Conductividad térmica del hormigón

La sostenibilidad constituye un factor importante que deben considerar los profesionales de la construcción en la actualidad. Dado que el hormigón es un componente fundamental en la mayoría de las estructuras, se exploran métodos continuamente para que se convierta en un material más apto para el medio ambiente, tanto en la producción como en el rendimiento.

El hormigón estándar se compone de cemento, agua, agregados y aditivos químicos. A pesar de que los agregados constituyen la mayor proporción de la mezcla, el cemento y el agua forman la pasta que lo aglomera.

En los últimos años, la industria del hormigón ha estado buscando materiales que reemplazaran parcialmente el cemento del hormigón para ahorrar dinero y fabricar un producto más ecológico.

Las cenizas volantes se producen durante la fase de combustión en las centrales eléctricas a carbón, de ahí que su uso en la producción de hormigón reduce la cantidad de material que ingresa a los terraplenes de relleno a causa de esta práctica, e impide que se empleen nuevos materiales adicionales en la fabricación del hormigón.

Bentz et al. (2007) del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST en inglés), recabaron datos sobre la capacidad térmica específica y la conductividad térmica del hormigón, utilizando distintos porcentajes de cenizas volantes en lugar de cemento, y empleando el sistema de conductividad térmica Hot Disk TPS (Fuente Plana Transitoria).

Figura 1. Comparación de hormigón fabricado sin cenizas volantes (izquierda) con hormigón que contiene cenizas volantes (derecha) 1.

Preparación para la prueba de conductividad térmica del hormigón

Se prepararon muestras de hormigón con materiales en tres relaciones distintas de agua/cemento (a/c) de 0,5, 0,55 y 0,6 respectivamente. A su vez, por cada relación se preparó una muestra de ceniza volante de 0, 15, 30, 45, 60, y 75 % en reemplazo del cemento.

Se utilizó un agregado a base de caliza para completar el hormigón. Cada mezcla se dispuso en dos cubos de 101,6mm que se curaron durante 28 días. Se determinó la densidad de cada serie de cubos antes de comenzar la medición de la conductividad térmica. La prueba de conductividad térmica se realizó cortando cada muestra de hormigón a la mitad y colocando entre ambas un sensor Hot Disk de 6,403 mm compuesto por una lámina de níquel rodeada por Kapton (Figura 2).

Thermtest también ofrece un sensor unilateral, el TPS-S, que solo requiere una muestra para medir la  onductividad térmica; una excelente opción para los clientes que trabajan con materiales costosos o difíciles de cortar (Figura 2). El analizador de constantes térmicas Hot Disk Thermal Constants Analyzer ofrece una solución ideal para realizar pruebas en materiales porosos como el hormigón, dado que efectúa mediciones absolutas y no requiere un agente de contacto.

Para representar la microestructura heterogénea de los cubos, la sonda se colocó en ocho lugares distintos entre las dos muestras y se calculó la conductividad térmica promedio, descartando los valores atípicos. Se calcularon las capacidades térmicas específicas a partir de los datos provistos por el sistema.

Figura 2. El diagrama ilustra la posición del sensor Hot Disk TPS en relación con las muestras de hormigón a la izquierda, y una demostración de cómo funciona el sensor unilateral TPS-S a la derecha.

El módulo de análisis térmico específico que se puede utilizar junto al sistema Hot Disk TPS arrojó los valores térmicos específicos de los polvos individuales que componían la mezcla de hormigón.

Este módulo consiste en un sensor térmico acoplado a un disco de oro en donde se coloca la muestra. El sensor y el disco están envueltos en aislación Styrofoam, que impide la pérdida de calor al medio ambiente, lo que afectaría los resultados (Figura 3).

Figura 3. Ilustración de la configuración del módulo de análisis térmico específico disponible para el sistema Hot Disk TPS Thermal Constants Analyzer.

Bentz et al. (2007) descubrieron que al reemplazar parcialmente el cemento por ceniza volante en la mezcla de hormigón se pudo generar un producto con menor densidad y menor conductividad térmica que el hormigón convencional (Figura 4). En una muestra de hormigón con una relación a/c de 0,5 con 75 % de ceniza volante, la conductividad térmica se redujo en un 19 %.

A menudo, la densidad y la conductividad térmica están correlacionadas positivamente. La ceniza volante posee una densidad mucho menor que el cemento, por lo que las muestras con un mayor porcentaje de ceniza volante presentaron menores densidades y, por consiguiente, menores conductividades térmicas. Además, la difusividad térmica descendió junto con la conductividad térmica y la densidad. La difusividad térmica baja le otorga al hormigón la capacidad de actuar como búfer térmico, dado que recibe menos influencia de los cambios que se producen en la temperatura ambiental.

Figura 4. Gráfico de resultados extraído de Bentz et al. (2007). La línea roja y los símbolos que la rodean ilustran la disminución en la conductividad térmica que acompañó el descenso en la densidad debido a la incorporación de la ceniza volante a la mezcla de cemento. Conductividad térmica [W/(mK)] versus Densidad (kg/m3) (Caliza y morteros NIST con arena silícea) [Nota: esta página analiza la investigación realizada en hormigón por Bentz et al. (2007); para conocer más sobre el trabajo en los morteros representado por la línea naranja, consulte la referencia al final de la página para acceder al documento completo].

La notable similitud entre las capacidades térmicas específicas del cemento y de la ceniza volante se descubrió en los datos arrojados por el módulo térmico específico Hot Disk TPS (Tabla 1). Bentz et al. (2007) concluyeron que alterar la proporción de cemento en relación con la ceniza volante de las mezclas implicaría un leve cambio en la capacidad térmica específica del producto, una hipótesis que fue corroborada por los datos térmicos específicos durante la prueba del hormigón. Se determinó que el contenido de agua fue el factor principal en alterar la capacidad térmica específica del hormigón, dado que su valor específico de 4,18 J/(g K) es mucho más elevado que cualquier otro material de la mezcla.

Tabla 1. Capacidades térmicas específicas de los materiales utilizados en mezclas de hormigón calculadas por Bentz et al. (2007), utilizando el módulo de análisis térmico específico de Hot Disk TPS.

El estudio concluyó que al reemplazar una proporción de cemento por ceniza volante durante la fabricación de hormigón se desarrolla un producto con menor conductividad y difusividad térmica. En la práctica, este tipo de hormigón contribuirá a un mayor control térmico en los edificios, dado que la menor conductividad térmica mejora su capacidad como aislante. Como resultado, se requerirá menos energía y menor inversión destinadas a la calefacción y al enfriamiento, contribuyendo así con los costos y el medio ambiente.