Características térmicas y mecánicas de los materiales

A continuación se presentan las definiciones que ligan a cada propiedad medida con esfuerzos o flujos de energía, y que dan lugar a los valores indicados en las tablas correspondientes.

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas se refieren a la mayor o la menor capacidad de transmitir calor o acumularlo, y así dar lugar a la inercia térmica de una construcción. Dichas capacidades se pueden definir como: densidad, calor específico y conductividad térmica, que se refieren al material. También están la transmitancia térmica, la capacidad calorífica, la inercia térmica y el retardo, que se refieren a los elementos constructivos, como son los cerramientos horizontales (techos), los cerramientos verticales transparentes (paños fijos, ventanas y puertas-ventanas) y los cerramientos verticales opacos (muros y puertas). El significado de estas propiedades térmicas se indica en los siguientes apartados.

Propiedades térmicas referidas al material

Propiedades térmicas referidas al elemento

Fuente: ^{Fuentes Freixanet (2009}, p. 122).

Figura 1 Curvas de retardo térmico de un muro 

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas se refieren a las variables más importantes para los materiales de construcción o la tecnología constructiva. Dichas propiedades son: la resistencia a la compresión simple, la resistencia a la tracción y la resistencia al corte. Se entiende por resistencia a la compresión simple la capacidad de los materiales para resistir cargas de aplastamiento antes de llegar a la rotura. En el caso de la resistencia a la tracción, esta es la capacidad de los materiales para resistir cargas que tienden a traccionarlo antes de llegar a la rotura. La resistencia al corte hace referencia a la capacidad para resistir cargas de cizallamiento. Estas resistencias tienen una misma expresión; lo que cambia en cada caso es la fuerza que se le imprime al elemento (^{Cieck, 2005}, p. 136).

Una vez definidos los conceptos de las propiedades térmicas y las mecánicas, se procede al análisis comparativo de cada una de ellas respecto a los materiales utilizados tanto en la construcción con tierra como en la construcción tradicional, de acuerdo con los resultados publicados por diferentes autores.

Densidades y propiedades térmicas de algunos materiales y componentes de la construcción con tierra e industrializados

En la Tabla 1 se muestran la densidad, la conductividad térmica y la transmitancia térmica de diferentes mezclas de barro y de algunos elementos empleados en la construcción con tierra como el adobe, el barro alivianado, el barro macizo, el BTC y la quincha. La Tabla 2 incluye los valores correspondientes de la densidad, la conductividad térmica, el espesor y la transmitancia térmica de paredes de ladrillo cocido común macizo, de ladrillo cerámico hueco y de hormigón macizo fabricado in situ.

Tabla 1 Propiedades térmicas de algunos materiales y elementos de construcción con tierra, según distintos autores y espesores 

Fuente: elaboración propia (2019).

Tabla 2 Propiedades térmicas de algunos materiales y elementos de la construcción tradicional, según distintos autores y espesores 

Fuente: elaboración propia (2018).

Se observa que los muros construidos con tierra tienen densidades cuyos valores varían entre 750 kg/m³ para el barro alivianado y los 2000 kg/m³ para el barro macizo; si se los compara con los materiales industrializados, sus densidades pueden oscilar entre los 1300 kg/m³ para el ladrillo macizo común y los 2400 kg/m³ para el hormigón fabricado in situ.

En correspondencia con los valores de la densidad de estos materiales, se pueden apreciar los valores de transmitancia térmica y de conductividad térmica, aportados por varios autores. Existen algunas diferencias entre la conductividad térmica de las construcciones de tierra y la convencional. En el primer caso se parte de valores de 0,30 W/ mK para el barro alivianado, de 0,95 W/mK para el adobe y de 1,60 W/mK para el barro macizo, con espesores variables desde los 0,074 m para la quincha hasta los 0,35 m del adobe.

En el segundo caso se parte de valores de 0,29 W/mK para el caso de la pared de ladrillo hueco hasta los 2,32 W/mK para el ladrillo macizo, con espesores de 0,18 m.

En la Figura 2 se pueden apreciar valores de conductividad térmica, en escala logarítmica, de los materiales utilizados comúnmente en la construcción tradicional. El poliestireno expandido es el de menor conductividad térmica, y el cobre, el de mayor conductividad térmica. En la misma Figura 2, se graficó el rango dentro del cual se hallan encuadrados los sistemas constructivos con tierra, y que varían entre los 0,46 W/mK y los 1,00 W/mK, lo cual muestra la poca variabilidad de la conductividad térmica en las tipologías constructivas con tierra respecto a otros materiales utilizados comúnmente en la construcción tradicional.

Fuente: elaboración propia, con base en Edison (2018).

Figura 2 Comparación de las conductividades térmicas de los materiales de construcción en W/mK (escala logarítmica) 

Si se analiza la relación entre la densidad y la conductividad térmica de los materiales (Figura 3), se puede observar cómo los materiales con bajas densidades tienen valores bajos de conductividad térmica. Esto se debe a que tienen una menor compactación del material y una mayor existencia de huecos con aire, y ello da por resultado un material más ligero y aislante respecto a uno denso y muy compacto. En el caso del hormigón liviano y celular, se puede ver esta relación, donde a mayor densidad, mayor conductividad. En el caso del adobe y de la tierra compactada, la densidad es relativamente constante, por lo que hay poca variabilidad en la conductividad; sin embargo, en el caso de la tierra aligerada y la quincha, las densidades son bajas, debido a la presencia de una mayor cantidad de aire y a la técnica manual de construcción que se emplea para la materialización de los muros (Tabla 1).

Fuente: ^{Evans (2004}), p. 15.

Figura 3 Relación densidad-conductividad 

Otro aspecto, analizado por varios autores, es el retraso térmico de los distintos sistemas constructivos. En la Tabla 3 se observa el retraso térmico comparativo entre un muro de adobe y un muro de tierra compactada, localizado en la zona Bioambiental IIIb, con espesores mínimos, según la Norma IRAM 11.605 (^{IRAM 11605, 1996}, p. 16), de 25 cm y 35 cm, respectivamente, y que dan un retraso térmico de 8,4 horas y 11,4 horas, ambos con una transmitancia térmica similar. En ninguno de los casos se corre riesgo de condensación superficial e intersticial.

De forma similar, se analiza comparativamente la respuesta térmica del adobe respecto a los materiales tradicionales, como el hormigón, el ladrillo y la piedra (Figura 4). Se aprecia que en todos los materiales existe una interrelación lineal entre el espesor del muro y el retraso térmico, donde el adobe se encuentra en una instancia intermedia entre el hormigón y el ladrillo. Si se realiza un estudio más riguroso, es común trabajar con muros de ladrillo de 0,20 m de espesor, lo cual da un retraso térmico de 6 hs. En cuanto al hormigón, para el mismo espesor el retardo es de 5 hs, pero en el adobe es característico construir muros con espesores de 0,30 m, lo cual da un retardo de 9 hs; es decir, si el pico máximo de temperatura exterior es al medio día, toda esa energía absorbida será entregada al ambiente interior alrededor de las 21 hs, que es cuando es más necesaria para lograr el confort. Obviando las pérdidas desde la superficie exterior del elemento hacia el aire exterior, se considera, así mismo, que la absorción solar de la superficie exterior se considera uniforme, lo cual indica un valor constante para todos los casos.

Fuente: ^{Evans (2007}, p. 10).

Figura 4 Curvas de retraso térmico de diferentes materiales de construcción 

Análisis de los valores máximos admisibles de transmitancia térmica para muros en Argentina

Con el fin de optimizar los cerramientos verticales de las viviendas, se utilizaron las normas ^{IRAM 11.603 (2012)} e ^{IRAM 11.605 (1996)}, para considerar el valor máximo admisible Kmaxadm de transmitancia térmica K en muros para cada zona bioambiental de Argentina (Figura 5).

Fuente: IRAM 11603 (1996, p. 38).

Figura 5 Zonas bioambientales de la Argentina 

Posteriormente se coteja si el cerramiento, tomando en cuenta su transmitancia térmica indicada en las Tablas 1 y 2, se verifica en las distintas zonas bioclimáticas, materializadas en las capitales de cada provincia a través de su temperatura exterior de diseño (invierno). La norma IRAM 11.605 indica 3 niveles de confort higrotérmico, que tienen que ver con la no existencia de condensación superficial, de acuerdo con la Norma IRAM 11.625 cuando las temperaturas interiores del aire se mantienen en determinados valores, donde Nivel A: Recomendado; Nivel B: Medio, y Nivel C: Mínimo. Para el presente estudio se ha considerado el Nivel C, que considera una temperatura de 18² C y hasta 4° C de diferencia entre la temperatura interior de diseño y la temperatura superficial interior del cerramiento.

En la Tabla 4 se muestran los valores de K_max adm para cada ciudad de provincia de Argentina, en función de la temperatura exterior de diseño (TED), de acuerdo con los valores de la Norma IRAM 11.603.

En la Tabla 5 se presentan los valores máximos de K en función de la zona bioambiental definida en la norma IRAM 11.603 y el nivel de confort térmico. Las localidades ubicadas en zona bioambiental V y VI no requieren enfriamiento.

Tabla 5 Valores máximos de transmitancia térmica en función de la zona bioambiental y el nivel de confort higrotérmico 

Fuente: IRAM 11605 (1996, p. 7).

Tomando en cuenta el Nivel C de confort y los valores máximos admisibles de transmitancia térmica K para la época de invierno, en la Tabla 6 se observa cuáles son los materiales aptos térmicamente para ser utilizados en la construcción de los cerramientos de los edificios, según las diferentes zonas bioclimáticas de la Argentina establecidas en la norma IRAM 11.603.

Tabla 6 Verificación de la transmitancia térmica de diversos materiales en las zonas bioambientales 

Fuente: elaboración propia, con base en IRAM 11.601 (2002, p. 14).

Para el análisis se consideraron los casos más comunes utilizados en la construcción tradicional, correspondientes a los muros de ladrillo de 0,20 m de espesor, con mampuestos de espesores de 0,18 m y con revoques en ambas caras de 0,01 m. Para los bloques de hormigón se los consideró sin revoque, y en ambos casos se utilizaron los valores de resistencias superficiales interior 0,13 m²K/W y exterior 0,04 m²K/W.

Para el muro de ladrillo revocado se obtuvo un valor de K = 2,58 W/m²K, según lo cual resulta que dicho valor no verifica para ninguna zona bioambiental. Si se aumenta su espesor a 0,30 m, el valor de K disminuye a 2,03 W/m²K, verificando solamente para verano en las zonas bioambientales Illa, IVa y IVb, que corresponden a zonas muy cálidas y a cálidas (Figura 4). En el caso del muro de bloque de hormigón con relleno de lana de vidrio, se tiene un espesor de 0,19 m, que verifica para todas las zonas bioambientales; esta es la opción óptima para el invierno.

Estimaciones del espesor del muro exterior según la técnica empleada para las construcciones con tierra

A partir del análisis realizado según diferentes autores y normas, se tomaron cinco técnicas de construcción con tierra: el adobe, el BTC, la tapia, la quincha y la paja encofrada, y se estimó el ancho mínimo de un muro exterior portante o autoportante necesario para que verifiquen los valores de K del nivel de confort C (Tabla 7) adecuados para la los muros exteriores de una vivienda localizada en el Cran Buenos Aires, correspondiente a la zona bioambiental IIIb (zona templada cálida con amplitudes térmicas pequeñas durante todo el año). Para el caso del adobe y del BTC, los espesores de los muros en el exterior varían entre 0,35 m y 0,43 m. Para la tapia es necesario trabajar con espesores de muros de 0,40 m. En cuanto a la quincha y la paja encofrada, que tienen mayor capacidad aislante -por la caña, en el caso de la quincha, y por el aire contenido entre la paja, en el caso de la paja encofrada-, ambas permiten disminuir los espesores de trabajo, que en la quincha es de 0,28 m para los muros exteriores. Así mismo, en el caso de la quincha, se ha analizado que, en el caso extremo de la localidad de Río Callegos, el espesor del muro de quincha debe ser de 0,27 m para mantenerse dentro del nivel C de la norma, y, en caso de ser factible, se puede lograr un nivel B, con un espesor de 0,13 m totales, pero incorporando 2 cm de poliestireno expandido (^{Cuitiño, Esteves & Rotondaro, 2014}). En el caso de la paja encofrada, el espesor de muro requerido es de 0,25 m. Observando estos valores, se puede concluir que para el Cran Buenos Aires los cerramientos con alguna de estas cinco técnicas son una opción térmica aceptable al cerramiento de ladrillo cerámico de 0,35 m de espesor.

Tabla 7 Estimaciones del espesor mínimo del muro exterior necesario para verificar nivel de confort higrotérmico C en zona bioclimática IIIb (área central de la Provincia de Buenos Aires).  

Fuente: elaboración propia (2018).

Resistencia mecánica de materiales y componentes de muros de cerramiento

Existe una reiterada discriminación de las construcciones con tierra, debido a la falta de conocimiento respecto a las características mecánicas de los materiales, los componentes y los sistemas constructivos empleados. Muchos autores han llevado a cabo ensayos en piezas de adobe, BTC y tapia, principalmente, para determinar la resistencia a esfuerzos de compresión simple, corte y flexión. Este comportamiento es de suma importancia al momento de diseñar y construir. En la etapa de evaluación de la resistencia de los elementos constructivos, es cuando cobran relevancia la técnica de elaboración del sistema constructivo, los materiales y las proporciones utilizadas.

La Norma Peruana de Adobe E.080 (^{Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, 2000}) define el adobe como un "bloque macizo de tierra sin cocer, el cual puede contener paja u otro material que mejore su estabilidad frente a agentes externos y atenúe las fisuras por contracción de secado". En el caso del BTC, el proceso es más controlado, debido a que se utiliza una prensa para generar la presión de compactación, a diferencia del mampuesto de adobe, que no se fabrica con compactación del mortero. Esta compresión implica un aumento de la densidad del bloque, lo que le confiere mejores capacidades mecánicas.

La tapia difiere de los anteriores componentes en el hecho de que consiste en un encofrado móvil dentro del cual se va comprimiendo la tierra estabilizada por capas, mediante un pisón, y de ese modo se construye el muro por partes. En las Tablas 8, 9, 10 y 11 se presentan valores de resistencia a la compresión, a la flexión y a la tracción obtenidos por diversos autores, a partir de ensayos normalizados en distintos países y de datos propios.

Tabla 8 Valores de resistencias mecánicas del adobe. 

Fuente: elaboración propia (2018).

Tabla 9 Valores de resistencias mecánicas del BTC 

Fuente: elaboración propia (2018).

Tabla 10 Valores de resistencias mecánicas de compresión del tapial 

Fuente: elaboración propia (2018).

Para el caso del adobe, la resistencia a la compresión varía entre 3 kgf/cm² y 21 kgf/cm²; son muy bajas sus resistencias a la tracción y al corte: 3,16 kgf/cm². El BTC mejora la respuesta, al obtenerse con él valores que van desde 17 kg/cm² hasta 121,8 kg/cm². La oscilación responde al contenido de cemento en la mezcla: a medida que aumenta el porcentaje agregado de cemento, aumenta la resistencia a la compresión y a la flexión. Finalmente, aligerada y la tapia; este comportamiento tiene que ver con la diversidad de densidades; también, con la variabilidad de los materiales y de los morteros que habitualmente se emplean en su fabricación.

Se pudo observar, además, que la conductividad térmica varía de forma exponencial respecto a la densidad, la cual se modifica de acuerdo con el agregado de fibra vegetal y el grado de compactación. Es decir, a mayor compactación disminuye la porosidad, o porcentaje de aire contenido en el interior, y de esta forma disminuye también la aislación y aumenta la conductividad térmica: a mayor densidad del elemento constructivo, mayor valor de conductividad. Este comportamiento es, probablemente, el origen de las diferencias, a veces notables, entre los valores de conductividad térmica o de transmitancia térmica, de acuerdo con los resultados obtenidos mediante ensayos normalizados llevados a cabo por diferentes autores. Resumiendo el comportamiento térmico, en la Tabla 12 se muestra, independientemente de los autores, entre qué intervalos oscilan los valores de densidad, conductividad y transmitancia térmica, datos resumidos de las Tablas 1 y 2.

Tabla 12 Rangos de valores de densidad, conductividad y transmitancia térmica de componentes y materiales de la construcción con tierra y otros industriales 

Fuente: elaboración propia (2018).

Se observa que los valores de densidad encontrados para los materiales de las técnicas constructivas con tierra con morteros de baja densidad de fibras y con suelos estabilizados compactados tienen valores de entre 1200 kg/m³ y 2200 kg/ m³, dado que no es posible trabajar con densidades menores, pues hacerlo implica la existencia de mucho aire incorporado en los morteros.

En el caso de los materiales industrializados más utilizados en la construcción convencional en Argentina, se observa que se trabaja con densidades superiores, que están entre los 1305 kg/m³ y los 2400 kg/m³.

Respecto a la Norma IRAM 11.605, se puede concluir que para lograr el nivel C de confort ambiental en la zona IIIb, correspondiente a la Provincia de Buenos Aires, esta es de 1,85 W/m² K, y se observó que con la tecnología convencional hay que trabajar con muros de ladrillos cocidos comunes macizos de 0,35 m de espesor, y en el caso del bloque cerámico hueco y del bloque cerámico portante se necesita un muro de 0,20 m de espesor, para lograr ese nivel de aislación. Comparativamente, los espesores necesarios estimados para los muros exteriores de adobe y de BTC oscilan entre 0,35 m y 0,43 m; en la tapia se necesita un muro de 0,40 m; en el caso de la quincha, espesores de 0,28 m, y para la paja encofrada, de 0,25 m.

El otro aspecto analizado es el comportamiento de la resistencia mecánica, principalmente a la compresión simple, dado que es una de las propiedades mecánicas más importantes de los materiales y los componentes de construcción con tierra. En el caso de la resistencia a compresión simple, el intervalo de variación es de entre 3 kgf/cm² y 21 kgf/cm² para el adobe, exceptuando un solo valor de 30,4 kgf/cm² en la Tabla 9, en el que son muy bajas las resistencias a la tracción y al corte. La resistencia a la compresión simple mejora en el caso del BTC, con valores entre 17 kg/cm² y 121,8 kg/cm², comparables con los del ladrillo común cocido, que pueden oscilar entre 17,5 kgf/cm² y 70 kgf/cm², y los del bloque hueco de hormigón, que se encuentran entre los 45,5 kgf/cm² y los 130 kgf/cm².