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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES INFORME FINAL DE CURSO DE COOPERACIÓN TÉCNICA

CARACTERIZACIÓN DE PANELES TIPO SÁNDWICH CON NÚCLEO DE POLIESTIRENO EXPANDIDO DE INDUSTRIAS ISOTEX

Por: Angélica María Medina Gómez

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniera de Materiales

Sartenejas, Febrero de 2016

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES INFORME FINAL DE CURSO DE COOPERACIÓN TÉCNICA

CARACTERIZACIÓN DE PANELES TIPO SÁNDWICH CON NÚCLEO DE POLIESTIRENO EXPANDIDO DE INDUSTRIAS ISOTEX

Por: Angélica María Medina Gómez

Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Profesora Rosestela Perera Benazar Tutor Industrial: Ingeniero Rafael Velásquez

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniera de Materiales

Sartenejas, Febrero de 2016 ii

CARACTERIZACIÓN DE PANELES TIPO SÁNDWICH CON NÚCLEO DE POLIESTIRENO EXPANDIDO DE INDUSTRIAS ISOTEX Por: Angélica María Medina Gómez RESUMEN El panel estructural para techo TERMOPANEL® está formado por un núcleo de espuma rígida de Poliestireno Expandido (EPS) de alta densidad unido, por acción de una espuma de poliuretano, a un encarado de acero tipo galvalum (cara perfilada) y prepintado al horno (cara lisa). El presente estudio consistió en la caracterización del mencionado panel y fue realizado en la empresa ISOTEX ubicada en La Victoria, Edo. Aragua. Se aplicaron ensayos al panel sin junta, al panel con junta, al material del núcleo, al adhesivo y al material de las caras. Se realizó el ensayo de tracción perpendicular a las caras, obteniéndose resultados que permitieron la clasificación del panel dentro de la categoría TR80 según el estándar UNE EN 1607, siendo el principal mecanismo de falla la descohesión de las perlas de EPS y del adhesivo. Se le realizó el ensayo de flexión en tres puntos, en el cual se obtuvo una clasificación de BS350 según el estándar UNE EN 12089, no se registró falla en las caras, en el adhesivo, ni en el núcleo. Se clasificó el tipo de junta en el material del núcleo como hueco, junta, gap y parejo. En las probetas con material del núcleo discontinuo se observó una disminución en la resistencia a la tracción en función del porcentaje de zonas despegadas observadas a partir de la zona de fractura y en el ensayo de flexión, por el contrario, se observó que la influencia de la junta no afecta la resistencia del panel. En cuanto al material del núcleo se corroboró la calidad autoextinguible del EPS, se determinó su densidad real, se cuantificó su absorción de agua y se determinó su resistencia a la compresión, lo cual permitió su clasificación dentro de la categoría CS(10)50, según el estándar UNE EN 826. Por otro lado, se determinaron los tiempos característicos de crecimiento de la espuma de poliuretano, y se verificó que están dentro del rango esperado. Además, se determinó la densidad del poliol y del isocianato, siendo éstas iguales a las suministradas por el proveedor. Al material metálico se le aplicó el ensayo de resistencia a la tracción, del cual se obtuvo resultados que pueden ser considerados como conformes. Además, se determinó la composición química del metal base, lo cual permitió la identificación del acero como un material SAE 1006.

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DEDICATORIA Dedico este trabajo principalmente a Dios que me dio la fuerza y estuvo presente en cada uno de los pasos que di en mi carrera, guiando mi camino, demostrándome que todo mal tiene un bien escondido, cuidándome lejos de casa. Lo dedico también a mis padres, porque el trabajo de la crianza nunca termina. A mi madre, Melva Gómez, por su sabiduría, por mantener la meta fija en mi mente, por enseñarme que el trabajo dignifica al hombre, y entender que no hay meta que no pueda lograr con constancia y disciplina. A mi padre, Alberto Medina, por la sabiduría de un roble, por su humildad y por su amor incondicional, su oficio guía los pasos de mi carrera profesional. A mis hermanas, Isabel y Malineth Medina, por su protección que, aún desde lejos, se siente. Han sido mis ejemplos, las luces que guían mi vida, y lo que soy ahora, es producto de ustedes también. A la Escuela Técnica Industrial ¨Eleazar López Contreras¨ de San Cristóbal, por sentar las bases de mi formación y prepararme para la Universidad. A la Universidad Simón Bolívar, por ser la institución que me brindó el conocimiento académico, retándome en cada trimestre y moldeándome el carácter para prepararme para lo que viene.

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AGRADECIMIENTOS Agradezco principalmente a mi familia, por su amor, apoyo y comprensión. Por ser el pilar de mi vida, y motivarme cada segundo a alcanzar mis metas. A Daniel Quintana, por compartir sus sueños conmigo, por ser más que novio: compañero. Por llenar de flores mis días, por ser el agricultor de mis ideas y darme la seguridad de que todo lo que quiera hacer lo puedo lograr tomando decisiones y actuando. Por su amor auténtico. A ISOTEX, por brindarme la oportunidad de llevar a cabo mis pasantías, por plantearme retos y permitirme ser parte, por cinco meses, de su equipo. Al Ing. Julio Cabrera, por estar codo a codo conmigo, trabajando por este proyecto, por su preocupación y por su empeño. Al Ing. Rimas Rosales, por su dedicación, porque gracias a él concluí mis pasantías y principalmente, por darme la oportunidad. A mi tutora académica, Profa. Rosestela Perera, por su orientación y apoyo incondicional. Por apaciguar mis preocupaciones y brindarme tranquilidad. A Industrias UNICON y su personal, por abrirme las puertas de la planta, mostrarme su proceso productivo y apoyarme con los ensayos que fueron necesarios para la conclusión de este proyecto. A Gabriella Grunert, que desde el Instituto de Ingeniería me abrió las puertas para la realización de los ensayos de mi proyecto y consolidó el enlace entre la empresa y el instituto. A mis amigos Víctor Rondón, Sofía Ferrer, Arianna Ávila, Alexandra Ávila, Eleazar Quintana, Braihan Guillén, Leonardo Melo, Cindy Rondón, Roberta Elia, Alejandro Kulczar, Anna Chopité, Ron Velásquez y demás amigos de la carrera que me acompañaron en este camino. Al Sr. Segismundo Casado, por su generosidad y preocupación constante desde el comienzo de mi carrera.

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ÍNDICE GENERAL Resumen

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Dedicatoria ……………………………………………………………………………………… v Agradecimientos …………………………………………………………………….................. vi Índice general ……………………………………………………………………………….… vii Índice de Tablas ………………………………………………………………………………... xi Índice de Figuras ……………………………………………………………………................ xii Introducción …………………………………………………………………………….……… 1 Antecedentes ………………………………………………………………………………...…. 1 Justificación ……………………………..…………………………..………………………….. 2 Planteamiento del problema …………………………..………………………………………... 3 Objetivos …………………………..…………………………..………………………….…….. 3 Capítulo I …………………………..…………………………..…………....…………….……. 4 1.1. Reseña histórica …………………………..……………………………………….…… 4 1.2. Características de la empresa …………………………..………………………….…… 5 1.3. Misión de la empresa …………………………..………………………………….….... 5 1.4. Visión de la empresa …………………………..………………………………..….….. 5 Capítulo II …………………………..…………………………..……………………..………..... 6 2.1. Panel tipo sándwich …………………………..…………………………..………….… 6 2.1.1. Requisitos que deben satisfacer los paneles tipo sándwich …………………………... 7 2.1.2. Modos típicos de fallas en paneles tipo sándwich …………………………………… 9 2.1.3. Característica de la junta del material del núcleo …………………………………... 12 2.1.4. Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del panel según norma UNE EN 1607 ……………..……………………………………………………………. 13 2.1.5. Determinación de la resistencia a la flexión según norma UNE EN 12089 ………... 15 2.1.6. Determinación de la masa del panel según norma UNE EN 1602 ..………………... 17 2.1.7. Análisis dimensional según norma UNE EN 14509 …………………………….… 17 2.1.8. Análisis visual ………………………………………………………………………. 17 2.2. Material Polimérico: Poliestireno expandido ………………………………………... 17 2.2.1. Procesamiento del poliestireno expandido ………………………………………… 20 2.2.2. Densidad del Poliestireno Expandido según norma UNE EN 1602 ……………….. 22 vii

2.2.3. Auto extinguibilidad según norma NTF 3972 ……………………….…………….. 24 2.2.4. Permeabilidad al agua a corto y largo plazo según normas UNE EN 1609 y UNE EN 12087 ………………………………………………………………………………………….. 25 2.2.5. Resistencia y módulo de compresión del material del núcleo según norma UNE EN 826………………………..……………………………………………………………………... 25 2.3. Material polimérico: Espuma de poliuretano usada como adhesivo ……………...….. 28 2.3.1. Prueba de la copa para la espuma de poliuretano según norma ASTM D7487-08 … 30 2.4. Material metálico ……………………………………………………………………... 31 2.4.1. Lámina de acero recubierta con una aleación 55% aluminio-zinc (Galvalum) …..... 31 2.4.2. Lámina de acero prepintada al horno con recubrimiento orgánico ………………… 31 2.4.3. Ensayo de tracción caras metálicas según norma ASTM E8 ……….……………… 32 2.4.4. Determinación de la composición química según norma ASTM E415-14) ……….. 33 2.4.5. Medición del espesor del recubrimiento según norma COVENIN 565-1997 …..…. 33 2.4.6. Determinación de la masa del recubrimiento galvalum según norma COVENIN 5651997) …………………………………………………………………………………………... 34 2.4.7. Microestructura del acero galvalum según norma ASTM E3-11 ……………………. 34 2.4.8. Ensayo de cámara salina ……………………………………………………….…… 35 2.4.9. Determinación de la dureza a lápiz según norma COVENIN 269-90 ………...……. 35 Capítulo III ……………………………………………………………………………………. 37 3.1. Materiales …………………………………………………………………………….. 37 3.2. Equipos ……………………………………………………………………………….. 37 3.3. Procedimientos ……………………………………………………………………….. 38 3.3.1. Ensayos aplicados al panel ………………………………………………….……… 38 a) Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del panel según norma UNE EN 1607 ……………………………………………………………….……........ 38 b) Determinación de la resistencia a la flexión según norma UNE EN 12089 …..……….. 40 c) Análisis dimensional según norma UNE EN 14509 …………………………….…….. 41 3.3.2. Caracterización de la junta del material del núcleo ………………………………... 41 a) Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del panel en la zona de la junta según norma UNE EN 1607 ……….…………………………………..………… 42 b) Determinación de la resistencia a la flexión del panel en la zona de la junta según norma UNE EN 12089 ..……………………………………………………………….……………… 43 viii

c) Análisis visual ………………………………….………………………………………. 44 3.3.3. Ensayos realizados al Poliestireno expandido ……………………………………... 44 a) Densidad del Poliestireno Expandido según norma UNE EN 1602 ..…………..……... 44 b) Autoextinguibilidad según norma NTF 3972 ……………………..……………….…... 46 c) Permeabilidad al agua a corto y largo plazo según normas UNE EN 1609 y UNE EN 12087 ………………………………………………………………………………………….... 46 d) Resistencia y módulo de compresión del material del núcleo según norma UNE EN 826………………………………………………………………………………………………. 47 3.3.4. Ensayos realizados a la espuma de Poliuretano ….…………………………….…… 48 a) Prueba de la copa para la espuma de poliuretano según norma ASTM D7487-08 …….. 48 3.3.5. Ensayos realizados a las láminas de acero o encarado ……………………………... 49 a) Ensayo de tracción según norma ASTM E8 …………………………….….………….. 49 b) Determinación de la composición química del metal base según norma ASTM E41514……………………………………………………………………………………………..…. 50 c) Medición del espesor del recubrimiento según norma COVENIN 565-1997 ………... 51 d) Determinación de la masa del recubrimiento galvalum según norma COVENIN 5651997……………………………………………………………………………………………... 51 e) Microestructura del acero galvalum según norma ASTM E3-11 ……….………..……. 52 f) Ensayo de cámara salina ……………………….……………………………………… 53 g) Determinación de la dureza a lápiz según norma COVENIN 269-90 ……..…….……... 53 Capítulo IV ……………………………………………………………………………………. 54 4.1. Ensayos aplicados al panel …………………………………………………………… 54 4.1.1. Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del panel según norma UNE EN 1607 ……………………………………………………….………………… 54 4.1.2. Determinación de la resistencia a la flexión según norma UNE EN 12089 ……..… 57 4.1.3. Análisis dimensional según norma UNE EN 14509

………………………….…… 58

4.2. Caracterización y análisis de causas de problemas en la junta del material del núcleo .. 60 4.2.1. Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del panel en la zona de la junta según norma UNE EN 1607 ……………………………………………..…… 62 4.2.2. Determinación de la resistencia a la flexión del panel en la zona de la junta según norma UNE EN 12089 …………………………………………………………..……………. 65 4.2.3. Análisis visual ………………………………………………………………………. 67 ix

4.3. Ensayos realizados al Poliestireno expandido ………………………………………... 68 4.3.1. Densidad del Poliestireno Expandido según norma UNE EN 1602 ………..………. 68 4.3.2. Autoextinguibilidad según norma NTF 3972 ………………………....…………… 69 4.3.3. Permeabilidad al agua a corto y largo plazo según normas UNE EN 1609 y UNE EN 12087 ………………………………………………………………………………………….. 69 4.3.4. Resistencia y módulo de compresión del material del núcleo según norma UNE EN 826 ………………………………………………………………………………..……..…….. 70 4.4. Ensayos realizados a la espuma de Poliuretano ……………………………………… 73 4.4.1. Prueba de la copa para la espuma de poliuretano según norma ASTM D7487-0 .… 73 4.5. Ensayos realizados a las láminas de acero o encarado …………………..…………… 77 4.5.1. Ensayo de tracción según norma ASTM E8 ………………….…………………….. 77 4.5.2. Determinación de la composición química del metal base según norma ASTM E41514…………………………………………………………………………………………………79 4.5.3. Medición del espesor del recubrimiento según norma COVENIN 565-1997 …..… 80 4.5.4. Determinación de la masa del recubrimiento galvalum según norma COVENIN 5651997 ………………………………………………………………………………………...…. 81 4.5.5. Microestructura del acero galvalum según norma ASTM E3-11 ………………….. 82 4.5.6. Ensayo de cámara salina …………………………………………………………….. 83 4.5.7. Determinación de la dureza a lápiz según norma COVENIN 269-90 .….……….…, 84 Capítulo V ……………………………………………………………………………..………. 86 5.1. Conclusiones ………………………………………………………………….………. 86 5.1.1. Ensayos aplicados al panel …………………………………………………………. 86 5.1.2. Ensayos realizados al Poliestireno expandido ……………………………………… 87 5.1.3. Ensayos realizados a la espuma de poliuretano …………………………….………. 87 5.1.4. Ensayos realizados a las láminas de acero o encarado ……………………………… 87 5.2. Recomendaciones ………………………………………………………………………. 88 Capítulo VI ……………………………………………………………………………………. 90 Apéndices ………………………………………………………………………………….…. 94

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Niveles para la resistencia a la tracción ………………………………………. 15 Tabla 2.2. Niveles para la resistencia a la flexión ……………………………………….... 16 Tabla 2.3. Dimensiones de interés para el TERMOPANEL® …………………………….. 18 Tabla 2.4. Propiedades mecánicas del EPS de diferentes densidades ……………………... 23 Tabla 2.5. Niveles de requerimientos para la resistencia a la compresión …………………. 28 Tabla 2.6. Descripción de los tiempos característicos de las espumas de poliuretano ……... 30 Tabla 2.7. Tabla de valores estándar de productos terminados SINTHESIS C.A.

…………. 31

Tabla 3.1. Tabla de equipos utilizados ……………………………………..………………… 38 Tabla 3.2. Ensayos aplicados a las láminas metálicas ……………………………………….. 49 Tabla 3.3. Longitudes de las probetas sometidas a tracción …………………………………. 50 Tabla 4.1. Resultados del ensayo de resistencia a la tracción ……………………………….. 56 Tabla 4.2. Resultados del ensayo de resistencia a la flexión ………………………………… 58 Tabla 4.3. Dimensiones y tolerancias del TERMOPANEL® ………………………………... 59 Tabla 4.4. Resistencia a la tracción y % área sin adhesión para probetas con junta tipo Gap, cresta y Parejo ………………………………………………………………………………… 63 Tabla 4.5. Fuerza máxima y resistencia a la flexión para las probetas con junta tipo hueco … 66 Tabla 4.6. Resultados de los ensayos de flexión en tres puntos aplicados a las probetas con tipo de junta Cresta, Gap y Parejo ………………………………………………………………… 66 Tabla 4.7. Medida de salto en milímetros para cada panel sometido al análisis visual ……… 67 Tabla 4.8. Densidades del poliestireno expandido en probetas tomadas de distintas zonas del bloque …………………………………………………………………………………………. 68 Tabla 4.9. Resultados del ensayo de resistencia a la compresión del material del núcleo ….. 72 Tabla 4.10. Propiedades de la espuma de poliuretano a temperatura ambiente (23˚C) y presión atmosférica …………………………………………………………………………………….. 73 Tabla 4.11. Tiempos característicos de una mezcla isocianato:poliol 5:4 ……………………. 74 Tabla 4.12. Tiempos característicos de una mezcla isocianato:poliol 4:5 ……………………. 76 Tabla 4.13. Valores obtenidos de densidad para ambos componentes del poliuretano ………. 77 Tabla 4.14. Resultados ensayo de tracción en psi ……………………………………………. 79 Tabla 4.15. Composición química (%) del metal base ………………………………………... 80

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1. Estructura tipo sándwich, marca TERMOPANEL® ……………………………… 6 Figura 2.2. Panel tipo sándwich con una cara perfilada ……………………………………….. 7 Figura 2.3. Esfuerzo de tracción en las caras ………………………………………………….. 9 Figura 2.4. Esfuerzo de compresión en la cara superior …………………………………….... 10 Figura 2.5. Falla de adhesión …………………………………………………………………. 10 Figura 2.6. Falla de corte en el núcleo ………………………………………………………... 10 Figura 2.7. Aplastamiento local del núcleo ………………………………………………….. 11 Figura 2.8. Falla de corte por cargas de compresión en los extremos ………………………. 11 Figura 2.9. Junta del material del núcleo ……………………………………………………. 12 Figura 2.10. Junta tipo bufanda ……………………………………………………………… 12 Figura 2.11. Salto y brecha de la junta en el material del núcleo …………………………… 13 Figura 2.12. Ensayo de tracción perpendicular a las caras (dc es el espesor del material del núcleo y B es el ancho de la probeta en mm) …………………………………………………………. 13 Figura 2.13. Curva de deformación en relación con la carga (Fu en relación con el desplazamiento w). (10) ………………………………………………………………………… 14 Figura 2.14. Ensayo de flexión en tres puntos ……………………………………………….. 15 Figura 2.15. Curva de fuerza vs desplazamiento …………………………………………….. 16 Figura 2.16. Monómero del Poliestireno …………………………………………………….. 19 Figura 2.17. Cambios en la microestructura de la perla durante la preexpansión. La imagen de la izquierda corresponde a la microestructura (Cerrada) de una perla a 95°C mientras que la de la derecha corresponde a la microestructura (burbujas) de una perla a 115°C ………………….. 21 Figura 2.18. Curva de presión en función del tiempo para el moldeo de bloques de poliestireno expandido. La curva de color verde corresponde a la presión de vacío, la azul a la presión de la espuma y la roja a la presión de vapor ………………………………………………………… 22 Figura 2.19. Soporte para ensayo de autoextinguibilidad del Poliestireno expandido ………. 24 Figura 2.20. Ensayo compresión (dc es el espesor del material del núcleo y B es el ancho de la probeta en mm) ……………………………………………………………………………….. 26 xii

Figura 2.21. Ejemplos de curvas de fuerza-desplazamiento, en b) Xu es menor que el 10% (FP es la carga correspondiente a la precarga, F10 es la fuerza al 10% de deformación, X10 es el desplazamiento al 10% de deformación, Fx es la fuerza correspondiente a Xe, y Xe es el desplazamiento en la zona elástica lineal) …………………………………………………….. 27 Figura 2.22. Reacción de formación del uretano …………………………………………….. 28 Figura 2.23. Reacciones secundarias de formación en el poliuretano ……………………….. 29 Figura 2.24. Diagrama de esfuerzo-deformación de un acero de bajo carbono ……………… 32 Figura 2.25. Recubrimiento en el acero prepintado al horno ………………………………… 33 Figura 2.26. Fotomicrografía de la sección transversal de una lámina galvalum ……………. 34 Figura 2.27. Durómetro de lápiz ……………………………………………………………… 36 Figura 3.1. Probeta de tracción perpendicular a las caras ……………………………………. 39 Figura 3.2. Espesor predominante del panel tipo sándwich con una cara perfilada. (10) …….. 39 Figura 3.3. Agarres de las probetas de tracción perpendicular a las caras ………………….. 39 Figura 3.4. a) Montaje de los agarres a las probetas en donde 1.- es el agarre metálico, 2.- el adhesivo, 3.- es la cara metálica de la probeta y 4.- el material del núcleo. b) Probeta con agarres ya adheridos y debidamente identificada ……………………………………………………… 40 Figura 3.5. Probeta para ensayo de flexión …………………………………………………... 40 Figura 3.6. Ensayo de flexión a probetas con material del núcleo discontinuo ……………… 41 Figura 3.7. Tipos de junta: a) junta hueco, b) junta gap, c) junta parejo, d) junta cresta …….. 42 Figura 3.8. a) Probeta para ensayo de tracción perpendicular a las caras de la zona de la junta. b) Disposición de las probetas (azul) en la zona de la junta dentro del panel …………………… 42 Figura 3.9. Ensayo de tracción a probetas con material del núcleo discontinuo …………….. 43 Figura 3.10. a) Probeta de ensayo de flexión con junta en el material del núcleo. b) Disposición de la probeta (verde) en la zona de la junta dentro del panel …………………………………. 43 Figura 3.11. Paneles dispuestos para el análisis visual ………………………………………. 44 Figura 3.12. Bloque y disposición de láminas de Poliestireno usadas para el presente estudio .. 45 Figura 3.13. Disposición de las probetas usadas para la determinación de la densidad ……… 45 Figura 3.14. Ensayo de auto extinguibilidad del EPS ……………………………………….. 46 Figura 3.15. Ensayo de permeabilidad a corto y largo plazo ………………………………… 47 Figura 3.16. Soporte para el secado de probetas de permeabilidad ………………………….. 47 Figura 3.17. Ensayo de compresión ………………………………………………………….. 48

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Figura 3.18. Tiempos característicos de la espuma de poliuretano. a) Mezclado, b) Tiempo de crema, c) Tiempo de llenado de la copa, d) tiempo de hilo, e) Tiempo de tacto libre, f) tiempo de subida libre ……………………………………………………………………………………. 49 Figura 3.19. Dimensiones de las probetas sometidas a tracción …………………………….. 50 Figura 3.20. Zonas de medición de espesor en el acero galvanizado prepintado al horno color blanco ………………………………………………………………………………………….. 51 Figura 3.21. Muestras A y B en el soporte de baquelita ……………….……………………... 52 Figura 3.22. Escala de dureza de lápices de grafito usados en el ensayo ……………………. 53 Figura 4.1. Curvas de fuerza en función del desplazamiento para las seis probetas ensayadas a tracción, con las zonas características señaladas en el gráfico ………………………………. 55 Figura 4.2. Superficie de fractura de las probetas ensayadas a tracción ……………………. 56 Figura 4.3. Curvas obtenidas durante el ensayo de flexión en tres puntos …………………. 57 Figura 4.4. Probeta SF2 a la izquierda durante el ensayo y a la derecha después del ensayo de flexión ………………………………………………………………………………………… 58 Figura 4.5. Junta tipo Hueco ………………………………………………………………… 60 Figura 4.6. Zona sin adhesión de la junta tipo Hueco, vista en la lámina superior de acero una vez es desgarrada del panel …………………………………………………………………… 60 Figura 4.7. Junta tipo Gap ……………………………………………………………………. 61 Figura 4.8. Junta tipo Cresta …………………………………………………………………. 61 Figura 4.9. Junta tipo Parejo ………………………………………………………………… 62 Figura 4.10. Adhesión de las caras del panel a la lámina de poliestireno expandido por la acción de la espuma de poliuretano …………………………………………………………………... 62 Figura 4.11.

Curva de fuerza en función del desplazamiento para probetas con junta tipo

hueco …………………………………………………………………………………………. 63 Figura 4.12. Superficies de fracturas de las probetas del tipo Hueco ensayadas a tracción … 64 Figura 4.13. Defecto de planitud en la dirección transversal de las láminas de EPS ……….. 65 Figura 4.14. Curvas de fuerza en función del desplazamiento para las probetas con junta tipo hueco ………………………………………………………………………………………….. 65 Figura 4.15. Densidad en función de la ubicación de las probetas ………………………….. 68 Figura 4.16. Probetas ensayadas según norma NTF 3972 …………………………………… 69 Figura 4.17. Ensayo de compresión aplicado a probetas de poliestireno expandido ………… 71

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Figura 4.18. Curvas de fuerza en función del desplazamiento para las seis probetas de poliestireno expandido ensayadas en compresión. Se encuentra señalado en el eje horizontal el valor correspondiente al 10% de deformación (7mm) .………………….…………………….. 71 Figura 4.19. Izquierda: Ensayo realizado con una proporción isocianato:poliol de 1:1. Derecha: Ensayo realizado con una proporción isocianato:poliol de 5:4 ……………………………….. 75 Figura 4.20. Ensayo realizado con una proporción isocianato:poliol de 4:5 ..……………….. 76 Figura 4.21. Diagrama de carga en función del % de deformación respecto a la longitud calibrada para la probeta identificada como lámina prep 01, con las zonas típicas para un acero al carbono: 1. Zona elástica. 2. Límite elástico, 3. Zona plástica, 4. Fractura ………………….. 77 Figura 4.22. Probeta identificada como lámina prep 01 ……………………………………… 79 Figura 4.23. Espesor del recubrimiento de aluminio-zinc en ambas caras visto a través del microscopio …………………………………………………………………………………… 81 Figura 4.24. Micrografía con diferentes aumentos de la superficie del recubrimiento de 55% Aluminio-Zinc ………………………………………………………………………………… 82 Figura 4.25. Micrografía de la sección transversal de la lámina con recubrimiento de 55% Aluminio-Zinc con un aumento de 400x ……………………………………………………… 83 Figura 4.26. Pérdidas de corrosión de recubrimientos por inmersión en caliente en ambientes industriales. (47) ………………………………………………………………………………… 84 Figura 4.27. Lápices usados para el ensayo de dureza al lápiz ………………………………. 85

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1 INTRODUCCIÓN El presente trabajo consiste en la caracterización del panel tipo sándwich de industrias ISOTEX. En el estudio se caracterizan las materias primas que componen el panel, como lo son las caras metálicas de acero galvalum y acero galvanizado prepintado al horno, el núcleo de poliestireno expandido y la espuma de poliuretano usada como adhesivo. El panel tipo sándwich de industrias ISOTEX usado para techos es fabricado con un núcleo discontinuo de Poliestireno Expandido (EPS) de densidad 12 Kg/m3 y calidad auto-extinguible. Está provisto de una cara perfilada hecha a partir de una lámina de 0,45 mm de espesor, tipo galvalum, y de una cara lisa de lámina de calibre 0,52 mm, de acero galvanizado pre-pintado al horno con pintura de poliéster siliconada. El panel posee una junta en el material del núcleo. Se le denomina junta del material del núcleo a la unión, sin adhesivo, de dos láminas de EPS. Esta unión transversal se produce debido a que las láminas de EPS son suministradas a la máquina en longitudes de 5 ó 6 m, mientras que las caras metálicas son suministradas de manera continua. El uso de paneles tipo sándwich tiene innumerables ventajas con respecto a otros sistemas usados para techos. Es un producto de fácil manejo, producción, transporte y colocación por su bajo peso. Posee una gran durabilidad, excelente aislamiento térmico y requiere poca estructura de soporte por su gran resistencia a grandes distancias entre apoyos. Por estas y muchas más ventajas es considerado parte de la solución habitacional que plantea la industrialización de la construcción. Antecedentes Las bases teóricas y prácticas de este proyecto se encuentran a continuación. Estas investigaciones proporcionan información importante en cuanto a las metodologías usadas y los resultados obtenidos, así como también recomendaciones que fueron tomadas en cuenta para la realización del presente proyecto. En el 2003, Mahendran y Andrew

(1)

estudiaron el comportamiento de paneles, con núcleo de

Poliestireno expandido y junta transversal, sometidos a ensayos de flexión en tres puntos. Este estudio concluyó que la discontinuidad del núcleo ocasiona una disminución significativa de la resistencia a la flexión del panel.

2 En el 2009, Ossa

(2)

estudió el comportamiento del Poliestireno expandido bajo esfuerzos de

compresión estáticos y dinámicos. En el 2011, Medne

(3)

realizó una investigación del proceso de

manufactura del poliestireno expandido. Esta investigación sirvió de guía para definir las variables involucradas en el conformado del material del núcleo y entender la variabilidad del material. En el 2012, Malavia

(4)

analizó teórica y experimentalmente la estructura y propiedades

mecánicas de paneles tipo sándwich fabricados con piel de laminados reforzados, su comportamiento mecánico y sus modos típicos de falla. Esta información fue relevante para la caracterización mecánica de los paneles del presente trabajo En el año 2013, Mickevičius y colaboradores

(5)

estudiaron las siguientes propiedades en el

poliestireno expandido usado como aislante: resistencia a la tracción, resistencia a la compresión, absorción de agua y además, realizaron estudios de la macro y microestructura. Estos resultados fueron de interés relevante en el análisis de los resultados obtenidos en este estudio.

Justificación Las estructuras tipo sándwich son alternativas exitosas para el sector de la construcción, como consecuencia de sus excelentes propiedades de rigidez y de resistencia ante cargas de flexión y fatiga, además de proveer un elevado aislamiento térmico y versatilidad de diseño. El producto bandera de Industrias ISOTEX en los últimos años ha sido el TERMOPANEL®, el cual es una estructura tipo sándwich usada para techos que tiene diversas ventajas, entre las que figura la facilidad de instalación. Este producto puede ser usado para techos de galpones, centros comerciales, edificios, viviendas, entre otros. La lámina superior es acanalada por lo que no es necesario impermeabilizar y no requiere mantenimiento, y por el lado inferior es acabado blanco liso, por lo que no requiere trabajo adicional. Con el objetivo de conocer la naturaleza de sus materias primas, el comportamiento mecánico de su panel y con miras a la implementación de un sistema de control de calidad, industrias ISOTEX propone la caracterización de su producto bajo los estándares de calidad nacionales e internacionales. Esto también le permite a la empresa garantizar los requerimientos de seguridad durante el transporte, ensamblado y vida útil del panel. Los ensayos propuestos fueron aplicados con el objetivo de caracterizar el producto, pero estos pueden ser fácilmente incorporados en la dinámica de producción de la empresa para garantizar

3 la calidad de la materia prima que reciben. De esta manera se fijan las bases para un sistema de control de calidad. Planteamiento del problema Industrias ISOTEX ha experimentado un crecimiento exponencial en los últimos años, lo cual permitió aumentar el abanico de productos que ofrecen e invertir en maquinaria. Sin embargo, el tema de la calidad no ha sido tratado, razón por la cual surge la necesidad de diseñar e implementar un sistema que permita identificar las características importantes necesarias a partir de la naturaleza de los materiales que conforman el panel tipo sándwich. Además, surge la necesidad de identificar y corregir un problema visual del panel, el cual se manifiesta como un arrugamiento. Objetivos Objetivo general: Caracterizar al panel tipo sándwich de núcleo de Poliestireno expandido, y las materias primas incorporadas, a nivel mecánico, estético y físico. Objetivos específicos: 

Caracterizar mecánicamente el material del núcleo (Poliestireno expandido).



Caracterizar mecánicamente el material de las caras metálicas del panel (Acero galvalum y acero galvanizado prepintado al horno).



Caracterizar el material de unión del panel (Espuma de Poliuretano).



Caracterizar mecánicamente las estructuras tipo sándwich de material del núcleo discontinuo.



Caracterizar física y estéticamente los paneles tipo sándwich, según los requerimientos y normativas internacionales.



Caracterizar, a nivel físico y estético los materiales que conforman el panel, según los requerimientos y normativas internacionales.

CAPÍTULO I DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA

1.1. Reseña histórica. Aislantes Baruta tuvo sus primeros pasos en el año 1953, en el pueblo de Baruta, Caracas, cuando se concibió como una empresa de moldeo de artículos de poliestireno y extrusión de perfiles de PVC, fundada por Günter Pollehne. En 1955, comienza la producción de artículos en EPS, con la realización de bloques y su posterior corte, con el firme objetivo de adaptarse a los requerimientos del mercado venezolano para aquel momento. Más tarde, en 1962, Aislantes Baruta se incorpora al moldeo de artículos de Poliestireno expandido, y abre las puertas de su nueva planta en La Trinidad, municipio Baruta, estado Miranda. En el año 1981 se produce una modernización de la planta, con maquinaria de la marca Wieser, proveniente de Austria. Dos años después, en 1983, en La Victoria, Edo. Aragua, se amplía la planta, al incorporar una línea de paneles estructurales con características térmicas aislantes, siempre con la vista puesta en el futuro. Durante el periodo de 1986 a 2000, industrias Isotex compra 12 plantas de competidores nacionales, dos de las cuales siguen funcionando en la actualidad. De 1998 al 2002 se produce una segunda modernización en la planta La Victoria, al adquirir una máquina de moldeo, máquinas de corte y sistemas de silo con tecnología de punta. Del 2004 al 2005 la empresa recibe una máquina del tipo MDI, la cual representó una innovación en la línea de paneles aislantes. Isotex compra también la máquina para realizar tejas tipo Samesor y lanza al mercado el producto Termolosa®, el cual fue desarrollado 100% con tecnología Isotex. En el 2006 se inaugura la línea Mdue®, un importante acontecimiento, dado que actualmente el producto de esta línea (Mpanel®) es un producto estandarte de Industrias Isotex. En el año 2010 se inaugura Industrias Isolara Barquisimeto, con una capacidad de 10000 toneladas de EPS y 1,5 millones de m2/año en Mpanel® en un área de producción de 12000 m2.

5 1.2. Características de la empresa. Industrias Isotex es un grupo de empresas pioneras en el país, en la producción de materiales y componentes en Poliestireno Expandido (EPS). Desde sus inicios en 1953, han avanzado con el progreso, la tecnología, la experiencia y con la más moderna maquinaria, con la única intención de fabricar los mejores productos que respondan a las necesidades actuales tanto del mercado industrial, como de consumo masivo, a nivel nacional como internacional. En Grupo Isotex, se cuenta con un recurso humano capacitado e inmejorable, con la más alta disposición de ofrecer un excelente servicio profesional para sus clientes. Su tecnología permite atender cualquier requisito de los clientes, personalizando productos, fabricando piezas de configuraciones complejas y con gran variedad de medidas, y ofreciendo una libertad de diseño que se traduce en claras ventajas en comparación con otras espumas plásticas y sus competidores. Actualmente, sus esfuerzos están enfocados en el mercado de la construcción, con una oferta de productos muy completa sin dejar de participar en el mercado de las cavas playeras y pesqueras, manualidades y en el sector agrícola. Gracias a las propiedades termo-acústicas y mecánicas como a su versatilidad, el Poliestireno Expandido es el material ideal para aislamiento, además de que permite mejorar todos los métodos y sistemas constructivos, contribuyendo de manera determinante en el ahorro en costos de construcción, en el ahorro de energía protegiendo al planeta y mejorando la calidad de vida de las personas. 1.3. Misión de la empresa. La misión de Industrias ISOTEX es ser una empresa venezolana que se enorgullece en ofrecer una variada gama de productos y soluciones integrales para la construcción de obras civiles, a través de la innovación, el uso de las más modernas tecnologías y el talento de sus recursos humanos, con el propósito de asegurar la máxima calidad y rebasar las expectativas de los clientes. 1.4. Visión de la empresa. La visión de Industrias ISOTEX es constituirse como un referente obligatorio en innovación y desarrollo tecnológico en el sector de productos y soluciones integrales para la construcción a nivel mundial. De igual manera, dirigir los esfuerzos y el talento de la organización hacia el logro de la posición de liderazgo en el mercado de bienes para la construcción en Latinoamérica.

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

2.1. Panel tipo sándwich. El panel tipo sándwich tuvo sus orígenes en el área aeroespacial al permitir fabricar cohetes ligeros que soportaron los esfuerzos del despegue y del aterrizaje, a partir de paredes delgadas de acero y núcleo del tipo nido de abeja (también de acero). Después de 1960, se descubrían usos alternativos, como por ejemplo en la construcción de edificaciones, el almacenamiento refrigerado, en la industria del automóvil y naval. Este período fue también el comienzo de un auge en todo el mundo en los elementos de construcción prefabricados dado el aumento acelerado de la población y la necesidad de construir viviendas más rápidamente y de mejor calidad, representando una solución por su producción en serie y su bajo costo. El sistema para techos marca TERMOPANEL®, mostrado en la figura 2.1, consiste en un panel tipo sándwich fabricado con láminas de acero galvanizado prepintado al horno ó galvalum con un núcleo de Poliestireno Expandido (EPS) de densidad 12 Kg/m3 y calidad auto-extinguible. La cara perfilada está hecha a partir de una lámina de 0,45 mm de espesor, tipo galvalum (ver figura 2.2). La cara lisa del panel consiste en una lámina de espesor 0,52 mm, de acero galvanizado pre-pintado al horno con pintura de poliéster siliconada. La pintura de poliéster siliconada provee al acero un acabado perfecto y definitivo. La adhesión del EPS a las láminas de acero se realiza con espuma de poliuretano.

Figura 2.1. Estructura tipo sándwich, marca TERMOPANEL®.

7

Figura 2.2. Panel tipo sándwich con una cara perfilada.

La estructura de los paneles tipo sándwich consiste en dos encarados, que son relativamente delgados y de alta resistencia, y que encierran un núcleo que es relativamente grueso y de rigidez adecuada en la dirección normal a las caras del panel. Dicho núcleo se encuentra adherido a las caras con un material que es capaz de transmitir cargas axiales y de corte, hacia y desde el núcleo. (6)(7) La combinación de diferentes materiales de encarado y del núcleo permite una amplia variedad de tipos y formas de paneles aislantes. Los encarados pueden ser de acero, aluminio, madera, plástico reforzado con fibra o incluso hormigón. El núcleo puede estar hecho de corcho, madera balsa, caucho, material sólido de plástico (polietileno), material de espuma rígida (poliuretano, poliestireno, espuma fenólica), planchas de lana mineral, de panales de metal o incluso papel. (6)(7) 2.1.1. Requisitos que deben satisfacer los paneles tipo sándwich. (6)(7) La caracterización del panel permite evaluar los requerimientos en cuanto a seguridad, servicio, durabilidad, estética y criterios estructurales que deben satisfacer los paneles tipo sándwich. Dicha caracterización se realizó siguiendo los criterios de la norma UNE EN 14509 (norma europea), la cual establece las especificaciones para los paneles sándwich aislantes autoportantes de doble cara metálica. Esta norma plantea unas especificaciones que engloban todos los requerimientos, por lo cual todos los ensayos aplicados al panel fueron realizados según los criterios que plantea. 

Requerimientos de seguridad: Se refiere a la seguridad de la obra y los elementos adicionales requeridos para la instalación del panel. a) Estabilidad bajo los esfuerzos originados durante la fabricación, transporte, montaje y uso. b) Resistencia a los esfuerzos originados por cambios de temperatura, sobre todo tomando en cuenta la exposición de una cara a la luz solar. c) Adecuada resistencia al fuego.



Requerimientos de servicio: Se refiere al comportamiento del panel en uso.

8 a) Resistencia a la penetración de agua, nieve, aire y polvo tanto en las superficies de las caras como en las juntas. b) Elevada capacidad de aislamiento térmico. c) Protección adecuada ante la condensación de la humedad. d) Buen aislante acústico. 

Requerimientos de durabilidad: Para asegurar que los paneles mantengan su rendimiento durante la vida útil especificada. a) Resistencia a la intemperie a largo plazo. b) Resistencia a la corrosión ante ambientes agresivos. c) Resistencia a la degradación del material del núcleo y su unión a las caras. d) Estabilidad del recubrimiento de color.



Requerimientos estéticos: a) Tolerancias dimensionales, incluyendo planitud de las caras. b) Variaciones de color.



Requerimientos estructurales: Se refiere a los criterios estructurales básicos. a) Los encarados deben ser lo suficientemente gruesos como para soportar las tensiones de tracción, de compresión y de cizallamiento inducidas por la carga de diseño. b) El núcleo debe tener suficiente resistencia para soportar los esfuerzos cortantes inducidos por las cargas de diseño. c) El núcleo debe ser lo suficientemente grueso y tener un módulo de corte suficiente alto para evitar el pandeo total del sándwich bajo carga. d) El módulo de compresión del núcleo y la resistencia a la compresión de los encarados deben ser suficientes para evitar la formación de arrugas en las caras bajo la carga de diseño. e) Las celdas del núcleo deben ser lo suficientemente pequeñas como para evitar la formación de hoyuelos intracelulares de las caras bajo la carga de diseño (no aplicable a núcleos de Poliestireno expandido).

9 f) El núcleo debe tener suficiente resistencia a la compresión para resistir el aplastamiento ante las cargas de diseño, que actúan en dirección normal a las caras del panel, o por esfuerzos compresivos cuando el panel es sometido a flexión. 2.1.2. Modos típicos de fallas en paneles tipo sándwich. En los paneles estructurales tipo sándwich existen diversos modos de fallas, los cuales pueden limitar el uso y la capacidad de carga del panel. Dicha capacidad de carga depende directamente de los materiales del núcleo y de las caras, y de la adhesión entre estos. También es dependiente de las dimensiones y el sistema estructural, incluyendo la longitud entre los apoyos, su espesor y los equipos de fijación. (7) 

Falla por tensión y compresión de las caras.

Las láminas metálicas tienen, comúnmente, un límite elástico y una resistencia a la tracción elevados, por lo tanto, este modo de falla, mostrado en la figura 2.3, sólo tiene importancia estructural en casos muy raros y, sólo es significativo en el caso en que un panel con perfil asimétrico sea cargado de manera que provoque un alto momento flector por acción de un soporte intermedio. La resistencia a la tracción de las caras metálicas se especifica en la sección dedicada al material metálico (sección 2.4). (7)

Figura 2.3. Esfuerzo de tracción en las caras.

El esfuerzo de compresión de las caras del panel puede estar restringido por el límite elástico del material o, más comúnmente, por un modo de falla de pandeo, el cual se evidencia en el panel mediante ondas de longitud corta, cuando se alcanza la tensión de arrugamiento. El esfuerzo de compresión depende del espesor, del perfil de las caras, y de la rigidez y la resistencia del material del núcleo. (7) La tensión de arrugamiento es una inestabilidad local de las caras planas y perfiladas de los paneles tipo sándwich, y está asociada con ondas cortas de pandeo, mostradas en la figura 2.4. Puede ocurrir cuando el panel es sometido a una carga de compresión o cuando el panel está sometido a flexión (una cara bajo compresión y la otra a tracción). En la cara a compresión de un

10 panel en flexión se desarrollan ondulaciones a esfuerzos relativamente bajos, muy por debajo del límite elástico de la cara de acero. La falla por tensión de arrugamiento se produce repentinamente, razón por la cual debe ser considerada en el diseño.

(1)

Figura 2.4. Esfuerzo de compresión en la cara superior.

También se puede producir una ondulación hacia afuera del plano de las caras, ocurrida por una falla en el adhesivo, como se muestra en la figura 2.5.

Figura 2.5. Falla de adhesión.



Falla de corte en el núcleo.

Las fallas por corte localizadas no tienen un gran efecto en la integridad de los paneles. Sin embargo, si la falla por corte en el núcleo se extiende desde el punto de carga central a los puntos exteriores, es probable el colapso (ver figura 2.6). La sección crítica del núcleo con respecto a la resistencia al corte es, o bien la profundidad media del núcleo, o en la unión entre el núcleo y las caras. La curva de esfuerzo-deformación de materiales del núcleo típicos generalmente tiene una parte no lineal y otra parte aproximadamente lineal. (8)

Figura 2.6. Falla de corte en el núcleo.

11 Si el panel tiene caras perfiladas, la distribución de la tensión de cizallamiento no será constante a través de su ancho, sino que tenderá a concentrarse en las regiones del núcleo en donde las distancias entre los perfiles superior e inferior de las caras son más pequeñas. El espesor del núcleo y el módulo de cizallamiento deben ser adecuados para evitar que el núcleo rompa de forma prematura debido a cargas de compresión en los extremos. (4)(7)



Aplastamiento local del núcleo debido a cargas de superficie.

Los núcleos espumados deben resistir los esfuerzos compresivos aplicados en la dirección normal a las caras del panel; si la cara se hunde localmente cerca del punto de aplicación de la carga, es probable que se produzca un aplastamiento en el núcleo, mostrado en la figura 2.7. Las caras tienen una capacidad de carga limitada a compresión, por lo que dicha resistencia es aportada por las características a compresión de la espuma. La resistencia a la compresión local del núcleo debe ser adecuada para soportar las cargas locales sobre la superficie del panel. (4)(8)

Figura 2.7. Aplastamiento local del núcleo.



Falla de corte por cargas de compresión en los extremos.

El corte ocurre como consecuencia de un pandeo general, mostrado en la figura 2.8. Esto es causado por el bajo módulo de corte del núcleo, o una baja resistencia al corte del adhesivo. El espesor del núcleo y el módulo de cizallamiento deben ser adecuados para evitar que el núcleo rompa de forma prematura debido a cargas de compresión en los extremos.

(4) (6)

Figura 2.8. Falla de corte por cargas de compresión en los extremos.

12 2.1.3. Característica de la junta del material del núcleo. Se le denomina junta del material del núcleo a la unión, sin adhesivo, de dos láminas de EPS, como se muestra en la figura 2.9. Esta unión transversal se produce debido a que las láminas de EPS son suministradas a la máquina en longitudes de 5 o 6 m, mientras que las caras metálicas son suministradas de manera continua.

Figura 2.9. Junta del material del núcleo.

Tal como son suministradas las láminas de EPS a la máquina, se generaría una junta recta con un bajo agarre y una disminución de las propiedades mecánicas del panel. Por esta razón se busca aumentar la zona de contacto entre una lámina y la otra realizando un mecanizado. Esto permite mejorar el agarre y la resistencia mecánica. La junta originada, después del mecanizado, se muestra en la figura 2.10, y se le denomina junta tipo bufanda. (1)

Figura 2.10. Junta tipo bufanda.

La presencia de estas juntas transversales implica una imperfección en la continuidad del plano que soporta las cara (es decir, una “brecha” entre las láminas de EPS y un “salto” debido a la diferencia en las alturas de las láminas), como se muestra en la figura 2.11. El conjunto presenta dos posibles fuentes de debilitamiento en el panel. Estos dos efectos pueden maximizarse por cambios en el espesor de las láminas de EPS o un desnivel de las piezas que realizan el mecanizado. (1)

13

Figura 2.11. Salto y brecha de la junta en el material del núcleo.

2.1.4. Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del panel según norma UNE EN 1607. Este ensayo permite determinar la resistencia a la tracción de la unión entre las caras y el material del núcleo o para demostrar una adhesión correcta a la vez que se determina la resistencia tensil del material del núcleo. (7) Se aplica a probetas de sección transversal cuadrada, de 100 mm, obtenidas a partir del espesor predominante del panel y, para los objetivos del presente estudio, también es aplicado a probetas obtenidas de la zona de la junta. Las probetas son unidas, mediante un adhesivo epóxico, a pletinas de rigidez suficiente que aseguren una resistencia a la tracción uniforme sobre el área de la muestra, como se muestra en la figura 2.12. (7)

Figura 2.12. Ensayo de tracción perpendicular a las caras (d c es el espesor del material del núcleo y B es el ancho de la probeta en mm). (7)

14 Las pletinas de agarre son sujetadas en una máquina de ensayo de tracción y se separan a una velocidad de 10 mm/min. La fuerza de tracción máxima se registra en Newtons y se calcula la resistencia a tracción de la muestra de ensayo. (9) Se determina el esfuerzo tensil mediante la Ecuación 2.1. (10) Ec. 2.1.

El módulo tensil se determina mediante la Ecuación 2.2. (10)

Ec. 2.2.

Donde wu y Fu son definidos en la figura 2.13.

Figura 2.13. Curva de deformación en relación con la carga (Fu en relación con el desplazamiento w). (10)

Para las probetas que no presentan una carga final Fu bien definida, ésta puede definirse alternativamente como la carga correspondiente a una deformación relativa especificada (generalmente, el 10% (0,1 dc)). (10) El valor característico de resistencia a la tracción perpendicular a las caras debe ser mayor que 0,018 MPa. Una baja resistencia a la tracción puede reducir la resistencia al arrugamiento y aumentar la variabilidad de la calidad del panel. El valor de resistencia a la tracción, TR, deberá ser declarado según los valores de la tabla 2.1. (10) (13)

15 Tabla 2.1. Niveles para la resistencia a la tracción.

(13)

Nivel

Requerimientos en KPa

TR20

20

TR50

50

TR80

80

TR100

100

TR150

150

TR200

200

TR400

400

2.1.5. Determinación de la resistencia a la flexión según norma UNE EN 12089. Este ensayo consiste en la aplicación, a una velocidad prefijada, de una fuerza en la dirección transversal de una probeta, la cual está colocada sobre dos soportes, como se muestra en la figura 2.14. (11)

Figura 2.14. Ensayo de flexión en tres puntos, (a) Resistencia a la flexión y (b) Deflexión.

(11)

Se aplica a probetas de sección transversal rectangular, según el método B de la norma UNE EN 12089, de 70 x 100 x 400 mm, obtenidas a partir del espesor predominante del panel (ver figura 3.2) y, para los objetivos del presente estudio, también es aplicado a probetas obtenidas de la zona de la junta. (11) La resistencia a la flexión se calcula a partir de la Ecuación 2.3, donde Fm es la fuerza máxima aplicada en Newtons, L es el vano entre los soportes en milímetros, b es el ancho de la probeta en milímetros y d es el espesor de la probeta en milímetros. (11) Ec. 2.3.

16 Todos los desplazamientos x y la fuerza correspondiente Fx pueden ser extraídos de la curva de fuerza-desplazamiento, mostrada en la figura 2.15.

Figura 2.15. Curva de fuerza vs desplazamiento. (11)

El esfuerzo de flexión σx se puede calcular en kilopascales utilizando la Ecuación 2.4, mostrada a continuación, en donde b es el ancho de la probeta en mm, d el espesor en mm y L el vano entre los soportes en mm. (11) Ec. 2.4. Los ensayos de flexión en tres puntos arrojan curvas cuyo comportamiento inicial es elástico hasta el punto de fluencia, y no lineal después de éste. El nivel de resistencia a la flexión, BS, deberá ser asignado según los valores de la tabla 2.2. (12) (13) Tabla 2.2. Niveles para la resistencia a la flexión.

(13)

Nivel

Requerimientos en KPa

BS50

50

BS75

75

BS100

100

BS115

115

BS125

125

BS135

135

BS150

150

BS200

200

BS250

250

BS350

350

17 2.1.6. Determinación de la masa del panel según norma UNE EN 1602. La masa del panel se requiere para el cálculo de cubiertas y techos, y también para cálculos sísmicos en determinadas aplicaciones. Es un valor útil para su manipulación y debe indicarse en la documentación y ficha técnica del panel. (14) Se calcula a partir de la densidad y las dimensiones nominales del panel. La densidad nominal es la masa por unidad de volumen del producto, incluyendo las caras superficiales, el núcleo y el adhesivo. (14) 2.1.7. Análisis dimensional según norma UNE EN 14509. Las dimensiones de los paneles y las tolerancias permitidas tienen una importante influencia en su resistencia y en sus requerimientos de seguridad. También es importante su registro para la verificación de las condiciones dimensionales solicitadas por el cliente. Las dimensiones de interés para este producto y con objeto del presente estudio se especifican a continuación, en la tabla 2.3. (10) 2.1.8. Análisis visual. El análisis visual consiste en la inspección de los paneles, sus caras y el paralelismo entre ellas, y permite realizar una valoración del acabado del panel. Este análisis se realiza al producto ya conformado, y libre de cargas, para detectar abolladuras, ondulaciones, falta de adhesión y otros posibles defectos que le resten calidad al panel, sobre todo en la cara lisa. 2.2. Material Polimérico: Poliestireno expandido. El Poliestireno expandido ha tomado un lugar importante en cuanto a materiales ligeros, económicos, aislantes y resistentes se refiere, con aplicaciones que van desde la construcción hasta el embalaje, convirtiéndose en uno de los polímeros espumados más usados en el mundo entero. Sus orígenes se remontan al descubrimiento del estireno, el cual fue hallado por primera vez en 1831, al calentar un material pegajoso proveniente del árbol del estoraque. A partir de este descubrimiento los científicos ganaron conocimientos acerca del estireno natural para, eventualmente, llegar a producir estireno sintético. (15)

18 Tabla 2.3. Dimensiones de interés para el TERMOPANEL®. (10) Descripción Referencia

Dimensión

El espesor del panel (D) se obtiene por la medición de la distancia nominal entre las Espesor

superficies excluyendo

planas

exteriores

cualquier

perfil

de

las

caras

trapezoidal

o

refuerzo, e incluyendo el espesor de ambas caras metálicas. Altura del

La altura del perfil metálico (h) es la distancia

perfil

entre la superficie superior del perfil trapezoidal y

metálico

Longitud del panel

el valle.

La longitud (L) del panel viene dada por las especificaciones del cliente, y se mide a lo largo del eje central del panel. El ancho útil (w) debe ser especificado por el fabricante. En el caso del TERMOPANEL® se

Anchura útil

tiene un solape lateral, por lo que el ancho útil se define como la distancia entre las líneas centrales de los dos perfiles exteriores. El combado (b) es una medida de la deflexión

Combado

del panel, usando como referencia la línea recta que conecta los dos extremos.

Ancho del perfil

Anchura del nervio y del valle.

El ancho del perfil (p) es la distancia entre los nervios adyacentes, medidos a 200 mm de la chapa. Las anchuras del nervio (b1) y del valle (b2) son las medidas realizadas en la cara perfilada del panel. Se realiza a 200 mm de los extremos de la chapa.

19 El poliestireno de uso general o poliestireno cristal (PS) tiene como monómero al estireno, y se puede imaginar cómo cadenas de polietileno lineal con anillos fenilo unidos lateralmente, confiriendo estos al material una mayor temperatura de transición vítrea y un alto índice de refracción. La unidad repetitiva del PS se muestra a continuación en la figura 2.16. (16) (17)

Figura 2.16. Monómero del Poliestireno.

Es un material amorfo, con peso molecular promedio (Mw) que puede ir desde 100000 a 400000 g/mol, posee una gravedad específica baja, transparencia, brillo, ausencia de color y baja contracción. A temperaturas suficientemente por debajo de la temperatura de transición vítrea (Tg) y deformaciones bajas, el comportamiento esfuerzo-deformación del material obedece a la ley de Hooke. La resistencia a la tracción y a la flexión son fuertemente dependientes del peso molecular del polímero. (16) En el año 1950 se empezó a producir poliestireno expandido (EPS), al introducir pentano (como agente expansor) en la polimerización por suspensión del poliestireno (PS). En esta polimerización se logran pesos moleculares en el rango de 150000-250000. Las perlas esféricas obtenidas en este proceso poseen una amplia gama de diámetros, por lo que no son monodispersas y, además, absorben hasta un 8% de peso en pentano que, al ser plastificante, reduce la temperatura de transición vítrea de 100 °C, a aproximadamente 60 °C. Este material ha sido usado en la industria de la construcción desde sus comienzos, debido a sus propiedades de aislamiento térmico y, posteriormente, pasó también a ser usado para proteger productos embalados, desplazando así a materiales hasta el momento usados, como la madera. (8) (18) El proveedor de las perlas produce un poliestireno expandible que tiene forma esférica (perlas pequeñas similares en apariencia al azúcar) y se suele adquirir en contenedores de 800 Kg. Este material se ofrece a la industria en una gama de grados, calidades y especificaciones pero hay dos tipos básicos, con agentes retardantes de llama y sin retardantes de llama. El EPS con agentes retardantes de llama se utiliza principalmente en la industria de la construcción, mientras que el que no lo tiene se utiliza en el envasado. (18)

20 Durante la polimerización del poliestireno expandible, los lotes siguen una distribución de tamaños del tipo normal. Las perlas son tamizadas y comercializadas en tres rangos de tamaño de de perlas, conocidos como grandes, medianas y pequeñas. Las grandes son usadas exclusivamente para la fabricación de bloques para la industria de la construcción, los tamaños medianos son principalmente usados en el envasado y el material pequeño se usa sólo cuando el producto envasado tiene secciones muy finas que son difíciles de cubrir con el material de tamaño medio. (18) 2.2.1. Procesamiento del poliestireno expandido. El proceso de conversión de las perlas de poliestireno expandible (materia prima) en materiales espumados consta principalmente de tres pasos: preexpansión, almacenamiento y moldeo. Los pasos adicionales se llevan a cabo dependiendo del producto final que se requiera. El proceso de preexpansión comienza cuando las perlas son calentadas con vapor de agua a una temperatura entre 80 °C y 100 °C. La densidad del material cae de aproximadamente 630 Kg/m 3 a valores entre los 10 y 35 Kg/m3. Durante el proceso de preexpansión las perlas compactas se convierten en perlas con celdas cerradas que mantienen el aire en su interior. El preexpansor es, esencialmente, un recipiente cilíndrico con un diámetro de 1 m, altura de 2 m, y un mecanismo central de agitación que introduce vapor de agua de baja presión. Hay dos tipos de equipos de preexpansión: continuo y por lotes. (18) Durante el proceso de preexpansión, el vapor se mezcla con la materia prima, el polímero se calienta y se reblandece al elevar su temperatura, y el pentano (agente expansor) comienza a evaporarse a aproximadamente 50 ° C. Al producirse este cambio, el agente expansor aumenta su volumen, haciendo que los gránulos se expandan hasta 40-50 veces, incrementando así su diámetro hasta 3 y 4 veces.

En la Figura 2.17 muestra el cambio en la microestructura del

material durante la expansión. El material preexpandido se transporta entonces a grandes tolvas de almacenamiento donde se deja reposar durante aproximadamente 12 horas para que se produzca su estabilización química y térmica. En este punto cada partícula contiene numerosas celdas cerradas, y aproximadamente 98% del volumen total está compuesto de gas. (8) (18)

21

a)

b)

Figura 2.17. Cambios en la microestructura de la perla durante la preexpansión, (a) Microestructura (Cerrada) de una perla a 95°C, (b) Microestructura (burbujas) de una perla a 115°C. (8)

Es importante mencionar que la calidad general del producto final es sensible al tiempo de almacenamiento. Esto se debe a que durante el proceso de preexpandido se crea un vacío en el interior de la perla, como resultado de la rápida expansión, lo cual produce una resistencia mecánica baja. Por esta razón las perlas preexpandidas son transportadas, a través de tuberías, a grandes silos (tolvas) donde se secan y se iguala la presión interna. La penetración de aire en el interior de la perla es producto de la presión atmosférica y desplaza al pentano encerrado en la celdas, lo cual es esencial para la calidad de las piezas moldeadas en la etapa final de fabricación. Así es como las perlas logran una mayor resistencia mecánica y su capacidad de expansión es mejorada. (18) (19) Finalmente, las perlas preexpandidas y estabilizadas son transportadas a los moldes, donde se controla la masa de material agregado, y se someten de nuevo a vapor. De este modo se termina de producir la expansión y colapsan unas con otras. Esto permite producir grandes bloques que posteriormente se seccionarán a la forma requerida como paneles, cilindros, láminas, entre otros. Otra opción consiste en moldear las perlas preexpandidas en moldes que tengan la forma final requerida. El vapor, durante esta etapa de moldeo, se hace pasar a través de pequeñas rendijas en las paredes del molde a una presión en el rango de 1,29 a 1,98 bar. Las temperaturas oscilan entre 107 ° C y 120 ° C, por encima de la temperatura de transición vítrea del poliestireno que contiene pentano. La dirección del flujo del vapor de agua a través del molde puede ser invertida periódicamente, para evitar la acumulación de condensación dentro del molde. La presión parcial de vapor en el interior de las perlas es igual a cero antes del moldeo. A medida que la velocidad de difusión de vapor en las perlas es mayor que la del aire o que el pentano sale fuera de las perlas, aumenta la presión interna, causando una ligera expansión. En consecuencia, se

22 desarrollan regiones planas entre las perlas, y un proceso de fusión entre ellas se inicia. Sin embargo, si los granos se exponen al vapor durante demasiado tiempo, estos empiezan a colapsar, y la fusión no se realiza correctamente. (8)(18) Despues de cierto tiempo, el suministro de vapor se corta y el agua de refrigeración se hace circular por molde, mientras éste permanece cerrado hasta que la presión interna cae a cero. El tiempo de fusión de las superficies de las perlas oscila entre 10 y 100 s, dependiendo de la posición de las perlas dentro del bloque moldeado (las capas externas solidifican antes que las internas). La Figura 2.18 muestra una curva típica de presión en función del tiempo para el moldeo de bloques de poliestireno expandido.

Figura 2.18. Curva de presión en función del tiempo para el moldeo de bloques de poliestireno expandido. La curva de color verde corresponde a la presión de vacío, la azul a la presión de la espuma y la roja a la presión de vapor.(3)

El EPS normalmente se contrae cerca de un 0,6% de sus longitudes, durante un período de 24 h a 20 ° C después del moldeo. Esta contracción puede deberse a la difusión de los gases de las celdas de la espuma, y ésta sólo ocurre en los canales entre una perla y otra, en aquellos que estén conectados al aire exterior. (8) 2.2.2. Densidad del Poliestireno Expandido según norma UNE EN 1602. La norma UNE EN 1602 establece los procedimientos para la determinación de la densidad aparente en productos aislantes térmicos para aplicaciones en la edificación. El EPS es comúnmente comercializado según su densidad. La densidad está directamente relacionada con las propiedades mecánicas y térmicas del material (ver tabla 2.4). Es posible fabricar bloques de EPS dentro de una gama de densidades, principalmente controlando la densidad del preexpandido durante la primera etapa de la fabricación. La gama general de la densidades de EPS posibles está

23 entre aproximadamente 10 a 100 kg/m3 (0,62 a 6,24 lbf / ft3), aunque, para efectos prácticos, la gama disponible de densidades oscila entre 16 a 32 kg/m3. (19) Tabla 2.4. Propiedades mecánicas del EPS de diferentes densidades. (18) Propiedad Densidad (Kg/m3) Resistencia a la tracción (KPa) Resistencia a la flexión (KPa) Esfuerzo en compresión a 10% deformación (KPa)

15 200 200

Valor 25 40 350 600 400 700

50 750 900

90

180

400

320

La densidad del EPS puede ser una propiedad muy útil como indicativo mínimo de calidad. Sin embargo, hay varios puntos a considerar al momento de caracterizar la densidad del EPS. En primer lugar, en un determinado ciclo de producción de bloques de EPS siempre existirá cierta variabilidad de la densidad del producto final de un bloque a otro, incluso si se están empleando los controles de calidad de fabricación adecuados. Esto simplemente refleja la variabilidad inherente al proceso de fabricación de EPS y se puede verificar pesando cada bloque y determinando su densidad nominal (promedio). En segundo lugar, habrá variaciones de densidad dentro de cada bloque, lo cual también es un resultado de la variabilidad inherente al proceso de fabricación del EPS. Dentro de un mismo bloque pueden existir gradientes de densidad de hasta ± 10 % en relación con el valor nominal. Generalmente, se asume que las densidades son más grandes en el centro del bloque y más pequeñas en los bordes. Sin embargo, con los equipos de moldeo actuales, parece que ninguna de estas afirmaciones es universalmente verdadera. (19) Por lo tanto, la densidad de una muestra relativamente pequeña cortada de un bloque puede ser significativamente diferente a la densidad total del bloque. La densidad de las muestras cortadas a partir de un bloque puede ser determinada siguiendo el procedimiento recomendado por la norma UNE EN 1602.

(14)(19)

Se deben considerar varios puntos con respecto a la medición de la densidad de un bloque. Estos son expuestos a continuación: (19) 

Para los bloques de EPS relativamente recién moldeados, la densidad es sensible al tiempo, debido a la desgasificación, tanto del pentano residual, como de la humedad del

24 vapor condensado. Por lo tanto, la fecha de moldeo del bloque a partir del cual se obtiene una muestra siempre se debe registrar. 

La densidad puede verse afectada también por la humedad atmosférica absorbida. Por lo tanto, la densidad debe ser determinada inmediatamente antes del ensayo y solamente después de un mínimo de 40 horas en condiciones estándar de laboratorio.

2.2.3. Autoextinguibilidad según norma NTF 3972. La norma NTF 3972 corresponde a la Norma Técnica de Fondonorma (norma venezolana) que aplica a productos de poliestireno expandido con aplicaciones en la construcción. El poliestireno expandido a causa de su base orgánica, como todos los plásticos espumados, es combustible. Su comportamiento al fuego es dominado por su tendencia desfavorable a fundir y formar gotas que arden a temperaturas sólo un poco por encima de 100°C, esto antes de encenderse. El EPS se descompone a 300°C y se enciende a 360°C y cuando se quema libera dióxido de carbono y estireno. Al hacer referencia al EPS se debe distinguir entre el que contiene agente ignífugo, que disminuye sus propiedades inflamables, y aquel que no. Generalmente, y según normativas nacionales e internacionales, los productos de EPS que estén destinados a la industria de la construcción, deberán usar como materia prima EPS que contenga aditivo retardante de llama, que lo hace difícil de arder y con una tasa de propagación de la llama menor. (7) Para corroborar dicha autoextinguibilidad se requiere de un montaje a pequeña escala, según procedimientos de la norma NTF 3972, mostrado en la Figura 2.19. Para que el material sea considerado autoextinguible, el fuego de la muestra debe extinguirse antes de llegar a los 100 mm, cuando esta es sometida a la llama directa en la parte inferior de la probeta. (20)

Figura 2.19. Soporte para ensayo de autoextinguibilidad del Poliestireno expandido.

25 2.2.4. Permeabilidad al agua a corto y largo plazo según normas UNE EN 1609 y UNE EN 12087. La resistencia a la permeabilidad al agua a corto y largo plazo (Wp) permite conocer la resistencia del Poliestireno expandido, durante su transporte, almacenamiento y ensamblado, a la acumulación de agua. Además, la penetración o absorción de agua puede ser un criterio, en el área de construcción, para escoger el tipo de material a usar. En el poliestireno expandido la principal vía de entrada de agua es a través de los canales intergranulares, seguido por la difusión dentro del gránulo. (8) Se realiza el ensayo de inmersión parcial a corto plazo (24 horas) por el método A (drenaje) de la norma UNE EN 1609: Determinación de la absorción de agua a corto plazo por inmersión parcial; y el ensayo de inmersión parcial a largo plazo (14 días) por el método 1A (drenaje) de la norma UNE EN 12087: Determinación de la absorción de agua a largo plazo por inmersión. El agua inicial absorbida (Wp) en el ensayo de inmersión parcial a corto plazo se calcula mediante la Ecuación 2.5, donde m24 es la masa en kilogramos de la probeta de ensayo despúes de la inmersión parcial durante 24 horas, m0 es la masa inicial de la probeta de ensayo en kilogramos, y Ap es el área de la cara inferior de la probeta en metros cuadrados. (21) Ec. 2.5. El agua absorbida (Wlp) en el ensayo de inmersión parcial a largo plazo se calcula mediante la Ecuación 2.6, donde m14 es la masa en kilogramos de la probeta de ensayo despúes de la inmersión parcial durante 14 días, m0 es la masa inicial de la probeta de ensayo en kilogramos, y Ap es el área de la cara inferior de la probeta en metros cuadrados. (22) Ec. 2.6. Ningún resultado de permeabilidad por inmersión parcial debe superar los 0,5 Kg/m2. (23) 2.2.5. Resistencia y módulo de compresión del material del núcleo según norma UNE EN 826. La norma UNE EN 826 establece los criterios para la determinación del comportamiento a compresión de productos aislantes térmicos para aplicaciones en las edificaciones. El ensayo de compresión consiste en la aplicación de una determinada velocidad de desplazamiento

26 perpendicular a las caras principales de una probeta de sección transversal cuadrada, para posteriormente calcular el esfuerzo máximo soportado por la probeta. (24) La probeta es colocada entre dos placas de carga rígidas paralelas de una máquina de ensayo de compresión, como se muestra en la figura 2.20. Durante el ensayo se mide el desplazamiento y se obtiene una curva de carga-deformación. (10)

Figura 2.20. Ensayo de compresión (dc es el espesor del material del núcleo y B es el ancho de la probeta en mm).(10)

El Poliestireno expandido presenta una curva de carga-deformación que puede ser explicada en tres regiones: Región 1, comportamiento lineal; Región 2, meseta de fluencia; Región 3, densificación. (18) En la región 1, el comportamiento elástico lineal es controlado por el estiramiento de la pared de las celdas, debido a la presión del gas contenido. En la región 2, las celdas colapsan a través de la pared celular por pandeo. En la región 3, se produce la densificación. A medida que aumenta la densidad del Poliestireno expandido, el módulo de Young se incrementa en la región 1, y el valor de la meseta de fluencia aumenta, y el esfuerzo en el que se inicia la densificación se reduce. (18) La Resistencia a la compresión fCc del material del núcleo se calcula mediante la Ecuación 2.7, en donde Fu es la carga final y A es el área de la sección transversal medida. Ec. 2.7. La carga final, Fu, debe ser calculada a partir del tipo de curva. En la Figura 2.21 se muestran algunos ejemplos.

27

Figura 2.21. Ejemplos de curvas de fuerza-desplazamiento, en b) Xu es menor que el 10% (FP es la carga correspondiente a la precarga, F10 es la fuerza al 10% de deformación, X10 es el desplazamiento al 10% de deformación, Fx es la fuerza correspondiente a Xe, y Xe es el desplazamiento en la zona elástica lineal). (24)

El módulo ECc del material del núcleo debe ser calculado según la Ecuación 2.8. Ec. 2.8. El valor de la resistencia a la compresión del material del núcleo debe ser reportado en niveles según los valores de la tabla 2.5. (13) 2.3. Material polimérico: Espuma de poliuretano usada como adhesivo. La espuma de poliuretano es usada como adhesivo en diversas aplicaciones, entre ellas la de unir el poliestireno expandido con láminas metálicas, debido a su facilidad de uso, su precio y sus características. Aunque no es un material conocido por su fuerza o módulo inherente, al curarse, puede alcanzar valores elevados de absorción de energía. Los poliuretanos pueden ser formulados para curarse a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas. (25)

28 (13)

Tabla 2.5. Niveles de requerimientos para la resistencia a la compresión. Nivel Requerimientos en KPa CS(10)30

30

CS(10)50

50

CS(10)60

60

CS(10)70

70

CS(10)80

80

CS(10)90

90

CS(10)100

100

CS(10)150

150

CS(10)200

200

CS(10)250

250

CS(10)350

350

La reacción de formación más simple del uretano se muestra en la figura 2.22, en la cual un isocianato se combina con un alcohol para crear uretanos o enlaces carbamato. La tasa de curado de un adhesivo estructural a base de uretano depende del tipo de poliol, del tipo de isocianato, y el tipo y cantidad de catalizador utilizado. (25) (26)

Figura 2.22. Reacción de formación del uretano.

Si una amina está presente, también puede formar un enlace tipo úrea, como se muestra en la Figura 2.23. Las reacciones ureicas disminuyen la capacidad de unión de la espuma de poliuretano. Además, si hay un exceso de isocianato se incrementa el entrecruzamiento con vínculos biuret. Diversas aminas, así como catalizadores metálicos tales como dilaurato de dibutil estaño, trietilendiamina, y octoato de estaño, catalizan estas reacciones. (25)

29

Figura 2.23. Reacciones secundarias de formación en el poliuretano.

(25)

Las propiedades de los poliuretanos pueden variar si se cambia el tipo o la cantidad de los tres bloques básicos de la construcción de poliuretano: diisocianato, diol de cadena corta, o diol de cadena larga. Dados los mismos materiales de partida, el polímero se puede variar simplemente cambiando la relación de los segmentos duros y blandos. Esto permite una gran cantidad de aplicaciones específicas. (27) Los isocianatos más comúnmente usados como espuma de poliuretano con características adhesivas incluyen isocianatos aromáticos y alifáticos. Los isocianatos aromáticos comerciales incluyen principalmente diisocianato de tolueno (TDI), diisocianato de difenilmetano 4,40 (MDI), y MDI polimérico. El isocianato usado para fabricar los paneles tipo sándwich en industrias ISOTEX es del tipo MDI. El MDI es uno de los monómeros más comúnmente usados en la industria del poliuretano y es preferido sobre el TDI debido a su significativamente baja presión de vapor y su alto rendimiento. Éste se produce como una variedad de isómeros y oligómeros por fosgenación del producto de la condensación del formaldehído y la anilina. El 4,4- isómero simétrico es aislado a partir de esta mezcla mediante un proceso de destilación del que resulta en monómero sólido a temperatura ambiente. El MDI puro tiene una funcionalidad de 2, es decir, hay dos grupos reactivos por molécula. (26) Por otra parte, una gran variedad de polioles son usados en la producción de adhesivos de poliuretano y selladores, según los requerimientos. Los polioles más usados en los adhesivos de poliuretano se dividen en tres clases principales: poliésteres, poliéteres, y polioles de polibutadieno. Los polioles de poliéter se basan por lo general en cualquiera de los polímeros de tetrahidrofurano (polioles de óxido de tetrametileno) o de óxido de propileno (polioles de éter de

30 propileno). Los polioles de poliéster, en cambio, se basan a menudo en caprolactona y se fabrican en varios pesos moleculares. (25) Para el ensamblado de los paneles aislantes tipo sándwich es usada una mezcla de 4,4´Difenilmetano Diisocianato, también llamado MDI polimérico o resina líquida B, con otra sustancia llamada resina líquida A. Dicha resina líquida A es una mezcla a su vez de poliol, surfactante, catalizadores y agua. (28)(29) 2.3.1. Prueba de la copa para la espuma de poliuretano según ASTM D7487-08. La norma ASTM D7487 permite determinar los tiempos característicos de las espumas de poliuretano en una copa o vaso, y se realiza para verificar la composición y la proporción de la mezcla de resinas. Los tiempos característicos de la espuma de poliuretano son: tiempo de crema, tiempo de llenado de la copa, tiempo de subida libre, tiempo de hilo y el tiempo de tacto libre y son definidos en la tabla 2.6. Este ensayo también permite determinar la densidad libre en vaso de la espuma de poliuretano usando una copa. Tabla 2.6. Descripción de los tiempos característicos de las espumas de poliuretano. Tiempo característico (s) Descripción

(30)

Es el tiempo entre el inicio de la mezcla y el tiempo en Tiempo de crema

el que comienzan a aparecer burbujas finas. Se manifiesta por un cambio en el color de la mezcla, al pasar de marrón oscuro a un tono cremoso.

Tiempo de llenado de la copa

Tiempo de subida libre

Tiempo de hilo

Tiempo de tacto libre

Es el momento en el que la espuma ascendente alcanza el plano de la parte superior de la taza. Es el punto en el cual, visualmente, la espuma cesa su expansión libre. Es el momento en el que surgen hilos pegajosos de la superficie de la espuma cuando esta es tocada. Es el momento en el que la espuma puede ser tocada con un objeto sin adherirse a éste.

Este ensayo es adecuado para la investigación, el control de calidad, las pruebas de especificación y el control de procesos. Sin embargo, varios de los parámetros medidos son subjetivos. Por lo tanto, la variabilidad de operador a operador y de laboratorio a laboratorio puede aumentar la desviación de los resultados al igual que la variabilidad en el mezclado de los componentes. Los valores suministrados por el fabricante se encuentran en la tabla 2.7. (30) (31)

31 Tabla 2.7. Tabla de valores estándar de productos terminados SINTHESIS C.A. Propiedades Valor estándar Densidad libre

37-43 (Kg/m3)

Relación de mezcla

100/100

Tiempo de crema

7-13 s

Tiempo de hilo

17-23 s

Tiempo de tacto

22-33 s

2.4. Material metálico. 2.4.1. Lámina de acero recubierta con una aleación 55% aluminio-zinc (Galvalum). La chapa de acero recubierta tipo galvalum tiene una excelente resistencia al agua de mar, agua común, lejías, ácidos diluidos, algunos ácidos concentrados y ácidos débiles, materiales de construcción inorgánicos, alcoholes y algunos materiales orgánicos aplicados en la construcción. (32)

El acero base de la chapa de acero es revestido durante un proceso de inmersión en caliente para aplicar un recubrimiento que contiene aproximadamente 55% de aluminio, 43% de zinc y 2% de silicio. Esta combinación de elementos es óptima para alcanzar una resistencia a la corrosión general, más duradera que los recubrimientos de zinc. (32)(33) 2.4.2. Lámina de acero prepintada al horno con recubrimiento orgánico. En planta las operaciones de pintado son costosas, y requieren de energía, espacio y logística para llevarse a cabo. Por esta razón las láminas de acero prepintadas han tenido una gran aceptación, ya que disminuyen el número de operaciones y proveen un acabado ideal para los paneles tipo sándwich. Los productos de acero con recubrimiento orgánico son recubiertos en líneas continuas, en una o ambas caras, y poseen elevada resistencia a la corrosión y amplias posibilidades estéticas, lo que lo hace ideal para su aplicación en las industrias de la construcción, artículos del hogar, cámaras frigoríficas, etc. Además, combinan la elevada resistencia del acero con la diversidad de colores de las pinturas. (34) 2.4.3. Ensayo de tracción a caras metálicas según norma ASTM E8. Los ensayos de tracción proporcionan información sobre la resistencia y ductilidad de los materiales bajo esfuerzos de tracción uniaxiales. Esta información puede ser útil en las comparaciones de los materiales, el desarrollo de la aleación, control de calidad y diseño. Para la

32 determinación de la resistencia a la tracción de ambas láminas metálicas (Galvalum y prepintados) se toman tres probetas en sentido longitudinal de la bobina por cada lámina a ensayar. El ensayo se realiza a una velocidad de 0,5 pulg/min y se determina el esfuerzo de fluencia, el esfuerzo máximo y el % de alargamiento con una longitud calibrada de dos pulgadas.(35) La máquina de ensayos universales aplica y mide una carga W, mientras que un dispositivo de medida externo, adherido a la probeta, determina el alargamiento ΔL, o deformación que sufre la longitud calibrada de la probeta. El resultado es una curva de esfuerzo-deformación, como la mostrada en la figura 2.24.(36)

Figura 2.24. Diagrama de esfuerzo-deformación de un acero de bajo carbono. (36)

En el diagrama se observa una zona lineal hasta cierto punto; este punto es llamado límite de proporcionalidad, y hasta allí el material cumple la ley de Hooke, que afirma que el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación. La constante de proporcionalidad (cociente entre el esfuerzo y la deformación) recibe el nombre de módulo de Young, y es considerado una propiedad intrínseca de cada material. Hasta una tensión determinada, la probeta recupera su longitud original al retirar la carga, es decir, tiene un comportamiento elástico, por esa razón esta zona es llamada zona elástica. El esfuerzo máximo hasta el cual el material se comporta como elástico recibe el nombre de límite elástico. Una vez se pasa el límite elástico el alargamiento no se recupera, por lo que se produce una deformación permanente o plástica. Al retirar todas las cargas la forma de la probeta queda

33 alterada. En esta zona la deformación no es proporcional al esfuerzo aplicado. Posteriormente el material experimenta una carga máxima, mostrada en la Figura 2.24, y una carga de rotura. Las caras de acero deben tener un límite elástico mínimo de 220 N/mm2. (10) (36) 2.4.4. Determinación de la composición química según norma ASTM E415-14. La determinación de la composición química de los aceros bases se realiza mediante el análisis de espectrometría de emisión atómica de vacío, método especificado en la norma ASTM E41514. El ensayo se realiza a dos probetas por lámina, las cuales son tomadas en el sentido longitudinal de la bobina. Este método permite la determinación simultánea de 20 elementos aleantes o residuales para aceros al carbono y aceros de baja aleación. Se registra la designación del acero bajo los límites descritos por la American Iron and Steel Institute (AISI) y la Society of Automotive Engineers (SAE). (37) 2.4.5. Medición del espesor del recubrimiento según norma COVENIN 565-1997. La medición del espesor del recubrimiento en las láminas de acero galvalum y las láminas de acero prepintado se realiza por el método magnético descrito en la norma COVENIN 565-1997. Este ensayo consiste en la medición directa del espesor de capas no magnéticas depositadas sobre bases férricas por medio de aparatos que miden la fuerza de atracción entre el imán del propio de aparato y la superficie magnética. Estos aparatos son llamados espesímetros. (38) La disposición de las capas de recubrimiento es como se muestra en la figura 2.25. La capa protectora de poliéster es la capa superior que proporciona color, buena apariencia y una película de barrera que mejora la durabilidad a largo plazo. La primera capa fija la pintura y mejora la resistencia a la corrosión. La capa de conversión es una capa de pretratamiento que mejora la adhesión. A estas capas le sigue la correspondiente al galvalum y por último el acero base. (39)

Figura 2.25. Recubrimiento en el acero prepintado al horno.

34 2.4.6. Determinación de la masa del recubrimiento galvalum según norma COVENIN 5651997. La determinación de la masa del recubrimiento de 55% Aluminio-Zinc (Galvalum) se realiza por el método gravimétrico descrito en la norma COVENIN 565-1997. Este método consiste en decapar la probeta de acero galvalum, con una solución de HCl, y registrar la masa antes (m1) y después del decapado (m2) en gramos. La masa del recubrimiento, en g/m2, se calcula mediante la Ecuación 2.9, en donde A es el área de la probeta en milímetros. (38) Ec. 2.9. La masa de recubrimiento mínimo para las láminas de acero del tipo galvalum deber ser 150 g/m2. (40) 2.4.7. Microestructura del acero galvalum según norma ASTM E3-11. El desempeño frente a la corrosión de los productos tipo galvalum se relacionan con su microestructura, mostrada en la figura 2.26. La estructura consta de un revestimiento y una capa intermetálica. El revestimiento contiene dendritas tubulares ricas en aluminio y áreas interdendríticas ricas en zinc intercaladas con inclusiones de partículas de silicio. Aproximadamente el 80 % en volumen del recubrimiento es de aluminio. Durante las primeras etapas de la exposición atmosférica, las zonas interdendríticas ricas en zinc son atacadas preferencialmente y pronto se llenan de productos de corrosión. La naturaleza de sacrificio de esta red interdendrítica es un factor clave en la excelente resistencia a la corrosión observada en este tipo de material. (41)

Figura 2.26. Fotomicrografía de la sección transversal de una lámina galvalum. (40)

35 Una capa intermetálica fina une el recubrimiento al acero. Esta capa se compone, a su vez, de dos subcapas, la más cercana al sustrato de acero es un compuesto cuaternario Al-Fe-Si-Zn y la subcapa exterior es un compuesto ternario de Al-Si-Fe. La capa intermetálica es muy resistente a la corrosión y actúa como una barrera física en la detención de cualquier tipo de corrosión que pueda penetrar el recubrimiento. (41) La lámina de galvalum es sometida a un enfriamiento acelerado, durante el proceso de recubrimiento, que refina la estructura dendrítica rica en aluminio y reduce la fracción de volumen y el tamaño de grano de las zonas interdendríticas ricas en zinc, las cuales resultan en una red interdendrítica de sacrificio que puede retener mejor los productos de corrosión y es más resistente a la penetración local. (40) 2.4.8. Ensayo de cámara salina. El ensayo de cámara salina consiste en someter probetas metálicas a un ambiente agresivo, capaz de reproducir las condiciones corrosivas existentes en ambientes climáticos químicamente activos, como la niebla salina. Este ensayo reporta el tiempo transcurrido de exposición y la aparición o no de corrosión roja o blanca. El ensayo se realiza al pulverizar 50 g/L de NaCl, a 35°C de temperatura y un pH comprendido entre 6,5 y 7,2. (42) 2.4.9. Determinación de la dureza a lápiz según norma COVENIN 269-90. Este ensayo permite la determinación rápida de la dureza de una película de un recubrimiento orgánico sobre un sustrato, por medio de un lápiz de grafito de dureza conocida. El ensayo se realiza con minas de grafito clasificadas según su dureza, en orden creciente o decreciente hasta encontrar un lápiz que no raye ni corte la película cuando se ubique en posición de 45°. Para mantener fija la posición del lápiz y la presión con la que éste raya la superficie se usa un durómetro de lápiz, el cual es mostrado en la Figura 2.27. (43)

36

Figura 2.27. Durómetro de lápiz.

CAPÍTULO III PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En el presente trabajo se realizó la caracterización del panel tipo sándwich del grupo ISOTEX, así como también de las materias primas que lo componen, como lo son las caras metálicas de acero galvalum y de acero galvanizado prepintado al horno, el núcleo de poliestireno expandido y la espuma de poliuretano usada como adhesivo. Se realizaron ensayos del tipo mecánico, físico y químico y se complementaron con el análisis visual del producto, con énfasis en la zona correspondiente a la junta del material del núcleo. Para garantizar la reproducibilidad de los ensayos realizados se describirá a continuación cada uno de los procesos llevados a cabo. 3.1. Materiales. 

Lámina de acero AISI SAE 1020 de 1m x 2m x 1/8”de espesor.



Electrodos de soldadura E6013.



Adhesivo marca Devcon 2 toneladas.



Vasos de polipropileno de 515 cm3.



Varita plástica para mezclar, de ~20 cm de longitud.



Solución de 50% HCl.



Baquelita termoendurecible.



Lijas de Carburo de Silicio grit 400 y 600.



Paños de pulido.



Solución de CrO3 + Na2SO4 + H2O.



Solución salina de 4,95% NaCl.



Lápices de clasificación 7B, 5B, 3B, B, HB, F, H, 4H y 6H.



Papel lija.

38 3.2. Equipos. Tabla 3.1. Tabla de equipos utilizados. Equipo Marca/modelo

Apreciación

Sierra sínfin

SAMUR

-

Calibrador Máquina de ensayos universales Goniómetro

Mitutoyo

0,05 mm

Autograph / AG-IS Series

-

-

Cinta métrica

-

1° 0,001 m

Regla graduada

-

0,001 m

Pantógrafo

Tecnodinámica / TD370AA

-

Balanza Soporte para ensayo de autoextinguibilidad Cronómetro

EPELSA / Dexal

0,01 g

Fabricación propia

-

-

1 ds

Picnómetro 50 mL

Medilab

-

Fresadora Máquina de ensayos de tracción Espectrómetro de chispa por emisión óptica Medidor de espesor

NAGTOM TINIUS OLSEN 60000 libras

-

ARL / 4460

-

ELCOMETER / 415

-

Microscopio

VERSAMET

-

Balanza analítica Equipo de presión hidraúlica Cámara de corrosión cíclica

Precisa / XB220A

0,0001 g

Pneumet 1

-

Q-Fog / SSP-600

-

Durómetro de lápices

Fabricación propia

-

-

3.3. Procedimientos. 3.3.1. Ensayos aplicados al panel. a) Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del panel según norma UNE EN 1607. El ensayo de tracción perpendicular a las caras del panel permite conocer la resistencia a la tracción del material del núcleo y la capacidad de adhesión de la espuma de poliuretano. Se tomaron probetas de sección transversal cuadrada de 100 mm y de espesor predominante del panel (70 mm), con las caras del panel intactas, como se muestra en la figura 3.1.

39

Figura 3.1. Probeta de tracción perpendicular a las caras.

El espesor predominante del panel (dc) es el que se muestra en la figura 3.2.

Figura 3.2. Espesor predominante del panel tipo sándwich con una cara perfilada. (10)

Para la ejecución de este ensayo fueron fabricados en planta agarres que, al adherirse a las caras de la probeta, permitirían su agarre a las mordazas de la máquina de ensayos universales. Estos agarres fueron fabricados usando acero 1020 de 1/8" de espesor y constan de dos partes, que posteriormente, fueron soldadas como se muestra en la figura 3.3.

Figura 3.3. Agarres de las probetas de tracción perpendicular a las caras.

Estos agarres fueron adheridos a las caras de las probetas con un adhesivo de buena resistencia al impacto y al agua. Se devastaron las caras de la probeta para garantizar la adhesión. El montaje de las probetas se realizó como indica la Figura 3.4.

40

Figura 3.4. a) Montaje de los agarres a las probetas en donde 1.- es el agarre metálico, 2.- el adhesivo, 3.- es la cara metálica de la probeta y 4.- el material del núcleo. b) Probeta con agarres ya adheridos y debidamente identificada.

Las probetas fueron identificadas con la letra S (Sin junta) seguida de la letra T (Tracción) y por último el número de la probeta correspondiente. Por ejemplo: ST1. Se determinaron y registraron las medidas de las probetas y fueron puestas en la máquina de ensayos universales para, posteriormente, ser ensayadas a una velocidad de mordazas de 10 mm/min ± 10%. Se registró el desplazamiento con una precisión de 0,01 mm. El ensayo finaliza al alcanzar la carga final (Fu) o, si no presenta una carga final claramente definida, finaliza al alcanzar el 20% de la deformación relativa. Se registró la curva de fuerza-desplazamiento correspondiente y se determinó la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad. b) Determinación de la resistencia a la flexión según norma UNE EN 12089. Este ensayo permite conocer el comportamiento del panel ante cargas vivas o muertas, después de su instalación, así como también su resistencia a la flexión. Se cortaron probetas de 400 x 100 mm y de espesor el predominante del panel (70 mm), con una sierra sinfín, con las caras del panel intactas, según el método B de la norma UNE EN 12089 y como se muestra en la figura 3.5.

Figura 3.5. Probeta para ensayo de flexión.

Las probetas fueron identificadas con la letra S (Sin junta) seguida de la letra F (Flexión) y por último el número de la probeta correspondiente. Por ejemplo: SF1. Se determinaron las medidas de las probetas y fueron colocadas en la máquina de ensayos universales. Los soportes deben ser cilindros de (30 ± 3) mm de diámetro, al igual que el punto de aplicación de carga el cual,

41 además, debe estar centrado y paralelo a los dos soportes. La distancia entre ambos soportes debe ser de 350 mm. Las probetas fueron ensayadas a una velocidad de 10 mm/min ± 10%, como se muestra en la figura 3.6. Se registró el desplazamiento con una precisión de 0,01 mm. El ensayo finaliza al alcanzar la carga final (Fm). Se registró la curva de fuerza-desplazamiento correspondiente y se determinó la resistencia a la flexión.

Figura 3.6. Ensayo de flexión a probetas con material del núcleo continuo.

c) Análisis dimensional según norma UNE EN 14509. Las dimensiones del panel y sus tolerancias admisibles según norma fueron determinadas en planta. La medición se realizó con ayuda de un calibrador, un goniómetro, una cinta métrica y una regla graduada según fuese la medida a tomar. La medición se realizó a temperatura ambiente (25°C) y fue realizada sobre un panel de 1,5 m de longitud. Se registró el espesor del panel, la altura del perfil metálico, la anchura útil, el combado, el paso del perfil y las anchuras del nervio y del valle, según lo especificado por la norma. 3.3.2. Caracterización de la junta del material del núcleo. La junta en el material del núcleo del panel se origina por la imposibilidad de conformar el poliestireno expandido in situ, por lo que debe ser alimentado a la máquina en láminas de longitud finita. Para la caracterización de la junta se realizaron ensayos de tracción perpendicular a las caras, ensayos de flexión y análisis visual a probetas obtenidas con diferentes valores de salto y brecha. Para obtener probetas con diferentes medidas de salto y brecha fueron modificados los niveles de las fresas encargadas de realizar el machihembrado, realizando observaciones además de la disposición de la espuma de poliuretano en esa zona. Cada modificación de los niveles de las fresas dio origen a una junta con características diferentes. Tales características fueron registradas

42 y analizadas. Los tipos de juntas fueron identificados como junta tipo hueco, gap, parejo y cresta, como se muestra en la figura 3.7.

Figura 3.7. Tipos de junta: a) junta hueco, b) junta gap, c) junta parejo, d) junta cresta.

Para los análisis mecánicos realizados a probetas con juntas, los cuales serán especificados a continuación, se identificaron las probetas según el tipo de junta que se buscó generar en máquina. La identificación se realizó de la siguiente manera: la primera letra corresponde a la primera letra del tipo de junta (H, G, P o C), la segunda corresponde al tipo de ensayo (T o F) y el número final corresponde al número de probeta a ensayar. Por ejemplo: CT1 indica que es la probeta número 1 de la junta tipo cresta ensayada a tracción. a) Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del panel en la zona de la junta según norma UNE EN 1607. El ensayo de tracción perpendicular a las caras del panel en la zona de la junta permite conocer la capacidad de adherencia de dicha zona a las caras metálicas. Se tomaron seis probetas de sección transversal cuadrada de 100 mm de lado y de espesor el predominante del panel (70 mm), con las caras del panel intactas, de cada tipo de junta especificada (4 en total). Las probetas fueron cuidadosamente seleccionadas a partir de la zona de la junta del panel, de manera tal que ésta quedó en la mitad de la probeta, como se muestra en la figura 3.8. Fueron cortadas y adheridas a los agarres descritos en la sección 3.1.1.

Figura 3.8. a) Probeta para ensayo de tracción perpendicular a las caras de la zona de la junta. b) Disposición de las probetas (azul) en la zona de la junta dentro del panel.

43 Se determinaron las medidas de las probetas y se registró también las distancias de salto y brecha en cada probeta. Posteriormente, fueron colocadas en la máquina de ensayos universales, en donde fueron ensayadas a una velocidad de mordazas de 10 mm/min ± 10%, como se muestra en la figura 3.9.

Figura 3.9. Ensayo de tracción a probetas con material del núcleo discontinuo.

Se registró el desplazamiento con una precisión de 0,01 mm. El ensayo finaliza al alcanzar la carga final (Fu) o, si no presenta una carga final claramente definida, finaliza al alcanzar el 20% de la deformación relativa. Se registró la curva de fuerza-desplazamiento correspondiente y se determinó la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad. b) Determinación de la resistencia a la flexión del panel en la zona de la junta según norma UNE EN 12089. Este ensayo permite conocer la disminución de la resistencia a la flexión de probetas con material del núcleo discontinuo, en comparación con aquellas que tienen material del núcleo continuo. Se tomaron tres probetas de 400 x 100 mm y de espesor el predominante del panel (70 mm) de cada tipo de junta y con las caras del panel intactas, según el método B de la norma UNE EN 12089. Las probetas fueron seleccionadas a partir de la zona de la junta del panel, cuidando de que ésta quedara en la mitad de la probeta, como se muestra en la figura 3.10.

Figura 3.10. a) Probeta de ensayo de flexión con junta en el material del núcleo. b) Disposición de la probeta (verde) en la zona de la junta dentro del panel.

44 Se determinaron las medidas de las probetas y se registró además la distancia de salto y brecha en cada probeta. Posteriormente, fueron puestas en la máquina de ensayos universales. Los soportes deben ser de (30 ± 3) mm, al igual que el punto de aplicación de carga, el cual además, debe estar centrado y paralelo a los dos soportes. La distancia entre ambos soportes debe ser de 350 mm. Las probetas fueron ensayadas a una velocidad de 10 mm/min ± 10. Se registró el desplazamiento con una precisión de 0,01 mm. El ensayo finaliza al alcanzar la carga final (Fm). Se registró la curva de fuerza-desplazamiento correspondiente y se determinó la resistencia a la flexión. c) Análisis visual. El análisis visual se efectuó con la finalidad de identificar ondulaciones en la cara de acero prepintado, causadas por la junta en el material del núcleo de los paneles. Se llevó a cabo en un lugar con luz natural y en posición vertical de manera tal que los observadores pudieran identificar defectos en el acabado del panel, como se muestra en la figura 3.11. Para esto se dispusieron de 12 paneles (de los cuales posteriormente se extrajeron las probetas de tracción perpendicular a las caras y flexión), y se les pidió a los observadores que especificaran si el panel presentaba ondulaciones largas, cortas, o si eran o no de la zona de la junta.

Figura 3.11. Paneles dispuestos para el análisis visual.

3.3.3. Ensayos realizados al Poliestireno expandido. El poliestireno expandido es el material del núcleo del panel, razón por la cual la determinación de sus propiedades mecánicas y físicas está estrechamente ligada a la caracterización del panel. a) Densidad del Poliestireno Expandido según norma UNE EN 1602. La densidad del poliestireno expandido puede ser una propiedad muy útil como indicativo mínimo de calidad. Además, es importante conocer su variación con respecto a la densidad nominal, para así tomar medidas de control y garantizar una menor desviación de un panel a otro. Para la realización de esta medición se partió de la lámina número 10 del bloque de poliestireno

45 expandido a partir del cual surgieron todos los núcleos de los paneles que se usaron en este estudio, como se muestra en la figura 3.12.

Figura 3.12. Bloque y disposición de láminas de Poliestireno usadas para el presente estudio.

La determinación de la densidad fue realizada a partir de probetas de sección transversal cuadrada de (70 ± 2) mm. Estas probetas fueron cortadas por la máquina tipo Pantógrafo de distintas zonas de la lámina, según lo mostrado en la figura 3.13.

Figura 3.13. Disposición de las probetas usadas para la determinación de la densidad.

La masa de las probetas fue determinada transcurrida 1 semana del corte. Fue realizada además la medición y el registro de las dimensiones.

46 b) Autoextinguibilidad según norma NTF 3972. El ensayo de autoextinguibilidad del poliestireno expandido permite la confirmación rápida de la presencia del agente ignífugo en la materia prima. Corroborar esta característica resulta primordial para garantizar la seguridad en cuanto al uso de paneles en obras civiles. Para la realización de este ensayo se cortaron cuatro probetas de poliestireno expandido de dimensiones 13,00 x 13,00 x 127,00 mm. Las probetas fueron identificadas del 1 al 3 (una se dejó como patrón), y fueron colocadas en el soporte para ensayos de autoextinguibilidad para, posteriormente, ser acercada una llama al extremo inferior, como se observa en la figura 3.14 (sección 9.2 de la norma NTF 3972). La llama permaneció fija a al menos 25,00 mm de la base de la probeta a 45°, y finalizó el ensayo cuando el fuego en la probeta se extinguió.

Figura 3.14. Ensayo de auto extinguibilidad del EPS.

c) Permeabilidad al agua a corto y largo plazo según norma UNE EN 1609 y UNE EN 12087. El ensayo de permeabilidad permite conocer la resistencia del poliestireno expandido a la penetración de agua. El conocimiento de este valor es importante debido a que el EPS es un material conformado por perlas esféricas, por lo que su superficie presenta canales por los que puede difundirse y ser retenida el agua, lo que generaría posibles variaciones en la resistencia mecánica del material y en su peso. El ensayo fue aplicado a probetas de poliestireno expandido de (200 x 200 x 70) mm3, a temperatura ambiente y con por lo menos 1 semana después de ser cortadas. El ensayo de inmersión parcial a corto plazo fue realizado según el método A de la norma UNE EN 1609. El ensayo de inmersión parcial a largo plazo fue realizado según el método 1A de la norma UNE EN 12089. Se registró la masa de ocho probetas y se identificaron con números del 1

47 al 8. Posteriormente fueron dispuestas dentro de la piscina de pruebas vacía, y se les puso un contrapeso para garantizar que las probetas no flotaran.

Por último, se agregó el agua hasta

alcanzar (10 ± 1) mm de altura (sólo 10 mm de la probeta permanecieron sumergidos en el agua), como se indica en la figura 3.15.

Figura 3.15. Ensayo de permeabilidad a corto y largo plazo.

Las probetas identificadas con los números del 1 al 4 permanecieron sumergidas durante 24 horas y las identificadas con números del 5 al 8 permanecieron sumergidas durante 14 días. Transcurrido el tiempo indicado, las probetas fueron dispuestas en un soporte para ser secadas durante (10,0 ± 0,5) min al aire libre, como se muestra en la figura 3.16.

Se registró la masa

final de las probetas, y se calculó la absorción de agua a corto y largo plazo (Wp y Wlp).

Figura 3.16. Soporte para el secado de probetas de permeabilidad.

d) Resistencia y módulo de compresión del material del núcleo según norma UNE EN 826. El ensayo de compresión permite conocer la resistencia y el módulo E de compresión del material del núcleo. Este ensayo fue aplicado sobre las probetas a las cuales se les determinó la densidad (sección 3.3.1), por lo que el muestreo y acondicionamiento aplicado fue el mismo que para ese ensayo. Las probetas se identificaron con la letra C (Compresión) seguida del número de la probeta correspondiente. Por ejemplo: C1.

48 Las muestras fueron colocadas sobre dos placas rígidas paralelas de la máquina de ensayos universales (ver figura 3.17), y se aplicó una precarga de 250 Pa como lo indica la norma UNE EN 826. La velocidad del ensayo fue de 7 mm/min, y se registró la curva de fuerzadesplazamiento. El ensayo finaliza cuando es alcanzada la fuerza máxima Fu o cuando se alcanza el 10% de la deformación relativa.

Figura 3.17. Ensayo de compresión.

3.3.4. Ensayos realizados a la espuma de Poliuretano. a) Prueba de la copa para la espuma de poliuretano según norma ASTM D7487-08. La espuma de poliuretano es el material usado para adherir las caras metálicas al núcleo de poliestireno expandido. Esta adhesión se efectúa por la mezcla de dos componentes, en donde el tiempo de reacción entre ellos es un factor clave en el proceso. La determinación de los tiempos característicos de la espuma es primordial para el ajuste de los parámetros de la máquina ensambladora de los paneles, y para garantizar una adecuada adhesión. El ensayo se realizó mediante la prueba de la copa según el procedimiento estandarizado por la norma ASTM D7487-08. Para la realización de este ensayo se usaron vasos de polipropileno, mezclador plástico y un cronómetro. Se realizó el pesaje de los reactivos SINTHEX D-2116-F023 y SINTHEX IH de la empresa Sinthesis. Estos fueron puestos en proporción 1:1 en masa, 24 g de cada reactivo dentro del vaso y mezclados vigorosamente de forma manual. El ensayo se realizó tres veces y se determinó el tiempo de crema, el tiempo de llenado de la copa, el tiempo de subida libre, el tiempo de hilo y el tiempo de tacto libre, como se muestra en la figura 3.18.

49

Figura 3.18. Tiempos característicos de la espuma de poliuretano. a) Mezclado, b) Tiempo de crema, c) Tiempo de llenado de la copa, d) tiempo de hilo, e) Tiempo de tacto libre, f) tiempo de subida libre.

El ensayo también fue aplicado para mezclas donde cada uno de los reactivos estaba en exceso (Isocianato/Poliol 5:4 y 4:5). Se siguió el mismo procedimiento y se registraron los tiempos característicos de estas mezclas y observaciones adicionales. La determinación de la densidad de los componentes de la espuma de poliuretano (Isocianato/Poliol) se realizó mediante un picnómetro de vidrio. Para esto se realizó el pesaje en la balanza del picnómetro vacío, lleno con agua y lleno con cada uno de los componentes y se registraron dichos valores. 3.3.5. Ensayos realizados a las láminas de acero o encarado. Las caras del panel tipo sándwich están constituidas de acero galvalum, en la cara superior o cara perfilada, y acero galvanizado prepintado al horno en la cara inferior. Este material provee la rigidez necesaria al panel, la capacidad para ser ensamblado en obra y un acabado de calidad que protege de los agentes externos al material del núcleo. Los ensayos a las láminas metálicas son los que se muestran en la tabla 3.2. Tabla 3.2. Ensayos aplicados a las láminas metálicas. Acero galvanizado Ensayo realizado Acero galvalum prepintado al horno Ensayo de tracción

X

X

Análisis químico del metal base

X

X

Espesor del recubrimiento

X

X

Masa del recubrimiento

X

Microestructura

X

Cámara salina

X

Dureza al lápiz

X

X

a) Ensayo de tracción según norma ASTM E8. El ensayo de tracción permite conocer el límite elástico de las láminas de acero galvalum y las láminas de acero galvanizado prepintado al horno y proporciona información sobre la resistencia y la ductilidad de los materiales bajo esfuerzos de tracción uniaxiales. Para la realización de este

50 ensayo se tomaron tres probetas en sentido longitudinal del comienzo de la bobina identificada con el número 0902156LK04521 para el acero galvalum y tres probetas en sentido longitudinal del comienzo de la bobina identificada con el número 111214BKA04508 para el acero galvanizado prepintado al horno color blanco. Se les asignó un número de identificación a cada probeta, del 1 al 6, siendo los tres primeros números asignados a las probetas de la lámina de acero galvanizado prepintado al horno y los últimos tres a la lámina de acero galvalum. Las probetas fueron cortadas de acuerdo a los estándares de la norma ASTM E8, y según se muestra en la figura 3.19.

Figura 3.19. Dimensiones de las probetas sometidas a tracción. (34)

Las longitudes de las probetas son las indicadas a continuación en la Tabla 3.3. Tabla 3.3. Longitudes de las probetas sometidas a tracción. (34) Dimensiones Longitud (pulgadas) L 8 G

2,000 ± 0,005

W

0,500 ± 0,010

T

1/64

R

½

A

2¼

B

2

C

¾

El ensayo se realizó a una velocidad de 0.5% pulg/min en la máquina de tracción. Se determinó el esfuerzo de fluencia, el esfuerzo máximo y el % de alargamiento con una longitud calibrada de dos pulgadas. b) Determinación de la composición química del metal base según norma ASTM E415-14. Este ensayo permite obtener la composición del metal base de las láminas galvalum y las láminas de acero galvanizado prepintado al horno y su clasificación dentro del sistema AISI SAE. Se aplicó a dos probetas tomadas del comienzo de la bobina identificada con el número

51 0902156LK04521 y de dimensiones 20 x 50 mm para el acero galvalum y dos probetas tomadas del comienzo de la bobina identificada con el número 111214BKA04508 y de dimensiones 20 x 55 mm para el acero galvanizado prepintado al horno color blanco, de manera que se garantizó cuatro zonas donde efectuar las pruebas (en una misma probeta) y así obtener un promedio. Las probetas fueron decapadas con HCl 1:1 antes de la prueba. El equipo usado fue un espectrómetro de chispa por emisión óptica. Se clasificó el metal base de cada una de las láminas dentro de las especificaciones AISI SAE a partir de los porcentajes de carbono, manganeso, fósforo y azufre. c) Medición del espesor del recubrimiento según norma COVENIN 565-1997. La medición del espesor del recubrimiento de 55% aluminio-zinc resulta de interés para el control de calidad de la empresa y la posterior vida útil del panel, pues el recubrimiento protege al metal base de los ambientes agresivos. Para la realización de esta medición se cortó una probeta cuadrada de la lámina de acero galvalum y una probeta de la lámina de acero galvanizado prepintado al horno, de aproximadamente 200 mm de lado, para posteriormente ser ensayadas bajo norma COVENIN 565:1997. Se identificaron 5 zonas de medición en cada probeta, con el fin de garantizar un resultado más preciso y confiable, como se muestra en la figura 3.20.

Figura 3.20. Zonas de medición de espesor en el acero galvanizado prepintado al horno color blanco.

Se hizo uso del medidor de espesor, el cual fue calibrado con una galga de 17µm. La medición se realiza posicionando el instrumento sobre la zona a medir y se retira una vez aparece el valor del espesor en la pantalla.

Posteriormente se registra el valor y se procede a repetir el

procedimiento en la siguiente zona remarcada dentro de la misma probeta. Los resultados fueron registrados y analizados posteriormente. El espesor de aluminio-zinc en el caso de las probetas galvalum, también fue medido mediante una escala graduada contenida en el ocular del microscopio en la muestra identificada como B, del proceso de observación de la microestructura, de la sección 3.5.5. d) Determinación de la masa del recubrimiento Galvalum (COVENIN 565-1997).

52 La masa del recubrimiento de los aceros es un dato de interés ya que proporciona información acerca de la calidad de la materia prima que se tiene. Un bajo valor reflejaría problemas de descamación, corrosión, entre otros. Para la determinación de la masa del recubrimiento de 55% aluminio-zinc se tomaron cinco probetas cuadradas de alrededor de (60 ± 5) mm de lado. Se registró la masa de cada una de ellas en una balanza analítica y sus dimensiones. Las muestras fueron puestas en una solución de 50% HCl, cada una por separado, hasta que la liberación de burbujas cesó. Posteriormente fueron secadas y se determinó el peso final. La diferencia entre el peso inicial y el final son los gramos del recubrimiento en la probeta. Se determinaron los gramos por metro cuadrado de recubrimiento. e) Microestructura del acero galvalum según norma ASTM E3-11. La observación de la microestructura permite obtener información acerca de la estructura del recubrimiento galvalum en el acero. También permite conocer si el material fue sometido a un tratamiento térmico para la mejora de sus propiedades, importante en el control de calidad de la materia prima. El ensayo fue realizado a dos probetas, una lateral para observar las capas de recubrimiento (Muestra B), y otra de la superficie para observar la microestructura (Muestra A), según los procedimientos descritos por la norma ASTM E3-11. Las probetas se embutieron dentro de una baquelita termoendurecible, como se muestra en la figura 3.21, de 32 mm de diámetro y en el equipo de presión hidráulica. Esto se realiza para facilitar el proceso de desbaste.

Figura 3.21. Muestras A y B en el soporte de baquelita.

Posteriormente, fueron devastadas con lijas de carburo de silicio designadas por la ANSI/CAMI (American National Standard Institute y Coated Abrasives Manufacturers Institute). El proceso se realizó con tamaños de grit ascendentes, para realizar así un desbaste más fino cada vez y teniendo la precaución de girar la probeta 90° al hacer el paso de una lija a otra, para eliminar las líneas de desbaste anteriores. El desbaste tiene como finalidad obtener una superficie tipo espejo, con ausencia de rayas y que permita la visualización de la microestructura a través del microscopio después de ser atacada químicamente.

53 El proceso posterior al desbaste consiste en pulir la superficie de la muestra con paños de pulido giratorios y con ayuda de una suspensión coloidal de alúmina de 1 µm. Las probetas fueron luego atacadas químicamente con CrO3 + Na2SO4 + H2O para revelar su microestructura. Las imágenes para la medición de la capa del recubrimiento se tomaron con una magnificación de 400x, mientras que las usadas para la observación de la microestructura fueron tomadas con magnificaciones de 100x, 200x y 400x. f) Ensayo de cámara salina. Para la realización del ensayo de cámara salina se dispuso de cinco probetas cuadradas de 200 mm de lado obtenidas a partir de las bobinas identificadas con los números 171214GLK04514 #14, 171214GLK04515 #15, 141214GLK04516 #16, 141214GLK04513 #13, 141214GLK04521 #21. El ensayo se realizó en una cámara de corrosión cíclica. El pH de la solución salina fue de 6,93, la concentración de 4,95% NaCl, el nivel de la solución salina y del agua fue aceptable y la temperatura del ensayo fue de 33°C. g) Determinación de la dureza a lápiz según norma COVENIN 269-90. Para la realización de este ensayo se requiere de una serie de lápices de grafito con minas según la clasificación de dureza mostrada en la figura 3.22.

Figura 3.22. Escala de dureza de lápices de grafito usados en el ensayo.

Para este ensayo se dispone de una probeta de acero con recubrimiento galvalum y una probeta de acero galvanizado prepintado al horno, de dimensiones tales que permitan realizar el trazado de los 14 lápices, teniendo en cuenta que cada trazo debe ser de 6,5 mm de longitud. Los lápices son preparados para el ensayo usando un papel lija sobre una superficie plana. El lápiz se mantiene a 90° con respecto a la superficie horizontal y se gira para obtener una mina plana, uniforme y completamente redonda. La lámina de prueba se coloca sobre una superficie plana y firme y se hace pasar el durómetro de lápices (figura 2.26), que garantiza que el ángulo de escritura del lápiz sea de 45° y sea aplicada la misma presión en cada ensayo. Se comienza la prueba con un lápiz de mediana dureza, y el lápiz que sigue debe ser en orden creciente o decreciente, hasta encontrar un lápiz que no corte la película hasta el sustrato. Se observó muy cuidadosamente el corte o rayado de la película por inspección visual y tocando la superficie. El valor que se tomó como resultado es el del lápiz que no cortó ni rayó la superficie. Se realizaron dos determinaciones para dureza de corte y dos para dureza de rayado.

CAPÍTULO IV RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS El producto TERMOPANEL® es un material compuesto estructural utilizado como techo en obras civiles, cuyas ventajas son fácil manejo, fácil transporte y colocación, gran durabilidad, aislamiento térmico y poca necesidad de estructura de soporte debido a su bajo peso y a la gran resistencia a mayores distancias entre apoyos. Con el fin de caracterizar este producto, se realizaron ensayos mecánicos que fueron aplicados al panel, al material del núcleo y al material de las caras. Se determinaron también las características físicas y químicas del material de las caras y las características físicas del material del núcleo y del adhesivo. Por último, se realizó el análisis dimensional del panel y se fijaron sus tolerancias admisibles. Para complementar el estudio, se realizó también la caracterización de la junta en el material del núcleo, con la finalidad de entender el comportamiento de la junta ante las solicitaciones mecánicas y con miras a la solución de problemas visuales en el panel. A continuación se presentan los resultados y el análisis de los mismos, según el material al que fueron aplicados los ensayos. 4.1. Ensayos aplicados al panel. 4.1.1. Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del panel según norma UNE EN 1607. El ensayo de tracción perpendicular a las caras del panel permitió conocer la resistencia a la tracción del material del núcleo y la capacidad de adhesión de la espuma de poliuretano. A continuación, en la figura 4.1 se presentan las gráficas de fuerza en función del desplazamiento para las seis probetas ensayadas.

55

Fuerza (N)

1400

Zona I

Zona II

1200

ST1

1000

ST2

800

ST3

600

ST4

400

ST5

200

ST6

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Desplazamiento (mm) Figura 4.1. Curvas de fuerza en función del desplazamiento para las seis probetas ensayadas a tracción, con las zonas características señaladas en el gráfico.

La zona I de las curvas corresponde a la zona elástica del material, en la cual se tiene un comportamiento lineal en el que la fuerza es proporcionalmente dependiente del desplazamiento. La resistencia a la tracción de las espumas que se componen de perlas, como en el caso del EPS, es dependiente de la fusión y compactación de las mismas. Esta fusión se lleva a cabo por la difusión de las moléculas y su posterior entrelazamiento a través de las perlas. (8) La zona II corresponde al límite elástico alcanzado por cada probeta, el cual permite calcular la resistencia a la tracción (o esfuerzo tensil) que fue, en promedio de 99 ±13 KPa (ver Apéndice A). El valor característico de resistencia a la tracción perpendicular a las caras debe ser mayor que 18 KPa, según la norma UNE EN 14509, por lo que el producto se considera con el calificativo de conforme. Según los requerimientos descritos en la norma UNE EN 13163, el producto se clasifica como TR80. El material falla una vez alcanza el límite elástico, razón por la cual se considera un material frágil a tracción, dado que no experimenta una deformación plástica antes de alcanzar el máximo valor de esfuerzo. A partir de la curva de fuerza en función del desplazamiento se calculó la resistencia a la tracción y el módulo de tracción del núcleo para cada una de las probetas ensayadas, cuyos valores se encuentran en la tabla 4.1.

56 Tabla 4.1. Resultados del ensayo de resistencia a la tracción.

Probeta

Resistencia a la tracción (KPa)

Módulo de tracción del núcleo (KPa)

ST1

103.9

2561

ST2

84.4

2366

ST3

106.3

3405

ST4

118.0

3067

ST5

100.8

2513

ST6

82.0

2397

Promedio Desviación estándar

99.2

2718

12.5

384

Se observó además la superficie de fractura de cada una de las probetas, y se midió el porcentaje de dicha superficie que falló por causa de la adhesión del EPS a la cara metálica (ver Apéndice B). En la figura 4.2 se muestran las superficies de fracturas de las probetas ensayadas a tracción.

Figura 4.2. Superficie de fractura de las probetas ensayadas a tracción.

57 En promedio se obtuvo un porcentaje de zonas despegadas de 15%. Sin embargo, se puede observar que en las probetas identificadas como ST5 y ST6 existe un mayor porcentaje de zonas despegadas, lo que se puede deber a una deficiencia local del adhesivo usado (espuma de poliuretano) por causa de un taponamiento del conducto de salida de alguno de los componentes. Si se calcula el promedio de zonas despegadas para las primeras cuatro probetas, se obtiene un valor de 1%. Por último, si se tiene en cuenta el porcentaje de zonas despegadas en la superficie de fractura al analizar las curvas obtenidas se puede observar una desviación de la linealidad en la zona elástica para las probetas ST5 y ST6, lo cual se atribuye a la falla mencionada del adhesivo. 4.1.2. Determinación de la resistencia a la flexión según norma UNE EN 12089. El ensayo de flexión en tres puntos fue aplicado a probetas de sección transversal rectangular de 70 x 100 x 400 mm, siguiendo el método B de la norma UNE EN 12089, obtenidas a partir del espesor predominante del panel y puestas sobre los soportes de la máquina de ensayos de manera tal que la lámina galvanizada prepintada al horno quedara siempre sobre los soportes inferiores. Las curvas de fuerza en función del desplazamiento para ambas probetas ensayadas se muestran a

Fuerza (N)

continuación, en la figura 4.3.

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Zona I SF1 SF2 Zona II

0

10

20

30

Desplazamiento (mm) Figura 4.3. Curvas obtenidas durante el ensayo de flexión en tres puntos.

La zona I corresponde a la región elástica del material. En esta zona, la fuerza aumenta proporcionalmente al incremento del desplazamiento y la deformación de las celdas es del tipo elástica lineal. A partir del límite elástico, las paredes de las celdas comienzan a romperse, produciéndose deformación del tipo plástica.

58 No se registró falla en las caras, en el adhesivo, ni en el núcleo. Las curvas registraron un valor constante de carga en la zona II, por lo que fue tomado este punto como el valor de fuerza máxima aplicada, dado que la probeta resistió la flexión sin presentar una falla evidente (ver Apéndice C). Los resultados obtenidos de este valor se muestran en la tabla 4.2. Tabla 4.2. Resultados del ensayo de resistencia a la flexión. Esfuerzo de Fuerza Probeta flexión máxima (N) (KPa) SF1 359.9 385.6 SF2

357.7

383.2

Promedio Desviación estándar

358.8

384.4

1.1

1.2

Los resultados obtenidos del ensayo de flexión permiten la clasificación del panel dentro de la más alta categoría de la norma UNE EN 13163, la cual es BS350. En la figura 4.4, mostrada a continuación, se observa la probeta SF2 durante y después del ensayo de flexión.

Figura 4.4. Probeta SF2 a la izquierda durante el ensayo y a la derecha después del ensayo de flexión.

4.1.3. Análisis dimensional según norma UNE EN 14509. El análisis dimensional del panel estructural tipo sándwich fue realizado a partir de la medición directa de las dimensiones de un panel, según norma UNE EN 14509. El panel usado para tal fin fue cuidadosamente seleccionado a partir de una producción con los valores estándares usados en planta, después de 24 horas de conformado. Es importante fijar las dimensiones del panel, así como también las tolerancias máximas admisibles, pues de esta manera se garantiza la seguridad de utilización del panel y la homogeneidad en la resistencia mecánica de un panel a otro. Las dimensiones y sus tolerancias admisibles se encuentran reportadas en la tabla 4.3.

59

Dimensión

Tabla 4.3. Dimensiones y tolerancias del TERMOPANEL®. Magnitud Tolerancia (mm) (mm)

Espesor

72

±2

Altura del perfil metálico

28

±1

L≤ 3000 mm

±5

L > 3000 mm

±10

Anchura útil

1000 mm

±2

Falta de escuadría

≤ 60 mm.

-

Desviación de la rectitud

1,0 mm/m

Combado

2,0 mm/m

No superar los 20 mm

Ancho del perfil

250

±3

Anchura del nervio y del

Nervio (b1): 27

±1

valle.

Valle (b2): 175

±2

Longitud del panel

No debe superar los 5,0 mm

Referencia

60 4.2. Caracterización y análisis de causas de problemas en la junta del material del núcleo. Esta caracterización se basó en paneles tomados con diferentes medidas de salto y de brecha, y se realizó modificando la altura de las fresas encargadas de realizar el machihembrado en los laterales de las láminas de EPS. Es importante acotar que la altura de las fresas es modificada constantemente en planta, por lo que es muy común encontrar juntas con saltos y brechas. Modificar la altura de las fresas permite emparejar la junta lo mejor posible; sin embargo, esto es complicado si se tienen láminas de EPS con espesores variables, aun cuando estén dentro de la tolerancia permitida. Esta modificación se realizó de cuatro diferentes maneras posibles: la primera de ellas, al hacer que la lámina anterior quedara por encima de la lámina posterior. A este tipo de junta se le denominó Hueco (figura 4.5).

Figura 4.5. Junta tipo Hueco.

La junta tipo Hueco tiene la particularidad de que posee una franja sin adhesión (figura 4.6) originada por el mezclador de la espuma de poliuretano que, al pasar de una lámina alta a una lámina baja, no realiza el mezclado en la zona adyacente a la junta. Esta franja es de al menos 3 cm y origina una falla de adhesión en la zona de la junta.

Figura 4.6. Zona sin adhesión de la junta tipo Hueco, vista en la lámina superior de acero una vez es desgarrada del panel.

61 La segunda modificación de las fresas originó una junta a la que se le denominó junta tipo Gap. Este tipo de junta se caracteriza por una brecha entre la lámina anterior y la posterior y se origina al no coincidir el machihembrado de las láminas, tal y como se muestra en la figura 4.7. Cuando el mezclador de la espuma de poliuretano pasa por una junta tipo Gap no experimenta un cambio en su altura y solo se origina una acumulación de espuma en la parte superior de la brecha. En este tipo de junta no se origina una franja no adherida.

Figura 4.7. Junta tipo Gap.

La tercera modificación de las fresas originó una junta a la que se le denominó junta tipo Cresta, mostrada en la figura 4.8. Este tipo de junta se caracteriza porque la lámina anterior está por debajo de la lámina posterior y tiene la particularidad de generar una prominencia al pasar el mezclador por la junta.

Figura 4.8. Junta tipo Cresta.

Esta prominencia se origina por la acumulación excesiva de adhesivo en la zona de la junta y es aplastada una vez que colapsa el encarado superior (lámina galvanizada prepintada) sobre el material del núcleo. Se caracteriza por un aumento en el espesor del panel justo en la junta, y una pequeña zona no adherida adyacente a la cresta formada. La última junta analizada corresponde al caso ideal de juntas tipo bufanda en el EPS. A esta junta se le denominó junta tipo Parejo (figura 4.9) y se caracteriza por no presentar ni salto ni

62 brecha y no presentar acumulación de adhesivo, ni zonas no adheridas. Esta es una junta difícil de lograr, puesto que el espesor de las láminas debe coincidir perfectamente, al igual que la altura de las fresas.

Figura 4.9. Junta tipo Parejo.

Además, es importante mencionar que el mezclado de la espuma de poliuretano que presenta mayores variaciones es el que corresponde a la cara lisa del panel. Esto se debe a que se realiza sobre la lámina de EPS, y no sobre la lámina metálica como en el caso de la cara perfilada (ver figura 4.10). Las características superficiales de la lámina del EPS ocasionan que la espuma de poliuretano no crezca de manera uniforme, lo que aumenta los defectos visuales del panel.

Figura 4.10. Adhesión de las caras del panel a la lámina de poliestireno expandido por la acción de la espuma de poliuretano.

4.2.1. Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del panel en la zona de la junta según norma UNE EN 1607. Este ensayo se aplicó a seis probetas por tipo de junta con el fin de estudiar y caracterizar la adhesión de la cara de acero prepintado al horno a las láminas de EPS que conforman la junta en el material del núcleo. Se determinó la resistencia a la tracción de probetas tomadas de juntas

63 tipo hueco, y se obtuvo como resultado las curvas de esfuerzo en función de la deformación mostradas en la figura 4.11.

Fuerza (N)

700 600

HT1

500

HT2

400

HT3

300

HT4

200

HT5

100

HT6

0 0

1

2

3

4

5

6

Desplazamiento (mm) Figura 4.11. Curva de fuerza en función del desplazamiento para probetas con junta tipo hueco.

Se obtuvo un valor promedio de resistencia a la tracción de (39 ± 10) KPa (tabla 4.4). Este valor representa el 39% del valor obtenido de resistencia a la tracción en probetas sin juntas. Se realizó además la observación de la superficie de fractura de cada probeta, las cuales se muestran a continuación, en la figura 4.12. Se realizó la medición del área de las zonas en las que falló la adhesión y se obtuvo un promedio de (60 ± 11) %. Esto indica que ante una junta del tipo Hueco, la resistencia a la tracción disminuye a un 39% del valor nominal, a causa de un área no adherida (salto). De la misma manera se determinó la resistencia a la tracción de probetas tomadas de juntas tipo gap, cresta y parejo y se obtuvo como resultado las curvas de esfuerzo en función de la deformación, las cuales permitieron el cálculo de la resistencia a la tracción para cada caso. Se realizó, además, la observación de la superficie de fractura de cada probeta, lo que permitió la medición del porcentaje de la superficie que falló por adhesión del EPS a las láminas metálicas. Ambos resultados son mostrados a continuación, en la tabla 4.4. Tabla 4.4. Resistencia a la tracción y % área sin adhesión para probetas con junta tipo Hueco, Gap, cresta y Parejo. Tipo de junta Hueco

Gap

Cresta

Parejo

Resistencia a la tracción (KPa)

% área sin adhesión

Resistencia a la tracción (KPa)

% área sin adhesión

Resistencia a la tracción (KPa)

% área sin adhesión

Resistencia a la tracción (KPa)

% área sin adhesión

(38,5 ± 10,1)

(60 ± 11)

(73,6 ± 13,6)

(27 ± 16)

(57,5 ± 9,4)

(57 ± 24)

(53,4 ± 19,2)

(55 ± 29)

64

Figura 4.12. Superficies de fracturas de las probetas del tipo Hueco ensayadas a tracción.

Las probetas con junta tipo Gap tienen el 74% del valor nominal de la resistencia a la tracción, seguidos por la junta tipo cresta con 59% y por último, la junta tipo parejo con 56%. La resistencia a la tracción, en el caso de probetas con juntas, es una función del porcentaje de la superficie de la probeta que sí fue adherido de manera correcta por la espuma de poliuretano. La baja resistencia a la tracción de la junta tipo parejo puede deberse a un defecto muy común en las láminas de EPS. Éste es un defecto de planitud, mostrado en la figura 4.13, en la dirección transversal de la lámina que, al encontrarse con la lámina posterior en la máquina, no ocasionan una junta pareja en todo el largo de la unión, sino un efecto combinado de juntas (Cresta y hueco) según cómo encaje el machihembrado.

65

Figura 4.13. Defecto de planitud en la dirección transversal de las láminas de EPS.

4.2.2. Determinación de la resistencia a la flexión del panel en la zona de la junta según norma UNE EN 12089. El ensayo de flexión en tres puntos fue aplicado a probetas de sección transversal rectangular de 70 x 100 x 400 mm, siguiendo el método B de la norma UNE EN 12089, con la junta en la mitad de la longitud total, obtenidas a partir del espesor predominante del panel y de paneles con juntas tipo Gap, cresta, parejo y hueco y puestas sobre los soportes de la máquina de ensayos de manera tal que la lámina galvanizada prepintada al horno quedara siempre sobre los soportes inferiores. Se realizó el ensayo de flexión para las probetas con junta tipo Hueco, y se obtuvo la curva de fuerza en función del desplazamiento para las tres probetas ensayadas, la cual se

Fuerza (N)

muestra a continuación, en la figura 4.14. 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

HF1 HF2 HF3

0

20

40

60

80

100

Desplazamiento (mm) Figura 4.14. Curvas de fuerza en función del desplazamiento para las probetas con junta tipo hueco.

66 En las curvas obtenidas se observa una estabilización de la carga a medida que aumenta el desplazamiento. Este valor de carga fue tomado como fuerza máxima para el cálculo de la resistencia a la flexión en las probetas HF1 y HF2. La probeta HF3, por el contrario, experimentó una falla de adhesión, ocasionada por la propagación de una grieta desde la zona de la junta hasta uno de los extremos de la probeta. Esta falla se evidencia en la curva correspondiente por una disminución repentina de la carga al alcanzar los 40 mm de desplazamiento. Por lo tanto, para la probeta HF3, se toma como fuerza máxima la carga promedio anterior a la falla (352 N). Los resultados de fuerza máxima y resistencia a la tracción para las probetas con junta tipo hueco son mostrados a continuación, en la Tabla 4.5. Tabla 4.5. Fuerza máxima y resistencia a la flexión para las probetas con junta tipo hueco. Resistencia a Fuerza Probeta la flexión máxima (N) (Kpa) HF1

382,8

410,2

HF2

367,2

393,4

HF3

351,6

376,7

Promedio Desviación

367,2 12,8

393,4 13,7

De la misma manera se determinó la resistencia a la flexión en tres puntos a probetas tomadas de juntas tipo gap, cresta y parejo y se obtuvo como resultado las curvas de esfuerzo en función de la deformación, las cuales permitieron el cálculo de la resistencia a la tracción para cada caso, resultados que son mostrados en la tabla 4.6. Tabla 4.6. Resultados de los ensayos de flexión en tres puntos aplicados a las probetas con tipo de junta Hueco, Cresta, Gap y Parejo. Resistencia a Tipo de Fuerza máxima (N) la flexión junta (KPa) 367,2 ± 12,8

393,4 ± 13,7

Cresta

365,3 ± 9,1

391,7 ± 10,2

Gap Parejo

341,1 ± 22,4 346,3 ± 9,7

365,5 ± 24,0 371,1 ± 10,4

Hueco

Los resultados obtenidos en el ensayo de flexión en tres puntos para los cuatro tipos de juntas no son muy disímiles entre sí. En todos los casos las probetas superan el valor de 350 KPa, lo que las clasifica dentro de la categoría BS350, la misma que para las probetas sin junta. Sin embargo, las magnitudes de las imperfecciones de brecha y paso creadas durante la producción del panel deben mantenerse al mínimo si se busca la homogeneidad de la calidad del panel.

67 4.2.3. Análisis visual. El análisis visual se realizó con el propósito de calificar la influencia del tipo de junta en el acabado visual del panel, presentada en forma de ondulaciones cortas o largas en la cara de acero galvanizado prepintado al horno. Este análisis se llevó a cabo en un lugar con luz natural y con los paneles dispuestos en posición vertical, de manera tal que los observadores pudieran identificar defectos en el acabado del panel. El análisis visual arrojó los mejores resultados para los paneles identificados con un tipo de junta “parejo” y “gap” y resultados mejorables para los identificados como “cresta” y “hueco”. Por las características de las juntas y la diferencia entre probetas identificadas dentro del mismo grupo, el análisis visual se complementó con las medidas realizadas a cada probeta, como se muestra en la Tabla 4.7. Los paneles con mejores resultados identificados por los observadores fueron los números 3, 6, 7 y 12. Los paneles con resultados mejorables son los números 1 y 2. Este estudio no arrojó relación entre lo que el espectador percibe como una ondulación pronunciada en la junta y la medida del salto de dicha junta, por lo que no trasciende como un resultado fiable. Tabla 4.7. Medida de salto en milímetros para cada panel sometido al análisis visual. Panel

Característica de la junta

Salto (mm)

Brecha (mm)

1

Cresta

1,05

0,00

2

Parejo

1,85

0,00

3

Parejo

0,35

0,00

4

Hueco

3,40

0,00

5

Hueco

1,60

0,00

6

Gap

0,00

4,70

7

Gap

1,90

3,95

8

Cresta

1,40

0,00

9

Gap

0,00

4,35

10

Hueco

2,40

0,00

11

Parejo

3,45

0,00

12

Cresta

1,50

0,00

68 4.3. Ensayos realizados al Poliestireno expandido. 4.3.1. Densidad del Poliestireno Expandido según norma UNE EN 1602. El poliestireno expandido (EPS) es comercializado según su densidad nominal la cual, en el caso del TERMOPANEL®, es de 12 Kg/m3. La medición de la densidad se realizó en muestras tomadas de diferentes zonas, y según lo que se muestra en las figuras 3.12 y 3.13 (Capítulo III). De esta medición se obtuvo los resultados que se reportan a continuación, en la tabla 4.8 (ver Apéndice D). Tabla 4.8. Densidades del poliestireno expandido en probetas tomadas de distintas zonas del bloque. Probeta

Densidad (Kg/m3)

1

15,2

2

13,7

3

12,7

7

14,8

8

13,6

9

12,6

El valor promedio de densidad real fue de (14 ± 1) Kg/m3, lo que representa un gradiente de alrededor de 16% en relación con el valor nominal del poliestireno expandido usado para el panel tipo sandwich. Esta variación puede ser atribuible al proceso de moldeo del EPS, a factores climáticos durante las etapas de secado, a la cantidad de pentano residual, entre muchos otros factores. En el caso del EPS, la densidad de una muestra relativamente pequeña cortada de un bloque puede ser significativamente diferente a la densidad total del bloque debido a las características ya comentadas en el capítulo II del presente estudio. En la figura 4.15 se muestra la densidad en función de la ubicación de las probetas.

Figura 4.15. Densidad en función de la ubicación de las probetas.

69 En la figura 4.15 se observa una dismunición progresiva de la densidad de izquierda a derecha, además de curvas con valores similares en cada punto (1 y 7, 2 y 8, 3 y 9). Esta disminución es atribuible netamente al flujo de vapor usado durante el moldeo del bloque de EPS, debido a que esta etapa es la encargada de fusionar las perlas del material. El flujo de vapor pierde efectividad a medida que atraviesa la masa de EPS, ocasionando una mejor fusión y mayor densidad en la pared del bloque en contacto con el flujo de vapor más directo. La densidad va disminuyendo a medida que disminuye la efectividad del vapor. (2) 4.3.2. Autoextinguibilidad según norma NTF 3972. El ensayo de autoextinguibilidad se realizó para corroborar la capacidad autoextinguible de la materia prima usada en planta, la cual es catalogada como ignífuga (Styropor F). Se construyó el soporte según norma y se procedió a ensayar tres probetas. El fuego se extinguió, en todas las probetas, a 25 mm del borde que estuvo en contacto con el fuego. La llama no se propagó, lo cual corrobora la calidad autoextinguible del poliestireno expandido usado en Industrias ISOTEX. Las probetas ensayadas 1 y 2 y la probeta patrón son mostradas en la figura 4.16.

Figura 4.16. Probetas ensayadas según norma NTF 3972.

4.3.3. Permeabilidad al agua a corto y largo plazo según normas UNE EN 1609 y UNE EN 12087. El ensayo de permeabilidad a corto y largo plazo fue aplicado a probetas de sección transversal cuadrada de 20 cm de lado y de espesor el correspondiente al predominante del panel, 7 cm. Las probetas estuvieron sometidas a inmersión parcial en agua corriente y fue determinada su masa al primer y décimo cuarto día. La medición de la permeabilidad a corto plazo se realizó según el método A de la norma UNE EN 1609. El EPS de densidad nominal de 12 kg/m3 absorbe lo equivalente a (135 ± 20) g/m2 (ver Apéndice E) en 24 horas (Wp), menos que los 500 g/m2 exigidos por la norma. Por su parte, la permeabilidad a largo plazo se realizó según el método 1A de la norma UNE EN 12087. El EPS de densidad nominal de 12 kg/m3 absorbe lo

70 equivalente a (219 ± 63) g/m2 en 14 días (Wlp), por lo que cumple con los requisitos, los cuales exigen un valor menor a 500 g/m2. La absorción de agua en el EPS ocurre principalmente por dos vías: la acción capilar y la difusión del agua. La vía principal de entrada de agua, en las espumas que como el caso del EPS están compuestas de perlas expandidas, es por los canales de aire que quedan entre perla y perla (canales intergranulares), seguido por la difusión de agua en el interior de cada perla. La porosidad de las espumas de perlas expandidas es