DESARROLLO DE MODELOS DE COMPORTAMIENTO ACÚSTICO Y CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL DE MATERIALES ELABORADOS CON ALIGERANTES PARA LA CONSTRUCCIÓN. APLICACIÓN A SISTEMAS DE CONTROL DE RUIDO

Abstract

[EN] The work presented here focuses on the study of the acoustic behavior of rigid structure granular materials derived from natural products. Lightening materials are employed in construction. Severals products are extracted directly from quarry, being processed in industrial treatment plants to obtain the required properties. These materials do not contribute to environmental pollution from the point of view of the product nature. Products as arlite and vermiculite are available in the market with different particle sizes. These materials have very interesting properties: they exhibit high porosity, withstand high temperatures, have advantages from an economic point of view and their density is low. These lightweight materials are used in applications as loose material for various purposes: gardening, filling landfills or thermal insulation, among other examples. However, porous granular products obtained from expanded clay aggregates or vermiculite in cement mortar open a wide field of possibilities: acoustic screens to reduce acoustic impact in public or residential areas, absorbent material seen or hidden for walls and ceilings, etc. The potential of these granular materials in construction is interesting as they allow formation of prefabricated panels with multiple aesthetic geometries obtained under formwork molds. In this thesis the use of such composites is proposed in order to increase the sound attenuation in industrial noise control devices, such as silencers used in energy production plants, combustion engines, ventilation systems and air conditioning. To do this, the evaluation of properties as well as acoustic and non-acoustic parameters is carried out of various particle sizes obtained with arlite and vermiculite and the acoustic absorption coefficient is also obtained. The high temperature resistance of the granular material enables their use in severals industrial applications, including those discussed above in the field of industrial noise control devices. The feasibility of the solutions examined and proposed in this PhD thesis as sound-absorbing material to use inside silencers is an aspect to consider and its application in this sector is studied. It is interesting to obtain a granular product with sufficient consistency. As it is shown in the work , the amount of cement used in the preparation of the mortar sets the grain size of the final product and is decisive for a lightweight strength material in practical applications. The influence of the dosing of raw materials in the preparation of the mixture is analyzed. This effect is very important in vermiculite. After an exhaustive process, five granular compounds (2 from arlite and 3 from vermiculite) with different grain size are analized and acoustically studied. Sound absorption coefficient and flow resistivity are experimentally measured. Other non-acoustic parameters such as porosity, tortuosity and pore size distribution were experimentally determined. The implementation of these parameters in a theoretical model to predict acoustic performance has allowed the quantification of the sound absorption quickly and accurately without using the impedance tube. Of the various approaches available in the literature, Horoshenkov and Swift model for acoustical prediction in granular materials is selected due to its accuracy and the reduced number of parameters involved, as well as the possibility of obtaining these parameters with the available experimental equipment of the research team within which this PhD thesis is framed. The potencial and viability of these developed granular products for noise control in industrial applications (mufflers used in power production plants, engines, ventilation systems, etc.) is analyzed in the test bench available at the Department.

[ES] La memoria aquí presentada se centra en el estudio del comportamiento acústico de materiales granulares de estructura rígida obtenidos a partir de productos naturales. En el sector de la edificación se dispone de materiales con baja densidad que se emplean asiduamente en la construcción. Entre ellos, los productos que son extraídos directamente de cantera, procesados en planta de tratamiento industrial para obtener las propiedades adecuadas, no suponen una carga medioambiental desde el punto de vista de la naturaleza del material. Productos como la arlita y la vermiculita se encuentran disponibles en el mercado con distintas granulometrías. Estos materiales tienen propiedades muy interesantes: presentan alta porosidad, soportan altas temperaturas, son ventajosos desde un punto de vista económico y disponen de baja densidad. Estos materiales ligeros se utilizan en diversas aplicaciones como material suelto para diversos fines: jardinería, relleno de terraplenes o aislante térmico, entre otros ejemplos. Sin embargo, la obtención de productos granulares porosos mediante la utilización de agregados de arlita o vermiculita en la preparación del mortero de cemento abre un gran campo de posibilidades: pantallas acústicas para reducción del impacto acústico en zonas públicas o residenciales, material absorbente de aporte visto u oculto en paredes y techos, etc. El potencial que ofrecen estos materiales granulares en la construcción es muy importante ya que permiten la conformación de paneles prefabricados con múltiples geometrías estéticas obtenidas en base a unos moldes de encofrado. En la presente Tesis Doctoral se plantea además la utilización de este tipo de materiales compuestos con vistas a aumentar la atenuación sonora en dispositivos de control de ruido industriales, tales como los silenciadores utilizados en plantas de producción de energía, motores de combustión, sistemas de ventilación y aire acondicionado. Para ello, se lleva a cabo la obtención de propiedades y parámetros acústicos y no acústicos de diversas granulometrías con arlita y vermiculita y se evalúan las posibilidades acústicas de estos productos porosos mediante el análisis detallado del coeficiente de absorción. La alta resistencia a la temperatura del material granular obtenido posibilita su uso en un amplio abanico de aplicaciones industriales, entre las que se incluyen las comentadas anteriormente en el ámbito de los dispositivos de control de ruido industriales. La viabilidad de las soluciones estudiadas y propuestas en esta Tesis Doctoral como material fonoabsorbente a utilizar en el interior de silenciadores es un aspecto a tener en cuenta y se estudia su aplicación en este sector. Resulta significativo destacar que es importante obtener un producto granular con suficiente consistencia. Como se muestra en el trabajo realizado, la cantidad de cemento empleada en la preparación del mortero configura el tamaño de grano del producto final y es determinante para obtener un material ligero y con resistencia adecuada para aplicaciones prácticas. Se analiza la influencia de la dosificación de las materias primas en la preparación de la mezcla, estudiando su efecto en mayor detalle sobre la vermiculita ya que es muy sensible a pequeños cambios en las dosificaciones. Por su parte, la arlita, tiene un comportamiento totalmente distinto, resultando un material muy resistente en comparación con la vermiculita. Tras un proceso exhaustivo, se han seleccionado 5 compuestos granulares (2 de arlita y 3 de vermiculita) con distinto tamaño de grano para ser analizados y estudiados en detalle desde un punto de vista acústico en diversas campañas de mediciones experimentales. Dada su relevancia, se ha determinado el coeficiente de absorción acústica y la resistividad al flujo. Otros parámetros no acústicos, como la porosidad, la tortuosidad y la distribución de tamaño de poro se han determinado de modo experimental. La

[CA] La memòria ací presentada es centra en l'estudi del comportament acústic de materials granulars d'estructura rígida obtinguts a partir de productes naturals. En el sector de l'edificació es disposa de materials amb baixa densitat que s'empren assíduament en la construcció. Entre ells, els productes que són extrets directament de pedrera, processats en planta de tractament industrial per a obtindre les propietats adequades, no suposen una càrrega mediambiental des del punt de vista de la naturalesa del material. Productes com l'arlita i la vermiculita es troben disponibles en el mercat amb distintes granulometries. Estos materials tenen propietats molt interessants: presenten alta porositat, suporten altes temperatures, són avantatjosos des d'un punt de vista econòmic i disposen de baixa densitat. Estos materials lleugers s'utilitzen en diverses aplicacions com a material solt per a diversos fins: jardineria, farcit de terraplens o aïllant tèrmic, entre altres exemples. No obstant això, l'obtenció de productes granulars porosos per mitjà de la utilització d'agregats d'arlita o vermiculita en la preparació del morter de ciment obri un gran camp de possibilitats: pantalles acústiques per a reducció de l'impacte acústic en zones públiques o residencials, material absorbent d'aportació vist o ocult en parets i sostres, etc. El potencial que oferixen estos materials granulars en la construcció és molt important ja que permeten la conformació de panells prefabricats amb múltiples geometries estètiques obtingudes basant-se en uns motles d'encofrat. En la present Tesi Doctoral es planteja a més la utilització d'este tipus de materials compostos amb vista a augmentar l'atenuació sonora en dispositius de control de soroll industrials, com ara els silenciadors utilitzats en plantes de producció d'energia, motors de combustió, sistemes de ventilació i aire condicionat. Per a això, es du a terme l'obtenció de propietats i paràmetres acústics i no acústics de diverses granulometries amb arlita i vermiculita i s'avaluen les possibilitats acústiques d'estos productes porosos per mitjà de l'anàlisi detallat del coeficient d'absorció. L'alta resistència a la temperatura del material granular obtingut possibilita el seu ús en un ampli camp d'aplicacions industrials, entre les que s'inclouen les comentades anteriorment en l'àmbit dels dispositius de control de soroll industrials. La viabilitat de les solucions estudiades i propostes en esta Tesi Doctoral com a material fonoabsorbent a utilitzar en l'interior de silenciadors és un aspecte a tindre en compte i s'estudia la seua aplicació en este sector. Resulta significatiu destacar que és important obtindre un producte granular amb suficient consistència. Com es mostra en el treball realitzat, la quantitat de ciment empleada en la preparació del morter configura la grandària de gra del producte final i és determinant per a obtindre un material lleuger i amb resistència adequada per a aplicacions pràctiques. S'analitza la influència de la dosificació de les matèries primeres en la preparació de la mescla, estudiant el seu efecte en major detall sobre la vermiculita ja que és molt sensible a xicotets canvis en les dosificacions. Per la seua banda, l'arlita, té un comportament totalment distint, resultant un material molt resistent en comparació amb la vermiculita. Després d'un procés exhaustiu, s'han seleccionat 5 compostos granulars (2 d'arlita i 3 de vermiculita) amb distinta grandària de gra per a ser analitzats i estudiats en detall des d'un punt de vista acústic en diverses campanyes de mesuraments experimentals. Donada la relevancia, s'ha determinat el coeficient d'absorció acústica i la resistivitat al flux. Altres paràmetres no acústics, com la porositat, la tortuositat i la distribució de grandària de porus s'han determinat de manera experimental. La implementació d'estos paràmetres en un model teòric de comportament