ES3056746T3 - Prefabricated element for covering building envelopes and procedure for obtaining it - Google Patents

Abstract

La invención consiste en un elemento prefabricado tipo panel de revestimiento formado por cascarilla de arroz como material aislante (2) y capa de refuerzo-acabado de mortero (1) de árido integral reciclado, funcionando el conjunto como revestimiento de una envolvente de edificación, y complementándose con angulares metálicos (4) que facilitan su instalación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios y método de obtención del mismo.

[0005] SECTOR DE LA TÉCNICA

[0007] 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 superficie.

[0009] El objeto principal de la presente invención se refiere a 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 perfiles que sirve de fijación del elemento.

[0011] La invención se refiere igualmente al método de obtención del elemento de revestimiento.

[0013] ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0015] En general muchas de los edificios construidos 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 conduce a un aumento del consumo energético debido al 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 generados a través de la envolvente del edificio. Estos sistemas pueden incorporarse en el diseño de nuevos edificios o bien en edificios ya existentes.

[0017] 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 exterior compuesto por un panel fabricado de un material aislante adherido a un muro mediante adhesivo y fijación mecánica. El material aislante se reviste exteriormente mediante la aplicación de una capa base de refuerzo que homogeniza tensiones y una capa exterior impermeable que protege frente a agentes externos.

[0019] De forma general los materiales aislantes más utilizados emplean materiales poliméricos de procedencia petroquímica con baja conductividad térmica, pero con elevada huella de carbono en comparación con otros materiales naturales, y que, en su reacción frente a fuego, frecuentemente y sin la adecuada barrera térmica, presentan un alto grado de inflamabilidad y facilidad para la propagación del fuego.

[0021] Alternativamente a los productos petroquímicos se han desarrollado materiales 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 un uso alternativo. 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.

[0023] 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 de toneladas anuales (Burattiet al., 2018). La paja de arroz es un material que no se utiliza de manera suficiente, se elimina o destina a fines agrícolas, tiene propiedades aislantes, pero la rigidez de sus fibras conduce a un uso a granel rellenando tabiques muy gruesos y de difícil manejo, o bien requiere procesamiento. Sin embargo, la cáscara de arroz es una fibra con un menor tamaño lo que permite su uso directo para la composición de paneles aislantes, especialmente paneles prefabricados. La cáscara de arroz es el envoltorio del grano y sus componentes principales son 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 sector avícola, el sector 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 (Césaret al., 2017), no obstante, en la mayoría de los casos la cáscara de arroz se utiliza en aplicaciones de bajo valor, por eso, con esta invención y apoyándose en estudios realizados hasta el momento (Burattiet al., 2018), se propone como material aislante del sistema de revestimiento.

[0025] En lo que respecta al uso de la cáscara de arroz para la fabricación de tableros compuestos, se utiliza en combinación con otro tipo de partículas, corcho y granulado de caucho reciclado, mezclado con TDI poliuretano (diisocianato de tolueno) (Antónioet 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) (Keskinet al., 2015).

[0027] 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/m<3>), tenacidad y resistencia a la intemperie, siendo objeto de investigación como elemento aislante debido a sus propiedades físicas y mecánicas (Burattiet al., 2018) (Muthurajet al., 2019) (Choiet al., 2006) y su carácter ignífugo (Keskinet 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, pero las ventajas observadas impulsan a continuar y profundizar en su estudio y aplicación. En este sentido cabe destacar la investigación de (Burattiet al., 2018) sobre material aislante basado en cáscara de arroz aglomerada con un pegamento de poliuretano en disolución acuosa al 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 CO<2>eq) y coste energético (MJ) de diferentes materiales 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.

[0029] 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. Las patentes GB 2234276 A y CN 108640 618 A dan a conocer además elementos de revestimiento prefabricados que comprenden cáscara de arroz y métodos correspondientes de fabricación.

[0031] 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.

[0033] En la invención reivindicada en el presente documento el material aislante de cáscara de arroz representa únicamente una parte del sistema de revestimiento.

[0035] Los sistemas de revestimiento aislante más extendidos están diseñados en su mayoría para la ejecuciónin 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 instalaciónin situconlleva las siguientes operaciones: en primer lugar el material aislante se fija a la superficie 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 incorporada 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.

[0037] La prefabricación reduce los tiempos de instalación y aumenta la calidad. Un ejemplo de sistema de revestimiento prefabricado es el desarrollo llevado a cabo en el proyecto europeo INNOWEE finalizado en 2020, que se refiere a un módulo prefabricado con material aislante de poliestireno expandido EPS y mortero de geopolímero de alta densidad con árido reciclado, lo que mejoraba su sostenibilidad medioambiental. El conjunto se instala utilizando un adhesivo y espigas. Su novedad radica en el uso de áridos reciclados y la prefabricación del módulo acabado, no siendo necesaria la ejecuciónin situde la capa base armadura y de las capas de acabado. El inconveniente del sistema es la huella de carbono del aislamiento de EPS y el uso de adhesivos durante la instalación.

[0039] DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

[0041] 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 la superficie del edificio, con un sistema mecanizado de fijación en el que se incorpora el elemento prefabricado para su colocación en el interior o exterior de la envolvente.

[0043] La materia prima utilizada para el material 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.

[0045] 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 una presión de 250 kg/m<2>y temperatura de 80ºC durante 60 minutos para un grosor de 50 mm, utilizando adhesivo de poliuretano. La pieza se retira del molde a las 4 horas y se mantiene en una cámara a una temperatura de 23 ºC y una humedad relativa del 50 % hasta estabilización. La densidad estudiada para la aplicación de objeto es de 290 kg/m<3>.

[0047] 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 una densidad de 290 kg/m<3>el valor de conductividad es 0,055 W/mK y la resistencia térmica es de 0,909 m<2>K/W.

[0049] Otro aspecto importante del panel de cáscara de arroz es su estabilidad dimensional, la variación de las mediciones de las tres dimensiones (l longitud, b ancho, d grosor) de acuerdo con la norma UNE-EN 1604 es Δε<l>= Δε<b>= 0,15 % y Δε<d>= 0,8 %, valores en el intervalo de medición indicado en la norma (Δε<l>, Δε<b>y Δε<d>entre -1 % y 2,1 %).

[0051] 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 hongos en su totalidad.

[0053] 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 grosor con una hendidura de 2 mm, y 3 mm de pared por cada lado, lo cual requiere de áridos que tengan 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 masas reflejan una resistencia media de 24 MPa a los 7 días y de 30 MPa a 28 días.

[0055] El mortero debe tener una consistencia muy fluida de modo que la hendidura se rellene sin la aparición de cavidades.

[0057] El mortero se vierte sobre moldes que hacen la función de encofrado, antes de que comience el fraguado del mortero el material 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 material 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.

[0059] El elemento 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 los bordes superior e inferior de la capa de mortero.

[0061] La conductividad del conjunto de mortero-cáscara de arroz es de 0,08 W/mK y la resistencia térmica media es de 0,7335 m<2>K/W.

[0063] El estudio de la respuesta del conjunto frente al fuego mediante el ensayo SBI (un único objeto ardiendo, norma 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.

[0065] 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.

[0067] A partir de esta estructuración, se derivan las siguientes ventajas:

[0069] • La prefabricación del sistema de revestimiento (aislamiento capa de refuerzoacabado) 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.

[0071] • Menor exposición de operarios a condiciones de trabajo que puedan implicar algún riesgo.

[0073] • Mejores acabados, lo que repercute en una mayor durabilidad y estética.

[0075] • Baja conductividad térmica y aumento de la resistencia al flujo de calor, por tanto, mejor aislamiento térmico.

[0077] • Buenas propiedades acústicas.

[0079] • Buenas características de reacción al fuego, el mortero inhibe la propagación del calor y buen comportamiento de la cáscara con contribución reducida a la inflamabilidad.

[0080] • Adecuadas prestaciones mecánicas y de durabilidad.

[0082] • 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 la quema de cáscara de arroz y la emisión de CO<2>asociada.

[0084] • Contribución a la gestión de los residuos de construcción y demolición.

[0086] • Reducida huella de carbono e impacto medioambiental en la producción del material aislante.

[0088] • Reducción en el consumo de áridos y explotación de canteras y el impacto medioambiental asociado.

[0090] DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0092] 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 una realización práctica preferente del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde de manera ilustrativa y no limitativa, se ha representado lo siguiente:

[0094] La figura 1.- Muestra una vista en perfil de un detalle de un elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios realizado de acuerdo con el objeto de la invención.

[0096] La figura 2.- Muestra una vista en perspectiva de dos elementos prefabricados instalados sobre un muro.

[0098] La figura 3.- Muestra una vista en perspectiva de otro detalle del elemento prefabricado a nivel de uno de sus extremos superiores.

[0100] La figura 4.- Muestra una vista en perspectiva de un detalle del elemento prefabricado a nivel de uno de sus extremos inferiores.

[0101] La figura 5.- Muestra, finalmente, una vista en perfil del detalle de la figura 4.

[0103] REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

[0105] A la vista de las figuras reseñadas, y a modo meramente de ejemplo, 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 se fija una capa de material aislante (2), a base de cáscara de arroz aglomerada con aglutinante.

[0107] Para determinar los grosores se tomaron valores de referencia utilizados en los sistemas SATE. Se comprobó la transmitancia. El grosor del material aislante lo fijaba el aislamiento térmico, mientras que el grosor 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 con densidad/conductividad/consumo de material óptimos se adoptaron las siguientes dimensiones: grosor del material aislante (2) 30-50 mm y grosor del mortero (1) 8-10 mm.

[0109] De acuerdo con las figuras 2, 4 y 5, el elemento prefabricado se complementa con un angular metálico (4) en este ejemplo de 60 mm de lado y 2 mm de grosor que funciona como bandeja de sostenimiento del aislante, cuyo extremo libre de su rama horizontal se remata en una pletina de sujeción (5) de 15 mm de ancho y 1,5 mm de grosor que encaja en una ranura (6) prevista en el borde del revestimiento de mortero (1), garantizando el apoyo de todo el material aislante y su protección, al mismo tiempo que fija la posición del elemento en su conjunto. La pletina queda incorporada en el mortero, la junta se sella para evitar cualquier puente térmico.

[0111] 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.

[0113] Estos perfiles o angulares (4) incluirán unos orificios (7) que permitan su atornillado a la superficie (3), tal como muestra la figura 4, facilitando así la instalación de los elementos prefabricados.

[0115] En cuanto a las composiciones de cada capa, la capa de material aislante (2) se compone de cáscara de arroz aglomerada con aglutinante.

[0117] 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.

[0119] En cuanto al proceso de fabricación, el material aislante y la capa de mortero que componen el elemento no se adhieren entre sí con ningún material adicional, sino que la conexión entre ambas partes se produce al disponer el panel de material 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, la cáscara y el mortero, son suficientes para garantizar la conexión.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

1ª.- Método de obtención de un elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios, caracterizado por que se establecen las siguientes fases operativas en el método:

a) el método 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, después de lo cual se retira del molde y se mantiene en condiciones controladas de temperatura y humedad hasta su total estabilización y se le aplica un producto antifúngico;

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

2ª.- Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios obtenido a partir del método según la reivindicación 1ª, caracterizado por que está constituido a partir de un cuerpo de tipo panel multicapa que tiene en el mismo una capa de mortero (1) en la que se fija una capa de material aislante (2) a base de cáscara de arroz aglomerada con aglutinante.

3ª.- Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios, según la reivindicación 2ª, caracterizado por que la capa de mortero (1) incluye unas ranuras (6) sobre sus bordes superior e inferior determinando medios de acoplamiento de unos angulares metálicos (4), cuya rama vertical incluye orificios (7) de fijación a la superficie correspondiente, y cuya rama horizontal determina una bandeja de sustentación para el panel, rama horizontal que se remata en una pletina (5) que puede encajarse en las ranuras (6) de la capa de mortero (1).

4ª.- Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios, según la reivindicación 2ª, caracterizado por que la cáscara de arroz se aglomera con un adhesivo aglutinante a menos del 20 % del peso de la masa del material aislante (2).

5ª.- Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios, según las reivindicaciones 2ª y 4ª, caracterizado por que en la capa de material aislante (2), cáscara de arroz aglomerada con aglutinante, se aplica un producto antifúngico natural.

6ª.- Elemento prefabricado para el revestimiento de envolventes de edificios, según la reivindicación 2ª, 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.