Refuerzo de la escayola mediante fibras de lana mineral procedentes del reciclaje de RCD

Resumen

A pesar de que el valor social sobre el medio ambiente aumenta, España está lejos de los valores medios de reciclaje de la Comunidad Europea, y sobre todo, lejos de los objetivos marcados para el año 2020, por lo que se debe seguir avanzando en este campo. Para mejorar en este sentido resulta fundamental estudiar la generación de residuos en el ámbito de la edificación, ya que, en la actualidad, la construcción de edificios es una de las actividades con mayor capacidad de contaminación. En Europa, entre los años 2004 y 2012 se generaron una media de 827 millones de toneladas anuales de RCD, lo que pone de manifiesto la importancia del impacto de este tipo de residuos en el medio ambiente. Por ello, resulta indispensable encontrar nuevas vías para el reciclaje de los RCD generados. Por otra parte, el aislamiento de edificios cada día cobra una mayor importancia en el sector de la edificación, ya que supone un ahorro en la utilización de energía y la mejora del confort térmico, ayudando así a la conservación del medio ambiente. Este incremento en la utilización de materiales aislantes en el sector de la edificación supone un aumento en los residuos provenientes de estos materiales aislantes. Por este motivo, se realiza un estudio sobre los tipos de materiales aislantes comercializados actualmente. Tras este análisis, se observa que los materiales aislantes comúnmente utilizados en edificación son la espuma de poliuretano, el poliestireno expandido, el poliestireno extruido y las lanas minerales. Entre ellos, la lana mineral es el aislamiento mayormente utilizado en edificación en Europa, ya que sus ventas suponen el 60% de las ventas totales de materiales aislantes. Diferentes estudios demuestran que los residuos de lanas minerales aumentan anualmente un 1,2%, y se prevé que su aumento continúe en los próximos años. En 2010 se generaron 2,3 millones de toneladas de residuos de lanas minerales en la UE, lo que supone el 0.2% de los RCD generados en Europa. Las lanas minerales están compuestas de fibras, fabricadas a partir de diferentes minerales y aglutinadas con resinas. Los residuos de lanas minerales son por lo tanto residuos fibrosos que pueden utilizarse como refuerzo. Por ello, la reutilización o reciclaje de estos residuos puede desempeñar un papel importante en el reciclaje de los RCD. A día de hoy, existen diversos estudios sobre el reciclaje y reutilización de residuos de lanas minerales, pero estos estudios son escasos. Se han incorporado en bases de compuestos cerámicos, de mortero y de compuestos a base de fibras de madera, no existiendo ningún estudio sobre la incorporación de este tipo de residuo en una matriz de yeso o escayola. Además, de entre las numerosas investigaciones sobre la incorporación de adiciones, agregados y/o aditivos en el yeso o la escayola destacan los estudios sobre la incorporación de fibras, ya que estas mejoran el comportamiento mecánico del compuesto. Por ello, se proponen los residuos de lanas minerales como materiales de refuerzo en una matriz de yeso o escayola. Considerando el marco contextual sobre la situación de los RCD expuesto, resulta fundamental introducir nuevas medidas para prevenir la generación de residuos de construcción y demolición o encontrar nuevas vías para su reciclaje, más concretamente para los residuos de lanas minerales generados. En consecuencia, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral consiste en el estudio pormenorizado del rendimiento físico y mecánico de los residuos de lanas minerales incorporados a una matriz de escayola, además se analiza la viabilidad de este nuevo material compuesto, de menor impacto ambiental, como material alternativo a las fibras que se utilizan en la actualidad como elementos de refuerzo en los prefabricados de yeso o escayola. Para cumplir con este objetivo, se realiza una profunda investigación sobre los tipos de fibras que se utilizan en la actualidad en la construcción de edificios, según naturaleza, usos o aplicaciones. Se observa que las fibras de polipropileno junto con las fibras de vidrio son las fibras más utilizadas como elemento de refuerzo en los prefabricados de yeso, hormigones y/o morteros. Por ello, los nuevos compuestos de escayola y lanas minerales se comparan experimentalmente con estas dos fibras. En el presente trabajo de investigación se ha utilizado escayola E-35-L, dos residuos de lanas minerales de diferente procedencia y distinta composición, y dos tipos de fibras de refuerzo, fibra de polipropileno y fibra de vidrio tipo E. El procedimiento experimental desarrollado en este trabajo propone composiciones de escayolafibra de lana de mineral reciclada viables, con la posibilidad efectiva de su utilización como conglomerados en construcción, con diferentes aplicaciones en función la lana mineral incorporada y del porcentaje en el que se incorpora. Experimentalmente se han preparado mezclas de escayola con diferentes porcentajes de incorporación en peso. Las características de los compuestos resultantes se han definido y ensayado fijando la consistencia adecuada para una buena trabajabilidad, estudiándose, entre otras propiedades, las resistencias mecánicas, dureza superficial Shore C, la adherencia superficial sobre materiales cerámicos y la elasticidad de los compuestos mediante el módulo de elasticidad o módulo de Young. Asimismo se han estudiado las propiedades físicas como la densidad aparente y la porosidad; su comportamiento higrotérmico, mediante la permeabilidad al vapor de agua y el factor de resistencia al vapor de agua; así como la absorción de agua por capilaridad y absorción de agua por inmersión total del compuesto. Por otra parte, y teniendo en cuenta que la inclusión de residuos de lanas minerales aislantes puede tener influencia en el comportamiento térmico del compuesto, se estudia este comportamiento en términos de conductividad térmica, difusividad térmica y capacidad calorífica específica. Se obtienen compuestos con propiedades térmicas mejoradas, por lo que se sugiere su aplicación como material aislante térmico en placas, falsos techos, revestimientos y/o prefabricados. Por último, a la vista del buen comportamiento acústico y ante el fuego que poseen las lanas minerales, se analiza el comportamiento acústico y frente al fuego de estos compuestos en placas de 30 mm de espesor. ABSTRACT Although the social value given to the environment increases, Spain is far from the average values of recycling in the European Community, and above all, far from the targets set for 2020, so it is necessary to continue working in these objectives. To improve it is essential to study waste generation in construction, because, currently, building is the sector with higher contamination capacity. In Europe, between 2004 and 2012 an average of 827 million tons of the construction and demolition waste generated (CDW) were generated each year, this underlines the importance of the environment impact of this waste. It is therefore essential to find new ways to recycle CDW. Moreover, everyday building insulation is becoming more important in the building sector, as it means savings in energy and improved thermal comfort, helping to preserve the environment. This increase of insulating materials in the building sector is associated with a waste increase from these insulating materials. For this reason, a study and analysis of the current types of insulating materials is done. After this analysis, it is noted that the insulating materials commonly used in building are: polyurethane foam, expanded polystyrene, extruded polystyrene and mineral wool. Among them, the mineral wool insulation is mainly used in European building, as its sales are 60% of the total sales of insulating materials. Studies show that mineral wool wastes increase 1.2% annually, and is expected to continue in the coming years. In 2010, 2.3 million tons of mineral wool wastes were generated in the EU, representing 0.2% of the CDW generated in Europe. Mineral wools are composed with fibers made from different minerals and bonded with resins. Mineral wool wastes can be used as reinforcement. Therefore, the reuse or recycling of this waste can involve an important role in the CDW recycling. Today, there are very few studies about recycling and reuse of mineral wool waste. In these studies waste from mineral wool has been incorporate into ceramic composites, mortar and wood fibers composites, but there are no studies about the incorporation of this waste on a gypsum or plaster matrix. In addition, among the several researches about plaster with different additions, or additives it should be noted the studies about the incorporation of fibers in the plaster with the result of a remarkable increase of the plaster mechanical behavior. Therefore, mineral wool waste is proposed as reinforcing material in a gypsum or plaster matrix. Considering the contextual framework about CDW, it is essential to introduce new measures to prevent the generation of waste from construction and demolition or find new ways for recycling, specifically, mineral wool waste. Consequently, the main objective of this thesis is to study the physical and mechanical behavior of waste mineral wool incorporated into a plaster matrix, and to analyze the viability of this new material (waste wool fibers), with less environmental impact, as alternative to the fibers currently used as reinforcing elements in plaster prefabricated elements or gypsum ones. To fulfill this objective, a deep research about different fibers currently used in buildings is done, according to nature, uses or applications. It is observed that the polypropylene fibers and the glass fibers are the fibers most used as reinforcement in prefabricated plaster, concrete and/or mortars. Therefore, the new plaster composites and mineral wool were tested and their results were compared with these two fibers. In this research plaster E-35-L, two wastes of mineral wool from different sites and different composition, and two reinforcing fibers: polypropylene fiber and glass fiber type E, have been used. The experimental procedure developed in this paper proposes composites of plaster-waste fiber wool, to use as conglomerates for building, with different applications according to the mineral wool used and the percentage in which it is incorporated. Experimentally plaster mixtures with different percentages of fibers in weight have been prepared. The characteristics of the resulting compounds defined and tested by setting the proper consistency for good workability, studying, among other properties: mechanical strength, surface hardness Shore C, superficial adherence on ceramic materials and elasticity of the compounds by Young's modulus. Also it has been studied physical properties such as density and porosity; r hygrothermal behavior, by water vapor permeability and the factor of water vapor resistance; and also capillarity water absorption and water absorption by immersion of the compound. Furthermore, and considering that the inclusion of waste mineral wool insulation could influence in the thermal behavior of the compound, this behavior is studied in terms of thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat capacity. The result is a compound with improved thermal properties, so it could be used as thermal insulation plates, false ceilings, or coating. Finally, in view of mineral wool good acoustic behavior and fire resistance the acoustic behavior and fire resistance of the composites is tested in 30 mm thick plates.