Comportamiento físico-mecánico y térmico de los morteros de cemento aditivados con fibras minerales procedentes de residuos de construcción y demolición

Este trabajo de investigación pretende servir como referencia para la concienciación social sobre el respeto al medio ambiente y la utilización responsable de los recursos naturales, mediante la búsqueda de alternativas de menor impacto ambiental para los materiales empleados en la industria de la construcción. Actualmente, la construcción de edificios es una de las principales actividades generadoras de contaminación en la Comunidad Europea, por lo que es fundamental que el sector se oriente y evolucione hacia un modelo de economía circular que pase por reutilizar, reparar y reciclar los residuos de construcción y demolición (RCD), y utilizarlos como subproductos, pudiendo resultar una opción altamente viable, en oposición a la situación actual del depósito en vertedero. El uso de materiales aislantes está en auge actualmente debido al incremento de los requerimientos térmicos y acústicos marcados por las normativas en la construcción de viviendas, que buscan contribuir al ahorro energético y mejorar el confort térmico. Este aumento en la utilización de materiales aislantes ha provocado un alarmante crecimiento de los residuos de lanas minerales al ser el aislante más empleado en la Unión Europea, por lo que resulta imprescindible su reciclaje o reutilización que es inexistente a día de hoy, incorporando los criterios de economía circular. La técnica de adición de fibras en construcción, en matrices de mortero de cemento, es una técnica empleada desde la antigüedad. Sin embargo, aunque en los últimos tiempos se han realizado numerosas investigaciones acerca de la inclusión de fibras en hormigones, hay escasos estudios sobre el empleo de residuos de fibras minerales en morteros de cemento. Por esto se entiende de gran importancia estudiar la viabilidad, desde el punto de vista de la afectación a las propiedades físicas, mecánicas y térmicas de los morteros, de utilizar fibras procedentes del reciclaje para su refuerzo y de esta forma poder ser una alternativa ecológica al uso de las fibras de refuerzo utilizadas en la actualidad. Además, estos residuos sustituirán parte del árido del mortero, cuestión fundamental si tenemos en cuenta que la extracción de arena a nivel mundial se ha disparado en los últimos 30 años siendo el recurso natural más demandado del mundo después del agua, especialmente por el sector de la construcción que demanda alrededor del 85% de la misma. Con ello, se conseguirá reducir también los RCD generados por la industria de la construcción. Por todo esto, el objetivo principal de esta investigación es estudiar la posibilidad del reciclaje de fibras de lanas minerales, procedentes de residuos de construcción y demolición, mediante la incorporación de las mismas en una matriz de mortero de cemento como sustituto de parte de la arena empleada para su fabricación. Para ello en primer lugar se realiza una profunda investigación sobre los tipos de aislantes térmicos, analizando los tipos de fibras que se utilizan en la actualidad en la construcción de edificios en función de su naturaleza u origen. Posteriormente, se hace una búsqueda bibliográfica y documental sobre los trabajos existentes en este campo, no encontrándose investigaciones que analicen en profundidad la incorporación de distintos tipos de residuos de lanas minerales en morteros de cemento. Para la constatación de la hipótesis, se diseña y desarrolla un plan experimental en el que se elaboran probetas de mortero de cemento con diferentes porcentajes de tres tipos distintos de residuos de fibras procedentes de lanas minerales, con el fin de encontrar las dosificaciones adecuadas para poder sustituir parte del árido empleado en su fabricación. Se realiza la completa caracterización tanto de los materiales que componen dichos morteros reciclados, como el nuevo material compuesto resultante, con el fin de conocer su comportamiento mecánico, físico, químico, de durabilidad, térmico, así como su comportamiento ante el fuego. Mediante los ensayos se determinan las propiedades de estos morteros de cemento reforzados, tanto en estado fresco como en estado endurecido comprobándose su adecuación a las prescripciones de la normativa en vigor y así poder ser empleados en el campo de la construcción sostenible, destacándose el mejor comportamiento de las probetas con adición de residuos de fibras de lana de roca al 30%. Así mismo, con el fin de conseguir un material más ecológico se ha analizado la opción de realizar estos compuestos con árido reciclado en sustitución del árido convencional, descartándose esta opción a la vista de los resultados de los ensayos. Para hacer una comparación se elaboran morteros con fibras sintéticas de polipropileno en los mismos porcentajes que en el resto de la investigación, observándose que con estas fibras comerciales se produce un importante deterioro de las propiedades mecánicas mucho mayor que con los residuos de fibras minerales. Por último, a la vista de la viabilidad física y mecánica, se analiza el comportamiento térmico del nuevo material de mortero de cemento con residuos de fibras minerales en su aplicación en bloques de mortero para fachadas mediante simulación numérica, comparándola con una fachada de bloques de mortero tradicional. ----------ABSTRACT---------- This research aims to serve as reference for social awareness about environmental respect and responsible use of natural resources, through the search for alternative materials used in the construction industry with lower environmental impact. Currently the construction of buildings is one of the main pollution-generating activities in the European Union, so it is essential that the sector orients itself and evolves towards a circular economy model based on reuse, repair and recycling construction and demolition waste (CDW), and to use them as by-products, being able convert them in a highly viable option, as opposed to the current situation of landfilling. The use of insulating materials is currently booming due to the increase of thermal and acoustic requirements marked by regulations about the construction of buildings, which seek to contribute to energy savings and improve thermal comfort. This increase in the use of insulating materials has caused an alarming growth of mineral wool waste -as it is the mostly used insulation in the European Union-, so it is essential to recycle or reuse it, something that is not happening today, incorporating those materials to the circular economy criteria. The construction technique of adding fibers in cement mortar matrices, is used since ancient times. However, although in recent times there have been numerous investigations about the inclusion of fibers in concrete, there are few investigations on the use of mineral fiber waste in cement mortars. This is why it is of great importance to study the feasibility, -from the point of view of its influence on the physical, mechanical and thermal properties of the mortars-, to use fibers from recycling for their reinforcement and, in this way, to be an ecological alternative to the reinforcement fibers used today. In addition, this waste will replace part of the natural aggregate of the mortar, a fundamental issue if we take into account that the extraction of sand worldwide has skyrocketed in the last 30 years, being the most demanded natural resource in the world after water, especially by the construction sector, that demands about 85% of sand This will also reduce the CWD generated by the construction industry. For all of this, the main objective of this research is to study the possibility of recycling mineral wool fibers from construction and demolition waste, by incorporating them in a matrix of cement mortar as a substitute for a part of the sand used for its manufacture. First of all, an in-depth investigation is carried out about the types of thermal insulation analyzing the types of fibers currently used in the construction of buildings, according to their nature or origin. Subsequently, a literature review and documentary search are made on the existing works in this field, there is no research that analyzes in depth the incorporation of different types of residues of mineral wools in cement mortars. For the verification of the hypothesis, an experimental plan is designed and cement mortar test samples with different percentages of three different types of fiber waste from mineral wool are developed, in order to find the appropriate dosages to be able to replace part of the aggregate used in its manufacture. The complete characterization is made of both the materials used for the recycled mortars, and the new resulting composite material, in order to know their mechanical, physical, chemical, durability, and thermal behavior, as well as their behavior as exposed to fire. The properties of these reinforced cement mortars are determined through testing, both in fresh and hardened state, checking their suitability to the prescriptions of the current regulations and thus being able to be used in the field of sustainable construction, highlighting the best behavior of the test pieces with addition of 30% rock wool fiber waste. Likewise, in order to achieve a more environmentally friendly material it has analyzed the option of recycling these compounds instead of conventional aggregates, discarding this option to view the test results. To make a comparison, mortars are made with synthetic fibers of polypropylene in the same percentages as in the rest of the investigation, observing that with these commercial fibers there is a significant deterioration of the mechanical properties -much greater than with the residues of mineral fibers. Finally, in view of the physical and mechanical feasibility, the thermal behavior of the new material of cement mortar with waste mineral fibers, as applied in mortar blocks for facades, is analyzed by numerical simulation in comparison with a block façade made of traditional mortar