Nota Técnica

Caracterización del material compuesto mármol-poliéster

Characterization of material composite marble-polyester

Fecha de recepción:: 25-11-02 Fecha de aceptación: 8-V-02

F. A. CORPAS IGLESIAS<*\ F. J. IGLESIAS GODINO<*>, S. CODINA SANCHEZ *), J. M. RUIZ ROMANt">, J. M. RUIZ PRIETO "), C. ALONSO SANTOS ")

í' E. U. P. de Linares, Universidad de Jaén

"í E. T. S. I. de Minas. Univ. Complutense de Madrid

ESPAÑA

RESUMEN

En este trabajo, caracterizamos un nuevo material compuesto, formado con una mezcla de poliéster y de mármol blanco triturado. El propósito final es doble: por un lado obtener un material para aplicaciones lo suficientemente competitivas como para que se pueda iniciar un estudio económico de viabilidad, aumentando el rendimiento de la materia prima y mejorando las salidas laborales de las comarcas extractoras.

SUMMARY

In this work we characterize a new material composite, formed with a polyester and crushed white marble mixture. The final purpose is double: to obtain a material for applications sufficiently competitive after an economic viability study, increasing the yield of the main commodity, using waste marble and improving the jobs in the quarries area.

Para la caracterización del material se ha determinado el porcentaje adecuado de poliéster. Así como las propiedades mecánicas (flexión, compresión y dureza), químicas, fatiga térmica y su influencia a la exposición solar

In order to characterized of material, we have determined the suitable porcentage of polyester Also we have carried out a study of the mechanical (stretching, resistance to traction, hardeness and thermal fatigue) chemicals properties and solar radiation influence.

De los resultados obtenidos, este material podría ser utilizado para ornamentación tanto de interior como de exterior.

From the results obtained, we deduce then that this material could be used to inside and outside adorment.

PALABRAS CLAVE: mármol, materiales compuestos, poliéster, nuevos materiales de construcción, residuos

1. INTRODUCCIÓN

El mármol es un importante sector económico en la co­marca de Macael, en el sur-oeste de España, que con una población próxima a los 50.000 habitantes, constituyen el 80% de la producción de mármol español, dando em­pleo directo este sector a 4.300 trabajadores, dedicándo­se el 33% de las empresas a la de extracción, el 46% a la transformación y el 21 % restante como industrias artesanas (1)

A finales del siglo XX, se obtuvieron unas ventas estima­das de 44.000 millones de pesetas, extrayéndose 780.000 toneladas correspondientes a la variedad de «Blanco Macael», 200.000 toneladas de otras variedades de blan-

KEYWORDS: marble, material composite, polyester, new consttruction material, residues

CO y 400.000 toneladas de mármol de otros colores. Esto supone aproximadamente unas 420.000 toneladas de re­siduos que, en su gran mayoría, se vierten en escombreras ocasionando un grave impacto paisajístico y ambiental. Una utilización que se realiza de estos residuos es, des­pués de un triturado inicial, como materia prima para la construcción, fabricación de pinturas y gomas, para plan­tas desulfuradoras así como para obtener carbonato cal­cico (2)

En este trabajo, aportamos una aplicación más a estos residuos, de forma que se reduzca el material vertido en las escombreras que genera la actividad extractora del mármol. Proponemos obtener un material compuesto uti­lizando poliéster como ligante y mármol como base de este material compuesto.

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Hemos escogido el poliéster por ser un polímero termoestable, muy conocido en la actualidad, con un cos­te razonablemente bajo (tiene un coste muy interior a las resinas epoxídicas (3,4) además de no necesitar utillajes complejos en su proceso de conformado, pues la etapa de curado se puede realizar a temperatura ambiente.

2. PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN

El mármol utilizado ha sido proporcionado por la empre­sa "Triturados Blanco Macael" siendo su composición química prácticamente calcita en su totalidad (98,55% CaC03). Triturados Blanco Macael Ofrece una amplia gama de triturados de mármol. En nuestro estudio, nos hemos centrado en los triturados de granulomctría infe­rior; tipo polvo (Figura 1) en donde se muestra la distri­bución de las partículas que han pasado por el último ta­miz (< 0,9 mm) y una microfotografía de una probeta rea­lizada con esta granulomctría (8% de poliéster), y tipo arenilla (Figura 2) en donde las partículas han pasado a través de un tamiz de 1,7 mm y no sobrepasan el último tamiz de 0,9 mm, aunque como se puede observar en la distribución granulométrica de la figura 2, hay presencia de partículas con granulomctría inferior debido a que un mayor tiempo de permanencia entre los tamices eleva el coste. La microfotografía contigua muestra una probeta realizada con esta granulomctría y un 8% de poliéster.

Para carecterizar este material compuesto hemos fabricado probetas de 15x30x60 mm, para los ensayos a flexión, compresión y dureza superficial. También se han realizado ensayos de fatiga térmica, radiación solar,

absorción de agua y de ataque químico. Este tamaño de prœeta es muy adecuado para todos los ensayos anteriormente indicados.

3. RESULTADOS EXPERIMENTALES

3.1 Determinación del porcentaje de poliéster

En primer lugar hemos determinado el porcentaje ade­cuado entre el poliéster y el mármol, tanto para la granulomctría polvo (Figuras 3 y 4) como para la graiulometría arenilla (Figuras 5 y 6), fijando como parámetro de idoneidad sus resistencias mecánicas a la compresión, su módulo de flexión y a la dureza superfi­cial (sólo para granulomctría polvo).

De estas gráficas podemos observar que para un porcen­taje del 8% de poliéster un incremento de éste no supo­ne un incremento significativo de sus resistencias.

En cuanto a la dureza superficial (Figura 7) se han reali­zados ensayos de dureza Vickers sólo para la graiulometría mármol polvo, por presentar con ésta un aspcto quizás más estético, además de presentar una mayor heterogeneidad que las muestras con granulomctría areailla.

Si observamos esta gráfica, para porcentajes inferiores al 7,5%) de poliéster se obtienen durezas superficiales infe­rióles a las de poliéster y del mármol puro. Este contra-sen:ido aparente se puede explicar por la menor resisten­cia entre las partículas de mármol ante los esfuerzos de penetración, al presentar una débil cohesión entre las par­tidlas de mármol por la poca cantidad de poliéster.

40

f^m-F.Í

m.- It-: 0,8< 0,63 0,5< 0,4< 0,3< 0,2< 0,15 0,1< 0,07 0,06 X < < X < X < X < X < X < < X < X < 5 < X < X < 0,9 0,8 0,63 0,5 0,4 0,3 0,2 0,15 < 0,1 0,07

X < 0,06

DCant idad (gr) 3,58. 13,5.21,46 21,2 25,89.30,8125,82 21,5220,39. 10,8. 4,36

Distribución granulomclrica sobre 100 gr de polvo de mármol '.i«A *•'. •^'íáLiL..

Poliéster 87r-polvo de mármol

Figura I.- Dislribución granulométrica sobre 10 Og de polvo de ¡nármol. Poliéster con 8% de polvo de mármol.

% 50

4 0

30

2 0

1 0

0

• C an t idad (g r)

D i s t r i b 11 c g ra r

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i O. O ^ a... 0.8< 0 ,63< 0,5< X < X < X < "v ' '~

1,25 0,8 0 ,63 0,5 0,4

3 9 , 1 7 4 6 , 3 8 6 , 1 3 2 . 2 , 6 3 4 1,228 4 , 4 5 6

i ó 11 g r ¡11111 1 o in c t r i c a s o b r c 10 0 g r d c 1 u 1 o ni e t r ía a re n i 11 a d c m á r ni o I

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Poliéster 8%-

Í/-.J

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^ P v ^ ^ la de mármol

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Figura 2.- Distribución granulométrica sobre 100 g de granulomctría arenila de mármol. Poliéster con 8% de arenilla de mármol.

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POLIESTER

17.5% -I

100 MPa

POLIESTER

17,5%-|

10,U/o"

1¿,0/o '

1U,U/o'

7.5% -

0.U70 "

¿,07o " >:t 0.0% '

0 10

1

\

tx..^ .

20 30 MPa

40

Figura 3.-Resistencia a compresión poliéster-polvo de mármol. Figura 4.-Resistencia a flexión poliéster-polvo de mármol.

POLIE

14%

11%

•>*/. -

ESTER

0 ' 20 ' 40

^ ^

' 60

/

t | t .

\ U

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' 80

MPa

' 100

POUE

14%

11%

8% -

5% •

STER

' 0 5

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' 10

* \* \ \ J ,

/ t^^ t t

/' '^^

' ' 15 20

MPa

' 25

Figura 5.-Resistencia a compresión poliéster-arenilla de mármol. Figura 6.-Resislencia a flexión poliéster-arenilla de mármol.

30

25

20

1.5% 2% 2.5% 5% 7.5% 10%

POLIESTER

Mármol Puro Dureza Vickers 75'8 Desviación Media 12.3 %

Poliester Puro Dureza Vickers 22'2 Desviación Media 4'26 %

° Dureza vickers

® huella media (mm) X 10

° Desviación media %

Figura 7.- Dureza Vickers poliéster-polvo de mármol.

3.2. Influencia de la presión de compactación

Con el porcentaje del 8% y para la granulometría polvo, una vez que los materiales se han mezclado e iniciado la polimerización, hemos estudiado el efecto de la compre­sión de compactación en el comportamiento mecánico de las probetas una vez que terminan de curar.

Como se puede observar en las Figuras 8 y 9, con una baja fuerza de compactación de 3.500 kg (presión efecti­va de 19 MPa) se obtienen valores medios prácticamente constantes a los de ensayos con fuerzas de compactación superiores.

Sin embargo, observando el coeficiente de absorción (Fi­gura 10) para la presión de compactación de 19 MPa ob-

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PRESIÓN DE COMPACTACIÓN MPa

137,5 n

110

82.5

55

27,5

20 30 40

Resistencia en Mpa

PRESIÓN DE COMPACTACIÓN MPa

\óf ,0'

110 •

82,5

55 -

27.5 -

V \ ' /

V _j-^^^'

0 ' ' " '1 1 1 ' 1

0 20 40 60 80 100 Resistencia en MPa

Figura 8.- Influencia de la presión de compactación sobre la Figura 9.- Influencia de la presión de compactación sobre la resistencia a flexión 8% poliéstcr-polvo mármol resistencia a compresión 8% policster-polvo mármol

O 27.5 55 82.5 110 137,5

Presión de Compactación (IVIPa)

Figura 10.- Coeficiente de absorción 8% poliéster-mármol.

tenemos una ligera porosidad frente a la nula porosidad que se obtiene para mayores presiones (se eliminan total­mente los poros). Con lo que podemos concluir que la presión de compactación debe de tener un valor suficien­te para eliminar los poros y que el poliéster "moje" a las partículas de mármol, no variando prácticamente su re­sistencia mecánica aunque presente cierta porosidad con presiones de compactación bajas.

3.3. Fatiga térmica

Se ha sometido a 5 probetas 8% poliéster - granulometría polvo a ciclos térmicos de 24 horas a 80 ^C seguidos de 24 horas a -10 °C (Figura 11) durante un tiempo de 20 días, al cabo de los cuales, se ha procedido a una inspec­ción visual y microscópica, no observándose cambios su­perficiales de aspecto ni fisuras. Posteriormente se han

ensayado a compresión (75 MPa), flexión (26 MPa) y la dureza superficial (25,4 Vickers), sin producirse valores fuera de la dispersión obtenida en los ensayos sobre probetas sin tratar.

3.4. Exposición solar

Este ensayo (no normalizado, por lo que las conclusiones son a titulo indicativo) se ha realizado exponiendo 5 probetas 8 % poliéster-granulometría polvo a la intempe­rie durante todo el mes de agosto de 2001 en la localidad de Linares (Jaén) sobre una superficie elevada y expuesta totalmente a la radiación solar.

Como se puede observar en la Figura 12, se aprecia una pérdida de coloración (blanqueado del poliéster) hecho que se ve reflejado en los histogramas de luminosidad

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de tres probetas (Figura 13), en donde en estos histogramas se representan la distribución de los píxeles de las imáge­nes escaneadas de las caras expuestas y no expuestas de cada probeta; en vertical la cantidad de píxeles sobre cada nivel de gris sobre el eje horizontal (O negro y 256 blan­co) apreciándose un desplazamiento hacia el blanco en la distribución de los píxeles que conforman la imagen de las caras escaneadas.

Observando su estructura microscópica (figura 14) no se aprecian cambios significativos entre la interfase entre el poliéster y las partículas de mármol.

Por lo que respecta a las características mecánicas, flexión 25,3 MPa y compresión 81 MPa, éstas están dentro de la desviación normal respecto de las probetas sin exponer a la radiación solar.

Figura JJ.- Imagen en la que se puede observar que no se han producido deterioros en la intetfase entre granos y el poliéster

Figura 12.- a) cara expuesta; b) cara no expuesta.

Cantidad de pixeles Cantidad de pixeles

MOOp

Cantidad de pixeles

lûûûr

O 64 128 192 25e

NEGRO BLANCO

Figura 13.- Histograma de tres probetas SVo poliéster-polvo de mármol.

Figura 14.- Imagen en la que se puede observar, en su estructura microscópica, que no se han producido deterioros en la interfase entre granos y el poliéster

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3.5. Resistencia química

Estos ensayos se han rea l izado basándonos en el m é t o d o

descr i to en la no rma I S O 10545-13 "Baldosas ce rámicas .

Dete rminac ión de la resis tencia qu ímica" , consis tente en

la apl icación por inmers ión en 200 el de los siguientes

react ivos , va lorándose a cont inuación sus propiedades

mecánicas . Las muestras expuestas han sido 8 % poliéster-

mármol .

^:%^'^-/ Jí ípoclorí to sódico Aditivos para piscinas

- Ac ido c iorhldr ico Ácidos y álcalis en alta concentración

Aplicación Productos domést icos de limpieza

Concentración IQO gr/1 20 mg/1 18 % (v/v)

Tiempo de contacto 24 horas 24 horas 4 días

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Histogramas de Intensidad (distribución de los pfxeles sobre las imágenes escaneadas, O negro, 256 blanco)

Pieza sin tratar Cloruro amónico Hipoclorito sódico Ácido clorhídrico

1600

1200-

800

400-

1600

1200

800

400

1600

1200

800

4 0 0

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\

1600

1200

800

400

64 128 192 256 64 128 192 256 64 128 192 256 64 128 192 256

Porosidad

O 2.77 % 0.07 % 0.13 %

Pérdida de peso 0.27 % 0.285 % 26.15 % (='0

Flexión

26 Mpa (± 14 %) 18.7 MPa 18.47 Mpa 13.63 Mpa

Compresión

72 Mpa (± 15 %) 81 Mpa 69Mpa 3 3 M p a

'•' La pé rd ida de mate r ia l se p r o d u c e s u p e r f i c i a l m e n t e (en to rno a 1,55 m m de p ro fund idad ) por lo que el n ú c l e o no se ve a fec tado y, por lo t an to , sus p r o p i e d a d e s m e c á n i c a s se r educen en p ropo rc ión a esta p é r d i d a de secc ión .

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4. CONCLUSIONES

El material compuesto formado por mármol blanco tritu­rado, tanto de la granulometría polvo, como con la granulometría arenilla, presentan unas propiedades acep­tables, tanto mecánicas ante los esfuerzos de compresión, flexión y fatiga térmica, como a la exposición a los pro­ductos químicos y a la radiación solar. Por lo cual, este material sería idóneo para la fabricación de elementos ornamentales, tanto de interiores como de exteriores.

El coste de este material compuesto es de 0,13 €/kg (már­mol triturado con 8% poliéster), no obstante este valor es

orientativo y tiene en cuenta solamente la materia prima sin tener en cuenta factores industriales ni otras conside­raciones.

Queda por estudiar la aplicación combinada de estos materiales a través de materiales ligantes de construcción convencionales (morteros en base de cemento clásico o especiales) así como su comportamiento diferido con el tiempo, o bien a través de otros materiales ligantes no convencionales quizás a través de otros materiales poliméricos.

BIBLIOGRAFÍA

(1) Carretero Gómez, A. La comarca almeriense del mármol: una economía centrada en un único recurso. Revista de estudios regionales, n°48 (1997) pp. 145-166. (2) Benito Soria, (et al.). Manual de rocas ornamentales : prospección, explotación, elaboración y colocación. LOEMCO. Madrid. 1996. (3) Corpas Iglesias, F. A; Codina Sánchez, Simón; Ruiz Roman, J.M; Ruiz Prieto, J.M.; García Cambronero, L. E; Alonso, Cristina. Exploitation of marble residues through material composite in a polymer matrix. Volume 6. Materials for Buildings and Structures. Wiley-VCH. 2000. ISBN: 3-527-30125-9. (4) Corpas Iglesias, F. A; Codina Sánchez y otros. Using marble waste through composite materials made of polymeric matrix icce/8tenerife2001.

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