2. INTRODUCCIN

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2.1 GEOPOLIMERIZACIN En los ltimos aos se ha producido un espectacular avance en el desarrollo de

unos nuevos materiales llamados geopolmeros. En la dcada de los ochenta, el profesor Joseph Davidovits, acu el trmino geopolmero para designar a polmeros inorgnicos de aluminosilicatos. Los geopolmeros se producen como consecuencia de la reaccin qumica entre un aluminosilicato slido y una solucin acuosa de silicatos o hidrxidos alcalinos, a temperatura ambiente o a temperatura ligeramente superior, para dar un nuevo aluminosilicato alcalino sinttico (Davidovits, 1991). El diseo de estos materiales as como el estudio de las reacciones que estn involucradas en su formacin han abierto un nuevo campo de investigacin, ya que los geopolmeros pueden proporcionar comportamientos comparables a los de otros materiales cementicios en muchos campos de aplicacin, con la ventaja aadida de tener una menos contribucin a las emisiones de CO2. Los geopolmeros poseen una amplia variedad de propiedades y caractersticas como son su alta resistencia mecnica, resistencia al fuego, resistencia a los cidos, baja conductividad trmica y rpidos tiempos de fraguado, dependiendo de las materias primas utilizadas, las combinaciones de las mismas y las condiciones de fabricacin. Aunque no todos los geopolmeros poseen todas las propiedades citadas, el conocimiento alcanzado permite definir unas formulaciones en las condiciones adecuadas para obtener las propiedades idneas para una aplicacin especfica (Duxson et al., 2007-3).

Como se ha comentado previamente, el trmino geopolmero se utiliza para designar a aluminosilicatos sintetizados mediante las reacciones de geopolimerizacin, pero tambin se utilizan otros trminos tales como hormigones polimricos inorgnicos (Sofi et al., 1999-2). A pesar de esta variedad de nombres, todos describen a materiales sintetizados a partir de un mismo tipo de reacciones qumicas de disolucin y precipitacin en un medio acuoso alcalino. En algunos casos la diferencia entre unos nombres y otros es consecuencia de las distintas propiedades y caractersticas de los aluminosilicatos utilizados como precursores y a la presencia o ausencia de silicatos solubles y/o hidrxidos alcalinos (Duxson et al., 2007-3).

2.1.1 Mecanismo de la geopolimerizacin

El proceso de geopolimerizacin surge al poner en contacto un material slido de naturaleza silico-aluminosa con una solucin activadora alcalina, lo cual produce la formacin en solucin de una estructura de cadenas polimricas. Estas cadenas son el resultado de la policondensacin de iones silicato y aluminato que acaban produciendo una red compuesta de unidades de sialato. En la Figura 2.1 se muestra una imagen de una porcin de una red que incluye grupos sialato (Davidovits, 1999).

La estructura molecular de los geopolmeros ha sido estudiada mediante tcnicas de espectroscopa de resonancia magntica nuclear (27Al y 29Si), segn las cuales aparece como una matriz formada por tetraedros de almina y slice unidos por oxgenos comunes. Esta matriz de aluminosilicatos ha sido bautizada por Davidovits como una red de polisialato (Davidovits, 1993). Este trmino es una abreviatura de polisilicoaluminato o (-Si-O-Al-O-)n, siendo n el grado de polimerizacin. Dentro de las cavidades de la red, iones positivos tales como Na+, Li+, Ca2+, Ba2+, H3O+ o NH4+ se asocian con el aluminio,

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ya que los grupos AlO4 tienen una carga negativa debido al estado de oxidacin tres del aluminio en el tetraedro (nmero de coordinacin 4) (Duxson et al., 2007-1).

Figura 2.1 Red de grupos sialatos

Segn Davidovits la frmula de los geopolmeros es la siguiente: Mn [-(SiO2) z-AlO2]nwH2O. En dicha frmula M es cualquiera de los cationes mencionados previamente, n es el grado de polimerizacin, z, que puede ser 1, 2 3, determina el tipo de geopolmero resultante, lo cual significa, que si z = 1 la red ser del tipo polisialato, si z = 2, la red ser poli (sialato-siloxo) y si z = 3, la red ser poli (sialato-disiloxo), y w es el nmero de molculas de agua asociadas.

En relacin al mecanismo de las reacciones de polimerizacin, ste todava no ha sido determinado completamente, aunque se acepta de forma general que la sntesis se lleva a cabo por medio de la polimerizacin de especies que contienen almina y silicato monmeros, originadas tras la disolucin parcial de las materias primas en un medio fuertemente alcalino, seguido de la formacin de una red macromolecular tridimensional a partir de las estructuras unitarias (Xu et al., 2000). Glukhovsky (Glukhovsky, 1959), unos de los pioneros en el campo de lo que l denomin Soil cements, propuso un modelo general para el mecanismo de activacin alcalina de materiales que contienen almina y slice, en tres etapas: una primera de destruccin y coagulacin, una segunda que abarca la condensacin de las especies y por ltimo la cristalizacin. Ms recientemente se ha utilizado este modelo para explicar el proceso de geopolimerizacin mediante otros mecanismos. La mayora de ellos abarca los siguientes pasos principales (Duxson et al., 2007-3):

La primera parte del proceso consiste en la disolucin de la parte amorfa (Fernndez-Jimnez et al., 2005-3) del aluminosilicato slido, promovida por una solucin activadora alcalina, consumiendo agua y formando a su vez las especies aluminato y silicato (monmeros), gracias a la accin de los iones hidroxilo. La disolucin tiene lugar en la superficie de las partculas del slido y ste puede quedar total o casi completamente consumido, pudiendo quedar partculas sin reaccionar.

Una vez que los monmeros estn en solucin acuosa (que puede contener tambin silicatos procedente de la solucin activadora), se forma una

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mezcla compleja de aluminatos, silicatos y aluminosilicatos en equilibrio, originndose los primeros oligmeros de aluminosilicatos.

Cuando la solucin est muy concentrada se forma un gel desordenado a partir de la condensacin de grandes grupos de oligmeros. Durante este paso se libera el agua consumida durante la disolucin. El gel es una mezcla bifsica de agua y aluminosilicato que ocupa el espacio entre las distintas partculas sin reaccionar.

Tras la formacin del gel, llamado gel geopolimrico, el sistema se reorganiza y reestructura, y se produce un aumento de las conexiones entre las cadenas, apareciendo una estructura tridimensional de aluminosilicato alcalino.

El ltimo paso es la polimerizacin y posterior endurecimiento de todo el sistema en una estructura inorgnica polimrica.

En definitiva, se puede concluir que el proceso de geopolimerizacin conlleva la disolucin, migracin y polimerizacin de especies precursoras de aluminio y silicio, as como una reaccin superficial.

En otro orden de cosas, Davidovits ha propuesto unas reglas para la formulacin de los geopolmeros, que se detallan a continuacin (Davidovits, 1982):

La relacin molar SiO2:M2O en soluciones acuosas de silicatos solubles ha de estar comprendida entre 4:1 y 6,6:1, donde M es un catin metlico alcalino.

El aluminosilicato de partida ha de contener aluminio que sea fcilmente soluble.

La relacin molar Al2O3:SiO2 ha de estar comprendida entre 1:5,5 y 1:6,5.

Algunos investigadores han demostrado que estas relaciones son muy restrictivas (Spence y Shi, 2005), ya que, en la prctica se pueden preparar geopolmeros con un rango en la relacin Si/Al entre 0,5 y 300 (Fletcher et al., 2005). Sin embargo, si esta relacin es menor que 1 o mayor que 5, los geopolmeros obtenidos no tienen las caractersticas mecnicas deseadas. En realidad, estas relaciones slo son orientativas, ya que estn basadas en anlisis qumicos y es sumamente improbable que todo el silicio y aluminio de los materiales originales participen realmente en la reaccin de sntesis. Las relaciones anteriores tambin parecen ejercer una influencia importante en la formacin de las distintas estructuras geopolimricas, aunque esto no ha sido probado completamente y probablemente es menos vlido en el caso de los geopolmeros sintetizados a partir de materiales residuales, principalmente porque la disolucin de los mismos es menos completa (Van Jaarsveld et al., 1997).

En la preparacin de geopolmeros, la slo presencia de un silicato soluble en el medio no resulta suficiente para crear un material endurecido. Se necesita una fuente de aluminio soluble para que se produzca el endurecimiento del material, aunque el mecanismo de actuacin de este aluminio an no est del todo bien definido. Lo que si

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parece claro es que la cantidad de almina disponible es un parmetro crtico en la sntesis. En un estudio de Fernndez-Jimnez (Fernndez-Jimnez et al., 2006) sobre la influencia de la almina en la activacin alcalina de cenizas volantes, se comprob que los productos geopolimricos con mayores grados de reaccin y resistencias mecnicas fueron aquellos preparados con cenizas volantes que tenan un mayor contenido de slice y almina reactivas y una relacin molar Si/Al reactivos menor de 2. Tambin se pudo concluir que la resistencia mecnica de los productos aument como consecuencia de la formacin de un gel rico en silicio en una segunda etapa. Esto concuerda con los resultados de otros autores (Oelkers et al, 1994) que han demostrado que el aluminio se disuelve ms rpido en las primeras etapas del proceso de disolucin alcalina de aluminosilicatos.

2.1.2 Propiedades generales de los geopolmeros

Aunque los geopolmeros presentan aplicaciones en diferentes campos, su principal aplicacin se encuentra en el sector de la construccin. Como se coment con brevedad anteriormente, los geopolmeros poseen una serie de propiedades que los hacen competitivos con los productos cementicios (Duxson et al., 2007-2). Algunas de dichas propiedades son las siguientes:

Alta resistencia a compresin (Van Jaarsveld et al, 1997), llegando a alcanzar hasta 100 MPa (Komnitsas y Zaharaki, 2007) y elevada integridad estructural (Van Jaarsveld et al., 1997).

Buena resistencia a la abrasin (Wang et al., 2005).

Curado y endurecimiento rpidos y controlados. En general, la integridad estructural y la resistencia se alcanzan a corto plazo. En la mayora de los casos, el 70% de la resistencia a compresin se alcanza a las 4 horas, de ah que se pueda hablar de cortos tiempos de fraguado o endurecimiento (Van Jaarsveld et al, 1997, Lee y Van Deventer, 2000-1). Estos rpidos tiempos de curado pueden ser una ventaja o desventaja, dependiendo de las aplicaciones en las que vayan a ser utilizados los geopolmeros (Sofi et al., 2007).

Resistencia al fuego, superior a 1000C, (Lyon et al., 1997, Davidovits, 1991, Cheng y Chiu, 2003) y no emisin de humos txicos cuando se calienta (Duxson et al., 2006-1).

Alto nivel de resistencia al ataque de diferentes cidos y sales (Van Jaarsveld et al., 1997; Bakharev, 2005).

Baja permeabilidad (Van Jaarsveld et al., 1997). Buena resistencia a ciclos de hielo-deshielo (Davidovits, 1994; Sindhunata,

2006-2).

Baja conductividad trmica (Duxson et al., 2006-2). Fcil adhesin a hormigones, acero, vidrio y cermicas (Bell et al., 2005).

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Superficies con alta suavidad y precisa moldeabilidad, lo que hace que estos materiales sean usados para el tallado y el moldeado de objetos artsticos (Komnitsas et al., 2007).

Bajo consumo de energa y bajas emisiones de gases durante su fabricacin (Khale y Chaudhary, 2007).

Es importante destacar que no todos los geopolmeros poseen todas las propiedades detalladas anteriormente. Esto depende tanto de los materiales precursores utilizados como de las condiciones de la geopolimerizacin. A pesar de ello, las propiedades anteriores hacen que los geopolmeros puedan ser utilizados en mercados con distintas necesidades, desde la industria de la construccin a la aeroespacial, usando esencialmente la misma tecnologa. Sin embardo, es en el campo de la construccin donde las posibilidades de aplicacin inmediata parecen ms reales, como una alternativa a utilizar en lugar de o junto con la tecnologa del cemento Prtland Ordinario (Duxson et al., 2007-2). Muchos estudios confirman estas expectativas. As, se han publicado trabajos relativos a las tcnicas de caracterizacin (Criado et al., 2007; Granizo y Blanco, 1998; Provis y Van Deventer, 2007, Palomo et al., 2004), la influencia de diferentes aditivos y contaminantes (Fernndez-Jimnez et al., 2005-1; Fernndez-Jimnez et al., 2005-2; Van Jaarsveld y Van Deventer, 1999-1), o la influencia de las condiciones de curado (Kovalchuck et al., 2007; Sindhunata et al., 2006-1), aunque todava habr que seguir profundizando en dichos estudios para conseguir que este tipo de productos se pueda implantar comercialmente (Duxson et al., 2007-2).

Existen muchas barreras que justifican que la tecnologa de los geopolmeros no se haya difundido todava en la industria de la construccin. Los geopolmeros se preparan en muchos casos a partir de materiales residuales, tales como cenizas volantes o escorias, que varan de una fuente a otra, por lo que sera necesario un primer esfuerzo para conseguir la certificacin de cada una de las primeras materias, un aspecto ya tenido en cuenta cuando estos materiales se sustituyen al cemento en algunas formulaciones (Duxson et al., 2007-2). Otro obstculo para el desarrollo de materiales geopolimricos es debido al hecho de que este campo de estudio todava es muy joven y por tanto hay una falta de datos cuantitativos relacionados con la durabilidad de los productos (Perera et al., 2004). Las variaciones a veces observadas en las propiedades mecnicas y trmicas de esos materiales tambin son una fuente de preocupacin para la industria, pero estas variaciones experimentales pueden ser debidas a una preparacin inapropiada de la mezcla (Duxson et al, 2005-2). La ltima y principal barrera a tener en cuenta es debido a que la industria de la construccin es muy conservadora con respecto a la introduccin de nuevos productos. La tecnologa de los geopolmeros est bastante probada a nivel tecnolgico, medioambiental y comercial, por lo que su introduccin en el mercado de la construccin est en estos momentos, segn algunos autores, ms en manos de la industria de la construccin que es en las de la investigacin y el desarrollo. Adems, los materiales geopolimricos tienen otras propiedades como la resistencia al fuego, la estabilidad trmica, la manejabilidad, la resistencia a ataques cidos y las propiedades adhesivas que los hacen viables para aplicaciones en otros mercados distintos a los tradicionales para los productos derivados del cemento Prtland (Duxson et al., 2007-2).

A pesar de las barreras anteriores, la tecnologa de la geopolimerizacin tiene una ventaja frente a la del cemento Prtland que la hace atractiva medioambientalmente: la

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fabricacin de geopolmeros produce menores emisiones CO2 (alrededor de un 80 % menos, es decir 6 veces menos) que la produccin de cemento Prtland. Segn Davidovits, la produccin de una tonelada de cemento geopolimrico genera 0,18 toneladas de CO2 comparada con la tonelada de CO2 que produce el cemento Prtland (Davidovits, 2002). Durante la produccin de cemento Prtland se consume una gran cantidad de energa y se liberan grandes cantidades de CO2, lo cual no ocurre durante la geopolimerizacin, ya que no existe el paso de la calcinacin. Aunque el uso de soluciones alcalinas y de silicatos solubles en lugar de agua aumenta el coste, la cantidad de CO2 ahorrada es muy significativa. El uso de metacaoln como precursor en los geopolmeros tambin aumenta la emisin de CO2 con respecto a otros sistemas geopolimricos, aunque el balance global sigue siendo ms favorable que en los sistemas con cemento Prtland (Duxson et al., 2007-2).

2.1.3 Los aluminosilicatos y la geopolimerizacin

Como se coment previamente, minerales constituidos por aluminosilicatos son las primeras materias en la sntesis de geopolmeros, siendo estos precursores los principales responsables de las extraordinarias propiedades mecnicas de los productos finales. Las fuentes de aluminio y silicio pueden ser naturales o residuales. Tambin se puede hacer una clasificacin de los aluminosilicatos atendiendo a si han sufrido pretratamiento o no. As, se pueden dividir en dos grupos: materiales no calcinados como el caoln, los feldespatos y algunos tipos de roca, y materiales calcinados como el metacaoln, las cenizas volantes o las escorias. La calcinacin previa produce un cambio en la estructura interna del material, pasando en algunos casos de tener una estructura cristalina a tener una estructura amorfa. En todo caso, el tratamiento provoca el almacenamiento de un exceso de energa que produce un aumento de reactividad de estos materiales en el proceso de geopolimerizacin, lo que generalmente conlleva la produccin de geopolmeros con mayor resistencia mecnica (Xu et al., 2003-1). Ms especficamente, los geopolmeros preparados con materiales calcinados producen una mayor resistencia en las primeras etapas del curado, mientras que los no calcinados la producen en etapas finales del curado (Xu et al., 2002).

En algunos estudios se han investigado minerales naturales como materias primas para la sntesis de geopolmeros (Xu et al., 2000). En dichos estudios se muestra que minerales como la sodalita y estibilita, consiguen buenas propiedades mecnicas por si solos, en cambio, otros minerales menos reactivos necesitan la presencia de una fuente secundaria de Si y Al soluble (caoln o metacaoln), para producir un gel con las caractersticas deseadas. En esta misma investigacin se concluye que los minerales con estructura de aluminosilicato son apreciablemente solubles en medios alcalinos, y tanto ms solubles cuanto mayor sea la concentracin de la solucin alcalina. Adems, los minerales de tipo aluminosilicato con un alto grado de solubilidad en medio alcalino suelen aportar una mayor resistencia mecnica una vez formado el geopolmero.

El caoln es una arcilla natural muy utilizada como material fuente de geopolmeros (Phair y Van Deventer, 2002; Xu et a., 2003-1; Van Jaarsveld y Van Deventer, 1999-1; Van Jaarsveld et al., 1999-3; Van Jaarsveld et al., 2002; Swanepoel y Strydom, 2002). El metacaoln se obtiene por calentamiento del caoln a unos 750 C durante 24 horas (Madani et al., 1990). La forma deshidroxilada de la caolinita, es decir el metacaoln, difiere de la caolinita en que la coordinacin octadrica del aluminio se

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rompe, forzando al aluminio a adoptar un nmero de coordinacin 4. El caoln calcinado tiene una elevada superficie especfica y un menor grado de cristalinidad que el caoln sin calcinar (Sindhunata et al., 2006-1), por ello es ampliamente utilizado como material fuente de geopolmeros (Duxson et al, 2007-1; Palomo et al., 1999-1; Provis et al., 2005, Singh et al., 2005; Xu et al., 2003; Van Jaarsveld y Van Deventer, 1999-1; Van Jaarsveld et al., 1999-2). El metacaoln se suele aadir cuando la velocidad de disolucin del aluminio a partir del precursor o el porcentaje de aluminosilicato de la mezcla resultan insuficientes para producir un gel con la composicin deseada. Sin embargo, cuando el caoln se utiliza solo, sin la presencia de otro aluminosilicato, se suele formar una estructura poco resistente. Es por ello que casi siempre suele ser empleado junto con otros materiales fuente de aluminio y silicio (Bankowski et al., 2004-1; Bankowski et al., 2004-2; Wu y Sun, 2007; Swanepoel y Strydom, 2002; Van Jaarsveld et al., 1998; Cheng y Chiu, 2003; Xu y Van Deventer, 2003). Por otro lado, la produccin de metacaoln a partir de caoln va acompaada de emisiones de CO2, lo que unido a los altos costes para producir metacaoln y el alto contenido de agua demandada en las mezclas, no hacen muy recomendable el uso de metacaoln en la produccin de geopolmeros para su aplicacin en construccin (Duxson et al., 2007-2). Sin embargo, el metacaoln s es importante en la produccin de geopolmeros a pequea escala para la fabricacin de adhesivos, compuestos hidrocermicos y revestimientos (Duxson et al., 2007-2).

Tambin se han estudiado escorias, especialmente escorias de alto horno (Sofi et al, 2007; Yunsheng et al., 2007; Van Deventer et al., 2007; Fernndez-Jimnez et al., 1999; Phair y Van Deventer, 2002; Cheng y Chiu, 2003) como materia prima para obtener geopolmeros, mostrando stos buenas propiedades fsicas y qumicas. Algunos estudios (Yunsheng et al., 2007) han demostrado que el nmero de coordinacin del aluminio pasa de 6 a 4 durante la preparacin de pastas con escorias. Adems, se ha observado la coexistencia de gel geopolimrico y gel de silicato clcico hidratado en los geopolmeros basados en dicha escoria. Otros estudios (Oh et al., 2010) han comparado las propiedades de geopolmeros basados en cenizas volantes de clase C con los de otros basados en escoria de alto horno y han comprobado que los geopolmeros basados en escorias poseen una mayor resistencia mecnica que los basados en cenizas, debido a que el calcio en la escoria est disponible para formar silicato clcico hidratado, hecho que no ocurre cuando se usan cenizas volantes. Tambin se ha comprobado que el efecto de la escoria en los sistemas geopolimricos depende de los activadores alcalinos utilizados. En algunas publicaciones (Fernndez-Jimnez et al., 1999), se ha estudiado el efecto de la superficie especfica de la escoria y se ha comprobado que si se utilizan activadores como NaOH y Na2CO3 se favorece la resistencia a compresin, en cambio, si se utiliza silicato sdico, el efecto es negativo. Por el contrario, otros estudios sobre la estructura de morteros de escoria activados alcalinamente (Shi, 1996) demuestran que cuando se utiliza silicato sdico como activador alcalino los morteros muestran menores porosidades y estructuras de poro ms finas que cuando se utiliza hidrxido sdico como activador.

2.1.4 Efecto de los silicatos e hidrxidos alcalinos

La disolucin de los aluminosilicatos presentes en el material slido de partida es el paso ms crtico en el proceso de geopolimerizacin. Dicho proceso persigue un doble objetivo. Por un lado, la liberacin de los elementos que acaban formando la red de polisialatos, y por otro, producir la activacin de los enlaces superficiales del material

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slido remanente, lo que contribuye a la resistencia final de la estructura geopolimrica (Duxson et al., 2007-3).

2.1.4.1 Hidrxidos alcalinos

La geopolimerizacin requiere que el proceso de disolucin del aluminosilicato slido fuente se efecte en medio bsico. Una alternativa consiste en la utilizacin de NaOH y KOH. La alcalinidad de las soluciones utilizadas es un factor muy importante ya que si se utilizan bajos pH, la mezcla geopolimrica permanece viscosa y se comporta como el cemento, en cambio para altos pH (13-14) (Khale y Chaudhary, 2007) la mezcla se vuelve ms fluida y manejable (Phair et al., 2004). Adems, los iones OH- existentes en la disolucin alcalina juegan un papel esencial en la etapa de disolucin de la slice y almina reactivas, mientras que los elementos alcalinos ejercen un papel regulador en la cintica de las reacciones, actuando como elementos formadores de la estructura (Fernndez-Jimnez et al., 2006-2).

Los aluminosilicatos se disuelven en mayor medida al aumentar la concentracin de la solucin alcalina. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la disolucin no slo depende de la concentracin de la solucin, sino tambin de la estructura y de las propiedades superficiales de los minerales originales. En general, los aluminosilicatos muestran mayor disolucin en NaOH que en KOH. Esto es debido al efecto del catin metlico, en concreto al hecho de que el Na presenta un menor radio atmico que el K (Xu y Van Deventer, 2000). Es conocido que la interaccin del par anin-catin se vuelve menos significativa cuando aumenta el tamao del catin, es decir, los cationes pequeos, como el sodio, favorecen la reaccin de formacin del par inico con los oligmeros de silicatos ms pequeos. Sin embargo, el mayor tamao del potasio favorece la formacin de pares con oligmeros mayores. Por tanto, aunque el in sodio, con menor tamao que el in potasio, es ms activo, y por ello el grado de disolucin de los minerales es mayor con NaOH que con KOH, el potasio produce un mayor grado de condensacin, es decir, de polimerizacin que el sodio. Adems, hay que tener en cuenta que el potasio es algo ms alcalino y permite velocidades de disolucin mayores (Phair y Van Deventer, 2002). Algunos estudios han demostrado tambin que el potasio provoca un mayor grado de reaccin del metacaoln y por tanto, una mayor disociacin del aluminio que los sistemas con sodio (Duxson et al., 2005-1) y una mayor resistencia mecnica (Van Jaarsveld et al., 2002). En cambio, en otros estudios (Fernndez-Jimnez et al., 2006-2) se ha observado que el sodio tiene una capacidad mayor que el potasio para acelerar las reacciones de fraguado y endurecimiento. El tema es controvertido, y hay que tener en cuenta la influencia del material fuente, ya que ciertos estudios (Van Jaarsveld et al., 2003; Feng et al., 2004) han evidenciado que el KOH lixivia ms silicio y aluminio que el NaOH de un mismo aluminosilicato, aunque otros trabajos han mostrado el efecto contrario (Duxson et al., 2007-1; Duxson et al., 2005-1; Van Jaarsveld y Van Deventer, 1999-2; Xu y Van Deventer, 2003-2).

En relacin con las propiedades fsicas de los geopolmeros, algunas de stas estn, en parte, relacionadas con la concentracin de la solucin alcalina empleada. Cuando se incrementa la concentracin de hidrxidos en la solucin activadora suele aumentar la resistencia mecnica de los geopolmeros (Kumar et al., 2005). Sin embargo, tambin se ha comprobado que un exceso de NaOH y KOH puede disminuir la resistencia a largo plazo (Cheng y Chiu, 2003), posiblemente debido a que un exceso de estos elementos puede afectar negativamente a la morfologa y provocar la no uniformidad de las matrices. Adems, hay que tener en cuenta que trabajar en condiciones tan altamente alcalinas

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requiere cuidado en el manejo de las pastas, ya que stas suelen ser corrosivas y peligrosas para los trabajadores, lo que puede ser un serio inconveniente en aplicaciones industriales (Davidovits, 2007). En conclusin, la concentracin de hidrxidos debe ser optimizada para obtener las mejores propiedades en el producto final.

2.1.4.2 Silicatos solubles

La presencia de silicatos solubles en la solucin activadora desempea un papel muy importante en el desarrollo de los sistemas geopolimricos. Los silicatos solubles afectan principalmente a la cintica de las reacciones involucradas y a las propiedades del producto final, pero no a los mecanismos que gobiernan el proceso (Fernndez-Jimnez et al., 2005-3).

La adicin de silicatos solubles suele producir un aumento de la integridad estructural de los geopolmeros (matriz uniforme y compacta) (Kovalchuk et al., 2008, Palomo et al., 2004; Lee y Van Deventer, 2002-2). El uso de silicatos solubles en la preparacin de geopolmeros basados en metacaoln (Duxson et al., 2007-3) produce una reduccin del orden estructural, es decir, el material es aparentemente ms amorfo a los rayos X. Estos resultados tambin se han comprobado con cenizas volantes activadas alcalinamente a las que se les ha aadido silicatos solubles (Criado et al., 2008). En algunos estudios (Kovalchuk et al., 2008), los resultados obtenidos por difraccin de rayos X indican que un aumento de la cantidad de slice soluble en el proceso produce un incremento de la fase gel del geopolmeros, y mayores contenidos de gel producen un aumento de la resistencia mecnica.

Tambin se ha observado que cuando la concentracin de silicatos solubles aumenta en exceso en la solucin activadora (manteniendo constante la relacin Na2O/SiO2), se produce una disminucin en el grado de reaccin de los materiales slidos de partida, ya que se reduce el pH y aumenta la viscosidad de la solucin (Duxson et a., 2005-1). Por tanto, al igual que ocurre cuando se utilizan hidrxidos alcalinos, se deben trabajar con unas cantidades adecuadas de silicato.

Existen diferencias microestructurales entre los geopolmeros preparados con hidrxidos alcalinos y los preparados con silicatos alcalinos. As, por ejemplo, en un estudio relativo a los geopolmeros fabricados con cenizas volantes y metacaoln (Van Deventer et al., 2007) se comprob que las matrices preparadas con NaOH eran ms porosas que aquellas que usaban silicato sdico.

Tambin se han realizado estudios en los que se han preparado mezclas de silicatos e hidrxidos y se ha comprobado que las matrices activadas con silicato sdico y NaOH muestran resistencias a compresin menores que aquellas activadas con silicato potsico y KOH. Esto, como se ha indicado anteriormente, puede ser debido al papel del potasio y a su diferente comportamiento comparado con el del sodio (Phair y Van Deventer).

2.1.5 Influencia de otros elementos

La presencia de otros elementos distintos del silicio y el aluminio, como por ejemplo el calcio o el hierro, y la forma en que stos se encuentran en los materiales

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utilizados en el proceso de geopolimerizacin pueden producir distintos caminos en el mecanismo de la geopolimerizacin, y por consiguiente producir cambios en los tiempos de curado y en las resistencias a compresin, es decir en las propiedades fsicas del geopolmero (Duxson et al., 2007-3).

Con respecto al calcio, se han realizado estudios usando mezclas de escorias de alto horno y metacaoln (Yip y Van Deventer, 2003). En ellos se observa que el efecto del calcio sobre los geopolmeros est influenciado por la cantidad de silicato soluble utilizado en las formulaciones, por la alcalinidad de las mismas y por la relacin Si/Al, ya que estos parmetros parecen afectar a la estabilidad relativa de los diferentes precipitados de Ca. Si la alcalinidad es baja, se puede formar un gel de silicato clcico hidratado (CSH) simultneamente con el gel geopolimrico. Se cree que el gel CSH podra actuar rellenando los huecos y poros que deja el gel geopolimrico entre las partculas sin reaccionar, y por tanto mejorando la resistencia mecnica de los geopolmeros. Si la alcalinidad del agente activador es alta (altas concentraciones de NaOH) se pueden formar precipitados de hidrxido clcico diseminados por el gel geopolimrico, lo que le da una apariencia ms heterognea (Yip y Van Deventer, 2003, Duxson et al., 2007-3). Adems, se puede provocar una bajada del pH debido al consumo de OH-, lo que a su vez afectar a la velocidad de los procesos de disolucin/precipitacin. En algunos estudios (Lee y van Deventer, 2002-1) se ha comprobado que la adicin de calcio soluble a geopolmeros basados en cenizas volantes reduce los tiempos de curado de las muestras, aumentando la velocidad de solidificacin. En otras investigaciones (Temuujin et al., 2009) se ha comprobado que la adicin de compuestos de calcio como CaO y Ca(OH)2 mejora las propiedades mecnicas de los geopolmeros basados en cenizas volantes y curados a temperatura ambiente, siendo el Ca(OH)2 ms beneficioso como aditivo que el CaO. Estos compuestos actan produciendo una precipitacin de silicato clcico hidratado o silico-aluminato clcico hidratado, adems de mejorar la disolucin de la ceniza volante en el medio alcalino y la reaccin de geopolimerizacin.

Durante aos, el Fe2O3 ha sido considerado uno de los componentes que ha contribuido a las buenas propiedades mecnicas del cemento Prtland. En las publicaciones relativas a la geopolimerizacin no existe una informacin clara sobre el papel del hierro. Un estudio de Daux (Daux et al., 1997) ha demostrado que en la disolucin de un vidrio basltico que contena altas cantidades de Fe3+, bajo condiciones altamente alcalinas, la reprecipitacin del hierro disuelto fue ms rpida que la del silicio y aluminio. Por tanto, en la geopolimerizacin es probable que el hierro pueda comportarse de la misma manera y precipitar como hidrxido (oxido) frrico, produciendo una disminucin de iones hidroxilos y afectando al tiempo de curado y por ende a las propiedades fsicas (Van Deventer et al., 2007).

En relacin al MgO, en el cemento es indeseable siempre que est en una concentracin mayor del 5% p/p, pero en los geopolmeros an se desconocen sus efectos (Xu y Van Deventer, 2000).

2. INTRODUCCIN

21

2.1.6 Utilizacin de cenizas volantes de combustin de carbn como materia prima para la preparacin de geopolmeros

La semejanza entre las cenizas volantes de la combustin del carbn pulverizado y los aluminosilicatos naturales, convierte a las cenizas en candidatas potenciales para su uso en la geopolimerizacin como material precursor (Silvestrim et al., 1999). Las cenizas volantes anteriores contienen cantidades apreciables de slice y almina (entre un 40 y un 60 % de slice y entre un 20 y un 30 % de almina), adems cantidades menores de xidos de hierro y de calcio, dependiendo de la composicin qumica del carbn original. Las cenizas volantes suelen presentar una distribucin de tamaos de partcula amplia. Generalmente se trata de partculas esfricas, huecas y no homogneas, compuestas tanto por fases cristalinas como amorfas. Adems, las cenizas volantes son productos residuales de la combustin. Por todo ello, se ha promovido un uso extendido de las cenizas volantes como precursores en reacciones de geopolimerizacin (Palomo et al., 1999-2; Van Jaarsveld et al., 2002, Swanepoel y Strydom, 2002). A continuacin se muestra un listado de las caractersticas que deben poseer las cenizas volantes para ser usado como precursores en geopolmeros.

2. INTRODUCCIN

22

Proporcin en peso SiO2/Al2O3 preferiblemente entre 2 y 3,5. Sin embargo, este parmetro slo debe ser tenido en cuenta como un indicativo de la composicin aproximada de fracciones solubles de slice y almina.

Porcentaje de materia inquemada inferior al 5%. Los inquemados aumentan la demanda de agua necesaria para preparar una masa manejable, debido a su alta superficie especfica.

Contenido de Fe2O3 inferior al 10%. Algunos estudios han demostrado que elevados contenidos de hematita producen resistencias a compresin relativamente bajas.

Bajo contenido de CaO. En algunos casos se ha observado que bajos contenidos de CaO son deseables para las reacciones de geopolimerizacin, an cuando el contenido de CaO aumenta la resistencia mecnica del geopolmero por la formacin de aluminosilicato clcico. La alta afinidad del calcio por el silicato retarda la hidrlisis de este ltimo a cido silcico y la interaccin de estas especies con los tetrahidroxialuminatos, necesaria para la formacin del gel geopolimrico. Adems, los materiales geopolimricos preparados con cenizas volantes bajas en CaO se espera que posean mayores durabilidades en condiciones cidas.

Alto contenido de fase amorfa. Cuanto mayor sea la cantidad de constituyente vtreo, ms efectivo ser el proceso de activacin y mayor ser el grado de reaccin. Cuando la ceniza volante se mezcla con el activador alcalino, el componente amorfo es el que se disuelve ms rpidamente. Por el contrario, si los contenidos de mullita y cuarzo son elevados en la ceniza volante, la reactividad de la matriz Al-Si decrece drsticamente.

Contenidos de slice reactiva, entre el 40 y el 50 %. Un alto contenido de slice reactiva tiene como consecuencia la formacin de elevadas cantidades de gel geopolimrico.

Una distribucin de tamaos de partcula amplia, con una cierta compensacin entre distintas fracciones y con un porcentaje de partculas con tamao inferior a 45 m comprendido entre el 80 y el 90 %.

La mayora de los estudios sobre geopolmeros se han realizado con cenizas volantes y con metacaoln. Aunque ambos materiales tienen semejanzas en su estructura molecular, existen diferencias en sus caractersticas y propiedades. Los geopolmeros de cenizas volantes tienen mayor nivel de fase no reactiva que los geopolmeros preparados con metacaoln (Duxson et al., 2007-3). La microestructura del geopolmero de metacaoln es ms homognea; est compuesta en su totalidad por una fase gel, con poca evidencia de material sin reaccionar (gel salpicado de partculas sin reaccionar). En cambio, aquellos geopolmeros preparados con cenizas volantes tienen la apariencia de una mezcla, con una fase gel que enlaza a fases no reactivas entre s (Van Deventer et al., 2007). Estas fases no reactivas pueden ser debidas a impurezas cristalinas de las cenizas volantes, fases amorfas que son insolubles en medio alcalino debido a su composicin qumica, o fases amorfas que aunque son relativamente solubles en medio alcalino no han reaccionado debido a dificultades en la transferencia de materia (Fernndez-Jimnez et al., 2005-3). De todas

2. INTRODUCCIN

23

maneras, aunque los geopolmeros preparados con cenizas volantes son, en general ms fuertes y duraderos que aquellos preparados con metacaoln, la fase gel de ambos materiales tiene una estructura molecular y una microestructura similares (Van Deventer et al., 2007).

2.1.7 Aplicaciones de los geopolmeros:

2.1.7.1 E/S de residuos

La aplicacin de la tecnologa de geopolimerizacin a la E/S de residuos es relativamente nueva. Sin embargo, se han descrito algunas aplicaciones a escala de laboratorio relativas sobre todo a la estabilizacin de ciertos residuos radiactivos y de residuos con metales. A pesar de ello, los problemas asociados a la introduccin de una nueva tecnologa, hacen que an no est muy extendida su aplicacin ni su comercializacin, lo cual es un poco sorprendente ya que los geopolmeros presentan grandes perspectivas en el campo de la estabilizacin de residuos (Khale y Chaudhary, 2007).

2.1.7.1.1 Inmovilizacin de metales peligrosos

En la inmovilizacin de metales pesados presentes en residuos peligrosos, los geopolmeros actan en general de manera similar a los aglomerantes cementicios convencionales en trminos de encapsulacin, sin embargo, las propiedades fsicas y qumicas del producto de E/S final pueden verse muy mejoradas gracias a las propiedades de los geopolmeros. Entre stas cabe destacar las siguientes: resistencia al ataque cido (que puede ser fundamental debido a la elevada solubilidad de los metales pesados a pH bajo), elevada integridad estructural (que permite mejorar la encapsulacin), baja permeabilidad, alta durabilidad y gran resistencia a compresin (Davidovits y Comrie, 1998; Van Jaarsveld et al., 1997). La baja permeabilidad es la propiedad que probablemente puede verse ms mejorada por el empleo de geopolmeros frente al uso de agentes cementantes convencionales.

2. INTRODUCCIN

24

2.1.7.1.2 E/S de residuos radiactivos

En la pasada dcada la geopolimerizacin ha ido surgiendo como una posible solucin tecnolgica para la estabilizacin e inmovilizacin de materiales residuales radiactivos, siendo en estos momentos una clara alternativa al cemento Prtland.

As, en recientes investigaciones se ha llevado a cabo la E/S de fangos contaminados por productos de la serie U-238 y U-235, As y una mezcla de hidrocarburos (Hermann et al., 1999). En estudios como ste se indican las condiciones mnimas exigidas en la inertizacin de fangos radiactivos, como son una encapsulacin eficaz, de forma que no se produzca la lixiviacin de metales, y una elevada estabilidad estructural frente a condiciones medioambientales adversas, como por ejemplo, rpidos cambios de temperatura y humedad, agresiones qumicas y/o biolgicas, o estrs mecnico, para que se garantice la seguridad y se minimicen los riesgos de una expansin incontrolada de la contaminacin.

En algunos estudios (Chervonnyi y Chervonnaya, 2003) se han estabilizado residuos radiactivos de baja actividad usando cenizas activadas alcalinamente y cemento Prtland, comprobndose la efectividad de las primeras para inmovilizar Sr. El estudio realizado pone de manifiesto las ventajas que tiene la tecnologa de la geopolimerizacin desde un punto de vista tanto econmico, debido al ahorro de energa y materiales, como medioambiental, por ser un proceso seguro, que no produce residuos lquidos y no involucra etapas a alta temperatura con materiales radiactivos.

2. INTRODUCCIN

25

2.2 LA PROTECCIN CONTRA EL FUEGO Un incendio se define como la aparicin de, al menos, uno de los efectos

siguientes: luz, llama, calor y humo. Para que un incendio tenga lugar es necesario que se combinen un producto comburente, un oxidante y una fuente de ignicin. A continuacin, se muestra una figura representativa.

Figura 2.2. Tringulo del fuego

La proteccin contra incendios se puede entender como la combinacin de medios materiales y actuaciones sistemticamente ordenadas, cuya funcin es la de prevenir los peligros que un incendio conlleva cuando ste ya se ha producido y la emergencia es inmediata.

Teniendo en cuenta que el objetivo principal de la proteccin contra incendios es alcanzar la mxima seguridad, los campos de aplicacin de la misma deben de ser: por un lado, la prevencin y por otro, la respuesta al incendio. El objetivo de la prevencin es evitar que se produzca el accidente mediante prediccin y planificacin. La respuesta tiene como funcin principal el control del incendio, anulando o aminorando los daos o prdidas que el incendio pueda producir. Adems, este campo se ocupa tambin de la rehabilitacin, es decir, del rescate y la recuperacin de vctimas, y de la recuperacin de medios y servicios.

Por lo tanto, la proteccin contra incendios debe desarrollarse en dos fases sucesivas y necesarias: la prevencin y la lucha contra el incendio.

Desde otro punto de vista ms formal, el anlisis de los medios de proteccin contra incendios suele hacer otra distincin de mbitos: aquel que ocupan los medios humanos y las actuaciones que estos realizan y el propio de los materiales y su uso.

Dentro de los medios materiales de proteccin contra el fuego se puede hacer una divisin a su vez en dos grupos, aquello denominados medios de proteccin activa y aquello de proteccin pasiva.

El grupo de los medios de proteccin activa recoge todas aquellas actuaciones que tienen como funcin especfica la deteccin y la extincin del fuego una vez comenzado

FUENTE DE IGNICIN

OXIDANTE COMBUSTIBLE

FUEGO

2. INTRODUCCIN

26

ste. Los mtodos de extincin se basan en la eliminacin de uno o ms de los elementos necesarios para la combustin, tales como el combustible, el comburente, la fuente de ignicin o, incluso, la posibilidad del desarrollo de reacciones qumicas en cadena. Dentro de este grupo se pueden citar ejemplos como agua a chorro, pulverizada, espuma (aire + agua + lquido espumoso), polvos qumicos secos (bicarbonato sdico, sulfato potsico y fosfato amnico, o polifosfatos amnicos) y anhdrido carbnico.

El grupo de los medios de proteccin pasiva recoge todos aquellos medios cuya funcin primordial es confinar el incendio, en la medida de lo posible, en el lugar donde se ha iniciado, propiciando un comportamiento de los elementos constructivos adecuado. Este grupo de medios centra el inters de estudio.

2.2.1 LA PROTECCIN PASIVA CONTRA INCENDIOS

La proteccin pasiva de un bien (en este documento, bien se considerar como obra, entendida como edificios y obras de ingeniera civil) resulta determinada por los medios y medidas de proteccin pasiva, as como por su conveniente y correcto empleo y aplicacin.

Los medio y medidas citados afectan a los condicionantes de la seguridad contra incendios de la obra, debidos a:

a) El entorno o condicionantes urbansticos

b) La propia obra o condicionantes constructivos, edificatorios o arquitectnicos.

c) El acabado final de la obra e interiorismo

De entre todos ellos, los ms decisivos a la hora de determinar el nivel de la seguridad contra incendios de una obra son los condicionantes constructivos, edificatorios o arquitectnicos. De aqu se puede deducir la importancia primordial que tienen los medios y medidas de proteccin pasiva.

Los elementos constructivos pueden definir su comportamiento ante el fuego a travs de dos propiedades, la reaccin y la resistencia al fuego. Si la solucin y la respuesta con respecto a estos dos conceptos son razonadas, se pueden reducir las inversiones en otras medidas de seguridad, que deben ser complementarias siempre y consideradas de una forma global y simultnea.

2.2.1.1 La reaccin al fuego

Resulta fundamental el anlisis de los materiales empleados en el acabado de obras, ya que si se eligen de un modo adecuado condicionarn la iniciacin y propagacin del incendio. De este modo, los materiales usados en aislamientos, falsos techos y suelos, revestimientos, acabados y elementos decorativos y sus propiedades adquieren una importancia primordial.

La reaccin al fuego de un material expresa el comportamiento de este en relacin a un fuego al que est contribuyendo a su iniciacin, desarrollo y mantenimiento. La

2. INTRODUCCIN

27

reaccin al fuego no constituye una magnitud medible, sino que forma parte de un criterio de clasificacin de los materiales.

Existen numerosos factores que determinan la reaccin al fuego de un material y, adems, varan con las condiciones de desarrollo del fuego. A continuacin se citan aquellos que de un modo directo influyen en la iniciacin y desarrollo del fuego:

El poder calorfico La inflamabilidad La combustibilidad La propagacin de la llama La inflamacin instantnea La generacin y la opacidad de los humos La generacin de gases txicos y nocivos

De este modo resulta necesario establecer una clasificacin de los materiales en cuanto a su reaccin al fuego (RF). La norma referida a los ensayos de reaccin al fuego y que aporta criterios para su clasificacin es la UNE-23-727/90, siendo varios los ensayos a realizar segn la clase de material que se trate. Esta norma clasifica los materiales del modo siguiente:

Tabla 2.1 Clasificacin de los materiales segn norma UNE-23-727/90

Esta norma establece, en su Artculo 16, requisitos de comportamiento ante el fuego de los materiales con un carcter general y, en su Captulo 4, para los equipos e instalaciones.

2.2.1.2 La resistencia al fuego

El concepto de resistencia al fuego permite expresar una serie de cualidades de los elementos constructivos a travs del tiempo, normalmente en minutos.

La resistencia al fuego se define como la aptitud de un elemento de construccin para conservar durante un tiempo determinado la estabilidad, la estanqueidad, el aislamiento trmico requerido y la no-emisin de gases inflamables en los ensayos de

M-0 Incombustibles y no inflamables

M-1 Combustibles y no inflamables

M-2 Combustibles poco inflamables

M-3 Combustibles moderadamente inflamables

M-4 Combustibles inflamables

2. INTRODUCCIN

28

resistencia al fuego. As, un elemento de construccin es resistente al fuego un tiempo, durante el cual dicho elemento es sometido a un programa trmico normalizado (que se supone trata de reproducir las variaciones en el tiempo de la temperatura durante un incendio real), y mantiene las cualidades dichas con anterioridad y que a continuacin se describen:

Estabilidad al fuego La estabilidad al fuego se define como la aptitud de un elemento de construccin,

portante o no, de permanecer inalterado en su funcin mecnica, bajo la accin del fuego, por un determinado periodo de tiempo (UNE-EN ISO 13943:2001).

De este modo, un elemento es estable al fuego (EF) un tiempo, cuando durante dicho periodo de tiempo el elemento, sometido a la curva normalizada de resistencia al fuego (trata de reproducir la evolucin de la temperatura con el tiempo durante un incendio real), mantiene su funcin resistente para la cual ha sido diseado.

La causa que, frecuentemente, ms dao produce durante un incendio es la prdida de estabilidad mecnica, porque sta lleva a deformaciones en la estructura pudiendo llegar incluso al derrumbamiento de la misma. Esto puede incrementar la propagacin del incendio, imposibilitar la evacuacin y provocar la ruina total de la construccin, si el fallo se produjese en la estructura bsica.

Cuando se quiere determinar el comportamiento ante el fuego de los elementos constructivos portantes, la exigencia de estabilidad es sustantiva hasta el punto de que para estos elementos se identifica su resistencia al fuego con su estabilidad al fuego. En tal caso slo habra que hacer referencia a la estabilidad al fuego e indicar que se trata de un elemento portante.

Por otro lado, si se trata de un elemento constructivo exclusivamente separador, la estabilidad funcional no es exigible (UNE-EN 1363-1:2000), pero esta situacin no es comn, pues todo elemento separador es tambin portante, aunque esta funcin pueda llegar a despreciarse, y adems, la prdida de la estabilidad implica siempre la prdida de otras cualidades que se les exigen a los elementos constructivos.

Estanqueidad al fuego La estanqueidad al fuego de un elemento constructivo se define como la capacidad

de dicho elemento de impedir el paso de las llamas o gases calientes a travs de l, por un determinado periodo de tiempo.

Un elemento de construccin es estanco al fuego un tiempo durante el cual este elemento, sometido a la curva normalizada de fuego, conserva su estanqueidad al paso de las llamas, humos y gases de la combustin, lo que implica que no deben aparecer fisuras, orificios, grietas y otras aberturas en el elemento constructivo.

No-emisin de gases inflamables La no-emisin de gases inflamables es la cualidad propia de un elemento de

construccin de no generar ni emitir gases por su cara no expuesta al fuego, durante un periodo de tiempo.

2. INTRODUCCIN

29

De este modo, un elemento constructivo es no emisor de gases inflamables el tiempo durante el cual, dicho elemento, sometido a la curva normalizada del fuego, no emite, por la cara no expuesta al fuego, gases inflamables procedentes de la pirlisis, combustin o descomposicin del material que lo constituye.

Como indicador del comportamiento ante el fuego del elemento estructural, esta cualidad tiene poca importancia en el caso de que el elemento constructivo preste la funcin exclusivamente portante. Sin embargo, la no-emisin de gases inflamables es muy significativa cuando se trata de elementos separadores o mixtos.

Aislamiento trmico

El aislamiento trmico es la aptitud de un material o elemento de construccin para dificultar la transmisin de calor.

Un elemento constructivo es considerado aislante trmico al fuego durante un tiempo, en el cual, dicho elemento, sometido a la curva normalizada del fuego, dificulta la transmisin de calor a travs de l, evitando que la temperatura en la cara no expuesta al fuego sufra un incremento, con relacin a la temperatura inicial, mayor de 180 C en cualquiera de sus puntos, o la media de 140 C.

Esto quiere decir que, un elemento de construccin es resistente al fuego el tiempo durante el cual dicho elemento, sometido a la curva normalizada de resistencia al fuego, conserva las cualidades comentadas anteriormente.

Por tanto, el tiempo transcurrido desde que se inicia la aplicacin del programa tcnico normalizado al elemento constructivo y el momento en el que se pierde alguna de las cuatro cualidades citadas mide la resistencia al fuego de dicho elemento y se expresa mediante las siglas RF seguidas del nmero de minutos transcurridos: RF(x).

Los trminos de resistentes al fuego y corta fuegos son equivalentes. La norma UNE 1363-1:2001 describe el ensayo de resistencia al fuego bsico de elementos constructivos. Segn esta norma, el ensayo se realizar sobre una proporcin representativa de la solucin constructiva, a escala real. Cada tipo de elemento requiere un tratamiento distinto, por lo que se tratar de reproducir las condiciones de servicio en su contorno o lmite. El mtodo de fijacin o apoyo ha de ser representativo del que se utilice en la prctica.

La clasificacin del elemento de construccin, de acuerdo con los resultados de sus ensayos de resistencia al fuego, se realiza segn los criterios de la Norma Bsica de Edificacin NBE CPI-96 (Tabla 2.2).

Un elemento es para-llamas cuando evita el paso directo de las llamas, esto es, el elemento es estable, estaco y no emite gases inflamables por la cara no expuesta al fuego. Sin embargo, la reaccin al fuego est relacionada con la probabilidad de iniciacin y desarrollo del incendio, y la resistencia al fuego con la probabilidad de que el incendio no se propague a otro local distinto de donde se origin (un pilar resistente al fuego evitara esta propagacin preservando de hundimientos). Una puerta de madera grueso, por ejemplo, es combustible, pero puede ser un buen elemento resistente al fuego. Si la puesta es de acero o de amianto delgado, que son incombustibles, no arder, pero esto no evita la propagacin del incendio.

2. INTRODUCCIN

30

Tabla 2.2 Clasificacin de elementos de construccin segn NBE CPI-96

La resistencia al fuego de un elemento de construccin depende de todos aquellos parmetros que pueden afectar a los criterios que intervienen en su definicin. En todos los casos, los ensayos de resistencia al fuego se llevan a cabo utilizando como programa trmico el fuego tipo normalizado. Los criterios comunes de valoracin se establecen de forma general, en la norma UNE-EN 1363-1:2000, y especficamente en cada norma particular de ensayo de resistencia al fuego.

Siempre se toma como resistencia al fuego el tiempo correspondiente al primer fallo de las caractersticas que la definen.

La resistencia al fuego juega un papel pasivo, en el sentido de que el elemento constructivo ha de soportar un determinado periodo de tiempo evitado durante el mismo la propagacin del incendio.

Desde el punto de vista legal, los grados de resistencia al fuego apropiados a los diferentes tipos de construccin, se exigen en diferentes normas municipales o estatales.

La necesidad real de tener en cuenta la proteccin pasiva en la construccin, sea o no una exigencia legal, hace que los tcnicos se vean en la necesidad, no slo de conocer a cierto nivel la tecnologa de diseo y de proteccin de estructuras, sino de estar al tanto de las imposiciones reglamentarias y de la evolucin y avances tecnolgicos. Se trata de dar soluciones correctas, co el menor coste, a los condicionantes planteados a favor de una mayor seguridad de las edificaciones, tanto para las personas como para los bienes materiales, continentes y contenidos. Un fuego de pequea intensidad, que afecte localmente a un elemento mecnico principal, puede ser motivo de catstrofe para el edificio en el que participa. La resistencia al fuego exigible a los elementos de construccin desprotegidos es muy baja, pero siempre ha de ser tenida en cuenta.

RF-15 resiste al menos 15 minutos RF-30 resiste al menos 30 minutos

RF-60 resiste al menos 60 minutos RF-90 resiste al menos 90 minutos RF-120 resiste al menos 120 minutos

RF-240 resiste al menos 240 minutos

2. INTRODUCCIN

31

2.2.2 EVOLUCIN DE UN INCENDIO

Es difcil de prever la evolucin de un incendio, an ms si no se conocen los parmetros fundamentales que lo pueden definir. En una representacin temperatura-tiempo se tiene relativamente bien diferenciadas tres fases, tal y como se muestra en la Figura 2.3:

Figura 2.3 Curva temperatura-tiempo en la evolucin de un incendio

Fase inicial o de preflashover Fase intermedia o de flashover Fase final o de extincin

2. INTRODUCCIN

32

La estimacin de la reaccin al fuego de los materiales contenidos en un local es vlida para la primera fase, que incluye los riesgos de iniciacin de la combustin al ser sometidos a una fuente trmica y el desarrollo en los momentos siguientes antes de alcanzarse las condiciones ambientales generales que puedan afectar profundamente al progreso de la combustin (flashover). La resistencia al fuego de los elementos constructivos desempea su mxima responsabilidad en la segunda fase, aunque su componente de retencin de humos y de gases juegue un papel de extraordinaria importancia desde que se inicia el fuego.

Los efectos sinrgicos que pueden aparecer en el transcurso de un incendio pueden tener extraordinaria importancia. Si un material se revela desfavorable como resultado de los ensayos elementales, se puede tener la seguridad que seguir siendo desfavorable dentro de un conjunto. Pero si el material por el contrario se revela como favorable, se pueden tener razones para no considerarlo como tal cuando va a ser utilizado junto a otros, debido a efectos amplificadores susceptibles de aparecer por la presencia de otros materiales o productos derivados de los mismos.

2.2.3 EL PROGRAMA TRMICO NORMALIZADO

Las definiciones hechas con anterioridad obligan a explicar con detalle el programa trmico al que debe ser sometido cualquier elemento de construccin para determinar su resistencia al fuego.

Como se ha visto son muchos los factores que condicionan y determinan la evolucin real de un incendio por lo que se puede decir que no hay dos incendios que sean idnticos en su desarrollo.

Si se admite que es posible representar la evolucin real de un incendio, tomando las temperaturas generadas (T) como una funcin del tiempo transcurrido (t) desde su inicio, puede expresarse grficamente esta funcin T=f(t), obteniendo la curva correspondiente que convencionalmente se asume como la representacin del fuego. En general, se toman las temperaturas como ordenadas y el tiempo como abcisas.

De este modo, el anlisis sistemtico del comportamiento de los elementos constructivos frente a los incendios, con el fin de obtener conclusiones coherentes y comparables con un rigor suficiente, aunque relativo, ha generalizado en todo el mundo la consideracin de unos fuegos tipo o fuegos normalizados, que constituyen unos programas trmicos perfectamente definidos en las normas.

A continuacin se describen los fuegos normalizados ms comunes:

a) Curva de fuego normalizada

El fuego tipo normalizado internacionalmente ha sido el resultado de numerosas experiencias, observaciones y anlisis de incendios reales, atendiendo a la necesidad de establecer una base comn de referencia para el anlisis del comportamiento al fuego de

2. INTRODUCCIN

33

los elementos de construccin. As, se establece que fuego tipo normalizado el que se desarrolla de modo que la evolucin de temperatura se ajusta a la expresin:

( )18log3450 += tTT (2.1) donde T T0 representa el incremento de temperatura del horno por encima de la

inicial, T, que ser la del ambiente, en C, y t representa el tiempo en minutos (Fig. 2.3).

Figura 2.4 Curva normalizada temperatura-tiempo

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80Tiempo(minutos)

Tem

pera

tura

(C)

2. INTRODUCCIN

34

En la norma UNE-EN 1363-1:2000 se establecen, adems, las bandas de tolerancia de la ecuacin (2.1), con lo que prcticamente todos los programas trmicos particulares de los diferentes pases viene a estar representados por el programa internacional.

Las tolerancias indicadas por la norma son:

- Durante los 10 primeros minutos 15 % - Durante los 30 primeros minutos 10 % - Despus de los 30 primeros minutos 5 %

Es preciso remarcar que si la evolucin de los incendios reales (tan diferentes entre s) no puede ser fielmente reproducida por un programa trmico, tambin es cierto que el mtodo establecido permite clasificar a los elementos constructivos, en relacin con su comportamiento ante el fuego, al menos por comparacin, tomando un patrn de referencia comn.

b) Curva de fuego de hidrocarburos

La ENV 1991-2-2:1998 recoge otras curvas temperatura-tiempo. En la siguiente figura se muestra la curva de hidrocarburos, cuya expresin analtica viene definida por:

( ) 20675,0325,011080 5,2167,0 += ttg ee (2.2)

siendo,

- g la temperatura del gas (C) - t el tiempo (minutos)

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100Tiempo(minutos)

Tem

pera

tura

(C)

2. INTRODUCCIN

35

Figura 2.5 Curva del fuego para incendios en presencia de hidrocarburos

c) Curva de fuego externo

La curva de fuego externo (ENV 1991-2-2:1998) viene definida por la expresin,

( ) 20313,0687,01660 8,332,0 += ttg ee (2.3)

siendo,

- g temperatura del horno (C) - t el tiempo (minutos)

Figura 2.6 Curva de fuego externo

d) Curva de fuego paramtrica

Otra curva que se recoge en la normativa es la curva paramtrica. Esta es vlida para comportamientos de fuego mayores de 100 m2 de superficie, sin huecos en el techo y con una altura mxima de 4 metros. La curva queda definida por la expresin siguiente:

( )*** 197,12,0 427,0204,03245,011325 tttg eee = (2.4)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 20 40 60 80 100Tiempo(minutos)

Tem

pera

tura

(C)

2. INTRODUCCIN

36

siendo,

- g la temperatura del gas (C) - t*=t (horas) - t tiempo (horas) - :

( )2

2

60,104,0

= bO

2. INTRODUCCIN

37

-

( ) 05,0 = cb ( J/m2s1/2K) y debe respetar los lmites: 1000 b 2000

- , densidad (Kg/m3) - c, calor especfico del contorno del recinto (J/KgK) - , conductividad trmica del contorno del recinto (W/mK ) - O, factor de abertura: Avh1/2/At con los valores en el intervalo 0,02 O 0,2 - Av, rea de los huecos verticales (m2) - h, altura de los huecos verticales (m) - At, rea total del recinto (m2)

e) Curva de calentamiento lento

La norma UNE 23820:1997 EX en su anexo A muestra la curva de calentamiento lento, cuyo incremento de temperatura inicial se produce a ritmo ms lento que la normalizada. Esta curva slo ser aplicable en el caso donde se prevea que el comportamiento del producto va a ser sustancialmente peor en condiciones de exposicin al fuego con combustin inicial lenta, y donde los reglamentos nacionales de construccin vengan a exigirlo. Las muestras se someten a una curva de evolucin de la temperatura que sigue la siguiente expresin:

20254 4/1 += tT Si t20 minutos

siendo T la temperatura (C) y t el tiempo (minutos).

La figura 2.7 compara las curvas de calentamiento lento y la curva de fuego normalizada.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100T iem p o (m in u to s )

Tem

pera

tura

(C)

C urva no rm a lizadaLen to

Figura 2.7 Comparacin de comportamientos entre la curva de calentamiento lento y la curva estndar

2. INTRODUCCIN

38

Nuevamente se incide en el hecho de que la normalizacin de todos los incendios en forma de un incendio tipo, ha conducido a simplificaciones que producen, en algunos casos, la sobrestimacin, y en otros casos, la subestimacin de las solicitaciones trmicas. Sera de desear, para llegar a una valoracin correcta, que se pudiese definir el tipo de incendio susceptible de producirse, en funcin de las propiedades de los materiales combustibles y de las caractersticas del edificio o local donde se produce.

De todos modos, el mtodo normalizado resulta ventajoso y til sobre todo al permitir establecer una clasificacin de los elementos de construccin en cuanto a su resistencia al fuego. Toda clasificacin implica una comparacin relativa y sta, a su vez, una base de referencia. Si la investigacin experimental acerca de los estados de tensin y daos producidos por los incendios reales y su correlacin con los ensayos normalizados sigue adelante, no se tardar en llegar a poder asociar con garanta la intensidad del incendio real con un periodo de tiempo equivalente del fuego normalizado.

2.2.4 SISTEMAS DE PROTECCIN PASIVA CONTRA EL FUEGO

Se define la ignifugacin como aquel tratamiento o sistema, que modifica la combustibilidad de un material. De este modo, ignifugar es tratar un material para aproximar a M0 su clasificacin con relacin a la reaccin al fuego. Los mtodos ms significativos son los que a continuacin siguen:

- Por cubricin: rellenado de poros

formacin de espumas

- Por emisin de gases no inflamables.

- Por modificacin del proceso de combustin.

- Por enfriamiento.

Para mejorar (aumentar) la resistencia al fuego de un elemento constructivo, se puede actuar sobre cualquiera de las variables que la definen:

La estabilidad mecnica puede mejorarse variando la calidad de los materiales que constituyen el elemento constructivo, o variando su composicin, reforzando su capacidad resistente mecnica, modificando su diseo para hacerlo ms adecuado a una funcin, etc.

La estanqueidad al paso de las llamas y gases de la combustin se mejora evitando dilataciones y cerrando juntas, grietas u orificios.

El desprendimiento de gases inflamables puede mejorarse evitando los materiales combustibles o pirolizables que los originan.

El aislamiento trmico puede mejorarse empleando la amplia gama de productos aislantes disponibles, aplicados de muy diversas formas, de acuerdo con la naturaleza del material que constituye el elemento, su estructura, su posicin, etc.

2. INTRODUCCIN

39

Los sistemas ms habituales de mejora de la resistencia al fuego son, bien el empleo de materiales intumescente, o bien el uso de recubrimientos, los cuales a su vez pueden ser proyectados o placas.

A continuacin se describen las formas ms utilizadas actualmente en el mercado.

2.2.4.1 Mejora de la resistencia al fuego 2.2.4.1.1 Materiales intumescentes

Por intumescencia se entiende toda reaccin qumica capaz de provocar un aumento en el espesor de un material, de manera que llegado el caso de un incendio, el material intumescente desarrolla un importante volumen de espuma carbonosa aislante que evita que la temperatura afecte a la estructura protegida.

Es un sistema muy extendido de proteccin al ser sencillo y fcil de aplicar, pero requiere de ciertas precauciones para obtener mximos resultados. Los materiales intumescentes actan bajo diversos mecanismos:

La reaccin qumica de intumescencia es endotrmica. Esto significa que absorbe gran cantidad de energa en el incendio.

Los gases que desprende, de naturaleza no txica, actan como refrigerantes de la capa intumescente en su escape hacia el exterior.

El volumen de espuma formada, altamente porosa y llena de gases, es un eficaz aislamiento fsico.

Las pinturas intumescentes son frecuentemente utilizadas en proteccin pasiva de estructuras metlicas. Es un sistema a utilizar cuando los niveles de proteccin requeridos no superan los 120 minutos. Aportan un reducido sobrepeso al edificio y, por su reducido espesor, respetan el diseo de los elementos a proteger.

2.2.4.1.2 Recubrimientos

Los productos que protegen por su espesor directo lo hacen por interposicin de un grosor definido de un material normalmente inerte al fuego y dotado de un alto coeficiente de aislamiento trmico.

La proteccin contra el calor/fuego de elementos constructivos mediante recubrimiento en general, est basada en productos resistentes a altas temperaturas y buenos aislantes trmicos a estas temperaturas. Estos recubrimientos, al impedir que el calor alcance el elemento en cuestin, los protege durante cierto tiempo, por lo que no sobrepasan la temperatura crtica.

Estos materiales se pueden encontrar en el mercado en forma de placas o como morteros aplicables por proyeccin.

2. INTRODUCCIN

40

Placas y paneles

Las placas se instalan recubriendo el perfil metlico a proteger con un espesor uniforme, y debe tener una composicin constante en todos los puntos.

Uno de los principales problemas que presenta es la estanqueidad al fuego de las juntas y uniones entre placas, lugar por donde suele fallar el aislamiento.

Las placas estn compuestas generalmente por yeso o silicato clcico, reforzadas por fibras inorgnicas resistentes al fuego. Las placas de silicato clcico se someten durante el proceso de fabricacin a un tratamiento en autoclave a alta temperatura, que le confiere una excelente estabilidad dimensional frente al fuego. Tienen un buen comportamiento mecnico, lo que posibilita una puesta en obra mediante grapado, atornillado o clavado.

Morteros proyectados

La ventaja de los morteros proyectados es que envuelven completamente al perfil, formando una barrera trmica excelente, sin uniones ni juntas.

Adems de una alta resistencia al fuego, estos materiales han de ser ligeros, de modo que no se sobrecargue la estructura, y debern presentar buena resistencia mecnica. Una clasificacin de estos materiales puede ser la siguiente:

Morteros flexibles:

Son morteros con una gran ligereza, con densidades comprendidas entre 200 300 kg/m3, y de muy baja conductividad trmica, en torno a 0,05 W/mK a 25 C, no superando 0,11 W/mK a 700 C. Por su gran flexibilidad, se adaptan perfectamente a cualquier soporte, sin fisuras ni agrietamientos. Tienen el inconveniente de un aspecto final rugoso, de un bajo nivel esttico.

Dentro de este grupo se encuentran:

Morteros de fibras minerales y cementos.

Morteros de fibras minerales y otros aglomerantes hidrulicos.

Morteros rgidos:

Son morteros ms pesados, con densidades por debajo de los 900 Kg/m3, su conductividad trmica est comprendida entre los 0,05 0,15 W/mK a 25 C, dependiendo de su ligereza, y los 0,25 W/mK a 700 C.

En el mercado se puede encontrar:

Morteros de escayola y perlita.

Morteros de cal y vermiculita.

Morteros de cemento y vermiculita.

2. INTRODUCCIN

41

La presencia de agua en estos morteros, tanto en forma de agua libre como qumicamente unida a algunos compuestos (CaSO42H2O, por ejemplo), produce la evaporacin de sta, proceso que, al ser endotrmico, absorbe gran parte del calor generado en un incendio, consiguiendo que la temperatura se mantenga constante durante el periodo de evaporacin del agua (meseta de evaporacin).

2.2.4.2 Soluciones de proteccin pasiva

2.2.4.2.1 Proteccin de estructuras metlicas

Los perfiles metlicos, tan verstiles y resistentes a la hora de disear estructuras portantes, presentan el inconveniente de su vulnerabilidad frente al fuego. Los metales en contacto con un foco de calor, aumentan su temperatura, lo que provoca una disminucin de su resistencia mecnica.

Se considera que un elemento constructivo pierde su capacidad resistente o funcional bajo la accin del incendio, como consecuencia de la prdida, en primer caso, de ciertas caractersticas de capacidad portante, y en el segundo, de su capacidad de aislamiento trmico o de estanqueidad a las llamas, o por emisin de gases inflamables, txicas, etc.

Cada metal o aleacin tiene una temperatura crtica, por encima de la cual el perfil ya no puede soportar la carga para la que ha sido diseado (en el caso del acero al carbono se suele considerar en el entorno de los 500 C). Para las estructuras de acero, slo las condiciones resistentes o de deformacin son consideradas especficamente, suponindose confinadas a las posibles caractersticas de aislamiento o carcter cortafuego a otros elementos constructivos. Por consiguiente, slo se establecen aqu criterios para prevenir estados lmites caracterizados por el agotamiento de las condiciones de respuesta estructural exigibles bajo la accin del incendio.

Dichos estados lmite se establecen mediante diversos criterios que hacen referencia, bien a condiciones de agotamiento resistente (transformacin de la estructura en un mecanismo, inestabilidad elstica o inelstica), bien al hecho de sobrepasarse en determinados lmites considerados excesivos de la velocidad de la deformacin o de los valores absolutos de los movimientos de la estructura. Independientemente de los criterios adoptados, que corresponden a las caracterizaciones ms o menos severas de fenmeno de la prdida de capacidad esttica bajo el incendio, todas ellas corresponden a estos lmites ltimos, no relacionados con el comportamiento de la estructura en sus condiciones de servicio normal, sino con el agotamiento de la misma en situacin accidental o excepcional aqu considerada.

Segn este criterio, se considera que se produce el estado lmite de agotamiento bajo la accin del incendio, cuando la pieza o estructura en cuestin, sometida a los incrementos de temperatura derivados de la exposicin al incendio, agota su mxima capacidad resistente, como resultado de alguno de los siguientes fenmenos:

- Transformacin de la estructura en un mecanismo.

- Inestabilidad elstica o inelstica.

2. INTRODUCCIN

42

La resistencia al fuego juega un papel decisivo, en el sentido de que el elemento constructivo ha de aguantar un determinado periodo de tiempo, evitando durante el mismo la propagacin del incendio; su evaluacin se hace mediante criterios de estabilidad mecnica, estanqueidad a las llamas y gases calientes, aislamiento trmico y no emisin de gases inflamables. Para los elementos de construccin metlicos portantes, el criterio a tener en cuenta es la estabilidad mecnica.

Para evitar la prdida de estabilidad de la estructura, existen varias formas de proteccin que se basan esencialmente en el recubrimiento de los perfiles, usando aislantes con un contrastado comportamiento contra el fuego. Entre estos sistemas, los ms importantes son las pinturas intumescentes, los morteros y los paneles.

2.2.4.2.2 Divisiones y compartimentaciones

Las divisiones y compartimentaciones resistentes al fuego (tales como tabiques, mamparas, trasdosados, falsos techos, etc.) permiten establecer una barrera eficaz contra el fuego y los elementos a proteger, impidiendo la propagacin del fuego a otras reas.

En ocasiones se adoptan estas soluciones como elemento compartimentador, para crear sectores de incendios e impedir el paso del fuego a otras zonas, mientras que en otras ocasiones se adoptan como sistema de proteccin de otros elementos constructivos. Por ejemplo, un falso techo que protege a las instalaciones que discurren por encima o la estructura metlica del forjado.

Techos

Muy a menudo, especialmente e edificios rehabilitados, los techos no cumplen las nuevas especificaciones de proteccin contra el fuego. Esto adquiere especial importancia en edificios de uso no residencial, como hospitales, hoteles, oficinas, as como el sector de la industria, debido principalmente a la importancia carga el fuego que existe en los mismos, y el nmero elevado de instalaciones que contienen.

Para garantizar este tipo de proteccin existen diversas soluciones, siendo las ms importantes las que recurren a paneles para:

- Falsos techos en la proteccin de vigas de acero y forjados de hormign - Falsos techos registrables

- Techos independientes

Divisiones

Gracias a las propiedades mecnicas de los paneles, pueden construirse divisiones de hasta 12 m de altura, reforzando los paneles con otros elementos constructivos.

Para el sector de la construccin en general, los paneles ofrecen diversas soluciones de divisiones, que se caracterizan por su facilidad de instalacin, resistencia a la humedad y grandes resistencias al fuego con pequeos espesores.

2. INTRODUCCIN

43

En algunos casos, se precisa mejorar la resistencia al fuego de determinados elementos constructivos, para ello se realizan trasdosados con el panel.

Para el sector industrial, en la mayora de las ocasiones se necesitan divisiones con gran resistencia mecnica, debido a que han de soportar carga. En estos casos existen diversas soluciones, desde los tabiques de fibrosilicatos recubiertos con capas de acero, lo que garantiza una elevada resistencia a carga.

2.2.4.2.3 Conductos de ventilacin

En el desarrollo de un incendio la ventilacin tiene una importancia capital. Todos los bomberos son conscientes de que el gran problema a la hora de atacar con xito cualquier fuego en interiores, es la capacidad de obtener una buena ventilacin y extraccin de humos. Estos son los factores de mayor riesgo, y son los causantes de la mayora de las desgracias personales en estos tipos de siniestros.

Por tanto, debe concederse una atencin muy especial al estudio de los medios de eliminacin de los humos y gases que se producen en caso de incendio, siendo muy necesario que los conductos implicados en esta misin sean resistentes al fuego, para que puedan realizar su funcin durante el tiempo que dure la evaluacin y la actuacin de los sistemas y equipos de extincin.

Los conductos de chapa de acero pueden deformarse en caso de fuego muy fcilmente y pueden comunicar un compartimiento incendiado con otro adyacente. Adems, hay que tener en cuenta que la dilatacin de los conductos, que puede llegar a 8 cm por cada 10 m de longitud, puede abrir un hueco por deformacin o romper la pared cortafuego.

Con los paneles se han desarrollado sistemas constructivos que permiten evitar estos problemas en caso de incendio, revistiendo el conducto de ventilacin o construyendo el conducto slo con un panel.

2.2.4.2.4 Sellado de huecos

Todos los huecos realizados en un elemento compartimentador comprometen su resistencia al fuego, disminuyndola hasta el punto de no cumplir su funcin, ya que permiten la propagacin del incendio.

De este modo, todo hueco que permanezca al finalizar la construccin del edificio, y los que se realicen con posterioridad por reformas, debe ser tratado adecuadamente con soluciones estudiadas y diseadas para que el elemento compartimentador cumpla ntegramente su funcin.

No sirve simplemente tapar estos huecos, deben sellarse con sistemas que han de cumplir los requisitos necesarios de resistencias al fuego exigibles mediante normativa, para el elemento compartimentador en el que se aplicarn, esto es:

2. INTRODUCCIN

44

Estabilidad mecnica o capacidad de mantenerse como barrera fsica sin colapsarse, durante el periodo de tiempo exigido.

Estanqueidad, como capacidad de resistir la aparicin de grietas o aberturas por las que puedan pasar humos, gases, etc.

Aislamiento trmico, capacidad para limitar la temperatura en el lado no expuesto al fuego a un valor tolerable exigido por la normativa.

Dadas las diferencias existentes entre los diversos huecos que pueden aparecer, son muchas las soluciones, siendo las ms frecuentes:

Sellado de pasos de cables

El sistema ms habitual es con paneles de lana de roca. Tambin se utilizan sistemas con morteros, sistemas modulares o almohadillas intumescentes.

Sellado de pasos de tuberas

Los sistemas anteriormente descritos pueden usarse, aunque si presentan problemas de gran movimiento axial y lateral, vibraciones, espacio de sellado pequeo y el uso de fluidos calientes dificulta su sellado. Por ello se suelen utilizar masillas a base de silicona o intumescentes con lana mineral donde el tamao del hueco lo permita.

Sellado de juntas Las juntas que se pueden encontrar son las de dilatacin, perimetrales de muro

cortina, de unin pared-forjado, etc. Para juntas de alto grado de movimiento se emplean masillas de silicona y lana de roca, o tiras de espuma flexible intumescente. Para las juntas de muro cortina existen paneles de fibro-silicato rellenos de un material de lana mineral.

2.2.5.2.5 Proteccin de bandejas de cables Existen instalaciones que pueden iniciar el fuego, o favorecer su propagacin.

Entre ellas, las bandejas o mazos de cables, por las especiales caractersticas que concurren en ellas, deben de ser objetos de especial atencin.

El material ms utilizado comnmente para el aislamiento elctrico es normalmente inflamable y puede desprender humos y gases txicos, siendo, por tanto, una buena va para la propagacin del fuego. Sin embargo, las normas de instalaciones elctricas incluyen las especificaciones de esos recubrimientos. El alto coste de estos hace en muchas ocasiones inviable su empleo.

De este modo, en muchos casos en preciso aplicar una proteccin adicional. Por otra parte, existen conducciones de cables, que deben mantener el suministro elctrico durante ciertos periodos del incendio, tales como alarmas, comunicaciones, energa de ciertos equipos vitales. Existen pues dos aproximaciones diferentes a la proteccin de las bandejas:

2. INTRODUCCIN

45

Limitar la propagacin, utilizando revestimientos a base de resinas termoplsticas, cermicas o intumescentes, directamente sobre los cables o creando cortafuegos en algunas zonas.

Mantener la corriente durante un tiempo limitado, creando conductos de panel de fibrosilicatos.

2.2.5 TRANSFERENCIA DE MATERIA Y ENERGA EN MEDIOS POROSOS EXPUESTOS AL FUEGO

Cuando un medio poroso con un cierto contenido de agua en sus distintas formas (libre, absorbida, cristalizada, etc.) se expone a un incendio, parte del agua se evapora, absorbiendo parte de la energa del incendio y generando una sobrepresin de este vapor en el interior de los poros del material. En consecuencia, bajo los efectos de la presin, el agua evaporada se transporta hacia la superficie interior (expulsa al fuego). La parte externa (no expuesta directamente al fuego) se encuentra a baja temperatura y por tanto, parte del agua vuelve a condensar, formndose un frente progresivo de lquido, el cual puede impedir adems el transporte de masa hacia el interior. Este efecto absorbe gran parte de la energa que transmite el fuego al material, de forma que durante un periodo de tiempo, la temperatura en la cara no expuesta al fuego permanece constante, dando lugar a la aparicin de un fenmeno denominado meseta de evaporacin.

Despus de un tiempo, se pueden distinguir tres zonas en el material expuesto al fuego (figura 2.8):

- Una primera seca y deshidratada.

- Una capa con agua saturada que acta de pared impermeable de los gases.

- Una zona con material prcticamente inalterado.

Lgicamente, la cintica y amplitud del fenmeno descrito estn controladas por las propiedades del material, as como por las caractersticas del elemento estructural y por las solicitaciones trmicas y mecnicas del mismo.

Entre las propiedades del material que pueden influir en la transferencia de materia y energa del medio poroso, se encuentran el contenido de humedad en el material, la densidad, la conductividad trmica, la capacidad calorfica y la permeabilidad al vapor y al agua lquida. Adems, otras propiedades pueden hacerse ms significativas en funcin de las solicitaciones a que se encuentre sometido el material, como aquellas que afectan a la microestructura del mismo, tales como la porosidad, la distribucin granulomtrica de las partculas, microgrietas, etc.

Tambin es necesario tener presente que las propiedades anteriores pueden variar significativamente en funcin de otros factores como son la forma y tamao del material expuesto y la situacin del elemento en obra que, ante altas temperaturas, puede provocar comportamientos resistentes al fuego distintos para un mismo material, en funcin de su ubicacin.

Por tanto, el estudio del comportamiento de un material poroso y hmedo ante el fuego es complejo debido al acoplamiento de fenmenos trmicos, qumicos y mecnicos.

2. INTRODUCCIN

46

Algunos autores han desarrollado modelos de transferencia de masa y energa en medios porosos sometidos al fuego [Sahota y Pagni, 1979; Huang y Ahmed, 1991].

Figura 2.8 Modelo de las fases

Segn Sahota y Pagni, las ecuaciones que modelan el comportamiento del material se establecen bajo las siguientes suposiciones:

Existe un equilibrio termodinmico local, ya que el tiempo en que se alcanza el equilibrio trmico entre el fluido y el slido es mucho menor que el tiempo caracterstico del problema.

Existe un equilibrio lquido-vapor en presencia de agua lquida, de forma que la presin parcial del vapor es la presin de saturacin del agua a la temperatura en que se encuentre.

Se desprecia el movimiento del lquido. Esto no es una caracterstica inherente al modelo, y se podra incluir si se conociese el coeficiente de

Vapor

Cara expuesta al fuego Cara no expuesta al fuego

Flujo de calor

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20 25

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(C

)

MESETA DEEVAPORACIN

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 25Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(C

)

Fase seca

Interfase lquida

Fase inalterada

2. INTRODUCCIN

47

Darcy para el lquido, pero generalmente este coeficiente es muy pequeo comparado con el de los gases, por lo que se desprecia.

El agua qumica y fsicamente unida no se tiene en cuenta, esta simplificacin se realiza debido al desconocimiento de sus propiedades cinticas.

A partir de las hiptesis anteriores, para la resolucin del problema de la transferencia de masa y calor unidireccional en medios porosos hmedos, con inquemados, se necesitan las siguientes ecuaciones:

Ecuacin de la energa combinada con la ecuacin de conservacin de masa:

( ) ( )

+

+= TRt

hhcx

Tx

w

c

ccDu

c

c

x

Tt

Tmmccmfg

p

a

pm

papvcm

p

pmm

1

2

2

(2.6) siendo,

- T la temperatura - t el tiempo - la difusividad trmica - x la direccin espacial - la densidad - cp la capacidad calorfica - m la velocidad de generacin de vapor - c la velocidad de combustin de los inquemados - Dc el coeficiente de Fick - u la fraccin msica - hfg la entalpa de evaporacin del agua - hc la entalpa de combustin de los inquemados del material

* Los subndices indican: (a) aire, (m) mezcla de aire-vapor, (v) vapor.

Las condiciones iniciales y de contorno son:

( ) ( )xTxT 00, = (2.7)

( ) 0,0 =tx

T

(2.8)

( ) ( )tTtLT f=, (2.9)

2. INTRODUCCIN

48

donde Tf es la temperatura del incendio.

Ecuacin de balance de la masa de aire:

m

m

aam

ac

a w

x

wu

x

wDt

w =

2

2

(2.10) Con condiciones de contorno e iniciales:

( ) ( )xwxw aa 0,0, = (2.11)

( ) 0,0 =tx

wa

(2.12)

( ) ( ) ( )[ ]twtLwhtLt

wD aacacm 0,,, =

(2.13) donde hc es el coeficiente global de conveccin y radiacin.

Ecuacin de Darcy:

Esta ecuacin nos proporciona la velocidad de la mezcla aire-vapor,

x

pku Dm

=

(2.14) siendo kD el coeficiente de Darcy y p la presin, con la condicin de contorno:

( )

= ptLp , (2.15)

con p la presin del ambiente.

Ecuacin de conservacin de la fase gas:

mm

t=

(2.16)

2. INTRODUCCIN

49

con la condicin de contorno:

( ) 0,0 =tum (2.17)

Balance de lquido:

mll

t==

(2.18)

donde l es la velocidad de prdida de lquido, con la condicin inicial:

( ) ( )xx ll 0,0, = (2.19)

Ecuaciones de estado del vapor y de la mezcla aire-vapor:

( ) TRwpp

mma

l

lv =

1

(2.20)

TRpp

mm

l

lv =

(2.21)

donde es la permeabilidad y p la presin. Los subndices indican: (a) aire, (m) mezcla aire-vapor, (l) lquido y (v) vapor.

Ecuacin correspondiente al equilibrio lquido-vapor:

En la cual, pv ser la presin de saturac