 4.7. Muestra de lana de roca Rockwool de 4 cm
4.1.8. FIBRA DE VIDRIO Son Filamentos de vidrios procesados estirados que se utilizan como aislante
acústico.
Se
fabrica
por
procedimientos
especiales
(fuerza
centrífuga, chorro de vapor, enrollamiento a gran velocidad), partiendo de una masa fundida de vidrio. Para la experimentación se ha usado fibra de vidrio de igual aspecto que la de la Figura 4.8. que muestra una imagen de la fibra de vidrio comercial ensayada.
Figura 4.8. Aspecto de la fibra de vidrio.
90
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4.2 MÉTODOS DE CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
4.2.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA Y FÍSICA
4.2.1.1. Porosidad Abierta
La porosidad abierta es un parámetro de suma importancia ya que está íntimamente ligado a la absorción acústica del material. Para la determinación de la porosidad abierta se ha seguido el método descrito en la normativa EN 1936.
Los equipos necesarios para la determinación de la porosidad abierta son:
-
Un recipiente de vacío que pueda mantener una presión de (2,0±0,7) kPa=(15±5) mmHg y que permita una inmersión gradual de las probetas contenidas.
-
Una balanza con una precisión mínima de 0,01% de la masa a pesar, que sea capaz también de pesar la probeta en el agua.
El procedimiento utilizado para la realización de esta medida es el siguiente:
· Se pesa cada probeta (ms) y, a continuación, se colocan en un recipiente de
vacío
y
se
disminuye
gradualmente
la
presión
hasta
(2,0±0,7) kPa=(15±5) mmHg.
· Se mantiene esta presión durante (2±0,2) h para eliminar el aire contenido en los poros abiertos de las probetas.
· Introducir lentamente agua desmineralizada a (20±5)ºC en el recipiente de vacío ( la velocidad a la que el agua sube debe ser tal que las probetas queden completamente sumergidas, como mínimo en 15 min).
91
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· Se mantiene la presión de (2,0±0,7) kPa durante la introducción del agua.
· Cuando todas las probetas estén sumergidas, se restablece la presión atmosférica en el recipiente de presión y se dejan las probetas bajo el agua otras (24±2) h a presión atmosférica.
· A continuación se seca rápidamente la probeta con un trapo húmedo y se determina la masa de la probeta saturada con agua (mh).
La porosidad abierta se calcula por medio de la relación (en porcentaje) entre el volumen de los poros abiertos y el volumen aparente de la probeta, con la ecuación:
Siendo ρw la densidad del agua a la temperatura de operación y V el volumen aparente de la probeta.
4.2.1.2 Densidad aparente
La densidad y el espesor son dos propiedades básicas de los productos absorbentes acústicamente, ya que pueden afectar a propiedades como la propia absorción acústica o la resistencia a compresión. Estas dos propiedades se han medido según indica la norma ASTM E 605-77, en la que se han introducido pequeñas variaciones con objeto de que la realización de la misma sea más sencilla. Los materiales necesarios para la determinación de la densidad y el espesor son los siguientes:
- Pie de rey
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- Balanza con la suficiente capacidad y sensibilidad para pesar la muestra con una precisión de al menos un 1% del peso de la muestra
- Cuchilla
Las medidas se han realizado siguiendo los pasos que se detallan a continuación:
· Lo primero que se hará será marcar sobre la muestra un área aproximada de 100 x 100 mm. Luego se corta cuidadosamente el material del área señalada hasta la base y se tomarán 9 medidas del espesor en dicha área, de forma que se obtenga una media representativa.
· A continuación se determina el espesor insertando la aguja del pie de rey perpendicularmente al material, hasta que la aguja toque la base.
· Seguidamente se pesan las muestras hasta que el peso se mantenga constante. Con el peso obtenido y el volumen calculado a partir del espesor medio de la muestra se calcula la densidad del material a partir de la ecuación:
Siendo, - ρ la densidad aparente (Kg/m3) - W el peso del material seco (Kg) - V el volumen aparente de la muestra (incluyendo cualquier hueco) (m3)
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4.2.2 CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
4.2.2.1 Resistencia a compresión
Los ensayos de resistencia a compresión (Rc) de las muestras se han realizado con cilindros de 40 mm de altura y 33 mm de diámetro, aproximadamente- La máquina de compresión usada, marca Suzpecar, modelo MEM-102/50t (Figura 4.8), es capaz de ejercer una fuerza proporcional a las resistencias que se van a medir, disponiendo de dos células de carga: una de 5000 kg para cargas pequeñas y otra de 50000 kg para cargas más grandes. Para la célula de carga de 5000 kg la carga mínima es de 10 kg. El equipo posee, además, un dispositivo automático para la regulación de la velocidad de carga y desplazamiento.
La resistencia a la compresión se ha medido, en la medida que ha sido posible, según el procedimiento indicado en la norma ASTM E 761-86. Esta norma establece que la resistencia a la compresión se determinará mediante la aplicación de una fuerza de compresión normal a la superficie de la muestra, midiendo la tensión aplicada al 10% de deformación, o cuando ocurra la rotura del material, su esta tiene lugar antes de alcanzar dicha deformación.
La medida se ha realizado según el procedimiento siguiente:
· El espesor inicial de la muestra para medir la deformación será la distancia entre la cabeza de la máquina y la placa de acero después de aplicar una carga inicial de 0,7 kPa.
· A continuación se comprime la muestra hasta un 10% de deformación, o hasta que se alcance la carga final. La velocidad de movimiento de la cabeza de la máquina no ha de ser mayor de 1,3 mm·min-1.
· Una vez finalizado el ensayo se anotará la fuerza de compresión y el modo de fallo, en caso de que este ocurra.
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La resistencia a compresión se mide de acuerdo a la siguiente ecuación:
Siendo,
- RC = Resistencia a compresión [MPa] - F = Carga aplicada [kg] - S = Superficie de la probeta [m2]
Figura 4.9. Equipo usado en la determinación de la resistencia a compresión
4.2.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES ACÚSTICAS
4.2.3.1 Coeficiente de absorción acústica
El coeficiente de absorción acústica (αn) expresa la energía acústica absorbida por la superficie de un material respecto a la energía acústica incidente.
95
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Para la obtención del coeficiente de absorción acústica se ha empleado el método del tubo de impedancia, siguiendo las especificaciones que se indican en las normas EN 10534-2 y ASTM E1050. Para ello se ha empleado el sistema ACUPRO implementado por “Spectronics Inc.”, con dos micrófonos y un equipo amplificador de señal SAMSON. En la Figura 4.10. se muestra un esquema del dispositivo utilizado.
Micrófonos Muestra Fuente de sonido Émbolo
Figura 4.10. Esquema tubo Kundt
A. Fundamentos teóricos del tubo Kundt
La muestra de ensayo se monta en uno de los extremos del tubo de impedancia, que debe ser recto, rígido y estanco. Mediante una fuente sonora, se generan ondas planas en su interior y se miden las presiones acústicas en dos posiciones cercanas a la muestra. Posteriormente se determina la función de transferencia acústica compleja de las señales en los dos micrófonos, que se usa después para calcular el coeficiente de reflexión complejo para incidencia normal, el coeficiente de absorción para incidencia normal, y la impedancia normalizada del material ensayado. Las magnitudes determinadas son función de la frecuencia, con una resolución en frecuencia condicionada por la frecuencia de muestreo y la longitud de la señal del sistema digital de análisis de frecuencia usado para las mediciones. El rango de frecuencia útil depende del ancho del tubo y de la distancia entre las dos posiciones de los micrófonos.
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Existen dos técnicas para la realización de las mediciones: - Método de los dos micrófonos: se usan dos micrófonos en posiciones fijas. - Método de un micrófono: un único micrófono en dos posiciones distintas.
El método de medición se basa en el hecho de que el coeficiente de reflexión acústica para incidencia normal puede ser determinado a partir de la función de transferencia H12 entre dos posiciones de micrófono frente al material ensayado (Figura 4.11).
1. Micrófono A 2. Micrófono B 3. Muestra de ensayo
Figura 4.11. Posiciones de micrófonos y distancias en el tubo de impedancia
Las presiones acústicas de la onda incidente (pI) y reflejada (pR) son, respectivamente:
Donde, pI y pR son los módulos de pI y pRen el plano de referencia (x=0, normalmente la superficie de las muestras planas de ensayo).
, es el número de onda complejo. 97
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, es la componente real.
λ0 longitud de onda.
k0’’es la componente imaginaria, que es la constante de atenuación lineal en nepers por metro.
Las presiones acústicas p1 y p2 en las dos posiciones de micrófono son:
La función de transferencia para la onda incidente HI es:
Donde s es la separación entre los micrófonos.
Del mismo modo la función de transferencia para la onda reflejada HR es:
La función de transferencia desde la posición del micrófono uno a la dos, H12, para el campo acústico total se puede obtener a partir de las
98
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ecuaciones (4.5), teniendo en cuenta que p$ R = rp$ I (donde r es el coeficiente de reflexión acústica para incidencia normal):
Despejando r de la ecuación (4.8) y usando las ecuaciones (4.6) y (4.7) se obtiene:
Así, el coeficiente de reflexión r en el plano de referencia (x=0) puede determinarse a partir de las funciones de transferencia, de la distancia x1 y del número de onda k0 que debe incluir la constante de atenuación del tubo k0’’. Una vez conocido el coeficiente de reflexión se puede determinar el coeficiente de absorción acústica a incidencia normal (α) y la impedancia acústica específica (Z/ρc0):
. B. Fundamentos operacionales
Las muestras utilizadas para la determinación del coeficiente de absorción acústica de un material son probetas cilíndricas de 33 mm de diámetro y 40 mm de altura, aproximadamente. El rango de frecuencias de
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medida ha sido 50-5000 Hz. El montaje de la muestra se ha realizado de modo que el ajuste es perfecto entre la probeta y el tubo.
El procedimiento de medida seguido se muestra a continuación:
· En primer lugar, tras encender el equipo, se procede a la estabilización del mismo durante aproximadamente 15-20 min.
· Se introduce la probeta en el porta-muestras de tubo, de forma que la probeta no sobresalga del mismo y que el ajuste entre ambos sea perfecto.
· Una vez insertada la probeta, se une el porta-muestras al tubo de impedancia.
· Se procede al inicio del ensayo a través del software habilitado en el soporte informático.
· Realizado el ensayo se obtienen los valores del coeficiente de absorción del material para el rango de frecuencias características del tubo (50-5000 Hz).
Figura 4.12. Tubo de impedancia acústica
100
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4.2.3.2 Coeficiente de reducción de ruido (NRC)
El coeficiente de reducción de ruido (NCR) es un descriptor de un solo número para los coeficientes de absorción acústica de incidencia aleatoria. Se define en la norma ASTM C 423-90 como la media aritmética redondeada al múltiplo más próximo de 0,05 de los coeficientes de absorción acústica, medidos en las cuatro frecuencias de centro de banda de un tercio de octava de 250, 500, 1000 y 2000 Hz.
4.2.3.3 Índice de evaluación de la absorción acústica (DLα)
El índice de evaluación de la absorción acústica (DLα) indica el comportamiento de los productos empleados como dispositivos reductores de ruido de tráfico en carreteras. La determinación de este parámetro viene especificada en la norma EN 1793-1.
Se calcula, en decibelios, mediante la siguiente expresión:
Donde:
DLα = Índice de evaluación de la absorción acústica calculado como la diferencia de niveles de presión sonora ponderados A, en decibelios.
αSi= Coeficiente de absorción acústica dentro de la iésima banda de tercio de octava.
101
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Li= Nivel de presión sonora normalizado ponderado A, en decibelios, de ruido de tráfico rodado dentro de la iésima banda de tercio de octava del espectro definido en la norma EN 1793-3.
Puede ocurrir que el valor del cociente de los sumatorios dentro de la expresión de DLα sea superior a 1; en este caso no es posible el cálculo de DLα. Por esta razón, se limita el valor de dicho cociente a 0.99.
El resultado obtenido a partir de la ecuación anterior se debe redondear al número entero más próximo. El valor obtenido corresponde al índice de evaluación de la absorción acústica.
La clasificación del comportamiento de absorción se determina de acuerdo con la Tabla 4.4:
Categoría
DLα [dB]
A0
No determinado
A1
11
Tabla 4.4 Comportamiento de absorción
102
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4.3. MÉTODO DE FABRICACIÓN DE PROBETAS
La elaboración de los productos descritos en este proyecto requiere que los materiales que los conforman sean dosificados, mezclados, amasados y conformados.
Para llevar a cabo este estudio se han fabricado probetas cilíndricas (d=3,3 cm; h=4 cm), según los requerimientos de los diferentes ensayos realizados. Los procesos de fabricación de las distintas probetas presentan numerosas similitudes, será la preparación del molde en los que difieran las metodologías. A continuación se describe el proceso de fabricación general:
· En primer lugar, se pesan los componentes para obtener las proporciones fijadas de cada uno de ellos en el producto final a elaborar.
· Es importante que el molde donde va a ser vertida la masa sea impregnada con un material desencofrante. En este caso se ha utilizado aceite de oliva en lugar de otros desencofrantes comerciales debido a su bajo precio.
· El molde debe colocarse en una superficie plana y fija, y a la que se tenga fácil acceso como mesa de trabajo.
· El proceso de mezclado de cascarillas de arroz y agua se realiza durante un tiempo suficiente para que todos los componentes se mezclen perfectamente, alcanzándose finalmente una masa producto de los dos materiales.
· A continuación se procede al vertido de la pasta en los moldes, de modo que se consiga una distribución uniforme, compactando la masa con ayuda de objetos de prensa de 3kg de peso, de forma que se obtiene una muestra con la máxima compactación posible. Posteriormente se compacta con el mismo objeto por la cara opuesta del cilindro y se dejan secar sobre la
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arista, es decir, que las dos caras redondas quedan al aire de manera vertical.
· El desmoldado se realiza 24 h después, prestando atención a que el producto no endurezca demasiado, ya que podría provocar dificultades en el momento del desmolde.
4.3.1 RELACIÓN DE MUESTRAS FABRICADAS PARA ENSAYOS •
Cascarillas de arroz: Ratio catalizador/resina La primera fase de la investigación llevada a cabo ha consistido en el
desarrollo de un estudio en el laboratorio de distintos ratios resina/catalizador con el objetivo de fijar la proporción óptima del material. Este óptimo se elegirá teniendo en cuenta que se quiere que el producto final tenga las mejores propiedades de absorción acústica y resistencia mecánica; así que se analiza la variación de este ratio siendo la cantidad de cascarillas de arroz constante para los tres ratios estudiados en esta primera fase de la investigación.
Para ello se han fabricado seis muestras de las cuales, dos se han sometido al ensayo de absorción acústica con el Tubo Kund, dos a ensayos de resistencia-compresión y dos a ensayos de porosidad. Puesto que el fabricante hacía unas recomendaciones con respecto al uso y la mezcla de la resina con el catalizador, se han probado nuevos ratios para analizar si una menor cantidad de catalizador es igual de eficaz que la recomendada por el fabricante; de este modo se reducen costes y se consiguen iguales resultados.
Se
intentan buscar un equilibrio entre la obtención de unas buenas
propiedades acústicas y de resistencia a compresión, para ello se prueba un ratio extremo (6,7) con más catalizador de lo recomendado por el fabricante, que favorece la resistencia de la muestra, y otro ratio (4,2) con menor cantidad de catalizador.
La relación de muestras ensayadas es la siguiente:
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MUESTRAS Nº 1: Cascarillas de arroz adheridas con resina epoxi y catalizador, de 4cm de espesor, donde el ratio resina/catalizador es igual a 4,2.
MUESTRAS Nº 2: Cascarillas de arroz adheridas con resina epoxi y catalizador, de 4cm de espesor, donde el ratio resina/catalizador es igual a 5.
MUESTRAS Nº 3: Cascarilla de arroz adheridas con resina epoxi y catalizador, de 4cm de espesor, donde el ratio resina/catalizador es igual a 6,7.
•
Cascarillas de arroz: Ratio mezcla/biomasa
Se han fabricado seis muestras de las cuales, dos se han sometido al ensayo de absorción acústica con el Tubo Kund, dos a ensayos de resistenciacompresión y dos a ensayos de porosidad. En este caso, no existía ninguna recomendación de la cantidad de resina a mezclar con la biomasa, ya que se trata de un experimento nuevo donde se intenta resolver esta cuestión precisamente: cuánta cantidad de mezcla es la necesaria para formar un material aislante adhiriendo cascarilla de arroz. Se trata de probar su eficacia y determinar si esta experimentación es viable desde el punto de vista comercial.
Se
intentan buscar un equilibrio entre la obtención de unas buenas
propiedades acústicas y de resistencia a compresión, para ello se prueba un ratio mezcla/biomasa más extremo igual a 4 y otro ratio de 1,5, con menor cantidad de mezcla. Para encontrar un punto medio entre ambas, se ha estudiado un ratio intermedio de mezcla/biomasa, igual a 2,8.
La relación de muestras ensayadas es la siguiente:
MUESTRAS Nº 1: Cascarrillas de arroz (biomasa) adheridas con resina epoxy y catalizador, de 4 cm de espesor, donde el ratio mezcla/biomasa es igual a 1,5.
105
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MUESTRAS Nº 2: Cascarillas de arroz (biomasa) adheridas con resina epoxy y catalizador, de 4 cm de espesor, donde el ratio mezcla/biomasa es igual a 2,8.
MUESTRAS Nº 3: Cascarilla de arroz (biomasa) adheridas con resina epoxy y catalizador, de 4 cm de espesor, donde el mezcla/biomasa es igual a 4.
•
Determinación de propiedades acústicas del óptimo con distintos espesores Otro parámetro del que es función la absorción acústica de un material
es la longitud de la probeta que se está sometiendo a ensayo. De este modo se ha realizado un estudio de la influencia de la longitud de la probeta en las propiedades acústicas del material acústico absorbente. Para ello se ha usado la composición óptima para fabricar muestras de cinco longitudes diferentes: 2cm, 4cm, 8cm, 12cm y 16cm. La relación de muestras ensayadas es la siguiente:
MUESTRAS Nº 1: Composición óptima de cascarrillas de arroz adheridas con resina epoxi y catalizador, de 2cm de espesor.
MUESTRAS Nº 2: Composición óptima de cascarillas de arroz adheridas con resina epoxi y catalizador, de 4cm de espesor.
MUESTRAS Nº 3: Composición óptima de cascarillas de arroz adheridas con resina epoxi y catalizador, de 8cm de espesor.
MUESTRAS Nº 4: Composición óptima de cascarillas de arroz adheridas con resina epoxi y catalizador, de 12cm de espesor.
MUESTRAS Nº 5: Composición óptima de cascarillas de arroz adheridas con resina epoxi y catalizador, de 1cm de espesor.
106
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•
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Comparación con distintas resinas Se han empleado distintos tipos de resinas comerciales para conseguir
la adherencia de la cascarilla de arroz, sin provocar la degradación posterior de esta a lo largo del tiempo, formando un cilindro de 4cm de altura y 3,3cm de radio, y así determinar experimentalmente cómo varían las propiedades acústicas y físico-mecánicas de las distintas muestras, con el objetivo de compararlas
con
el
óptimo
alcanzado.
El
estudio
se
ha
centrado
fundamentalmente en la medida del coeficiente de absorción de las distintas composiciones de resina con cascarilla de arroz.
Entre las diversas resinas que se pueden encontrar en el mercado se ha optado por la de poliester y Ceys, para comparar su eficacia frente a la empleada, epoxi.
La relación de muestras ensayadas es la siguiente:
MUESTRA Nº 1: Cascarrillas de arroz adheridas con resina Ceys, de 4 cm de espesor.
MUESTRA Nº 2: Cascarillas de arroz adheridas con resina de poliester, de 4 cm de espesor.
MUESTRA Nº 3: Cascarilla de arroz adheridas con resina epoxi (composición óptima), de 4 cm de espesor.
•
Vermiculita La vermiculita es un componente muy utilizado en la fabricación de
materiales que presentan aplicaciones como aislantes acústicos y/o térmicos. Esta es la razón por la cuál se han elaborado probetas compuestas de vermiculita y la misma resina epoxi usada para la investigación con cascarilla de arroz. Para analizar las propiedades acústicas y mecánicas de los materiales, se han
fabricado
varias
muestras
en
las
que
se
ha
ido
aumentando
107
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progresivamente el contenido de vermiculita, y disminuyendo el de resina. El procedimiento es igual al que se ha realizado con las cascarillas de arroz.
La relación de muestras ensayadas es la siguiente:
MUESTRAS Nº 1: Vermiculita adherida con resina epoxi y catalizador, de 4 cm de espesor, donde el ratio mezcla/vermiculita es igual a 1.
MUESTRAS Nº 2: Vermiculita adheridas con resina epoxi y catalizador, de 4 cm de espesor, donde el ratio mezcla/vermiculita es igual a 2.
MUESTRAS Nº 3: Vermiculita adheridas con resina epoxi y catalizador, de 4 cm de espesor, donde el mezcla/vermiculita es igual a 3,6.
•
Comparación con materiales comerciales Se
actualmente
han como
estudiado
diversos
absorbentes
materiales
acústicos,
con
comerciales,
empleados
objeto
determinar
de
experimentalmente las propiedades acústicas de los mismos y posteriormente compararlas con los datos proporcionados por el fabricante. El estudio se ha centrado fundamentalmente en la medida del coeficiente de absorción de dichos materiales; siguiendo el mismo procedimiento que con los ensayos anteriores, es decir, media con el Tubo Kund y análisis de resultados con Acupro.
Entre los diversos absorbentes acústicos que se pueden encontrar en el mercado se ha optado por espuma de poliuretano, fibra e vidrio y lana de roca. Estos materiales se caracterizan por su elevada porosidad, su baja densidad y sus excelentes propiedades acústicas, presentando un coeficiente de absorción acústica elevado (cercano a la unidad).
La relación de muestras ensayadas es la siguiente:
MUESTRA Nº 1: Espuma de poliuretano de 4 cm de espesor.
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MUESTRA Nº 2: Lana de roca de 4 cm de espesor.
MUESTRA Nº 3: Fibra de vidrio de 4 cm de espesor.
Hay que señalar que para cada una de las medidas el equipo ha sido calibrado con el propio material sometido a ensayo.
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5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
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5.1.- ESTUDIO DE UN MATERIAL ABSORBENTE ACÚSTICO
La primera fase de la investigación llevada a cabo ha consistido en el desarrollo del estudio de un material formado por cascarillas de arroz y resina sintética que proporcione buena absorción acústica y resistencia mecánica. Las cascarillas de arroz por su forma y densidad producen en la probeta una matriz de poros abiertos que serán de mayor o menor tamaño dependiendo de la compactación por la adición de resina. La onda sonora se verá obstaculizada por los poros a lo largo de la probeta tras penetrar en esta, lo que se traduce a una absorción acústica que dependerá del tamaño de estos.
El objetivo de este estudio previo es el de fijar la proporción óptima de resina/catalizador (rc), y una vez encontrada, fijar la proporción óptima de mezcla/biomasa (mb), para así obtener la mejor composición posible. Las proporciones óptimas se elegirán teniendo en cuenta que se quiere que el producto final tenga las mejores propiedades de absorción acústica y resistencia mecánica.
De este modo se han medido propiedades físicas, mecánicas y acústicas de probetas a base de cascarilla de arroz y resina epoxi.
5.2.- RATIO RESINA/CATALIZADOR
Primero se ha determinado la cantidad óptima de resina/catalizador (rc) para crear un buen material, para ello se han fabricado las probetas sin variar la cantidad de biomasa añadida, sólo la resina y catalizador. En la Tabla 5.1 se muestran la composición de las probetas y la nomenclatura
utilizada
para
la
búsqueda
de
la
proporción
óptima
resina/catalizador:
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Resina (%)
Catalizador (%)
Biomasa (%)
rc4,2
64
16
20
rc5
66,7
13,3
20
rc6,7
69,6
10,4
20
Tabla 5.1. Composición en % peso de las probetas
Como se observa en la Tabla 5.1, la cantidad de catalizador no supera a la de resina para la fabricación de las muestras, ya que este hace efecto sea cual sea su cantidad, pero evidentemente este efecto se verá potenciado si se aumenta la dosis a adicionar. El catalizador provoca que la curación de la resina sea más rápida, y causa que sus efectos se vean potenciados más rápidamente. Con la cantidad óptima de catalizador el tiempo de curado de las muestras es de 24 horas desde que se han fabricado. Si la cantidad de catalizador es insuficiente, las probetas no se adhieren y el acabado no es el esperado, es decir, que se deforma la muestra. Si la cantidad es mayor a la ideal, se produce un curado mucho más rápido y queda más compactada.
Por otro lado, decir con respecto a la Tabla 5.1. que la densidad de la resina es mucho mayor que la de la cascarilla de arroz, su peso es mayor, y aunque volumétricamente predomine la biomasa, el % en peso es mayor para la proporción de resina en cada una de las tres composiciones.
A continuación se muestran los resultados obtenidos de los distintos ensayos a los que han sido sometidos las probetas para determinar sus propiedades.
5.2.1.- PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS
Los ensayos de resistencia a compresión se han realizado según el procedimiento descrito en los apartados apartado 4.2.1 y 4.2.2. Las muestras
112
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ensayadas presentan en su composición distintos ratios resina/catalizador con el fin de obtener el resultado de las mejores propiedades mecánicas.
En cuanto a la cantidad de catalizador con respecto al de resina, decir que cuanto mayor sea el contenido de este en la composición de la muestra mejores propiedades mecánicas presentará, ya que la muestra adquiere más dureza y densidad por la disminución de porosidad.
5.2.1.1.- Porosidad abierta La medida de porosidad abierta en las probetas se ha llevado a cabo según el procedimiento descrito en el apartado 4.2.1 En la Figura 5.1 se muestra la variación de la porosidad abierta de rc4.2, rc5 y rc6.7.
45 Porosidad abierta (%)
40 35 30 25 20 15 10 5 0 rc 4,2
rc 5
rc 6,7
Figura 5.1. Variación de la porosidad abierta de las distintas composiciones de resina/catalizador.
Al aumentar el contenido de catalizador en los productos, los valores medios de porosidad abierta tendría que disminuir debido a que la resina se compacta de manera más uniforme si se adiciona más cantidad de catalizador, proporcionando menos cantidad de huecos en el cuerpo de la probeta. Pero como se observa en la Figura 5.1., no se aprecia variación entre rc4,2 y rc6,7. Esto lleva a la idea de que realmente no influye demasiado la cantidad de catalizador que se añade
la mezcla, simplemente acelera el curado. Sin
embargo, sí que se produce una disminución de la porosidad en rc5, además
113
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este resultado está estrechamente ligado al de resistencia y compresión que se verá en el apartado 5.2.1.3. ya que precisamente la composición de rc5 es la más resistente.
5.2.1.2.- Densidad aparente
La densidad aparente de las probetas a temperatura ambiente se ha determinado por la medida del peso y el volumen de las mismas (densidad aparente media), tal y como se ha descrito en el apartado 4.2.2. La Figura 5.2 recoge la variación de la densidad aparente de los productos conforme la proporción de resina/catalizador en ellos va aumentando. Sucede que cuando la proporción de resina/catalizador aumenta en los productos la densidad aparente de los mismos aumenta.
Figura 5.2. Variación de la densidad aparente de las distintas composiciones de resina/catalizador.
En la Figura 5.2 se puede apreciar cómo al aumentar la cantidad de resina con respecto a la de catalizador la densidad aumenta. Esto es debido a que la resina presenta entre sus propiedades una mayor densidad que el catalizador, también es más pesada. Por tanto, al ir aumentando la cantidad de resina en la mezcla, la densidad irá aumentando. Pero también se ve cómo la crecida no es proporcional a la del ratio, siendo más acusada de rc4.2 a rc5 que
114
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de rc5 a rc6,7. Pero en definitiva, la densidad varía poco con las distintas composiciones, ya que la variación proporcional de catalizador es pequeña.
5.2.1.3.- Resistencia a compresión
En la tabla 5.2. se representan valores de densidad y de resistenciacompresión para cada uno de los tres ratios estudiados:
Resistencia-Compresión (MPa) rc4,2
1,72
rc5
2,45
rc6,7
2,06
Tabla 5.2. Valores de densidad y resistencia a compresión de cada uno de las tres composiciones resina/catalizador.
Tal y como predecían los resultados de porosidad en el apartado 5.2.2. , la muestra fabricada con el rc5 es la que presenta una mayor resistencia a compresión, siendo su porosidad menor que en las otras dos composiciones y consecuentemente mayor compactación. Tras ser sometidas a este ensayo, los resultados no fueron los esperados, pero tras el test de porosidad, se entiende por qué rc5 es el más resistente.
La mayor cantidad de catalizador también provoca mayor rigidez en el cuerpo de la probeta, por ello se ha provocado una más pronta rotura con mayor cantidad en proporción de catalizador; se observa en la Figura 5.1 para el ratio 4.2. Al contrario ocurre en rc6,7.
115
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5.2.2.- PROPIEDADES ACÚSTICAS
5.2.2.1. Coeficiente de absorción acústica
Aunque los valores obtenidos por el programa Acupro se manifiestan para una frecuencia que aumenta en múltiplos de 10, para representarlos en este apartado y entender mejor los resultados, los valores de absorción de acústica se representarán para cada una de las frecuencias de bandas de octava. Como ya se ha indicado en apartados anteriores, las frecuencias de bandas de octava son: 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000 y 5000.
Para determinar la composición óptima de resina/catalizador, se compara, entre otros datos obtenidos, los coeficientes de absorción resultantes para rc4,2; rc5; y rc6,7. En una misma gráfica realizada con Excel se muestran los valores proporcionados por Acupro.
A continuación en la Figura 5.3 se muestra la comparación de los coeficientes de absorción de los tres ratios resina/catalizador estudiados:
Figura 5.3. Curvas de los coeficientes de absorción acústica
116
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En la Figura 5.3 se representa la variación del coeficiente de absorción de
las
muestras
fabricadas
con
distintos
ratios
de
resina/catalizador,
comparando los resultados obtenidos al realizar la medida con el tubo de impedancia acústica en el laboratorio.
Se observa la tendencia de los resultados obtenidos en el laboratorio que se van asemejando si se observa la forma de las líneas, existiendo mayor similitud en los coeficientes de absorción hasta la frecuencia de 1000Hz, donde se puede apreciar la cima de una subida por parte de las tres curvas.
El valor del coeficiente más alto a más baja frecuencia lo experimenta rc5, puesto que casi alcanza un valor de 0,9 para la frecuencia de 800Hz. Sin embargo, es sólo rc6,7 el que logra supera este valor, aquí se explica que sea el ratio que presenta mayor valor de porosidad abierta, ya que la onda sonora queda atrapada en los poros de la probeta. El segundo ratio que marca la curva con picos más altos es rc4,2, coincidiendo con el segundo valor más alto de porosidad de esta primera fase de estudio. Y rc5 presenta picos menos alto, debido a que su valor de porosidad es menor a los anteriores.
A pesar de estos resultados, y teniendo en cuenta que la calidad de absorción del material aumenta a menor frecuencia, prevalece el ratio rc5 cómo el óptimo para este primer análisis para estudiar la cantidad de resina con respecto a la de catalizador usadas.
5.2.2.2.- Índice de evaluación de la absorción acústica y coeficiente de reducción de ruido
Para completar la determinación de las propiedades acústicas,
se ha
calculado el coeficiente de reducción de ruido (NRC) y el índice de evaluación de la absorción acústica (DLα) para cada uno de los ratios resina/catalizador estudiados. Para ello se parte de los valores de absorción acústica obtenidos de los ensayos realizado con el Tubo de Kund.
117
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A continuación, se muestran en la Tabla 5.3. los resultados obtenidos de estos cálculos:
NRC
DLα
rc4,2
0,52
4,11
rc5
0,51
4,21
rc6,7
0,46
4,02
Tabla 5.3. Valores de NRC y DLα de las distintas composiciones resina/catalizador.
Como era de esperar, rc5 presenta un mejor índice de evaluación de absorción acústica, mientras 4,2 un mejor coeficiente de reducción de ruido, mientras, coincidiendo con los resultados del análisis de los coeficientes de absorción acústica. Pero en definitiva, para los tres ratios tanto NRC como DLα son muy parecidos por tanto prácticamente no varían con las distintas composiciones de rc. Si bien, los tres ratios resina/catalizador estudiados en este apartado quedan englobados, según su DLa, dentro de la categoría A2 (DLa>4) de acuerdo con la norma UNE-EN 1793-1.
Tras obtener experimentalmente todo el conjunto de propiedades, se determina rc5 es la composición óptima que dará paso al siguiente estudio de esta investigación; sobre todo por presentar mejores propiedades mecánicas, ya que las acústicas son prácticamente las mismas para rc4, rc5 y rc6,7.
118
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5.3. – RATIO MEZCLA/BIOMASA
El
segundo
paso
del
estudio,
una
vez
encontrado
el
óptimo
resina/catalizador, es encontrar el óptimo de esta composición con respecto a la de biomasa mediante estudio de propiedades. Se han fabricado las probetas con distintas cantidades de biomasa sin variar la proporción resina/catalizador a la que se denominará en adelante mezcla.
En la Tabla 5.4. se muestran la composición de las probetas y la nomenclatura
utilizada
para
la
búsqueda
de
la
proporción
óptima
mezcla/biomasa:
Mezcla (%)
Biomasa (%)
mb1,5
60
40
mb2,8
74
26
mb4
80
20
Tabla 5.4. Composición en % peso de las probetas
5.3.1.- PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS
Las muestras ensayadas mediante el procedimiento descrito en el apartado 4.2.1, presentan en su composición distintos ratios mezcla/biomasa con el fin de obtener unas mejores propiedades mecánicas.
En cuanto a la cantidad de mezcla con respecto a la de biomasa, se intuye que cuanto mayor sea el contenido de esta en la composición de la muestra la porosidad será menor y mejores propiedades mecánicas presentará, ya que la muestra adquiere más dureza y densidad.
119
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5.3.1.1. Porosidad abierta
La medida de porosidad abierta en las probetas se ha llevado a cabo según el procedimiento descrito en el apartado 4.2.1.1. La Figura 5.4. muestra la variación de la porosidad abierta de mb1.5, mb2.8 y mb4.
Porosidad abierta (%)
38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 mb 1,5
mb 2,8
mb 4
Figura 5.4. Variación de la porosidad abierta de las distintas composiciones de mezcla/biomasa.
Al aumentar el contenido de biomasa con respecto al de mezcla en los productos, los valores medio de porosidad abierta aumentan debido a que se produce menos compactación, disminuyendo la cantidad de huecos en el cuerpo de la probeta. Esto se refleja en la figura 5.4. donde es rc1,5 el que presenta un mayor valor de porosidad abierta, un 36,67%, en los dos restantes ratios la porosidad abierta presenta un valor más parecido, entre 31% y 32%, incrementándose la resistencia a compresión.
5.3.1.2.-Densidad aparente
La densidad aparente de las probetas a temperatura ambiente se ha determinado por la medida del peso y el volumen de las mismas (densidad aparente media), tal y como se ha descrito en el apartado 4.2.1.2 La Figura 5.5. recoge la variación de la densidad aparente de los productos conforme la proporción de mezcla/biomasa en ellos va aumentando.
120
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El contenido de la Figura 5.5. demuestra que conforme la proporción de mezcla/biomasa aumenta en los productos, la densidad aparente de los mismos aumenta, ya que es un material más compacto, con menos huecos.
600
Densidad (Kg/m3)
500 400 300 200 100 0 mb 1,5
mb 2,8
mb 4
Figura 5.5. Variación de la densidad aparente de las distintas composiciones de mezcla/biomasa.
Como era de esperar, tal y como indicaban los valores de porosidad, mb1,5 presenta menor densidad al igualarse más las cantidades de mezcla y de biomasa en la probeta. Al contrario ocurre en mb4, que aumenta su densidad al haber mayor cantidad proporcional de resina con respecto a la de cascarillas de arroz; quedando más compactado y con menos huecos libres donde retener a la onda acústica.
5.3.1.3.- Resistencia a compresión En la Tabla 5.5. se representan densidad y valores de resistenciacompresión para cada uno de los tres ratios estudiados:
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Resistencia-Compresión (MPa) mb1,5
1,72
mb2,8
2,45
mb4
2,58
Tabla 5.5. Valores de densidad y resistencia a compresión de las distintas composiciones resina/catalizador.
En este caso, se vuelve a reflejar que, si aumenta la cantidad de mezcla, aumenta la resistencia a compresión por disminución de la porosidad y aumento de la densidad. Si la resistencia y densidad de la muestra aumentan su aspecto es más compacto.
Se puede observar que el valor obtenido para mb4, 2,58 MPa, cumple las predicciones que indicaban las densidades, siendo la composición más resistente mecánicamente. Al contrario ocurre con mb1,5, que, siendo una composición más porosa, no ha soportado más de 1,72 MPa al mostrar menor densidad y más debilidad que mb2,8 y mb 4.
5.3.2.- PROPIEDADES ACÚSTICAS
5.3.2.1.- Coeficiente de absorción acústica Para determinar la composición óptima de mezcla/biomasa, se compara, entre otros datos obtenidos, los coeficientes de absorción resultantes para mb1,5 mb2,8 y mb4. En la Figura 5.6. se muestra la comparación de los coeficientes de absorción de los tres ratios mezcla/biomasa estudiados:
122
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Figura 5.6. Curvas de los coeficientes de absorción acústica
En la Figura 5.6. se representan las variaciones del coeficiente de absorción de las muestras fabricadas con distintos ratios de mezcla/biomasa, comparando los resultados obtenidos al realizar la medida con el tubo de impedancia acústica en el laboratorio. Se observa la tendencia de los resultados obtenidos en el laboratorio que se van asemejando si se observa la forma de las líneas, existiendo mayor similitud en los coeficientes de absorción hasta la frecuencia de 1000Hz, donde se puede apreciar la cima de una subida por parte de las tres curvas.
El valor del coeficiente más alto a más baja frecuencia lo experimenta mb2,8, puesto que casi alcanza un valor de 0,9 para la frecuencia de 800Hz; sin embargo, es sólo el ratio mb1,5 el que roza la unidad a su llegada a 1250Hz, esto está relacionado con los valores de porosidad, ya que es mb1,5 el que presenta una mayor porosidad abierta. Al contrario ocurre con mb4, que alcanza menores cotas que mb1,5 y mb2,8; la porosidad abierta obtenida en menor y la densidad es mayor, siendo más difícil la absorción de sonido a través del cuerpo de la probeta con esta composición.
123
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Teniendo en cuenta que la calidad de absorción del material aumenta a menor frecuencia, prevalece mb2,8 cómo el óptimo para este análisis que pretende averiguar cuál es la cantidad de mezcla necesaria para formas un material absorbente estable usando cascarilla de arroz.
5.3.2.2.- Índice de evaluación de la absorción acústica y coeficiente de reducción de ruido La Tabla 5.6. muestra los resultados obtenidos de los
cálculos del
coeficiente de reducción de ruido (NRC) y el índice de evaluación de la absorción acústica (DLα) para cada uno de los ratios resina/catalizador estudiados:
NRC
DLα
mb1,5
0,45
4,03
mb2,8
0,48
4,23
mb4
0,47
3,95
Tabla 5.6. Valores de NRC y DLα de las distintas composiciones mezcla/biomasa.
Se observa que las muestras con un ratio mezcla/biomasa 2,8 presentan mejores coeficiente de reducción de ruido e índice de evaluación de absorción acústica. De acuerdo también con las curvas de los coeficientes de absorción acústica. Esto no coincide con los resultados obtenidos del estudio de la porosidad abierta, y puede ser debido a que se produce una distribución irregular de la porosidad y del tamaño de los poros a lo largo de la probeta, siendo estos de mayor tamaño en mb 2,8. Los tres ratios mezcla/biomasa estudiados en este apartado quedan englobados, según su DLa, dentro de la categoría A2 (DLa>4) de acuerdo con la norma UNE-EN 1793-1.
124
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5.4.- COMPOSICIÓN ÓPTIMA
Tras el estudio de las propiedades del material compuesto de cascarilla de arroz y resina con catalizador, se ha decidido que la composición óptima mb2,8. El producto elaborado con esta composición presenta valores elevados de absorción acústica así como una resistencia mecánica por encima de unos valores mínimos exigidos a este tipo de productos. Se produce un equilibrio entre las propiedades porosidad abierta-densidad, que permite alcanzar los requisitos que se necesitan para ser un buen material, absorbente y resistente.
La Tabla 5.7. recoge los valores medidos de los diferentes parámetros estudiados. Ratio Óptimo mb2,8 Porosidad abierta (%)
31,25
Densidad (kg/m3) (MPa)
464,39
Resistencia-Compresión
2,45
DLα
4,23
NRC
0,48
Tabla 5.7. Tabla resumen de las propiedades de la composición óptima.
Con este análisis se puede concluir hasta este punto que este material no tiene una resistencia física tal y como para soportar una construcción por sí solo, si no que debe ir acompañado o adosado de otras estructuras más resistentes. La conclusión principal tras esta fase de estudio es que la finalidad principal
de
este
material
es
la
de
un
material
absorbente
acústico,
proporcionando buenas propiedades como tal que se tiene que usar nido a otra estructura más resistente para que sea sustentable en una construcción de mayor
envergadura.
Aún
así
se
ha
elegido
el
óptimo
más
resistente
mecánicamente, al buscarse un equilibrio entre buena absorción acústica y resistencia física.
125
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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Kang, Chun-Won (2011), en su estudio de un material absorbente acústico con cascarillas de arroz, aserrín y resina, obtiene unos resultados similares a los de esta investigación, con cuatro composiciones con los ratios 10/80/10, 20/70/10, 30/60/10, y 40/50/10, respectivamente. Los resultados demostraron que conforme aumenta el contenido de cascarillas con respecto al de aserrín y resina, la densidad disminuye, y los resultados obtenidos en los ensayos de resistencia a compresión también dan un valor más bajo. Lo contrario ocurre tras medir con el tubo de impedancia acústica los coeficientes de absorción de las distintas composiciones creadas, aumentando estos conforme la cantidad de cascarillas de arroz aumenta en proporción, ya que el material es más poroso. La investigación de Kang nos sirve como un buen patrón para comparar los resultados obtenidos.
La composición mb2,8 se utiliza como producto de referencia para estudiar comparaciones con otros materiales comerciales, así como analizar la influencia de la longitud de la probeta en el desarrollo de un material acústico absorbente, como se muestra en el apartado siguiente.
5.4.1.- INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE LA PROBETA EN LAS PROPIEDADES ACÚSTICAS DEL MATERIAL ACÚSTICO ABSORBENTE.
Otro parámetro del que es función la absorción acústica de un material es la longitud de la probeta que se está sometiendo a ensayo. De este modo se ha realizado un estudio de la influencia de la longitud de la probeta en las propiedades acústicas del material absorbente a base de cascarillas de arroz y resina. Por esto, se ha realizado un estudio para analizar el efecto de la longitud de la probeta en las mediciones del coeficiente de absorción acústica a incidencia normal. Para ello se han usado la misma composición para todas las probetas, la óptima (mb 2,8). Los espesores estudiados son: 2cm, 4cm, 8cm, 12cm y 16 cm.
126
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5.4.1.1.- Coeficiente de absorción acústica
A continuación, se muestran en la Figura 5.7. los resultados obtenidos en las mediciones del coeficiente de absorción acústica para los distintos espesores de mb2,8..
Figura 5.7. Curvas de los coeficientes de absorción acústica
El análisis de la Figura 5.7 muestra que para los cinco productos se producen los mismos efectos en el coeficiente de absorción acústica al aumentar la longitud de la probeta sometida a ensayo.
En primer lugar, comentar que al aumentar la longitud de la probeta, el valor máximo de absorción alcanzado aumenta ligeramente. Esto es debido a que la longitud de los poros por los que circula y rebota la onda sonora aumenta por lo que la fricción es mayor y por este motivo la onda pierde una mayor cantidad de energía. Si bien este proceso ocurre sólo en los poros más superficiales, lo que produce ese ligero aumento [Navacerrada et al., 2008].
En segundo lugar, se puede observar como conforme la longitud de la probeta aumenta, las curvas del coeficiente de absorción acústica se trasladan hacia zonas de baja frecuencia. A través de las ecuaciones que modelan el mecanismo de absorción acústica de un material poroso se puede explicar la
127
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relación entre la frecuencia a la que aparecen los picos de máxima absorción y la longitud de la probeta [Neithalath, N., 2008], mediante la siguiente ecuación: fp · l = (2n – 1 ) · c / 4 = constante
Siendo, - fp la frecuencia a la que se produce el pico de absorción máxima - n el número de picos (constante) - c la velocidad del sonido en aire (fija para una temperatura) - l la longitud de la probeta
A través de esta ecuación se puede confirmar que a medida que aumenta la longitud de la probeta sometida a ensayo, la frecuencia a la que aparecen los picos de máxima absorción disminuye.
Para comparar los resultados obtenidos se dispone de un estudio realizado por Rial Rodríguez para la Universidad da Coruña, comparando distintos espesores de un material absorbente acústico como la fibra de vidrio. A medida que el espesor es mayor, su coeficiente de absorción acústica también se incrementa hasta llegar a un valor máximo que se estabiliza, y que pertenece a espesores de unos 90 mm. Por encima de ellos, no hay aumento de absorción. Esto puede verse en la Figura 5.8 de los coeficiente de absorción de una fibra de vidrio,
donde
puede
apreciarse
cómo
para
las
altas
frecuencias
el
comportamiento es similar para los 3 espesores considerados, mientras que en las medias y bajas frecuencias se aprecia claramente la ganancia obtenida al aumentar el espesor. A partir de cierto espesor, esta ganancia es despreciable.
128
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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Figura 5.8. Comparativa de coeficientes de absorción de una fibra de vidrio de varios espesores Fuente: Valero Granados, S. “Acústica aplicada al interiorismo. Acondicionamiento acústico en locales de uso público”. Universidad Da Coruña. 2011.
5.4.1.2.-
Índice de evaluación de la absorción acústica y coeficiente de
reducción de ruido
La misma tendencia observada en la variación de las curvas del coeficiente de absorción acústica con la longitud de la probeta sometida a ensayo (Figura 5.7.) se puede ver en la variación del índice de evaluación de absorción acústica. En este tipo de material se produce un aumento de DLα conforme la longitud de la probeta se hace mayor. Esto se corresponde con el hecho de que las curvas del coeficiente de absorción acústica se desplazan hacia zonas de bajas frecuencias conforme la longitud de la probeta aumenta, y son las bajas frecuencias aquellas que adquieren más valor en el cálculo del índice de evaluación de la absorción acústica (Tabla 5.8.).
129
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NRC
DLα
2cm
0,44
2,15
4cm
0,48
4,23
8cm
0,63
4,79
12cm
0,76
5,85
16cm
0,73
6,24
2013
Tabla 5.8. Valores de NRC y DLα para los distintos espesores fabricados con la composición óptima.
En la Tabla 5.8. se observa como a partir de una longitud de 4 cm en la probeta se produce un aumento significativo del índice de evaluación acústica con un valor por encima de 4 dentro del comportamiento de absorción, por tanto pertenece a la categoría A2 del Índice de evaluación de absorción acústica, delimitado por un rango 4-7. Lo mismo ocurre con los espesores de 8cm, 12 cm y 16 cm, que pertenecen a la misma categoría. Sin embargo, un espesor de 2 cm no presenta una absorción significativa situándose en el rango que comprende la categoría A1.
La densidad de cada una de las longitudes varían poco al tener igual composición, evidentemente; por ello no es un factor determinante dentro del análisis de los distintos espesores si la composición con las que se han creado las probetas es la misma.
En definitiva, la categoría A2 se alcanza con un espesor de 4cm, convirtiéndose en un material comercialmente viable, sin necesidad de aumentar el grosor para la finalidad a la que se quiere destinar este. De este modo se ahorran coste y espacio.
130
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5.5.- COMPARACIÓN CON DISTINTAS RESINAS
En la fase previa a la fabricación de las muestras con resina epoxi, se ha realizado la misma serie de ensayos anteriores con otras resinas para determinar cuál era la más apta para el desarrollo de un material absorbente. En el apartado 4.1. se describen las propiedades de las resinas utilizadas en este análisis inicial.
De las tres resinas probadas: Ceys (Figura 5.9), poliester (Figura 5.10.) y epoxi (Figura 5.11.), fue ésta última la que proporcionó mejores resultados físicos desde un primer momento, más consistencia y mejor acabado de la probeta; y también teniendo en cuenta los costes, encuadrados dentro de un presupuesto razonable para este tipo de investigación.
Tras encontrar la composición óptima del material absorbente acústico objeto de estudio, se ha destinado una parte del proyecto al análisis de la comparación de las propiedades de este óptimo con las propiedades físicas y acústicas de las resinas de polyester y Ceys.
Figura 5.9. Probetas fabricadas con resina epoxi.
Figura 5.10. Probetas fabricadas con resina Ceys.
131
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Figura 5.11. Probetas fabricadas con resina de poliéster.
5.5.1.-PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS
5.5.1.1.- Densidad aparente y resistencia a compresión
En la Tabla 5.9. se representan densidad y valores de resistenciacompresión para cada uno de los tres ratios estudiados:
Densidad (kg/m3)
Resistencia-Compresión (MPa)
Epoxi
464,39
2,45
Ceys
467,83
1,84
Poliéster
879,83
5,38
Tabla 5.9. Valores de densidad y resistencia a compresión de las muestras fabricadas con distintas resinas.
Cómo muestra la Tabla 5.9., es la resina de polyester la que presenta mayor densidad y, consecuentemente, mayor resistencia a compresión con 5,38 MPa resultados. Mientras que la resina de Ceys es la menos resistente con un resultado de 1,84MPa. Esto es debido a que provoca menos compactación del contenido de la probeta, todo lo contrario que la resina de polyester, cuyo
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acabado es opaco y tapa la gran mayoría de poros que la cascarilla de arroz forma potencialmente.
Aunque la resina de polyester es la mejor en cuanto a estas propiedades, presenta las peores propiedades acústicas de las tres resinas estudiadas, como se verá a continuación. Por tanto, y analizando todas las propiedades de cada una, se concluye que la resina óptima para este experimento es la Epoxi.
5.5.2.- PROPIEDADES ACÚSTICAS
5.5.2.1.- Coeficiente de absorción acústica A continuación se muestra en la Figura 5.12. la comparación de los coeficientes de absorción de las tres muestras fabricadas con las distintas resinas:
Figura 5.12. Curvas de los coeficientes de absorción acústica
En la Figura 5.12. se representan las variaciones del coeficiente de absorción de las muestras fabricadas con distintas resinas, comparando los resultados obtenidos al realizar la medida con el tubo de impedancia acústica en el laboratorio.
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El valor del coeficiente más alto a más baja frecuencia lo experimenta la muestra compuesta por resina de polyester, puesto que alcanza un valor de 0,5 para la frecuencia de 350Hz; sin embargo, comienza a disminuir conforme la frecuencia aumenta, produciéndose una nueva subida desde 2.000 hasta 4.000Hz. El valor máximo de coeficiente de absorción alcanzado es 0,6. Esto es debido a su escasa porosidad que se puede apreciar físicamente, sin necesidad de realizar el ensayo de porosidad abierta. Su densidad es mucho mayor a las dos restantes con un valor de 879,83 kg/m3, así se correlacionan todos los datos y se concluye que es la resina menos apta para la finalidad que se busca en el estudio.
La resina Ceys alcanza un valor de casi 0,8 a 700Hz de frecuencia, desde donde empieza a disminuir hasta producirse una nueva subida desde los 1.500 Hz has los 2.500, a partir de ahí se mantiene estable. A 4.000 Hz supera un valor de coeficiente de absorción de 0,8, pero este resultado no resulta relevante. Generalmente, estos resultados son buenos con respecto al blanco del estudio, ya previéndose después de estudiar su densidad, muy similar a la de la resina epoxi, con un valor de 467,83 kg/m3. Esto le hacía prometedora en un primer momento, pero tras los ensayos de resistencia a compresión se demuestra que no es así.
Definitivamente, y como predecía su densidad, las muestras compuestas por la composición óptima creada con resina epoxi alcanzan un mayor valor de coeficiente de absorción, ya que a 850Hz la curva llega a más de 0,9, llegando a este valor dos veces más, una a 3.200Hz y otra a 5.000Hz. Así, tras este análisis se concluye que la resina epoxi es la más adecuada para crear un buen material absorbente de ruido, superando además a la resina Ceys en resistencia mecánica.
5.5.2.2.- Índice de evaluación de la absorción acústica y coeficiente de reducción de ruido
A continuación se muestra la Tabla 5.10. con los resultados obtenidos de los cálculos de coeficiente de reducción de ruido (NRC) y el índice de evaluación
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de la absorción acústica (DLα) para cada uno de las mezclas con distintas resinas estudiadas.
NRC
DLα
Epoxy
0,48
4,23
Ceys
0,54
4,03
Polyester
0,37
2,07
Tabla 5.10. Valores de NRC y DLα de las composiciones con distintas resinas.
Se observa en la Tabla 5.10. que las muestras compuestas con cascarilla de arroz y resina Ceys, presentan un mayor coeficiente de reducción de ruido, mientras que las constituidas con resina epoxy marcan un mayor índice de evaluación de absorción acústica. Si bien, son las muestras formadas con resinas epoxy y Ceys las que quedan englobadas, según su DLa, dentro de la categoría A2 (DLa>4), mientras que la resina de polyester pertenece a la categoría A1, de acuerdo con la norma UNE-EN 1793-1.
En cuanto a costes (Figura 5.13), la resina Ceys tiene un precio más alto,
ya
que
un
envase
que
contiene
resina+catalizador
de
100g
aproximadamente, tiene un precio de 8 euros. Sin embargo, 1kg de resina de poliester+50g de catalizador ha costado unos 5 euros, subiendo el precio para la misma cantidad de resina epoxi, 42 euros para un kilo de resina, y 100g de catalizador.
135
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90 80 70
Coste Kg
60 50 40 30 20 10 0 R.Epoxi
R.Ceys
R. Poliester
Figura 5.13. Coste por 1Kg de las tres resinas estudiadas.
5.6.- DESARROLLO DE UN MATERIAL ACÚSTICO ABSORBENTE A BASE DE VERMICULITA.
Para el estudio del desarrollo de un material acústico absorbente a base de mezcla (denominación del ratio resina/catalizador) y vermiculita (Figura 5.14), en primer lugar se ha procedido a la sustitución gradual de las cascarillas de arroz por la vermiculita, para conformar el nuevo material.
Se ha estudiado la variación de las propiedades físicas, mecánicas y acústicas de los productos conformados a partir de la gradual de vermiculita. En la Tabla 5.11. se muestra un resumen de las composiciones estudiadas.
Mezcla (%)
Vermiculita (%)
m/v1
50
50
m/v2
67
33
m/v3,6
79
21
Tabla 5.11. Composición en % peso de las probetas
136
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Figura 5.14. Probetas con vermiculita de distintos ratios m/v. De izquierda a derecha: dos muestras m/v1, dos m/v2 y dos m/v3,6.
5.6.1.- PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS
Las muestras estudiadas presentan en su composición distintos ratios mezcla/vermiculita con el fin de obtener unas mejores propiedades mecánicas. A continuación se muestran los resultados de los ensayos para determinar estas propiedades.
5.6.1.1.- Porosidad abierta
La medida de porosidad abierta en las probetas se ha llevado a cabo según el procedimiento descrito en el apartado 4.2.1. En la Figura 5.15. se muestra la variación de la porosidad abierta de los distintos ratios de mezcla/vermiculita estudiados.
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35
Porosidad abierta (%)
30 25 20 15 10 5 0
mv 1
mv 2
mv 3,6
Figura 5.15. Variación de la porosidad abierta de las distintas composiciones de mezcla/vermiculita.
Al aumentar el contenido de vermiculita con respecto al de mezcla en los productos, los valores medio de porosidad abierta aumentan debido que se reduce el ratio mezcla/vermiculita, aumentando la cantidad de huecos en el cuerpo de la probeta. La onda pierde energía durante su recorrido a lo largo de la probeta gracias a que se ve obstaculizada por los poros. Del mismo modo que ocurría en el caso de mezcla/biomasa donde su ratio aumenta conforme se reduce la porosidad abierta. Los resultados de porosidad abierta de las composiciones se reflejan en la Figura 5.10, donde es mv1 el que presenta un mayor valor de porosidad abierta, cerca del 32,6%. Para mv2 el valor de porosidad abierta desciende al 21,17%, valor al que no llega la composición mv 3,6, con un 18,73%.
5.6.1.2.- Densidad aparente
La vermiculita es un compuesto que compactado no alcanza una alta densidad, por tanto cabe esperar una disminución de la densidad del material elaborado al aumentar el contenido de vermiculita en el mismo, ya que aumenta el contenido de mezcla en proporción. La Figura 5.16. muestra cómo influye la cantidad de mezcla en la densidad del material, aumenta la densidad conforme aumenta el ratio mezcla/vermiculita.
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900
Densidad (Kg/m3)
800 700 600 500 400 300 200 100 0 mv 1
mv 2
mv 3,6
Figura 5.16. Variación de la densidad aparente de las distintas composiciones de mezcla/vermiculita.
Como era de esperar, el material más compactado por la mezcla es el que presenta mayor densidad, en este caso mv3,6, que tiene un menor valor de porosidad abierta, como se ha estudiado en el apartado anterior. Todo lo contrario ocurre con mv1, ya que al disminuir el ratio mezcla/biomasa, la compactación es menor, consecuencia de una menor densidad y proporcionando mayor porosidad abierta.
5.6.1.3.- Resistencia a compresión
En la Tabla 5.12. se representan densidad y valores de resistenciacompresión para cada uno de los tres ratios estudiados:
Resistencia-Compresión (MPa)
mv1
0,46
mv2
1,2
mv3,6
3,21
Tabla 5.12. Valores de densidad y resistencia a compresión de las distintas composiciones mezcla/vermiculita.
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En este caso, se puede refutar la hipótesis de que si aumenta la cantidad de mezcla, aumenta la resistencia a compresión; la dureza de la muestra aumenta, pero se produce la rotura del cilindro cuando llega se somete a la fuerza de 3,21MPa, para mv3,6, que presenta una mayor densidad que mv1 y mv2, con un valor de 780,97 kg/m3 . Al contrario ocurre mv1, que no ha soportado más de 0,46 MPa, experimentando una rápida rotura al tener una menor densidad,
456,45 kg/m3. Esto mismo ocurre con el ratio mezcla/biomasa,
conforme aumenta la cantidad de cascarilla de arroz la resistencia a compresión va disminuyendo, al tener menor densidad.
Se demuestra experimentalmente que, como consecuencia de la poca resistencia de la vermiculita, el incremento proporcional de este material con respecto a la cantidad de mezcla provoca la disminución de la dureza superficial de la misma.
5.6.2.- PROPIEDADES ACÚSTICAS
5.6.2.1. Coeficiente de absorción acústica
Los
coeficientes
de
absorción
acústica
de
los
distintos
ratios
resina/vermiculita, se recoge gráficamente en la Figura 5.17.
Al igual que como se ha mostrado en los apartados anteriores, se han representado los valores del coeficiente de absorción acústica correspondientes a frecuencias puntuales. Éstas frecuencias son: 125, 250, 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500 y 5000 Hz.
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Figura 5.17. Curvas de los coeficientes de absorción acústica
Para los tres ratios de mezcla/vermiculita (Figura 5.17.) se ha producido una idéntica subida del coeficiente de absorción con el aumento de la frecuencia, confluyendo en el punto donde la frecuencia alcanza los 1.000Hz y el coeficiente de absorción marca un valor de 0.8. La composiciones mv2 y mv3,6 alcanzas cotas que rozan un 0,95 de coeficiente de absorción a la altura de los 1.200Hz, pero es a partir de entonces cuando empiezan a bajar estos valores para volver a subir pasados los 3.000Hz.
Tras este análisis, se concluye que mv2 el que posee mejor capacidad de absorción. Además tiene un valor intermedio de densidad, lo que explica que también lo tenga en el ensayo de resistencia a compresión para encontrar el punto medio entre absorción acústica y resistencia mecánica. También su porosidad abierta, con un 20%, tiene un valor intermedio, situada entre las de mv1 y mv3,6, lo que le hace la composición más equilibrada.
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5.6.2.2.- Índice de evaluación de la absorción acústica y coeficiente de reducción de ruido
A continuación se muestra la Tabla 5.13. con los resultados obtenidos del cálculo del coeficiente de reducción de ruido (NRC) y el índice de evaluación de la absorción acústica (DLα) para cada uno de los ratios mezcla/vermiculita estudiados: NRC
DLα
mv1
0,44
3,48
mv2
0,43
3,42
mv3,6
0,37
2,59
Tabla 5.13. Valores de NRC y DLα de las distintas composiciones mezcla/vermiculita.
Se observa que las muestras con un ratio mezcla/vermiculita 1 presentan mejores coeficiente de reducción de ruido e índice de evaluación de absorción acústica. Si bien, los tres ratios mezcla/biomasa estudiados en este apartado quedan englobados, según su DLa, dentro de la categoría A1 (DLa4) de acuerdo con la norma UNE-EN 1793-1.
El óptimo fabricado, con mezcla/biomasa igual a 2,8, queda casi alcanzando los resultados de los demás materiales comerciales, con el valor añadido de que se está aprovechando un residuos de la agricultura muy abundante en todos los países asiáticos y en zonas más puntuales de todo el mundo, la cascarilla de arroz.
5.8. ANÁLISIS DE COSTES MATERIALES ABSORBENTES ACÚSTICOS
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Tras obtener todos los resultados de las propiedades del material fabricado, se compara económicamente con los materiales comerciales más usados como absorbentes acústicos. Teniendo en cuenta que los materiales se usan para construcción, sobretodo en interiores, se coge como unidad de referencia el m2. En la tabla 5.15 se muestra el costo en euros por unidad de superficie. En el caso de la vermiculita y la cascarilla de arroz, el coste total incluye la composición del material: biomasa+resina epoxi.
€/m² Espuma poliuretano
4,45
Lana de roca
3,2
Fibra de vidrio
3,93
mb2,8
1,3
mv2
1,5
Tabla 5.15. Comparativa de costes de materiales ensayados
Las fuentes consultadas para recoger estos datos son diversas, varios catálogos de comercios de bricolaje y pinturas, estudios de laboratorios, y proyectos universitarios. Se llega a la conclusión de que los materiales más económicos son los residuos agrícolas empleados, cascarilla de arroz y vermiculita, siendo la cascarilla un poco más barata. La causa principal es que estos residuos no necesitan procesado, si no que se extraen directamente, en el caso de la cascarilla de arroz, se puede usar directamente desde su extracción en el molino que la separa del grano de arroz. El coste en sí sería el transporte y tasa medioambiental producto de la compra de un residuo que se produce en grandes cantidades.
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6. CONCLUSIONES
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Los resultados obtenidos en la presente investigación permiten establecer las siguientes conclusiones:
1. Las cascarillas de arroz provenientes de la molienda del grano pueden ser potencialmente recicladas en material acústico absorbente, ya que los productos
conformados
con este
subproducto
y
resina
comercial
presentan características similares a las de otros productos utilizados tradicionalmente en este tipo de aplicaciones.
2. Tras fabricar varias composiciones con distintos ratios mezcla/biomasa, se obtiene que conforme la proporción de cascarillas aumenta, la densidad y la resistencia a compresión del producto disminuyen, mientras que la porosidad abierta y el coeficiente de absorción acústica se
incrementan.
composición
de
Estos mb2,8,
resultados que
han
alcanza
conducido
una
a
adecuadas
elegir
una
propiedades
mecánicas y acústicas.
3. En la elaboración de un material acústico absorbente a base vermiculita y resina, durante la sustitución cascarillas de arroz por vermiculita, se ha podido comprobar que a medida que la proporción de vermiculita en el material es mayor, la densidad del mismo disminuye y aumenta la resistencia mecánica. Este incremento del porcentaje de vermiculita en el producto provoca que el coeficiente de absorción acústica disminuya.
4. En referencia a la adición de catalizador a la mezcla para optimizar el efecto de la resina, se determina que esta cantidad no es relevante en lo que a cambios en las propiedades del material se refiere. Apenas varían las propiedades físicas, mecánicas y acústicas.
5. En la determinación del coeficiente de absorción acústica, la longitud de la probeta sometida a ensayo en tubo de impedancia es un parámetro que influye en la curva del coeficiente de absorción acústica. Así, a medida que la longitud de la probeta es mayor, el pico de máxima absorción se desplaza, aumentando ligeramente, hacia frecuencias más bajas.
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6. Comparando las propiedades acústicas de el nuevo material creado con las de los materiales más usado comercialmente, se determina que el coeficiente de absorción acústica es mayor a menores frecuencias para la composición óptima mv2,8. La curva marcada por el coeficiente de absorción de la probeta presenta mayor número de picos que las de los materiales comerciales, que son más regulares y estables.
7. La resina epoxi es la que ha presentado mejores resultados en la adherencia
de
las
cascarillas
de
arroz,
proporcionando
mejores
propiedades físico-mecánicas y acústicas que las dos resinas restantes probadas en la experimentación: resina Ceys y resina de poliester.
8. El análisis de costes que se realiza para comparar la idoneidad de los materiales comerciales, indica que el material creado con cascarillas de arroz y resina epoxi es el más económico, superando a los materiales comerciales destinados al mismo fin. La composión óptima creada con vermiculita y resina epoxi, también presenta un coste muy económico, similar al nuevo material creado con cascarillas de arroz.
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