BRPI0609706A2 - composição cimentìcia de baixo peso, leito de estrada, artigo de construção pré-moldado e/ou pré-tensionado, método para fabricar um artigo de composição cimentìcia de baixo peso otimizado, artigo de concreto de baixo peso, e, composição de concreto de baixo peso - Google Patents

Abstract

COMPOSIçãO CIMENTìCIA DE BAIXO PESO, LEITO DE ESTRADA, ARTIGO DE CONSTRUçãO PRé-MOLDADO E/OU PRé- TENSIONADO, MéTODO PARA FABRICAR UM ARTIGO DE COMPOSIçãO CIMENTìCIA DE BAIXO PESO OTIMIZADO, ARTIGO DE CONCRETO DE BAIXO PESO, E, COMPOSIçãO DE CONCRETO DE BAIXO PESO. Uma composição cimentícia de baixo peso contendo de 10 a 90 porcento em volume de uma composição de cimento, de 10 a 90 porcento em volume de partículas tendo um diâmetro de partícula médio de 0,2 mm a 8 mm, uma densidade em massa de 0,03 g/cm^3^ a 0,64 g/cm^3^, uma razão de aspecto de 1 a 3, e de 10 a 50 porcento em volume de areia e/ou outro agregado fino, onde pelo menos uma porção da areia e/ou agregado fino tem um módulo de finura de menos do que 2; onde a soma dos componentes usados não excede 100 porcento em volume, e onde depois que a composição cimentícia de baixo peso é solidificada ela tem uma força compressiva de pelo menos 1700 psi como testado de acordo com ASTM C39 depois de sete dias. A composição cimentícia pode ser usada para fabricar unidades de alvenaria em concreto, painéis de construção, leitos de estrada e outros artigos.

Description

"COMPOSIÇÃO CIMENTÍCIA DE BAIXO PESO, LEITO DE ESTRADA, ARTIGO DE CONSTRUÇÃO PRÉ-MOLDADO E/OU PRÉ- TENSIONADO, MÉTODO PARA FABRICAR UM ARTIGO DE COMPOSIÇÃO CIMENTÍCIA DE BAIXO PESO OTIMIZADO, ARTIGO DE CONCRETO DE BAIXO PESO, E, COMPOSIÇÃO DE CONCRETO DE BAIXO PESO"

REFERÊNCIA AO PEDIDO RELACIONADO

Este pedido reivindica o benefício de prioridade do Pedido Provisório U.S. Serial N5 60/664.230 depositado em 22 de Março de 2005 intitulado "Light Weight Concrete Composite Using EPS Beads" e 60/686.858 depositado em 2 de Junho de 2005 intitulado "Lightweight Compositions and Materials," que são ambos aqui incorporados por referência em sua totalidade.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

1. Campo da Invenção

A presente invenção é direcionada a novas composições, materiais, métodos de seu uso e métodos de sua fabricação que no geral são úteis como agentes na negócios da construção e edificação. Mais especificamente, os compostos da presente invenção podem ser usados em aplicações de construção e edificação que beneficiam-se de um material relativamente leve, extensível, moldável, vertível, que tem resistência alta e freqüentemente propriedades de isolamento melhoradas.

2. Descrição da Técnica Anterior

No campo de preparação e uso de materiais cimentícios de baixo peso, tais como o assim chamado concreto de baixo peso, os materiais que estavam disponíveis aos negócios até agora no geral têm requerido a adição de vários constituintes para obter uma massa de concreto forte mas leve que tem uma homogeneidade alta de constituintes e que é uniformemente ligada por toda a massa. As Patentes U.S. Ns5 3.214.393, 3.257.338 e 3.272.765 divulgam misturas de concreto que contêm cimento, um agregado primário, polímero de estireno expandido particulado, e um homogeneizante e/ou um aditivo ativo de superfície.

A Patente U.S. N2 3.021.291 divulga um método para fabricar concreto celular incorporando-se na mistura de concreto, antes de fundir a mistura, um material polimérico que expandirá sob a influência de calor durante a cura. A forma e tamanho das partículas poliméricas não é crítica.

A Patente U.S. Nfi 5.580.378 divulga um produto cimentício de baixo peso preparada de uma mistura cimentícia aquosa que pode incluir cinzas volantes, cimento Portland, areia, cal e, como um componente de economia de peso, partículas de poliestireno micronizadas tendo tamanhos de partícula na faixa de 50 a 2000 μιη e uma densidade de cerca de 1 lb/fT. A mistura pode ser vertida em produtos moldados tais como paredes de fundação, telhas, tijolos e semelhantes. O produto também pode ser usado como um argamassa, um emplastro, um estuque ou uma textura.

A JP 9 071 449 divulga um concreto de baixo peso que inclui cimento Portland e um agregado leve tal como poliestireno espumado, perlita ou vermiculita como uma parte ou todas as partes do agregado. O poliestireno espumado tem um diâmetro de grânulo de 0,1 a 10 mm e uma gravidade específica de 0,01 a 0,08.

As Patentes U.S. N- 5.580.378, 5.622.556, e 5.725.652 divulgam produtos cimentícios de baixo peso preparados de uma mistura cimentícia aquosa que inclui cimento e xisto expandido, argila, ardósia, cinzas volantes, e/ou cal, e um componente de economia de peso, que são partículas de poliestireno micronizadas tendo tamanhos de partícula na faixa de 50 a 2000 |im, e caracterizados por terem teores de água na faixa de cerca de 0,5% a 50% v/v.

A Patente U.S. N2 4.265.964 divulga composições de baixo peso para unidades estruturais tais como painéis de material prensado e semelhantes, que contêm grânulos termoplásticos expansíveis de densidade baixa; um material de base cimentício, tal como, gipsita; um tensoativo; um aditivo que age como um agente de formação de espuma para incorporar uma quantidade apropriada de ar na mistura; um componente de formação de película; e um amido. Os grânulos termoplásticos expansíveis são expandidos tanto quanto possível.

A WO 98 02 397 divulga telhas de concreto de baixo peso fabricadas moldando-se uma composição de aglutinante hidráulico contendo espumas de resina sintética como o agregado e tendo uma gravidade específica de cerca de 1,6 a 2. A WO 00/61519 divulga um concreto de baixo peso que inclui uma combinação em torno de 40% a 99% de material polimérico orgânico e de 1% a cerca de 60% de um agente de introdução de ar. A combinação é usada para preparar concreto de baixo peso que usa agregado de poliestireno. A combinação é necessária para dispersar o agregado de poliestireno e para melhorar a ligação entre o agregado de poliestireno e aglutinante cimentício adjacente.

A WO 01/66485 divulga uma mistura cimentícia de baixo peso contendo em volume: 5 a 80% de cimento, 10 a 65% de partículas de poliestireno expandido; 10 a 90% de partículas minerais expandidas; e água suficiente para fabricar uma pasta com uma distribuição substancialmente uniforme de poliestireno expandido depois da mistura apropriada.

A Patente U.S. N- 6.851.235 divulga um bloco de construção que inclui uma mistura de água, cimento, e contas de espuma de poliestireno expandido (EPS) que têm um diâmetro de 3,18 mm (1/8 polegada) a 9,53 mm (3/8 polegada) nas proporções de 68 a 95 litros (18 a 25 galões) de água; de 150 a 190 kg (325 a 425 lb) de cimento; e de 850 a 1400 litros (30 a 50 pés cúbicos) de contas pré expandidas. A Patente U.S. Ne 5.913.791 divulga um bloco de construção que tem uma camada de ligação com base em cimento em uma ou ambas as superfícies exteriores do bloco que recebe e segura um fixador penetrante tal como um prego, parafuso, grampo, ou semelhantes. Uma camada com base em cimento contém água, cimento, e contas de espuma de poliestireno expandido em primeiras proporções e uma segunda superfície exterior contém água, cimento, e contas de espuma de poliestireno expandido em segundas proporções diferentes que as primeiras proporções.

No geral, a técnica anterior reconhece a utilidade de usar polímeros expandidos, em alguma forma, em composições de concreto, para reduzir o peso global das composições. Os polímeros expandidos são primeiramente adicionados para abrir espaço e criar vazios no concreto e a quantidade de "espaço de ar" no polímero expandido é tipicamente maximizada para obter este objetivo. No geral, a técnica anterior assume que as partículas poliméricas expandidas reduzirão a resistência e/ou integridade estrutural das composições de concreto de baixo peso. Além disso, artigos de concreto fabricados das composições de concreto de baixo peso da técnica anterior têm na melhor das hipóteses propriedades físicas incompatíveis, tais como módulo de Young, condutividade térmica, e força compressiva, e tipicamente demonstram menos do que propriedades físicas desejáveis.

Portanto, existe uma necessidade na técnica para composições de concreto de baixo peso que fornecem artigos de concreto de baixo peso tendo propriedades físicas prognosticáveis e desejáveis que superam os problemas descritos acima.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção fornece uma composição cimentícia de baixo peso contendo de 10 a 90 porcento em volume de uma composição de cimento, de 10 a 90 porcento em volume de partículas tendo um diâmetro de partícula médio de 0,2 mm a 8 mm, uma densidade em massa de 0,028 g/cm a 0,64 g/cm3, uma razão de aspecto de 1 a3,ede 10a50 porcento em volume de areia e/ou outra substância fina, em que pelo menos uma porção da areia e/ou agregado fino tem um módulo de finura de menos do que 2; em que a soma de componentes usados não excede 100 porcento em volume; em que depois que a composição cimentícia de baixo peso é solidificada, ela tem uma força compressiva de pelo menos 1700 psi como testado de acordo com ASTM C39.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A FIG. 1 é uma micrografia eletrônica de varredura da superfície de uma conta pré expandida usada na invenção,

A FIG. 2 é uma micrografia eletrônica de varredura do interior de uma conta pré expandida usada na invenção;

A FIG. 3 é uma micrografia eletrônica de varredura da superfície de uma conta pré expandida usada na invenção;

A FIG. 4 é uma micrografia eletrônica de varredura do interior de uma conta pré expandida usada na invenção;

A FIG. 5 é uma micrografia eletrônica de varredura da superfície de uma conta pré expandida usada na invenção; e

A FIG. 6 é uma micrografia eletrônica de varredura do interior de uma conta pré expandida usada na invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Outros que não nos exemplos de operação ou onde de outro modo indicado, todos os números ou expressões referindo-se às quantidades de ingredientes, condições de reação, etc. usados no relatório descritivo e reivindicações devem ser entendidos como modificados em todos os exemplos pelo termo "cerca de." Conseqüentemente, a menos que indicado ao contrário, os parâmetros numéricos apresentados no relatório descritivo seguinte e reivindicações anexas são estimativas que podem variar dependendo das propriedades desejadas, que a presente invenção deseja obter. No mínimo, e não como uma tentativa para limitar a aplicação da doutrina de equivalentes ao escopo das reivindicações, cada parâmetro numérico pelo menos deve ser interpretado à luz do número de dígitos significantes relatados e aplicando-se técnicas de arredondamento habituais.

Apesar disto as faixas numéricas e parâmetros que apresentam o escopo amplo da invenção são estimativas, os valores numéricos apresentados nos exemplos específicos são relatados tão precisamente quanto possível. Quaisquer valores numéricos, entretanto, inerentemente contêm certos erros que resultam necessariamente do desvio padrão encontrado em suas medições de teste respectivas.

Também, dever ser entendido que qualquer faixa numérica relatada aqui é intencionada a incluir todas as sub-faixas incluídas nesta. Por exemplo, uma faixa de "1 a 10" é intencionada a incluir todas as sub-faixas entre e incluindo o valor mínimo relatado de 1 e o valor máximo relatado de 10; isto é, tendo um valor mínimo igual a ou maior do que 1 e um valor máximo de igual a ou menos do que 10. Porque as faixas numéricas divulgadas são contínuas, elas incluem cada valor entre os valores mínimos e máximos. A menos que expressamente indicado de outro modo, as várias faixas numéricas especificadas neste pedido são estimativas.

Como aqui usado, o termo "partículas contendo espaços vazios" referem-se a partículas poliméricas expandidas, partículas pré expandidas, e outras partículas que incluem câmaras celulares e/ou do tipo favo de mel pelo menos algumas das quais são completamente fechadas, que contêm ar ou um gás específico ou combinação de gases, como um exemplo não limitante de partículas pré expandidas como descrito aqui.

Como aqui usado os termos "cimento" e "cimentício" referem- se aos materiais que ligam um concreto ou outro produto monolítico, não o produto final propriamente dito. Em particular, cimento hidráulico refere-se a um material que solidifica e endurece sofrendo-se uma reação de hidratação na presença de uma quantidade suficiente de água para produzir um produto endurecido final.

Como aqui usado, o termo "mistura cimentícia" refere-se a uma composição que inclui um material de cimento, e um ou mais enchedores, adjuvantes, ou outros materiais conhecidos na técnica que formam uma pasta fluida que endurece na cura. Os materiais de cimento incluem, mas não são limitados a, cimento hidráulico, gipsita, composições de gipsita, cal e semelhantes e podem incluir ou não água.

Os adjuvantes e enchedores incluem, mas não são limitados a areia, argila, cinzas volantes, agregado, agentes de introdução de ar, corantes, redutores/super plastificantes aquosos, e semelhantes.

Como aqui usado, o termo "concreto" refere-se a um material de construção forte duro fabricado misturando-se um mistura cimentícia com água suficiente para fazer com que a mistura cimentícia solidifique e ligue a massa inteira.

Como aqui usado, todas as porcentagens em volume e peso antecipam o uso de um certo volume ou peso de água. As quantidades particulares quando referindo-se a uma composição de mistura seca ou mistura pronta estaria nas mesmas proporções antecipando que a quantidade comensurável de água será adicionada à mistura seca ou mistura pronta quando ela deve ser finalmente formulada, misturada e de outro modo acabada para o uso.

Todas as faixas composicionais expressadas aqui são limitadas no total e não excedem 100 porcento (porcento em volume ou porcento em peso) na prática. Onde componentes múltiplos podem estar presentes em uma composição, a soma das quantidades máximas de cada componente pode exceder 100 porcento, com o entendimento que, e como aqueles habilitados na técnica facilmente entendem, que as quantidades dos componentes presentemente usados corresponderá ao máximo de 100 porcento. Como aqui usado, os termos "(met)acrílico" e "(met)acrilato" são significados a incluir derivados de ácido tanto acrílico quanto metacrílico, tais como os ésteres alquílicos correspondentes freqüentemente referidos como acrilatos e (met)acrilatos, que o termo "(met)acrilato" é significado a abranger.

Como aqui usado, o termo "polímero" é significado a abranger, sem limitação, homopolímeros, copolímeros, copolímeros de enxerto, e misturas e combinações destes.

Em seu contexto mais amplo, a presente invenção fornece um método de controlar a introdução de ar em um artigo formado. O artigo formado pode ser fabricado de qualquer material moldável, onde as partículas contendo espaços vazios são usadas para introduzir ar em uma maneira estruturalmente aprobativa. Qualquer material moldável adequado pode ser usado, contanto que as partículas contendo espaços vazios não sejam danificadas durante o processo de formação.

Como aqui usado, o termo "material compósito" refere-se a um material sólido que inclui duas ou mais substâncias tendo características físicas diferentes e em que cada substância retém sua identidade enquanto contribuindo propriedades desejáveis ao todo. Como um exemplo não limitante, os materiais compósitos podem incluir concreto dentro do qual as contas pré expandidas são uniformemente dispersadas e embutidas.

Assim, a presente invenção é direcionada aos métodos de controlar a introdução de ar onde um artigo é formado combinando-se um material moldável e partículas contendo espaços vazios para fornecer uma mistura e colocar a mistura em uma forma.

Embora o pedido divulgue em detalhe misturas cimentícias com partículas poliméricas, os conceitos e formas de realização descritos aqui podem ser aplicados por aqueles habilitados na técnica aos outros pedidos descritos acima. As formas de realização da presente invenção são direcionadas a uma composição de concreto de baixo peso (LWC) que inclui uma mistura cimentícia e partículas poliméricas. Surpreendentemente, foi descoberto que o tamanho, composição, estrutura, e propriedades físicas das partículas poliméricas expandidas, e em alguns exemplos seus precursores de conta de resina, podem afetar muito as propriedades físicas de artigos de LWC fabricados das composições de LWC da invenção. De observação particular é a relação entre tamanho da conta e densidade de partícula de polímero expandido nas propriedades físicas dos artigos de LWC resultantes.

Em uma forma de realização da invenção, a mistura cimentícia pode ser uma mistura cimentícia aquosa.

As partículas poliméricas, que opcionalmente podem ser partículas poliméricas expandidas, estão presentes na composição de LWC em um nível de pelo menos 10, em alguns exemplos pelo menos 15, em outros exemplos pelo menos 20, em situações particulares até 25, em alguns casos pelo menos 30, e em outros casos pelo menos 35 porcento em volume e até 90, em alguns casos até 85, em outros casos até 78, em alguns exemplos até 75, em outro exemplo até 65, em exemplos particulares até 60, em alguns casos até 50, e em outros casos até 40 porcento em volume com base no volume total da composição de LWC. A quantidade de polímero variará dependendo das propriedades físicas particulares desejadas em um artigo de LWC acabado. A quantidade de partículas poliméricas na composição de LWC pode ser qualquer valor ou pode variar entre qualquer um dos valores relatados acima.

As partículas poliméricas podem incluir quaisquer partículas derivadas de qualquer material termoplástico expansível adequado. As partículas poliméricas reais são selecionadas com base nas propriedades físicas particulares desejadas em um artigo de LWC acabado. Como um exemplo não limitante, as partículas poliméricas, que opcionalmente podem ser partículas poliméricas expandidas, podem incluir um ou mais polímeros selecionados de homopolímeros de monômeros vinil aromáticos; copolímeros de pelo menos um monômero vinil aromático com um ou mais de divinilbenzeno, dienos conjugados, metacrilatos de alquila, acrilatos de alquila, acrilonitrila, e/ou anidrido maleico; poliolefinas; policarbonatos; poliésteres; poliamidas; borrachas naturais; borrachas sintéticas; e combinações destes.

Em uma forma de realização da invenção, as partículas poliméricas incluem homopolímeros ou copolímeros termoplásticos selecionados de homopolímeros derivados de monômeros vinil aromáticos incluindo estireno, isopropilestireno, alfa-metilestireno, metilestirenos nucleares, cloroestireno, terc-butilestireno, e semelhantes, assim como copolímeros preparados pela copolimerização de pelo menos um monômero vinil aromático como descrito acima com um ou mais outro monômeros, os exemplos não limitantes sendo divinilbenzeno, dienos conjugados (exemplos não limitantes sendo butadieno, isopreno, 1, 3- e 2,4- hexadieno), metacrilatos de alquila, acrilatos de alquila, acrilonitrila, e anidrido maleico, em que o monômero vinil aromático está presente em pelo menos 50% em peso do copolímero. Em uma forma de realização da invenção, polímeros estirênicos são usados, particularmente poliestireno. Entretanto, outros polímeros adequados podem ser usados, tais como poliolefinas (por exemplo polietileno, polipropileno), policarbonatos, óxidos de polifenileno, e misturas destes.

Em uma forma de realização particular da invenção, as partículas poliméricas são partículas de poliestireno expansível (EPS). Estas partículas podem estar na forma de contas, grânulos, ou outras partículas convenientes para as operações de expansão e moldagem.

Na presente invenção, as partículas polimerizadas em um processo de suspensão, que são essencialmente contas de resina esféricas, são úteis como partículas poliméricas ou para fabricar partículas poliméricas expandidas. Entretanto, os polímeros derivados de solução e técnicas de polimerização em massa que são extrusados e cortados em seções de conta de resina de tamanho de partícula também podem ser usados.

Em uma forma de realização da invenção, contas de resina (não expandidas) contendo qualquer um dos polímeros ou composições poliméricas descritos aqui têm um tamanho de partícula de pelo menos 0,2, em algumas situações pelo menos 0,33, em alguns casos pelo menos 0,35, em outros casos pelo menos 0,4, em alguns exemplos pelo menos 0,45 e em outros exemplos pelo menos 0,5 mm. Também, as contas de resina podem ter um tamanho de partícula de até 3, em alguns exemplos até 2, em outros exemplos até 2,5, em alguns casos até 2,25, em outros casos até 2, em algumas situações até 1,5 e em outras situações até 1 mm. Nesta forma de realização, as propriedades físicas de artigos de LWC fabricados de acordo com a invenção têm propriedades incompatíveis ou não físicas desejáveis quando contas de resina tendo tamanhos de partícula fora das faixas descritas acima são usadas para fabricar as partículas poliméricas expandidas. As contas de resina usadas nesta forma de realização podem ser de qualquer valor ou podem variar entre qualquer um dos valores relatados acima.

As partículas termoplásticas expansíveis ou contas de resina opcionalmente podem ser impregnadas usando qualquer método convencional com um agente de sopro adequado. Como um exemplo não limitante, a impregnação pode ser obtida adicionando-se o agente de sopro à suspensão aquosa durante a polimerização do polímero, ou alternativamente recolocando-se em suspensão as partículas poliméricas em um meio aquoso e depois incorporando o agente de sopro como mostrado na Pat. U.S. Ns 2.983.692. Qualquer material gasoso ou material que produzirá gases no aquecimento podem ser usados como o agente de sopro. Agentes de sopro convencionais incluem hidrocarbonetos alifáticos contendo 4 a 6 átomos de carbono na molécula, tais como butanos, pentanos, hexanos, e os hidrocarbonetos halogenados, por exemplo CFC's e HCFC'S, que fervem em uma temperatura abaixo do ponto de amolecimento do polímero escolhido. Misturas destes agentes de sopro hidrocarboneto alifático também podem ser usadas.

Alternativamente, água pode ser combinada com estes agentes de sopro de hidrocarbonetos alifáticos ou água pode ser usada como o único agente de sopro como mostrado nas Patentes U.S. Nas 6.127.439; 6.160.027; e 6.242.540 nestas patentes, agentes de retenção de água são usados. A porcentagem em peso de água para o uso como o agente de sopro pode variar de 1 a 20%. Os textos de Patentes U.S. N- 6.127.439, 6.160.027 e 6.242.540 são incorporados aqui por referência.

As partículas poliméricas impregnadas ou contas de resina são opcionalmente expandidas a uma densidade em massa de pelo menos 1,75 lb/ft (0,028 g/cm ), em algumas circunstâncias pelo menos 2 1b/ft (0,032 g/cm ) em outras circunstâncias pelo menos 3 lb/ft (0,048 g/cm ) e em circunstâncias particulares pelo menos 3,25 lb/ft (0,052 g/cmJ) ou 3,5 1b/ft (0,056 g/cm ). Quando contas de resina não expandidas são usadas contas de densidade em massa mais alta podem ser usadas. Como tal, a densidade em massa pode ser tão alta quanto 40 lb/ft (0,64 g/cm ). Em outras situações, as partículas poliméricas são pelo menos parcialmente expandidas e a densidade em massa pode ser até 35 lb/ft (0,56 g/cm ), em alguns casos até 30 lb/ft (0,48 g/cm ), em outros casos ate 25 lb/ft3 (0,4 g/cm ), em alguns exemplos até 20 1b/ft3 (0,32 g/cm3), em outros exemplos até 15 lb/ft3 (0,24 g/cm3) e em certas circunstancias ate 10 lb/ft3 (0,16 g/cm ). A densidade em massa das partículas poliméricas pode ser qualquer valor ou faixa entre qualquer um dos valores relatados acima: A densidade em massa das partículas poliméricas, contas de resina e/ou partículas pré expandidas é determinada pesando-se um volume conhecido de partículas poliméricas, contas e/ou partículas pré expandidas (envelhecidas 24 horas em condições ambientais). A etapa de expansão é convencionalmente realizada aquecendo-se as contas impregnadas por intermédio de qualquer meio de aquecimento convencional, tal como vapor, ar quente, água quente, ou calor radiante. Um método geralmente aceito para realizar a pré expansão de partículas termoplásticas impregnadas é mostrado na Patente U.S. Ns 3.023.175.

As partículas poliméricas impregnadas podem ser partículas poliméricas celulares espumadas como mostrado no Pedido de Patente U.S. Serial N2 10/021.716, os ensinamentos do qual são incorporados aqui por referência. As partículas celulares espumadas podem ser de poliestireno que são expandidas e contêm um agente de sopro volátil em um nível de menos do que 14% em peso, em algumas situações menos do que 6% em peso, em alguns casos variando de cerca de 2% em peso a cerca de 5% em peso, e em outros casos variando de cerca de 2,5% em peso a cerca de 3,5% em peso com base no peso do polímero.

Um interpolímero de uma poliolefma e monômeros vinil aromáticos polimerizados in situ que podem ser incluídos na resina termoplástica expandida ou partículas poliméricas de acordo com a invenção é divulgado nas Patentes U.S. N- 4.303.756 e 4.303.757 e Publicação do Pedido U.S. 2004/0152795, as porções relevantes da qual são aqui incorporadas por referência.

As partículas poliméricas podem incluir ingredientes e aditivos usuais, tais como retardantes da chama, pigmentos, tinturas, corantes, plastificantes, agentes de liberação de molde, estabilizadores, absorvedores de luz ultravioleta, agentes de prevenção de molde, antioxidantes, rodenticidas, repelentes de insetos, e assim por diante. Pigmentos típicos incluem, sem limitação, pigmentos inorgânicos tais como negro de fumo, grafita, grafita expansível, óxido de zinco, dióxido de titânio, e óxido de ferro, assim como pigmentos orgânicos tais como vermelhos e violetas de quinacridona e azuis e verdes de ftalocianina de cobre.

Em uma forma de realização particular da invenção o pigmento é negro de fumo, um exemplo não limitante de um tal material sendo EPS SILVER®, disponível da NOVA Chemicals Inc.

Em uma outra forma de realização particular da invenção o pigmento é grafita, um exemplo não limitante de um tal material sendo NEOPOR®, disponível da BASF Aktiengesellschafit Corp., Ludwigshafen am Rhein, Alemanha.

Quando os materiais tais como negro de fumo e/ou grafita são incluídos nas partículas poliméricas, propriedades isolantes melhoradas, como exemplificado por valores de R mais altos para materiais contendo negro de fumo ou grafita (como determinado usando ASTM - C518), são fornecidas. Como tal, o valor de R das partículas poliméricas expandidas contendo negro de fumo e/ou grafita ou materiais fabricados de tais partículas poliméricas são pelo menos 5% mais altos do que observado para partículas ou artigos resultantes que não contêm negro de fumo e/ou grafita.

As partículas poliméricas expandidas podem ter um tamanho de partícula médio de pelo menos 0,2, em algumas circunstâncias pelo menos 0,3, em outras circunstâncias pelo menos 0,5, em alguns casos pelo menos 0,75, em outros casos pelo menos 0,9 e em alguns exemplos pelo menos 1 mm e pode ser até 8, em algumas circunstâncias até 6, em outras circunstâncias até 5, em alguns casos até 4, em outros casos até 3, e em alguns exemplos até 2,5 mm. Quando o tamanho das partículas poliméricas expandidas for muito pequeno ou muito grande, as propriedades físicas de artigos de LWC fabricados usando a presente composição de LWC podem ser indesejáveis. O tamanho de partícula médio das partículas poliméricas expandidas pode ser qualquer valor e pode variar entre qualquer um dos valores relatados acima. O tamanho de partícula médio das partículas poliméricas expandidas pode ser determinado usando técnicas de difração a laser ou por triagem de acordo com tamanho de malha usando métodos de separação mecânicos bem conhecidos na técnica.

Em uma forma de realização da invenção, as partículas poliméricas ou partículas poliméricas expandidas têm uma espessura da parede celular média mínima, que ajuda a fornecer propriedades físicas desejáveis aos artigos de LWC fabricados usando a presente composição de LWC. A espessura da parede celular média e dimensões celulares internas podem ser determinadas usando técnicas de microscopia eletrônica de varredura conhecidas no ramo. As partículas poliméricas expandidas podem ter uma espessura da parede celular média de pelo menos 0,15 u.m, em alguns casos pelo menos 0,2 μm e em outros casos pelo menos 0,25 pm. Não desejando estar ligado a qualquer teoria particular, acredita-se que uma espessura da parede celular média desejável resulte quando contas de resina tendo as dimensões descritas acima são expandidas para as densidades descritas acima.

Em uma forma de realização da invenção, as contas poliméricas são opcionalmente expandidas para formar as partículas poliméricas expandidas tal que uma espessura da parede celular desejável como descrito acima é obtida. Ainda que muitas variáveis possam comprimir a espessura da parede, é desejável, nesta forma de realização, limitar a expansão da conta polimérica de modo a obter uma espessura da parede desejada e resistência de partícula polimérica expandida resultante. As etapas de processamento de otimização e agentes de sopro podem expandir as contas poliméricas a um mínimo de 1,75 lb/ft3 (0,028 g/cm3 ). Esta propriedade da densidade em massa do polímero expandido, pode ser descrita por pcf (lb/ft3) ou por um fator de expansão (cm3 /g).

Como aqui usado, o termo "fator de expansão", refere-se ao volume que um peso dado de conta polimérica expandida ocupa, tipicamente expressado como cm /g. De modo a fornecer partículas poliméricas expandidas com espessura da parede celular e resistência desejáveis, as partículas poliméricas expandidas são não expandidas ao seu fator de expansão máximo; visto que uma tal expansão extrema produz partículas com paredes celulares indesejavelmente finas e resistência insuficiente. Além disso, as contas poliméricas podem ser expandidas pelo menos 5%, em alguns casos pelo menos 10%, e em outros casos pelo menos 15% de seu fator de expansão máximo. Entretanto, de modo a não fazer com que a espessura da parede celular seja muito fina, as contas poliméricas são expandidas até 80%, em alguns casos até 75%, em outros casos até 70%, em alguns exemplos até 65%, em outros exemplos até 60%, em algumas circunstâncias até 55%, e em outras circunstâncias até 50% de seu fator de expansão máximo. As contas poliméricas podem ser expandidas a qualquer grau indicado acima ou a expansão pode variar entre qualquer um dos valores relatados acima. Tipicamente, as contas poliméricas ou contas pré expandidas do não expandem mais quando formuladas nas presentes composições cimentícias e não expandem mais enquanto as composições cimentícias solidifiquem, curem e/ou endureçam.

Como aqui usado, o termo "pré expandida" refere-se a uma partícula expansível, resina e/ou conta que foi expandida, mas não foi expandida ao seu fator de expansão máximo.

As partículas poliméricas pré expandidas ou expandidas tipicamente têm uma estrutura celular ou porção interior em favo de mel e um no geral superfície polimérica contínua lisa como uma superfície externa, isto é, uma camada externa substancialmente contínua. A superfície contínua lisa pode ser observada usando técnicas de microscópio eletrônico de varredura (SEM) em ampliação de 1000X. As observações de SEM não indicam a presença de furos na superfície externa das partículas poliméricas pré expandidas ou expandidas. As seções de corte das partículas poliméricas pré expandidas ou expandidas e observações de SEM atraentes revelam geralmente a estrutura em favo de mel do interior das partículas poliméricas pré expandidas ou expandidas.

As partículas poliméricas ou partículas poliméricas expandidas podem ter qualquer forma em seção transversal que leva em consideração o fornecimento de propriedades físicas desejáveis em artigos de LWC. Em uma forma de realização da invenção, as partículas poliméricas expandidas têm uma forma em seção transversal circular, oval ou elíptica. Em formas de realização da invenção, as partículas poliméricas pré expandidas ou expandidas têm uma razão de aspecto de 1, em alguns casos pelo menos Iea razão de aspecto pode ser até 3, em alguns casos até 2 e em outros casos até 1,5. A razão de aspecto das partículas poliméricas pré expandidas ou expandidas pode ser qualquer valor ou faixa entre qualquer um dos valores relatados acima.

A mistura cimentícia está presente na composição de LWC em um nível de pelo menos 10, em alguns exemplos pelo menos 15, em outros exemplos pelo menos 22, em alguns casos pelo menos 40 e em outros casos pelo menos 50 porcento em volume e pode estar presente em um nível de até 90, em algumas circunstâncias até 85, em outras circunstâncias até 80, em casos particulares até 75, em alguns casos até 70, em outros casos até 65, e em alguns exemplos até 60 porcento em volume da composição de LWC. A mistura cimentícia pode estar presente na composição de LWC em qualquer nível estabelecido acima e pode variar entre qualquer um dos níveis estabelecidos acima.

Em uma forma de realização da invenção, a mistura cimentícia inclui uma composição de cimento hidráulico. A composição de cimento hidráulico pode estar presente em um nível de pelo menos 3, em certas situações pelo menos 5, em alguns casos pelo menos 7,5, e em outros casos pelo menos 9 porcento em volume e pode estar presente em níveis até 40, em alguns casos até 35, em outros casos até 32,5, e em alguns exemplos até 30 porcento em volume da mistura cimentícia. A mistura cimentícia pode incluir a composição de cimento hidráulico em qualquer um dos níveis estabelecidos acima ou em níveis variando entre qualquer um dos níveis estabelecidos acima.

Em uma forma de realização particular da invenção, a composição de cimento hidráulico pode ser um ou mais materiais selecionados de cimentos Portland, cimentos de pozolana, cimentos de gipsita, cimentos aluminosos, cimentos de magnésia, cimentos de sílica, e cimentos de escória.

Em uma forma de realização da invenção, a mistura cimentícia opcionalmente pode incluir outros agregados e adjuvantes conhecidos na técnica incluindo mas não limitados a areia, agregado adicional, plastificantes e/ou fibras. As fibras adequadas incluem, mas não são limitadas a fibras vítreas, carboneto de silício, fibras de aramida, poliéster, fibras de carbono, fibras compósitas, fibra de vidro, e combinações destas assim como tecido contendo as fibras mencionadas acima, e tecido contendo combinações das fibras mencionadas acima.

Os exemplos não limitantes de fibras que podem ser usados na invenção incluem MeC-GRID® e C-GRID® disponíveis da TechFab, LLC5 Anderson, SC, KEVLAR® disponível da E.I. DuPont de Nemours and Company, Wilmington DE, TWARON® disponível da Teijin Twaron B.V., Arnheim, Países Baixos, SPECTRA® disponível da Honeywell International Inc., Morristown, NJ, DACRON® disponível da Invista North America S.A.R.L. Corp. Willmington, DE, e VECTRAN® disponível da Hoechst Cellanese Corp., New York, NY. As fibras podem ser usadas em uma estrutura de malha, entrelaçadas, entretecidas, e orientadas em qualquer direção desejável.

Em uma forma de realização particular da invenção as fibras podem compor pelo menos 0,1, em alguns casos pelo menos 0,5, em outros casos pelo menos 1, e em alguns exemplos pelo menos 2 porcento em volume da composição de LWC. Além disso, as fibras podem fornecer até 10, em alguns casos até 8, em outros casos até 7, e em alguns exemplos até 5 porcento em volume da composição de LWC. A quantidade de fibras é adjurada para fornecer propriedades desejadas à composição de LWC. A quantidade de fibras pode ser qualquer valor ou faixa entre qualquer um dos valores relatados acima.

Ainda para esta forma de realização, o agregado adicional pode incluir, mas não é limitado a, um ou mais materiais selecionados de agregados comuns tais como areia, pedra, e pedregulho. Agregados de baixo peso comuns podem incluir escória de alto forno granulada moída, cinzas volantes, vidro, sílica, ardósia expandida e argila; agregados isolantes tais como pedra-pomes, perlita, vermiculita, escória, e diatomita; agregado de LWC tal como xisto expandido, ardósia expandida, argila expandida, escória expandida, sílica defumada, agregado peletizado, cinzas volantes extrusadas, tufo, e macrolita; e agregado de alvenaria tal como xisto expandido, argila, ardósia, escória de alto forno expandida, cinzas volantes sinterizadas, cinzas de carvão, pedra-pomes, escória, e agregado peletizado.

Quando incluídos, os outros agregados e adjuvantes estão presentes na mistura cimentícia em um nível de pelo menos 0,5, em alguns casos pelo menos 1, em outros casos pelo menos 2,5, em alguns exemplos pelo menos 5 e em outros exemplos pelo menos 10 porcento em volume da mistura cimentícia. Também, os outros agregados e adjuvantes podem estar presentes em um nível de até 95, em alguns casos até 90, em outros casos até 85, em alguns exemplos até 65 e em outros exemplos até 60 porcento em volume da mistura cimentícia. Os outros agregados e adjuvantes podem estar presentes na mistura cimentícia em qualquer um dos níveis indicados acima ou podem variar entre qualquer um dos níveis indicados acima. Em uma forma de realização da invenção, toda ou uma porção da areia ou outro agregado fino usado na presente mistura cimentícia e/ou composição de concreto de baixo peso tem um módulo de finura de menos do que 2, em alguns casos menos do que 1,9 e em outros casos menos do que 1,8. Como aqui usado, "módulo de finura" ou "FM" refere-se a um fator empírico que fornece uma medida relativa das proporções de partículas finas e grossas em um agregado. FM é um valor usado para indicar a finura ou aspereza relativas de um agregado fino e pode ser determinado de acordo com ASTM C 117. Embora ASTM C 117 possa ser consultado para detalhes precisos, e seja incorporado por referência aqui em sua totalidade, ele pode ser resumido como segue. O FM é obtido peneirando-se uma amostra de 500 gramas de areia através de uma série de peneiras padrão (Ns5 4, 8, 16, 30, 50, e 100). O peso retido em cada peneira é convertido em uma porcentagem cumulativa retida, partindo com a peneira Ne 4. A soma das seis porcentagens é dividida por 100. A resposta resultante é o módulo de finura.

Em uma forma de realização particular da invenção areia e/ou outro agregado fino podem compor pelo menos 10, em alguns casos pelo menos 15, em outros casos pelo menos 20 porcento em volume da composição de LWC. Além disso, areia e/ou outro agregado fino podem fornecer até 50, em alguns casos até 45, em outros casos até 40, e em alguns exemplos até 35 porcento em volume da composição de LWC. A quantidade de areia e/ou outro agregado fino é solidificada para fornecer propriedades desejadas à composição de LWC. A quantidade de areia e/ou outro agregado fino pode ser qualquer valor ou faixa entre qualquer um dos valores relatados acima. Em uma outra forma de realização particular da invenção, pelo menos uma porção da areia e/ou outro agregado fino tem um valor de FM de menos do que 2 como descrito acima. Em aspectos particulares desta forma de realização, pelo menos 50, em alguns casos pelo menos 60 e em outros casos pelo menos 75 porcento em volume e até 90, em alguns casos até 95, e em outros casos até e incluindo 100 porcento em volume da areia e/ou outro agregado fino tem um valor de FM de menos do que 2 como descrito acima. A quantidade de areia e/ou outro agregado fino tendo um valor de FM de menos do que 2 pode ser qualquer valor ou faixa entre qualquer um dos valores relatados acima.

Em uma forma de realização particular da invenção o agregado grosso (agregado tendo um valor de FM de mais do que 4) pode compor pelo menos 1, em alguns casos pelo menos 2, e em outros casos pelo menos 3 porcento em volume da composição de LWC. Além disso, o agregado grosso pode fornecer até 20, em alguns casos até 15, em outros casos até 10, e em alguns exemplos até 8 porcento em volume da composição de LWC. A quantidade de agregado grosso é solidificada para fornecer propriedades desejadas à composição de LWC. A quantidade de agregado grosso e areia pode ser qualquer valor ou faixa entre qualquer um dos valores relatados acima.

Em formas de realização da invenção, as composições de concreto de baixo peso podem conter um ou mais aditivos, exemplos não limitantes de tais sendo agentes anti-espuma, agentes de impermeabilização, agentes dispersantes, aceleradores de solidificação, retardadores de solidificação, agentes plastificantes, agentes super plastificantes, agentes de diminuição do ponto de congelamento, agentes melhoradores de adesividade, e corantes. Os aditivos estão tipicamente presentes em menos do que um porcento em peso com respeito ao peso total da composição, mas podem estar presentes de 0,1 a 3 porcento em peso.

Os agentes dispersantes ou plastificantes adequados que podem ser usados na invenção incluem, mas não são limitados a hexametafosfato, tripolifosfato, polinaftaleno sulfonato, poliamina sulfonatada e combinações destes. Os agentes plastificantes adequados que podem ser usados na invenção incluem, mas não são limitados a ácidos poliidroxicarboxílicos ou sais destes, policarboxilatos ou sais destes; lignossulfonatos, polietileno glicóis, e combinações destes.

Os agentes super plastificantes adequados que podem ser usados na invenção incluem, mas não são limitados a sais de metal alcalino ou alcalino terroso de sulfonatos de lignina; lignossulfonatos, sais de metal alcalino ou alcalino terroso de ácido naftaleno sulfônico altamente condensado/condensados de formaldeído; polinaftaleno sulfonatos, sais de metal alcalino ou alcalino terroso de um ou mais policarboxilatos (tais como poli(met)acrilatos e os copolímeros de policarboxilato tipo pente descritos na Patente U.S. N- 6.800.129, as porções relevantes dos quais são aqui incorporadas por referência); sais de metal alcalino ou alcalino terroso de condensados de melamina/formaldeído/sulfito; ésteres do ácido sulfônico; ésteres de carboidrato; e combinações destes.

Os aceleradores de solidificação adequados que podem ser usados na invenção incluem, mas não são limitados a sais de cloreto solúveis (tais como cloreto de cálcio), trietanolamina, paraformaldeído, sais de formiato solúveis (tais como formiato de cálcio), hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, carbonato de sódio, sulfato de sódio, 12Ca0-7Al203, sulfato de sódio, sulfato de alumínio, sulfato de ferro, os condensados de nitrato de metal alcalino/aldeído alifático de hidrocarboneto aromático sulfonatado divulgados na Patente U.S. N2 4.026.723, os aceleradores tensoativos solúveis em água divulgados na Patente U.S. Ns 4.298.394, os derivados de metilol de aceleradores de aminoácidos divulgados na Patente U.S. N° 5.211.751, e as misturas de sais de ácido tiociânico, alcanolaminas, e sais de ácido nítrico divulgados na Patente U.S. Ns Re. 35.194, as porções relevantes das quais são aqui incorporadas por referência, e combinações destas. Os retardadores de solidificação adequados que podem ser usados na invenção incluem, mas não são limitados a lignosulfonatos, ácidos hidroxicarboxílicos (tais como ácido glucônico, ácido cítrico, ácido tartárico, ácido málico, ácido salicílico, ácido glucoeptônico, ácido arabônico, ácido, e sais inorgânicos ou orgânicos destes tais como sal de sódio, potássio, cálcio, magnésio, amônio e trietanolamina), ácido cardônico, açúcares, açúcares modificados, fosfatos, boratos, silico-fluoretos, bromato de cálcio, sulfato de cálcio, sulfato de sódio, monossacarídeos tais como glicose, frutose, galactose, sacarose, xilose, apiose, ribose e açúcar invertido, oligossacarídeos tais como dissacarídeos e trissacarídeos, tais oligossacarídeos como dextrina, polissacarídeos tais como dextrano, e outros sacarídeos tais como melaços contendo estes; álcoois de açúcar tais como sorbitol; silicofluoreto de magnésio; ácido fosfórico e sais deste, ou ésteres de borato; ácidos aminocarboxílicos e sais destes; proteínas solúveis alcalinas; ácido húmico; ácido tânico; fenóis; álcoois poliídricos tais como glicerol; ácidos fosfônicos e derivados destes, tais como aminotri(ácido metilenofosfônico), ácido 1- hidroxietilideno-1,1 -difosfônico, etilenodiaminatetra(ácido metileno- fosfônico), dietilenotriaminapenta(ácido metilenofosfônico), e sais de metal alcalino ou metal alcalino terroso destes, e combinações dos retardadores de solidificação indicados acima.

Os agentes anti-espumantes adequados que podem ser usados na invenção incluem, mas não são limitados a agentes anti-espumantes com base em silicona (tais como dimetilpolisiloxano, óleo de diemetilsilicona, pasta de silicona, emulsões de silicona, polissiloxanos modificados de grupo orgânico (poliorganossiloxanos tais como dimetilpolissiloxano), óleos de fluorossilicona, etc.), fosfatos de alquila (tais como fosfato de tributila, octilfosfato de sódio, etc.), agentes anti-espumantes com base em óleo mineral (tais como querosene, parafina líquida, etc.), agentes anti-espumantes com base em gordura ou óleo (tais como óleos animais ou vegetais, óleo de gergelim, óleo de mamona, adutos de óxido de alquileno derivados destes, etc.), agentes anti-espumantes com base em ácido graxo (tais como ácido oléico, ácido esteárico, e adutos de óxido de alquileno derivados destes, etc.), agentes anti-espumantes com base em éster de ácido graxo (tais como monoricinolato de glicerol, derivados do ácido alquenilsuccínico, monolaurato de sorbitol, trioleato de sorbitol, ceras naturais, etc.), agentes anti-espumantes tipo oxialquileno, agentes anti-espumantes com base em álcool: álcool octílico, álcool hexadecílico, álcoois de acetileno, glicóis, etc.), agentes anti-espumantes com base em amida (tais como acrilato poliaminas, etc.), agentes anti-espumantes com base em sal de metal (tais como estearato de alumínio, oleato de cálcio, etc.) e combinações dos agentes anti- espumantes descritos acima.

Os agentes de diminuição do ponto de congelamento adequados que podem ser usados na invenção incluem, mas não são limitados a álcool etílico, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, e combinações destes.

Os agentes melhoradores de adesividade adequados que podem ser usados na invenção incluem, mas não são limitados a acetato de polivinila, estireno-butadieno, homopolímeros e copolímeros de ésteres de (met)acrilato, e combinações destes.

Os agentes repelentes de água ou de impermeabilização adequados que podem ser usados na invenção incluem, mas não são limitados a ácidos graxos (tais como ácido esteárico ou ácido oléico), ésteres de ácido graxo de alquila inferior (tais como estearato de butila), sais de ácido graxo (tais como estearato de cálcio ou estearato de alumínio), siliconas, emulsões cerosas, resinas de hidrocarboneto, betume, gorduras e óleos, siliconas, parafinas, asfalto, ceras e combinações destes. Embora não usados em muitas formas de realização da invenção, quando usados os agentes de arrastar ar adequados incluem, mas não são limitados a resinas de vinsol, abietato de sódio, ácidos graxos e sais destes, tensidas, alquil-aril-sulfonatos, fenol etoxilatos, lignossulfonatos, e misturas destes.

A mistura cimentícia, partículas poliméricas expandidas, e quaisquer outros agregados, aditivos e/ou adjuvantes são misturados usando métodos bem conhecidos na técnica. Em uma forma de realização da invenção um líquido, em alguns exemplos água, também é misturado nos outros ingredientes.

Em uma forma de realização da invenção, uma mistura seca (isto é, contendo mínima ou nenhum água adicionada) pode ser produzida, embalada e armazenada para uso futuro. Uma tal mistura seca ou "mistura pronta" pode ser mais tarde misturada com água para fornecer as composições de concreto de baixo peso aqui descritas.

Em uma forma de realização da invenção, a composição de concreto é uma dispersão onde a mistura cimentícia fornece, pelo menos em parte, uma fase contínua e as partículas poliméricas e/ou partículas poliméricas expandidas existem como uma fase dispersa de partículas separadas na fase contínua.

Como uma forma de realização particular e não limitante da invenção, a composição de concreto é substancialmente livre de agentes umectantes ou agentes dispersantes usados para estabilizar a dispersão.

Como uma forma de realização não limitante da invenção e como não se deseja estar limitado a qualquer teoria isolada, alguns fatores que podem afetar o desempenho da presente composição de LWC incluem a fração de volume da conta de resina expandida, o tamanho expandido médio da conta e a microestrutura criada pelo espaçamento inter-conta dentro do concreto. Nesta forma de realização, o espaçamento inter-conta pode ser estimado usando um modelo bidimensional. Para simplicidade na descrição, o espaçamento inter-conta pode ser limitado ao raio da conta. Adicionalmente, e sem pretender limitar a invenção de nenhum modo, é considerado nesta forma de realização que as contas são dispostas em uma treliça cúbica, a distribuição de tamanho da conta na composição de LWC não é considerada, e a distribuição da área de conta expandida na seção transversal não é considerada. De modo a calcular o número de contas por amostra, um cilindro de teste tridimensional é considerado.

Quanto menor o tamanho da conta expandida, maior o número de contas expandida necessária para manter a mesma fração de volume de conta expandida como descrito pela equação 1 abaixo. Conforme o número de contas expandidas aumenta exponencialmente, o espaçamento entre as contas expandidas diminui.

Nb = KZB3 (1)

Nb representa o número de contas expandidas.

Uma amostra de teste de LWC com diâmetro D e altura H (usualmente 2" X 4" ou 6" X 12" (5,1 cm X 10,2 cm ou 15,2 cm X 30,5)), contendo contas poliméricas expandidas dispersadas de diâmetro de conta expandida médio B, e uma dada fração de volume Vd contém uma quantidade de contas poliméricas expandidas Nb dadas pela equação 1:

Observe que Nb é inversamente proporcional ao cubo do diâmetro da conta polimérica expandida. A constante de proporcionalidade, K= 1.5 VaHD , é um número que é dependente apenas do tamanho da amostra e da fração de volume de contas poliméricas expandidas. Assim para um dado tamanho de amostra, e fração de volume da conta polimérica expandida conhecida, o número de contas aumenta a uma terceira energia conforme o diâmetro de conta diminui.

Como um exemplo não limitante, para uma eamostra LWC de 2" X 4" (5,1 cm X 10,2 cm)), a 90 pcf (lb/ft3) (correspondendo à fração de volume de 43% de conta polimérica expandida com densidade em massa pré expandido de 1,25 pcf), o número de contas aumenta quatro vezes e sete vezes movendo de uma conta de 0,65 mm para contas de 0,4 mm e 0,33 mm respectivamente. A 2,08 pcf, o aumento no número de contas é de seis vezes e sete vezes para contas de 0,4 mm e 0,33 mm respectivamente. Em 5 pcf, os aumentas são de duas vezes e três vezes respectivamente. Assim, a densidade correlaciona-se com o tamanho da conta. Como mostrado abaixo, a densidade também afeta a espessura da parede celular. A resistência de uma matriz de concreto povoada pelas contas expandidas é tipicamente afetada pela dureza e espessura da parede celular.

Em uma forma de realização da invenção, onde células esféricas monodispersas são consideradas, pode ser mostrado que o diâmetro de célula médio d está relacionado com a espessura de parede média δ pela equação 2:

<formula>formula see original document page 28</formula>

onde ρ é a densidade da espuma e ps, é a densidade da conta de polímero sólido.

Assim para um dado polímero, dependendo do processo de expansão particular usado, pode-se obter a mesma espessura de parede celular (em um dado tamanho de célula) ou o mesmo tamanho de célula em vários valores de δ. A densidade é controlada não apenas pelo tamanho da célula mas também pela variação da espessura da parede celular.

A tabela abaixo exemplifica a variação da densidade da conta polimérica expandida com o tamanho da conta para três classes de contas.

<table>table see original document page 28</column></row><table>

As microestruturas e/ou morfologias desejadas podem cair em classes distintas. A primeira é um compósito bi-contínuo ou co-contínuo com interfaces especiais e a segunda inclui inclusões especiais em uma matriz conectada. As propriedades eficazes de microestruturas tanto bi-contínuas quanto isoladamente conectadas são descritas pelas ligações de propriedade cruzada ótima conhecida.

Em muitos casos, quanto menor as contas, maior o número de contas necessárias para manter a mesma fração de volume de conta polimérica expandidas como descrito pela equação 1. Conforme o número de contas aumenta exponencialmente, o espaçamento entre as contas diminui.

As ligações ótimas podem ser descritas pelas várias relações que representam números críticos ou limites. Como um exemplo não limitante, para uma dada fração de volume, existe freqüentemente um tamanho da conta crítico que corresponde a um número crítico de contas que podem ser dispersadas para fornecer uma morfologia desejada tal que todas as contas sejam isoladas e o concreto é isoladamente conectado. Também é possível formar uma morfologia onde todas as contas não estão isoladas mas contatando-se.

A análise de elementos finitos de uma seção transversal 2- dimensional foi realizada usando ANSYS® (um programa de análise de elementos finitos disponível da ANSYS Inc., Canonsburg, PA). Na malha de elemento finito da seção transversal, as contas são modeladas como círculos que não se contatam ou isolados em uma matriz de concreto isoladamente conectada.

Os resultados demonstram que sob carregamento, as tensões se formaram em uma direção perpendicular ao eixo de carga. As concentrações de tensão máxima são os limites horizontais entre as contas poliméricas expandidas, que tendem a ser deformadas a partir de uma forma circular para uma forma elíptica.

Em uma forma de realização particular da invenção, a composição do concreto contém pelo menos algumas das partículas poliméricas expandidas ou partículas pré expandidas arranjadas em uma treliça cúbica ou hexagonal.

Em uma forma de realização da invenção, a presente composição de LWC é substancialmente livre de agentes de introdução de ar, que são tipicamente adicionados para criar células de ar ou vazios em um lote de concreto.

Em uma outra forma de realização da invenção, a composição de LWC pode incluir fibras de reforço. Tais fibras atuam como componentes de reforço, tendo uma razão de aspecto grande, isto é, a sua razão de comprimento/diâmetro é alta, de modo que uma carga seja transferida através de pontos potenciais da fratura. Os exemplos não limitantes de fibras adequadas incluem filamentos de fibra de vidro de aproximadamente uma polegada (2,54 cm) a uma polegada e três quartos (4,4 cm) no comprimento, embora qualquer material possa ser usado que tenha um módulo de Young mais alto do que a matriz da mistura cimentícia, a fibra de polipropileno e outras fibras como descritas acima.

As composições de LWC de acordo com a invenção podem ser solidificadas e/ou endurecidas para formar artigos de concreto finais usando métodos bem conhecidos na técnica.

A densidade dos artigos de concreto finais solidificados e/ou endurecidos contendo a composição de LWC da invenção pode ser de pelo menos 40 lb/ft2 (0,64 g/cm3), em alguns casos pelo menos 45 lb/ft3(0,2 g/cm3 ) e em outros casos pelo menos 50 lb/ft3 (0,8 g/cm3) lb/ft3 e a densidade pode ser de até 130 lb/ft3 (2,1 g/cm3), em alguns casos 120 lb/ft3(1,9 g/cm3), em outros casos até 115 lb/ft3 (1,8 g/cm3), em algumas circunstâncias até 110 lb/ft3 (1,75 g/cm3), em outras circunstâncias até 105 lb/ft3 (1,7 g/cm3), em alguns exemplos até 100 lb/ft3 (1,6 g/cm3), e em outros exemplos até 95 lb/ft3 (1,5 g/cm3). A densidade dos presentes artigos de concreto pode ser qualquer valor e pode variar entre qualquer um dos valores relatados acima. A densidade da composição de LWC é determinada de acordo com a ASTM C 138.

Em uma forma de realização particular da invenção, a composição de LWC contém contendo de 10 a 60 porcento em volume de uma composição de cimento que inclui Cimento Portland tipo III; de 20 a 78 porcento em volume de partículas poliméricas expandidas tendo um diâmetro de partícula médio de 0,2 mm a 5 mm, uma densidade em massa de 0,032 g/cm a 0,56 g/cm , e uma razão de aspecto de 1 para 2; de 15 a 35 porcento 10 em volume de areia e/ou agregado fino, onde pelo menos uma porção da areia e/ou agregado fino tem um módulo de finura de menos do que 2; de 5 a 15 porcento em volume de agregado grosso; e de 0,1 a 1 porcento em volume de um ou mais aditivos selecionados de agentes anti-espuma, agentes de impermeabilização, agentes dispersantes, aceleradores de solidificação, retardadores de solidificação, agentes plastificantes, agentes super plastificantes, agentes de diminuição do ponto de congelamento, agentes melhoradores de adesividade, corantes e combinações destes; onde a soma de componentes usada não excede 100 porcento em volume e onde depois da composição cimentícia de baixo peso ser solidificada, a mesma tem uma força compressiva de pelo menos 1700 psi (11,7 MPa), em algumas formas de realização pelo menos 2000 psi (13,8 MPa), como testado de acordo com a ASTM C39 depois de sete dias.

As composições de LWC podem ser usadas na maioria das vezes, se não todas, em aplicações onde formulações de concreto tradicionais são usadas. Como exemplos não limitantes, as presentes composições de LWC podem ser usadas em aplicações estruturais e em arquitetura, os exemplos não limitantes sendo muros medianeiros, estruturas ICF ou SIP, banheiras para pássaros, bancos, telhas, apoios, parede de gesso, placas de cimento, pilares decorativos ou passagens arcadas para construções, etc., aplicações em móveis ou arranjos domésticos tais como prateleiras, sistemas de aquecimento radiante no piso, pisos (primários e secundários), paredes inclinadas, painéis de parede tipo sanduíche, como um revestimento tipo estuque, aplicações de segurança em estradas e aeroportos tais coma paredes de contenção, Jersey Barriers, barreiras e paredes contra som, paredes de retenção, sistemas de contenção de pista de decolagem, concreto de aprisionamento de ar, rampas de caminhão em pistas de decolagem, retro enchimento escavável fluível, e aplicações em construção de rodovias tais como material de leito de estrada e material de cabeça de ponte.

Adicionalmente, os artigos de LWC de acordo com a invenção facilmente aceitam conexão direta de parafusos, como um exemplo não limitante parafuso para paredes de gesso e pregos, que podem ser firmados pelos dispositivos acionados tradicionais, pneumáticos, ou energia. Isto permite a fixação fácil de materiais tais como chapa compensada, parede de gesso, estacas e outros materiais comumente usado na indústria da construção, que não pode ser feito usando formulações de concreto tradicionais.

Quando as composições de LWC da invenção são usadas em construção de leito de estrada, as partículas poliméricas podem ajudar na prevenção e ou minimização da propagação de trincas, especialmente quando congelamento e descongelamento de água estão envolvidos.

Em uma forma de realização da invenção, as composições de LWC solidificadas e/ou endurecidas de acordo com a invenção são usadas em aplicações estruturais e podem ter uma força compressiva mínima para aplicações estruturais de alvenaria que portam carga de pelo menos 1700 psi (119,5 kgf7cm2), em outros casos pelo menos 1800 psi (126,5 kgf/cm2), em alguns exemplos pelo menos 1900 psi (134,0 kgf/cm2), e em outros exemplos pelo menos 2000 psi (140,6 kgf/cm2). Para concreto estrutural de baixo peso as composições podem ter uma força compressiva mínima de pelo menos 2500 psi (175,8 kgf/cm 2). Forças compressivas são determinadas de acordo com a ASTM C39 em sete dias.

Embora a ASTM C39 possa ser consultada quanto a detalhes precisos, e é incorporada aqui por referência em seu totalidade, a mesma pode ser resumida como fornecendo um método de teste que consiste de aplicar uma carga axial compressiva a cilindros moldados ou núcleos em uma razão que esteja dentro de uma faixa prescrita até que a quebra ocorra. A máquina de teste é equipada com dois blocos de mancai de aço com faces endurecidas, uma que é um bloco esfericamente fixada que portará a superfície superior da amostra, e a outra um bloco sólido no qual a amostra é colocada. A carga é aplicada a uma taxa de movimento (medição cilindro de prensa para cruzeta) que corresponde a uma taxa de tensão na amostra de 35 ± 7 psi/s (0,25 ± 0,05 Mpa/s). A carga compressiva é aplicada até que o indicador de carga mostre que a carga está diminuindo de forma constante e a amostra demonstra um padrão de fratura bem definido. A força compressiva é calculada dividindo-se a carga máxima carregada pela amostra durante o teste pela área de seção transversal da amostra.

As composições da invenção são bem adaptadas para a fabricação de artigos e materiais de construção moldados, os exemplos não limitantes de tais incluem painéis de parede incluindo painéis de parede inclinada, vigas T, vigas T duplas, telhas, painéis de telhado, painéis de teto, painéis de piso, vigas I, paredes de fundação e semelhantes. As composições exibem maior resistência do que as composições de LWC técnica anterior.

Em uma forma de realização da invenção, os artigos e materiais de construção moldados podem ser pré-moldados e/ou pré tencionados.

Como aqui usado, concreto "pré-moldado" refere-se a concreto vertido em um molde ou moldado de uma forma necessária e deixado curar e/ou endurecer antes de ser levado e colocado em uma posição desejada. Como aqui usado, concreto "pré tencionado" refere-se a concreto cuja tensão foi melhorada usando-se tendões pré tencionadores (em muitos casos cabos ou varetas de aço de alta tensão), que são usados para fornecer uma carga de preensão que produz uma força compressiva que compensa a força de tração que o membro de concreto de outro modo experimentaria devido a uma carga de flexão. Qualquer método adequado conhecido na técnica pode ser usado para concreto pré tencionado. Os métodos adequados incluem, mas não são limitados a concreto pré tencionado, onde o concreto é moldado em torno de tendões já tencionados, e concreto pós-tencionado, onde a compressão é aplicada depois dos processos de versão e cura.

Uma vantagem particular que a presente invenção fornece é que a composição de concreto solidificada e/ou artigos de construção moldados formados a partir de tais composições podem ser facilmente cortados e/ou secionados usando métodos convencionais como oposto a ter que usar lâminas e serras de corte de ponta de concreto ou diamante especializadas. Isto fornece economias de tempo e custo substanciais quando da personalização de artigos de concreto.

As composições podem ser facilmente moldadas em moldes de acordo com métodos bem conhecidos por aqueles de habilidade na técnica, como exemplos não limitantes, para telhas, pavimentação, ou outros artigos em virtualmente qualquer configuração tridimensional desejada, incluindo configurações tendo certas texturas tópicas tais como tendo a aparência de fendas de madeira, placas de ardósia ou ladrilhos de cerâmica de face lisa. Uma placa típica pode ter dimensões aproximadas de dez polegadas (25,4 cm) em largura por dezessete polegadas (43 cm) no comprimento por uma polegada e três quartos (4,4 cm) em espessura. Na moldagem de materiais de telhado, a adição de um agente de introdução de ar torna o produto final mais à prova de intempéries em termos de resistência à degradação pelo congelamento/descongelamento.

Quando as paredes de fundação são vertidas usando as composições de LWC da invenção, as paredes podem ser tiradas grau acima devido ao peso mais leve. Ordinariamente, a parte inferior da parede de fundação tem uma tendência a inchar para fora sob o peso abrupto da mistura de concreto, mas o peso mais leve das composições da invenção tendem a diminuir as chances disto acontecer. As paredes de fundação preparadas usando as presentes composições de LWC podem facilmente receber os prendedores convencionais usados em construção de parede de fundação convencionais.

Em uma forma de realização da invenção, as composições de concreto de acordo com a invenção são formadas, solidificadas e/ou endurecidas na forma de uma unidade de alvenaria em concreto. Como aqui usado, o termo "unidade de alvenaria em concreto" refere-se a um artigo de concreto oco ou sólido incluindo, mas não limitado a variedades de pedra cortada, de face dividida, em forma de nervuras, canelada, de face desbastada, rolada e de calçamento. As formas de realização da invenção fornecem paredes que incluem, pelo menos em parte, unidades de alvenaria em concreto fabricado de acordo com a invenção.

Em uma forma de realização da invenção, os artigos de construção moldada e materiais e unidades de alvenaria em concreto descritos acima são capazes de receber e segurar fixadores penetrantes, os exemplos não limitantes de tais incluem pregos, parafusos, grampos e semelhantes. Isto pode ser benéfico em que as coberturas de superfície podem ser ligadas diretamente aos artigos e materiais de construção moldados e as unidades de alvenaria em concreto moldada construção artigos e materiais e unidades de alvenaria em concreto.

Em uma forma de realização da invenção, um parafuso de 21A polegada (6,35 cm) padrão para parede de gesso pode ser aparafusado em uma superfície vertida e solidificada contendo a presente composição de concreto de peso leve, a uma profundidade de 1 1A polegadas (3,81 cm) (3,8 cm), e não é removido quando uma força de pelo menos 500 (227 kg), em alguns casos pelo menos 600 (272 kg) e em outros casos pelo menos 700 (318 kg) e até 800 (363 kg) libras força é aplicada perpendicular à superfície aparafiisada por um, em alguns casos cinco e em outros casos dez minutos.

A presente invenção também está direcionada às construções que incluem as composições de LWC de acordo com a invenção.

A presente invenção também fornece um método para fabricar um artigo de concreto de baixo peso otimizado que inclui:

identificar as propriedades de densidade e resistência desejadas de uma composição de concreto de baixo peso solidificada;

determinar o tipo, tamanho e densidade das contas poliméricas a serem expandidas para o uso na composição de concreto de peso leve;

determinar o tamanho e densidade das contas poliméricas que devem ser expandidas;

expandir as contas poliméricas para formar contas poliméricas expandidas; dispersar as contas poliméricas expandidas em uma mistura cimentícia para formar a composição de concreto de peso leve; e permitir que a composição de concreto de peso leve seja solidificada em uma forma desejada.

As propriedades de densidade e resistência desejadas da composição solidificada e/ou endurecida de LWC são determinadas com base na aplicação pretendida.

Em uma forma de realização da invenção, o tipo, tamanho e densidade das contas poliméricas a serem expandidas e o tamanho e a densidade das contas poliméricas devem ser expandida podem ser determinados com base em dados empíricos e/ou publicados.

Em uma outra forma de realização da invenção, a análise de elementos finitos pode ser usada para determinar o tipo, tamanho e densidade das contas poliméricas a serem expandidas e o tamanho e densidade das contas poliméricas que devem ser expandidas.

A composição de concreto de baixo peso resultante é deixada ajustar e/ou endurecida para fornecer artigos de LWC e unidades de alvenaria em concreto como descrito acima.

A presente invenção será ainda descrita por referência aos exemplos seguintes. Os exemplos seguintes são meramente ilustrativos da invenção e não são intencionados a serem limitantes. A menos que de outro modo indicado, todas as porcentagens são em peso e o cimento Portland é usado a menos que de outro modo especificado.

EXEMPLOS

A menos que de outro modo indicado, os materiais seguintes foram utilizados:

■ Cimento Portland Tipo III

■ Areia Mason (165 pcf de Densidade em massa, gravidade específica de 2,64, módulo de fineza = 1,74)

■ Agua Potável - temperatura ambiente (-70°F / 21°C)

■ Poliestireno expansível - M97BC, F271C, F271M, F271T (NOVA Chemicals Inc., Pittsburgh, PA)

■ Resina EPS - 1037C (NOVA Chemicals, Inc.)

■ Ardósia expandida de 1A polegada (Carolina Stalite Company, Salisbury, NC - 89,5 pcf de Densidade em massa, 11,43 de gravidade específica)

A menos que de outro modo indicado, todas as composições foram preparadas sob condições de laboratório usando-se um misturador modelo 42N-5 (Charles Ross & Son Company, Hauppauge, NY) tendo um corpo de capacidade de trabalho de 7-ft3 com um acionador de eixo simples. O misturador foi operado a 34 rpm. O condicionamento foi realizado em uma câmara de temperatura e umidade LH-IO (fabricada pela Associated Environmental Systems, Ayer, MA). As amostras foram moldadas em moldes de cilindro plástico de uso único de 6" χ 12" com coberturas planas e foram testados em triplicata. O teste de compressão foi realizado em um testador de compressão Forney FX250/300 (Forney Incorporated, Hermitage, PA), que aplica, hidraulicamente, uma carga vertical em um taxa desejada. Todos os outros materiais periféricos (cone de assentamento, bastões de sacadura, etc.) aderidos ao método de teste ASTM aplicável. Os seguintes métodos e procedimentos de teste ASTM foram seguidos:

■ ASTM C470 - Especificação Padrão para Moldes para a Formação de Cilindros de Teste de Concreto Verticalmente

■ ASTM C192 - Prática Padrão para Amostras de Teste de Concreto de Fabricação e Cura no Laboratório

■ ASTM C330 - Especificação Padrão para Agregados de Peso Leve para Concreto Estrutural

■ ASTM C511 - Especificação Padrão para Ambientes de Mistura, Cabines Úmidas, Ambientes Úmidos e Tanques de Armazenagem de Agua Usados no Teste de Cimentos e Concretos Hidráulicos

■ ASTM C143 - Método de Teste Padrão para Assentamento de Concreto de Cimento Hidráulico

■ ASTM C1231 - Prática Padrão para o Uso de Coberturas Não Ligadas em Determinação de Força Compressiva de Cilindros de Concreto Endurecido

■ ASTM C39 - Método de Teste Padrão para Força Compressiva de Amostras de Concreto Cilíndricos

Os cilindros foram mantidos cobertos e em condições de ambiente de laboratório por 24 horas. Todos os cilindros depois foram envelhecidos por um adicional de 6 dias a 23 ± 2°C, umidade relativa de 95%.

As amostras de teste depois foram testadas. Exemplo 1

Poliestireno na forma de conta não expandida (M97BC - 0,65 mm, F271T - 0,4 mm, e F271 M - 0,33 mm) foi pré expandida em partículas de espuma EPS (pré expandidas) de densidades variantes como mostrado na tabela abaixo.

<table>table see original document page 39</column></row><table>

Os dados mostram que o tamanho de partícula pré expandida varia inversamente com a densidade expandida do material.

Exemplo 2

Poliestireno na forma de conta não expandida (0,65 mm, 0,4 mm, e 0,33 mm) foi pré expandida em partículas pré expandidas com uma Densidade em massa de 2 lb/ft3 como mostrado na tabela abaixo. As partículas pré expandidas foram formuladas em uma Composição LWC, em um misturador de tambor de 3,5 pés cúbicos (0,1 m3), que incluiu 46,5% em peso (25,3% em volume) de Cimento Portland, 16,3% em peso (26,3% em volume) de água e 1,2% em peso (26,4% em volume) de partículas pré expandidas. As composições LWC resultantes tiveram uma densidade de concreto de 90 lb/ft . A força compressiva média (determinada de acordo com ASTM C39, teste de quebra de sete dias) é mostrada na tabela abaixo.

<table>table see original document page 39</column></row><table> Os dados mostram que quando o tamanho de conta não expandida diminui, em uma densidade de partícula pré expandida constante, que surpreendentemente a força compressiva mais alta não resulta necessariamente da diminuição do tamanho de conta não expandida como sugerido na técnica anterior. Mais particularmente, os dados mostram que um tamanho ótimo de conta não expandida com respeito à Força Compressiva em 2,00 pcf existe quando carregado para obter 90 pcf de densidade de concreto. Este ótimo parece estar entre 330 mícrons e 650 mícrons para esta formulação particular. Exemplo 3

Visto que a densidade de partícula pré expandida também atinge a densidade de concreto total, a mudança da densidade de EPS requer uma mudança no nível de carregamento de EPS para manter uma densidade de concreto constante. Esta relação mantêm-se apenas, contanto que, a quantidade total de partículas pré expandidas não é tão grande a fim de comprometer a força da matriz de concreto circundante. A relação entre a densidade de partícula pré expandida e o nível de carregamento fornece oportunidades adicionais para otimizar a força do concreto enquanto controla- se a densidade do concreto total.

O poliestireno na forma de conta não expandida (0,65 mm) foi pré expandido em partículas pré expandidas tendo densidades variantes como mostrado na tabela abaixo. As partículas pré expandidas foram formuladas em composições LWC contendo os componentes mostrados na tabela abaixo, em

um misturador de tambor de 3,5 pés cúbicos (0,1 m ) e cada um tendo uma densidade de concreto de 90 lb/ft .

<table>table see original document page 40</column></row><table> A tabela de dados seguinte descreve numericamente a relação entre densidade pré expandida e força de concreto em uma densidade de concreto constante de 90 lb/ft3.

<table>table see original document page 41</column></row><table>

Os dados mostram que quando a densidade de partícula pré expandida aumenta, a força compressiva da Composição LWC também aumenta em densidade de concreto constante.

Exemplo 4

O poliestireno na forma de conta não expandida (0,65 mm) foi pré expandido em partículas pré expandidas tendo uma densidade em massa de 1,1 lb/ft como mostrado na tabela abaixo. As partículas pré expandidas foram formuladas em composições LWC, em um misturador de tambor de 3,5 pés cúbicos (0,1 m3), contendo os componentes mostrados na tabela abaixo.

<table>table see original document page 41</column></row><table>

A tabela de dados seguinte descreve numericamente a relação entre a carga pré expandida, força de concreto e densidade de concreto.

<table>table see original document page 41</column></row><table>

Os dados mostram que quando o carregamento de partícula pré expandida na Composição LWC aumenta em densidade de partícula de espuma constante e diminui a força compressiva.

Exemplo 5

O poliestireno na forma de conta não expandida (0,65 mm) foi pré expandido em partículas pré expandidas tendo várias densidades como mostrado na tabela abaixo. As partículas pré expandidas foram formuladas em composições LWC5 em um misturador de tambor de 3,5 pés cúbicos (0,1 m ), contendo os componentes mostrados na tabela abaixo.

<table>table see original document page 42</column></row><table>

A tabela seguinte descreve numericamente a relação entre densidade pré expandida e força de concreto em um carregamento de concreto pré expandido constante com base no peso da formulação.

<table>table see original document page 42</column></row><table>

Os dados mostram que quando a densidade de partícula pré expandida na composição de concreto de peso leve aumenta em densidade constante de carregamento de partícula pré expandida (em peso), densidade de concreto peso leve e a Força Compressiva aumenta.

Exemplo 6

O poliestireno na forma de conta não expandida (0,65 mm) foi pré expandido em partículas pré expandidas tendo várias densidades como mostrado na tabela abaixo. As partículas pré expandidas foram formuladas em composições LWC, em um misturador de tambor de 3,5 pés cúbicos (0,1 m3), contendo os componentes mostrados na tabela abaixo.

<table>table see original document page 43</column></row><table>

A tabela seguinte descreve numericamente a relação entre densidade pré expandida e força de concreto em uma densidade de concreto constante.

<table>table see original document page 43</column></row><table>

Os dados mostram que quando a densidade de partícula pré expandida na Composição LWC aumenta em densidade de concreto constante, a força compressiva da LWC aumenta. Exemplo 7

O poliestireno na forma de conta não expandida (0,65 mm) foi pré expandido em partículas pré expandidas tendo várias densidades como mostrado na tabela abaixo. As partículas pré expandidas foram formuladas em composições LWC, em um misturador de tambor de 3,5 pés cúbicos (0,1 m3 ), contendo os componentes mostrados na tabela abaixo.

<table>table see original document page 43</column></row><table>

A tabela seguinte descreve numericamente a relação entre densidade pré expandida e força de concreto em uma densidade de concreto constante.

<table>table see original document page 44</column></row><table>

Os dados mostram que quando a densidade de partícula pré expandida na Composição LWC aumenta em densidade de concreto constante, a força compressiva da LWC aumenta.

Exemplo 8

Os exemplos seguintes demonstram o uso de ardósia expandida como um agregado em combinação com as partículas pré expandidas da presente invenção. Poliestireno na forma de conta não expandida foi pré expandido em partículas pré expandidas tendo várias densidades como mostrado na tabela abaixo. As partículas pré expandidas foram formuladas em composições LWC5 em um misturador de tambor de 3,5 pés cúbicos (0,1 m ), contendo os componentes mostrados na tabela abaixo.

<table>table see original document page 44</column></row><table>

Os dados mostram que o concreto de peso leve desejável pode ser obtido usando-se o pré expandido da presente invenção e ardósia expandida como agregado em composições de concreto de peso leve. Exemplo 9

Os exemplos seguintes demonstram o uso de ardósia expandida como um agregado usado em combinação com as partículas pré expandidas da presente invenção. Poliestireno na forma de conta não expandida foi pré expandido em partículas pré expandidas tendo várias densidades como mostrado na tabela abaixo. As partículas pré expandidas foram formuladas em composições LWC, em um misturador de tambor de 3,5 pés cúbicos (0,1 m3), contendo os componentes mostrados na tabela abaixo.

Exemplo R Exemplo S Exemplo T Exemplo U Exemplo V Exemplo W

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Exemplo 10

<table>table see original document page 45</column></row><table>

Formas de concreto de um pé quadrado (929 cm ), 4 polegadas (10,16 cm) de espessura foram fabricadas vertendo-se as formulações preparadas de acordo com os exemplos X e Y na tabela abaixo em formas e deixando as formulações assentarem por 24 horas. <table>table see original document page 46</column></row><table>

Depois de 7 dias, uma chapa de um pé quadrado (929 cm ), V2 polegada (12,7 mm) de madeira compensada foi fixada diretamente no concreto formado. Um mínimo de penetração de uma polegada (25,4 mm) foi requerida para adequar a fixação. Os resultados são mostrados na tabela abaixo.

<table>table see original document page 46</column></row><table>

Os dados demonstram que a composição de concreto de peso leve presente, sem ardósia, fornece capacidade de fixação superior com a madeira compensada usando-se fixadores padrão em comparação com as formulações expandidas e ardósia tradicionais, enquanto o concreto contendo ardósia não aceitou facilmente os fixadores. Isto representa uma melhora sobre a técnica anterior com a prática demorada de fixar âncoras no concreto para permitir que os fixadores que fixam-se a estes possam ser eliminados.

Exemplo 11

Formas de concreto de um pé quadrado (929 cm ), 4 polegadas (10,16 cm) de espessura foram fabricadas vertendo-se as formulações dos Exemplos XeY nas formas e permitindo-se as formulações assentarem por 24 horas. Depois de 7 dias, de um pé quadrado (929 cm ), polegada (12,7 mm) de madeira compensada foi fixada diretamente no concreto formado, usando-se parafusos de parede de gesso de 1 3/4 de polegada. Um mínimo de penetração de parafuso de uma polegada (25,4 mm) foi requerido para adequar a fixação. Os resultados são mostrados na tabela abaixo.

<table>table see original document page 47</column></row><table>

Os dados demonstram que a composição de concreto peso leve, sem ardósia, fornece capacidade de fixação superior em comparação com as formulações expandidas de ardósia tradicional, que não aceita fixadores facilmente. Isto representa uma melhora sobre a técnica anterior visto que a prática demorada de fixar pregos ao concreto para levar em consideração a fixação da parede de gesso a este pode ser eliminada.

Exemplo 12

Formas de concreto de dois pés quadrados, 4 polegada de espessura foram fabricadas vertendo-se as formulações Exemplos XeY em uma forma e permitindo que as formulações assentassem durante 24 horas. Depois de 7 dias, um prisioneiro de três pés de comprimento, 2" (5 cm) χ 4" (10 cm) foi preso diretamente ao concreto formado usando pregos 16d padrão. Uma penetração de prego mínima de duas polegadas foi necessária para prender adequadamente. Os resultados são mostrados na tabela abaixo.

<table>table see original document page 48</column></row><table>

Os dados demonstram que a presente composição de concreto de peso leve, sem ardósia, fornece capacidade de segurar superior comparada com as formulações expandidas de ardósia tradicionais, que não aceitam facilmente dispositivos de fixação. Isto representa uma melhora em relação à técnica anterior como a pratica cara e demorada de usar TAPCON® (disponível da Illinois Tool Works Inc., Glenview, Illinois) ou dispositivos de fixação similares, chumbadores, ou outros métodos conhecidos na técnica para prender prisioneiros ao concreto podem ser eliminados.

Exemplo 13

Concreto sem agregado adicional foi fabricado usando os ingredientes mostrados na tabela abaixo.

<table>table see original document page 48</column></row><table> <table>table see original document page 49</column></row><table>

Os dados mostram que o tamanho pré expandido médio necessário para fornecer composições de força compressiva máxima é dependente, em algum grau, do fator de expansão do pré expandido. Focalizando no tamanho pré expandido médio sozinho não fornece um bom indicador de resistência do concreto de potencial máximo. Este ponto é ilustrado comparando-se os exemplos BB e FF. O exemplo FF (1,54 mm de tamanho) não fornece força compressiva máxima em um fator de expansão de 18X, ainda está perto da resistência máxima que pode ser obtida de contas expandidas 48X.

Usando uma combinação de tamanho pré expandido e fator de expansão pode fornecer um indicador para resistência máxima do concreto. Como um exemplo, exemplo AA (tamanho pré expandido, 1,35 mm e fator de expansão 48) fornece concreto de 93 pcf com uma força compressiva de 1750 psi (12 MPa) enquanto um de tamanho semelhantemente pré expandido, exemplo II (tamanho pré expandido 1,41 mm e fator de expansão 12) fornece concreto de 90 pcf com uma força compressiva significantemente mais alta de 2100 psi (14,5 MPa). Assim tamanho pré expandido menor e um fator de expansão mais baixo podem fornecer força compressiva mais alta na presente composição de concreto de peso leve dentro de um faixa ótima de tamanho de partícula pré expandida.

Exemplo 14

Concreto com ardósia expandida como um agregado foi fabricado usando os ingredientes mostrados na tabela abaixo.

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Os dados indicam que enquanto o volume de EPS necessário para manter aproximadamente concreto de densidade de 90 pcf diminui um tanto linearmente conforme a concentração de ardósia aumenta; a resistência do concreto peso leve presente aumenta exponencialmente conforme a quantidade de ardósia na formulação aumenta. Esta relação destaca potencialmente o impacto significante de incluir agregados na presente formulação de concreto de peso leve e demonstra o potencial para otimizar a quantidade de EPS e agregados na formulação para aumentar a resistência em uma densidade desejada. Além disso, o custo de vários componentes também pode ser incluído em um tal projeto e a formulação de concreto de peso leve pode ser otimizada tanto para resistência máxima quanto custo mais baixo.

Exemplo 15 Concreto com EPS não expandido (1037C) e nenhum agregado adicional foi fabricado usando os ingredientes mostrados na tabela abaixo.

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Os dados mostram que contas de resina de poliestireno não expandidas (~ 40 pcf de densidade em massa) podem fornecer uma composição de concreto de peso leve tendo surpreendentemente força compressiva alta (2500 a 3200 psi (4,8 Mpa a 22,1 MPa)) em densidade baixa (76 a 100 pcf).

Exemplo 16

Pré expandidos de conta F271T expandida a 1,2 lb/fT (19,2 kg/m3), conta F271C expandida a 1,3 lb/ft3 (20,8 kg/m3) e conta M97BC expandida a 1,5 lb/ft (24,0 kg/m ) foram avaliadas usando a microscopia eletrônica de varredura (SEM). As células da superfície e internas de cada um são mostradas nas FIGS. 20 e 21 (F271T), 22 e 23 (F271C), e 24 e 25 (M97BC) respectivamente.

Como mostrado nas FIGS. 25, 27 e 29, a estrutura externa das partículas pré expandidas no geral foi esférica na forma tendo uma superfície externa contínua ou pele. Como mostrado nas FIGS. 26, 28 e 30, a estrutura celular interna das amostras pré expandidas se parece com uma estrutura do tipo favo de mel. O tamanho das partículas pré expandidas também foi medido usando SEM, os resultados são mostrados na tabela abaixo.

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Considerando todos os dados apresentados acima, os dados

fornecem uma indicação de que a estrutura celular interna pode afetar a resistência de uma formulação de concreto de peso leve.

Quando usadas em composições de concreto de peso leve, as partículas pré expandidas podem impactar a resistência global do concreto de dois modos. Primeiro, as partículas maiores, que têm uma densidade mais baixa, muda a matriz de concreto que circunda a partícula pré expandida e em segundo lugar, a partícula pré expandida de densidade mais baixa é menos rígida devido à estrutura celular da partícula espumada. Visto que a resistência do concreto depende, pelo menos em algum grau, sobre a resistência das partículas pré expandidas, a resistência da partícula pré expandida aumentada deve resultar em maior resistência do concreto de peso leve. O aumento da resistência potencial pode ser limitada pelo grau ao qual a mesma impacta a matriz de concreto. Os dados nos presentes exemplos sugerem que o tamanho de partícula da conta original pode ser otimizado para fornecer uma partícula pré expandida otimamente dimensionada (que é controlada pela densidade pré expandida), que resulta na resistência de concreto de baixo peso mais alta possível. Em outras palavras, dentro de um tamanho de partícula pré expandida ótimo e faixa de densidade ótima, a espessura de parede do pré expandido fornecerá suporte suficiente para permitir que a presente composição de concreto de peso leve tenha melhor resistência do que as composições de concreto de peso leve na técnica anterior.

Os dados apresentados aqui demonstram que diferente da estimativa e método tomado na técnica anterior, as partículas de EPS expandido podem fazer surpreendentemente mais do que simplesmente atuar como um espaço vazio no concreto. Mais especificamente, a estrutura e caráter das partículas pré expandidas usadas na presente invenção podem significantemente realçar a resistência da composição de concreto de peso leve resultante.

Exemplo 17

Este exemplo demonstra o uso de dispositivos de fixação com a presente composição de concreto de peso leve e a resistência de extração relacionada. Esta avaliação foi usada para comparar a capacidade de carga de um parafuso diretamente instalado no presente concreto de peso leve (aproximadamente 90 pcf) com dispositivos de fixação em concreto convencionais instalados em concreto de peso normal e leve tradicionais.

O teste de extração de prendedor foi realizado em três tipos de concreto: peso normal, 143 pcf (amostra MM, 140 pcf concreto normal), concreto de baixo peso usando ardósia expandida (123 pcf) (amostra NN, LWC de 120 pcf), e concreto de baixo peso com EPS (87 pcf) (amostra 00, LWC de 90 pcf) fabricado como descrito acima de acordo com as formulações na tabela seguinte.

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Um aparelho foi construído que permitiu que pesos fossem verticalmente pendurados a partir de cada prendedor usando a gravidade para aplicar uma carga em linha com o eixo do prendedor. O LWC de 90 pcf teve parafuso padrão de 2 1/2" (6,3 cm) para paredes de gesso diretamente instalado a aproximadamente 1 1/2" (3,8 cm) de profundidade. O LWC de 120 pcf teve dois tipos de dispositivos de fixação instalados em furos pré perfurados: chumbadores de alvenaria tipo parafuso de metal de 2 3/4" (7 cm) TAPCON® (Illinois Tool Works Inc., Glenview, IL) instalados aproximadamente 2" (5 cm) de profundidade e chumbadores de cavilha/porca de prendedor de chaveta expansor de 2 1/4" (5,7 cm) padrão instalados aproximadamente a 1 1/4" (3,2 cm) de profundidade. O concreto 140 pcf normal também teve dois tipos de dispositivos de fixação instalados em furos pré perfurados: chumbadores 2 3Z4" (7 cm) TAPCON instalados aproximadamente a 2" (5 cm) de profundidade e chumbadores de cavilha/porca de prendedor de chaveta expansor de 2 1/4" (5,7 cm) padrão instalados a aproximadamente 1 1/4" (3,2 cm) de profundidade. Um dos parafuso para paredes de gesso no concreto de peso leve foi retirado e re-instalado no mesmo furo de prendedor para testar. Também um dos parafusos TAPCON foi removido e reinstalado para avaliar qualquer perda na capacidade, as seguintes tabelas mostram os dados e cargas para cada chumbador/prendedor testado.

Parafuso para parede de gesso LWC de 90 pcf

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A força de retenção do parafuso para paredes de gesso no LWC de 90 pcf foi surpreendentemente alta visto que o mesmo não quebrou ou rasgou facilmente do concreto. O parafuso para paredes de gesso foram fáceis de instalar, requerendo apenas um perfiirador elétrico tamanho padrão. A resistência da ação de segurar do parafuso para paredes de gesso no LWC de 90 pcf foi tal que se o torque de perfuração aplicado não foi interrompido antes que a cabeça do parafuso atingisse a superfície do concreto, a cabeça do parafuso pôde ser desenroscada. Todos os dispositivos de fixação seguraram a 740 lbs (336 kg), de carga durante pelo menos 10 minutos exceto o parafuso para parede de gesso retirado e re-inserido no LWC de 90 pcf, que segurou 700 lbs (318 kg), por 30 segundos antes de soltar do concreto. Este parafuso para parede de gesso não quebrou no ponto de falha, mas foi puxado do concreto.

Considerando-se os dados acima como um todo, foi demonstrado que um tamanho de conta pré expandida ótimo existe (como um exemplo não limitante, contas de resina expandidas de aproximadamente 450 a 550 μm para um fator de expansão de aproximadamente 10 a 20 cm3/g para um diâmetro pré expandido de aproximadamente 750 a 1400 μm para concreto de baixo peso 90 pcf) para aumentar a força compressiva das presentes formulações de concreto de peso leve. A força compressiva das formulações do presente concreto de peso leve pode ser aumentada aumentando-se a presente densidade da conta de EPS pré expandida. A resina de poliestireno não expandida (-40 pcf de densidade em massa) produz LWC de força compressiva alta (2500 a 3200 psi (4,8 Mpa a 22,1 MPa)) considerando a densidade baixa (76 a 100 pcf). Agregados podem ser usados nas presentes formulações de concreto de peso leve. As presentes formulações de concreto de peso leve, sem agregados grosso, fornecem uma composição de concreto, que podem ser diretamente presos usando perfuradores e parafusos padrão. Quando as contas pré expandidas EPS são expandidas até densidades volumétricas baixas (por exemplo < 1 pcf), as contas têm uma estrutura celular interna fraca, que cria uma espuma mais fraca, e por sua vez fornece uma composição de concreto de peso leve tendo uma força compressiva mais baixa.

Exemplo 18

Este exemplo demonstra o uso de diferentes tipos de areia em composições de concreto de baixo peso de acordo com a presente invenção.

O concreto com EPS (conta F271 C expandida) foi fabricado usando os ingredientes mostrados na tabela abaixo usando os métodos descritos acima exceto que um misturador Mortarman 120 (IMER USA Inc., Capital Heights, MD) foi usado para misturar e cilindros 4" (10 cm) χ 8" (20 cm) foram usados ao invés de cilindros 6" (15 cm) χ 12" (30 cm) para o <table>table see original document page 57</column></row><table>

Os resultados demonstram que resistência mais alta pode ser obtida nas presentes composições de concreto de baixo peso quando areia com um módulo de finura mais baixo é usada.

A presente invenção foi descrita com referência aos detalhes específicos de suas formas de realização particulares. Não é intencionado que tais detalhes sejam observados como limitações no escopo da invenção exceto na medida em que e no grau em que eles sejam incluídos nas reivindicações anexas.

Claims (25)

1. Composição cimentícia de baixo peso, caracterizada pelo fato de que compreende de 10 a 90 porcento em volume de uma composição de cimento, de 10 to 90 porcento em volume de partículas tendo um diâmetro de partícula médio de 0,2 mm a 8 mm, uma densidade em massa de 0,028 g/cm3 a 0,64 g/cm , uma razão de aspecto de 1 a 3, e de 10 a 50 porcento em volume de areia e/ou outra substância fina, em que pelo menos uma porção da areia e/ou agregado fino tem um módulo de finura de menos do que 2; em que a soma de componentes usados não excede 100 porcento em volume; em que depois que a composição cimentícia de baixo peso é solidificada durante sete dias, tem uma força compressiva de pelo menos 1700 psi (11,7 MPa) como testado de acordo com ASTM C39.

2. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as partículas têm uma camada externa substancialmente contínua.

3. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as partículas compreendem partículas poliméricas expandidas tendo uma espessura de parede celular interna de pelo menos pelo menos 0,15 μια.

4. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as partículas compreendem partículas poliméricas expandidas compreendendo um ou mais polímeros selecionados do grupo que consiste de homopolímeros de monômeros vinil aromáticos; copolímeros de pelo menos um monômero vinil aromático com um ou mais de divinilbenzeno, dienos conjugados, metacrilatos de alquila, acrilatos de alquila, acrilonitrila, e/ou anidrido maleico; poliolefinas; policarbonatos; poliésteres; poliamidas; borrachas naturais; borrachas sintéticas; e combinações destes.

5. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as partículas compreendem partículas poliméricas expandidas preparadas expandindo-se uma conta polimérica tendo um tamanho de partícula de resina médio não expandido de cerca de 0,2 mm a cerca de 2 mm.

6. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as partículas compreendem partículas poliméricas expandidas tendo um tamanho de partícula médio de cerca de 0,3 mm a cerca de 5 mm.

7. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de ser como uma dispersão em que a composição de cimento compreende uma fase contínua e as partículas compreendem uma fase dispersa de partículas separadas na fase contínua.

8. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 7 caracterizada pelo fato de que não contém agentes umectantes ou agentes dispersantes para estabilizar a dispersão.

9. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que pelo menos algumas das partículas são arranjadas em um treliça cúbica ou hexagonal.

10. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a composição de cimento compreende uma composição de cimento hidráulico.

11. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o cimento hidráulico compreende um ou mais materiais selecionados do grupo que consiste de cimentos Portland, cimentos de pozolana, cimentos de gipsita, composições de gipsita, cimentos aluminosos, cimentos de magnésia, cimentos de sílica, e cimentos de escória.

12. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a mistura cimentícia compreende ainda agregado grosso, plastificantes e/ou fibras.

13. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que as fibras são selecionadas do grupo que consiste de fibras vítreas, carboneto de silício, fibras de aramida, poliéster, fibras de carbono, fibras compósitas, fibra de vidro, combinações destes, tecido contendo as ditas fibras, e tecido contendo combinações das ditas fibras.

14. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o agregado grosso é selecionado do grupo que consiste de pedra, pedregulho, escória de alto forno granulada moída, cinzas volantes, vidro, sílica, ardósia expandida, argila; pedra-pomes, perlita, vermiculita, escória, diatomita, xisto expandido, argila expandida, escória expandida, sílica defumada, agregado peletizado, cinzas volantes extrusadas, tufo, macrolita, ardósia, escória de alto forno expandida, cinzas volantes sinterizadas, cinzas de carvão, e combinações destes.

15. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que tem uma densidade de cerca de -40 a cerca de 130 lb/ft3 (0,64 a 2,08 g/cm3).

16. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que um parafuso para parede de gesso de 2 1A polegadas (6,35 cm) padrão, parafusado na composição cimentícia de baixo peso formada e solidificada a uma profundidade de 1 xA polegadas (3,81 cm), não é removida aplicando-se 500 libras força (226,8 kgf) perpendicular à superfície parafusada durante um minuto.

17. Leito de estrada, caracterizado pelo fato de que compreende a composição cimentícia de baixo peso como definida na reivindicação 1.

18. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que é moldada e solidificada na forma de um artigo de construção.

19. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que é solidificada na forma de uma unidade de alvenaria em concreto.

20. Artigo de construção pré-moldado e/ou pré-tensionado, caracterizado pelo fato de que compreende a composição como definida na reivindicação 1.

21. Composição cimentícia de baixo peso de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que é solidificada na forma de um painel de construção.

22. Método para fabricar um artigo de composição cimentícia de baixo peso otimizado, caracterizado pelo fato de que compreende: identificar as propriedades de densidade e resistência desejadas de uma composição cimentícia de baixo peso solidificada; determinar o tipo, tamanho e densidade de contas poliméricas a serem expandidas para o uso na composição cimentícia de baixo peso; determinar o tamanho e densidade que as contas poliméricas devem ser expandidas; expandir as contas poliméricas para formar contas poliméricas expandidas; dispersar as contas poliméricas expandidas em uma mistura cimentícia para formar a composição cimentícia de baixo peso; e permitir que a composição cimentícia de baixo peso seja solidificada em uma forma desejada.

23. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que a análise de elementos finitos é usada para determinar o tipo, tamanho e densidade de contas poliméricas a serem expandidas e o tamanho e densidade que as contas poliméricas devem ser expandidas.

24. Artigo de concreto de baixo peso, caracterizado pelo fato de que é fabricado de acordo com o método como definido na reivindicação -22.

25. Composição de concreto de baixo peso, caracterizada pelo fato de que compreende de 10 a 60 porcento em volume de uma composição de cimento que inclui Cimento Portland tipo III; de 20 a 78 porcento em volume de partículas poliméricas expandidas tendo um diâmetro de partícula médio de 0,2 mm a 5 mm, uma densidade em massa de 0,032 g/cm3 a 0,56 g/cm3, e uma razão de aspecto de Ia 2; de 15 a 35 porcento em volume de areia e/ou agregado fino, em que pelo menos uma porção da areia e/ou agregado fino tem um módulo de finura de menos do que 2; de 5 a 15 porcento em volume de agregado grosso; e de 0,1 a 1 porcento em volume de um ou mais aditivos selecionados de agentes anti-espuma, agentes de impermeabilização, agentes dispersantes, aceleradores de solidificação, retardadores de solidificação, agentes plastificantes, agentes super plastificantes, agentes de diminuição do ponto de congelamento, agentes melhoradores de adesividade, corantes e combinações destes; em que a soma dos componentes usados não excede 100 porcento em volume e em que depois que a composição de concreto de baixo peso é solidificada, ela tem uma força compressiva de pelo menos 2000 psi (13,8 MPa) como testado de acordo com ASTM C39 depois de sete dias.