Desarrollo de materiales absorbentes acústicos a partir de...

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

2

INDICE


3

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 19

1.1.3.1 Absorción acústica 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 33

1.3.4.3. Otros procedimientos 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:


4

índices Ln,w y ∆Lw 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


5

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




5.2.2 Propiedades acústicas 116


5.2.2.2 Índice de evaluación de la absorción

acústica y coeficiente de reducción de ruido 117


6

5.3 RATIO MEZCLA/BIOMASA 119







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


5.4.1.2 Índice de evaluación de absorción acústica y

coeficiente de reducción de ruido 129

5.5 COMPARACIÓN CON DISTINTAS RESINAS 131


5.5.1.1 Densidad aparente y resistencia a compresión 132





5.6 DESARROLLO DE UN MATERIAL ACÚSTICO ABSORBENTE

A BASE DE VERMICULITA 136







5.6.2.2 Índice de evaluación de absorción acústica


7


5.7 COMPARACIÓN DE PROPIEDADES ACÚSTICAS CON

MATERIALES COMERCIALES 143

5.7.1 Propiedades acústicas de los diferentes materiales 143




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 5.5. 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


8

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



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


9

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


de mezcla/biomasa 120


de mezcla/biomasa 121



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 5.13. Coste por 1Kg de las tres resinas estudiadas 136

Figura 5.14. Probetas con vermiculita de distintos ratios m/v 137


de mezcla/vermiculita 138


de mezcla/vermiculita 139




10

1. INTRODUCCIÓN


11

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


12

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


13

contaminante, teniendo importante efectos nocivos sobre 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.


14

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


15

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.


16

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)


17

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).


18

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.


19

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


20

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


21

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.


22

1.2 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].


23

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,


24

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.


25

C. 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


26

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.


27

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


28

- 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.


29

A. 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.


30

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


31

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.


32

- 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


Mediciones en laboratorio del aislamiento acústico de suelos al ruido de

impactos.


33



Mediciones en laboratorio de la reducción del ruido de impacto transmitido a

través de revestimientos de suelos sobre forjado normalizado pesado.



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.



Medición in situ del aislamiento acústico a ruido aéreo entre locales.



Medición in situ del aislamiento acústico a ruido aéreo de elementos de

fachadas y fachadas.



Medición in situ del aislamiento acústico de suelos al ruido de impactos.


34

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):


35

a. 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.


36

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


37

acompañado normalmente por dos 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


38

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


39

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


40

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


41

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.


42

- 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.


43

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,


44

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


45

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


46

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


47

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 de piedras naturales, naturales, compuesto

piedras piedras naturales trituradas, de granulometría 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 termo-

endurecible, 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.


48

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,


49

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.


50

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


51

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.


52

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].


53

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


54

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:


55

- 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


56

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).


57

La resistencia específica al flujo puede 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:


58

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.


59

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.


60

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.


61

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.


62

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:


63

Siendo T la tortuosidad microscópica del material, 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 Zwikker-

Kosten, e introduciendo la simplificación de Johnson.

Donde


64

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.


65

2. ANTECEDENTES


66

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


67

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.


68

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.


69

Las principales cantidades recolectadas en España (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

MURCIA+ALBACETE 2.700 26,63

NAVARRA 10.970 -38,93

C.VALENCIANA 120.000 2,56

TOTAL 869.614

-4,2

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)


70

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 físico-

mecánicas, como se verá en el capítulo 4 de Materiales y Métodos.


71

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,


72

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


73

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


74

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


75

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


76

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


77

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 (100-

400 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


78

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


79

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


80

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.


81

E

3. OBJETO Y ALCANCE


82

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.


83

4. MATERIALES Y MÉTODOS


84

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.


85

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.


86

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-epoxi-

propano) 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.


87

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.


88

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.


89

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.


90

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.


91

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).


92

· 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


93

- 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)


94

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.


95

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.


96

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.


97

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).

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.

1. Micrófono A 2. Micrófono B 3. Muestra de ensayo


98

, 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


99

ecuaciones (4.5), teniendo en cuenta que $ $R Ip rp= (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


100

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


101

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.


102

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 4 a 7

A3 8 a 11

A4 >11

Tabla 4.4 Comportamiento de absorción


103

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


104

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:


105

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 resistencia-

compresión 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.


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.


106

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.


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









107

• 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.


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


108

progresivamente el contenido de vermiculita, y disminuyendo el de resina. El

procedimiento es igual al que se ha realizado con las cascarillas de arroz.


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 han estudiado diversos materiales comerciales, empleados

actualmente como absorbentes acústicos, con objeto de determinar

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).


MUESTRA Nº 1: Espuma de poliuretano de 4 cm de espesor.


109

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.


110

5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN


111

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:


112

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


113

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.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

rc 4,2 rc 5 rc 6,7

Po

rosi

dad

ab

iert

a (%

)

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


114

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


115

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 resistencia-

compresión 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.


116

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


117

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.


118

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.


119

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


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.


120

5.3.1.1. Porosidad abierta


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.

28

2930

31

32

3334

35

3637

38

mb 1,5 mb 2,8 mb 4

Por

osi

dad

ab

iert

a (%

)


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.


121

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.

0

100

200

300

400

500

600

mb 1,5 mb 2,8 mb 4

Den

sid

ad (

Kg

/m3)


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.


En la Tabla 5.5. se representan densidad y valores de resistencia-



122


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:


123


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.


124

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.


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.


125

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.


126

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.


127

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..


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


128

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.


129

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.


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.).


130

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

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.


131

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.


132

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



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


133

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:


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.


134

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.


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


135

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.


136

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

R.Epoxi R.Ceys R. Poliester

Co

ste

Kg

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



137

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


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.


138

0

5

10

15

20

25

30

35

mv 1 mv 2 mv 3,6

Po

rosi

dad

ab

iert

a (%

)


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.


139

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

mv 1 mv 2 mv 3,6

Den

sid

ad (

Kg

/m3)


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.





mv1 0,46

mv2 1,2

mv3,6 3,21


composiciones mezcla/vermiculita.


140

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.


141


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.


142


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:

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

NRC DLα

mv1 0,44 3,48

mv2 0,43 3,42

mv3,6 0,37 2,59


143

acústicas 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.



144

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.


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:


145

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

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


146

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.


147

6. CONCLUSIONES


148

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. Estos resultados han conducido a elegir una

composición de mb2,8, que alcanza una adecuadas 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.


149

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.


150

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laboratorio de los elementos de construcción.

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edificios y de los elementos de construcción. Parte 6. Mediciones en

laboratorio del aislamiento acústico de suelos al ruido de impactos.



laboratorio de la reducción del ruido de impacto transmitido a través de

revestimientos de suelos sobre forjado normalizado pesado.



laboratorio a ruido aéreo y al ruido de impactos entre locales con suelo

registrable.


153


edificios y de los elementos de construcción. Parte 4. Medición in situ del

aislamiento acústico a ruido aéreo entre locales.



aislamiento acústico a ruido aéreo de elementos de fachadas y fachadas.



aislamiento acústico de suelos al ruido de impactos.

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