DESARROLLO DE MATERIALES ABSORBENTES ACÚSTICOS A...
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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA SEVILLA, 2018 TRABAJO FINAL DE MÁSTER MÁSTER EN INGENIERÍA AMBIENTAL TFM DESARROLLO DE MATERIALES ABSORBENTES ACÚSTICOS A PARTIR DE ESCORIAS SIDERÚRGICAS AUTOR: ADRIÁN CAMPAYO RIEGO TUTOR: CARLOS LEIVA FERNÁNDEZ
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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS
UNIVERSIDAD DE SEVILLA
SEVILLA, 2018
TRABAJO FINAL DE MÁSTER
MÁSTER EN INGENIERÍA AMBIENTAL
TFM
DESARROLLO DE MATERIALES ABSORBENTES
ACÚSTICOS A PARTIR DE ESCORIAS SIDERÚRGICAS
AUTOR: ADRIÁN CAMPAYO RIEGO
TUTOR: CARLOS LEIVA FERNÁNDEZ
1
Índice General
Capítulo 1: INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 6
1.1. Contaminación acústica. .................................................................................................. 7
1.1.1. El Ruido. ..................................................................................................................... 7
1.1.1.1. Diferencia entre ruido y sonido. ........................................................................ 7
1.1.1.2. Conceptos fundamentales, definiciones, notaciones y unidades. ........................... 8
1.1.2. Distribución espacial del ruido. ............................................................................... 13
1.1.2.1. Absorción acústica ................................................................................................. 14
1.1.2.2. Reflexión acústica .................................................................................................. 15
1.1.3. Contaminación atmosférica .................................................................................... 16
1.1.3.1. Fuentes de contaminación acústica ....................................................................... 17
1.1.3.2. Efecto sobre la salud .............................................................................................. 17
1.1.3.3. Índice de valoración de ruidos ............................................................................... 20
1.1.3.4. Control de contaminación acústica ........................................................................ 21
1.1.3.4. Dispositivos reductores de ruido de tráfico en carreteras ..................................... 22
1.1.4. Normativa ................................................................................................................ 27
1.1.4.1. EN 1793 “Dispositivos reductores de ruidos de tráfico en carreteras. Método
de ensayo para determinar el comportamiento acústico”. ................................................ 27
1.1.4.2. EN 1794 “Dispositivos reductores de ruido de tráfico en carreteras.
Comportamiento no acústico. ............................................................................................. 30
1.1.4.3. EN 14388 “Dispositivos de ruido de tráfico en carreteras. Especificaciones” 31
1.1.4.4. EN 14389 “Dispositivos reductores de ruido de tráfico en carreteras. Métodos
de evaluación del comportamiento a largo plazo” ............................................................. 31
1.1.5. Propiedades de los materiales empleados tradicionalmente. ................................ 32
1.2. Aplicación de escorias de alto horno en ingeniería civil .............................................. 38
1.2.1. Introducción. ........................................................................................................... 38
1.2.2. Aplicación de las escorias en la industria del cemento. ................................................ 38
1.2.3. Aplicaciones de la escoria en mortero. ......................................................................... 40
1.2.4. Aplicaciones de escoria en el hormigón. ....................................................................... 41
1.2.5. Aplicación de escorias en la estabilización de suelos. .................................................. 44
1.2.6. Aplicaciones de escoria en la construcción de carreteras y la estructura del pavimento.
................................................................................................................................................. 44
2
1.3. Escorias del estudio. ....................................................................................................... 47
1.3.1. Origen ...................................................................................................................... 47
1.3.2. Volumen y distribución. .......................................................................................... 47
1.3.3. Propiedades. ............................................................................................................ 48
1.3.4. Procesamiento ........................................................................................................ 49
1.3.5. Aplicaciones. ............................................................................................................ 49
1.3.5.1. Obras de tierra y terraplenes. ......................................................................... 50
1.3.5.2. Carreteras ........................................................................................................ 50
1.3.6.3. Consideraciones medioambientales. ..................................................................... 51
Capítulo 2: OBJETIVOS Y ALCANCE ............................................................................................. 54
2.1. Objetivos: ............................................................................................................................. 55
Capítulo 3: MATERIALES Y MÉTODOS ......................................................................................... 56
3.1. Materiales ............................................................................................................................ 57
3.1.1. Escorias ......................................................................................................................... 57
3.1.2. Áridos ............................................................................................................................ 57
3.1.3. Cemento ........................................................................................................................ 57
3.2. Métodos de caracterización ................................................................................................ 59
3.2.1. Físico-química ................................................................................................................ 59
3.2.1.1. Composición química ............................................................................................. 59
3.2.1.2. Densidad aparente ................................................................................................ 59
3.2.1.3. Porosidad abierta ................................................................................................... 61
3.2.1.4. Humedad ................................................................................................................ 62
3.2.1.5. Gravedad específica ............................................................................................... 62
3.2.1.6. Distribución granulométrica .................................................................................. 63
3.2.2. Propiedades mecánicas ................................................................................................. 63
3.2.2.1. Resistencia a compresión ....................................................................................... 63
3.2.3. Propiedades acústicas ................................................................................................... 65
3.2.3.1. Coeficiente de absorción acústica .......................................................................... 65
3.2.3.2. Coeficiente de reducción del ruido (NRC). ............................................................. 69
3.2.3.3. Índice de evaluación de la absorción acústica (DLα) ............................................. 69
3.3. Fabricación de probetas. ..................................................................................................... 71
3.4. Ensayo de lixiviación. .......................................................................................................... 72
3
Capítulo 4: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...................................................................................... 76
4.1 Caracterización de los materiales de partida. ..................................................................... 77
4.2 Estudio de la relación entre el tamaño de árido en hormigones........................................ 78
4.2.1. Propiedades Físicas. ...................................................................................................... 79
4.2.1.1. Porosidad abierta. .................................................................................................. 79
4.2.1.2 Densidad aparente. ................................................................................................. 80
4.2.1.3 Humedad. ................................................................................................................ 81
4.2.2 Propiedades mecánicas .................................................................................................. 82
4.2.2.1 Resistencia a compresión. ....................................................................................... 82
4.2.2.2 Propiedades acústicas. ............................................................................................ 82
4.3 Estudio de la relación entre la escoria y el agua. ................................................................ 85
4.3.1 Propiedades físicas. ........................................................................................................ 85
4.3.1.1 Porosidad abierta. .................................................................................................. 85
4.3.1.2 Densidad aparente. ................................................................................................. 86
4.3.1.3 Humedad. ................................................................................................................ 87
4.3.2 Propiedades mecánicas. ................................................................................................. 88
4.3.2.1 Resistencia a compresión. ....................................................................................... 88
4.3.3 Propiedades acústicas. ................................................................................................... 89
4.3.4. Resultados Ensayo de Lixiviación. ................................................................................. 92
Capítulo 5: CONCLUSIONES ........................................................................................................ 95
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................. 98
Índice Figuras
Figura 1.1.1 Onda Acústica ............................................................................................................ 9
Figura 1.1.2 Curvas de ponderación ……………………………………………………………………………….…….. 13
Figura 1.1.3 Distribución espacial del sonido………………………………………………………………………… 13
Figura 1.1.4 Barreras acústicas …………………………………………………………………………………………….… 24
Figura 1.1.5 Condiciones geométricas en la evaluación del apantallamiento……………………….… 24
4
Figura 1.1.6 Atenuación sonora de pantallas……………………………………………………………………….… 25
Figura 1.1.7 Espectro normalizado del ruido de tráfico ……………………………………………………….…. 26
Figura 1.1.8 Bloque de hormigón Soundblox ……………………………………………………………………….… 33
Figura 1.1.9 Pantallas hormigón Climablok………………………………………………………………………….… 34
Figura 1.1.10 Pantalla acústica hormigón Grupo Postigo……………………………………………………….. 35
Figura 1.1.11 Pantalla acústica metálica Grupo Postigo……………………………………………………….… 36
Figura 1.1.10 Pantalla antirruido Pantabel…………………………………………………………………………….. 36
Figura 1.1.13 Pantalla acústica AISTEC …………………………………………………………………………………… 37
Figura 1.3.1 Escoria de Acería LD …………………………………………………………………………………………… 47
Figura 1.3.2 Distribución altos hornos y acerías LD………………………………………………………………... 48
Figura 3.1.1 Escoria ArcelorMittal …………………………………………………………………………………………. 57
Figura 3.1.3 Cemento Tipo II ………………………………………………………………………………………………….. 58
Figura 3.2.1 Diagrama esquemático del método de disgregación basado en
la norma ASTM 3682-78 ………………………………………………………………………………………………………… 60
Figura 3.2.2 Equipo usado en la determinación de la resistencia a compresión ……………………... 64
Figura 3.2.3 Esquema tubo Kunt ……………………………………………………………………………………………. 65
Figura 3.2.4 Posición de los micrófonos y distancias en el tubo de impedancia………………….….. 66
Figura 3.2.5 Tubo de impedancia acústica………………………………………………………………………….….. 69
Figura 4.1.1 Distribución granulométrica Árido y Escoria ………………………………………………….……. 78
Figura 4.2.1 Variación de la porosidad abierta en relación al tamaño de árido ……………………… 80
Figura 4.2.2 Variación de la densidad aparente en relación al tamaño de
grano empleado ……………………………………………………………………………………………………………………. 81
Figura 4.2.3 Variación del a humedad en relación al tamaño de árido empleado…………….……. 81
Figura 4.2.4 Variación de la absorción acústica con relación al tamaño de árido…………………... 83
Figura 4.2.5 Porosidad abierta de los hormigones a base de escorias de
Siderurgia……………………………………………………………………………………………………………………………... 86
Figura 4.2.6 Variación de la densidad aparente con la relación de agua/cemento……………..…… 87
Figura 4.2.7 Variación de la humedad en relación al tamaño de escoria empleado………..………. 87
Figura 4.2.8 Variación de la absorción acústica con la relación del tamaño de
escoria y proporción de agua respecto del cemento ……………………………………………………………… 90
5
Índice Tablas
Tabla 1.1.1 Frecuencias preferentes………………………………………………………………………………………… 1
Tabla 1.1.2 Efectos del ruido…………………………………………………………..…………………………………….. 20
Tabla 1.1.3 Categoría de comportamiento de absorción………………………………………………………... 28
Tabla 1.1.4 Categorías de comportamiento de aislamiento………………………………………………….… 29
Tabla 1.1.5 Espectro normalizado de ruido de tráfico ……………………………………………………………. 29
Tabla 3.2.6: Comportamiento de la absorción acústica de acuerdo a la norma
EN 1793-1……………………………………………………………………………………………………………………………… 70
Tabla 4.1.1 Composición química por compuestos ……………………………………………………………….. 77
Tabla 4.2.1 Composición de las probetas de hormigón estándar…………………………………………... 79
Tabla 4.2.2 Variación de la resistencia a compresión con la variación del tamaño
granulométrico de árido …………………………………………………………………………………….…………………. 82
Tabla 4.2.3 Variación del índice NRC dependiendo del tamaño de granulometría
del árido ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 84
Tabla 4.2.4: Incide de evaluación de la absorción acústica (DLα), árido…………………..……………… 84
Tabla 4.3.1 Composición de las probetas con escoria ……………………………………………………………. 85
Tabla 4.3.2 Variación de la resistencia a compresión con la variación del tamaño
granulométrico de la escoria …………………………………………………………………………………………………. 89
Tabla 4.3.3 Variación del índice NRC dependiendo del tamaño de granulometría
de la escoria ………………………………....………………………………………………………………………………………. 91
Tabla 4.3.4: Índice de evaluación de la absorción acústica (DLα), escoria …………………………….… 91
Tabla 4.3.4.1 Valores de lixiviación y límites según norma EN 12457-4 …………………………………. 92
Tabla 4.3.4.2 Valores de lixiviación y límites según normativa en Cataluña,
País Vasco e Italia…………………………………………………………………………………………………………………... 93
6
Capítulo 1: INTRODUCCIÓN
7
1.1. Contaminación acústica.
1.1.1. El Ruido.
Desde hace años, el ruido se ha convertido en un factor contaminante constante para la
mayoría de las ciudades llegando a suponer un grave problema en la actualidad con efectos
fisiológicos, psicológicos, económicos y sociales. Uno de los principales causantes de la
contaminación acústica es la actividad humana. El ruido ha existido desde la antigüedad, pero a
partir del siglo pasado, como consecuencia de la Revolución Industrial, del desarrollo en los
nuevos medios de transporte y del crecimiento exponencial en las ciudades es cuando comienza
a aparecer el problema de la contaminación acústica en los entornos urbanos [1].
1.1.1.1. Diferencia entre ruido y sonido.
En la corrección acústica no se habla de “sonido” sino de “ruido”. Esta diferenciación
es muy importante.
→ Sonido:
El sonido es la perturbación que se propaga por un medio, por ejemplo el aire. Se puede
asemejar el sonido con las ondulaciones producidas en un estanque al tirar una piedra: existe
un foco (lugar de la superficie del agua donde cae la piedra) y una propagación de la
perturbación producida (las ondas que vemos en la superficie).
Definimos sonido como la variación en la presión detectada por el oído humano.
Sabemos que el oído humano sólo es capaz de percibir frecuencias que están comprendidas
entre 20 Hz y 16 Hz aproximadamente. Por debajo de los 20 Hz se extiende la banda de los
infrasonidos y por encima de los 16 Hz la banda de los ultrasonidos [1].
→ Ruido:
Se puede definir como un sonido molesto o una sensación sonora no deseada. Por lo
tanto, no existe un criterio fijo con el que podemos determinar si un sonido es o no un ruido; es
un concepto subjetivo.
8
Este término está relacionado con la contaminación acústica debido a que está se da
cuando un ruido es considerado como un contaminante que tiene importante efectos nocivos
sobre los seres humanos.
El ruido es clasificado según la frecuencia de este. Así se pueden distinguir entre los
siguientes tipos de ruidos:
- Ruido blando: Es aquel tipo de ruido que tiene la misma energía en todas las frecuencias.
Su espectro en tercios de octava es una recta de pendiente 3 dB/octava.
- Ruido rosa: El nivel de energía de este tipo de ruido decae a razón de 3 dB/octava. El
espectro, en tercios de octava, es un valor constante [1].
1.1.1.2. Conceptos fundamentales, definiciones, notaciones y unidades.
En este apartado detallamos las diferentes definiciones de alguno de los conceptos
fundamentales que aparecen en la investigación, ordenados de tal como que nos facilita su
compresión.
a. Onda acústica aérea: Vibración aérea caracterizada por una sucesión periódica en el
tiempo y en el espacio de expansiones y compresiones. Se conoce también como ondas sonoras.
Las ondas se clasifican en dos tipos:
→ Ondas transversales: La perturbación asociada a la vibración es perpendicular a la
dirección de propagación. Estas ondas sólo pueden propagarse en medios sólidos.
→ Ondas longitudinales: la perturbación asociada con la vibración presenta la misma
dirección de propagación. Las ondas longitudinales representan un cambio en el
volumen y se pueden propagar en cualquier medio. Dentro de este grupo quedan
englobadas las ondas sonoras.
Para que una onda sonora acústica quede definida, es necesario conocer sus parámetros
ondulatorios (Figura 1.1.1):
9
Figura 1.1.1 Onda Acústica
- Frecuencia (f): es el número de pulsaciones de una onda acústica senoidal que ocurre en el
tiempo de un segundo. Equivalente al inverso del periodo. La unidad de medida es el hercio
(Hz) [1].
- Periodo (T): Tiempo que tarda en producirse un ciclo completo de la onda sonora. Su unidad
es el segundo (s).
Existen una serie de frecuencias indicadas en la Norma EN ISO 266:1998, denominadas
preferentes que van desde los 1000 Hz hasta los 5000 Hz. Estas frecuencias se muestras en la
Tabla 1.1.1, tanto para las bandas de octava como para tercios de octava.
Tabla 1.1.1: Frecuencias preferentes
Frecuencias preferentes (Hz)Bandas de
octava Tercios de octava
125 100 125
250 160 200
500 250 315
1000 400 500
2000 630 800
4000 1000 1250
1600 2000
2500 3150
4000 5000
10
- Velocidad del sonido (C): es la velocidad a la que se propaga la onda acústica en el medio
elástico, y sólo dependerá de las características de éste. Se mide en metros por segundo
(m/s). La velocidad del sonido en el aire, para 0°C y 1 atmósfera, es de 331.20 m/s; para las
condiciones normales de un local esta velocidad es prácticamente 340 m/s [24].
- Longitud de onda (λ): es la distancia entre puntos análogos en dos ondas sucesivas. Se mide
en metros (m). La longitud de onda está relacionada con la velocidad de sonido, frecuencia
y periodo, por la expresión:
𝜆 =C
f= 𝑐 ∗ 𝑇 (1.1.1)
- Amplitud (A): es el desplazamiento máximo respecto a la posición de equilibrio. La amplitud
del sonido ambiental es prácticamente despreciable, del orden de 10-7 hasta algunos
milímetros.
b. Octava: intervalo de frecuencia comprendido entre una frecuencia determinada y otra
igual al doble de la anterior.
c. Presión acústica (P): diferencia que experimenta la presión atmosférica alrededor del
valor estático en un punto que se produce cuando se propaga una onda. La unidad es el pascal
(1 atm = 1 N/ m2).
d. Impedancia acústica específica (Z): definida como la relación, real o compleja, entre la
presión acústica de la onda y la velocidad propia del movimiento vibratorio (velocidad del
sonido).
𝑍 =P
C (1.1.2)
e. Valor típico, valor medio y valor cuadrático medio: serie de medidas, que varían con el
tiempo, de interés en el ámbito acústico.
→ Valor pico (Apico): es el valor de la amplitud máxima de la onda en un periodo considerado.
→ Valor medio (Amedio): es el valor medio de la señal que viene dado por la expresión:
11
Amedio= 1
𝑇∫ |𝑎| 𝑑𝑡
𝑇
𝑜 (1.1.3)
→ Valor cuadrático medio (ARMS ): es la longitud más común y está directamente relacionada
con la energía contenida en la señal. La expresión que define este valor es:
ARMS= 1
𝑇∫ |𝑎|2 𝑑𝑡
𝑇
𝑜 (1.1.4)
f. Potencia acústica (W): es la energía emitida en la unidad de tiempo por una fuente
determinada. Su unidad de medida es el vatio (W).
g. Intensidad acústica (I): es la energía que atraviesa, en la unidad de tiempo, la unidad de
superficie perpendicular a la dirección de propagación de ondas. La unidad de medida es el vatio
por metro cuadrado (W/m2).
h. Relación entre potencia, intensidad y presión acústica: las expresiones que relacionan
estas tres magnitudes son las que se muestran a continuación:
I =𝑃𝑅𝑀𝑆
2
ρ∗c 𝑊 = 𝐼 ∗ 4𝜋𝑟2 𝑃𝑅𝑀𝑆 = √
𝑊 ∗ ρ ∗c
4 ∗ 𝜋𝑟2 = √𝐼 ∗ ρ ∗ c (1.1.5)
Siendo:
I = Intensidad sonora (W/m2)
PRMS= presión cuadrática media (Pa)
ρ = densidad del aire (Kg/m3)
c = velocidad del sonido (m/s)
W = potencia acústica (W)
r = distancia de la fuente (m)
i. Nivel de presión acústica (Lp): definida mediante la expresión 𝐿𝑝 = 20 log𝑃
𝑃˳ , donde P
es la presión acústica considerada (en Pa) y P˳ es la presión acústica de referencia que se
establece en 2 * 10-5 Pa. Este parámetro se mide en decibelios (dB).
j. Nivel de intensidad acústica (LI ): Se define mediante la expresión:
12
𝐿𝐼 = 10 log𝐼
𝐼˳ (1.1.6)
Donde I es la intensidad acústica considerada (W/ m2) e I̥ es la intensidad acústica de referencia
que se establece en 10 -12 W/m2. La unidad de medida de este parámetro es el decibelio (dB).
k. Nivel de potencia acústica (Lw ): se define mediante la expresión:
𝐿𝑤 = 10 log𝑊
𝑊˳ (1.1.7)
Donde W es la potencia acústica considerada (W) y W̥ es la potencia acústica de
referencia establecida en 10-12 W. La unidad de medida es el decibelio (dB).
l. Decibelio (dB): unidad logarítmica relativa empleada en acústica para expresar la
relación entre una magnitud acústica y una magnitud de referencia.
Al ser una unidad relativa, para las aplicaciones acústicas, se toma como convención, un
umbral de audición de 0 dB equivalente a un sonido con una presión de 20 𝝻Pa. El umbral de
dolor se produce a partir de los 140 dB (200 Pa).
Se utiliza una escala logarítmica porque la sensibilidad que presenta el oído humano a
las variaciones de intensidad sonora sigue una escala aproximadamente logarítmica, no lineal.
Por ello el decibelio (dB), resulta adecuado para valorar la precepción de los sonidos de un
oyente.
m. Escala ponderada A de niveles, decibelio A: esta escala se emplea para compensar las
diferencias de sensibilidad que el oído humano tiene para las distintas frecuencias dentro de un
campo auditivo y se establece mediante el empleo de la curva de ponderación A. Se aplica para
los sonidos de bajo nivel y se utiliza como unidad de decibelio A (dBA). Existen además otras
escalas ponderadas como la B (para sonidos de nivel medio) y la C (aplicadas en caso de sonidos
de alto nivel), como puede observarse en la siguiente figura.
13
Figura 1.1.2: Curvas de ponderación
n. Tiempo de reverberación (TR): tiempo necesario para que la intensidad del sonido
disminuya a la millonésima parte de su valor inicial o, lo q es lo mismo, para que el nivel de
intensidad acústica disminuya 60 dB por debajo del valor inicial.
1.1.2. Distribución espacial del ruido.
Cuando la onda sonora choca contra un material o superficie, parte de ella es absorbida,
parte reflejada y el resto se transmite. Existe una relación inminente entre la energía incidente
y la energía absorbida, reflejada y transmitida (Figura 1.1.3.)
Figura 1.1.3: Distribución espacial del sonido.
14
De aquí obtenemos la expresión que se refiere a la conservación de la energía:
Eincidente = E absorbida + E reflejada + E transmitida (1.1.8)
Si los dos miembros de la ecuación son divididos por la energía incidente, la expresión
anterior queda de la siguiente forma:
1 = 𝛼 + |𝑟|2 + |𝑡|2 (1.1.9)
Donde:
α = Coeficiente de absorción
|𝒓|𝟐= Coeficiente de reflexión de energía
|𝑡|2 = Coeficiente de transmisión de energía
Si el fragmento de energía que traspasa la muestra es muy pequeño (despreciable)
comparada con la absorbida, entonces el coeficiente de la absorción de energía es obviamente
representado por la ecuación (1.1.10) [4]:
𝛼 = 1 − |𝑟|2 (1.1.10)
1.1.2.1. Absorción acústica
Se denomina absorción acústica al fenómeno por medio del cual una parte de la energía
sonora que incide sobre una determinada superficie es absorbida transformándose esta misma
en otra forma de energía, siendo generalmente calorífica.
Una de las características fundamentales que tienen los materiales absorbentes es
transformar gran parte de la energía sonora que los atraviesa reflejando la mínima cantidad de
sonido, de modo que la mayor energía sonora posible sea susceptible de ser transformada en
calor mediante el efecto Joule.
15
No existen unas reglas fáciles para definir su comportamiento, pero si se puede afirmar
que todo material absorbente debe ser poroso. Esto quiere decir que debe permitir el paso del
aire para que el material pueda disipar las ondas sonoras en sus choques contra las parees de
las cavidades. Los materiales con celdas interiores de superficie cerrada no pueden ser buenos
absorbentes en ninguno de los casos.
Todo los materiales absorben gran parte de la energía contenida por la onda sonora que
incide sobre ellos; está absorción o coeficiente de absorción (α). Se define este coeficiente como
la relación existente entre la energía acústica absorbida y el incidente mediante la fórmula:
𝛼𝑖 =𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎
𝐸𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 (1.1.11)
Por definición una abertura absorbe la totalidad de la energía incidente, siendo αi=1.
La unidad de absorción es el Sabino, que expresa la capacidad absorbente de una
superficie en unidades de absorción por unidad de m2 o ft2. Así como una superficie de 100 m2
con un coeficiente de absorción de 0,8 presentará una absorción de 80 sabinos m2, al igual que
una abertura de 0,8 m2.
Cabe destacar que el coeficiente de absorción de un material depende de:
- El espectro sonoro de la onda incidente.
- La naturaleza del material (tipo, forma, espesor, características constructivas, etc.)
- Las condiciones termohidrométricas del ambiente.
1.1.2.2. Reflexión acústica
En el momento que la onda acústica incide sobre el material, parte de ella rebota y es
reflejada cambiando de dirección. Esta reflexión del sonido es representada como el porcentaje
de energía acústica incidente que refleja la superficie.
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Esto quiere decir que el coeficiente de reflexión es definido como la relación existente
entre la energía acústica reflejada y el incidente. Así, la ecuación que representa dicha reflexión
queda de la siguiente forma:
𝑟 =𝐸𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎
𝐸𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 (1.1.12)
El fenómeno tiene lugar cuando la superficie del material es dura y lisa, como por
ejemplo: el ladrillo, el hormigón, etc. En acústica este tipo de materiales que presentan elevada
reflexión se emplean como aislantes de ruido aéreo.
1.1.3. Contaminación atmosférica
Incluida en los problemas medioambientales, la contaminación atmosférica es uno de
los elementos de la degradación medioambiental. Hasta hace poco tiempo este tipo de
contaminación ha estado en un segundo plano pero en la actualidad el ruido es una de las
principales causas de preocupación entre la población de las ciudades por ser considerado como
uno de los mayores responsables del deterioro del nivel de calidad de vida y por los efectos
nocivos que éste provoca en la salud, comportamiento y actividades humanas. Esta falta de
atención hacia la contaminación acústica se debe a los siguientes factores fundamentales que
son tres:
- Se trata de una contaminación localizada, por lo tanto afecta a un entorno limitado a la
proximidad de la fuente sonora.
- Los efectos perjudiciales, por lo general, no aparecen hasta pasado un tiempo largo,
quiere decir que sus efectos no son inmediatos.
- A diferencia de otros contaminantes es frecuente considerar el ruido como un mal
inevitable y como el desarrollo del progreso.
En el informe de la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico (OCDE) se
señala que en las décadas de los años sesenta y setenta se produjo un desarrollo muy notable
de los modernos medios de transporte y de sus índices de utilización, originándose un aumento
considerable en los niveles de ruido ambiental. Se afirma, además, que unos 130 millones de
habitantes de países de la unión europea están expuestos a niveles comprendidos entre 55-65
dB. De acuerdo con este informe, España ocupa el segundo lugar por detrás de Japón, en el
17
ránking mundial de los países en los que la contaminación sonora es más elevada,
entendiéndose que alrededor de un 23% de la población se ven expuestos a niveles de ruido
superiores a 65 dB [5].
Para una correcta interpretación de los datos anteriores es importante saber que por
debajo de los 45 dB no se perciben molestias; con sonidos de 55 dB un 10% de la población se
ve afectada y con 85 dB todos los seres humanos se sienten alterados [1].
Así, aunque la presencia del sonido es consustancial en el entorno y forma parte de los
elementos cotidianos, éste se puede convertir en un agente agresor en forma de ruido, ya que
es un contaminante de primer orden y puede generar patologías específicas.
1.1.3.1. Fuentes de contaminación acústica
Existen dos grupos importantes de fuentes productoras de ruido:
- Fuentes naturales (viento, sonido del mar, etc.)
- Fuentes antropogénicas: ruidos que aparecen en el medio causados por la actividad
humana.
Los ruidos englobados en el segundo grupo son los de mayor repercusión y los
principales causantes de la contaminación acústica.
Así, los elementos que causan esta contaminación se asocian con los procesos derivados
principalmente del transporte por carretera, tráfico ferroviario, tráfico aéreo, industrial, obras
de construcción y civiles y actividades recreativas entre otros. Los vehículos de motor suponen
casi el 80% de las fuentes productoras de contaminación acústica, el 10% corresponde a las
industrias, el 6% a ferrocarriles y el 4% a bares, locales públicos, talleres industriales, etc [1].
1.1.3.2. Efecto sobre la salud
Las numerosas investigaciones realizadas en la última década por diversos autores
desde todas las partes del mundo han ido demostrando que la contaminación sonora afecta
18
claramente a la salud de las personas, produciendo una serie de efectos psicológicos y
fisiológicos de naturaleza muy diversa. A continuación se citan algunos de los efectos nocivos
provocados por el ruido:
a. Malestar: es el efecto más común del ruido sobre las personas. La sensación de malestar
procede de la interferencia con la actividad en curso o con el reposo y de otras sensaciones,
menos definidas pero a veces muy intensas, de estar siendo perturbado como son:
intranquilidad, inquietud, desasosiego, depresión, desamparo, ansiedad o rabia. Todo ello
contrasta con la definición de “salud” dad por la Organización Mundial de la Salud: “Un estado
de complejo bienestar físico, mental y social, no la mera ausencia de enfermedad”.
Durante el día suele experimentar malestar moderado a partir de los 50 dB, y fuerte a
partir de los 55 dB.
b. Interferencia con la comunicación: el nivel de sonido de una conversación en tono
normal oscila entre los 50 y 55 dB. Hablando a gritos se puede llegar a 75 u 80 dB. Por otra parte,
para que la palabra sea perfectamente inteligible es necesario que su intensidad supere
alrededor de los 15 dB al ruido de fondo.
Por lo tanto, un ruido que es superior a 35-40 dB provocará dificultades en la
comunicación oral que sólo podrán resolverse, parcialmente, elevando el tono de voz. A partir
de los 65 dB de ruido, la conversación se torna extremadamente difícil.
Se dan situaciones parecidas cuando el sujeto está intentando escuchar otros frentes de
sonido (televisión, música, etc.). Ante las interferencias de otro ruido el ser humano reacciona
aumentando el volumen de la fuente creándose así una mayor contaminación sonora sin lograr
totalmente el efecto deseado.
c. Pérdida de atención, concentración y rendimiento: cuando la realización de una tarea
necesita la utilización de señales acústicas, el ruido de donde puede enmascarar estas señales o
interferir con su percepción. Por otra parte, un ruido repentino producirá distracciones que
reducirán el rendimiento en muchos tipos de trabajos, especialmente en aquellos que exijan un
cierto nivel de concentración. En ambos casos la realización de la tarea se ve afectada,
apareciendo errores y disminuyendo la calidad y cantidad de la misma. Además, algunos
accidentes, tanto laborales como de circulación, pueden ser debidos a este efecto.
19
d. Trastornos del sueño: el ruido influye negativamente sobre el sueño de tres formas
diferentes que se dan, en mayor o menor grado según peculiaridades individuales, a partir de
los 30 dB.
- Dificultad o imposibilidad de dormirse.
- Puede causar interrupciones de sueño que, si son repetidas, pueden llevar al insomnio.
La probabilidad de despertar depende de la intensidad del ruido y la diferencia entre
ésta y el nivel previo de ruido estable. A partir de los 45 dBA la probabilidad de despertar
es grande.
- Disminuye la calidad del sueño, acortándose sus fases más profundas y volviéndose éste
menos tranquilo. Aumentan la presión arterial y el ritmo cardiaco, hay vasoconstricción
y cambios en la respiración.
Consecuencia de todo ello, el descanso no es apropiado. Si la situación se prolonga, el
equilibrio físico y psicológico se ven seriamente afectados.
e. Daños al oído: efecto físico que depende únicamente de la intensidad del sonido,
aunque sujeto a variaciones individuales. En la sordera transitoria o fatiga auditiva no existe aún
lesión. La recuperación es normalmente casi completa al cabo de dos horas y completa a las 16
horas de cesar el ruido, si se permanece en un estado de confort acústico (menos de 50 dB de
vigilia o de 30 durante el sueño). La sordera permanente es producida por: exposiciones
prolongadas a niveles superiores a 75 dBA, sonidos de corta duración de más de 110 dBA, o bien
por acumulación de fatiga auditiva sin tiempo suficiente de recuperación. Hay lesiones de oído
interno.
f. Estrés: las personas que son sometidas de una forma prolongada a situaciones como las
anteriormente descritas (ruidos que hayan perturbado y frustrado sus esfuerzos de atención,
concentración o comunicación, o que hayan afectado a su tranquilidad, su descanso o su sueño)
suelen desarrollar algunos de los síndromes siguientes [1]:
- Cansancio crónico.
- Tendencia al insomnio.
- Enfermedades cardiovasculares: hipertensión, cambios en la composición química de la
sangre, isquemias cardiacas, etc. Se han mencionado aumentos de hasta el 20-30% en
el riesgo de ataques al corazón en personas sometidas a más de 65 dB en periodo diurno.
- Trastornos de sistema inmune responsable de la respuesta a las infecciones y a los
tumores.
20
- Trastornos psicofísicos tales como ansiedad, depresión, irritabilidad, náuseas, jaquecas,
y neurosis o psicosis en personas predispuestas a ello.
- Cambios de conducta, especialmente comportamientos antisociales tales como la
hostilidad, intolerancia, agresividad y aislamiento social.
Para evitar estos efectos las legislaciones europeas marcan como límite aceptable 65 dB
durante el día y 55 dB durante la noche, ya que la capacidad auditiva se deteriora en la banda
comprendida entre 75-125 dB y pasa a un nivel doloroso cuando supera los 125 dB;
alcanzándose el umbral del dolor a los 140 dB.
A continuación, en la Tabla 1.1.2., se indican los valores a partir de los cuales se comienza a
sentir, dependiendo de la sensibilidad auditiva, los diferentes efectos que se señalan en la
segunda columna.
dB Efectos
30 Dificultad en conciliar el sueño y pérdida de la calidad del mismo
40 Dificultad en la comunicación verbal
45 Probable interrupción de sueño
50 Malestar diurno moderado
55 Malestar diurno fuerte
65 Comunicación verbal extremadamente difícil
75 Pérdida de oído a largo plazo
110-140 Pérdida de oído a corto plazo
Tabla 1.1.2: Efectos del ruido
1.1.3.3. Índice de valoración de ruidos
En este apartado se definen algunos de los parámetros acústicos que se emplean para
evaluar el nivel de ruido.
→ Índice de presión sonora (Lp): también conocido como nivel de presión acústica, ya se ha
definido anteriormente en el apartado 1.1.1.2.
𝐿𝑝 = 20 log𝑃
𝑃˳ (1.1.13)
21
→ Nivel de presión sonora equivalente (Leq): conocido como nivel equivalente continuo, es el
nivel de ruido continuo que contiene la misma energía que el ruido medido en un periodo de
tiempo determinado, T. Viene dado por la expresión:
𝐿𝑒𝑞 = 10 log [1
𝑇∫
𝑃2(𝑡)
𝑃02
𝑇
0 𝑑𝑡] = 10 log[100,1𝐿𝑝 𝑑𝑡] (1.1.14)
Para medidas discretas la expresión anterior se transforma en un sumatorio.
𝐿𝑒𝑞 = 10 log [1
𝑇∑ 100.1 𝐿𝑝 ∆𝑡𝑖
𝑛𝑖=1 ] (1.1.15)
En este último parámetro nos permite comparar el riesgo de daño auditivo entre la
exposición a diferentes tipos de ruido.
→ Nivel percentil N (LN): nivel de ruido que es alcanzado o superado en N% del tiempo de
observación. Uno de los más utilizados es el L90, indicativo del ruido de fondo de la señal.
1.1.3.4. Control de contaminación acústica
El control de ruido ambiental está basado en una amplia diversidad de estrategias. Para
que se dé el problema de contaminación acústica se necesitan al menos tres factores: una fuente
sonora, un medio de propagación y un receptor. Así, la actuación debe dirigirse hacia cada uno
de estos factores de una manera eficaz.
a. Fuente sonora: la acción más directa y eficiente contra los niveles de ruido excesivo es
la reducción del ruido en la propia fuente. En este sentido, en muchos países desarrollados
existen regulaciones sobre los niveles máximos permitidos para la emisión sonora por parte de
diversas fuentes como vehículos de motor, aviones, vehículos empleados en la construcción y
obras públicas, etc. En términos generales, las estrategias más efectivas para reducir su impacto
sobre las personas, consisten en rediseñar o reemplazar los vehículos o equipos ruidosos por
otros más silenciosos [5].
22
b. Medio de propagación: otra posibilidad es actuar sobre el medio de propagación. En
este caso hay que destacar la importancia de una adecuada planificación urbanística. Así, una
reducción adicional en los niveles de ruido puede obtenerse aumentando simplemente la
distancia existente entre el receptor y la fuente de ruido. Por ejemplo, el impacto sonoro
producido por un aeropuerto proyectado sobre los residentes en una zona urbana puede
reducirse mucho si el aeropuerto se construye lejos de esta zona. Los niveles de contaminación
sonora producidos por una autopista sobre una zona residencial se pueden producir
sustancialmente planificando adecuadamente esa vía de tráfico y mediante un diseño
urbanístico muy cuidadoso de dicha zona. La transmisión del sonido se puede controlar también
usando pantallas o barreras acústicas.
c. Receptor: en este caso, el mejor ejemplo de control de ruido mediante esta estrategia
se encuentra en la utilización de dispositivos de protección personal. En este sentido amplio se
incluye también el aislamiento acústico de edificios.
Una política efectiva destinada a controlar con éxito el ruido ambiental exige la
aplicación de una larga serie de elecciones específicas tomadas en orden secuencial.
La primera fase consiste en una cuidadosa evaluación de los problemas planteados:
identificación de las principales fuentes de ruido, análisis de sus características, medidas de los
niveles sonoros, etc. Esta tarea se basa en la elaboración de un mapa sonoro de la zona
considerada. En la segunda fase se realiza una formulación realista de los objeticos a alcanzar.
En la tercera se aplican los primeros técnicos y administrativos más efectivos para alcanzar el
objetivo señalado. En el diseño de las iniciáticas destinadas a controlar un problema de
contaminación sonora deben tenerse en cuenta que todos los problemas consisten en una
cadena con tres eslabones diferentes: la cuente de ruido, el camino de transmisión sonora y el
receptor. En consecuencia, las medidas o actuaciones para controlar el ruido pueden ser
aplicadas únicamente a algunos de estos tres elementos o a todos ellos en su conjunto. La cuarta
y última fase consiste en comprobar la efectividad de las medidas adoptadas. En caso de no
alcanzar los objetivos propuestos inicialmente, habrá que repetir todas las actuaciones desde su
fase inicial.
1.1.3.4. Dispositivos reductores de ruido de tráfico en carreteras
El tráfico rodado es la fuente más importante de ruido rodado en los países
desarrollados. Según fuentes de la Dirección General de Tráfico, en el año 2010 el parque
automovilístico español contaba con más de 31 millones de vehículos, viéndose esta cifra
incrementada desde la fecha.
23
Existen tres formas principales de controlar el impacto del ruido de tráfico, de acuerdo
con los factores del ruido comentados en el apartado anterior:
- La primera posibilidad consiste en intentar reducir la emisión de ruido en la propia
fuente, diseñando vehículos más silenciosos.
- Diseño de estrategias que limiten la transmisión de ruido una vez que ha sido generado.
Se incluyen en este caso iniciativas como la construcción de barreras acústicas o la
realización de una planificación adecuada del uso del suelo.
- Por último, la utilización de medidas de protección del receptor contra la inmisión de
ruido.
En este caso, se va centrar la atención en las barreras o pantallas acústicas, pues el
estudio de investigación llevado a cabo tiene por objetivo la elaboración de un material reciclado
absorbente acústico para emplearlo posteriormente en la construcción de este tipo de
dispositivos.
La construcción de pantallas o barreras acústicas en los bordes de las carreteras y
autopistas se ha convertido en el procedimiento más generalizado de lucha contra el ruido de
tráfico en los espacios abiertos [5].
Una pantalla acústica consiste básicamente en alguna forma de muro vertical. Como
requisitos básicos, toda pantalla acústica debe poseer una masa suficiente para atenuar
adecuadamente el ruido, debe estar prácticamente exenta de mantenimiento una vez instalada
y no debe suponer un aumento de los riesgos de accidente; además se debe tener en cuenta el
coste económico y el aspecto visual y estético.
Con el fin de proporcionar un grado de protección óptimo, la pantalla debe ser levantada
lo más cerca posible de la fuente de ruido o de la zona que se desea proteger y, en particular,
siempre que sea posible, debe ocultar por completo la vista de la carretera desde la zona a
proteger. Las Figuras 1.1.5 y 1.1.6 muestran como el nivel de apantallamiento que proporciona
una determinada barrera acústica depende de la diferencia entre las distancias más cortas entre
la fuente de ruido, la pantalla y el receptor, así como la distancia que separa estos dos últimos
en línea recta. Así mediante estas figuras es posible el cálculo de la atenuación sonora producida
por una pantalla acústica.
24
Figura 1.1.4: Barreras acústicas
Figura 1.1.5: Condiciones geométricas en la evaluación del apantallamiento.
Significado de las variables que aparecen en la Figura 1.1.5 es la siguiente:
h1 = Altura a la que se está situando la fuente
h2 = Altura a la que está situado el receptor
H = Altura de la barrera
d1 = distancia horizontal entre fuente y pantalla acústica
d2 = Distancia horizontal entre la pantalla acústica y receptor
D = Espesor de la pantalla acústica
A+B = Distancia más corta entre la fuente de ruido, la pantalla y el receptor
25
Figura 1.1.6: Atenuación sonora de pantallas.
Con esta grafica ilustrada en la Figura 1.1.6 se determina directamente la atenuación
sonora de la pantalla en decibelios a partir del número de Fresnel (N):
𝑁 =2
𝜆δ (1.1.16)
Donde:
λ = Longitud de onda
δ = A + B – d
d = d1 + D + d2
En el Reino Unido la altura de las barreras acústicas utilizadas en las carreteras se ha
limitado a 3 metros; en otros países como Estados Unidos y Canadá se permiten alturas algo
mayores. En cualquier caso, se considera que las barreras con alturas superiores a los 4 metros
son visualmente inaceptables.
El diseño de una pantalla acústica también se debería tener en cuenta que las ondas
sonoras generadas por el tráfico rodado son susceptibles de ser reflejadas por dicha pantalla;
esto afectaría negativamente a los receptores situados en el lado de la fuente de la pantalla. La
Figura 1.1.7 recoge el espectro normalizado correspondiente al ruido por el tráfico.
26
Figura 1.1.7: espectro normalizado del ruido de tráfico.
En el caso de que exista pantallas en ambos lados de la vía de tráfico pueden producirse
reflexiones sonoras múltiples, incidiendo negativamente en el espacio situado entre ellas. Así,
como estas configuraciones el apantallamiento esperado de cada una de las barreras puede
verse reducido sustancialmente como consecuencia del ruido difractado sobre las mismas.
Al igual que puede suceder con otros obstáculos, en presencia de viento, una pantalla
acústica produce un importante gradiente de velocidad de éste, como resultado del contraste
que supone la existencia de una región sin viento situada justo detrás de la barrera con las zonas
de la parte superior de la barrera, en las que las líneas de corriente se acumulan. Al otro lado de
la barrera, estas líneas de corriente se curvan hacia el suelo produciendo una importante
refracción del sonido. Como consecuencia de esto, el tamaño de la zona de sombra sonora
situada tras la barrera disminuye, haciéndolo también la eficacia de la pantalla. Además,
también pueden originarse turbulencias más o menos fuertes que afectan a la propagación del
sonido que se trata de reducir. Con el fin de reducir los efectos negativos que el viento produce
sobre el comportamiento de las pantallas acústicas se utilizan pantallas con perfiles
aerodinámicos espaciales.
En cuanto a la acumulación de nieve y a la posible formación de hielo a los pies de la
pantalla, son factores a tener en cuenta desde el punto de vista de la seguridad vial. Además las
pantallas acústicas deben ser suficientemente resistentes para evitar su deterioro consecuencia
de la acción de los diversos agentes meteorológicos.
Los materiales que se han utilizado en la construcción de este tipo de dispositivos son
muy diversos. Desde un punto de vista general, las pantallas acústicas se pueden clasificar en
reflectoras o absorbentes.
- Pantallas acústicas reflectoras: son las más frecuentes y suelen estar construidas con
paneles prefabricados de diversos materiales; el más común es el hormigón, aunque
también existen paneles de madera, plástico de vinilo o aluminio.
27
- Pantallas acústicas de absorbentes: el uso de este tipo de pantallas está justificado por
su capacidad de reducir la intensidad del sonido reflejado en la superficie de la barrera.
Al igual que en el caso de las pantallas reflectoras, el número de diseños propuestos y
utilizados es muy elevado. Una configuración muy típica consiste en el empleo de
paneles huecos que muestran una superficie de acero u otro material que está
perforada o abierta en el lado dirigido hacia la fuente sonora; y rellenos en su interior
con material acústico absorbente como lana mineral.
1.1.4. Normativa
La normativa europea aplicable incluye las normas EN 1793 (partes 1, 2 y 3), EN 1794
(partes 1 y 2), EN 14388 y EN 14389 (partes 1 y 2). A continuación se detalla cada una de ellas.
1.1.4.1. EN 1793 “Dispositivos reductores de ruidos de tráfico en
carreteras. Método de ensayo para determinar el
comportamiento acústico”.
- Parte 1: Características intrínsecas relativas a la absorción sonora [6].
Cuando haya que instalar una superficie reflectante del sonido a lo lardo de una
carretera, puede resultar eficaz emplear unos dispositivos de absorción acústica del lado del
tráfico, con el objetivo de reducir el ruido ambiental añadido como consecuencia del sonido
reflejado. Las circunstancias en las que este tratamiento puede llegar a ser necesario son las
siguientes: pantallas antirruido, paredes o muros de contención susceptibles a reflejar las ondas
sonoras hacia zonas no protegidas; trincheras verticales o superficies reflectantes paralelas;
túneles y sus accesos; cuando el tráfico rodado pasa cera de una pantalla donde existan
reflexiones entre los vehículos y la pantalla que pueden reducir la eficacia de esta.
Esta norma específica un método de ensayo para evaluar las prestaciones de absorción
acústica de los dispositivos reductores de ruido diseñados para las carreteras (medición de las
características intrínsecas), que dependen además de factores que no están relacionados con el
producto en sí mismo, como, por ejemplo, las dimensiones de las pantallas, la calidad de sus
instalación y de los factores relacionados con el emplazamiento, tales como la impedancia del
terreno, la geometría del lugar, etc. Se ha diseñado este ensayo para establecer la medición del
comportamiento de absorción acústica intrínseco del dispositivo y la clasificación resultante
28
debería facilitar la sección de los dispositivos a emplear en aplicaciones específicas a lo largo de
las vías.
Se debe determinar el índice de valuación de la absorción acústica, DL α, en decibelios,
para indicar el comportamiento del producto. Además de especificar el valor de DL α es necesario
clasificar el comportamiento de absorción, se debe utilizar entonces las categorías dadas a
continuación en la Tabla 1.1.3.
CATEGORÍA DL α (Db)
A0 No determinado
A1 < 4
A2 4 a 7
A3 8 a 11
A4 >11
Tabla 1.1.3: Categoría de comportamiento de absorción.
- Parte 2: Características intrínsecas relativas al aislamiento al ruido aéreo [7].
Las pantallas antirruido dispuestas a lo largo de las carreteras deben proporcionar un
aislamiento acústico adecuado, de forma que el sonido transmitido directamente a través del
dispositivo sea irrelevante en relación con el sonido difractado por la parte superior. Esta norma
específica un método de ensayo para la evaluación del comportamiento de aislamiento a ruido
aéreo de los dispositivos reductores de ruido diseñados para las carreteras (medición de las
características intrínsecas). Esta norma no se refiere a la determinación de las prestaciones in
situ )características extrínsecas), que dependen además de factores que no están relacionados
con el producto en sí mismo, como por ejemplo, las dimensiones de la pantalla, la calidad de su
instalación y los factores relacionados con el emplazamiento, tales como la impedancia del
terreno, geometría del lugar, etc. Se ha establecido este ensayo para permitir la medición del
comportamiento de aislamiento al ruido aéreo intrínseco del dispositivo y la clasificación
resultante debería facilitar la selección de dispositivos destinado a aplicaciones específicas a lo
largo de las vías.
Se debe determinar el índice de evaluación del aislamiento al ruido aéreo, DL R , en
decibelios, para indicar el comportamiento del producto. Además de especificar el valor de DL
R, es necesario clasificar el comportamiento de aislamiento, se debe utilizar entonces las
categorías dadas a continuación en la Tabla 1.1.4.
29
CATEGORÍA DL R (dB)
B0 No determinado
B1 <15
B2 15 a 24
B3 >24
Tabla 1.1.4: Categorías de comportamiento de aislamiento.
- Parte 3: Espectro normalizado de ruido de tráfico [8].
Dado que las principales propiedades acústicas de los dispositivos reductores de ruido
de tráfico en carreteras, pérdida por transmisión y absorción, dependen de la frecuencia, es
necesario definir un espectro de ruido de tráfico para calcular los índices de evaluación en los
ensayos. Esta norma define las propiedades fundamentales del ruido de tráfico rodado medido
junto a la carretera mediante un espectro sonoro normalizado característico de tráfico, que es
necesario para determinar los índices de evaluación de los dispositivos reductores de ruido,
excepto cuando se emplean en condiciones reverberantes, como por ejemplo, en túneles.
El espectro normalizado de ruido de tráfico que se da en la Tabla 1.1.5 debe utilizarse
como espectro de referencia para la evaluación del comportamiento acústico de los dispositivos
reductores de ruido de tráfico.
F i (Hz) L i (dB)
100 -20
125 -20
160 -18
200 -16
250 -15
315 -14
400 -13
500 -12
630 -11
800 -9
1000 -8
1250 -9
1600 -10
2000 -11
2500 -13
3150 -15
4000 -16
5000 -18
Tabla 1.1.5: Espectro normalizado de ruido de tráfico.
30
1.1.4.2. EN 1794 “Dispositivos reductores de ruido de tráfico en
carreteras. Comportamiento no acústico.
- Parte 1: Comportamiento mecánico y requisitos de estabilidad [9].
Mientras desempeña su función primaria, los dispositivos para reducir el ruido de tráfico
por carretera, están sometidos a una serie de fuerzas debidas al viento, presión dinámica del
aire causada por el paso del tráfico y al peso propio de los elementos. Así mismo pueden estar
también sometidos a impactos causados por piedras u otros desechos proyectados por los
neumáticos de los vehículos y en algunos países, a la fuerza dinámica de la nieve lanzada por la
maquinaria utilizada para la limpieza de las carreteras durante el invierno. Las deformaciones
de un dispositivo de reducción de ruido bajo estas cargas durante su vida útil de diseño no
deberían reducir su eficacia.
- Parte 2: Requisitos en relación con la seguridad general y el medio ambiente [10].
Mientras desempeñan su función principal, los dispositivos para reducir el ruido de
tráfico por carretera no deberían generar ningún riesgo para los usuarios de la carretera y para
las demás personas que pudieran estar cerca, o para el medio ambiente en general. Estos
dispositivos no deberían facilitar la propagación de un incendio desde el arcén a los terrenos
colindantes. Puede ser exigible, además, una resistencia al fuego que cumpla con las normas
particulares para reducir el riesgo de propagación hacia los locales contiguos o para los usuarios
de la carretera en corredores estrechos. Los dispositivos reductores de ruido de tráfico por
carretera no deberían reflejar la luz hasta el punto de perjudicar la seguridad vial. Los materiales
que constituyen estos dispositivos no deberían, bajo ningún concepto, emitir humos o líquidos
nocivos procedentes de procesos naturales o industriales, o bien provocados por un incendio.
Normalmente, estos dispositivos deberían permitir que los usuarios de la carretera puedan salir
rápidamente y facilitar así mismo el acceso del personal de seguridad en caso de emergencia.
No se pretende en general, que los dispositivos reductores de ruido resistan los
impactos de los vehículos, sin embargo, los proyectistas pueden necesitar información sobre las
consecuencias de las cargas derivadas de dichos impactos para poder establecer los requisitos
necesarios de protección tanto para los usuarios de la carretera como para los transeúntes.
31
1.1.4.3. EN 14388 “Dispositivos de ruido de tráfico en carreteras.
Especificaciones”
Esta norma [11] específica los requisitos de comportamiento y métodos de evaluación
de los dispositivos reductores de ruido de tráfico en carreteras. Estos requisitos son: absorción
sonora, aislamiento de ruido aéreo, carga eólica y estática, peso propio, impacto de piedras,
seguridad en caso de colisión (seguridad de los ocupantes del vehículo), seguridad en caso de
colisión (barreras combinada de seguridad y anti-ruido), carga dinámica por retirada de la nieve,
resistencia al fuego causado por el incendio de la maleza, salidas de emergencia, reflexión de la
luz, transparencia, mejora del índice de difracción.
1.1.4.4. EN 14389 “Dispositivos reductores de ruido de tráfico en
carreteras. Métodos de evaluación del comportamiento a largo
plazo”
- Parte 1: Características acústicas [12].
Los dispositivos reductores de ruido de tráfico en carretera que se instalan a lo largo de
la traza no sólo deben cumplir con su función acústica y los requisitos de diseño estructural de
acuerdo a las normas europeas correspondientes, sino que también deben mantener su
comportamiento a lo lardo de su vida útil.
Los elementos acústicos tienen que resistir las acciones de los agentes del entorno de
las carreteras que puedan degradar su comportamiento.
Las características acústicas de un dispositivo reductor de ruido de tráfico en una
carretera pueden deteriorarse significativamente a lo largo de su vida útil, si este no se instala o
mantiene de acuerdo a las recomendaciones del fabricante, o si los materiales no son
apropiados para el entorno de la carretera.
- Parte 2: Características no acústicas [13].
No sólo conviene que los dispositivos reductores de ruido situados a lo largo de las
carreteras desempeñen su función acústica y cumplan los requisitos en materia de diseño
estructural de conformidad con las normas europeas correspondientes, sino también que
32
conserven sus prestaciones durante la vida útil requerida. Es necesario que los elementos
estructurales conserven coeficientes de seguridad mínimos aceptables al final de su vida útil
prevista y que los elementos acústicos no sólo permanezcan estructuralmente eficaces sino
también que presenten el comportamiento acústico específico.
Conviene que todos los elementos de los dispositivos reductores de ruido resistan a la
corrosión y a la fragilización, que sus dimensiones sean estables y que, de manera general,
tengan una elevada resistencia al envejecimiento en condiciones muy variadas.
1.1.5. Propiedades de los materiales empleados tradicionalmente.
A continuación se enumeran las características técnicas de una serie de materiales
acústicos absorbentes utilizados tradicionalmente en aplicaciones acústicas.
A. Bloques de hormigón acústicos del modelo Soundblox(R)comercializados por la
empresa “Acústica Integral”
Las características de estos bloques se citan a continuación:
- Dimensiones normalizadas: 490 x 190 x 190 mm
- Peso: 16 kg / unidad
- Resistencia al fuego: RF – 180 según DIN EN 1364-1:1999
- Temperatura máxima: 120 °C
- Resistencia mecánica: 43 kg/ cm2
- Coeficiente de absorción: 0,72 NRC
33
Figura 1.1.8: Bloque de hormigón Soundblox.
B. Pantallas acústicas de hormigón Climablok, empresa “R. Pan Rodo S.L.”
Estas pantallas se componen de una estructura de hormigón armado de 6 cm de espesor
revestida por dos capas (una lisa de 2 cm, y la expuesta de ruido de 15 cm y con textura
acanalada vertical) de conglomerado de madera mineralizada y cemento.
En lo referente a la absorción acústica, estas pantallas están disponibles en categoría
A2, A3 y A4 según la normativa UNE EN-1793-1 [6]. En cuanto a aislamiento a ruido aéreo las
pantallas se encuadran dentro de la categoría B3 según la clasificación de la norma UNE EN-
1793-2 [7].
34
Figura 1.1.9: Pantallas hormigón Climablok.
C. Pantalla Antirruido Hormigón de “Grupo Postigo”
Las características de estas pantallas son:
- Material estructural: hormigón armado, espesor mínimo 80 mm
- Ø máx. 12 mm
- Dimensiones del mallazo: 150 x 150 x 6 mm
- Acero: B500 S
- Superficie absorbente hormigón poroso con gravilla Ø 3 – 6 mm, de espesor mínimo de
80 mm y máximo 120 mm.
- Posibilidad de aplicar colorantes al hormigón.
- Posibilidad de aplicar grabados o figuras superficiales.
- Disponemos de otros paneles con geometría estructural y porosa diversa.
- Índice absorción: 5,14 dB (A2) UNE – EN 1793-1 [6].
- Índice en aislamiento: 46,00 dB (B3) UNE- EN 1793-2 [7].
35
Figura 1.1.10: Pantalla acústica hormigón Grupo Postigo.
D. Pantalla Antirruido Metálica de “Grupo Postigo”
Las características de estas pantallas son:
- Materiales: Acero galvanizado y Aluminio (materiales standard en acero de 1 mm)
- Espesor acero: de 1 a 1,5 mm
- Espesor de recubrimiento del galvanizado en acero: [ 275 – 600 ] gr / m2
- Relleno fono-absorbente: Lana de roca, densidad 100 kg / m2
- Altura de módulo: 500 mm
- Anchura de módulo: 110 mm
- Longitud de módulo: de 1 hasta 5 m (Long. Estándar de 4 m)
- Pintura de horno según color RAL solicitado. Espesor de recubrimiento total sobre el
metal, incluida pintura: e = 80 μm
- Posibilidad de aplicar tratamiento anti–grafiti
- Superficie perforada > 32 %
- Índice de absorción: 12 dB (A4) En 1793-1 [6].
- Índice aislamiento: 27 dB (B3) EN 1793-2 [7].
36
Figura 1.1.11: Pantalla acústica metálica Grupo Postigo.
E. Pantallas antirruido Pantabel de “Norten PH”
Estas pantallas constan de una placa matriz de hormigón estructural y otra de hormigón
poroso de alta calidad absorbente.
Figura 1.1.12: Pantalla antirruido Pantabel.
37
Se pueden fabricar en diferentes medidas y colores, adaptándose a las necesidades
paisajísticas de cada zona, aunque la medida estándar es la longitud de 3,96 m y 2,40 m de
altura.
Se pueden englobar dentro de la categoría A2 en lo referente a índice global de
absorción acústica y dentro de la categoría B3 según el índice global de aislamiento acústico a
ruido aéreo. A continuación se detallan los datos más relevantes:
- Índice de aislamiento acústica (180 mm): 37 dB (A)
- Absorción acústica: 5 dB
- Densidad superficial: 320 kg / m2
F. Pantallas acústicas de hormigón comercializadas por “aistec”
Constan de un papel fonoabsorbente de hormigón tipo AISTEC, compuesto por 11-12
cm de hormigón armado HA–30 con doble mallazo y 8-9 cm de hormigón poroso grecado
formado por árido de machaqueo de granulometría 3/6 mm. Peso aproximado 500 kg / m2. En
el ámbito acústico quedan clasificadas dentro de las categorías A3 y B2.
Figura 1.1.13: Pantallas acústicas AISTEC
38
1.2. Aplicación de escorias de alto horno en ingeniería civil
1.2.1. Introducción.
A través de los siglos, el hierro y la escoria de acero fueron empleados para varios
propósitos. El más temprano informe se refiere a Aristóteles que describe el uso de la escoria
como un medicamento en el 350 A.C. [14]- Sin embargo en la construcción, y esto sigue siendo
el cado de hoy, algunas de las aplicaciones estaban aplicadas en la construcción en los Estados
Unidos desde 1830 como un lastre del ferrocarril (desde 1875), como un hormigón agregado
(desde 1880) y en superficies bituminosas (desde 1900) [15]. Uno de los principales influyentes
en el uso de escoria de alto horno fue un empresario alemán en el cual descubrió las propiedades
hidráulicas latentes en el año 1862 [16]. Su aplicación masiva como aditivo del demento
comenzó a partir de ese punto. Medio siglo más tarde, en 1909, el primer estándar alemán
permitió el uso de escoria en la producción de cemento, usando legalmente en el campo de la
ingeniería civil [17]. Hoy en día, según la corriente europea de cemento podemos encontrarnos
en 14 tipos de cemento. Desde principio del siglo XX, la producción de escoria aumentó junto
con el desarrollo del a industria. Según datos de la Asociación de CENIM [18], la producción de
la escoria de alto horno en Europa era de 23,5 millones de toneladas en 2010 y casi la misma en
2012, con 23 millones de toneladas producidas. Estos datos se extraen de un estudio entre
miembros del CENIM, acerías europeas y empresas procesadoras. En Europa, la producción de
granulados de alto horno fue dominante. La mayoría de las escorias de altos hornos se utilizan
en la producción de cemento o como aditivo de hormigón. Otro uso importante de la escoria de
alto horno se le da en la construcción de carreteras. En estos gráficos se deduce que las escorias
de alto horno se ha utilizado en la ingeniería civil durante muchos años y numerosos artículos
científicos y profesionales han sido publicados en los resultados de la investigación de
laboratorio y campo. En los siguientes apartados de esta parte introductoria, algunas de las
aplicaciones más comunes estudiadas por investigadores en todo el mundo se presentan,
destacando la amplia gama de aplicaciones de este valioso material.
1.2.2. Aplicación de las escorias en la industria del cemento.
La escoria granular de alto horno consiste en el mismo mayor óxido como el cemento
Portland hace. Sin embargo, se diferencia en las proporciones relativas a los óxidos entre estos
dos. El primer cemento de escoria de alto horno fue producido en Alemania, en 1800, mediante
la mezcla de la escoria y cal [19]. Incluso antes de 1800, las propiedades del cemento fueron
estudiadas en Francia. Desde la década de 1860, se ha utilizado en la producción comercial y en
los Estados Unidos, donde la producción del cemento con escoria comenzó en 1896 [7]. Sin
embargo, no eran tentativas tempranas en el uso de escoria de alto horno para la producción
de cemento con éxito. Uno de los principales problemas venía derivado del mal granulado de la
escoria y aceleradores que se agrega en grandes cantidades sin tener en cuenta los efectos a
39
largo plazo [20]. Esto llevó incluso a ser prohibido en especificaciones de cemento de escoria.
Las razones para abandonar la producción de este tipo de cemento en la mayoría de los países
fueron la incapacidad de los fabricantes para encontrar fuentes adecuadas de escoria granulada,
la sensibilidad de escoria al deterioro en el almacenamiento y su baja resistencia en comparación
con el actual cemento Portland. Actualmente, existe una gran cantidad de investigaciones sobre
el uso de la escoria en producción de cemento y se han desarrollado procesos para la producción
y el uso de este agregado de una forma más desarrollada. Hoy en día, el uso de escoria de alto
horno en la industria del cemento se conoce como cemento de escoria. Este término
generalmente se refiere a cualquier combinación de cemento Portland y escoria. Dentro de las
normas europeas de cemento, figuran 14 tipos de cementos que pueden contener escoria en
diferentes porcentajes en masa de cemento [21]. Los cementos comunes son principalmente
mezclas de tierra, Clinker de cemento Portland y escoria de alto horno. La escoria granulada de
alto horno debe contener dióxido de Silicio (SiO2), óxido de calcio (CaO) y óxido de magnesio
(MgO) la suma de los cuales estar representada por lo menos de las tres partes de la masa. El
restante de la masa contiene óxido de aluminio (Al2O3), con pequeñas cantidades de otros
compuestos. La relación de masa (CaO + MgO): SiO2 debe exceder 1.0 cemento con escoria de
horno para ser igual al cemento de Portland ordinario (CEM I) y a cumplir los mismos requisitos.
La adicción de mayores cantidades de escoria produce en el sulfato un mayor calor inferior
dentro de las propiedades de hidratación y resistencia. Cuando se produce esto en el cemento,
la escoria es generalmente más difícil de moler, y forma una porción más gruesa, mientras que
el cemento es el más fino [22]. Un problema potencial es la humedad, lo que ocurre en el alto
horno durante el proceso de granulación de la escoria. La presencia de humedad requiere un
secado antes de usarlo como aditivo o como una adición mineral al cemento Portland [23], este
cemento aumenta la resistencia, reduce la permeabilidad, mejora la resistencia al ataque
químico e inhibe la corrosión de la varilla. Además la escoria de alto horno tiene una alta
resistencia a la congelación, descongelación, productor químico y agua de más [27]. Por lo tanto,
se recomienda su empleo en estructuras de hormigón que requieren de alta durabilidad. El
hormigón hecho con cemento de escoria de alto horno más lentamente que el hormigón hecho
con cemento Portland ordinario, depende de la cantidad de escoria en la matriz del material.
También continúa ganando fuerza durante un largo periodo bajo condiciones de producción.
Esto se traduce en menos calor de hidratación y menor aumento de temperatura, lo que evita
juntas frías pero también afecta a los plazos de construcción [26].
Para un cemento de resistencia extrema, EN 197-1:2011 se sugiere el empleo de escoria
de alto horno. Este suele ser resistente al sultado de cemento común utilizados para las
fundaciones debido a la presencia de sulfatos en el suelo puede conducir al daño de cemento
ordinario [28]. El cemento común con escoria de alto horno tiene muchas veces LH en su
designación, lo que implica bajo calor de hidratación. Además EN 197-1:2011, legislación
Europea, incluye cinco tipos más de cemento con escoria de alto horno; cubren cuatro cemento
de muy bajo calor EN 14216:2004 y un cemento supersulfatado por EN 15742:2010.
El cemento de calor muy bajo se ha investigado para ser particularmente útil en la
lechada para encapsulado nuclear de los desechos, y pueden existir otras aplicaciones por lo que
es más importante evitar la generación de calor que desarrollan gran fuerza [31]. El cemento
supersulfatado es una mezcla de escoria granulada y tierra; sulfato de calcio yeso, que puede
40
ser sulfato de calcio yeso hidratado (CaSO4 * ½ H2O), anhidrita (CaSO4) o cualquier mezcla de
estas sustancias; y una pequeña cantidad de Clinker de cemento Portland [7, 9]. Este cemento
tiene una excelente resistencia a la agresividad de diferentes agentes (agua de mar, sulfatos,
cloruros, hidróxidos alcalinos y ácidos débiles) y bajo calor de hidratación. Comparado con el
cemento Portland ordinario, es más susceptible a carbonatación durante el almacenamiento y
requiere adicionar durante el periodo de curado inicial para mantener la superficie húmeda [20].
Debido a la alta resistencia, este cemento se utiliza generalmente en trabajos con agua de mar,
tubos de hormigón expuestos a aguas subterráneas agresivas o en plantas químicas. Para
justificar la aplicación generalizada de la escoria de alto horno como aditivo al cemento Portland,
los fabricantes disminuyen significantemente el consumo de la materia prima natural de los
minerales pues exige una menor energía (molienda de escoria para el reemplazo del cemento
requiere solo un 25% de la energía necesaria para producir diferentes tipos de cemento Portland
[23]) y específicamente, menores emisiones de CO2 [33]. Existe una posibilidad de una reducción
significativa de combustible mediante la utilización de escorias granuladas. Requiere sólo el 15%
de la energía de cemento Portland Clinker porque esta escoria no necesita ser secada [34]. Para
la producción de cemento o materiales derivados de este, en cualquier tipo de horno la escoria
puede usarse, pero la más común es la escoria granulada o vidriosa debido a su facilidad a la
hora de su manipulación y son más rápidas las reacciones entre el vidrio y otras materias primas
[20]. Como cemento se hidrata formando (C-S-H) y el hidróxido de calcio (C-H). Cuando la escoria
es agregado, sus silicatos reaccionan con C-H, formando un gel C-S-H- adicional y creando una
pasta más densa, un cemento con mayor fuerza [35]. Sin embargo, la tasa de hidráulica reactiva
de la escoria granulada de alto horno es más lenta que el cemento Portland ordinario; así la
escoria con mayor fineza es usada generalmente [36]. A parte de ser utilizada como un aditivo
de cemento, también se puede añadir hormigón por separado, de tal modo que logra un efecto
similar al hormigón en su fresco y estado endurecido. En la legislación europea, el uso de escoria
de alto horno como aditivo al hormigón, mortero y lechada está cubierta por En 15167-1: 2006.
1.2.3. Aplicaciones de la escoria en mortero.
Otro uso de la escoria de alto horno en la ingeniería civil fue en el mortero para la
construcción del Empire State Building en la década de 1930 [41]. Debido a sus características
hidráulicas latentes, la explosión de escoria de alto horno es beneficiosa en el mortero. Se ha
observado que el uso óptimo de la escoria en mortero es del 40% de cemento, y que la
resistencia a compresión de concreto es en torno al 19 – 25% a tracción que el hormigón hecho
con mortero de cemento Portland ordinario después de 180 días de curado. El correspondiente
aumento en la fuerza extensible se divulga para ser 25% [24]. La escoria granulada de alto horno
provoca un lento desarrollo de la fuerza bajo la norma de las condiciones de curado, pero al
mismo tiempo, la última fuerza es mayor para la misma relación agua-cemento. La resistencia
en el desarrollo a temprana edad puede ser influenciada por temperaturas más altas, que es
beneficioso para el desarrollo de resistencia en el mortero que contiene un alto nivel de escoria
de alto horno. Las ganancias de resistencia son mucho más rápidas, incluso con un aumento en
el curado, a temperatura de sólo 10°C [42]. Además de las aplicaciones usuales de la escoria
41
como un reemplazo parcial del cemento y como añadido, la investigación reciente ha
investigado el uso de la escoria como un álcali activado. Según [43], mayor resistencia a la
compresión y resistencia a la tracción se ha observado con temperaturas de durado. Otro
estudio [44] llegó a la conclusión que la fuerza más alta para el mortero se logra con 3.5% de
Na2O como activador de 60°C o con 6.5% Na2O a 20°C, que significa que cualquiera con una
mayor concentración de solución alcalina a una temperatura más baja o con una menor
concentración de la solución alcalina a una temperatura superior. Estas condiciones resultaron
en concentraciones de al menos 6 y 20 MPa a 1 y 28 días, respectivamente, que son valores altos
para morteros. A los 56 días, mostraron más resistencia a compresión que el cemento Portland
con escoria ya que la proporción de líquido escoria no influye en la resistencia a la tracción de
mortero [43]. Tales conclusiones sobre la contracción han sido confirmadas [45]. Según [46],
activado y mortero con una menor porosidad total y una estructura de poro fina más grande
que el respectivo cemento Portland., sugiere una menor permeabilidad y posteriormente mayor
durabilidad de activada alcalinidad en mortero u hormigón. En el mortero la escoria activada
alcalinamente contiene un polvo de silicato como activados y arena como agregado fino, lo que
su composición está formada por menos poros y una estructura más compacta pudiendo
lograrse mediante el aumento de la escoria en el contenido [45], que apoya una vez más la
mayor durabilidad de dichos morteros. Las escorias de alto horno pueden usarse como sustituto
del agregado fino en mortero. Reemplazo de 25% a 75% de agregado fino con escoria de alto
horno aumentando la resistencia a la compresión partido de resistencia a la tracción del mortero
y mejora la articulación de mortero, resistencia a la compresión y fuerza de tirón/adherencia del
ladrillo [47]. Además, la renovación parcial de los agregados finos con escoria de alto horno
puede significar una mejora de la resistencia del sulfato y reducción del cloruro de rápida
permeabilidad como consecuencia de la mejora en la microestructura de las mezclas [48]. Sin
embargo, el aumento de la cantidad de proporción de escoria granulada de alto horno se utiliza
como una sustitución del agregado (arena natural) y conlleva a una disminución del flujo de
mortero [49]. Utilizando una concentración adecuada de productos químicos y
superplastificante (0.5 – 1%), el flujo puede ser mantenido y la trabajabilidad del mortero de
cemento Portland ordinario puede lograrse.
1.2.4. Aplicaciones de escoria en el hormigón.
El hormigón es el material de ingeniería civil más común y aplicable, por lo que la
explosión de las aplicaciones de escoria de altos hornos es ampliamente investigada con el
objetivo de desarrollo sostenible y preservación ambiental. La escoria se puede utilizar en el
cemento con una carpeta con agregado. Como un aglutinante, puede reemplazar
aproximadamente 70-82% en peso de cemento Portland, con una reducción del 9%-10% de las
emisiones de CO2 de las emisiones de CO2 de la fabricación del hormigón por cada 10% de
cemento Portland sustituido [50]. Si es usado como agregado, en escoria usualmente se
sustituye el agregado de calidad fina y puede mejorar las propiedades del hormigón. El uso de
escoria en el hormigón está influenciado por sus propiedades frescas y endurecidas. El
reemplazo por escoria de alto horno da lugar a un concepto más trabajable, que es
generalmente mucho más fácil de compactar por la vibración, dando por resultado menos aire
42
atrapado [51]. Debido a un contenido de finos más alto, el hormigón con bajo contenido de
escoria es más fácil de terminar, pero a altos niveles de reposición y bajas temperaturas
ambientales (<15°C), los tiempos será de 1 a 2 h. En este caso, se puede necesitar un cuidado
adicional para protegerse contra la humedad perdida. De acuerdo con [52], el 50% de sustitución
de cemento con escoria de alto horno resultaron propiedades mecánicas mejoradas y
durabilidad del hormigón. Sin embargo, a edad temprana, las resistencias son
considerablemente más bajas para el hormigón que incorpora escoria debido a su baja velocidad
inicial de hidratación. La aceleración de la reacción de hidratación puede lograrse empleando
activadores químicos (con soluciones de pH>12 que crean un aglutinante activado),
aumentando su superficie específica o elevando la temperatura [53]. Por consiguiente, la tasa
de sustitución del cemento por escorias de altos hornos en su aplicación, así como sobre las
condiciones climáticas.
El efecto positivo sobre las propiedades de durabilidad del hormigón resulta de las
propiedades hidráulicas; la hidratación secundaria reduce la porosidad del hormigón al bloquear
los poros capilares, resultando en el coeficiente de permeabilidad y difusión más bajos que en
un hormigón ordinario del cemento Portland [51]. Esto también hace que la microestructura del
hormigón sea más denso, disminuyendo la penetración y difusión de los iones de cloruro y
consecuentemente logrando periodos de transición mucho más largos y concentraciones de
iones de cloruro mucho más bajas [54]. Los poros se vuelven más finos, y el cambio en la
mineralogía de los hidratos de cemento conduce a una reducción de la movilidad de los iones
cloruros [55]. Esta mayor durabilidad de hormigón con escoria de alto horno, favorece su uso en
campos especiales de como en la construcción de sótanos impermeables, presas, estructuras
marinas, puentes, torres de telecomunicaciones y estructuras de contención. La porosidad
capilar inferior de hormigón del cemento de alto horno justificó la construcción de una gran
cantidad de los tanques de captación en Alemania con cemento de alto horno [56], El efecto
beneficioso de la explosión en la reacción de silicato alcalino se informó afectando a dos partes
[57]: Primero, el cemento de escoria de alto horno tiene una estructura de poros más densa que
el cemento Portland, lo que dificulta los diferentes procesos de transporte necesarios para la
reacción de sílice alcalina. En segundo lugar, el cemento de escoria de alto horno tiene un pH
menor que el cemento Portland, que reduce la reacción de sílice alcalina (un pH más alto
significa que tiene más hidróxido, que es necesario para romper las redes de sílice). El bajo
desarrollo inicial de la fuerza resultante de una baja tasa inicial de hidratación de escoria puede
ser beneficiosa debido al bajo valor de hidratación, que puede disminuir la temperatura de
agrietamiento del hormigón de masa [41]. Cuando el hormigón se expone a una carga de
tracción pesada o encogimiento, se producen grietas, permitiendo la entrada de agentes
agresivos, tales como cloruro, carbonato y sulfuros, que pueden conducir a la corrosión de las
barras de refuerzos y la degradación del hormigón. En la pasta de cemento con alto porcentaje
de escoria de altos hornos, la auto-curación de las grietas se puede lograr de manera más
eficiente que en hormigón de ce memento ordinario Portland., contribuyendo de nuevo a la
durabilidad [58].
La durabilidad del hormigón depende en gran mediad de la posible corrosión de las
barras de refuerzos en un ambiente agresivo, dando lugar a grietas y desprendimiento de
hormigón. El reemplazo del 40% del cemento por granulado de escoria de alto horno no tiene
43
influencia significativa sobre las tasas de corrosión de los varillones de hormigón, con una
sustitución del 60% del cemento, la velocidad de corrosión se reduce significativamente. Sin
embargo, la sustitución del cemento de tipo I (CM I) por la escoria de alto horno granulada
molida es un 40% o más por el peso del aglomerante puede duplicar la resistencia a la corrosión
de una barra de acero. El espesor suficiente de la cubierta de hormigón y cemento puede
retrasar los ataques con cloruro de cloro en un ambiente agresivo y protege contra la corrosión.
La adicción de escoria granulada de alto horno provoca la reducción del valor de pH pero no
afecta adversamente a la corrosión del hormigón y su resistencia. Un alto porcentaje de
cemento puede reducir el hidróxido de calcio en comparación con un poro refinado, lo que
resulta una menor resistencia del hormigón a la carbonatación [55]. En presencia de
carbonatación, la formación de escala puede ocurrir bajo los estresores combinados de
congelación-descongelación y sal de sal. Posteriormente otros atraques a la estructura son más
propensos a disminuir la durabilidad del hormigón [41].
Las estructuras de hormigón marino son probablemente la mejor manera de probar la
durabilidad del cemento debido a las condiciones ambientales adversas (por ejemplo, presencia
de sal y agua y salpicaduras de agua). Además, la última prueba de la durabilidad de las
estructuras es medir su práctica. En la investigación de la construcción marina de 25 a 70 años
fabricada en altos hornos de cemento en la parte alemanda de Mar del Norte confirmó el
cemento de alta durabilidad; la principal razón de los problemas era la violación de las reglas,
tales como la alta relación agua/cemento o un curado insuficiente [59]. La mayor porosidad
capilar en la superficie carbonatada de hormigón fabricada con cemento de escoria de alto
horno ha sido la principal razón de la incrustación de hormigón, mientras que en condiciones de
laboratorio, el cemento del horno es mucho más alto que en ambientes naturales. Además del
mortero, la escoria activada con álcali se puede usar como un aglutinante independiente en
hormigones y con las mismas conclusiones sobre las propiedades del hormigón en su fresco y
endurecimiento, como se describe en la sección 1.2.3. Además una cuenda ductilidad de álcali-
activado en escoria de hormigón hace que esté bien el hormigón para el uso donde se necesitan
diseños dúctiles (es decir, en áreas propensas a terremotos) [60]. Como se ha indicado
anteriormente, la principal desventaja de utilizar escoria de alto horno en hormigón es debida
al desarrollo de una resistencia temprana que es reducida si se usa un aditivo de cemento o
reemplazo. Se puede utilizar como un agregado sino, que tendrá una superficie grande. Así, más
de él está disponible para la hidratación y las reacciones puzolanicas. Usando el horno de
granulado molido de escoria como agregado ultrafino, trabajabilidad y consistencia del
hormigón fresco mejorado, obteniendo una mezcla consistente y mayor resistencia a la
compresión y la flexión después de 3 días; esto es, resistencia a la edad temprana comparada
con la mezcla de control (con agregado natural) [61]. El hormigón autocompactante con escoria
de alto horno usado como el agregado fino muestran un aumento en la resistencia a la
compresión a los 365 días, mayor retracción autógena, autosecación generada por la hidratación
de la escoria y producto químico encogimiento causado por la escoria reactivada [53]. Una
mayor concentración de secado como resultado de la escoria con mayor porosidad aumenta con
el porcentaje de agregado reemplazado por escoria. Utilizando como agregado grueso el
hormigón, la escoria de alto horno reduce la trabajabilidad del hormigón pero aumenta la
resistencia a la compresión, mientras que la resistencia a la tracción y módulo de elasticidad son
similares a los del hormigón convencional [62]. Además el hormigón con agregado de escoria
gruesa es más resistente a altas temperaturas; esto quiere decir que tiene más resistencia a
44
compresión residual que el hormigón convencional. Otra característica del hormigón de escoria
de alto horno es el menor contenido de cromo, que es beneficioso en términos de reducción de
la irritación de la piel para los trabajadores que el hormigón sin protección cutánea [41].
1.2.5. Aplicación de escorias en la estabilización de suelos.
Las propiedades hidráulicas latentes de la escoria de alto horno y la activación alcalina
útil en la estabilización del suelo. Una combinación de cal y granulado con escoria de alto horno
se utiliza comúnmente en Sudáfrica y Australia para la estabilización del suelo. El sulfato en el
suelo es conocido por ser capaz de causar hinchazón en la arcilla. Esta hinchazón es relacionada
con el sulfato que se asocia con la formación de ettringita. Se sabe que el cemento granulado de
escoria de alto horno es resistente a este tipo de expansión y a la hinchazón.
Como se utiliza en la estabilización del suelo, una combinación del granulado de escoria
y la cal se traduce en un desarrollo más lento del a fuerza en las primeras etapas, tiempo de
construcción (especialmente compactación y nivelación después de la adición de escoria), la
capacidad de auto-senación en el caso de daños de sobrecarga en una vida temprana, a lo largo
de los plazos aumenta la fuerza de inhibición del hinchamiento deletéreo causado por sulfatos
o sulfuros en el suelo [19].
La estabilización profunda del suelo tanto para la construcción de carreteras como para
la construcción de cimientos también puede llevarse a cabo con escoria de alto horno activada
con álcali. Resultados en la investigación de laboratorio indican que el cemento activado, tiene
el potencial de estabilización de arcillas profundas cuando el objetivo es para lograr una gran
fuerza del pilar [50]. Estos resultados indicaron que la resistencia a la compresión aumentó con
el contenido de agua para la arcilla estabilizada, y la relación agua / aglutinante disminuyó. Con
cantidades más pequeñas de aglutinante, es posible obtener resistencias de 300 – 600 kPa, el
cemento de escoria granulado de altos hornos activado es un buen aglutinante cuando el
objetivo de la estabilización es la alta resistencia (en el rango de 1000 – 3000 kPa). Utilizando
como estabilizante el suelo, la escoria puede influir en el medio.
1.2.6. Aplicaciones de escoria en la construcción de carreteras y la
estructura del pavimento.
Aproximadamente el 24% del uso de escorias de alto horno se encuentra en la
construcción de carreteras. Principalmente se utiliza como agregado en mezclas de asfalto y
hormigón o como una base no unida y una capa base. Esto se debe principalmente a su superficie
45
áspera y alta porosidad, lo que resulta en capas muy estables y prácticamente ningún efecto del
contenido de agua varia, lo cual es ventajoso durante la construcción. Las principales ventajas
de las escorias de alto horno, si se utiliza como agregado en terraplén o relleno, son la alta
estabilidad y el ángulo de fricción (40-45 grados), la capacidad de estabilizar un suelo húmedo y
blando durante el tiempo de construcción (particularmente durante la construcción) y muy poco
(o casi ninguno) estableciendo poscompactación [23].
Cuando se usa un agregado en terraplén, existe la posibilidad de un efecto adverso,
principalmente estético debido a su composición química, los lixiviados de este material pueden
ser propensos a la descolocación y el olor de sulfuros para que se requiera un sistema de drenaje
adecuado. Asimismo el impacto medioambiental del uso de escoria ferrosa en la ingeniería civil
se presenta como uno de los posibles impactos ambientales más adversos. También es deseable
una alta estabilidad y capacidad de “bloqueo” cuando se utilizan en forma granular o capas de
base no unida. Estas propiedades proporcionan una buena transferencia de carga para
pavimentos colocados en una zona suave y débil, ya que la angulosidad y el alto ángulo de
fricción contribuyen a una alta capacidad de carga con una relación de cojinete Californiana
(CBR) mayor del 100% [23]. La escoria de alto horno es enfriada por aire, aunque es bastante
frágil y propensa a la descomposición bajo carga de impacto, tiene una dureza media por la
escala de Mohs entre 5 y 6 (similar a la roca ígnea durable).
Aunque la escoria de alto horno es un buen material agregado para su uso en la
construcción de carreteras, combinarlo con diferentes escorias puede resultar un material con
propiedades mejoradas. La combinación de escorias de alto horno y escoria (LD) (producidas
durante el proceso de conversión de Linz-Donawitz) da como resultado un material de
propiedades de resistencia incrementadas (fuerza uniaxial y valor de CBR) y resistencia a la
congelación-descongelación, con los mejores resultados asociados a una mezcla de 50%
granulado y 50% de escoria de acero LD [64]. Las propiedades hidráulicas latentes de la escoria
de alto horno pueden utilizarse para la construcción de estabilizadores. Para estos materiales,
obtener la máxima densidad seca y el contenido óptimo de agua es muy importante durante la
construcción para su compactación (y por lo tanto tener una buena capacidad de carga) con
menos energía compacta. La adición de la escoria granulada de alto horno a una mezcla de
cenizas volantes más bien graduada, con mayor densidad seca máxima y disminución del agua
óptima el contenido de la mezcla compactada [65]. La escoria también influye en la resistencia
a la compresión aumentando el valor CBR. Esto se atribuye a la reacción de óxido de calcio libre,
reactivo sílice y alúmina en la escoria durante las reacciones hidráulicas latentes y formación
adicional de gel C-S-H.
En materiales controlados de baja resistencia, usualmente usados como relleno en lugar
de compactados, la escoria granulada de alto horno aumenta el caudal y disminuye la tasa de
sangrado [64]. Sin embargo, la adición de escoria no influye la trabajabilidad y la demanda de
agua. También aumenta la resistencia a la compresión resultando de sus propiedades hidráulicas
latentes. Para mantener la resistencia a la compresión límite de excavabilidad de alrededor de
2,1 MPa, el contenido de escoria debe ser inferior a 50 kg/ m3. Aparte del uso en capas de base
unidas o no unidas, se puede usar escoria de alto horno como un agregado en capas de asfalto
46
y de pavimento de superficie de hormigón. En asfalto, puede usarse como un agregado grueso
o fino. Si se utiliza como agregado en el asfalto requiere un contenido de aglutinante mayor que
en el convencional. Por ejemplo, la escoria de alto horno refrigerada por aire se usa como
agregado en el cemento denso del asfalto, el grado de demanda en el contenido del cemento es
de un 8% hasta un 3% más en peso de la mezcla en comparación con la mezcla de asfalto
convencional [23, 66]. Esta característica de la mayor porosidad en comparación con el agregado
natural también puede causar un mayor tiempo de retención para el secado durante la
fabricación del asfalto en caliente. La escoria pude causar problemas durante el diseño y la
producción de la mezcla tales como el lavado debido al alto contenido de aglutinante o al
deshielo ya que posee un bajo contenido de aglutinante [23]. Además, la resistencia es bastante
baja, y el material no resiste al tráfico pesado [23].
Sin embargo, la aplicación de escorias refrigeradas por aire de alto horno procede
numerosos beneficios en el asfalto, una alta afinidad por el cemento como también una de sus
propiedades negativas contribuye a una unión adhesiva mejorada entre el agregado de escoria
y el aglutinante, resultando una excelente resistencia al desprendimiento. Las características
superficiales antes mencionadas, tal como una textura de superficie vesicular dura, áspera,
altamente angular, da lugar a un alto (PSV), que también contribuyó con una buena resistencia
a la fricción a una mezcla de asfalto y tratamiento superficial. Así que todas las ventajas del uso
de escoria en la superficie del asfalto, como la buena resistencia de la fricción buena resistencia
al desgaste y todas las desventajas señaladas hacen que las mezclas de asfalto de escorias en los
pavimentos no sean efectivas a la hora de las fuertes frenadas y aceleraciones como para los
sellos de lodos [23].
La aplicación de las escorias de alto horno en el pavimento de hormigón es posible. La
escoria se puede utilizar como agregado en tipos de estructuras de hormigón asociadas con la
construcción de carreteras: pavimentos, prefabricados y las unidades pretensas, las
fundaciones, los bordillos y las canaletas [66]. Como en el hormigón ordinario se emplea escoria
en pavimentos de hormigón pero disminuye la trabajabilidad. Además del hormigón para las
estructuras de pavimento debe ser resistente a la congelación y descongelación cíclica, pero
también a los efectos del deshielo y a otros agentes de contenido de aire. El cemento de escoria
sin un aditivo de aire muestra un contenido de aire significante menor que el cemento Portland
ordinario, y para el mismo contenido de aire la dosificación de la mezcla de arrastre de aire debe
ser dos veces mayor.
47
1.3. Escorias del estudio.
1.3.1. Origen
Las escorias de acería LD se originan en el proceso de afinado del arrabio obtenido en el
alto horno, eliminándose por oxidación, en todo o en parte, las impurezas existentes.
En el procedimiento Linz-Donawittz (LD) para la transformación de la fundición de hierro
procedente del horno alto en acero, el afino se lleva a cabo inyectando oxígeno a presión en el
baño que contiene las materias primas y las adiciones para la formación de escorias
(fundamentalmente cal, dolomía y espato). El oxígeno, se insufla mediante una lanza refrigerada
hasta conseguir eliminar el arrabio de exceso de carbono y las impurezas que lo acompañan. El
carbono se elimina del arrabio el exceso de carbono y las impurezas que lo acompañan. El
carbono se elimina por oxidación en forma de gas (CO y CO2) y el resto de impurezas e forma de
escoria semipastosa que sobrenada por encima del acero, lo que permite separarla de este y
enviarla a un foso donde se riega hasta alcanzar temperaturas inferiores a 50°.
Figura 1.3.1: Escoria de Acería LD
1.3.2. Volumen y distribución.
Los únicos altos hornos que tenemos en nuestro país se encuentras en Gijón (Asturias)
y pertenecen a ARCELOR ESPAÑA S.A., que es también la propietaria de las dos acerías del tipo
LD existentes, se encuentran localizadas en Avilés y Gijón.
48
La producción total de escorias de acería LD durante el año 2005 se estimó en unas
585.000 t, de las cuales están repartidas en 485.000 t en la acería LD de Avilés y 100.000 t en la
de Gijón. La totalidad de la escoria procede de la acería de Gijón después de los tratamientos de
separación magnética, molienda y cribado tiendo un tamaño menos de 10 mm. El 85% que
procede de Avilés sólo sufrió tratamiento por separación magnética y no fue clasificada
granulométricamente (Fuente: Arcelor España S.A.)
Figura 1.3.2: Distribución altor hornos y acerías LD.
1.3.3. Propiedades.
Físicas [67] y [68]
La escoria de acería LD es un material de tipo granular, de color gris claro en estado seco
que tiene una cierta porosidad y textura rugosa. Las partículas tienen forma cúbica, con escasa
presencia de lajas. Tiene una densidad aparente elevada, de orden de t/m3 o algo superior,
consecuencia de su contenido en hierro, que se da tanto en la forma de metal libre como
combinado en óxidos. La granulometría aproximada es de 0/300. La absorción de agua es
moderada (inferior al 3%).
49
Químicas [67] y [68]
La escoria de acería LD tiene una composición química muy diferente a las de la escoria
de alto horno; en particular, contiene menos alúmina y sílice y bastante más cal, una parte de
ella en forma libre; además, contiene una importante proporción de óxidos de hierro. El
contenido de CaO está comprendido entre 45 y 50%, siendo ésta, quizás, la propiedad química
más importante desde el punto de vista de su utilización en la construcción de carreteras, pues
hace que las escorias presenten alta higroscopicidad, lo que favorece la hidratación de la cal y
su posterior expansión. Las escorias de acería contienen más hierro, tanto en su forma libre
como combinada con óxidos, que las escorias de alto horno, lo que incrementa la densidad de
este material. Por el contrario, el contenido en azufre total es bajo. El pH de las escorias de acería
LD es alcalino.
Mecánicas
Las escorias de acería tienen muy buena angulosidad y elevada dureza (6-7 en la escala
de Mohs), así como una elevada resistencia al corte y a la abrasión.
1.3.4. Procesamiento
La escoria, que se encuentra en forma semipastosa sobrenadando por encima de acero,
se separa de éste y envía a un foso, donde se riega hasta alcanzar temperaturas inferiores a 50°,
y se transporta a la planta de procesado. Allí se separan, mediante electroimanes, las chatarras
superiores a 80 mm, pasando el material restante a la instalación de machaqueo. Mediante
machacadoras de mandíbulas y molinos de conos se reducen a tamaños inferiores a 50 mm. De
esta escoria se elimina de nuevo el hierro mediante electroimanes y se clasifica en distintos
tamaños. El procesado se completa, en su caso, con el envejecimiento de la escoria en parque,
regándola con agua para conseguir hidratar los elementos inestables. [67] [68].
1.3.5. Aplicaciones.
Las escorias de acería LD están siendo utilizadas en nuestro país y en otros países en
acerías como: Alemania, Austrias, Bélgica, Canadá, Francia, Inglaterra, Japón y USA. En Japón, la
tasa de reciclado es cercana al 100% (fuente: Nippon Slag Association).
Las aplicaciones más importantes de la escoria de acería LD son en agricultura y en obra
civil como árido de calidad.
50
1.3.5.1. Obras de tierra y terraplenes.
La escoria de acería LD se utiliza en la construcción de rellenos y terraplenes.
1.3.5.2. Carreteras
En la técnica de carreteras, las escorias de acería LD se utilizan como áridos para bases
y subbases granulares, mezclas bituminosas, lechadas o tratamientos superficiales.
Este material no debe emplearse en capas tratadas como conglomerantes hidráulicos o
en aplicaciones donde vaya rígidamente confinado en las que pequeñas expansiones producirán
deterioros importantes.
En su aplicación como árido en capas granulares, y especialmente en bases de
carreteras, debe someterse el material a un proceso de envejecimiento previo, con la
granulometría con la que vaya a ser empleado, de forma que el contenido de cal libre no rebase
un porcentaje entre el 4% y 5%; antes de su utilización deberá controlarse la estabilidad
volumétrica de la escoria mediante un ensayo de hinchamiento.
La aplicación más clara en la técnica de carreteras es como árido en capas de rodadura
de mezclas bituminosas o tratamientos superficiales, donde no sólo saca el mayor partido a su
gran dureza y alto coeficiente de pulimiento acelerado, sino que el riesgo de desperfectos por
expansión se reduce sensiblemente.
El proceso de dosificación en laboratorios de las mezclas bituminosas con escorias, así
como su fabricación y puesta en obra, es análogo al de las mezclas convencionales. No obstante,
se pueden resaltar varios aspectos que las diferencian.
- Las mezclas bituminosas fabricadas con estos áridos han demostrado que su
adhesividad al ligarte es buena (superior al obtenido generalmente con áridos silíceos),
el coeficiente de resistencia al deslizamiento se conserva mejor que en otros áridos y la
resistencia mecánica de las mezclas es superior a la obtenida con los áridos silíceos de
referencia.
51
- El elevado peso específico de las partículas hace que la incidencia del transporte en la
unidad terminada sea mayor que en las mezclas convencionales. Este problema, así
como una cierta dificultad de compactación, puede reducirse en gran parte utilizando
únicamente una porción de árido de acería en la granulometría final, especialmente los
áridos más gruesos que son los que más contribuyen a dotar de esqueleto mineral a la
mezcla y proporcionan microtexturas para la mejora de la resistencia al deslizamiento
en capas de rodadura.
- Debido al elevado peso específico de la escoria de acería, hay que adoptar precauciones
a la hora de dosificar el porcentaje de betún en las mezclas, siendo recomendable, para
poder comparar dosificaciones, referirlas a un porcentaje sobre volumen de áridos.
- La mayor porosidad de las escorias respecto a los áridos convencionales hace que para
conseguir unos contenidos adecuados de huecos en mezcla se deba ir a una dosificación
superior de ligante que en la mezcla de referencia.
Aunque en los distintos países hay una amplia gama de planteamientos en relación con
la necesidad, o no, de que la escoria que se utilice como árido en mezcla bituminosa esté
envejecida, la experiencia habida en nuestro país señala su conveniencia [68] [69].
1.3.6.3. Consideraciones medioambientales.
Generalidades
La Ley 10/1998, de Residuos, de 21 de abril, establecía en su artículo 3 que tendrían
consideración los residuos todos aquellos que figurasen en el Catálogo Europeo de Residuos
(CER). Este Catálogo fue aprobado por la Directiva 94/3/CE de 20 de diciembre de 1993, y
complementado con la Directiva 94/904/CE, ambas aprobadas en el Real Decreto 952/1997.
Las Directivas Comunitarias anteriormente mencionadas han sido derogadas por la
Directiva 2000/532/CE mediante la que se aprueba La Lista Europea de Residuos. La orden
MAM/304/2002 de 8 de febrero (con corrección de errores de 12 de marzo), publica en su Anejo
2 la mencionada Lista Europea de Residuos.
52
Las escorias LD pueden ser sometidas a distintos tratamientos para ser acondicionadas
a los requerimientos de los clientes o necesidades internas, como son, por ejemplo,
enfriamiento y recuperación magnética u otros tratamientos adicionales como clasificación,
molienda y cribado para alcanzar las granulometrías demandadas.
Las escorias LD que son sometidas a tratamientos de enfriamiento y recuperación
magnética, pero que no se reciclan internamente en las instalaciones productoras o no se
procede a su comercialización, tienen la consideración en la Lista Europea de Residuos en el
Capítulo 10 correspondiente a “Residuos de la industria del hierro y del acero”, con el siguiente
código:
-10 02 01 “Residuos de tratamiento de escorias” y están caracterizados como residuos no
peligrosos.
Ventajas:
- Las escorias de acería LD están compuestas principalmente por Ca, Si, Fe, Mg y Mn junto
con cantidades menores de otros elementos. No están presentes en las escorias
producidas en España cantidades representativas de elementos considerados como
nocivos en las legislaciones ambientales, como el arsénico, el cadmio, el cobalto y el
mercurio.
- En nuestro país existe una amplia experiencia en la utilización de las escorias de acería
LD como corrector de suelos cultivos. La escoria no solo es capaz de aportar una serie
de micronutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas sino que también
mejora la densidad, porosidad y permeabilidad de los suelos.
- El aprovechamiento de las escorias LD, produce un ahorro importante de otros recursos
naturales que serían necesarios para distintas aplicaciones a las cuales se destina.
- La escoria es producida simultáneamente con el acero, y permitir su aprovechamiento
evita la gestión de las mismas por otro medio, como por ejemplo, destino vertedero.
53
Inconvenientes:
- Los lixiviados de las escorias de acerías pueden llegar a tener un pH superior a 11. No
obstante si se usa en áreas en contacto con aguas de flujo lento o estancado, se debe
airear el agua para evitar que debido al pH de la escoria, pueda afectar a la fauna y la
flora. En otros casos, no se ve afectado por su uso.
- En la bibliografía técnica se han recogido casos de obstrucción de tuberías del sistema
de drenaje del firme, al precipitarse el carbonato cálcico procedente de la combinación
de los lixiviados de la escoria con el dióxido de carbono del aire.
- Las escorias de acería, especialmente las producidas en el procedimiento basado en el
empleo de oxígeno, tienen cal libre (CaO) y magnesia (MgO). Estos óxidos pueden
reaccionar con el agua y formar hidróxidos en una reacción expansiva. La expansibilidad
hidráulica de las escorias de acería es más frecuente que la que puede producirse en las
escorias de alto horno por la presencia de sulfatos solubles. La primera expansión en el
tiempo corresponde a la hidratación de la cal, y tiene lugar en el plazo de semanas,
mientras que la hidratación del óxido de magnesio se efectúa a más largo plazo, y
después de la anterior. Para reducir el riesgo de expansión de las escorias de acería, en
EE.UU. se recomienda una maduración o envejecimiento de entre 3 y 12 meses. A este
respecto conviene señalar que, en nuestro país, la práctica habitual con las escorias 5/10
y 10/20 es regar con agua y dejar madurar de 3 a 6 meses.
54
Capítulo 2: OBJETIVOS Y ALCANCE
55
2.1. Objetivos
El objetivo principal para el que se desarrolla esta investigación es la identificación del
potencial de aplicación de las escorias ArcelorMittal de procesos siderúrgicos para la
construcción de materiales acústicos absorbentes que serán aplicados para la reducción del
ruido en el tráfico de carreteras, así su reciclado y reutilización en la ingeniería civil.
En otro lugar, debemos destacar otros objetivos que llevaremos a cabo, que son los
siguientes:
- Determinación de la relación optima de los diferentes constituyentes del hormigón de
referencia con el que comprobaremos el nuevo material desarrollado, equilibrando las
propiedades mecánicas con la absorción acústica.
- Análisis y optimización de la proporción de los diferentes constituyentes que componen
el material de tal modo que se equilibre la absorción acústica con las propiedades
mecánicas.
- Análisis de las propiedades físicas, químicas, mecánicas y acústicas tanto del material de
referencia como del nuevo hormigón.
- Determinar qué efecto produce el tipo de compuesto (árido o escoria) con la relación
de agua en el coeficiente de absorción acústica.
Para finalizar se analizarán los resultados obtenidos y se desarrollarán las conclusiones
sobre la aplicabilidad para el sometimiento de los mismos a ensayos normalizados a escala
industrial, de cara a su uso potencial en dispositivos reductores de ruidos de carreteras.
56
Capítulo 3: MATERIALES Y MÉTODOS
57
3.1. Materiales
3.1.1. Escorias
Figura 3.1.1: Escoria ArcelorMIttal
3.1.2. Áridos
Es el material granular inerte que se añade a cemento para la formación del hormigón o
mortero.
- Árido fino: árido que pasa por el tamiz 4,76 mm. Para la realización de esta investigación
se ha empleado arena normalizada [35].
- Árido grueso: Conocido como grava, es el árido retenido en el tamiz de 4,76.
3.1.3. Cemento
El cemento es un conglomerante hidráulico, material hidráulico que una vez molido y
amasado con agua forma una pasta que fragua y endurece por medio de diferentes reacciones
que dan lugar y procesos de hidratación y que, una vez endurecido, se conserva su resistencia y
estabilidad incluso bajo el agua [70].
58
Desde el punto de vista químico, el cemento de silicatos y aluminatos de calcio a través
del cocido calcáreo, arcilla y arena.
Conforme con la norma EN-197-1 [70] cuando se dosifica y mezcla apropiadamente con
agua y áridos, el cemento es capaz de producir un hormigón o un mortero que conserva su
trabajabilidad y alcanza, al cabo de un periodo definido, los niveles específicos de resistencia y
presenta estabilidad a volumen a largo plazo.
En este estudio, en la fabricación de muestras, se ha empleado cemento Portland tipo
II, CEM II/ B-L 32,5 N de acuerdo con la norma EN 197-1 [70] compuesto por:
- 6-79% Clinker.
- 31-35% CaCO3
- 0-0,5% otros compuesto minoritarios.
Figura 3.1.3: Cemento tipo II.
59
3.2. Métodos de caracterización
3.2.1. Físico-química
3.2.1.1. Composición química
Para determinar la composición química elemental (elementos minoritarios y
mayoritarios) de los materiales que se han utilizado en el método descrito en la norma ASTM
3682-78 [71].
Se han empleado los siguientes equipos para la realización de los análisis:
- Espectrofotómetro UV/V, GBC, 911.
- Espectrofotómetro de absorción atómica (EAA), Perkin-Elmer 3100.
- pH-metro. Crison micro-pH 2002.
- Horno de mufla.
- Crisoles de platino.
- Agitador magnético en placa calefactora.
En el método de ataque por disgregación con tetracarbonato de litio, y el análisis
químico posterior mediante EEA, se muestran en la Figura 3.2.1 en un diagrama esquemático
del mismo.
3.2.1.2. Densidad aparente
Una de las propiedades básicas de los productos absorbentes acústicos es la densidad
aparente, ya que puede afectar a propiedades como la propia absorción acústica o la resistencia
a compresión. Esta propiedad se ha medido según la norma ASTM E 605-77 [72], en la que se ha
introducido pequeñas variaciones con objeto de que la realización de la misma sea más sencilla.
60
Los materiales necesarios para la determinación de la densidad son los siguientes:
- Pie de rey.
- Balanza con la suficiente capacidad y sensibilidad para pesar la muestra con una
precisión de al menos un 1 % del peso de la muestra.
Figura 3.2.1. Diagrama esquemático del método de disgregación basado en la norma ASTM
3682-78.
Las medidas se han realizado siguiendo los pasos que se detallan a continuación:
1. En primer lugar, con el pie de rey, se realizarán varias medidas del diámetro de la
probeta. Nos quedaremos con el valor medio.
2. A continuación repetiremos el proceso pero son la altura de la probeta (estas tienen
forma cilíndrica). Tomaremos el valor medio.
3. Finalmente se pesará la probeta en la balanza.
La densidad se calculará con la fórmula que se detalla a continuación.
𝜌 =𝑊
𝑉 (3.2.1)
61
Siendo:
- ρ la densidad aparente (kg/m3)
- W el peso del material seco (kg)
- V el volumen aparente de la muestra (m3)
3.2.1.3. Porosidad abierta
La porosidad abierta es un parámetro de suma importancia ya que está íntimamente ligado a la
absorción acústica del material. Para determinar la porosidad abierta se ha empleado el método
descrito en la normativa EN 1936 [73].
Los equipos que son necesario para determinar la porosidad abierta son:
- Un recipiente de vacío que pueda mantener una presión de (2.0 ± 0.7) kPa = (15 ± 5)
mmHg y que permita una inmersión gradual de las probetas contenidas.
- Una balanza con una precisión mínima de 0.01% de la masa a pesar.
El procedimiento empleado para la realización de esta medida es el siguiente:
1. Se pesa cada probeta (ms) y, a continuación, se colocan en un recipiente de vacío y se
disminuye gradualmente la presión hasta (2.0 ± 0.7) kPa= (15 ± 5) mm Hg.
2. Se mantiene esta presión durante (2 ± 0.2) h para eliminar el aire contenido en los poros
abiertos de las probetas.
3. Introducir lentamente agua desmineralizada a (20 ± 5) °C en el recipiente de vacío (la
velocidad a la que el agua sube debe ser tal que las probetas queden completamente
sumergidas, como mínimo en 15 min).
4. Se mantiene la presión de (2.0 ± 0.7) kPa durante la introducción del agua.
62
5. Cuando todas las probetas estén sumergidas, se restablece la presión atmosférica en el
recipiente de presión y se dejan las probetas bajo el agua otras (24 ± 2) h a presión
atmosférica.
6. A continuación se seca rápidamente la probeta con un trapo húmedo y se determina a
masa de la probeta saturada con agua (mh).
La porosidad abierta se calcula por medio de la relación (en porcentaje) entre el volumen de los
poros abiertos y el volumen aparente de la probeta, con la ecuación:
𝜀0 =(𝑚ℎ− 𝑚𝑠)/ 𝜌
𝑉 (3.2.2)
Siendo ρ (kg/m3) la densidad del agua a la temperatura de operación y V (m3) el volumen
aparente de la probeta.
3.2.1.4. Humedad
La humedad se ha determinado de acuerdo con la norma estándar Europea En 12859
(2011) [74]. En primer lugar se mide la masa de la probeta en las condiciones ambientales (M1),
a continuación se mide la masa de la probeta después de secarse a 105 °C y alcanzarse masa
constante (M2). El valor de la humedad (H) se calcula como:
𝐻 (%) =(𝑀2− 𝑀1)
𝑀1∗ 100 (3.2.3)
3.2.1.5. Gravedad específica
La medida de la gravedad específica se ha realizado según el estándar Europeo EN 1097-
7 (2009) [75] de determinación de las propiedades físicas y mecánicas de los áridos. Se ha
seguido el procedimiento de picnómetro.
63
3.2.1.6. Distribución granulométrica
La distribución granulométrica se ha obtenido con una torre de tamices de luz: 15 mm,
9 mm, 7,1 mm, 5 mm, 4 mm, 2,5 mm, 1,25 mm, y 0,25 mm. Se procede pesando el primer lugar
el tamiz vacío (mtv) y volviendo a pesarlo una vez se haya tamizado el material (mf). Por
diferencia de pesada se obtiene el porcentaje del material retenido por cada luz de malla
(%retenido):
%𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 =(𝑚𝑓− 𝑚𝑡𝑣)
𝑚𝑡∗ 100 (3.2.4)
Donde mt es la masa total del material tamizado.
3.2.2. Propiedades mecánicas
3.2.2.1. Resistencia a compresión
Los ensayos de resistencia a compresión (Rc) de las muestras se han realizado con
cilindros de 40 mm de altura y 35 mm de diámetro. La máquina de compresión usada, Suzpecar,
modelo MEN-102/50t (Figura 3.2.2), es capaz de ejercer una fuerza proporcional a las
resistencias que se van a medir, disponiendo de dos células de carga: una de 5 Tn para cargas
pequeñas y otra de 50 Tn para cargas más grandes. Para la célula de carga de 5 Tn la carga
mínima es de 10 kg. El equipo además posee un dispositivo automático para la regulación de la
velocidad de carga y desplazamiento.
La resistencia a la compresión se ha medido, en la medida que ha sido posible, según el
procedimiento indicado en la norma ASTM E 761-86 [76]. Esta norma establece que la
resistencia a la compresión se determinará mediante la aplicación de una fuerza de compresión
normal a la superficie de la muestra, midiendo la tensión aplicada al 10% de deformación, o
cuando ocurra la rotura del material, si esta tiene lugar antes de alcanzar dicha deformación.
64
La medida se ha realizado según el procedimiento siguiente:
1. El espesor inicial de la muestra para medir la deformación será la distancia entre la
cabeza de la máquina y la placa de acero después de aplicar una carga inicial de 0,7 kPa.
2. A continuación se comprime la muestra hasta un 10% de deformación, o hasta que se
alcance la carga final. La velocidad de movimiento de la cabeza de la maquina no ha de
ser mayor a 1,3 mm * mm-1.
3. Una vez finalizado el ensayo se anotará la fuerza de compresión y el modo de fallo, en
caso de que este ocurra.
Figura 3.2.2: Equipo usado en la determinación de la resistencia a compresión.
La resistencia a compresión se mide de acuerdo a la siguiente ecuación:
𝑅𝑐 =𝐹
𝑆∗ 10−6 (3.2.5)
Siendo:
- Rc = resistencia a compresión [MPa]
65
- F = Carga aplicable [kg]
- S = Superficie de la probeta [m2]
3.2.3. Propiedades acústicas
3.2.3.1. Coeficiente de absorción acústica
El coeficiente de absorción acústica (αn) expresa la energía acústica absorbida por la
superficie de un material respecto a la energía acústica incidente.
Para la obtención del coeficiente de absorción acústica se ha empleado el método del
tubo de impedancia, siguiendo las especificaciones que se indican en las normas EN 10534-2
[78] AST10534-2 [77]. Para ello se ha empleado el sistema ACUPRO implementado por
“Spectronics Inc.”, con dos micrófonos y un equipo amplificado de señal SAMSON. En la Figura
3.2.3 se muestra un esquema del dispositivo utilizado.
Figura 3.2.3: Esquema tubo Kundt.
A. Fundamentos teóricos de tubo Kundt.
La muestra de ensayo se monta en uno de los extremos del tubo de impedancia, que debe
ser recto, rígido y estanco. Mediante una fuente sonora, se generan ondas planas en su interior
y se miden las presiones acústicas en dos posiciones cercanas a la muestra. Posteriormente se
determina la función de transferencia acústica compleja de las señales en los dos micrófonos,
que se usa después para calcular el coeficiente de reflexión complejo para incidencia normal, el
66
coeficiente de absorción para incidencia normal, y la impedancia normalizada del material
ensayado.
Las magnitudes determinadas son función de la frecuencia, con una resolución en
frecuencia condicionada por la frecuencia de muestreo y la longitud de la señal del sistema
digital de análisis de frecuencias usado para las mediciones. El rango de frecuencia útil
depende del ancho del tubo y de la distancia entre las dos posiciones de micrófonos.
Existen dos técnicas para la realización de las mediciones:
- Método de los dos micrófonos: se usan dos micrófonos en posiciones fijas.
- Método de un micrófono: un único micrófono en dos posiciones distintas.
El método de medición se basa en el hecho de que el coeficiente de reflexión acústica
para incidencia normal puede ser determinado a partir de la función de transferencia H12
entre dos posiciones de micrófono frente al material ensayado.
Figura 3.2.4: Posición de los micrófonos y distancias en el tubo de impedancia.
Las posiciones acústicas de la onda incidente (pI) y reflejada (pr) son respectivamente:
𝑝𝐼 = 𝑝𝐼𝑒𝑗 𝑘𝑜𝑥 𝑝𝑟 = 𝑝𝑟𝑒−𝑗 𝑘𝑜 𝑥 (3.2.6)
67
Donde:
pI y pr son los módulos de pI y pr en el plano de referencia (x = 0, normalmente la
superficie de las muestras planas de ensayo).
K0 = Ko’ – jk0, es el número de onda complejo.
K0’= 2π / λ0, es la componente real.
λ0, longitud de onda.
K0” es la componente imaginaria, que es la constante de atenuación linear en nepers
por metro.
Las presiones acústicas p1 y p2 en las disposiciones de micrófono son:
𝑝1 = 𝑝1𝑒𝑗𝑥1𝑘0 + 𝑝𝑟𝑒−𝑗𝑘0𝑥1 𝑝2 = 𝑝1𝑒𝑗𝑥2𝑘0 + 𝑝𝑟𝑒−𝑗𝑘0𝑥2 (3.2.7)
La función de transferencia para la onda incidente H1 es:
𝐻1 =𝑝2𝐼
𝑝1𝐼= 𝑒−𝑗𝑘𝑜(𝑥1− 𝑥2) = 𝑒−𝑗𝑘0𝑠 (3.2.8)
Donde s es la separación entre los micrófonos.
Del mismo modo la función de transferencia para la onda reflejada HR es:
𝐻𝑅 =𝑝2𝑅
𝑝1𝑅= 𝑒𝑗𝑘𝑜(𝑥1− 𝑥2) = 𝑒𝑗𝑘0𝑠 (3.2.9)
La función de transferencia desde la posición del micrófono uno a la dos, H12, para el
campo acústico total se puede obtener a partir de las ecuaciones (3.2.6), teniendo en cuenta
que 𝑝𝑅 = 𝑟𝑝1 (donde r es el coeficiente de reflexión acústica para incidencia normal):
𝐻12 =𝑝2
𝑝1=
𝑒𝑗𝑘0𝑥2+𝑒−𝑗𝑘0𝑥2
𝑒𝑗𝑘0𝑥1+𝑟𝑒−𝑗𝑘0𝑥1 (3.2.10)
Despejando r de la ecuación (3.2.9) y usando las ecuaciones (3.2.7) y (3.2.8) se obtiene:
68
𝑟 =𝐻12− 𝐻1
𝐻𝑅− 𝐻12 𝑒2𝑗𝑘0𝑥1 (3.2.11)
Así, el coeficiente de reflexión r en el plano de referencia (x=0) puede
determinarse a partir de las funciones de transferencia, de la distancia x1 y del número
de onda ko que debe incluir la constante de atenuación del tubo K”0.
Una vez conocido el coeficiente de reflexión se puede determinar el coeficiente
de absorción acústica a incidencia normal (α) y la impedancia acústica específica (Z/ρc0):
𝛼 = 1 − |𝑟|2 (3.2.12)
𝑍
𝜌𝑐0=
1 + 𝑟
1 −𝑟 (3.2.13)
B. Fundamentos operacionales.
Las muestras empleadas para la determinación del coeficiente de absorción
acústica de un material son probetas cilíndricas con dimensiones de 35 mm de diámetro
y 40 mm de altura. El rango de frecuencias para su medida ha sido de 50-5000 Hz. El
montaje de la muestra se ha llevado a cabo de modo que el ajuste es perfecto entre la
probeta y el tubo.
El procedimiento para medir la muestra es el siguiente:
1. En primer lugar, tras encender el equipo, procedemos a una estabilización del mismo
durante un tiempo aproximadamente de 15-20 min.
2. Introducimos la probeta en el porta-muestras de tubo, de tal forma que la probeta no
sobresalga del mismo y se ajuste perfectamente.
3. Una vez insertada en el interior del muestrario la probeta, se une el porta-muestras al
tubo de impedancia.
4. Se procede a inicio del ensayo a través de software habilitado en el soporte informático
5. Una vez realizado el ensayo, se obtiene los valores del coeficiente de absorción del
material para el rango de frecuencias características del tubo (50-5000 Hz).
69
´Figura 3.2.5: Tubo de impedancia acústica.
3.2.3.2. Coeficiente de reducción del ruido (NRC).
El coeficiente de reducción de ruido (NCR) es un descriptor de un solo número para
coeficientes de absorción acústica de incidencia aleatoria. Se define en la norma ASTM C 423-
90 como la media aritmética redondeada al múltiplo más próximo de 0,05 de los coeficientes de
absorción acústica, medidos en las cuatro frecuencias de centro de banda de un tercio de octava
de 250, 500, 1000 y 2000 Hz.
𝑁𝐶𝑅 =𝛼250+ 𝛼500+ 𝛼1000+ 𝛼2000
4 (3.2.14)
3.2.3.3. Índice de evaluación de la absorción acústica (DLα)
El índice de evaluación de la absorción acústica (DLα) indica el comportamiento de los
productos empleados como dispositivos reductores de ruido de tráfico en carreteras. La
determinación de este parámetro viene especificada en la norma EN 1793-1.
70
Se calcula en decibelios, mediante la siguiente expresión:
(3.2.15)
Donde:
DLα = índice de evaluación de la absorción acústica calculado como la diferencia de
niveles de presión sonora ponderados A, en decibelios.
αsi = coeficiente de absorción acústica dentro de la iésima banda de tercio de octava.
𝐿𝑖 = nivel de presión sonora normalizado ponderado A, en decibelios, de ruido de tráfico
rodado dentro de la iésima banda de tercio de octava del espectro definido en la norma
EN 1793-3.
Puede ocurrir que el valor del coeficiente de los sumatorios dentro de la expresión de
DLα sea superior a 1; en este caso no es posible el cálculo de DLα. Por esta razón, se limita el
valor de dicho cociente a 0,99.
El resultado obtenido a partir de la ecuación anterior se debe redondear al número
entero más próximo. El valor obtenido correspondiente al índice de evaluación de la absorción
acústica.
La clasificación del comportamiento de absorción se determina de acuerdo con la Tabla 3.2.6:
CATEGORÍA DLα
A0 No determinado
A1 < 4
A2 4 a 7
A3 8 a 11
A4 >11
Tabla 3.2.6: Comportamiento de la absorción acústica de acuerdo a la norma EN 1793-1
71
3.3. Fabricación de probetas.
La elaboración de los productos descritos en este proyecto requiere que los materiales
que los conforman sean dosificados, mezclados, amasados y conformados.
Los materiales empleados no han necesitado un acondicionamiento específico, ya que
las distintas partidas se pudieron utilizar en el proceso de fabricación tal y como se recibieron,
al no presentar ni objetos ni otros materiales extraños. Simplemente se sometieron a un proceso
previo de tamizado para eliminar aquellas partículas mayores de 9 mm, ya que estas suponían
un problema a la hora de rellenar los moldes que describimos a continuación. En el caso de
querer llevar este proyecto a una mayor escala no sería necesario eliminar los materiales de
escoria de mayor tamaño. De igual modo, el material recibido se subdividió en dos conjuntos:
aquellas partículas mayores de 2,5 mm, parte gruesa de material, y aquellas menores de 2,5
mm, parte fina del material. Los pasos seguidos con ambos conjuntos han sido los mismos.
Para llevar a cabo el estudio se han fabricado probetas cilíndricas (d=3,33 cm; h= 4 cm),
según los requerimientos de los diferentes ensayos realizados. A continuación se describe el
proceso a elaborar:
1. En primer lugar, se pesan los componentes para obtener las proporciones fijadas de
cada uno de ellos en el producto final a elaborar.
2. Es importante que el molde donde va a ser vertida la masa sea impregnada con un
material desencofrante.
3. El molde debe colocarse en una superficie plana y fija, y a la que se tenga fácil acceso
como mesa de trabajo.
4. La proporción de agua a añadir a la masa sólida seca será variable según los
componentes del producto que se estén tratando, dado que existen diferencias con
respecto a la cantidad de agua requerida para que la pasta alcance su consistencia
óptima.
72
5. El proceso de mezclado de sólido y agua se realiza durante un tiempo suficiente para
que todos los componentes se mezclen perfectamente, alcanzándose finalmente una
pasta homogénea.
6. A continuación se procede al vertido de la pasta en los moldes, de modo que se consiga
una distribución uniforme.
7. La cara de la pieza expuesta al ambiente es necesario alisarla con ayuda de una
palaustre.
8. El desmoldado se realiza 48 h después, prestando atención a que el producto no
endurezca demasiado, ya que podría provocar dificultades en el momento del
desmolde.
9. Una vez desmoldadas las probetas se necesitan 28 días de fraguado para que estén listas
para someterlas a los distintos ensayos. Durante este tiempo de fraguado, las probetas
deben mantenerse hidratadas, con el fin de que adquieran mejores propiedades
mecánicas. Para ello se introducen en una cámara de saturación durante 21 días, y luego
se sacan para que estabilicen su peso y humedad.
3.4. Ensayo de lixiviación.
→ Principio.
El residuo se lixivia con agua en unas condiciones definidas y luego los sólidos no
disueltos se separan por filtración. Las condiciones de los elementos a determinar se miden
en el filtrado usando métodos de análisis de aguas. Es conveniente repetir el procedimiento
de lixiviación varias veces.
→ Preparación de la muestra.
Se debe tomar una muestra de residuo representativo. Se debe reducir el tamaño
en la muestra sólo cuando el tamaño de partícula sea mayor de 10 mm. En ningún caso se
73
pulverizará la muestra, pero, si se producen partículas más finas durante la reducción de
tamaños, se deben incorporar de nuevo a la muestra.
La masa inicial de la muestra a lixiviar debe ser tal que contenga unos 100 g de masa
seca. Por ello, previamente hay que realizar una determinación del residuo seco, de acuerdo
con el método [UNE-EN 12457-4].
→ Determinación del residuo seco.
El residuo seco, WT, es la proporción en peso de sólidos, obtenida después de un
proceso concreto de secado. El residuo seco se expresa en tanto por ciento.
Para determinar, se coloca una cápsula de porcelana en una estufa a 105 ± 2 °C. Se
enfría en desecador a temperatura ambiente, y se pesa hasta el miligramo (mg), ma.
Dependiendo del contenido de agua sospechado, se pesa en la cápsula una cantidad
apropiada de residuo, mb, de manera que la materia seca obtenida sea mayor o igual a 0,1
g. Se coloca la cápsula en la estufa y se seca a 105 ± 2 °C, hasta que el residuo parezca seco.
Tras enfriar en desecador, se pesa por primera vez la cápsula y su contenido, mc. El residuo
seco (mc-ma) se considerará constante si la masa obtenida tras una media hora adicional de
secado no difiere en más de 2 mg del valor anterior. En caso contrario, se repite el secado
hasta que se obtenga una masa constante, obteniéndose WT mediante la siguiente
expresión:
100
ab
ac
Tmm
mmW
→ Procedimiento.
El ensayo de lixiviación se llevará a cabo a temperatura ambiente, en un matraz de
2000 ml de boca ancha. El período de extracción será de 24 horas. Las muestras se lixiviarán
una o varias veces, dependiendo de cuál sea el objeto de la determinación.
1. Ciclo único.
Se coloca la muestra original, que contiene unos 100 g de masa seca, en el matraz
de boca ancha y se pesa hasta el gramo. A continuación se diluye con 1 litro de agua
destilada y se agita el frasco de forma que la muestra se mantenga en constante
movimiento durante todo el período de extracción. Tras dicho período, se separa lo
74
más pronto posible el residuo no disuelto, por filtración o centrifugación, y se mide el
pH y la conductividad del filtrado.
2. Lixiviación repetida.
Se añade un nuevo litro de agua destilada al residuo de la anterior lixiviación y se
repite todo el procedimiento.
3. Tratamiento posterior
El eluato obtenido debe ser completamente transparente, de lo contrario se
filtrará a través de un filtro de membrana de 0,45 mm, lavado previamente con agua
destilada y usando un aparato de filtración a vacío. A continuación se mide el volumen
del eluato hasta los 10 ml más próximos y se determinan las concentraciones de
elementos disueltos.
→ Evaluación.
Se determina la proporción de sustancia lixiviada referida a la masa de residuo original
con la ecuación:
s
E
ESm
VW
Siendo:
- WES, la proporción de masa de sustancia/masa de residuo (mg/kg),
- β, es la concentración de sustancia en el eluato (mg/l),
- VE, el volumen del eluato filtrado (l),
- ms, la masa de la muestra de residuo original (kg).
75
En el caso de lixiviación repetida, si cada eluato se analiza por separado, WES es la suma
de las determinaciones individuales.
Se determina la proporción de sustancia lixiviada referida al residuo seco de la muestra
con la ecuación:
T
ES
ETW
WW
100
Siendo:
- WET, la proporción de masa de sustancia/masa de residuo seco (mg/kg),
- WES, la proporción de masa de sustancia/masa de residuo (mg/kg),
- WT, el residuo seco de la muestra (%).
→ Resultados.
Se expresan los resultados, en caso de que los valores no superen 1 mg/kg, con dos
cifras significativas como máximo, y si son superiores, con tres cifras. Se debe anotar
también: método de preparación de la muestra, número de ciclos de lixiviación,
temperatura de la lixiviación, pH del residuo antes de la prueba y pH y conductividad del
eluato.
76
Capítulo 4: RESULTADOS Y DISCUSIÓN
77
4.1 Caracterización de los materiales de partida.
Para el desarrollo de esta investigación se han utilizado escorias negras de hornos de
arco eléctrico procedentes de ArcelorMIttal, cemento Pórtland Tipo II y, además, para la
fabricación de un hormigón poroso estándar se ha empleado grava.
La composición química del cemento, grava y escoria utilizada en este proyecto se
muestra a continuación (Tabla 4.1.1):
COMPONENTE CEMENTO ÁRIDO ESCORIAS
SiO2 20.96 0.013 28.12
Al2O3 5.74 0.064 9.12
Fe2O3 2.46 0.016 0.42
MnO 0.10 - -
MgO 1.50 - 6.06
CaO 60.89 55.743 51.14
Na2O 0.36 - 0.19
K2O 0.73 - 0.54
TiO2 0.28 - 0.76
P2O5 0.17 - -
SO3 1.11 - 1.77
MnO2 - - 0.41
BaO - - 0.11
Perdidas por
calcinación 5.2 43.997 1.47
Tabla 4.1.1: Composición química por compuestos.
78
Para la obtención de la distribución granulométrica de los diferentes compuestos se han
empleado tamices (norma UNE). Estos tamices son de malla de alambre con aberturas
cuadradas. Para la obtención de las diferentes fracciones se han utilizado los tamices 9mm,
5mm, 1,25 mm y < 1,25 mm.
Analizando los datos obtenidos en la figura inferior 4.1.1 observamos que la escoria
tiene una distribución granulométrica más uniforme que el árido y por lo tanto a la hora de
obtener el tamaño de partículas que necesitamos para la fabricación de las probetas es más
sencillo puesto que no sería necesario tener una gran cantidad de material al inicio del proceso.
Figura 4.1.1: Distribución granulométrica Árido y Escoria
4.2 Estudio de la relación entre el tamaño de árido en hormigones.
El objetivo de este estudio es mantener constante la proporción del árido y cemento y
variando únicamente la granulometría del árido. El óptimo se elegirá teniendo en cuenta que se
quiere que el producto final tenga las mejores propiedades de absorción acústica y, además,
unas buenas características mecánicas con el fin de ser utilizado como material de referencia en
el desarrollo de hormigones con materiales reciclados.
La primera fase de investigación llevada a cabo ha consistido en el desarrollo de un
estudio de un hormigón poroso. El hormigón poroso está conformado de cemento y árido
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
> 9 mm 9mm 5mm 1,25mm <1,25 mm
po
rcen
taje
qu
e p
asa
(%)
Luz
Áridos Escoria
79
grueso, de forma que se desarrolla una matriz con poros abiertos a base de materiales
tradicionales como con el cemento y la grava.
De este modo se ha medido las propiedades físicas y mecánicas de las distintas
probetas. En la Tabla 4.2.1 se muestra la composición de las probetas, la proporción de
agua/sólido añadida y su nomenclatura.
Hormigón A9-80W20 A5-80W20 A1.25-80W20
Tamiz 9mm 80 - -
Tamiz 5 mm - 80 -
Tamiz 1.25 mm - - 80
Cemento 20 20 20
Agua (% w/s) 20 20 20
Tabla 4.2.1: Composición de las probetas de hormigón estándar.
4.2.1. Propiedades Físicas.
4.2.1.1. Porosidad abierta.
La porosidad abierta de las diferentes probetas a temperatura ambiente se ha
determinado por la media del volumen de poros abiertos y el volumen aparente de la probeta
como se ha descrito en el apartado 3.2.1.3. En la Figura 4.2.1 podemos observar la variación de
la porosidad abierta en los distintos tamaños granulométricos de árido.
Analizando la Figura 4.2.1 observamos que la porosidad abierta es proporcional al
tamaño de árido empleado. Es decir, la porosidad abierta es mayor a medida que el tamaño de
árido aumenta. De tal forma que para áridos con un tamaño granulométrico de 9 mm presenta
la porosidad más alta (10.5 %).
Esto es debido a que si empleamos tamaños granulométricos mayores la cantidad de
poros aumenta ya que no permiten obtener un relleno completo de la muestra, aumentando la
cantidad de huecos libres presentes y por lo tanto aumentando su porosidad. Otro de los
motivos es si se emplea un tamaño del árido mayor, la adherencia entre las partículas se ve
reducida.
80
Figura 4.2.1: Variación de la porosidad abierta en relación al tamaño de árido.
4.2.1.2 Densidad aparente.
La densidad aparente de las probetas a temperatura ambiente se ha determinado por
la medida del peso y el volumen de las mismas, tal y como se ha descrito en el apartado 3.2.1.2.
La Figura 4.2.2 recoge la variación de la densidad aparente de los productos conforme el tamaño
granulométrico va aumentando.
En el análisis de la Figura 4.2.2 se puede ver que la densidad aparente aumenta cuando
el tamaño de árido es menor y por lo tanto su peso es mayor debido a la escasez de poros en el
material.
La porosidad abierta y la densidad aparente están relacionadas, siendo inversamente
proporcionales. Esto quiere decir que a mayor porosidad abierta, mayores son los huecos libres
que presentan las muestras, menos pesan estas y por tanto la densidad aparente será menor.
Comparando estos resultados que nos han dado con otros proyectos anteriores, vemos
que tienen la misma tendencia. Es decir, a tamaño de árido más elevado, mayor densidad
aparente presentan y menor peso tiene la muestra, lo cual es lógico puesto que el tamaño de
poros y peso de la muestra tienen relación.
0
2
4
6
8
10
12
A1,25-80W20 A5-80W20 A9-80W20
Po
rosi
dad
ab
iert
a (%
)
81
Figura 4.2.2: Variación de la densidad aparente en relación al tamaño de grano empleado.
4.2.1.3 Humedad.
La humedad que hemos analizado en las diferentes probetas se ha determinado por la
relación entre las probetas en condiciones ambientales y estas mismas después de secarse a
105°C como se ha descrito en el apartado 3.2.1.4. En la Figura 4.2.3 observamos que tenemos
un mayor porcentaje de humedad en las probetas que tiene un árido con menor granulometría.
Esto es debido a que en el proceso de fraguado del cemento la matriz retiene más
cantidad de agua para obtener una mayor unión de las diferentes partes puesto que la superficie
de contacto entre los áridos es mayor que para tamaños ascendentes.
Figura 4.2.3: Variación de la humedad en relación al tamaño de árido empleado.
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
A1,25-80W20 A5-80W20 A9-80W20
Den
sid
ad a
par
ente
(kg
/m3
)
Tamices
0
1
2
3
4
5
6
A1,25-80W20 A5-80W20 A9-80W20
Hu
med
ad (
%)
82
4.2.2 Propiedades mecánicas
4.2.2.1 Resistencia a compresión.
Los ensayos a comprensión se han realizado según el procedimiento descrito en el
apartado 3.2.2.1. La variación de la resistencia compresión con los diferentes tamaños de
partículas se muestran en la Tabla 4.2.2 Estos valores de resistencia han sido medidos después
de 28 días de curación de las muestras.
En la siguiente tabla 4.2.2, se observa como la resistencia aumenta a medida que el
tamaño de árido disminuye. Es decir, a tamaños de árido de 1.25 mm conseguimos resistencias
a compresión de 8.4 MPa; esto conlleva a que las partículas de árido que forman el material
están más adheridas unas a otras compactando la probeta, aumentando su densidad con la
consecuente reducción de la porosidad abierta y la conectividad entre los poros. Si disminuye la
porosidad en la probeta aumenta la adhesión entre las partículas y por lo tanto obtenemos una
mayor resistencia a compresión.
Lo descrito en el párrafo anterior, se puede ver claramente la tabla inferior,
apreciándose como a un menor tamaño granulométrico del árido aumenta la resistencia.
RESISTENCIA A COMPRESIÓN (MPa)
A1.25-80W20 A5-80W20 A9-80W20
8.40 6.03 3.89
Tabla 4.2.2: Variación de la resistencia a compresión con la variación del tamaño
granulométrico de árido.
4.2.2.2 Propiedades acústicas.
El coeficiente de absorción acústica a incidencia normal se ha medido por el método del
tubo de impedancia (tubo Kunt) descrito en el apartado 3.2.3 en el rango de frecuencias
comprendido entre [50-5000 Hz]. En la figura 4.2.4 se muestran las curvas obtenidas para las
distintas probetas, donde están representados los valores del coeficiente de absorción acústica
para las frecuencias preferentes en tercios de bandas de octava.
En el presente estudio queremos combatir el ruido de tráfico rodado; este se encuentra
en frecuencias bajas (50-5000 Hz) es principalmente por lo que nos centramos en comentar este
83
intervalo. En la figura 4.2.4, se observa que a 1000 HZ hay un pico de absorción máximo con un
valor comprendido entre 0.9-1 el cual corresponde al tamaño granulométrico de 9 mm.
Si continuamos analizando la gráfica inferior, nos damos cuenta que la probeta con un
tamaño granulométrico de 9mm siempre tiene un mayor coeficiente de absorción en cualquier
punto con respecto a las otras, por lo tanto sería el material más óptimo para la reducción de
ruido en las carreteras como en otros lugares donde el intervalo de frecuencias sea el
comprendido entre 50 – 5000 Hz.
Figura 4.2.4: Variación de la absorción acústica con la relación del tamaño de árido.
NRC
El coeficiente de reducción de ruido NRC se ha calculado según el apartado 3.2.3.2
Al igual que en apartado anterior, en la Tabla 4.2.1.3 se muestran las diferencias en el
coeficiente de reducción de ruido en los diferentes tamaños. Este hecho se debe a que el cálculo
del NRC se hace para reducir las frecuencias.
El NRC es directamente proporcional a la porosidad, es por eso por lo que se aprecia un
aumento del NRC para tamaños de áridos mayores. Es decir, el valor más elevado de NCR 0.4-
0.5 pertenece a la probeta con tamaño granulométrico de árido 9mm y por lo tanto con mayor
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Co
efic
ien
te d
e A
bso
rció
n
A1,25-80W20 A5-80W20 A9-80W20
84
porosidad abierta. Por otro lugar también tiene relación en el aumento del NRC la permeabilidad
y conectividad de los poros entre ellos.
NRC
A1.25-80W20 0.16
A5-80W20 0.32
A9-80W20 0.42
Tabla 4.2.3: Variación del índice NRC dependiendo del tamaño de granulometría del árido.
DLα
El índice de evaluación de la absorción acústica, DLα, se ha calculado según las
especificaciones de la normativa europea EN 1793 para dispositivos reductores de ruido de
tráfico en carreteras (EN 1793-4), recogidas en el apartado 3.2.3.3. Este parámetro resulta de
mucha utilidad a la hora de comparar resultados de absorción acústica entre varios productos.
En la tabla 4.2.4 se muestra la variación de los DLα calculado para cada una de las
probetas con distinto tamaño granulométrico de árido.
En ella se observa que al aumentar el tamaño granulométrico del árido nuestro índice
de absorción acústica aumenta. Esto es debido a que el índice se calcula ponderando los
coeficientes de absorción acústica individuales de acuerdo con el espectro normalizado de ruido
de tráfico rodado definido en la norma EN 1793-3, donde se otorga mayor relevancia a bajas
frecuencias, lo mismo que ocurre para el cálculo del coeficiente de reducción de ruidos. El
cálculo de cada índice de absorción para cada material nos permite clasificar los productos
dentro de las categorías de tráfico.
MATERIAL DLα CLASIFICACIÓN
A1.25-80W20 0.82 A1
A5-80W20 2.09 A1
A9-80W20 2.98 A1
Tabla 4.2.4: Incide de evaluación de la absorción acústica (DLα), árido.
85
4.3 Estudio de la relación entre la escoria y el agua.
En la segunda fase de la investigación, se ha procedido a la sustitución de la grava por
escoria, para conformar un nuevo material. Se ha estudiado la variación de las propiedades
físicas, mecánicas y acústicas de los productos conformados con diferentes proporciones de
agua/cemento y diferentes tamaños de escoria.
ESCORIAS E1.25-80W20
E5-80W20 E9-80W20 E1.25-80W40
E5-80W40 E9-80W40
Escoria (%) 80 80 80 80 80 80
Cemento (%)
20 20 20 20 20 20
Agua (% w/s)
20 20 20 40 40 40
Tabla 4.3.1: Composición de las probetas con escoria.
4.3.1 Propiedades físicas.
4.3.1.1 Porosidad abierta.
Si analizamos la Figura 4.2.5 podemos observar poca diferencia de porosidad entre el
material con fracción fina y el material con fracción gruesa. El mayor tamaño de partículas
gruesas impiden que las probetas estén compactadas, sino que por el contrario, cilindros llenos
de poros.
Figura 4.2.5: Porosidad abierta de los hormigones a base de escorias de siderurgia.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
ES80W60 EM80W60 EH80W60 ES80W80 EM80W80 EH80W80
Po
rosi
dad
(%
)
86
Estos datos que obtenemos en la porosidad abierta tienen la misma tendencia que en
los áridos.
Procediendo a comparar las probetas de escoria con las de árido obtenemos unos
valores un poco más altos llegando casi al 15% mientras que con árido solo alcanzábamos el 11%
(en árido grueso) mientras que para el fino nos da una diferencia de un 1-2%.
Esto es debido, lógicamente, a que influye tanto el tamaño granulométrico como el peso
del árido o escoria utilizados.
En otras palabras, nuestra escoria, a mismo tamaño granulométrico que el árido, es más
ligera de peso y por lo tanto la porosidad abierta es mayor. Si empleamos en la fabricación del
material un tamaño granulométrico menor nuestra porosidad disminuye aunque a tamaños
granulométricos pequeños comienzan a ser muy parejos los valores comparados entre árido-
escoria.
Por otro lugar, en el material realizado con escoria, el ratio de agua/sólido es poco
significativo a la hora de comparar los valores.
4.3.1.2 Densidad aparente.
En la Figura 4.2.6 se muestra la variación de la densidad aparente de los materiales que
ha sido elaborados con distintas relaciones agua/sólido. Se puede comprobar que a medida que
el porcentaje de agua aumenta la densidad no varía prácticamente. Si nos fijamos en la siguiente
figura podemos observar que la densidad no está influenciada cuando cambiamos el ratio pero
esta se ve alterada si modificamos el tamaño granulométrico de la escoria. A mayor tamaño
granulométrico de la escoria menor es la densidad aparente y por lo tanto menor es su peso.
Esto es debido a que las probetas con granulometría fina son más compactas dejando entre ellas
un menor volumen de poros.
Figura 4.2.6: Variación de la densidad aparente con la relación de agua/cemento.
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1.000,00
1.200,00
1.400,00
1.600,00
1.800,00
E1,25-80W20 E5-80W20 E9-80W20 E1,25-80W40 E5-80W40 E9-80W40
Den
sid
ad a
par
ente
(kg
/m³
87
Se puede observar que las probetas con granulometría fina presentan una mayor
densidad aparente mayor (entre 1650-1620 𝑘𝑔 𝑚3⁄ ), mientras que el más bajo es de 1240
𝑘𝑔 𝑚3⁄ . Es decir, las probetas con una densidad aparente más elevada pesan más que las que
presentan una granulometría mayor, por lo tanto, la densidad de ellas también es más elevada.
La porosidad abierta y la densidad aparente están relacionadas entre sí, siendo
inversamente proporcionales. O sea, a mayor porosidad abierta, mayores huecos libres
presentan las probetas, menos pesan estas y por tanto la densidad aparente será mayor.
Comparando estos resultados con los de nuestro material de control, cemento/árido,
vemos que la tendencia es la misma, es decir, a mayor tamaño granulométrico empleado en la
fabricación de las probetas menor es la densidad aparente. En otro lugar, podemos observar
que la densidad aparente disminuye si comparamos misma granulometría y relación
agua/sólido, esto es debido a que el peso del árido es mayor al de la escoria por lo que el árido
tendrá una densidad aparente más elevada.
4.3.1.3 Humedad.
La humedad, como se ha descrito en el apartado 3.2.1.4, se ha determinado por la
relación entre las probetas en condiciones ambientales y estas mismas después de secarse a
105ºC. En la Figura 4.2.7 se puede observar que tenemos un mayor porcentaje de humedad que
aumenta inversamente al tamaño del árido.
Esto es debido a que la matriz del material retiene más agua cuanto menor será el
tamaño granulométrico empleado.
Figura 4.2.7: Variación de la humedad en relación al tamaño de escoria empleado.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
E9-80W40 E9-80W20 E5-80W40 E5-80W20 E1,25-80W40 E1,25-80W20
Hu
med
ad (
%)
88
Analizando la figura anterior sacamos la conclusión que a medida que aumentamos el
tamaño de árido la humedad comienza a ser insignificante mientras que en los materiales
construidos con tamaños granulométricos de escoria más pequeños la humedad es mayor
cuando la relación agua/ sólido aumenta.
Comprando ahora con los materiales construidos con árido, la humedad en estos es
menor puesto que al formar el material con un árido muy calcáreo la retención del líquido es
más dificultosa pues no presenta concavidades en la superficie siendo completamente planos e
impermeables.
4.3.2 Propiedades mecánicas.
4.3.2.1 Resistencia a compresión.
Dicho ensayo se ha llevado a cabo según el procedimiento descrito en el apartado
3.2.2.1. La variación de la resistencia a compresión con los diferentes ratios de grueso/fino y
agua/sólido se muestran en la tabla 4.3.2.
En la tabla se observa que la tendencia de la resistencia a compresión aumenta cuando
el tamaño del árido disminuye. A su vez, si observamos el porcentaje de agua, cuando este
aumenta se reduce la resistencia a compresión si el tamaño granulométrico empleado es el
mismo. Esto es debido a que la superficie de contacto entre las partículas aumenta cuando
mayor es el árido y menor es el porcentaje de agua empleando, formándose una matriz más
difícil de destruir. Por lo tanto el tamaño de árido así como la proporción de agua empleada
repercute a la hora de obtener unas mejores características mecánicas en la elaboración del
material que deseamos.
Una vez analizadas las probetas con los mismos materiales empleados pero diferente
relación agua/sólido, las comparamos con el material construido como de control., Este está
formado por un árido muy calcáreo y por lo tanto presenta una mayor resistencia a compresión
si usamos el mismo tamaño granulométrico. Esto es debido a que el árido tiene una mayor
dureza y peso, por lo tanto, su resistencia a compresión es mayor mejorando entre el doble o
más los valores obtenidos en las escorias.
89
Resistencia a compresión (MPa)
E1.25-80W20 1.54
E5-80W20 3.28
E9-80W20 5.81
E1.25-80W40 1.13
E5-80W40 2.48
E9-80W40 4.53
Tabla 4.3.2: Variación de la resistencia a compresión con la variación del tamaño
granulométrico de la escoria
4.3.3 Propiedades acústicas.
El coeficiente de absorción acústica a incidencia normal se ha medido por el método del
tubo de impedancia (tubo Kunt) descrito en el apartado 3.2.3, en el rango de frecuencias
comprendido entre [50-5000 Hz]. En la figura 4.2.2.3 se muestran las curvas obtenidas para las
distintas probetas, donde están representados los valores del coeficiente de absorción acústica
para las frecuencias preferentes en tercios de bandas de octava.
Analizando la Figura 4.2.8 observamos como los materiales formados por las fracciones
finas de áridos alcanzan niveles de absorción muy bajos mientras que cuando empleamos áridos
de una granulometría mayor el coeficiente de absorción aumenta alcanzando valores próximos
a 1 en ciertas frecuencias. En otro lugar también vemos que el porcentaje de agua empleado en
las muestras tiene repercusión ya que al ser mayor la porosidad abierta aumenta y por lo tanto
la retención de las ondas acústicas es más elevada. Estos resultados concuerdan con los valores
medidos en la porosidad abierta, mayor para los materiales formados por gruesos y con mayor
porcentaje en agua. La absorción acústica es la pérdida de energía de la onda sonora debido a
la fricción de la onda con las paredes de las cavidades y del producto sobre el que incide. De este
modo se explica que conforme mayor sea el diámetro de partículas, en este caso escoria, la
matriz del producto será más porosa y, por consiguiente, los coeficientes de absorción acústica
medidos para el rango de frecuencias serán mayores.
90
Figura 4.2.8: Variación de la absorción acústica con la relación del tamaño de escoria y
proporción de agua respecto del cemento.
NRC
El coeficiente de reducción de ruido NRC se ha calculado según el apartado 3.2.3.2
Al igual que en apartado anterior, en la Tabla 4.3.3 se observa la diferencia de absorción
acústica entre los materiales formados por diferentes tamaños granulométricos de las escorias
y porcentaje de agua/sólido. La absorción acústica aumenta para en los materiales formados
por un mayor tamaño de árido, así como para los que empleamos un mayor porcentaje de agua.
Por lo tanto el coeficiente de reducción NRC es más elevado, si observamos el mismo tamaño
de escoria, para los materiales donde hemos empleado un mayor porcentaje de agua.
Una vez comparados estos valores con los obtenidos en los materiales formados por
áridos llegamos a la conclusión de que estos tienen unas mejores características para emplearse
como materiales acústicos absorbentes debido a que son más ligeros y tienen una menor
resistencia a compresión, por lo tanto sus propiedades acústicas mejoran.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Co
efic
ien
te d
e ab
sorc
ión
E9-80W20 E5-80W20 E9-80W20
E1,25-80W40 E5-80W40 E9-80W40
91
NRC
ES80W20 0.18
EM80W20 0.35
EH80W20 0.44
ES80W40 0.21
EM80W40 0.42
EH80W40 0.46
Tabla 4.3.3: Variación del índice NRC dependiendo del tamaño granulométrico de la escoria.
DLα
Al igual que con el árido se ha procedido a realizar el mismo proceso el cual hemos
mencionado en el apartado 3.2.3.3 del presente documento.
MATERIAL DLα CATEGORÍA
ES80W20 1.13 A1
EM80W20 2.15 A1
EH80W20 3.28 A1
ES80W40 1.26 A1
EM80W40 2.75 A1
EH80W40 3.49 A1
.
Tabla 4.3.4: Índice de evaluación de la absorción acústica (DLα), escoria.
Analizando los valores obtenidos en la tabla anterior observamos que nuestro índice de
evaluación de la absorción aumenta cuando mayor es el tamaño de grano que empleamos para
la fabricación del material. Estos valores tienen relación con nuestro NRC puesto que a la hora
de calcular el calor DLα empleamos los coeficientes de absorción que nos dan para cada rango
de frecuencias.
Si comparamos estos resultados con los obtenidos en el material con árido, el material
de escoria tiene un mejor índice de absorción acústica ya que es un material que presenta una
estructura superficial porosa y a su vez es menos pesado que el material compuesto con caliza
por lo que a la hora de obtener un mejor índice de absorción nos resultaría más fácil con este
tipo de material.
92
4.3.4. Resultados Ensayo de Lixiviación.
Los materiales que se deben apropiar para la industria de la construcción no deben
representar un peligro para la higiene, la salud o la seguridad de los trabajadores, ocupantes o
vecinos, ni tener un alto impacto durante su vida útil en la calidad del ambiente o el clima. Por
ejemplo, en España no existe ninguna regulación sobre las emisiones de sustancias peligrosas,
como metales pesados, con respecto a la reutilización de residuos en materiales de
construcción. Por esta razón, la prueba de lixiviación EN 12457-4, realizada con frecuencia en el
campo de la gestión de residuos, se ha llevado a cabo en este trabajo. En la Tabla 4.3.4.1, los
datos de lixiviación BFS y G se comparan con los límites establecidos para diferentes parámetros
en la directiva de vertederos de basura de la UE. Como se observó, se definen tres categorías:
desechos inertes, no peligrosos y peligrosos.
Escoria (mg/l) B.S.
Cemento Portland II
(mg/kg) B.S. Inertes No Peligrosos Peligrosos
Hg < 0,50 ≤ 0.10 0,01 0,20 2
Se 0,17 ≤ 0.20 0,10 0,50 7
Pb < 0,05 ≤ 0.30 0,50 10 50
Ba 0,83 20 100 300
Cd < 0,02 ≤ 0.03 0,04 1 5
Sb < 0,05 ≤ 0.20 0,06 0,70 5
Cr < 0,05 4.361 0,50 10 70
As < 0,20 ≤ 0.30 0,50 2 25
Mo < 0,20 ≤ 0.10 0,50 10 30
Ni < 0,05 ≤ 0.01 0,40 10 40
Zn 0,14 1.058 4 50 200
Cu < 0,05 ≤ 0.03 2 50 100
Co < 0,02 - - -
Sn < 0,25 - - -
V 0,16 - - -
Tabla 4.3.4.1: Valores de lixiviación y límites según norma EN 12457-4
Según los valores de la tabla anterior los cuales están expresados en mg/kg (B.S.)
llegamos a la conclusión de que tanto nuestra escoria como el Cemento Portland II de dicho
estudio no producen residuos peligrosos. A su vez nos encontramos con residuos inertes como
son para la Escoria Pb, Cd, Sb, Cr, As, Mo, Ni, Zn y Cu, mientras para el Cemento Portland tipo II
son Pb, Cd, As, Mo, Ni, Zn, Cu.
93
Una vez conocidos los valores, comparamos la Escoria con el Cemento Portland Tipo II,
llegando a la conclusión que nuestra escoria produce una menor contaminación al Medio
Ambiente ya que los valores obtenidos son inferiores en comparación y tenemos más
componentes que se encuentran por debajo de los límites para sustancias inertes. Cabe destacar
que tanto nuestra Escoria como el Cemento Portland Tipo II no producen ningún residuo
peligroso según la norma EN 12457-4.
Por otra parte tenemos normativas regionales como en Italia que si las comparamos con
la normativa nacional estas son mucho más estrictas. En Cataluña se emplea la norma OCVE, en
el País Vasco la PV límite mientras que en Italia utilizan el Decree 186 del Ministerio. Estas
normas establecen las regulaciones regionales para el reciclaje de escoria de incineración de
residuos sólidos metalúrgicos y municipales. Los límites establecidos se muestran en la tabla
4.3.4.2.
Escoria (mg/l) B.S.
Cemento Portland II
(mg/kg) B.S.
OCVE Limite
(mg/kg)
PV Limite (mg/kg)
Ministerio de Italia Decree 186 (mg/kg)
Hg < 0,5 ≤ 0,10 0,01 - 0,01
Se 0,17 ≤ 0,20 0,1 0,007 0,1
Pb < 0,05 ≤ 0,30 0,5 - 0,5
Ba 0,83 - 20 17 10
Cd < 0,02 ≤ 0,03 0,04 0,009 0,05
Sb < 0,05 ≤ 0,20 0,6 - -
Co < 0,02 - - - 2,5
Cr < 0,05 4,631 0,5 2,6 0,5
V 0,19 - - 1,3 2,5
As < 0,2 ≤ 0,30 0,5 - 0,5
Mo < 0,02 ≤ 0,10 0,5 1,3 -
Ni < 0,05 ≤ 0,01 0,4 0,8 0,1
Zn 0,14 1,058 4 1,2 0,03
Cu < 0,05 ≤ 0,03 2 - 0,5
Tabla 4.3.4.2: Valores de lixiviación y límites según normativa en Cataluña, País Vasco e
Italia.
Analizando los resultados obtenidos por nuestras muestras con los límites que tenemos
en la normativa de Cataluña, País Vasco e Italia.
Según la normativa en Cataluña tanto en nuestra escoria como el hormigón se
encuentran por encima de los límites establecidos los componentes Hg y Se. Cabe destacar que
únicamente, de forma individual, nuestro hormigón supera el límite establecido para el
componente Cr.
94
Analizando los valores de lixiviación y los límites en el País Vasco nuestra escoria de
estudio supera los límites establecidos en Se, Cd al igual que nuestro hormigón.
Por último, tomando como referencia los límites del Ministerio de Italia, resaltamos que
se superan los límites con los componentes Hg, Se y Zn. A su vez, de forma individual, nuestro
hormigón produce un alto límite de lixiviación en Cr.
Para finalizar destacamos que la falta de pruebas específicas reguladas y/o los
diferentes límites evitan el desarrollo de un mercado en el que los residuos puedan utilizarse
como materiales de construcción
95
Capítulo 5: CONCLUSIONES
96
Los resultados obtenidos en la presente investigación permiten establecer las siguientes
conclusiones:
1. A la hora de obtener los diferentes tamaños granulométricos, destacamos que en el
árido resultaría más sencillo puesto que su curva de granulometría es más uniforme que
la escoria.
2. Con vistas a la sustitución del árido grueso por escoria, en el presente estudio se revela
que las proporciones de grava y agua presentes en el material modifican las propiedades
de estos. De modo que, aumentando la proporción de árido, la densidad y la resistencia
a compresión del producto disminuye, mientras que la porosidad abierta aumenta a
simple vista. Tras este análisis obtenemos la conclusión que la relación óptima para
conseguir unas mejores características físicas y mecánicas del material es 80% de grava
y 20% de agua en relación al cemento. Si analizamos de manera comparativa los datos
obtenidos entre el material compuesto por escoria con el de árido, este último tiene
unas mejores características físico-químicas pero a su vez no son muy significativas de
forma comparativa entre ambos.
Destaco que si a la hora de la construcción de los materiales modificamos el
Cemento Tipo II por otro de mejores características, tanto las propiedades físicas como
mecánicas se verían mejoradas. Con esto quiero decir que si en nuestro hormigón
empleamos un Cemento Tipo II y en nuestro material compuesto por escoria un
Cemento de Tipo III en adelante como si empleamos uno de 52,5 N, el déficit que
tenemos en los valores calculados en el presente documento se verían mejorados
incluso llegando a ser mejores para ser empleados como materiales constructivos.
3. Respecto a los valores obtenidos en el Tubo Kunt, por medio del cual se han analizado
las propiedades acústicas, se llega a la conclusión que cuanto mayor sea el tamaño de
grava empleado en la probeta mayor es la absorción acústica. Si aumentamos el
porcentaje de agua con relación a la grava la absorción acústica aumenta pero no de
manera muy significativa. Los mayores índices de absorción se obtienen a frecuencias
bajas. Se refleja que el material compuesto por escoria obtiene unas mejores
características para ser empleados en la construcción de los materiales acústicos.
El producto absorbente acústico ha sido elaborado siguiendo un método de
fabricación sencillo y similar al de los productos comerciales. Así mismo, la fácil
obtención de las escorias debido a la gran producción de metal en nuestro país produce
una reducción en el coste de fabricación de los materiales absorbentes acústicos y el
ahorro de los recursos naturales demandados por el sector de la construcción esto hace
que el producto desarrollado presente unas expectativas de fabricación rentables.
97
4. Referente al ensayo de lixiviación, la escoria y cemento analizados en el presente
documento se encuentra por debajo de los límites establecidos según la normativa
estatal en la mayoría de sus componentes mientras que si analizamos los valores
obtenidos con normativas regionales e italiana en algunos componentes superamos los
límites de lixiviación. A su vez destaco que la escoria produce menor grado de lixiviación
que el hormigón.
5. Si comparamos los resultados obtenidos en el presente documento y realizamos una
comparación con otros materiales desarrollado con residuos agrícolas, estos son
muchos mejores a la hora de obtener unas buenas calidades mecánicas. A su vez, si
comparamos los resultados en temas acústicos, la escoria empleada en el presente
documento para la construcción del material no consigue alcanzar los coeficientes de
absorción que el material con el cual realizamos la comparación en este punto. Cabe
destacar que si empleamos las escorias siderúrgicas en el exterior estas son más
resistentes a los factores climáticos puesto que tienen unas características químicas que
lo permiten. Si deseamos emplear el material del presente documento en lugares
cercanos a las costas solo haría falta variar el tipo de cemento empleando uno de tipo V
pues este resiste más a los ataques de acidez.
98
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[76] ASTM E 761-86: “Resistencia a la compresión de materiales resistentes al fuego aplicados a
elementos estructurales”.
[77] ASTM C 423-90: “Standard test method for sound absorption and sound absortion coefficients by
the reverberation method”.
[78] ASTM E 1050-98: “Standard test method for impedance and absorption of acoustical materials using
a tuve, two microphones, and a digital frequency analysis system”.
