Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de r

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
2013
INDICE
2
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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:
3
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
índices Ln,w y ∆Lw
ETSI
2013
40
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
4
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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
5
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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
6
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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
7
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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
8
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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
10
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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
11
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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
12
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contaminante,
teniendo
importante
efectos
nocivos
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sobre
2013
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.
13
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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
14
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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.
15
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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)
16
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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).
17
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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.
18
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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
19
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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
20
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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.
21
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
1.2
ETSI
2013
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].
22
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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,
23
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
24
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
C.
ETSI
2013
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
25
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
26
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
27
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
-
ETSI
2013
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.
28
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
A.
ETSI
2013
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.
29
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
30
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
31
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
- 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.
32
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
33
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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):
34
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
a.
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
36
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
acompañado normalmente por dos
ETSI
2013
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
37
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
38
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
39
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
40
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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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,
43
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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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
44
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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
45
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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
46
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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.
47
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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,
48
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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.
49
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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
50
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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.
51
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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].
52
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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
53
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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:
54
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
-
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2013
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
55
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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).
56
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
La
resistencia
específica
al
flujo
puede
ETSI
2013
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:
57
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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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.
58
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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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.
59
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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.
60
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
61
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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:
62
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
Siendo
T
la
tortuosidad
microscópica
del
ETSI
material,
2013
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
63
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
64
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
2. ANTECEDENTES
65
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
66
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
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.
67
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)
69
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.
70
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,
71
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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
72
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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
73
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
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
74
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
75
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
76
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
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
77
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
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
78
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
79
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
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.
82
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2013
4. MATERIALES Y MÉTODOS
83
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2013
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.
84
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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.
85
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2013
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.
86
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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.
87
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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.
88
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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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
92
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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)
93
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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.
94
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
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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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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.
96
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
, 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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
99
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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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
<4
A2
4a7
A3
8 a 11
A4
>11
Tabla 4.4 Comportamiento de absorción
102
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2013
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
103
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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:
104
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
•
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
108
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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.
109
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
110
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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:
111
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
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:
121
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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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
132
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
133
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
134
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
137
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
138
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
139
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
140
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
141
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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 (DLa<4)
de acuerdo con la norma UNE-EN 1793-1.
Como era de esperar estos índices son más favorables en el caso de
mv1, al tener mayor valor de porosidad abierta, menor densidad y presentar
más debilidad física. Estos resultados son similares a los obtenidos en los
ensayos con la cascarilla de arroz, algo razonable teniendo en cuenta que las
características de estas son biomasa son similares, poca densidad, capaces de
formar estructuras porosas, etc. Pero la vermiculita, al tener una forma más
regular que la cascarilla de arroz forma huecos más uniforme cuando se
adhieren, es decir, que el cuerpo de la probeta presenta una porosidad más
regular. Sin embargo las cascarillas al ser fijadas con las resinas, mantienen
posturas irregulares dando lugar a poros de distinto tamaño a lo largo de la
probeta, y la densidad también varía. Por ello, en los ensayos de propiedades
142
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
acústicas
ETSI
2013
mecánicas, la adición de catalizador (apartado 5.2.) no es
condicionante
importante
en
los
resultados
de
propiedades
acústicas
y
mecánicas.
5.7.- COMPARACIÓN DE PROPIEDADES ACÚSTICAS CON MATERIALES
COMERCIALES
Se han estudiado las propiedades acústicas de los materiales comerciales más
utilizados en construcción con el creado en este experimento, para así
compararlos y ver si el nuevo material creado podría cumplir las expectativas
comerciales.
5.7.1.- PROPIEDADES ACÚSTICAS DE LOS DIFERENTES MATERIALES
5.7.1.1.- Coeficiente de absorción acústica
Se comparan los resultados proporcionados por el equipo de laboratorio
de los materiales comerciales (Figura 5.18.) con el ratio óptimo mb2,8; sin
incluir los valores facilitados por el fabricante, sólo los obtenidos mediante
ensayos.
Figura 5.18. Curvas de los coeficientes de absorción acústica
143
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
Como se puede observar en la Figura 5.18., los tres materiales
comerciales presentan una misma trayectoria línea marcada por sus coeficientes
de absorción acústica. Experimentan una subida similar hasta la frecuencia de
800Hz, hasta los 1.500 la fibra de vidrio junto con la lana de roca. Sin embargo,
la espuma de poliuretano disminuye su % de subida conforme aumenta la
frecuencia, y presenta algunos altibajos en el rango de 10-400Hz.
Si se observa la curva delimitada por los coeficientes de absorción de la
composición óptima creada (Figura 5.18), se puede ver cómo es, de los cuatro
materiales analizados, el que alcanza mayor valor del coeficiente de absorción a
más baja frecuencia. Esto es debido a que presenta una mayor porosidad y la
onda sonora se ve obstaculizada en los poros que se encuentra a lo largo de los
4 cm de probeta; el resultado es una mayor absorción acústica.
Sin embargo, la curva oscila y vuelve a llegar a 0,4 para una frecuencia
de 200Hz, volviendo a subir a casi la unidad, para volver a bajar. Quiere decir
que la absorción de este material es menos constante y regular que la de los
materiales comerciales.
Aparentemente, la porosidad de la composición óptima es mayor que la
de los materiales comerciales, ya que el acabado es una matriz de poros vacíos
creados por la adherencia de las cascarrillas de arroz con la resina. Decir
también, que es un producto más pesado que los comerciales y la densidad
también es mayor, sin embargo es menos flexible y resistente mecánicamente a
los cambios e impactos, ya que la probeta es dura y compacta, al contrario que
los materiales comerciales analizados.
5.7.1.2.- Índice de evaluación de la absorción acústica y coeficiente de
reducción de ruido
A continuación se muestra la Tabla 5.14. 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 materiales absorbentes
comerciales estudiados:
144
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
NRC
DLα
Espuma poliuretano
0,62
4,29
Lana de roca
0,59
5,02
Fibra de vidrio
0,58
4,96
Óptimo mb2,8
0,48
4,23
mv2
0,43
2013
3,42
Tabla 5.14. Valores de NRC y DLα de los distintos materiales comerciales.
Se observa que la espuma de poliuretano presenta un mejor coeficiente
de reducción de ruido, y que es la lana de roca la que alcanza un valor más
elevado dentro del índice de evaluación de absorción acústica. Si bien, los cuatro
materiales analizados en este apartado quedan englobados, según su DLa,
dentro de la categoría A2 (DLa>4) 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
145
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
146
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
6. CONCLUSIONES
147
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
148
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
ETSI
2013
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.
149
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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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) : 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: 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.
UNE EN ISO 140-8:1998: 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: 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.
152
Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de residuos agrícolas
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2013
UNE EN ISO 140-4:1999: 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: 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: 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.
UNE EN ISO 717-1:1997: 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: Evaluación del Aislamiento Acústico en los
edificios y de los elementos de construcción. Parte 2. Aislamiento al ruido de
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