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 Revista Colombiana de Física, vol. 40, No. 2, Julio 2008

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Efecto de la Concentración de Poliestireno Expandido en laConductividad Térmica Efectiva de Bloques de Termoarcilla

G. Peña Rodríguez1, J. Sánchez Molina1 y R. Monroy1 

1Grupo de Investigación GITEC – Centro de investigación en Materiales Cerámicos CIMAC U.F.P.S. A.A. 1055

Cúcuta, Norte de Santander, Colombia

Recibido 22 de Oct. 2007; Aceptado 16 de Jun. 2008; Publicado en línea 25 de Jul. 2008

Resumen

Se determinó la conductividad térmica efectiva (k e) para bloques de termoarcilla en función de la concentración de poliesti-reno expandido presente en la mezcla. Para la fabricación de los bloques (30x19x14 cm) se usaron tres mezclas: 75% de ar-cilla - 25% de poliestireno, 80% de arcilla - 20% de poliestireno y 85% de arcilla - 15% de poliestireno. La determinacióndel parámetro termofisico se realizó usando el método de la placa caliente en régimen estacionario de temperatura en la

cámara aislante térmica. El comportamiento de éste parámetro en función de la concentración de poliestireno fue inverso,es decir a mayor concentración de poliestireno se encontró un menor valor de k e. Los resultados reportados en este trabajocumplen con lo establecido por el Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo de España, para la determinación del aisla-miento térmico de bloques de arcilla aligerada.

Palabras claves: Aislamiento térmico,  conductividad térmica efectiva, termoarcilla, cámara aislante térmica, poliestireno.

AbstractThe effective thermal conductivity (k e) of termoarcilla block was determined in function of the expanded polystyrene con-

centration present in the mixture. For the manufacture of the blocks (30x19x14 cm) three mixtures were used: 75% clay -25% polystyrene, 80% clay - 20% polystyrene and 85% clay - 15% polystyrene. The determination of the thermophysical parameter was made using the method of the hot plate in stationary regime of temperature in the thermal insulating camera.

The behavior of this parameter as a function of the polystyrene concentration was inverse, to greater polystyrene concentra-tion smaller value of k e. The results reported in this work fulfill established by the Ministry of Public Works and the Urban-ism of Spain, for the determination of heat insulation of termoarcilla blocks.

Key Words: Heat insulation, effective thermal conductivity, thermal insulating camera, polystyrene.

PACS: 07.20.-n; 44.30.+v; 44.10.+i; 65.40.-b; 91.60.Ki

© 2008 Revista Colombiana de Física. Todos los derechos reservados.

1. Introducción

El estudio de propiedades termofísicas, mecánicas y estruc-turales de materiales compuestos es un tema de gran impor-

tancia para muchas empresas industriales y de consumo.

Además, el conocimiento de la conductividad térmica efec-

tiva es un parámetro clave en el diseño y desarrollo de nue-vos materiales y recubrimientos para las industrias aeroes-

 pacial, de la construcción, automotriz y en especial para

aquellas que generan energía [1]. Según la norma UNE

136010, los bloques de termoarcilla (como se le conoce en

el mercado español), son aquellos a los cuales se les agrega

a la pasta arcillosa, materiales que desaparecen durante el

 proceso de cocción, añadiendo porosidad al producto termi-nado. El bloque cerámico de arcilla aligerada (termoarcilla),

surgió en Alemania en el año de 1966, como resultado de la

idea original de Fernbar, consistente en mezclar esferas de

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 poliestireno expandido, con la arcilla utilizada para la fabri-cación de ladrillos; de este modo, en las primeras etapas del

 proceso de cocción, desaparece el poliestireno, dejando un

conjunto de macroporos distribuidos uniformemente en la

masa cerámica del bloque. Desde los años 70, se conocen

materiales compuestos a base de alumino- silicatos (geopo-lymer materials), los cuales poseen excelentes propiedades

mecánicas, resistentes a altas temperaturas y a reacciones

químicas, los cuales han sido ampliamente usados en mu-chas aplicaciones industriales [2-5]. Es ampliamente repor-

tado que materiales como cenizas volantes, escoria de

humo, kaolines, residuos de construcción, polimeros y algu-nos minerales naturales son utilizados en la fabricación de

materials geopolymericos y de la construcción [6-11].

Por lo anterior en este trabajo se reporta por primera vez k ede bloques de arcilla aligerada con poliestireno expandidoen función de su concentración, para lo cual se utilizo el

método de conducción de calor en estado estable en paredes

 planas (placa caliente) usando la cámara aislante térmica.

2. Materiales y Métodos.

Preparación de las muestras:Para la fabricación de los bloques de termoarcilla (ver fig.

1a), se usaron arcillas illitica extraídas de la mina la Alejan-

dra (Zulia N. de S.), con densidad promedio de 1650 Kg/m3,

formadas por un 65,22 % de SiO2, 18.4 % de Al2O3, 8,78%

de Fe2O3, 0,41% de CaO, 0,39 % de MgO y un 6, 2 % deotros compuestos. El poliestireno esférico expandido (PE)

utilizado fue el tipo I (según noma UNE 92-110), con den-

sidad promedio de 9,8 Kg/m3. La fabricación de los bloques

fue por extrución (vía humeda), para éste proceso se uso la

extrusora Maquilob con capacidad de 1,5 toneladas, dondela humedad de la mezcla antes de entrar a la extrusora fue

de 6,4% y de 17,1 % a la salida de ésta. Se prepararon 10 bloques por cada mezcla, donde el porcentaje en volumen

de PE vario del 15 al 25 %, los cuales se rotularon así: M1

(100% Arcilla); M2 (85% arcilla y 15% PE); M3 (80%

Arcilla y 20% PE) y M4 (75% Arcilla y 25% PE). El proce-so de secado de los bloques fue al natural (aire libre) duran-

te 40 días y posteriormente se colocaron en el prehorno por

5 días a una temperatura aproximada de 55 ºC. Los porcen-

tajes de contracción por secado de los bloques variaron parael largo entre 1,48 y 1,82%; el ancho varió entre 7,64 y

8,39% mientras que el alto osciló entre 7,14 y 8,25%. El

 porcentaje de perdida en masa en este mismo proceso fuedel 14,08% para los bloques M1; 17,05% para M2; 17,83%

 para M3 y 17,46 % para M4. El proceso de cocción fue

realizado en horno tunel durante 56 horas, la temperatura

 promedio inicial fue de 143 ºC hasta llegar a la temperatura

máxima de 1020 ºC, desciendo hasta 108 ºC donde se en-cuentra el punto de descargue. La perdida en masa por coc-

ción fue de 7,45% para M1; 6,11% para M2; 6,25% para

M3 y 7,5% para M4.

Sistema de medición.En la fig. 1b, se presenta el diseño experimental de la cáma-

ra aislante térmica utilizada en la determinación de k e, las

dimensiones de ésta son largo 100cm, alto 34cm y 44 cm de

ancho (ver fig. 1c). La muestra se deposita en la celda (fa-

 bricada de asbesto y lana de fibra de vidrio) en el interior dela cámara entre las dos placas de aluminio que tienen conec-

tadas las termocuplas (T1) y (T2), las cuales permiten regis-

trar en el computador (PC) el gradiente de temperatura (ΔT)a través del controlador de las termocuplas. T1 mide la tem-

 peratura de la placa caliente por la resistencia y T2 la tempe-

ratura de la cámara fría. El tiempo de medida fue de 4 horastomándose registros cada mínuto, lograndose el regimen

estacionario de  ΔT  en las dos últimas horas. El cálculo de

k e, se realizó usando la siguiente ecuación [12]:

T  A

QL

ek  Δ=   (1)

Donde  L es el espesor del bloque,  A  el área de la sección

transversal,  ΔT (T1-T2) el gradiente de temperatura en esta-

do estacionario y Q es la rapidez de transferencia de calor por conducción, la cual por efecto Joule es equivalente a la

 potencia disipada por la resistencia, para lo cual se utilizó

una resistencia de NiCr(80/20), con potencia de 1000 W. Elvalor de k e hallado con la expresión (1) es para la tempera-

tura promedio T=(T1+T2)/2 [12].

(a)

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(b)Figura 1. (a) Fotografía digital del bloque de termoarcilla,(b) diseño experimental de la cámara aislante térmica y c)

imagen de la cámara aislante térmica.Tabla 1. Datos de los bloques de termoarcilla y valores calculados de k e para T= (T1+T2)/2.

Muestra Masa(Kg)

Espesor(x10-2 m) 

Área(x10-2 m2) 

 ΔT (ºC) k e (W/mºC)

 (ºC)

M1 8,71 ± 0,3 14,1 ± 0.8 5,62 ± 8 73,2 ±2.2 0,284 ±0,014 65,3 ± 0.9M2 8,45 ± 0,5 13,9 ± 0.6 5,62 ± 9 73,8±2.5 0,280 ±0,012 65,5 ± 1.0M3 8,25 ± 0,3 13,9 ± 1.2 5,63 ± 9 76,2±2.4 0,270 ±0,012 65,7 ± 1.1M4 8,00 ± 0,4 13,9 ± 0.5 5,53 ± 8 77,3±2.9 0,267 ±0,013 65,6 ± 1.2

3. Resultados y Discusión.

En la tabla1, se presentan los datos promedios de la masa,

espesor, área, gradiente de temperatura, k e  y temperatura

 promedio de las muestra. De éstos, se aprecia que tanto la

masa como k e  y  ΔT  disminuyen al aumentar la concentra-ción de PE, que las dimensiones de los bloques son prácti-

camente constantes y que la temperatura promedio a la cual

se reporta k e es la misma.

Según el Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo de

España, el valor máximo exigido de k e para las unidadesde mampostería de arcilla aligerada que se utilicen en la

construcción de viviendas es 0.29 W/m ºC, si comparamos

los valores reportados en este trabajo con el valor anterior,

se aprecia que cumplen con lo establecido por esta entidad.Adicionalmente el valor de k e hallado es menor que el valor

reportado en la literatura para el ladrillo común (k e=0.72

W/mºC)[13], como era de esperarse, ya que éste es macizoy no tiene la prescencia de los canales de aire como los

tienen los bloque fabricados en este trabajo (ver fig. 1a).

4. Conclusiones

Se fabricaron bloques de arcilla aligerada (30x19x14cm),

utilizando mezclas de arcilla y concentraciones en volumen

del 15, 20 y 25% de PE. Se determinó experimental el valor

de k e (ver tabla 1) para estas muestras, encontrándose que k e disminuía al aumentar la concentración de PE y que éstos

valores cumplen con lo exigido por Ministerio de ObrasPúblicas y Urbanismo de España, para ser utilizados en la

construcción de viviendas que garanticen un buen aisla-miento térmico. Se encontró que la muestra M4 (75% Arci-

lla – 25 % PE) tiene un valor de k e 6% menor que el bloque

realizado con 100 % arcilla (M1) y un 63% menor que elvalor de k e para el ladrillo común, lo que permite inferir que

los bloques fabricados en este trabajo garantizan un mejor

aislamiento térmico, lo cual permitirá un ahorro energético

en las construcciones fabricadas con estos bloques queempleen sistemas de calefacción o aires acondicionados.

5. Agradecimientos.

Agradecemos al FINU - U.F.P.S, por su apoyo económico para el proyecto, al CIMAC-U.F.P.S por el préstamo de sus instalaciones

y equipos, a Cerámica Andina S. A. por su colaboración en lafabricación de las muestras y al Ing. Sergio Mora por su aporte enla preparación y medida de las muestras. 

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