Energy efficiency and waste management are key to a more sustainable system in the face of climate change and the resource crisis. The building sector, as a major consumer of energy and raw materials, plays a crucial role in the environmental goals of the EU and the UN. These environmental policies are driving the energetic rehabilitation of the European building stock, where expanded polystyrene (EPS) has become one of the main waste products generated, ending up in landfills or incinerated, increasing the strong environmental impact already generated by the sector, one of the most polluting on the planet.
This research aims to reduce the consumption of natural raw materials in manufacturing gypsum-based composites by reincorporating EPS waste from energy rehabilitation work on façades, using an innovative process for recovering this waste. At the same time, the aim is for these new materials to contribute to sustainability and energy efficiency in buildings, reducing their specific weight, increasing their durability and optimising their thermal properties.
Thus, a physicochemical, physical and mechanical characterisation of a new gypsum composite has been carried out, in which the conglomerating material has been replaced by EPS waste in solution. The substitution was carried out gradually, resulting in savings of up to 27% in conventional raw materials in mass. With the base material obtained, the incorporation of recycled materials discarded by industry or reinforcement materials in fibre has been proposed to improve its mechanical and thermal properties.
The results show that the process developed in this research generates a cohesive gypsum matrix, integrating the waste at the microscopic level. The EPS dissolution, in turn, creates a high porosity in the gypsum material after setting, reducing bulk density by up to 33%. This reduces its thermal conductivity by 62% compared to gypsum without additions, thus increasing the overall thermal resistance of facades with only 25 mm boards by 10.6%. Additionally, these boards increase considerably their flexural strength compared to the reference.
It has been observed that the dissolution of EPS waste creates a waterproofing barrier within the gypsum matrix upon solidifying, significantly reducing water absorption and lowering surface absorption by 97.8% compared to the reference. This enhances the durability of composites under accelerated ageing cycles, achieving values well above standard requirements while preserving the material’s excellent thermal properties throughout its lifespan.
Likewise, it was observed that the designed composites did not crack after exposure to a real fire, obtaining higher mechanical resistance compared to gypsum without additions. On the other hand, the analysis of the supply chain of the boards made with these composites has shown an improvement during the distribution process, by reducing the costs derived from a more efficient transport and with a lower environmental impact associated with lower consumption of fossil fuels.
The proposed new methodology for reusing EPS waste in gypsum composites allows the incorporation of large volumes of residues that are not viable in solid form, significantly improving the performance of these composites. This research takes a two-pronged approach, applying circular economy criteria through the reuse of waste to reduce pressure on landfills, as well as developing materials that contribute to reducing the energy footprint of buildings during their lifetime.
RESUMEN
La eficiencia energética y la gestión de residuos son ejes clave para un sistema más sostenible frente al cambio climático y la crisis de recursos. El sector de la edificación, como gran consumidor de energía y materias primas, juega un papel crucial en las metas ambientales de la UE y la ONU. Estas políticas medioambientales están impulsando la rehabilitación energética del parque inmobiliario europeo, donde el poliestireno expandido (EPS) se ha convertido en uno de los principales residuos generados, acabando en vertederos o incinerados, aumentando el fuerte impacto ambiental que ya genera el sector, uno de los más contaminantes del planeta.
Esta investigación tiene como objetivo la reducción del consumo de materias primas naturales en la fabricación de compuestos con base yeso, mediante la reincorporación de residuos de EPS procedentes de trabajos de rehabilitación energética de fachadas, empleando para ello un proceso innovador de recuperación de estos desechos. A su vez, se busca que estos nuevos materiales contribuyan a la sostenibilidad y eficiencia energética en edificación, reduciendo su peso específico, aumentando su durabilidad y optimizando sus propiedades térmicas.
Así, se ha realizado una caracterización fisicoquímica, física y mecánica de un nuevo compuesto de yeso, en el cual se ha sustituido el material conglomerante por residuos de EPS en disolución. La sustitución se ha realizado de forma progresiva, alcanzando hasta un 27% en el ahorro de las materias primas convencionales en masa. Con el material base obtenido, se ha propuesto la incorporación de materiales reciclados descartados por la industria o materiales de refuerzo en forma de fibra, con el objetivo de mejorar sus propiedades mecánicas y térmicas.
Los resultados muestran que el proceso desarrollado en esta investigación genera una matriz de yeso cohesionada, integrándose los residuos a nivel microscópico. La disolución de EPS crea a su vez una alta porosidad en el material de yeso tras el fraguado, lo que favorece la reducción de la densidad aparente hasta un 33%. Este aspecto reduce su conductividad térmica en un 62% frente al yeso sin adiciones, aumentando así un 10.6% la resistencia térmica global de fachadas con placas de solo 25 mm. Además, estas placas mostraron un considerable aumento en su resistencia a flexión en relación con la referencia.
Se ha observado como la disolución de residuos de EPS crea una barrera impermeabilizante en el interior de la matriz de yeso al solidificar, lo que reduce significativamente la absorción de agua, reduciendo así la absorción superficial en un 97.8% con respecto la referencia. Este aspecto aumenta la durabilidad de los compuestos ante ciclos de envejecimiento acelerado, obteniendo valores muy superiores a los requeridos por la normativa, además de favorecer el mantenimiento de las excelentes propiedades térmicas del material a lo largo de su vida útil.
Así mismo, se observó como los compuestos diseñados no se fisuraban tras su exposición a un fuego real, obteniendo mayores resistencias mecánicas en comparación con el yeso sin adiciones. Por otro lado, el análisis de la cadena de suministro de las placas elaboradas con estos compuestos ha demostrado suponer una mejora durante el proceso de distribución, al disminuir los costes derivados de un transporte más eficiente y con menor impacto medioambiental asociado a un menor consumo de combustibles fósiles.
La nueva metodología propuesta para reutilizar residuos de EPS en compuestos de yeso permite incorporar grandes volúmenes de residuos inviables en estado sólido, mejorando significativamente las prestaciones de este tipo de compuestos. Esta investigación plantea un doble enfoque en el que se aplican criterios de economía circular mediante la reutilización de residuos para reducir la presión en los vertederos, así como para desarrollar materiales que contribuyan a reducir la huella energética de los edificios durante su vida útil.
Energy efficiency and waste management are key to a more sustainable system in the face of climate change and the resource crisis. The building sector, as a major consumer of energy and raw materials, plays a crucial role in the environmental goals of the EU and the UN. These environmental policies are driving the energetic rehabilitation of the European building stock, where expanded polystyrene (EPS) has become one of the main waste products generated, ending up in landfills or incinerated, increasing the strong environmental impact already generated by the sector, one of the most polluting on the planet.
This research aims to reduce the consumption of natural raw materials in manufacturing gypsum-based composites by reincorporating EPS waste from energy rehabilitation work on façades, using an innovative process for recovering this waste. At the same time, the aim is for these new materials to contribute to sustainability and energy efficiency in buildings, reducing their specific weight, increasing their durability and optimising their thermal properties.
Thus, a physicochemical, physical and mechanical characterisation of a new gypsum composite has been carried out, in which the conglomerating material has been replaced by EPS waste in solution. The substitution was carried out gradually, resulting in savings of up to 27% in conventional raw materials in mass. With the base material obtained, the incorporation of recycled materials discarded by industry or reinforcement materials in fibre has been proposed to improve its mechanical and thermal properties.
The results show that the process developed in this research generates a cohesive gypsum matrix, integrating the waste at the microscopic level. The EPS dissolution, in turn, creates a high porosity in the gypsum material after setting, reducing bulk density by up to 33%. This reduces its thermal conductivity by 62% compared to gypsum without additions, thus increasing the overall thermal resistance of facades with only 25 mm boards by 10.6%. Additionally, these boards increase considerably their flexural strength compared to the reference.
It has been observed that the dissolution of EPS waste creates a waterproofing barrier within the gypsum matrix upon solidifying, significantly reducing water absorption and lowering surface absorption by 97.8% compared to the reference. This enhances the durability of composites under accelerated ageing cycles, achieving values well above standard requirements while preserving the material’s excellent thermal properties throughout its lifespan.
Likewise, it was observed that the designed composites did not crack after exposure to a real fire, obtaining higher mechanical resistance compared to gypsum without additions. On the other hand, the analysis of the supply chain of the boards made with these composites has shown an improvement during the distribution process, by reducing the costs derived from a more efficient transport and with a lower environmental impact associated with lower consumption of fossil fuels.
The proposed new methodology for reusing EPS waste in gypsum composites allows the incorporation of large volumes of residues that are not viable in solid form, significantly improving the performance of these composites. This research takes a two-pronged approach, applying circular economy criteria through the reuse of waste to reduce pressure on landfills, as well as developing materials that contribute to reducing the energy footprint of buildings during their lifetime.
RESUMEN
La eficiencia energética y la gestión de residuos son ejes clave para un sistema más sostenible frente al cambio climático y la crisis de recursos. El sector de la edificación, como gran consumidor de energía y materias primas, juega un papel crucial en las metas ambientales de la UE y la ONU. Estas políticas medioambientales están impulsando la rehabilitación energética del parque inmobiliario europeo, donde el poliestireno expandido (EPS) se ha convertido en uno de los principales residuos generados, acabando en vertederos o incinerados, aumentando el fuerte impacto ambiental que ya genera el sector, uno de los más contaminantes del planeta.
Esta investigación tiene como objetivo la reducción del consumo de materias primas naturales en la fabricación de compuestos con base yeso, mediante la reincorporación de residuos de EPS procedentes de trabajos de rehabilitación energética de fachadas, empleando para ello un proceso innovador de recuperación de estos desechos. A su vez, se busca que estos nuevos materiales contribuyan a la sostenibilidad y eficiencia energética en edificación, reduciendo su peso específico, aumentando su durabilidad y optimizando sus propiedades térmicas.
Así, se ha realizado una caracterización fisicoquímica, física y mecánica de un nuevo compuesto de yeso, en el cual se ha sustituido el material conglomerante por residuos de EPS en disolución. La sustitución se ha realizado de forma progresiva, alcanzando hasta un 27% en el ahorro de las materias primas convencionales en masa. Con el material base obtenido, se ha propuesto la incorporación de materiales reciclados descartados por la industria o materiales de refuerzo en forma de fibra, con el objetivo de mejorar sus propiedades mecánicas y térmicas.
Los resultados muestran que el proceso desarrollado en esta investigación genera una matriz de yeso cohesionada, integrándose los residuos a nivel microscópico. La disolución de EPS crea a su vez una alta porosidad en el material de yeso tras el fraguado, lo que favorece la reducción de la densidad aparente hasta un 33%. Este aspecto reduce su conductividad térmica en un 62% frente al yeso sin adiciones, aumentando así un 10.6% la resistencia térmica global de fachadas con placas de solo 25 mm. Además, estas placas mostraron un considerable aumento en su resistencia a flexión en relación con la referencia.
Se ha observado como la disolución de residuos de EPS crea una barrera impermeabilizante en el interior de la matriz de yeso al solidificar, lo que reduce significativamente la absorción de agua, reduciendo así la absorción superficial en un 97.8% con respecto la referencia. Este aspecto aumenta la durabilidad de los compuestos ante ciclos de envejecimiento acelerado, obteniendo valores muy superiores a los requeridos por la normativa, además de favorecer el mantenimiento de las excelentes propiedades térmicas del material a lo largo de su vida útil.
Así mismo, se observó como los compuestos diseñados no se fisuraban tras su exposición a un fuego real, obteniendo mayores resistencias mecánicas en comparación con el yeso sin adiciones. Por otro lado, el análisis de la cadena de suministro de las placas elaboradas con estos compuestos ha demostrado suponer una mejora durante el proceso de distribución, al disminuir los costes derivados de un transporte más eficiente y con menor impacto medioambiental asociado a un menor consumo de combustibles fósiles.
La nueva metodología propuesta para reutilizar residuos de EPS en compuestos de yeso permite incorporar grandes volúmenes de residuos inviables en estado sólido, mejorando significativamente las prestaciones de este tipo de compuestos. Esta investigación plantea un doble enfoque en el que se aplican criterios de economía circular mediante la reutilización de residuos para reducir la presión en los vertederos, así como para desarrollar materiales que contribuyan a reducir la huella energética de los edificios durante su vida útil. Read More
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