Nuevos morteros de cemento-cal con materiales de cambio de fase (PCM) para la mejora de la eficiencia energética de cerramientos
- Autores: Cynthia Guardia Martín
- Directores de la Tesis: Gonzalo Barluenga Badiola (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Hernández Olivares (presid.), Javier Puentes Mojica (secret.), Antonio Caggiano (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Arquitectura por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
En la actualidad existe una búsqueda constante de materiales o sistemas constructivos para mejora de la eficiencia energética de los edificios existentes. Los morteros de cemento-cal con diferentes adiciones tales como fibras de celulosa o áridos ligeros que modifiquen sus prestaciones son algunos de los materiales desarrollados para tal fin. Los materiales de cambio de fase o Phase Change Materials (PCM) se presentan como otra posible alternativa para la mejora del comportamiento térmico de los morteros por su capacidad como acumuladores térmicos.
Este estudio plantea el diseño y caracterización de nuevos morteros en base cemento-cal que, por un lado, logre mejorar la capacidad de aislamiento térmico con la adición de fibras de celulosa, áridos ligeros o la combinación de ambas y, por otro lado, logre adquirir la capacidad de acumulación térmica con la adición del PCM.
Se proponen doce tipos de morteros. Primero, se evalúan las propiedades físicas mecánicas y térmicas de cada uno de los morteros diseñados. A partir de los resultados experimentales obtenidos se realiza una simulación numérica con métodos no lineales de elementos finitos, en colaboración con un grupo de investigación de la Universidad de Darmstadt (Alemania). También se analiza la microestructura de los diferentes morteros, así como el comportamiento térmico de las mezclas durante condiciones ambientales de calentamiento y enfriamiento con técnicas no destructivas como la transmisión de ondas de ultrasonidos y mediciones de flujo de calor. Como último paso, una vez estudiadas las propiedades, se incluyen los diferentes morteros dentro de un cerramiento multicapa. Para ello se simulan ciclos de calentamiento y enfriamiento y se evalúa su comportamiento dependiendo de la composición del mortero ensayado.
Los resultados experimentales obtenidos permiten determinar la influencia de la adición de PCM y su combinación con otros componentes en las propiedades de los morteros. Se puede relacionar la influencia del PCM en la relación de la densidad y porosidad abierta de la microestructura y el comportamiento mecánico de las dosificaciones. A partir de los resultados experimentales obtenidos de absorción capilar por succión de agua se logra realizar una simulación numérica de estos resultados. También se consigue identificar la diferencia en el comportamiento térmico de los morteros dependiendo del estado del PCM, líquido o sólido, a través de la modificación de la conductividad térmica de los morteros.
La técnica de ultrasonidos utilizada permite analizar los cambios en la microestructura y la identificación del estado del PCM durante las diferentes condiciones ambientales simuladas. La capacidad de acumulación térmica de los morteros y de los cerramientos multicapa a través de la evaluación del flujo de calor y la entalpía de estos dependiendo de la dosificación estudiada es evaluada cualitativa y cuantitativamente.
Por último, los resultados de la investigación dentro del desarrollo de la tesis se recogen en tres artículos publicados en revistas indexadas en primer y segundo cuartil de las categorías de tecnología de construcción y edificación, ciencia de materiales, termodinámica e ingeniería civil, un artículo enviado para su publicación en una revista indexada, dos comunicaciones en congresos internacionales RILEM con publicación de capítulo de libro, una ponencia invitada en congreso internacional y un primer premio a la mejor presentación en jornadas internacionales de investigación en el área de estudio.
- Deutsch
Derzeit wird ständig nach Materialien oder Konstruktionssystemen gesucht, die zur Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden beitragen. Zement-Kalk-Mörtel mit verschiedenen Additiven wie Cellulosefasern oder leichten Zuschlagstoffen, die ihre Leistung verändern, sind einige der für diesen Zweck entwickelten Materialien. Phase Change Materials (PCM) werden als eine mögliche Alternative zur Verbesserung des Wärmeverhaltens von Mörteln aufgrund ihrer Fähigkeit als Wärmespeicher vorgestellt. In dieser Forschungsarbeit wird ein Zement-Kalk-Mörtel vorgeschlagen, der die Wärmedämmkapazität durch Cellulosefasern und leichte Aggregate verbessert und die Akkumulationskapazität durch Zugabe von PCM erreicht.
Zuerst wurden die physikalischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der vorgeschlagenen Mörtel bewertet. Aus den erhaltenen experimentellen Ergebnissen wurde eine numerische Simulation mit nichtlinearen Finite-Elemente-Methoden durchgeführt. Die Mikrostruktur und das thermische Verhalten der Mörtel wurden mit der Non-Destructive Technique (NDT) (z.B. Ultraschallwellen und Wärmestrommessung) während der Heiz- und Kühlprozesse analysiert. Schließlich, nachdem die Eigenschaften der Mörtel untersucht worden waren, wurden die verschiedenen Mörtel in eine verbesserte multilayered enclousure aufgenommen. Hierzu wurden Heiz- und Kühlprozesse simuliert und deren Verhalten in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des getesteten Mörtels bewertet. Die erhaltenen experimentellen Ergebnisse konnten den Einfluss der Zugabe von PCM und seiner Kombination mit anderen Komponenten auf die Eigenschaften der Mörtel feststellen. Es war möglich, den Einfluss des PCM auf den Zusammenhang zwischen der Dichte und offenen Porosität der Mikrostruktur und das mechanische Verhalten der Mischungen in Beziehung zu setzen. Zusätzlich wurde aus den experimentellen Ergebnissen, die aus der Kapillarabsorption erhalten wurden, eine numerische Simulation dieser Ergebnisse durchgeführt. Es war auch möglich, den Unterschied im Wärmeverhalten der Mörtel in Abhängigkeit vom Zustand des PCM aufgrund der Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Mörtel zu identifizieren. Die Ultraschalltechnik ermöglichte es, die Mikrostruktur zu analysieren. Außerdem konnte man den Zustand des PCM unter verschiedenen Heiz- und Kühlprozessen identifizieren.
Die Wärmeakkumulationskapazität der Mörtel und der durch die Bewertung des Wärmeflusses und deren Enthalpie in Abhängigkeit von dem untersuchten Mörtel verbesserten multilayer enclousures wurden qualitativ und quantitativ bewertet. Die Ergebnisse der Forschung während der Entwicklung dieser Arbeit haben dazu geführt: drei Artikel, die im Q1 und Q2 in Journals veröffentlicht wurden; ein Artikel, der zum Einsenden an ein indiziertes Journal vorbereitet wurde; zwei Konferenzen auf internationalen Kongressen mit der Veröffentlichung von Buchkapiteln (RILEM); eine Gastpräsentation auf einem international Kongress und ein erster Preis für die beste Präsentation auf internationalen Forschungskonferenzen im Studienbereich.
- English
Today, there is a great interest in the study of new building materials and construction systems able to improve the energy efficiency of existing buildings. Cement-lime mortars with different additions such as cellulose fibers or lightweight aggregates are among these materials. Furthermore, Phase Change Materials (PCM) are an innovative solution for this purpose because of their heat storage capacity and can be also added to mortars.
The aim of this study is the development of new cement-lime mortars that, on one hand, could improve thermal insulation with the addition of cellulose fibers and lightweight aggregates and, on the other hand, supply heat storage capacity with the addition of PCM. Physical, mechanical and thermal properties of the twelve mortars under study were evaluated. A numerical simulation with non-linear finite element methods (FEM), calibrated by experimental results, was carried out. Mortars’ microstructure was also analyzed. The thermal behavior of the mixtures was evaluated using non-destructive techniques (NDT) such as ultrasonic wave transmission and heat flow measurements during heating and cooling cycles. Finally, multilayered building enclosures enhanced including a layer of the mortars studied were evaluated under heating and cooling cycles.
The obtained results pointed out the influence of the addition of PCM and its combination with other components on mortars’ properties. The addition of PCM was related to changes on apparent density, open porosity and mechanical properties of the mortars.
A numerical simulation of the experimental results obtained from capillary water absorption tests was carried out. Furthermore, PCM physical state (liquid or solid) was identified to have influence on mortars’ thermal conductivity. Ultrasonic pulse velocity technique was used to analyze the mortars’ microstructure and to identify PCM physical state. Through heat flux and enthalpy evaluation, mortars heat storage capacity and multilayered building enclosures enhanced with PCM mortars were analyzed.
The scientific results of this PhD thesis can be summarized as: three indexed articles in Q1 and Q2 journals (JCR-WoK) and another one submitted for publication, two oral presentations in RILEM international conferences, published as book chapters, an invited oral presentation in an international conference and a first price award to the best oral presentation in an international youth forum.
- español
