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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD. JUÁREZ
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
“DETERMINACIÓN DE LA MEZCLA OPTIMA PARA EL AISLAMIENTO
TÉRMICO EN BLOQUES DE CONCRETO”
TESIS
QUE PRESENTA
MARIO ADRIAN CASTILLO VENEGAS
COMO REQUISITO PARCIAL
PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN INGENIERIA ADMINISTRATIVA
CD. JUÁREZ, CHIH. FEBRERO 2012
ii
DEDICATORIA
Este trabajo está dedicado a mi esposa e hijos, por ser la fuerza requerida
para continuar mis estudios de postgrado. A mis padres, por enseñarme que
todo es posible con un esfuerzo extra, y por último y no menos importante, Dios,
por darme la fortaleza espiritual de no rendirme en los momentos difíciles.
iii
AGRADECIMIENTOS
A Dios principalmente, por darme la salud para lograr una de mis metas.
A mis padres, por darme todo su apoyo para lograr tener un futuro con mejores
oportunidades.
A mi esposa e hijos, por apoyarme y darme fuerzas necesarias en los momentos
más difíciles y que es cuando uno quiere dejar de inconclusas las metas.
A mis profesores, los cuales me proporcionaron parte de sus conocimientos y en
especial mis asesores, que me guiaron de una excelente manera para poder
terminar esta tesis.
Y en general a todos lo que me apoyaron en culminar este gran paso en mi
carrera profesional.
iv
BIOGRAFÍA DEL AUTOR
Nacido en la ciudad de Chihuahua, Chihuahua, el día 05 de marzo de
1978, hijo de la Sra. María del Carmen Venegas Valderrama y del Sr. Mario
Castillo Torres. Realizó sus estudios de licenciatura en Ingeniería Industrial con
especialidad en Procesos de Manufactura en el Instituto Tecnológico de Cd.
Juárez.
Como experiencia laboral inicio en la empresa arnesera Rió Bravo
Eléctricos V, en el periodo de 2000 a 2001 como Ingeniero de Manufactura
Júnior. Luego participó en la empresa Controls Johnson como Ingeniero de
Calidad Júnior en el año 2001. A partir del año 2002 a la fecha se incorporó en la
empresa GCC Concreto iniciando como analista de sistemas en el área de
Logística, para luego ser promovido como Coordinador de las Planta de Block en
Cd. Juárez.
v
RESUMEN
Actualmente la industria de la construcción en ciudad Juárez, utiliza
bloques de concreto cuya configuración ocasiona que en temporadas de invierno
las viviendas sean muy frías y en tiempo de verano muy calientes. Esto trae
como resultado, que los moradores tengan que invertir grandes cantidades de
dinero en los consumos de gas y luz para mantener la vivienda en un ambiente
de confort.
El presente trabajo trata de buscar alternativas de materiales en la
fabricación de bloques de concreto con el fin de hacerlos más resistentes a la
conductividad térmica. Debido a lo anterior, se buscó cuáles eran las mezclas en
las que los factores que las integraban, afectaban significativamente a la
respuesta, que para este caso fue la resistencia a la compresión y la
conductividad térmica. Para encontrar la mezcla óptima se utilizó la metodología
de Diseño de Experimentos con Tres Factores.
Los materiales ligeros con los que se buscó la mezcla óptima fueron el
basalto, la pumicita y virutas de madera (aserrín). Los resultados mostraron que
la mejor mezcla en cuanto a resistencia a la compresión fue la elaborada con
pumicita y la mezcla que mejor resultados presentó para la obtención de la
resistencia térmica fue la fabricada con virutas de madera, más sin embargo,
esta última fue la que arrojó menor resistencia a la compresión lo que nos
vi
conlleva a obtener un block más débil. Se optó por elegir el bloque fabricado con
pumicita ya que además de ser resistente cumplía con la normativa requerida
para la fabricación de bloques con resistencia térmica.
La elaboración de bloques con estos tipos de agregados nos eleva el
costo, ya que como se mencionó anteriormente, para cumplir la resistencia a la
compresión se le tiene que agregar más cemento en comparación con la
dosificación que habitualmente se utiliza. Sin embargo, si es factible la
fabricación de materiales con mayor resistencia térmica a los que utilizamos
actualmente.
Lo anterior no debe ser un impedimento para la utilización de este tipo de
materiales en la fabricación de viviendas, ya que debemos de ver los grandes
beneficios económicos que se obtienen en los ahorros de energía.
vii
CONTENIDO
Página
DEDICATORIA ------------------------------------------------------------------------------------- ii
AGRADECIMIENTOS ----------------------------------------------------------------------------- iii
BIOGRAFÍA DEL AUTOR ----------------------------------------------------------------------- iv
RESUMEN ------------------------------------------------------------------------------------------- v
LISTA DE TABLAS -------------------------------------------------------------------------------- x
LISTA DE FIGURAS ------------------------------------------------------------------------------ xi
1. ANTECEDENTES ------------------------------------------------------------------------------ 1
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ----------------------------------------------------- 3
2.1 Definición del Problema .............................................................................. 3
2.2 Preguntas de Investigación ......................................................................... 4
2.3 Hipótesis de Investigación .......................................................................... 4
2.4 Objetivo ....................................................................................................... 4
2.5 Justificación ................................................................................................ 5
2.6 Delimitaciones de la Investigación .............................................................. 5
3. MARCO TEÓRICO ----------------------------------------------------------------------------- 6
3.1 Conceptos de Termicidad ........................................................................... 6
3.1.1 Aislamiento Térmico ............................................................................. 6
3.1.2 Resistencia Térmica ............................................................................ 7
viii
3.2 Propiedades de los Concretos Livianos ...................................................... 9
3.3 Propiedades Físicas ................................................................................... 9
3.4 Agregados Livianos .................................................................................. 10
3.4.1 Arcilla Expandida (Pumicita) ............................................................... 10
3.4.2 Escorias Volcánicas (Basalto) ............................................................ 11
3.4.3 Poliuretano Expandido ....................................................................... 12
3.4.4 Virutas de Madera (Aserrín): .............................................................. 14
3.5 Organismos Certificadores de Viviendas y / o Materiales Ecológicos ....... 15
3.5.1 Hipoteca Verde ................................................................................... 15
3.5.2 Fideicomiso para el Ahorro de Energía (FIDE) ................................... 16
3.5.3 ONNCCE ............................................................................................ 17
3.5.4 CONUEE ............................................................................................ 18
3.6 Situación Actual de la Vivienda en México................................................ 19
3.7 Utilización del Concreto Liviano en el Mundo ........................................... 22
3.8 Metodología del Diseño de Experimentos................................................. 23
3.8.1. Diseño Factorial con Tres Factores ................................................... 25
4. MATERIALES Y METODOS --------------------------------------------------------------- 28
4.1 Diseño de la Investigación ........................................................................ 28
4.2 Tipo de Investigación ................................................................................ 28
4.3 Ambiente donde se Desarrolla la Investigación ........................................ 28
4.4 Método de Investigación ........................................................................... 30
4.5 Experimentos con Diseños de Tres Factores. .......................................... 32
4.6 Instrumentos y Pruebas de Medición ........................................................ 33
4.6.1 Medición de las Variables ................................................................... 35
4.6.1.1 Resistencia a la Compresión ....................................................... 35
ix
4.7 Periodo de Prueba .................................................................................... 39
4.8 Cálculo de la Resistencia Termica Total ................................................... 39
5. RESULTADOS -------------------------------------------------------------------------------- 43
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES------------------------------------------ 55
7. ANEXOS ---------------------------------------------------------------------------------------- 57
7.1 Glosario ..................................................................................................... 57
8. BIBLIOGRAFÍA -------------------------------------------------------------------------------- 59
x
LISTA DE TABLAS Página
Tabla 3.1 Eco-Tecnologías para la Vivienda Sustentable ----------------------------- 20
Tabla 3.2 Comparación entre Vivienda Tradicional y Vivienda Sustentable ---- 21
Tabla 3.3 Datos de Consumos de Energía en México ------------------------------- 22
Tabla 4.1 Diseño de Experimentos Factorial Completo ------------------------------ 31
Tabla 4.2 Parámetros del Modelo ---------------------------------------------------------- 33
Tabla 4.3 Requisitos de la Norma NMX-C460 del Valor R de un Envolvente -- 41
Tabla 4.4. Zonas Térmicas de la Republica Mexicana. ------------------------------- 42
Tabla 5.1. Diseño Factorial de Múltiples Niveles --------------------------------------- 43
Tabla 5.2. Tabla de Aleatoriedad de las Mezclas. -------------------------------------- 44
Tabla 5.3. Resistencia a la Compresión de Mezclas con Pumicita ---------------- 45
Tabla 5.4 Resistencia a la Compresión de Mezclas con Virutas de Madera. -- 45
Tabla 5.5 Resistencia a la Compresión de Mezclas con Basalto. ----------------- 46
Tabla 5.6 Mezclas con Mejor Resultado en Resistencia a la Compresión ------ 50
Tabla 5.7 Cálculo de Resistencia Térmica en Mezclas con Material Ligero ---- 50
Tabla 5.8 Cálculo “R” Total Mezcla Pumicita ------------------------------------------- 51
Tabla 5.9 Cálculo “R” Total Mezcla Basalto. -------------------------------------------- 52
Tabla 5.10 Cálculo “R” Total Mezcla Viruta de Madera -------------------------------- 52
Tabla 5.11 Block con Materiales Ligeros Vs Block Tradicional --------------------- 53
Tabla 5.12 Costos de Fabricación con Material Ligero Vs la Mezcla Tradicional54
xi
LISTA DE FIGURAS
Página
Fig. 3.1 Imagen de Arcilla Expandida ------------------------------------------------------ 11
Fig. 3.2 Foto de una Piedra de Basalto --------------------------------------------------- 12
Fig. 3.3 Proceso de Espumación del Poliuretano -------------------------------------- 14
Fig. 3.4 Secuencia de Pasos de un Diseño Experimental---------------------------- 24
Fig. 4.1 Maquina Moldeadora Dynapack -------------------------------------------------- 29
Fig. 4.2 Planta Besser Modelo Dynapack ------------------------------------------------ 30
Fig. 4.3 Metodologia para Determinar Bloques con Mayor Aislamiento Térmico -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 30
Fig. 4.4 Prensa para Elaboración de Pruebas de Resistencia a la Compresión 33
Fig. 4.5 Certificado de Calibración por parte del IMCYC ----------------------------- 34
Fig. 4.6 Equipo de Medición de Flujo de Calor Marca Netzsch --------------------- 35
Fig. 4.7 Formato de Medición de la Resistencia a la Compresión ----------------- 38
Fig. 4.8 Cálculo para Determinar la Resistencia Térmica ---------------------------- 40
Fig. 5.1 Diseño Experimental de la Mezcla de Pumicita. ---------------------------- 43
Fig. 5.2 Análisis de Varianza para las Mezclas con Pumicita ----------------------- 47
Fig. 5.3 Gráfica de Efectos Principales en las Mezclas con Pumicita ------------- 47
Fig. 5.4 Análisis de Varianza para las Mezclas con Virutas de Madera ---------- 48
Fig. 5.5 Gráfica de Efectos Principales en las Mezclas con Viruta de Madera - 48
Fig. 5.6 Análisis de Varianza para las Mezclas con Basalto ------------------------- 49
Fig. 5.7 Gráfica de Efectos Principales para las Mezclas con Basalto------------ 49
1
1. ANTECEDENTES
La sustentabilidad en relación con la vivienda tiene un lugar primordial
toda vez que debe apostarse por el aprovechamiento inteligente de los recursos
naturales y la preservación del medio ambiente a favor de las generaciones
futuras. Los desarrolladores de vivienda están cada vez más convencidos de la
necesidad de adoptar sistemas que incentiven el uso de aguas recicladas o de
lluvia, al igual que métodos alternativos para la obtención de energía y el
calentamiento del agua, como los basados en celdas fotovoltáicas.
En el rubro energético, el aprovechamiento se establece desde el proyecto
original, ya que hay que cuidar aspectos como la orientación, ventilación,
aislamiento térmico y acústico, así como el sombreado adecuado. Si se cuida el
diseño de la obra se podrá, asimismo, tener un ahorro en la cantidad de
desperdicios durante la construcción inicial y se reducirá la necesidad de realizar
modificaciones posteriores.
En nuestra localidad la tecnología tradicional en la construcción de
viviendas se basa en el bloque de concreto, lo que da como resultado una
vivienda altamente “durable” ya que estos materiales son de una resistencia muy
alta. Lo que hay que hacer es certificar estos materiales en términos de duración
de la vivienda y el mantenimiento que requiere, para luego incorporar esos
parámetros a la plusvalía del inmueble.
2
Hipoteca Verde es un programa de INFONAVIT, que consiste en
reorientar la producción de vivienda actual y futura con la incorporación de
materiales y tecnologías capaces de lograr un ahorro de agua, energía eléctrica,
y gas. Esto logra que el derechohabiente de INFONAVIT obtenga un subsidio
federal para la adquisición de una vivienda de mayor valor, pero que le ayudará
a generar ahorros en los consumos de agua y energéticos.
Con el apoyo de Hipoteca Verde, va ser posible que mayor parte de la
población tenga acceso a este tipo de viviendas, ya que cada vez la
normatividad exige que estos materiales y tecnologías se amplíen a mayor
cantidad de créditos que se otorgan por medio de INFONAVIT.
3
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En esta sección se muestra la problemática existente en los sistemas
constructivos en el norte del país, en especial Ciudad Juárez, donde
tradicionalmente la vivienda es edificada a base de concreto y bloque hueco
de concreto. En estas regiones del país, las temperaturas son demasiadas
extremosas rondando entre los 0.6 º C en invierno y los 36 º C en verano,
pero se han llegado a presentar temperaturas de los -22 º C hasta los 48.5 º
C, (Servicio Meteorológico Nacional, 2010), por lo que las viviendas son
demasiado frías o calientes dependiendo de la temperatura exterior.
2.1 Definición del Problema
La siguiente investigación planteó que es posible utilizar otros tipos de
materiales para la fabricación de viviendas, con el fin de hacerlas más
aislantes al frió y / o calor. Para esto se buscó una mezcla óptima de
materiales, utilizando las técnicas de Diseño de Experimentos, buscando un
mejor aislamiento térmico sin que se perdieran las características requeridas
por la norma (NMX C-441 y NMX C-404) en cuanto a resistencia a la
compresión. Los materiales que se utilizaron para la elaboración de mezclas
de concreto liviano fueron los siguientes: pumicita, basalto y virutas de
madera.
4
2.2 Preguntas de Investigación
1. ¿Adicionando materiales ligeros, es posible lograr un mayor aislamiento
térmico que en el bloque tradicional, sin que dejen de cumplir los
parámetros mínimos que marca la norma en cuanto a resistencia a la
compresión?
2. ¿Es más costoso elaborar viviendas con bloques de materiales ligeros
para cumplir con la resistencia térmica total (R Total), que con el sistema
constructivo actual?
2.3 Hipótesis de Investigación
1. Se pueden elaborar bloques de concreto con mayor aislamiento térmico
utilizando materiales ligeros, que además cumplan la resistencia mínima a
la compresión que marca la norma.
2. Es más costoso elaborar viviendas con materiales ligeros en comparación
a las construidas con el block tradicional.
2.4 Objetivo
El objetivo principal de esta investigación fue comparar varios tipos de
materiales ligeros los cuales nos ayudaron a elaborar bloques de concreto,
con un mayor nivel de aislamiento térmico, comparado con el que
tradicionalmente se utiliza en la localidad. Para esto se utilizaron las
5
herramientas del diseño de experimentos, las cuales nos ayudaron a
determinar las mezclas óptimas.
2.5 Justificación
Los cambios climáticos han originado que se eleve el consumo de
energéticos, por lo que con la utilización de los bloques de concreto
térmicamente aislantes, los consumos bajarían sensiblemente. El gobierno
ha sido un detonante en cuanto a la utilización de estos productos, creando
programas como Hipoteca Verde, el cual consiste en que los desarrolladores
de vivienda, elaboren casas “ecológicas “.
El bloque resultante de este trabajo está orientado básicamente a los
desarrolladores de vivienda económica, mas sin embargo, no existe
impedimento para la eventual utilización en construcciones “particulares”.
2.6 Delimitaciones de la Investigación
1. En esta investigación solo se compararán los materiales mencionados en
el planteamiento del problema contra los que tradicionalmente se utilizan.
2. Los diseños de mezcla obtenidos, solo se utilizarán en un solo tipo de
máquinas, denominadas BESSER.
6
3. MARCO TEÓRICO
En este capítulo se describen algunos tipos de materiales ligeros así
como sus características, que se pueden utilizar en la fabricación de bloques de
concreto para la obtención de un producto con mayor aislamiento térmico,
además de los antecedentes de la metodología de superficie de respuesta, la
cual va ser la herramienta estadística que nos ayudará con el experimento.
3.1 Conceptos de Termicidad
A continuación se mencionan conceptos referentes a termicidad, los
cuales se harán mención a lo largo de este capítulo. Nos enfocaremos en los
conceptos de resistencia térmica y el aislamiento térmico principalmente.
3.1.1 Aislamiento Térmico
Es la capacidad de los materiales para oponerse al paso de calor por
conducción. Se evalúa por la resistencia térmica que tienen. La medida de la
resistencia térmica o de la capacidad de aislar térmicamente, se expresa en, m².
°K/w (metros cuadrados x grados kelvin / watts). La resistencia térmica es
inversamente proporcional a la conductividad térmica. (Lazo, 2004)
7
Todos los materiales oponen resistencia térmica en mayor o menor
medida al paso del calor a través de ellos. Algunos, oponen muy escasa
resistencia al calor, como los metales, por lo que se dice que son buenos
conductores, los materiales para construcción (yesos, ladrillo, morteros) tienen
una resistencia media. Aquellos materiales que ofrecen una resistencia alta, se
llaman aislantes térmicos específicos o, más sencillamente, aislantes térmicos.
Algunos ejemplos de estos aislantes térmicos específicos, pueden ser las
lanas minerales (lana de roca y lana de vidrio), las espumas plásticas
(poliestireno expandido, polietileno expandido, poliuretano expandido),
reciclados como los aislantes celulósicos a partir de papel usado, vegetales
(paja, virutas de madera, fardos de pasto, etc.).
El uso de concretos livianos y / o térmicos convencionales como
concretos estructurales estaba limitado por la resistencia del concreto.
Actualmente, con los avances en los estudios de tecnología del concreto, se
pueden elaborar concretos más livianos con resistencias a la compresión de 600
Kg. / cm.² a los 28 días. El poder realizar concretos con estas características
representa varias ventajas en el área de la construcción. (Cruz, 2003)
3.1.2 Resistencia Térmica
La resistencia térmica de un material representa la capacidad del material
de oponerse al flujo de calor. En el caso de los materiales homogéneos es la
8
razón entre el espesor y la conductividad térmica del material, en materiales no
homogéneos la resistencia es lo inverso a la conductividad térmica.
La resistencia térmica total (Rt) es la inversa del coeficiente de
transmisión de calor de un elemento que es la suma de las resistencias térmicas
superficiales y la resistencia térmica del elemento constructivo. Se obtiene a
través de la siguiente ecuación:
(3.1)
Donde:
Rt = Resistencia térmica total,
K = Coeficiente transmisión del calor,
Rse = Resistencia térmica superficial exterior,
Rsi = Resistencia térmica superficial interior,
R = Resistencia térmica del elemento constructivo
La resistencia térmica de una capa homogénea de material sólido, en metro
cuadrado por kelvin y por vatio, se obtiene por la siguiente ecuación:
(3.2)
Donde e es el espesor de la capa (m) y λ (lambda) la conductividad térmica del
material, W/ (°k x m). (CONUEE, 2010)
9
3.2 Propiedades de los Concretos Livianos
Las propiedades que más destacan en los concretos livianos de alto
desempeño son su baja densidad y su alta resistencia a la compresión. Sin
embargo, es importante conocer que este tipo de concretos posee otras
propiedades que amplían su uso más allá de un concreto estructural (Hou D.
2009).
3.3 Propiedades Físicas
a) Peso Volumétrico: Esta propiedad depende en gran parte del tipo de
agregado utilizado. Para concretos livianos fabricados con agregados
livianos como la arcilla o pizarra expandida, el peso volumétrico
aproximado es de 1900 Kg/cm ³
b) Conductividad Térmica: La capacidad de conducción de energía
térmica de un material está dada por su densidad, mientras más
denso es un material, mayor es su conductividad térmica. Por lo tanto,
los concretos livianos, los cuales son elaborados con materiales de
menor densidad, son de baja conductividad térmica y por ende buenos
aislantes del calor.
c) Aislamiento acústico: Las cavidades dentro de los agregados livianos
permiten amortiguar las vibraciones
d) Resistencia al fuego: Debido al uso de agregados livianos
manufacturados en procesos de elevadas temperaturas, los concretos
10
livianos de alto desempeño poseen gran resistencia a temperaturas
elevadas y el fuego.
3.4 Agregados Livianos
Los agregados cumplen un papel de gran importancia en el concreto,
y en el caso de los concretos livianos la baja densidad de estos es la que
permite su elaboración.
Actualmente a nivel internacional existen muchas industrias que
elaboran diferentes tipos de agregados livianos. Para elaborar hormigones
livianos convencionales, es frecuente los usos de materiales como el
poliestireno, las arcillas, escorias volcánicas (basalto, piedra pómez),
madera, etc. (Hou D. 2009).
3.4.1 Arcilla Expandida (Pumicita)
También conocida como Arlita, es un material de origen cerámico que
tiene propiedades aislantes y es producido industrialmente. La materia prima
para fabricar este producto es la arcilla pura extraída de canteras de cielo
abierto. Luego de la explotación en la cantera, ésta pasa por un proceso de
refinamiento para obtener un producto más puro. Esta arcilla pura se
almacena en silos cerrados herméticamente donde es homogeneizada y
secada. Cuando la arcilla ya está seca, pasa al proceso de molienda donde
se obtiene un polvo impalpable denominado crudo. Este crudo es
11
aglomerado con agua en los platos granuladores y por efecto de los platos,
se redondea hasta formar esferas de barro de tamaño controlado. (Cruz A.,
2003).
La expansión de la arcilla se lleva a cabo en hornos rotativos gracias a
un choque térmico de 1200 °C. A estas temperaturas, la arcilla empieza a
fundirse y al mismo tiempo la materia orgánica que se encuentra en el interior
de la arcilla empieza a hacer combustión. Los gases de la combustión
tienden a escapar de la esfera y expanden la bola de barro hasta alcanzar 5
veces su tamaño original, como se puede observar en la figura 3.1.
Fig. 3.1 Imagen de Arcilla expandida
3.4.2 Escorias Volcánicas (Basalto)
De color oscuro, es la roca más abundante en la corteza terrestre,
formada por enfriamiento rápido del magma expulsado del manto por los
volcanes (fig. 3.2). Por esta razón suele presentar vacuolas (compartimientos
cerrados en el interior de la roca) y cubrir extensas áreas. Es común que la
roca expuesta a la atmósfera se meteorice. Sin embargo, también es común
12
que el material procedente de bancos sanos sea de muy buena calidad y
adecuado para su uso en construcción, lo que se verifica mediante ensayos.
Los cambios estructurales sufridos por la corteza terrestre hacen que zonas
otrora ocupadas por el mar estén afloradas en las plataformas continentales
y en ellas haya abundancia de basalto. Suele ser de color gris oscuro, y tiene
muchas veces una textura vesicular que conserva los vestigios de burbujas
producidas por vapor de agua en expansión, generado durante el
enfriamiento y la solidificación de la lava. También son características del
basalto las masas con forma columnar almohadillada. En ellas el grano del
basalto es fino debido al rápido enfriamiento (Cruz A., 2003).
Fig. 3.2 Foto de una piedra de basalto
3.4.3 Poliuretano Expandido
El descubrimiento del poliuretano se remonta al año 1937, gracias a
investigaciones desarrolladas por Otto Bayer. Se empezó a utilizar en la década
13
de los años 50’s, ya que hasta entonces no existieron máquinas capaces de
procesarlo.
Las materias primas proceden de dos productos, el petróleo y el azúcar,
para obtener, después de un proceso químico de transformación, dos
componentes básicos, llamados genéricamente isocianato y poliol. La mezcla en
las condiciones adecuadas de estos dos componentes nos proporciona, según
el tipo de estos componentes y los aditivos que se incorporen, un material
macizo o poroso, rígido o flexible, de celdas abiertas o cerradas, etc. (Beraldo A,
2009).
La mezcla de los dos componentes, poliol e isocianato, que son líquidos a
temperatura ambiente, produce una reacción química exotérmica. Esta reacción
química se caracteriza por la formación de enlaces, consiguiendo una estructura
sólida, uniforme y muy resistente. Si el calor que desprende la reacción se utiliza
para evaporar una agente hinchante, se obtiene un producto rígido que posee
una estructura celar, con un volumen muy superior al que ocupaban los líquidos.
(Fig. 3.3)
La alta capacidad aislante del poliuretano no se consigue en la
construcción con ningún otro de los materiales aislantes comúnmente
empleados. Esta característica se debe a la baja conductividad térmica que
posee el gas espumante ocluido en el interior de las celdas cerradas.
14
Fig. 3.3 Proceso de espumación del poliuretano
3.4.4 Virutas de Madera (Aserrín):
Los compuestos de biomasa vegetal y aglomerantes inorgánicos
comprenden una larga gama de productos, que pueden ser clasificados en
algunas categorías con respecto a sus particularidades y a los porcentajes
empleados. Varias son las ventajas aportadas por el empleo de los compuestos
de madera y cemento (CMC). Los "agregados" vegetales se encuentran
disponibles a un precio competitivo y a diferencia de los minerales (arena,
piedra) son materiales renovables, cuya cosecha no afecta significativamente al
medio ambiente. Inclusive, los CMC permiten almacenar de una forma eficiente
el gas carbónico, pues considerándose una dosis de 200 a 300 kg de residuos
de madera empleados en un metro cúbico de CMC, se puede estimar alrededor
de 500 kg de gas carbónico potencialmente inmovilizado en la matriz de
cemento. Esa cantidad de gas carbónico sería emitida a la atmósfera en caso de
que la madera fuera quemada. (Beraldo A, 2009).
15
Las virutas de madera no ácida son expuestas a un tratamiento
mineralizante, manteniendo intactas sus propiedades mecánicas, deteniendo el
proceso de deterioro biológico, convirtiendo la madera en un material
prácticamente inerte y aumentando su resistencia al fuego. Las virutas de
madera al estar revestidas con cemento Pórtland, forman una estructura estable,
compacta, resistente y duradera, a la vez que su estructura alveolar permite un
buen comportamiento térmico y da ligereza al bloque. El material es resistente al
agua, al hielo y a la humedad, es transpirable e inocuo, respondiendo a todos los
principios de bio-construcción.
Las características físicas como la transpiración, la ausencia de cargas
electrostáticas, la capacidad de acumular calor y la propiedad de regular
humedad, garantiza unas condiciones de habitabilidad óptimas. El conglomerado
madera cemento, tiene una durabilidad ilimitada, no está sujeto a degradación
química o biológica, por todos estos motivos el conglomerado madera cemento
es considerado como un material ecológico (Beraldo A, 2009).
3.5 Organismos Certificadores de Viviendas y / o Materiales Ecológicos
A continuación se enlista una serie de organizaciones encargadas de validar los
materiales y / o sistemas constructivos de las viviendas ecológicas.
3.5.1 Hipoteca Verde
Crédito de Infonavit que cuenta con un monto adicional para que el
derechohabiente pueda comprar una vivienda ecológica y así obtener una mayor
16
calidad de vida, generando ahorros en su gasto familiar mensual derivados de
las eco tecnologías que disminuyen los consumos de energía eléctrica, agua y
gas, contribuyendo al uso eficiente y racional de los recursos naturales, y al
cuidado del medio ambiente.
Por ello, al desarrollar viviendas ecológicas contribuyen a cimentar en
forma directa y pro activa el camino hacia el desarrollo sustentable, proceso que
busca la equidad y una mejor calidad de vida. (Infonavit, 2010).
3.5.2 Fideicomiso para el Ahorro de Energía (FIDE)
En 1990, por iniciativa de la CFE y con el apoyo de Luz y Fuerza del
centro (L y FC), del Sindicato Único de Trabajadores Electricistas de la
República Mexicana ( SUTERM) y de los principales organismos empresariales
del país, se constituye el Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica (
FIDE), como una institución no lucrativa, con la finalidad de impulsar el ahorro de
la energía eléctrica en la industria, el comercio, los servicios, el campo y los
municipios, así como en el sector doméstico nacional, al tiempo que promueve el
desarrollo de una cultura del uso racional de este fundamental energético.
Uno de los elementos fundamentales para asegurar la persistencia de los
avances obtenidos a nivel nacional, es la certificación, mediante el “Sello FIDE “,
de aquellos equipos, materiales y tecnologías que garantizan un alto grado de
eficiencia en el consumo de electricidad, por lo que pueden etiquetarse como
ahorradores, con tecnología de punta.
17
El “Sello FIDE” es un programa voluntario de identificación de equipo
electrónico de más alta eficiencia y constituye la principal opción para quienes
emplean equipo eléctrico y buscan, no solo el ahorro de electricidad, sino
también beneficios económicos para sus bolsillos y sus empresas. (Infonavit,
2010).
3.5.3 ONNCCE
El Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la
Construcción y Edificación, S.C. es una sociedad civil reconocida a nivel
nacional dedicada al desarrollo de las actividades de Normalización y
Certificación, que tiene como propósito contribuir a la mejora de la calidad de los
productos, procesos y servicios.
En el marco de la llamada globalización de mercado y con la suscripción
de los Tratados de Libre Comercio de México con América del Norte, la
Comunidad Europea, los países que forman la llamada cuenca del Pacifico y
América Latina, los fabricantes de bienes y servicios deben tomar una nueva
actitud de producción y negocios ya que las estrategias comerciales basadas
exclusivamente en el precio o la supremacía del líder, aunque importantes,
resultan ineficientes. Esta nueva actitud tiene como eje principal la búsqueda de
una competitividad sostenible mediante la mejora continua de la calidad de los
bienes y servicios como condición indispensable para vivir.
Para enfrentar estos retos y en la industria de la construcción se creó en
1994 el Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción
18
y Edificación S.C. (ONNCCE), que actualmente está acreditado como
Organismo Nacional de Normalización (1994) por la Dirección General de
Normas de la Secretaria de Economía, como organismo de certificación (1997)
por la Entidad Mexicana de Acreditación y está aprobado por la Secretaria de
Economía, la Secretaria de Desarrollo Social, la Comisión Nacional para el
Ahorro de Energía y la Comisión Nacional del Agua y como Organismo de
Certificación de sistemas de calidad (2000) por la entidad mexicana de
acreditación. (ONNCCE, 2010)
3.5.4 CONUEE
La Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) es
un órgano administrativo desconcentrado de la Secretaria de Energía que
cuenta con autonomía técnica y operativa. Tiene por objeto promover la
eficiencia energética y constituirse como órgano de carácter técnico, en materia
de aprovechamiento sustentable de la energía.
La CONUEE queda constituida a partir de la entrada en vigor de la Ley
para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía, publicada el 28 de
noviembre de 2008, en donde se establece que todos los recursos humanos y
materiales de la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (CONAE)
quedarán asignados a esta nueva comisión.
Por aprovechamiento sustentable de la energía se entiende el uso óptimo
de la energía en todos los procesos y actividades para su explotación
19
producción, transformación, distribución y consumo, incluyendo la eficiencia
energética.
Dentro del marco vigente, se entiende por eficiencia energética todas
aquellas acciones que conlleven a una reducción económicamente viable de la
cantidad de energía necesaria para satisfacer las necesidades energéticas de
los servicios y bienes que requiere la sociedad, asegurando un nivel de calidad
igual o superior y una disminución de los impactos ambientales negativos
derivados de la generación, distribución y consumo de energía. Quedando
incluida, la sustitución de fuentes no renovables por fuentes renovables de
energía. (CONUEE, 2010)
3.6 Situación Actual de la Vivienda en México
Se cree que todo es alta tecnología, celdas fotovoltaicas y doble vidrio, y
no es así. Lo que sucede, es que los costos tienden a elevarse pues este tipo de
adelantos son subutilizados: Un ejemplo de esto, son los celulares, que antes
eran muy caros, pero ahora todos los podemos tener porque hay competencia y
son mucho más baratos. La arquitectura bioclimatica es muy importante que
desde el principio se realice bien el proyecto, lo que implica que la orientación de
la vivienda sea la adecuada, que se designe correctamente dónde se colocan
las ventanas y dónde los alerones, y de esta manera evitar la colocación de aire
acondicionado. Un ejemplo de ellos son algunas casas en Acapulco y Monterrey,
que fueron construidas de acuerdo con este principio pero al que se sumó la
20
elección del material más adecuado porque hay lugares donde el concreto es lo
ideal, mientras que en otros lo será el tabique o la combinación de ambos.
(González J. ,2007).
A continuación se enlista en la tabla 3.1, una serie de elementos que ayudan a
crear viviendas sustentables.
Tabla 3.1 Eco tecnologías para la vivienda sustentable
Ahora existe, por ejemplo, la pintura anti reflejante, que es dos pesos más
cara que la tradicional y que bien vale la pena aplicar en zonas donde se quiera
bajar la temperatura. Se sabe que el problema principal de estas viviendas en
México es el calor, más que el frío; entonces, hay ciertos elementos que no
cuestan más y podemos utilizarlos. En el mismo sentido, se pueden diseñar
cubos para que haya ciertos cruces de ventilación o aplicar impermeabilizantes
que tienen una capa aislante.
Eco tecnologías para la vivienda sustentable
• Materiales térmicos y aislantes. • Focos ahorradores de energía. • Aprovechamiento de energía solar. • Microsistemas para tratamiento de aguas grises. • Sanitarios ecológicos. • Captación, almacenamiento y re-uso de aguas pluviales. • Calentadores de agua. • Análisis de radiación térmica e indicadores climatológicos.
21
Colocar focos ahorradores que, por supuesto, no implica cambiar la
instalación eléctrica, y economizar en el uso del agua mediante la instalación de
inodoros de dos pasos, cuyo costo es solamente 10 pesos más caro que los de
tipo estándar. Si se va hacer una vivienda media, se tiene mayor capacidad de
poner mayor tecnología, por ejemplo calentadores solares o celdas fotovoltaicas,
un sistema que en México es muy caro pero que un tiempo medio nos
beneficiará al ahorrar en el recibo de la luz. En la tabla 3.2 se puede ver un
comparativo de los ahorros que se obtienen a largo plazo entre una vivienda
tradicional y una vivienda sustentable. (Morillon, D., 2008)
Tabla 3.2 Comparación entre la vivienda tradicional y la vivienda sustentable
Beneficios a largo plazo Tipo de vivienda Tradicional Sustentable Ahorro
sostenido Valor del inmueble $500,000 $625,000 Financiamiento $450,000 $562,000 Mensualidad $5,698 $7,122
Gastos de la vivienda anual (Total) $10,230 $7,456 27% Luz $2,460 $1,722 30% Gas LP $2,890 $1,734 40% Agua $2,880 $2,400 17% Mantenimiento $2,000 $1,600 20% El ejercicio toma en cuenta una tasa de 11.75%, un plazo a 15 años y un financiamiento del 90%. Simulación para una vivienda de 100 m2. (CONUEE ,2010)
Hay que decir que el Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica
(FIDE), de manera conjunta con el Instituto del Fondo Nacional para la Vivienda
de los Trabajadores (INFONAVIT), diseñaron un programa piloto para fomentar
la construcción de viviendas con ahorro de energía eléctrica. El proyecto
22
contempla la aplicación de aislamiento térmico en techos, la instalación de
luminarias con lámparas fluorescentes compactas, aire acondicionado de alta
eficiencia y ventanas térmicas de doble cristal. (Morillon D., 2008)
Tabla 3.3 Datos de consumos de energía en México
3.7 Utilización del Concreto Liviano en el Mundo
Los concretos livianos vienen siendo usados desde hace muchísimo tiempo,
conjuntamente con el concreto convencional cuando inicia el boom de las
construcciones con concreto en todo el mundo, pero a partir de la segunda mitad
del siglo XX tienen su mayor utilización y desarrollo. Cabe destacar que a lo
largo del continente americano hasta en el mismo EE.UU., los hormigones
livianos han tenido poca utilización, a diferencia de Europa especialmente y
Asia, donde su uso es bastante importante en la mayoría de construcciones,
como puentes, obras marinas y elementos prefabricados.
Consumo de energía en México:
• En México, el consumo de energía en la vivienda representa el 25% del total. • Se estima que: 61% de la energía es usada para cocinar, 28% para calentar agua, 5% para iluminación y 3% para enfriamiento. • Los países miembros de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE,) entre los que se cuentan Alemania, Austria, Bélgica, Canadá, Dinamarca, España, Francia y Estados Unidos, entre otros, utilizan la energía de manera muy diferente. En primer lugar, para el calentamiento de espacios, seguido del calentamiento de agua. Utilizan proporciones pequeñas para cocinar e iluminar su vivienda. (CONAVI,2008)
23
Actualmente en América Latina el uso de concretos livianos no es notorio,
aunque países como Chile ya están empezando a invertir en el desarrollo de
estos materiales. (Iza, 2010)
3.8 Metodología del Diseño de Experimentos (DOE)
Es una técnica estadística que llego a tener mayor popularidad en la
década de los 90’s. En 1920, el científico británico Ronald A. Fisher lo desarrollo
como una metodología para obtener el máximo conocimiento derivado de los
datos experimentales. En su etapa inicial, el DOE, estaba restringido casi
exclusivamente a especialistas en el área de matemáticas, no fue así hasta el
desarrollo de los trabajos realizados por Taguchi, un ingeniero japonés, quien le
diera un enfoque práctico. El trabajo de Taguchi revolucionó la presentación del
material del diseño de experimentos de la teoría matemática, que había
permanecido prácticamente ignorada a términos útiles y prácticos. (Jiménez, A.
2008).
El DOE es una metodología destinada a la planificación y análisis de un
experimento para asegurar obtener información relevante respecto al problema
bajo investigación. En un experimento, se seleccionan ciertos factores para su
estudio, se alternan estos de manera deliberada y controlada, posteriormente se
observa el efecto resultante; es decir, se crean y se preparan lotes de prueba
24
para verificar las hipótesis establecidas sobre las causas de un determinado
problema u objeto de estudio. Es una herramienta de gran utilidad para
determinar las causas de los efectos así como también para estratificar la
importancia que cada una de estas tiene. (Jiménez, 2008).
A través del diseño de experimentos se planifica, se conduce y se
analizan estadísticamente los resultados del experimento, lo que implica una
secuencia de pasos los cuales se muestran en la Fig. 3.4. (Fundibeq.org., 2010)
Fig. 3.4 Secuencia de pasos de un diseño experimental.
25
3.8.1. Diseño Factorial con Tres Factores
Se llaman Diseños Factoriales a aquellos experimentos en los que se
estudia simultáneamente dos o más factores y donde los tratamientos se forman
por la combinación de los diferentes niveles de cada uno de los factores.
En este modelo es importante estudiar la posible interacción entre los dos
factores. Si en cada casilla se tiene una única observación no es posible estudiar
la interacción entre los dos factores, para hacerlo hay que replicar el modelo,
esto es, obtener k observaciones en cada casilla, donde k es el número de
réplicas.
El modelo de este diseño es:
(3.3)
Generalizar los diseños completos a más de dos factores es
relativamente sencillo desde un punto de vista matemático, pero en su aspecto
práctico tiene el inconveniente de que al aumentar el número de factores
aumenta muy rápidamente el número de observaciones necesario para estimar
el modelo.
Los diseños factoriales se emplean en todos los campos de la
investigación, son muy útiles en investigaciones exploratorias en las que poco se
sabe acerca de muchos factores.
26
Ventajas:
1. Requieren relativamente pocos experimentos elementales para cada factor, y
permiten explorar factores que pueden indicar tendencias y así determinar una
dirección prometedora para experimentos futuros.
2. Si existe interacción entre los factores estudiados permite medirla.
3. Cuando el número de factores (variables) suelen ser importantes para
estudiar todas las variables, los diseños factoriales fraccionados permiten
estudiarlas a todas para estudiarlas superficialmente en lugar de hacer
experimentos más pequeños que pueden no incluir las variables importantes.
4. Estos diseños y sus correspondientes fraccionados pueden ser utilizados en
bloques para construir diseños de un grado de complejidad que se ajuste a las
necesidades del problema.
5. La interpretación de las observaciones producidas por estos diseños se puede
realizar en gran parte a base de sentido común y aritmética elemental.
Desventajas:
1.- Se requiere un mayor número de unidades experimentales que los
experimentos simples y por lo tanto se tendrá un mayor costo y trabajo en la
ejecución del experimento.
27
2.- Como en los experimentos factoriales cada uno de los niveles de un factor se
combinan con los niveles de los otros factores; a fin de que exista un balance en
el análisis estadístico se tendrá que algunas de las combinaciones no tiene
interés práctico pero deben incluirse para mantener el balance.
3.- El análisis estadístico es más complicado que en los experimentos simples y
la interpretación de los resultados se hace más difícil a medida de que aumenta
el número de factores y niveles por factor en el experimento.
28
4. MATERIALES Y METODOS
Para el desarrollo de la investigación es indispensable seguir una
metodología, la cual se muestra a lo largo de esta sección. En el capítulo se
muestra el método a seguir para comprobar las hipótesis planteadas.
4.1 Diseño de la Investigación
“Es la estructura a seguir en una investigación ejerciendo el control de la
misma a fin de encontrar resultados confiables y su relación con los
interrogantes surgidos de la hipótesis”. (Biblio 3W, 1999).
4.2 Tipo de Investigación
La investigación está clasificada como cuantitativa, descriptiva.
Cuantitativa debido a que se han identificado las características las cuales se
manipularon para poder observar los resultados esperados. Descriptiva porque
en base a los resultados arrojados de las variables que medimos, inferimos que
una vivienda elaborada con dichos materiales, se va a comportar térmicamente
como los resultados de las muestras.
4.3 Ambiente donde se desarrolla la investigación
La investigación se llevó a cabo en una empresa dedicada al ramo de la
construcción ubicada en Cd. Juárez. Esta empresa mantiene el 70% del
29
mercado por lo cual es de suma importancia mantenerse a la vanguardia en
productos que beneficien al sistema constructivo de la localidad.
El área donde se elaboró la investigación, fue en la división de
prefabricados, específicamente en la fabricación de bloques de concreto. Estos
son moldeados en una maquina marca Besser, modelo Dynapac. El principio de
esta máquina moldeadora es por medio de vibro comprimido, lo que hace
bloques de concreto con una alta calidad en resistencia a la compresión, pero
deja la posibilidad de hacer bloques con tecnologías inclusoras de aire en la
mezcla. Estas tecnologías son las que nos facilitan la elaboración de bloques
ligeros con un alto grado de resistencia térmica. Debido a esta limitante con las
maquinas Dynapac, se buscará adicionar a la mezcla los materiales ligeros
mencionados en la capítulo 2 de esta investigación.
La figura 4.1 muestra la máquina moldeadora donde se elaboraron las
diferentes pruebas de block con material ligero.
Fig. 4.1 Maquina Moldeadora Dynapack
30
La figura 4.2 muestra la imagen de una planta de block tipo Dynapck.
Fig. 4.2 Planta Besser modelo Dynapack
4.4 Método de Investigación
El método utilizado fue un diseño de experimentos factorial (3 factores)
con 2 réplicas. La secuencia del método se describe en la figura 4.3.
Fig. 4.3 Metodologia para determinar bloques con mayor aislamiento termico
Fabricación de
muestras de
acuerdo a mezcla.
Sacar de cuartos
de curado y
traslado a patios
Dejar 24 hrs. en
curado a vapor
Realizar pruebas
de resistencia a la
compresion
Elaborar Pruebas
de conductividad
Termica
Eleccion de los 3
mejores diseños
en cuanto a
resistencia
Realizar calculo de
la resistencia
termica total ( R )
Elaborar tabla
comparativa con
las mejores
mezclas de
materiales ligeros.
NOTA: Con este procedimiento
se realizaran las pruebas de los
tres materiales ligeros
31
1. La primera corrida de producción con material ligero fue la pumicita,
por lo que se procedió a fabricar las mezclas de acuerdo a la tabla 4.1
y el orden de elaboración fue conforme a la aleatoriedad que arrojo
MINITAB
Tabla 4.1. Diseño de experimentos factorial completo
2. Dejar 24 hrs en curado,
3. Sacar de cuartos de curado y trasladar a patios,
4. Pruebas de resistencia a la compresión,
5. Elegir los 3 mejores diseños en cuanto a resistencia,
6. Pruebas de conductividad térmica de las mezclas seleccionadas,
7. Realizar el cálculo de la resistencia térmica total. Aquí se incluirá como
método constructivo el siguiente arreglo:
Superficie exterior. aplanado de mortero.
Superficie media. bloque de 2 huecos.
32
Superficie interior. aplanado de yeso.
8. Elaborar tabla comparativa de los mejores diseños de cada material
ligero.
Este procedimiento se repitió para los otros dos materiales ligeros
(Basalto y virutas de madera).
Para que no existan factores que afecten el experimento, todas las
réplicas se hicieron en un solo día. La tabla de corridas de las réplicas
aleatorizada fue arrojada por el software MINITAB ®.
4.5 Experimentos con Diseños de Tres Factores
El modelo de diseño de experimentos con dos factores se puede
generalizar a tres o más factores, aunque representa el gran inconveniente de
que para su aplicación es necesario un tamaño muestral muy grande.
El modelo de diseño de experimentos completo con tres factores (Tα, Tβ,
Tƴ), interacción y replicación (K replicas) tiene el siguiente modelo matemático:
( ) ( ) ( ) ( ) (4.1)
con son variables independientes con distribución N (0,σ²) .
En este modelo se tienen tres factores – tratamientos: el factor Tα (factor
α) con niveles i = 1,…..,l, el factor Tβ(efecto β) con niveles j = 1,….,J, y el factor
Tƴ (efecto ƴ) con niveles r = 1,…,R. Cada tratamiento se replicado K veces. Por
33
tanto se tienen n = IJRK observaciones. El termino ( )ijk es la interacción de
tercer orden que, en la mayoría de las situaciones se suponen nulas.
El número de parámetros del modelo se describe a continuación en la tabla 4.2.
Tabla 4.2 Parámetros del Modelo
Parámetros Numero
µ 1
αi I – 1
βj J – 1
ƴr R – 1
(αβ)ij (I - 1) (J - 1)
(αƴ) ir (I - 1) (R - 1)
(βƴ)jr (J- 1) (R - 1)
(αβƴ)ijr (I – 1)(J- 1) (R - 1)
σ² 1
Total I J R + 1
4.6 Instrumentos y Pruebas de Medición
Para la elaboración de pruebas de resistencia a la compresión se utilizo
una prensa como la que se muestra en la figura 4.4 y 4.5. La prensa debe de ser
calibrada cada 6 meses por un laboratorio certificado ante la Entidad Mexicana
de Acreditacion.
Fig. 4.4 Prensa para elaboración de pruebas de resistencia a la compresión
34
Fig. 4.5 Certificado de calibracion por patre del IMCYC
En lo referente a la medición de la conductividad termica, se midió en un
equipo de flujo de calor modelo Lambda 2300 marca Netzsch ( Fig 4.6). Las
muestras se prueban entre dos sensores de flujo de calor en gradientes de
temperatura fijos o ajustables. Después de unos cuantos minutos de espera para
que el sistema alcance el equilibrio, el ordenador personal integrado o el
ordenador externo determina la conductividad térmica y la resistencia térmica de
la muestra. El movimiento de placa automático y la determinación del grosor de
la muestra simplifican la preparación de la prueba. Todos los parámetros de la
prueba así como los datos de calibración se almacenan en el ordenador
personal y se documentan.
35
Fig. 4.6 Equipo de medicion de flujo de calor marca Netzsch
4.6.1 Medicion de las Variables
La medición de las variables (resistencia a la compresión y conductividad
termica) son tomadas en las undidades a continuación descritas.
4.6.1.1 Resistencia a la Compresión:
Kgf / cm² = Kilogramo fuerza / centímetro cuadrado
J / ( s.ºC.m ) = Julio / segundo . Grado celcius. Metro.
Procedimiento para la obtención de la resistencia a la compresión de los
bloques.
Utilizar el equipo de seguridad adecuado.
Se procede a efectuar el muestreo de manera aleatoria tomando 5
especímenes de cada lote de 10,000 piezas o fracción si es en planta, en
obra se puede tomar una muestra de 5 especímenes por cada entrega, de
36
acuerdo con el cliente, se recomienda una muestra de 5 especímenes por
cada 10,000 a 40,000 piezas suministradas.
Se efectúa la medición de las piezas tomando dos lecturas de la altura,
ancho y largo del espécimen según NMX-C-038, registrándolo en el formato
correspondiente.
Se pesan cada uno de los especímenes y se registra el peso en el formato
correspondiente.
Se cabecea el bloque de concreto con mortero de azufre cuya resistencia
mínima a la compresión sea 350 Kg/cm² (el mortero de azufre no debe
penetrar más de 5 mm. En los huecos del espécimen a ensayar)
Se deja secar el azufre por un lapso de 2 Horas como mínimo.
Se coloca la placa de acero inferior en la máquina de prueba.
Se coloca el espécimen sobre la placa inferior de acero de la máquina de
prueba y se alinea con el centro de la misma.
Se coloca sobre el espécimen la placa superior de acero centrándola con el
espécimen.
Se coloca sobre la placa superior de acero una dona de acero la cual sirve
de extensión de la placa superior de carga
37
Se empieza a bajar a velocidad rápida la placa superior de carga, hasta que
haga contacto con la dona de acero.
Al empezar a dar lectura la máquina se le baja a la velocidad de carga y se
mantiene uniforme hasta la lectura final.
Se registra la lectura final en el formato correspondiente.
Se calcula la resistencia la compresión del espécimen dividiendo la carga
máxima soportada por el espécimen entre el área total de la sección de
contacto de carga, el resultado total se expresa en kgf/cm2.
(4.2)
Dónde:
Resistencia = Resistencia total del bloque en kgf/cm².
Carga = Lectura inicial de la pantalla de máquina en Newtons
Área = Área neta del bloque (largo por ancho) en cm².
101.9679 = Factor de conversión de Newtons a Kilogramos – Fuerza
Se limpia el área de trabajo así como el equipo utilizado al finalizar las
pruebas.
Estas mediciones son registradas en el formato de resistencia a la compresión
de prefabricados de concreto ( FO7.5STE-18), el cual se ilustra en la figura 4.7.
38
Fig. 4.7 Formato de medición de la resistencia a la compresión de bloques de concreto
4.6.1.2 Conductividad Termica
Para la determinación de la variable de termicidad (factor R), se tomaron
3 muestras de cada uno de los diseños seleccionados de block, luego se
enviaron al laboratorio donde fueron probadas en el equipo de flujo de calor.
39
Las muestras duraron en el equipo un lapso de 4 hrs. Despues de transcurrido el
tiempo, arrojaron el valor de conductividad termica de cada una de las
muestras.
La unidades en que se representan son las siguientes:
( Sistema Internacional , watt / metro × grado kelvin)
4.7 Periodo de Prueba
Para la obtención de los resultados de las pruebas se tomo el periodo
comprendido entre marzo a junio del 2011.En este periodo se fabricaron las
diferentes tipos de mezclas y se hiciedron las pruebas de resistencia a la
compresión y resistencia a la conductividad termica.
4.8 Calculo de la Resistencia Termica Total
La resistencia térmica total es la suma de las resistencias térmicas de las
varias capas de los diversos materiales que componen al elemento de la
envolvente, a esta suma de resistencia se le conoce como valor “R “. El valor “R”
es el inverso del coeficiente total de transmisión de calor “K “, sus unidades son
( ) .
En la fig. 4.8 se describe el cálculo de “R“total. Se representa un modelo
constructivo el cual consiste en una superficie exterior, una superficie media y
una superficie interior. La suma de las R’s de cada una de las capas o
superficies, es el resultado de la Resistencia Térmica Total.
40
(4.3)
Fig. 4.8 Calculo para determinar la resistencia térmica
En la siguiente formula podemos ver la descripción de cada una de las
variables que componen el cálculo del coeficiente de conductividad térmica.
(4.4)
Dónde:
K = es el coeficiente de transmisión térmica en
L = es el espesor de la capa del material en el componente en mts.
λ = es la conductividad térmica del material obtenida en valores
tabulados, reportes del fabricante o de ensayes de laboratorio en .
hi = es la conductancia superficial interior, en , su valor de la
norma NOM-008-ENER-2001 es:
8.1 para superficies verticales.
41
9.4 para superficies horizontales con flujo de calor hacia arriba (de
piso hacia el aire interior o del aire interior hacia el techo).
6.6 para superficies horizontales con flujo de calor hacia abajo (del
techo al aire interior o del aire interior al piso).
he = es la conductancia superficial exterior en , su valor es igual
a 13 ( de la norma NOM-008-ENER-2001).
n = es el número de capas que forman la porción de la envolvente.
Rt = es la superficie térmica total de una porción de la envolvente del
edificio, de superficie a superficie, en
Tabla de requisitos que marca la norma NMX-C-460-ONNCCE-2009, donde
nos dice cuáles son los valores mínimos y máximos del factor” R” que debe de
tener un envolvente (método constructivo).
Tabla 4.3. Requisitos de la norma NMX-C-460-ONNCCE-2009 para el valor R de un envolvente
42
La siguiente tabla (Tabla 4.4), muestra la clasificación de las zonas
térmicas en la que se encuentra localizada Cd. Juárez.
Tabla 4.4. Zonas Térmicas de la República Mexicana
Como se puede observar, Cd. Juárez cae en la clasificación 3B de las
zonas térmicas de la republica
43
5. RESULTADOS
A continuación se muestra en la Fig. 5.1 el diseño experimental de cada
uno de los materiales ligeros con los que se fabricaron las diferentes mezclas
arrojadas por el software MINITAB ®.
Fig. 5.1. Diseño experimental de la mezcla de pumicita
En la tabla 5.1 podemos observar los datos del diseño factorial de
múltiples niveles. Después de haber corrido las mezclas de acuerdo al orden de
aleatoriedad (tabla 5.2), se procedió a obtener la resistencia a la compresión de
cada una de ellas.
Tabla 5.1. Diseño Factorial de Múltiples Niveles Diseño factorial de múltiples niveles
Factores 3 Replicas 2
Corridas Base 18 Total de Corridas 36
Bloques Base 1 Total de Bloques 1
Numero de Niveles 3, 2, 3
44
Tabla 5.2. Tabla de aleatoriedad de las mezclas
Tabla de diseño (aleatorizada)
Corrida Blq A B C
1 1 1 1 3
2 1 2 2 2
3 1 3 1 3
4 1 2 1 3
5 1 1 1 2
6 1 3 2 1
7 1 1 1 3
8 1 1 2 2
9 1 1 2 2
10 1 3 2 3
11 1 2 1 1
12 1 2 2 3
13 1 3 2 2
14 1 2 2 3
15 1 3 2 3
16 1 2 2 2
17 1 3 1 2
18 1 1 2 3
19 1 2 1 2
20 1 3 1 3
21 1 2 2 1
22 1 1 1 2
23 1 3 2 1
24 1 2 1 2
25 1 2 1 3
26 1 3 1 2
27 1 2 2 1
28 1 3 1 1
29 1 1 2 3
30 1 3 1 1
31 1 3 2 2
32 1 1 2 1
33 1 1 2 1
34 1 1 1 1
35 1 1 1 1
36 1 2 1 1
En la tabla 5.3 podemos ver los resultados obtenidos en cuanto a
resistencia a la compresión en las mezclas elaboradas con el material Pumicita.
45
Tabla 5.3. Resistencia a la Compresión de la Corrida de Mezclas con Pumicita
En la siguiente tabla (tabla 5.4), podemos observar los resultados de la
resistencia a la compresión así como el orden de corrida de cada una de las
mezclas de acuerdo a la aleatoriedad arrojada por MINITAB®
Tabla 5.4. Resistencia a la Compresión de la Corrida de Mezclas con Virutas de Madera
46
En la tabla 5.5, podemos se observan los resultados de las corridas de
mezclas elaboradas con el material Basalto
Tabla 5.5. Resistencia a la Compresión de la Corrida de Mezclas con Basalto.
Utilizando el programa MiniTab ®, se corrió el diseño de experimentos
factorial, con el objeto de encontrar la mezcla recomendada que nos maximizara
la respuesta en cada uno de los tres materiales. A continuación se muestran los
cálculos de cálculos de análisis de varianza de la mezcla con Pumicita (Figura
5.2).
47
Modelo lineal general: Resistencia vs. Pumicita, Cemento, Arena Factor Tipo Niveles Valores
Pumicita fijo 3 1800, 1970, 2150
Cemento fijo 2 250, 300
Arena fijo 3 550, 630, 710
Análisis de varianza para Resistencia, utilizando SC ajustada para pruebas
Fuente GL SC sec. SC ajust. MC ajust. F P
Pumicita 2 384.22 384.22 192.11 40.44 0.000
Cemento 1 1560.25 1560.25 1560.25 328.47 0.000
Arena 2 165.72 165.72 82.86 17.44 0.000
Pumicita*Cemento 2 52.67 52.67 26.33 5.54 0.013
Pumicita*Arena 4 151.11 151.11 37.78 7.95 0.001
Cemento*Arena 2 181.17 181.17 90.58 19.07 0.000
Pumicita*Cemento*Arena 4 203.67 203.67 50.92 10.72 0.000
Error 18 85.50 85.50 4.75
Total 35 2784.31
S = 2.17945 R-cuad. = 96.93% R-cuad.(ajustado) = 94.03%
Fig. 5.2. Análisis de Varianza para las mezclas con Pumicita
La figura 5.3 nos muestra la representación gráfica de efectos principales
que nos maximiza la respuesta, en las mezclas elaboradas con Pumicita.
Fig. 5.3. Grafica de efectos principales en las mezclas con Pumicita
La figura 5.4 nos muestra el modelo del análisis de varianza de las mezclas
elaboradas con virutas de madera.
48
Modelo lineal general: Resistencia vs. Virutas Madera, Cemento, Arena Factor Tipo Niveles Valores
Virutas Madera fijo 3 1800, 1970, 2150
Cemento fijo 2 250, 300
Arena fijo 3 550, 630, 710
Análisis de varianza para Resistencia, utilizando SC ajustada para pruebas
Fuente GL SC sec. SC ajust. MC ajust. F P
Virutas Madera 2 248.00 248.00 124.00 13.09 0.000
Cemento 1 1950.69 1950.69 1950.69 205.94 0.000
Arena 2 129.50 129.50 64.75 6.84 0.006
Virutas Madera*Cemento 2 76.22 76.22 38.11 4.02 0.036
Virutas Madera*Arena 4 516.50 516.50 129.13 13.63 0.000
Cemento*Arena 2 132.39 132.39 66.19 6.99 0.006
Virutas Madera*Cemento*Arena 4 382.94 382.94 95.74 10.11 0.000
Error 18 170.50 170.50 9.47
Total 35 3606.75
S = 3.07770 R-cuad. = 95.27% R-cuad.(ajustado) = 90.81%
Fig. 5.4. Análisis de Varianza para las mezclas con Virutas de madera
En el siguiente gráfico (figura 5.5), podemos ver los valores de los efectos
principales en la mezcla de virutas de madera que nos están maximizando la
respuesta.
Fig. 5.5. Gráfica de efectos principales en las mezclas con virutas de madera
49
A continuación (figura 5.6) tenemos el modelo lineal general de las
mezclas fabricadas con el material basalto.
Modelo lineal general: Resistencia vs. Basalto, Cemento, Arena Factor Tipo Niveles Valores
Basalto fijo 3 1800, 1970, 2150
Cemento fijo 2 250, 300
Arena fijo 3 550, 630, 710
Análisis de varianza para Resistencia, utilizando SC ajustada para pruebas
Fuente GL SC sec. SC ajust. MC ajust. F P
Basalto 2 478.39 478.39 239.19 25.40 0.000
Cemento 1 1482.25 1482.25 1482.25 157.41 0.000
Arena 2 252.72 252.72 126.36 13.42 0.000
Basalto*Cemento 2 45.50 45.50 22.75 2.42 0.118
Basalto*Arena 4 283.78 283.78 70.94 7.53 0.001
Cemento*Arena 2 307.17 307.17 153.58 16.31 0.000
Basalto*Cemento*Arena 4 198.33 198.33 49.58 5.27 0.005
Error 18 169.50 169.50 9.42
Total 35 3217.64
S = 3.06866 R-cuad. = 94.73% R-cuad.(ajustado) = 89.76%
Fig. 5.6. Análisis de Varianza para las mezclas con Basalto
En el gráfico de la figura 5.7 podemos observar los efectos principales en
la mezcla con basalto.
Fig. 5.7 Gráfica de Efectos Principales para las mezclas con Basalto
50
De acuerdo a los gráficos de las figuras 5.3, 5.5 y 5.7 podemos decir que
las mezclas que nos maximizaron las respuestas (en este caso la resistencia a
la compresión), están descritas en la tabla 5.6.
Tabla 5.6. Resumen de mezcla con mejor resultado con respecto a la resistencia a la compresión
Material
Resistencia
Media a la
Compresión
( Kg/cm² )
Diseño
Cantidad de Materiales ( Kg )
Material
Ligero Cemento Arena
Pumicita 57.5 A2, B2, C2 1970 300 630
Virutas de
Madera 46 A2, B2, C2 1970 300 630
Basalto 56 A2, B2, C2 1970 300 630
Luego, se procedió a determinar la resistencia térmica de cada una de las
mezclas seleccionadas (tabla 5.7), para proceder a obtener la R Total de cada
una de las mezclas de acuerdo al método constructivo mencionado al inicio de
este capitulo
Tabla 5.7. Calculo de resistencia térmica de acuerdo a la mezcla con material ligero
51
Ya con los resultados de resistencia térmica de cada una de las mezclas,
se procedió a determinar la “R” Total, con cada uno de los materiales que
intervenían en el método constructivo mencionado en el capítulo de la
metodología, ver Tablas 5.8, 5.9 y 5.10.
Tabla 5.8. Calculo “R” Total Mezcla Pumicita
En la tabla 5.9 podemos ver el resultado obtenido de la “R” Total, en el
método constructivo elaborado con bloques de basalto.
52
Tabla 5.9. Calculo “R” Total Mezcla Basalto
En la tabla 5.10 podemos ver el cálculo de la “R” Total en el método
constructivo elaborado con mezclas de virutas de madera.
Tabla 5.10. Calculo “R” Total mezcla Viruta de Madera
A continuación se muestra una tabla comparativa (tabla 5.11), entre las
diferentes mezclas probadas. Podemos apreciar que todas las mezclas con
53
materiales ligeros, se encuentran entre las categorías de mínima y habitabilidad,
de acuerdo a lo mencionado en la norma NMX-C-460-ONNCCE-2009. Sin
embargo, solo la mezcla de virutas de madera no cumple con la resistencia
mínima a la compresión que es de 60 Kgf/cm². Podemos decir que las mezclas
de Pumicita están dentro de los parámetros normales, ya que las pruebas a la
compresión están hechas a un día de edad del espécimen, y por experiencia
podemos decir que a los tres días de madurez, el producto gana en promedio de
5 a 7 kgf/cm².
Tabla 5.11. Tabla Comparativa entre block con materiales ligeros Vs block Tradicional
En la tabla 5.12 podemos ver un comparativo en cuanto a costos de
fabricación (solo se está considerando la materia prima) de las tres mezclas de
materiales ligeros, además del block que tradicionalmente se comercializa en la
región.
54
Tabla 5.12. Costos de fabricación de las mezclas con material ligero Vs la mezcla tradicional
De acuerdo a lo mostrado en la tabla 5.12 referente a los costos de
fabricación, podemos observar que la fabricación del block tradicional es más
económica que la elaborada con materiales más ligeros. Estos es debido a lo
difícil de conseguir esa clase materiales en la región (en especial la pumicita y el
basalto).
55
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones:
Después de analizar los diferentes tipos de mezclas con materiales
ligeros utilizando la metodología del diseño de experimentos, se pudo demostrar
referente a la primera hipótesis, que si es factible fabricar bloques con un mayor
aislamiento térmico en comparación con el block de concreto que se utiliza
tradicionalmente. Esto es de gran ayuda en estos tiempos en que la
normatividad se pone más exigente en relación a fabricar viviendas en las cuales
se reduzcan los consumos de energéticos así como la utilización del agua.
Con respecto a la segunda hipótesis, se pudo observar que a mayor
cantidad de material ligero se requiere un porcentaje de cemento mayor para
lograr una resistencia a la compresión aceptable. Este punto tal vez no sea de
gran agrado para los constructores, ya que implicaría un block más costoso, por
lo que la vivienda tendría un costo mayor. Sin embargo, INFONAVIT, está
creando programas en los cuales se promueve el uso de este tipo de materiales
así como la incorporación de equipos que ayuden a minimizar los consumos de
energéticos, como se mencionó anteriormente. Para la promoción de estos
programas se están ofreciendo créditos de mayor cantidad monetaria. Tal vez, la
inversión al principio sea un poco más alta, pero se verá un gran beneficio en
ahorros de luz, agua, gas, así como el mantenimiento de la vivienda.
56
Recomendaciones:
Ya que la mezcla con virutas de madera fue la que obtuvo mejor
respuesta en cuanto a resistencia térmica, mas no así en resistencia a la
compresión, se recomienda continuar con el experimento utilizando otro tipo de
madera diferente a la utilizada en este experimento ( madera de pino ), ya que
existen tipos más resistentes como la de encino, álamo, alder. Una de las
ventajas es que este tipo de maderas se encuentran en la región.
Otra de las recomendaciones seria optar por una máquina moldeadora
diferente, en la que el principio de fabricación no sea vibro comprimido, ya que al
compactar la mezcla se delimita el tipo de materiales ligeros a probar. Con una
maquina en la que el principio de llenado de mezcla en el molde sea por
vibración, se pueden utilizar materiales como la espuma de poliuretano y aditivos
inclusores de aire.
57
7. ANEXOS
7.1 Glosario
Concreto:
El concreto es un material durable y resistente pero, dado que se trabaja en su forma líquida,
prácticamente puede adquirir cualquier forma. Esta combinación de características es la razón
principal por la que es un material de construcción tan popular para exteriores.
Se produce mediante la mezcla de tres componentes esenciales, cemento, agua y agregados, a
los cuales eventualmente se incorpora un cuarto componente que genéricamente se designa
como aditivo
Concreto Ligero:
Cconcreto ligero es todo aquel que tiene un peso volumétrico fresco menor de 1900 kg/m3.
Agregados:
Son componentes derivados de la trituración natural o artificial de diversas piedras, y pueden
tener tamaños que van desde partículas casi invisibles hasta pedazos de piedra.
Conductividad Térmica:
Propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor.
Resistencia Térmica
La resistencia térmica de un material representa la capacidad del material de oponerse al flujo
del calor.
Vivienda Sustentable
Técnicas de construcción y equipamiento de la vivienda y el desarrollo habitacional con el fin de
proporcionar el mayor confort a los habitantes y utilizar racionalmente los recursos naturales.
58
Bioconstrucción:
Sistemas de edificación o establecimiento de viviendas, refugios u otras construcciones,
mediante materiales de bajo impacto ambiental o ecológico, reciclados o altamente reciclables, o
extraíbles mediante procesos sencillos y de bajo costo como, por ejemplo, materiales de origen
vegetal.
Peso Volumétrico:
Peso de un cuerpo o porción de materia entre el volumen que éste ocupa. En el Sistema
Técnico, se mide en kilopondios por metro cúbico (kp/m³). En el Sistema Internacional de
Unidades, en newton por metro cúbico (N/m³).
Aislamiento Acústico:
Propiedad de una solución constructiva que expresa el grado de reducción del sonido entre dos
espacios separados por un elemento de cerramiento, ya sea entre dos locales o entre el espacio
externo y un local. El aislamiento acústico entre dos espacios se expresa ( D,Dn) en la unidad de
decibelios (dB) o en decibelios A ( dBA).
Diseño de experimentos: Es la secuencia completa de pasos, tomado de antemano, para
asegurar que los datos apropiados se obtendrán de modo que permitan un análisis objetivo que
conduzca a deducciones válidas con respecto al problema establecido.
Factor: Es un conjunto de tratamientos de una misma clase o característica. Ejemplo: tipos de
riego, dosis de fertilización, variedades de cultivo, manejo de crianzas, etc.
Factorial: Es una combinación de factores para formar tratamientos.
Niveles de un factor: Son los diferentes tratamientos que pertenecen a un determinado factor. Se
acostumbra simbolizar algún elemento “i” por la letra minúscula que representa al factor y el valor
del respectivo subíndice.
59
8. BIBLIOGRAFÍA
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