ES2989882B2 - Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios y procedimiento de obtención del mismo - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios y procedimiento de obtención del mismo

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención está destinada al sector de la edificación y en concreto al de sistemas de aislamiento térmico de la envolvente de edificios, tanto exterior como interiormente, siendo igualmente aplicable tanto a paredes como suelos, techos o cualquier tipo de paramento.

El objeto principal de la presente invención es un elemento prefabricado de revestimiento de edificios que proporciona aislamiento térmico utilizando materiales procedentes de residuos de otras industrias, incluido un material biológico, y que destaca por su sencilla y rápida colocación sobre el sustrato existente mediante un sistema de perfilería que sirve de fijación del elemento.

La invención afecta igualmente al procedimiento de obtención del elemento de revestimiento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En general muchas de las edificaciones construidas en las últimas décadas pierden calor en invierno y dejan penetrar el calor en verano, favorecen las oscilaciones térmicas y como consecuencia reducen el confort interno de los habitantes. Esto es fruto de un mal aislamiento del edificio y resulta en un aumento del consumo energético por uso de la calefacción o del aire acondicionado, asociado a ello aparece el consiguiente coste económico e impacto ambiental. El desarrollo de sistemas de aislamiento responde a la necesidad de minimizar los flujos de calor que se generan a través de la envolvente del edificio. Estos sistemas pueden incorporarse en el diseño de nuevas construcciones o bien en construcciones ya existentes.

El aislamiento exterior se realiza habitualmente a través de elementos SATE (Sistema de aislamiento Térmico Exterior) o fachadas ventiladas. Los sistemas SATE consisten en un sistema de aislamiento por el exterior compuesto por un panel de material aislante adherido a un muro mediante adhesivo y fijación mecánica. El aislante se reviste exteriormente mediante la aplicación de una capa base de refuerzo que homogeniza tensiones y una capa exterior que impermeabiliza y protege frente a agentes externos.

De forma general los aislantes más utilizados emplean materiales polímeros de procedencia petroquímica con baja conductividad térmica, pero con elevada huella de carbono respecto a otros materiales naturales, y que, en su reacción frente a fuego, frecuentemente y sin la adecuada barrera térmica, presentan alto grado de inflamabilidad y facilidad para la propagación del fuego.

Alternativamente a los productos petroquímicos se han desarrollado aislantes a partir de materiales naturales como la lana de oveja merina, arribazones de posidonia oceánica, la paja de arroz, la cáscara de arroz, la corteza del alcornoque (corcho) entre otros. El uso de la lana en la industria textil ha caído y el precio fluctúa, por lo que su aplicación como material aislante representa una alternativa de uso. No obstante, el tratamiento que precisa la lana obtenida directamente del esquilador conlleva un elevado consumo de agua caliente > 50 l/kg y de mano de obra > 2 h/kg. El corcho, por otro lado, es un material de gran valor a nivel industrial y aunque es renovable, su producción está bajando paulatinamente.

El arroz es el tercero de los productos primarios en producción mundial, solo por detrás de la caña de azúcar y el maíz, con más de 740 Millones Toneladas anuales (Buratti et al., 2018). La paja de arroz es un material para el cual no hay aprovechamiento con valor suficiente y se elimina o destina a fines agrícolas, presenta propiedades aislantes, pero la rigidez de sus fibras conduce a un uso a granel rellenando tabiques de gran espesor y difícil manejo, o bien debe ser procesada. Sin embargo, la cáscara de arroz es una fibra de menor tamaño lo que permite su uso directo para la composición de paneles aislantes, especialmente prefabricados. La cáscara de arroz es el envoltorio del grano y presenta como componentes principales silicio, celulosa y lignina, lo que le proporciona una buena resistencia térmica y frente al fuego. Se trata de un residuo para los productores arroceros, pero que poco a poco se ha convertido en una alternativa interesante para otros sectores económicos como el avícola, floricultor, mezclado con arroz partido es alimento para ganado, filamento de carburo de silicio para herramientas, combustible utilizando sus cenizas como fertilizante, como agregado o aglutinante para la construcción y fabricación de tableros (César et al., 2017), no obstante, se trata en la mayoría de los casos de aplicaciones de bajo valor, por eso, con esta invención y apoyándose en estudios realizados hasta el momento (Buratti et al., 2018), se propone como material aislante del sistema de revestimiento.

En lo que respecta al uso de la cáscara de arroz para la fabricación de tableros compuestos, se utiliza combinada con otro tipo de partículas, corcho y granulado de goma reciclado, mezclado con TDI poliuretano (tolueno diisocianato) (António et al., 2018) con buenos comportamientos térmicos y acústicos. La mezcla de cáscara con partículas de madera y adhesivos ofrece también mejoras mecánicas en la fabricación de tableros de partículas (Johnson & Yunus, 2009) (Keskin et al., 2015).

En los últimos años ha aumentado el estudio de la cáscara de arroz como elemento para la construcción, por su alta disponibilidad, baja densidad aparente (90 -150kg/m3), tenacidad y resistencia a la intemperie, siendo objeto de investigación como elemento aislante debido a sus propiedades físicas y mecánicas (Buratti et al., 2018) (Muthuraj et al., 2019) (Choi et al., 2006) y su carácter ignífugo (Keskin et al., 2015), con una conductividad térmica de 0,046 -0,059 W/mK. Las investigaciones realizadas sobre la cáscara de arroz no son tan numerosas como los trabajos realizados acerca de la paja de arroz como material aislante, las ventajas observadas impulsan a continuar y profundizar en su estudio y aplicación. En este sentido cabe destacar la investigación de (Buratti et al., 2018) sobre aislante basado en cáscara de arroz ligada con un pegamento de poliuretano en disolución acuosa en un 2,5 % del peso total, que obtuvo valores de conductividad térmica y aislamiento acústico del mismo orden que otros materiales como el corcho. En dicho trabajo también se comparó la emisión de carbono (kg CÜ<2>eq) y coste energético (MJ) de diferentes aislantes fabricados con residuos de diferente origen, de forma que, para las mismas características térmicas y acústicas, la cáscara de arroz presentaba, junto con la paja de café, la menor emisión de carbono y coste energético, quedando justificado el carácter sostenible de la cáscara de arroz.

El uso de la cáscara de arroz como fibra para panel aislante ha sido patentado bajo diferentes fórmulas, ejemplo de ello son las patentes WO2014109443A1 (cáscara y paja de arroz mezcladas con colágeno), KR200439244Y1 (empleo de la cáscara a granel sin aglomerar) o DE4322907A1. En todas ellas la invención corresponde en exclusiva al material aislante no a la solución constructiva.

Otra aplicación de la cáscara como material constructivo es su incorporación al mortero como componente del mismo, es el caso de la patente CN19208771A y la patente CN108424168A, que permiten obtener un mortero más ligero y resistente al flujo térmico. En el caso de la patente CN19208771A, el mortero con cáscara forma parte de un sistema multicapa aislante en el que la función aislante la desarrolla la placa de poliuretano y de poliestireno expandido que hace que el sistema sea menos sostenible y de mayor contribución al fuego que el elemento objeto de este documento.

En la invención que aquí se reclama el aislante de cáscara de arroz representa únicamente una parte del sistema de revestimiento.

Los sistemas de revestimiento aislante más extendidos están pensados en su mayoría para la ejecución in situ, lo que implica mayor tiempo de ocupación de los espacios e incidencia sobre los ocupantes de los edificios, mayor coste de mano de obra desplazada para la ubicación y menor precisión en la ejecución. La instalación in situ conlleva las siguientes operaciones: en primer lugar la fijación del aislante al paramento con adhesivo (normalmente poliuretanos con elevada huella de carbono) o mediante la combinación de adhesivo y fijación mecánica (espiga o perfiles), en segundo lugar aplicación de una capa base de refuerzo consistente en una malla de fibra de vidrio embebida en mortero que mejora sus características mecánicas y uniformiza tensiones, y ya por último se dispone una capa de acabado que protege el sistema impermeabilizándolo.

La prefabricación reduce los tiempos de instalación y aumenta la calidad. Como ejemplo de sistema de revestimiento prefabricado destaca el desarrollo llevado a cabo en el proyecto europeo INNOWEE finalizado en 2020, que trata de un módulo prefabricado con aislante de poliestireno expandido EPS y mortero geopolímero de alta densidad con árido reciclado, lo que mejoraba su sostenibilidad medioambiental. El conjunto se instala mediante adhesivo y espigas. Su novedad radica en el uso de áridos reciclados y la prefabricación del módulo acabado, no siendo necesaria la ejecución in situ de la capa base armadura y de las capas de acabado. El inconveniente del sistema es la huella de carbono del aislante EPS y el uso de adhesivos en la instalación.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un sistema de revestimiento prefabricado de envolvente de edificio que comprende un material aislante para aislamiento térmico de edificios y una capa de refuerzo-acabado que impermeabiliza y protege el paramento del edificio, con un sistema mecanizado de fijación en el que se embebe el elemento prefabricado para su colocación en el interior o exterior de la envolvente.

La materia prima utilizada para el aislante es una fibra vegetal renovable, en concreto cáscara de arroz procedente de residuo de la industria arrocera, que siempre que se encuentre en estado seco no precisa de ningún tratamiento que consuma energía.

Para la formación de los paneles y con objeto de alcanzar una densidad apropiada que le confiera consistencia, la cáscara se aglomera con un adhesivo. A modo de ejemplo, el aglomerado se realiza en una proporción inferior al 20% de la masa de cáscara de arroz, con un prensado a 250 kg/m2 de presión y 80°C de temperatura durante 60 minutos para un espesor de 50 mm, utilizando adhesivo de poliuretano. La pieza se desmolda a las 4 horas y se mantiene en cámara a 23°C de temperatura y 50% de humedad relativa hasta estabilización. La densidad estudiada para la aplicación de objeto es de 290 kg/m .

Los valores de conductividad se midieron a través de un medidor de flujo de calor, que determina la densidad del flujo de calor a través de la diferencia de temperatura generada por la densidad de la relación del flujo de calor a través de la muestra. Para densidad de 290 kg/m3 el valor de conductividad es 0,055 W/mK y la resistencia térmica 0,909 m2K/W.

Otro de los aspectos importantes del panel de cáscara de arroz es su estabilidad dimensional, la variación de las mediciones de las tres dimensiones (l longitud, b ancho, d espesor) de acuerdo con la norma UNE-EN 1604 es Asl = Asb = 0,15% y Asd = 0,8%, valores en el rango de medición indicado en la norma(A£l, A£b y A£d entre -1% y 2,1%).

El revestimiento de mortero protege a la cáscara del exterior, no obstante, la cáscara de arroz como fibra vegetal necesitará ser protegida del ataque de hongos, esto se consigue mediante microcápsulas de timol, extracto de una planta, o biocida natural similar, que impiden el crecimiento de los mohos en su totalidad.

Para la capa de refuerzo-acabado se utiliza un mortero fabricado con áridos procedentes de residuos de construcción y demolición. Las dimensiones de la capa, a modo meramente ejemplario, podrían ser del orden de 8 mm de espesor y la hendidura 2 mm, con 3 mm de pared por cada lado, lo cual requiere de áridos de un tamaño máximo de partícula de 2 mm. El mortero se dosifica con un 60% de sustitución en volumen del contenido de áridos con una arena procedente de residuos de la construcción y el 40% restante de una arena natural caliza. Los resultados de los ensayos de compresión de las diferentes amasadas reflejan una resistencia media de 24 MPa a los 7 días y de 30 MPa a 28 días.

La consistencia del mortero debe ser muy fluida para que el relleno de la hendidura tenga lugar sin aparición de coqueras.

El mortero se vierte sobre moldes que hacen la función de encofrado, antes de que comience el fraguado del mortero el aislante de cáscara de arroz se coloca sobre el mismo. Sobre la cáscara se deja descansar peso durante mínimo 4 días para garantizar la solidaridad entre la capa de mortero y el aislante de cáscara de arroz en toda su superficie de contacto. No se emplea ningún elemento adicional para la adhesión de ambos materiales, siendo únicamente los procesos que tienen lugar durante el fraguado los que confieren la unión.

El prefabricado está diseñado para fijarse al sustrato mediante el encaje de la hendidura realizada en los cantos longitudinales de la capa de mortero sobre el perfil metálico. Este sistema de fijación se lleva a cabo en el borde superior e inferior de la capa de mortero.

La conductividad del conjunto mortero más cáscara de arroz es de 0,08 W/mK y resistencia térmica media de 0,7335 m2K/W.

El estudio de la respuesta del conjunto frente al fuego mediante el ensayo SBI (single burning item, UNE-EN: 13823:2012+A1:2016), que evalúa el comportamiento a fuego mediante exposición al ataque térmico provocado por un único objeto ardiendo, revela características de clase B-s1, d0 de acuerdo con la clasificación que establece la norma UNE-EN 13501-1. Se analizan parámetros tales como la emisión del calor, producción de humos, propagación lateral de la llama y caída de partículas y gotas inflamadas.

El sistema de fijación del revestimiento exterior se diseña con perfiles metálicos de fácil instalación mediante atornillado a la fachada, muro o sustrato. Sobre los perfiles se encajan los paneles de revestimiento simplemente dejándolos descansar sobre el perfil y asegurando su posición con la ranura del mortero.

A partir de esta estructuración, se derivan las siguientes ventajas:

• La prefabricación del sistema de revestimiento (aislamiento capa de refuerzoacabado) que implica menores plazos de ejecución, con menor ocupación de espacios e interrupción de otras actividades que se desarrollan en el interior o en el exterior de los edificios.

• Menor exposición de operarios a condiciones de trabajo que puedan implicar algún riesgo.

• Mejores acabados, lo que repercute en una mayor durabilidad y estética.

• Baja conductividad térmica y aumento de la resistencia al flujo de calor, por tanto, mejor aislamiento térmico.

• Buenas propiedades acústicas.

• Buenas características de reacción al fuego, el mortero inhibe la propagación del calor y buen comportamiento de la cáscara con reducida contribución a la inflamabilidad.

• Adecuadas prestaciones mecánicas y de durabilidad.

• Contribución a la gestión del residuo de cáscara de arroz aplicando uno de los escalones más altos de la jerarquía de residuo como es la reutilización y evitando de esta manera su quema y la emisión de CO2 asociada.

• Contribución a la gestión de los residuos de construcción y demolición.

• Reducida huella de carbono e impacto medioambiental en la producción del aislante.

• Reducción en el consumo de áridos y explotación de canteras y el asociado impacto medioambiental.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de planos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra un detalle en perfil de un elemento prefabricado para para el revestimiento de envolventes de edificios realizado de acuerdo con el objeto de la invención.

La figura 2.- Muestra una vista en perspectiva de dos elementos prefabricados instalados sobre un muro.

La figura 3.- Muestra otro detalle en perspectiva del elemento prefabricado a nivel de una de sus extremidades superiores.

La figura 4.- Muestra un detalle en perspectiva del elemento prefabricado a nivel de uno de sus extremos inferiores.

La figura 5.- Muestra, finalmente, una vista en perfil del detalle de la figura 4.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras reseñadas, y a modo meramente ejemplario, se describe seguidamente un elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios cuyas dimensiones se fijaron bajo criterios funcionales (buen aislamiento), constructivos y estéticos. Las piezas debían tener unas dimensiones apropiadas para su manipulación por una única persona, tanto en lo que se refiere a volumen como a peso. Por otro lado, se buscaba respetar las dimensiones habituales en este tipo de elementos, así como mantener la proporción áurea. Estos módulos o paneles están obtenidos a partir de una lámina o capa de mortero (1) a la que va fijada una capa de material aislante (2), a base de cáscara de arroz aglomerada con ligante.

Para determinar los espesores se tomaron valores de referencia utilizados en los sistemas SATE. Se comprobó la transmitancia. El espesor del aislante lo fijaba el aislamiento térmico, mientras que el del mortero venía también condicionado por el peso y por motivos constructivos relacionados con la fijación. Mediante un proceso iterativo y con el objetivo de alcanzar una solución óptima densidad/conductividad/consumo de material se adoptaron las siguientes dimensiones: espesor del aislante (2) 30-50 mm y el del mortero (1) 8-10 mm.

De acuerdo con las figuras 2, 4 y 5, el elemento prefabricado se complementa con un angular (4) metálico en este ejemplo de 60 mm de lado y 2 mm de espesor que funciona como bandeja de sostenimiento del aislante, cuyo extremo libre de su rama horizontal se remata en una pletina (5) de sujeción de 15 mm de ancho y 1,5 mm de espesor que encaja en una ranura (6) prevista en el borde del revestimiento de mortero (1), garantizando el apoyo de todo el aislante y su protección, al mismo tiempo que fija la posición del elemento en su conjunto. La pletina queda embebida en el mortero, la junta se sella para evitar cualquier puente térmico.

Esta ranura (6) se dispondrá igualmente en correspondencia con el borde superior del elemento para facilitar el montaje y dar estabilidad al conjunto mediante el angular (4) inmediatamente superior.

Estos perfiles o angulares (4) incluirán unos orificios (7) que permitan su atornillado al paramento (3), tal como muestra la figura 4, facilitando así la instalación de los elementos prefabricados.

En cuanto a las composiciones de cada capa, la capa de aislante (2) se compone de cáscara de arroz aglomerada con ligante.

Por su parte la capa de mortero (1) se materializa en un mortero fabricado a partir de agua, cemento y árido, siendo el 60% árido reciclado procedente de residuo de construcción y demolición.

En cuanto al proceso de fabricación, el material aislante y la capa de mortero que componen el elemento no se adhieren con ningún material adicional, sino que la conexión entre ambas partes se produce al disponer el panel de aislante sobre la capa de mortero durante el proceso de curado, de modo que las reacciones físico-químicas que se producen en la superficie de interacción entre ambos materiales, cáscara y mortero, son suficientes para garantizar la conexión.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1§.- Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios, caracterizado por que está constituido a partir de un cuerpo a modo de panel multi-capa, con un espesor comprendido entre 30 y 50 mm, en el que participa una capa de mortero protectora (1), con un espesor comprendido entre 8 y 10mm fijada sobre una capa rígida (2) de cáscara de arroz aglomerada con ligante que funciona como aislante a la que se aplica un producto anti-hongos natural, en donde la capa de mortero (1) incluye unas ranuras (6) sobre sus bordes superior e inferior determinando medios de acoplamiento de unos angulares (4) metálicos, cuya rama vertical incluye orificios (7) de fijación a paramento de que se trate, y su rama horizontal determina una bandeja de sustentación para el panel, rama horizontal que se remata en una pletina (5) encajable en las ranuras (6) de la capa de mortero (1).

   2§.- Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios, según reivindicación 1§, caracterizado por que la cáscara de arroz se aglomera con un adhesivo ligante.

   3§.- Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios, según reivindicación 1§, caracterizado por que el mortero (1) está obtenido a partir de agua, cemento y árido reciclado en un porcentaje del 60% del total del árido.

   4§.- Procedimiento de obtención de un elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios, caracterizado por que en el mismo se establecen las siguientes fases operativas:

   a) Se parte de cáscara de arroz recibida directamente de la industria arrocera sin tratamiento previo.

   b) La cáscara se aglomera con un adhesivo en un molde mediante prensado hasta alcanzar el grosor previsto, tras lo que se desmoldea y se mantiene en condiciones controladas de temperatura y humedad hasta su total estabilización y se le aplica un producto anti-hongos.

   c) Se vierte sobre moldes una masa de mortero fabricada con áridos procedentes de residuos de construcción y demolición con un tamaño máximo de partícula de 2mm, de manera que antes de que comience el fraguado del mortero el aislante de cáscara de arroz obtenido en la etapa b) se coloca sobre el mismo, de modo que mortero y aislante se adhieran de forma natural en el proceso de fraguado del mortero sin empleo de adhesivos.