نبذة مختصرة : (English) In the current context, sustainable construction prioritises innovative materials that combine energy efficiency, mechanical strength and safety against extreme conditions, such as fire, in order to address the challenges of climate change and human needs. Fibre-reinforced cementitious composites and phase change materials (PCM) are emerging as a promising solution, particularly in raised roof pavements, where thermal regulation is essential. The main objective of this thesis is to develop a cement board reinforced with non-woven vegetable fibres and PCM for raised roof pavements, determining the optimal dosage of cement, fibres and PCM that maximises mechanical resistance and thermal regulation capacity, as well as analysing its response to fire. The research seeks to advance the integration of PCM and plant fibres into cementitious matrices, proposing improvements for their practical application in construction with an environmental focus. The methodology, which is highly experimental in nature, was structured in several stages. First, the state of the art on cementitious composites and PCM was reviewed, identifying trends and challenges. Subsequently, an experimental campaign was designed that included: selection of materials (commercial cements, non-woven fibres and pure and microencapsulated PCMs), formulation of mixtures with different proportions of fibres and PCMs compared to a control without PCMs, evaluation of mechanical properties (flexural strength), thermal properties (conductivity, thermal storage and retardation) and fire behaviour through standardised tests, and statistical analysis to determine the impact of each component. The results show that the incorporation of PCM RT28 through direct impregnation into non-woven fibres in cementitious composites improves thermal properties, achieving a delay in temperature changes comparable to that of microencapsulated PCM mixed into the cementitious matrix. However, the composite made with PCM RT28 has superior mechanical strength, with a modulus of rupture (MOR) approximately three times greater than that of the microencapsulated composite, although both show a decrease in strength compared to samples without PCM. The non-woven fibres, by effectively impregnating the PCM, reinforce the cohesion of the composite and preserve hardening by deformation, partially mitigating the loss of mechanical strength. Although both the vegetal fibres and the PCM used are organic in nature and therefore combustible, the cementitious composites exhibited good fire performance, with low-intensity flames and a high self-extinguishing capacity once the heat source was removed. Overall, the samples with PCM incorporated through fibre impregnation showed better fire behaviour than those formulated with microencapsulated PCM: although ignition occurred slightly earlier, the total heat released (THR), as measured in the cone calorimeter tests, was substantially lower. This combination, which has been little explored, balances thermal efficiency and structural functionality, with direct applications in sustainable buildings. The research provides a detailed analysis of the interaction between plant fibres, PCM and the cement matrix, proposing optimal dosages and strategies to mitigate fire-related risks. The results lay the foundations for future research and practical applications, promoting the development of more efficient and sustainable building materials.
نبذة مختصرة : (Català) En el context actual, la construcció sostenible prioritza materials innovadors que integrin eficiència energètica, resistència mecànica i seguretat enfront de condicions extremes, com el foc, per a abordar els desafiaments del canvi climàtic i les necessitats humanes. Els compostos cementicios reforçats amb fibres i materials de canvi de fase (PCM) es perfilen com una solució prometedora, en particular en paviments elevats de cobertes, on la regulació tèrmica és essencial. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar una placa de ciment reforçat amb fibres vegetals no teixides i PCM per a paviments elevats de cobertes, determinant el dosatge òptim de ciment, fibres i PCM que maximitzi la resistència mecànica i la capacitat de regulació tèrmica, a més d'analitzar la seva resposta al foc. La recerca busca avançar en la integració de PCM i fibres vegetals en matrius cementicias, proposant millores per a la seva aplicació pràctica en la construcció amb un enfocament mediambiental. La metodologia, de marcat caràcter experimental, es va estructurar en diverses etapes. Primer, es va revisar l'estat de l'art sobre compostos cementicios i PCM, identificant tendències i desafiaments. Posteriorment, es va dissenyar una campanya experimental que va abastar: selecció de materials (ciments comercials, fibres de no teixits i PCM pur i microencapsulados), formulació de mescles amb diferents proporcions de fibres i PCM enfront d'un control sense PCM, avaluació de propietats mecàniques (resistència a flexió), tèrmiques (conductivitat, emmagatzematge i retard tèrmic) i comportament al foc mitjançant assajos normalitzats, i anàlisi estadística per a determinar l'impacte de cada component. Els resultats mostren que la incorporació del PCM RT28 mitjançant impregnació directa en fibres de no teixit en compostos cementicios millora les propietats tèrmiques, aconseguint un retard en els canvis de temperatura comparable al del PCM microencapsulado barrejat en la matriu cementicia. No obstant això, el compost elaborat amb PCM RT28 presenta una resistència mecànica superior, amb un mòdul de ruptura (MOR) aproximadament tres vegades major que el de compost amb microencapsulado, encara que tots dos presenten una disminució en la resistència respecte a mostres sense PCM. Les fibres de no teixit, en impregnar el PCM de manera efectiva, reforcen la cohesió del compost i preserven l'enduriment per deformació, mitigant parcialment la pèrdua de resistència mecànica. Tot i que tant les fibres vegetals com el PCM emprat són d’origen orgànic i, per tant, combustibles, els compostos cimenticis van mostrar un bon comportament davant del foc, amb flames tènues i una elevada capacitat d’extinció en retirar la font de calor. En general, les mostres amb PCM incorporat mitjançant la impregnació de les fibres van presentar un millor comportament al foc que aquelles formulades amb PCM microencapsulat: si bé la ignició es va produir una mica abans, la quantitat total de calor alliberada (THR), mesurada en els assaigs amb calorímetre de con, va ser substancialment més baixa. Aquesta combinació, poc explorada, equilibra eficiència tèrmica i funcionalitat estructural, amb aplicacions directes en edificacions sostenibles. La recerca aporta una anàlisi detallada de la interacció entre fibres vegetals, PCM i la matriu cementicia, proposant dosatges òptims i estratègies per a mitigar riscos associats al foc. Els resultats estableixen les bases per a futures recerques i aplicacions pràctiques, promovent el desenvolupament de materials de construcció més eficients i sostenibles.
(Español) En el contexto actual, la construcción sostenible prioriza materiales innovadores que integren eficiencia energética, resistencia mecánica y seguridad frente a condiciones extremas, como el fuego, para abordar los desafíos del cambio climático y las necesidades humanas. Los compuestos cementicios reforzados con fibras y materiales de cambio de fase (PCM) se perfilan como una solución prometedora, en particular en pavimentos elevados de cubiertas, donde la regulación térmica es esencial. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una placa de cemento reforzado con fibras vegetales no tejidas y PCM para pavimentos elevados de cubiertas, determinando la dosificación óptima de cemento, fibras y PCM que maximice la resistencia mecánica y la capacidad de regulación térmica, además de analizar su respuesta al fuego. La investigación busca avanzar en la integración de PCM y fibras vegetales en matrices cementicias, proponiendo mejoras para su aplicación práctica en la construcción con un enfoque medioambiental. La metodología, de marcado carácter experimental, se estructuró en varias etapas. Primero, se revisó el estado del arte sobre compuestos cementicios y PCM, identificando tendencias y desafíos. Posteriormente, se diseñó una campaña experimental que abarcó: selección de materiales (cementos comerciales, fibras de no tejidos y PCM puro y microencapsulados), formulación de mezclas con distintas proporciones de fibras y PCM frente a un control sin PCM, evaluación de propiedades mecánicas (resistencia a flexión), térmicas (conductividad, almacenamiento y retardo térmico) y comportamiento al fuego mediante ensayos normalizados, y análisis estadístico para determinar el impacto de cada componente. Los resultados muestran que la incorporación del PCM RT28 mediante impregnación directa en fibras de no tejido en compuestos cementicios mejora las propiedades térmicas, logrando un retardo en los cambios de temperatura comparable al del PCM microencapsulado mezclado en la matriz cementicia. No obstante, el compuesto elaborado con PCM RT28 presenta una resistencia mecánica superior, con un módulo de ruptura (MOR) aproximadamente tres veces mayor que el de compuesto con microencapsulado, aunque ambos presentan una disminución en la resistencia respecto a muestras sin PCM. Las fibras de no tejido, al impregnar el PCM de forma efectiva, refuerzan la cohesión del compuesto y preservan el endurecimiento por deformación, mitigando parcialmente la pérdida de resistencia mecánica. Aunque tanto las fibras vegetales como el PCM empleado son de naturaleza orgánica y, por tanto, combustibles, los compuestos cementicios mostraron un buen comportamiento frente al fuego, con llamas tenues y una elevada capacidad de extinción al retirar la fuente de calor. En general, las muestras con PCM incorporado mediante impregnación de las fibras presentaron un mejor comportamiento al fuego que aquellas formuladas con PCM microencapsulado: si bien la ignición se produjo un poco antes, la cantidad total de calor liberado (THR), medida en los ensayos con calorímetro de cono, fue sustancialmente más baja. Esta combinación, poco explorada, equilibra eficiencia térmica y funcionalidad estructural, con aplicaciones directas en edificaciones sostenibles. La investigación aporta un análisis detallado de la interacción entre fibras vegetales, PCM y la matriz cementicia, proponiendo dosificaciones óptimas y estrategias para mitigar riesgos asociados al fuego. Los resultados establecen las bases para futuras investigaciones y aplicaciones prácticas, promoviendo el desarrollo de materiales de construcción más eficientes y sostenibles.
DOCTORAT EN TECNOLOGIA DE L'ARQUITECTURA, DE L'EDIFICACIÓ I DE L'URBANISME (Pla 2013)
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