BRPI0616698A2

BRPI0616698A2 - fibra plÁstica bicomponente para aplicaÇço em materiais de contruÇço ligados com cimento

Info

Publication number: BRPI0616698A2
Application number: BRPI0616698-9A
Authority: BR
Inventors: Josef Kaufmann; Eugen Schwiter
Original assignee: Empa; Fibrotec Ag
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2012-12-25
Also published as: ES2326435T3; RU2008117158A; KR20080068834A; KR101332036B1; CA2624143A1; AU2006297004A1; US20090136755A1; EP1929099A1; ZA200803717B; CN101278098B; US20120146254A1; CN101278098A; US8496861B2; RU2423560C2; CA2624143C; WO2007036058A1; DE502006003121D1; JP4776687B2; AU2006297004B2; PL1929099T3

Abstract

FIBRA PLÁSTICA BI-COMPONENTE PARA APLICAÇçO EM MATERIAIS DE CONSTRUÇçO LIGADOS COM CIMENTO. Trata-se de uma fibra de núcleo/cobertura que consiste em plástico, tal como o polipropileno, polietileno ou uma mistura destas matérias primas ou outros polímeros termoplásticos. O diâmetro da fibra é de 1,15 a 2,0 mm e a fibra de núcleo/corbetura apresenta de um modo contínuo ou intermitento, uma superfície estruturada. Essa é produzida po um emboço (5) que é projetado com um ou mais lados e sua profundidade é de, pelo menos, 10% do diâmetro médio da fibra. O emboço (5) pode ser projetado em um modo transverso ou diagonal ou em outro formato em relação ao curso da fibra, porém, de qualquer modo, é incorporado após o estiramento da fibra por um fator da 5 a 15. A fibra de núcleo-cobertura é cortada em segmentos de 10 a 80 mm e agrupada em feixes de diversos milhares e envolvidos em uma película plástica solúvel na água. Tais fibras são usadas para aumentar a resistência de tensão, para melhorar o comportamento pós-falha ou, em geral, para o reforço mecânico de materiais de construção ligados com cimento, em especial concreto. Estes feixes podem ser processados em materiais de construção juntamente com a película plástica sem quaisquer desvantagens.

Description

"FIBRA PLÁSTICA BICOMPONENTE PARA APLICAÇÃO EM MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO LIGADOS COM CIMENTO".

Δ invenção refere-se a fibras plásticas especiais que são mais apropriadas para a aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de 4 mm e são mais apropriadas e, com isso, melhoram decisivamente a resistência de tensão e o comportamento pós-ruptura destes materiais de construção.

A resistência de tensão do concreto é inferior que sua resistência compressiva por um fator de aproximadamente 10. A ruptura ocorre de uma maneira relativamente fragmentada. Conseqüentemente, o concreto necessita ser reforçado na construção de uma edificação, para acomodar forças de tensão ou forças de cisalhamento. Freqüentemente, as medidas de segurança estão em primeiro plano. Um componente de concreto ao exceder a carga máxima não deveria sofrer rupturas de uma maneira catastrófica e abrupta, mas primeiramente absorver uma determinada quantidade de energia, portanto exibir um comportamento dúctil. Ambos são convencionalmente obtidos por meio de reforço de aço. 0 tipo de reforço é planejado de uma maneira detalhada e então os reforços são aplicados de uma maneira dispendiosa, geralmente manual. Em determinados casos, ao acrescentar segmentos curtos de fibra de aço pode-se prescindir completa ou parcialmente do reforço convencional de aço. No entanto, as fibras de aço apresentam uma desvantagem decisiva porque as mesmas são propensas à corrosão que, muitas vezes, conduz a faixas ou manchas de aspecto desagradável de ferrugem no concreto. Além disso, as mesmas acarretam riscos de ferimentos. ι 2/26

Adicionalmente, as mesmas têm baixas propriedades de mistura e dosagem em decorrência de sua rigidez. Em decorrência da alta densidade resultam altos pesos de dosagem, o que se reflete nos custos. A incorporação de mistura de fibras de aço também conduz a uma dispersão relativamente alta das propriedades do material devido a uma distribuição não uniforme. Outros tipos de fibras, tais como fibras de vidro, apresentam desvantagens decisivas, por exemplo, uma resistência limitada aos álcalis. O uso de fibras plásticas oferece uma

alternativa. Sendo que nisso, por um lado, as fibras necessitam apresentar uma resistência de tensão relativamente alta e, por outro lado, necessitam apresentar uma alta resistência de ligação ao concreto. Em caso de aplicação de carga, a fricção estática deve permanecer eficaz em toda a superfície da fibra, de modo que a fibra seja uniformemente estirada e esteja em condições de absorver muita energia de ruptura. Os tipos de fibras menos dispendiosas, em especial também quando comparadas diretamente com as fibras de aço, podem ser fabricadas com base em poliolefinas {polipropileno, polietileno) ou outros plásticos termoplásticos. Enquanto isso é bem sucedido para atingir resistências consideráveis de tensão com valores que, até certo ponto, são melhores do que o aço, o módulo de elasticidade e a resistência de ligação ao concreto é, em geral, baixo com estes tipos de fibras. Uma melhora da fricção estática pode ser obtida ao aumentar os módulos-E das fibras, fabricadas de matérias primas relativamente dispendiosas. 3/26

As fibras plásticas termoplásticas de múltiplas camadas para reforçar o concreto são conhecidas a partir da EP 1.350.773. Neste caso, é enfatizado, em especial, que os polímeros de diferentes camadas apresentam diferentes pontos de fusão. O polímero com o menor ponto de fusão encontra-se no núcleo, àquele com o maior ponto de fusão encontra-se na cobertura, enquanto que a diferença deve ser de 10°C a 20°C. Esta medida deve servir para o estiramento após o aquecimento em um forno especial, no qual a camada interna, de modo similar, seja suficientemente aquecida com o aquecimento da camada externa, de modo que é possível um estiramento pelo fator 3 a 12. Por meio do estiramento, as moléculas plásticas são longitudinalmente orientadas. A resistência do plástico é primeiramente obtida por meio disso. Antes do estiramento, estas fibras plásticas são providas, em seu lado externo, de estruturas, para aumentar força adesiva no concreto. Em pormenores, estes filamentos são fabricados de modo tal que é criada uma película de duas ou múltiplas camadas por meio de uma co-extrusão. Depois disso, a película é provida com um emboço por meio de uma calandra. Subseqüentemente, a película é cortada em pequenas tiras apertadas. E no final, as pequenas tiras bidimensionais são ainda estiradas por meio do qual surgem efetivamente as saliências mais finas ou espessas.

No entanto, é importante salientar que o emboço e o estiramento são efetuados em um processo coerente. Os acúmulos parciais de material surgem devido ao emboço na condição não estirada, conforme está instruído na EP 1.350.773 A2. 0 polímero que é deslocado pela estruturação ainda está amorfo. Quando subseqüentemente é estirado, ι 4/26

então a primeira zona com o acúmulo mais estreito de material é estirada. É de conhecimento geral e também óbvio que primeiramente são es tirados os locais com a menor resistência durante cada processo de estiramento. Neste caso, isso ocorre visivelmente nos locais mais finos. Por esta razão, as pequenas tiras emboçadas previamente não podem ser uniformemente estiradas no final, portanto após um estiramento após o emboço já efetuado. De qualquer modo, seria difícil ou até impossível manter, durante a manutenção de condições de produção favoráveis, o que significa durante o ato de evitar rupturas de filamentos, ser capaz de estirar completamente os filamentos emboçados de tal maneira. Os locais finos seriam completamente estirados, enquanto que nos locais mais espessos o grau de estiramento, portanto também a orientação das moléculas, deve ser necessariamente menor. Conseqüentemente, as saliências que são fabricadas de acordo com este método são mais macias do que em outros locais do filamento e, em conformidade com isso, apresentam um módulo de elasticidade insuficientemente alto. Isso significa que as saliências - no estiramento - sofrem um leve desgaste. Além disso, basicamente é impossível obter saliências com bordas agudas por meio de um estiramento após o emboço, visto que o perfil das saliências fica "embaçado" devido ao estiramento, o que é claramente visível na figura 1 da EP 1.350773 A2. Visto que cada cadeia é somente tão forte quanto seu membro mais fraco, este método também acarreta uma determinada quantidade de desperdício de material, visto que uma quantidade de polímero desproporcionalmente alta necessita ser usada com a finalidade de obter os 5/26

valores de resistência projetados nos locais finos. De modo similar, isso também é nitidamente evidenciado na figura I(A) na EP 1.350.773 A2 . Com o emboço antes do estiramento, somente é possível obter saliências que apresentam uma grande distância uma da outra. Assim, na [0041] da EP 1.350.773 A2 é mencionado que a proporção de estiramento deve estar entre 3:1 a 12:1 e, de preferência, entre 5:1 a 10:1. Com um emboço em pirâmide, conforme apresentado na figura 1 (B) e após um subseqüente estiramento mínimo total (fator de estiramento) de 5, as distâncias de saliência para saliência são 5 mm com um estiramento total de 10, o que representa o mínimo absoluto com um filamento PP ou HDPE de alta resistência, assim a distância de 10 mm de saliência para saliência resulta, sem levar em consideração fenda do emboço! A figura 1 (A) da EP 1.350.773 A2, adicionalmente, ilustra muito claramente o perfil dos filamentos que se obtém por meio de um emboço antes do estiramento. As fibras são em média mais finas nas nervuras (locais finos). Os espessamentos aumentam progressivamente em direção às saliências (locais espessos) e depois novamente tornam-se progressivamente planas. Portanto, de um certo modo é formado um cone de ambos os lados de cada saliência. Esta particularidade é sempre repetida com o método conforme está descrito sob a EP 1.350.773, independentemente de qual o tipo de emboço selecionado, quer seja uma pirâmide, onda ou perfil angular, ou um emboço de um único lado ou de lado duplo. As saliências necessariamente e sempre em ambos os lados confinam-se em um ângulo muito agudo no diâmetro do próximo local fino. Com isso, o deslocamento do concreto, em comparação com um emboço agudo com transições marcadas do local fino para o local espesso, é consideravelmente mais desfavorável.

Assim, com o emboço antes do estiramento só podemos obter saliências lateralmente planas ou arredondadas que apresentam uma grande distância de uma para a outra e, além disso, fica claro que a transformação da estrutura no interior das fibras é levada em consideração em decorrência do estiramento adicional que se segue ao emboço no que diz respeito ao tempo. Durante cada processo de estiramento, primeiramente são estirados os locais com a menor resistência. Estas são nitidamente, neste caso, os locais finos produzidos com base na estruturação. Por esta razão, as fibras estiradas após um emboço não apresentam mais estruturas homogêneas de moléculas. Pelo contrário, os locais finos são completamente estirados, enquanto que nos locais espessos o grau de estiramento e também a orientação uniforme das moléculas são inevitavelmente menores. Por esta razão, uma quantidade desproporcional de polímero é usada, com a finalidade de obter os valores de resistência desejados nos locais finos. Além disso, os locais espessos são macios, o que do mesmo modo agrava a ligação com o concreto e conduz a um deslocamento da matriz de pedra de cimento que é muito mais provável quando comparada com uma superfície dura de polímero.

Em vista destes fundamentos, o objetivo da presente invenção é o de determinar fibras plásticas para aplicação em materiais de construção ligados com cimento, em especial concreto, com uma granulação máxima de 4 mm de diâmetro e, cujas propriedades mecânicas destes materiais de construção são consideravelmente melhoradas pelo fato de que as mesmas compreendem uma estrutura molecular homogênea bem como um emboço mais denso em sua superfície. Ao mesmo tempo, estas fibras plásticas devem ser mais práticas em seu manuseio e mistura, devem atingir sua resistência para tensão com massas mínimas e ser capazes de competir com fibras de aço no que diz respeito ao custo.

Este objetivo é atingido por uma fibra plástica para aplicação em concreto, com um diâmetro máximo de granulação >4 mm, com um diâmetro médio de 0,15 a 2 mm, correspondendo a aproximadamente 160 a 28.000 dtex (Dezitex = grama por 10.000 metros lineares) que é caracterizado pelo fato de que é uma fibra bicomponente que é estirada pelo fator 5 a 15 e é fabricada por meio de um método de co-extrusão a partir de um núcleo central e uma cobertura que a envolve, de diferentemente polímeros puros ou misturas de polímeros e que após o estiramento ter sido efetuado, uma superfície estruturada continuamente ou com interrupções ou superfície com ranhuras é emboçada sobre esta fibra bicomponente continuamente estirada, na qual a profundidade desta estruturação é maior do que 10% deste diâmetro médio de fibra e as distâncias máximas de suas pontas de estrutura dentro de estruturas incorporadas em direção axial situam-se na faixa entre 0,5 mm e 3 mm.

Devido à divisão entre um núcleo e uma cobertura, por um lado, o polímero da cobertura no que diz respeito à sua processabilidade (reologia) e a resistência de ligação entre a fibra e o concreto, além do grau de rigidez, a estabilidade dimensional e a resistência ao desgaste e, por outro lado, o polímero de núcleo, no que diz respeito à alta resistência para tensão e uma pequena distensão à ruptura, podem ser otimizados independentemente um do outro. Por meio disso, podem-se obter não somente fibras com características aperfeiçoadas muito novas, porém também reduzir os custos, visto que não é a fibra completa que deve consistir de polímeros universais dispendiosos, conforme é o caso com fibras totais. Além disso, resulta a possibilidade de aplicar os componentes dispendiosos em uma área mínima, por exemplo, somente na cobertura. 0 polímero da cobertura pode ser otimizado à ligação desejada ao cimento, por um lado, por meio de emboço e por outro lado, por meio de modificação química da superfície. Por meio disso, a combinação de ambas as medidas comprovou-se extremamente eficaz.

Construções diferentes de fibras que são adequadas para incorporação em materiais de construção ligados a cimento são apresentadas nos desenhos anexos e o efeito no concreto é exibido por diagramas de medições.

São exibidos na:

Figura 1: um diagrama de curso de força para representação da resistência de ligação, por ex.: a força por superfície de fibra de diferentes tipos de fibra em um material de construção ligado a cimento.

Figura 2: uma fibra de emboço intermitente com uma corte transversal inicialmente redondo.

Figura 3: um dispositivo para emboço com dois cilindros paralelamente instalados entre si, esquematicamente representados. Figura 4: um tipo de emboço de fibras visto a partir do lado.

Figura 5: um tipo adicional de emboço de fibras visto a partir do lado.

Figura β: uma fibra emboçada com um núcleo de

fibra e uma cobertura de fibra de diferentes materiais com finas partículas ou nanopartículas no núcleo e/ou no polímero de cobertura.

Figura 7: um diagrama de curso de força para representar diferentes resistências de ligação com fibras plásticas idênticas, nas quais foram aplicadas nanopartículas no polímero de cobertura com a fibra um.

Figura 8: um diagrama de curso de força para representar resistências de compósitos de fibras com nanopartículas e emboço no polímero de cobertura, em comparação com uma fibra sem nanopartículas e emboço de polímero de cobertura.

Figura 9: um feixe individual com milhares de seções de fibras plásticas, para incorporação em material de construção ligado a cimento a ser misturado.

Aqui são explicados alguns fatos básicos antes de introduzir as figuras individuais. As fibras que podem ser aplicadas no concreto, em contraste com as fibras em produtos de fibras e cimento, apresentam um diâmetro consideravelmente superior de 0,15 a 2 mm, visto que de outro modo com as dosagens usuais de fibras para reforço mecânico, o qual quer dizer na área de 0,3 a 2% por volume, pode ser que não se obtenha uma suficiente processabilidade do material de construção. Com tais fibras espessas, a resistência de ligação entre a fibra e o material de §

construção, em especial com base em polímeros de baixa modulação não dispendiosos tais como as poliolefinas, têm- se apresentado, até agora, inadequada, visto que a seção transversal da fibra reduz em caso de carga e assim a fibra pode escapar facilmente de sua incrustação. Um aumento da resistência de ligação por meio de uma seleção de um polímero adequado ou por meio do aumento de adesão ao concreto devido ao aumento da superfície de tensão das fibras ou devido ao tratamento de corona, de plasma ou de fluoreto ou também pro meio de dispersões ou emolientes de cera de deposição, têm demonstrado ser insuficiente com fibras de baixa modulação e, conseqüentemente, também com fibras bicomponente. Com o uso de plásticos de alta modulação, o adelgaçamento do corte transversal somente é adequadamente reduzido quando a fibra, em grande parte ou completamente, é fabricada a partir destas matérias primas dispendiosas. Uma fibra bicomponente provida com uma estrutura emboçada abre agora perspectivas muito novas para a aplicação em concreto. É notório que, com matérias primas

termoplásticas, os parâmetros a seguir são decisivos para que as fibras alcancem valores de alta resistência com uma baixa extensão e um alto módulo de elasticidade: os polímeros devem apresentar um baixo MFR (taxa de fluxo de fusão) e uma distribuição de peso molecular apertada. A taxa de extrusão é definida de acordo com a ISP 1133 e é uma medida para definir, em que temperatura e carga de pressão, qual a quantidade de massa que flui por tempo através de um bocal definido. Além disso, o grau de estiramento {processo de estiramento após a fiação) deve ser selecionado o mais alto possível. No entanto, também é conhecido que as fibras com um diâmetro de 0,15 a 2 mm apresentam uma tendência à fissura (fibrilam) no sentido longitudinal sob carga mecânica, o que é muito negativo para a ligação entre o cimento e as fibras. Na extração do concreto, as fibras são mecanicamente submetidas a cargas muito fortes e com isso, inevitavelmente, ocorre a fibrilação - quando o polímero no processo de sua fabricação foi estirado até o limite. Os polímeros com uma alta MFR e uma ampla distribuição de peso molecular apresentam um comportamento consideravelmente mais vantajoso durante o processo de estiramento. Isso

significa que as fibras, fabricadas de tais polímeros podem ser submetidos a um estiramento maior, até que seja atingido seu limite absoluto.

Normalmente, os filamentos, estas fibras completas ou os filamentos co-perfilados, como por ex.: fibras de núcleo-cobertura são fabricadas de acordo com o seguinte sistema: após a saída dos bocais, na qual cada fibra é extraída por pressão através de um orifício separado, as fibrilas não estiradas são resfriadas em um banho de água. A temperatura deste banho pode ser controlada. Os filamentos finos resfriam mais rapidamente que os espessos. Durante o processo subseqüente de estiramento, os filamentos passam através de fontes adequadas de calor (fornos) de um modo sem contato em um ou mais estágios de processo. Os filamentos finos resfriam e aquecem mais rapidamente e mais uniformemente que os espessos com, por exemplo, 0,15 a 2,0 mm de diâmetro. Os filamentos com uma massa maior armazenam no centro a energia da fusão por mais tempo. Logicamente, no banho de água as camadas externas são mais resf riadas do que as camadas internas. Neste caso, o equilíbrio térmico entre o centro da fibra a superfície da fibra não é alcançado por polímeros com diferentes pontos de fusão, mas sim por meio da compensação térmica em decorrência do banho de água e da radiação térmica em decorrência das temperaturas do forno de estiramento. As fibras plásticas aqui apresentadas são produzidas de acordo com este método padrão para filamentos. Os pontos de fusão de ambos os polímeros, no núcleo bem como na cobertura, podem ser idênticos ou também diferentes, visto que propriamente não são de significância para o processamento posterior. De preferência, no entanto, são usados polímeros para o núcleo e a cobertura que exibem o mesmo procedimento à temperatura, isso quer dizer que atingem o seu ponto de fusão na mesma temperatura de aproximadamente 1650C. Porém, em contrapartida, opera-se com polímeros de diferentes viscosidades após atingir o ponto de fusão, especificamente uma taxa de extrusão (MFR) de 0,8 a 35 g/10 min. 0 polímero da cobertura com 35 g/10 min. - com o mesmo ponto de fusão - é aproximadamente 44 vezes mais líquido que o polímero do núcleo. Os diferentes MFRs fazem oposição à fibrilação. 0 polímero mais líquido da cobertura é mais fácil de estirar que o polímero mais rijo do núcleo. Portanto, a cobertura não completamente dissolvida impede da fibrilação.

Com o procedimento aqui sugerido, de fabricação de fibra de um núcleo e uma cobertura de diferentes polímeros, revelam-se as melhores condições para uma otimização das fibras. Por um lado, o polímero da cobertura pode ser otimizado no que diz respeito à processabilidade (reologia) e a resistência de ligação entre a fibra e o concreto e o polímero de núcleo pode ser independentemente disso otimizado no que diz respeito à alta resistência para tensão e uma pequena extensão na ruptura. Com esta finalidade, foi criada uma fibra de núcleo e cobertura, cujo núcleo consiste de polímeros com uma MFR inferior e uma apertada distribuição de peso molecular e cuja cobertura consiste de polímeros com uma MFR superior e uma ampla distribuição de peso molecular. Com o procedimento de estiramento, o núcleo de uma fibra projetada deste modo é maximizado em relação às propriedades mecânicas pelo fato de que é estirada de uma maneira completa e homogênea, enquanto que a cobertura ainda apresenta reservas suficientes, para uma fixação confiável das fibras e por meio do qual impedir a fibrilação sob carga. Portanto, com uma fibra deste tipo, o núcleo é projetado de um modo que visa os melhores valores mecânicos possíveis e a cobertura construída para uma ligação otimizada ao cimento. A fibra completa, isso quer dizer, a fibra estirada de modo contínuo e homogêneo, é então provida com uma estrutura, em um estágio posterior, por meio do emboço. Por meio disso, o polímero completamente estirado com suas moléculas longitudinalmente orientadas é somente então deslocado ou reorientado, lateralmente ou na profundidade. Mediante observação do perfil total das fibras, não resultam quaisquer locais finos mais frágeis.

Nos estudos foi corroborado que os altos valores de resistência foram mantidos por meio da incorporação adicional de uma massa de 3% a 25% de partículas minerais, η

Ct

no entanto a distensão na ruptura foi reduzida. Os sais minerais, as partículas ou esferas de vidro ou materiais de fibra de todos os tipos são adequados para tal incorporação. Por meio disso o módulo de elasticidade das fibras foi aumentado, o que constitui uma grande vantagem com esta aplicação. Simultaneamente, a incorporação dos minerais apresenta o efeito de que a contração das fibras (apertadamento) é reduzida sob carga, o que, por sua vez, apresenta um efeito positivo no comportamento da extração. Pode ser comprovado que a tensão superficial do

polímero é aumentada por conta da incorporação de grupos funcionais que similarmente conduzem a uma ligação melhorada entre as fibras e o cimento. No entanto, esta modificação química faz com que os polímeros fiquem mais dispendiosos. Visto que numa fibra de núcleo-cobertura, somente a cobertura entra em contato direto com o cimento, somente esta necessita ser modificada. A proporção da cobertura, dependendo do projeto da fibra, é de aproximadamente 20% a 50% da massa total da fibra. Com a finalidade de obter o mesmo efeito com a fibra total, o polímero de tal tipo seria modificado por inteiro.

Assim as fibras muito novas e com propriedades consideravelmente melhoradas podem ser projetadas por meio de uma combinação das medidas acima descritas. Os custos podem ser ainda mais reduzidos, visto que a fibra toda não necessita consistir de polímeros universais dispendiosos, conforme é o caso com fibras totais, mas podem-se usar componentes em uma baixa proporção, por exemplo, somente na cobertura. 0 polímero da cobertura pode então ser otimizado para atingir a ligação desejada ao cimento, por um lado pelo emboço e por outro por uma modificação química da superfície. Por meio disso comprova-se a combinação destas duas medidas como extremamente eficaz.

A estruturação da superfície é efetuada, de preferência, por meio de um emboço mecânico de fibras bicomponente. São formadas ranhuras na parte emboçada por meio de um procedimento de emboço e o plástico é ao mesmo tempo lateralmente deslocado, o que também efetua uma superfície lateralmente estruturada que então atua de uma maneira positiva no que diz respeito à adesão ao cimento na fibra e sua mistura com o concreto. Por meio da estruturação, da ligação da fibra à matriz do material de construção não é neutralizada, mesmo com um adelgaçamento da seção transversal da fibra em caso de carga, portanto mesmo em módulos inferiores de elasticidade da fibra.

Um aperfeiçoamento adicional das propriedades de ligação ao concreto de fibras bicomponente é especialmente bem sucedida por meio da incorporação adicional de uma massa de 3% a 25% de nanopartículas com um diâmetro de granulação de < 1 μιιι na forma de materiais minerais de enchimento no polímero de cobertura. Por meio disso fica aumentado o grau de rigidez e a resistência ao desgaste superficial. 0 emboço torna-se mais rígido e mais preciso devido à incorporação de nanopartículas. Com o estiramento da fibra, resulta um curso inferior de estiramento com a mesma transmissão de força e uma resistência de ligação superior, conforme está apresentado no diagrama da figura 7. A aplicação destas partículas somente no polímero de cobertura conduz a uma economia decisiva em massa e custos. Os resultados dos estudos de estiramento no laboratório estão representados na figura 1. Sendo que nisso, os melhores resultados foram apresentados por uma fibra de polímero modificado que é adicionalmente misturada com minerais e adicionalmente emboçada. A máxima resistência de ligação - medida em uma amostra de 7 dias e uma profundidade de assentamento de fibras de 20 mm - foi medida a 2,0 N/mm2. Nisso o resultado foi mais que o dobro do que qualquer uma fibra similar, porém não emboçada. Em comparação com as fibras não modificadas com uma superfície macia não emboçada e sem incorporação de quaisquer materiais auxiliares no polímero, a ligação foi até superior por um fator de 8. As fibras não emboçadas e de polímero não modificado, portanto qualquer com uma superfície lisa, em comparação, só poderiam englobar forças de resistência consideravelmente inferiores. A modificação por meio de uma incorporação de grupos funcionais isoladamente aumenta a tensão superficial do polímero, o que conduz a uma ligação aperfeiçoada entre s fibras e o cimento conforme está apresentado por meio da figura 1. Sob carga, as fibras perdem muito rapidamente seu efeito, conforme é evidente a partir do diagrama.

As fibras plásticas aqui apresentadas também diferem consideravelmente daqueles produtos com os quais é efetuada a tentativa de obter uma ligação aperfeiçoada ao cimento e uma força de estiramento aumentada, somente por meio de mistura de minerais ou agentes minerais de ligação. Freqüentemente é alegado que os agregados adotam uma forte conexão controlada ao cimento. Esta alegação foi comprovada como incorreta. Especificamente, foi averiguado que a maior «£>o?

Φ

parte dos minerais ou do agente de ligação mineral está incrustada no plástico e/ou está envolvido na superfície por meio de emulsões, ceras, emolientes etc. e, portanto, estes agregados, em grande parte, são ineficazes. Além disso, os estudos também mostraram que no final o comportamento mais favorável de estiramento que foi observado pela incorporação de minerais é, principalmente, atribuído à superfície menos uniforme da fibra e ao menor apertadamento da fibra (contração). A cobertura das fibras bicomponente aqui

apresentadas consiste de polímeros modificados que são otimizados em relação à adesão ao cimento e propriedades de processamento (reologia). A tensão da superfície das fibras pode ser aumentada por meio da incorporação de grupos funcionais (por exemplo: anidrido de ácido maleico ou substâncias ativas / químicas funcionais) no polímero da cobertura, o que, por sua vez, conduz a uma umidificação aperfeiçoada do mesmo e a uma ligação aperfeiçoada entre o cimento e a fibra. As fibras de núcleo e cobertura com um diâmetro entre 0,35 e 0,5 mm demonstraram ser especialmente vantajosas nos estudos. A proporção de massa entre o núcleo e a cobertura situa-se entre 50%/50% e 80%/20%. Um diâmetro de granulação < 1 μιτι foi averiguado como favorável. As matérias primas de poliolef ina, PL e HDPE bem como as misturas destes dois polímeros demonstraram-se vantajosas como núcleo. A cobertura de tal fibra é adicionalmente provida com um emboço, com a finalidade de dar à mesma uma superfície estruturada.

A figura 2 apresenta uma fibra de núcleo e cobertura de plástico. Esta fibra consiste de materiais de <93

poliolefina, isso quer dizer, de polipropiIeno, polietileno ou misturas dos mesmos e outras matérias primas termoplásticas. Esta fibra apresenta um diâmetro de 0,15 a 2 mm. Apresenta um núcleo 3 de um polipropileno, polietileno ou misturas dos mesmos e uma matéria prima termoplástica diferente e uma cobertura 7 de diferentes matérias primas de poliolefinas tais como PP, HDPE ou misturas destes dois polímeros, envolvendo o núcleo 3. A fabricação desta fibra bicomponente é efetuada em um processo de extrusão. Uma fibra deste tipo pode apresentar uma secção transversal circular, mas também uma secção transversal que difere desta como, por exemplo, uma secção elipsoidal, quadrada, retangular, em forma de osso ou estrela ou qualquer outro formato. Como particularidade esta fibra em sua superfície está provida de um modo contínuo ou intermitente com uma estruturação mecânica 5, enquanto que nas áreas 4 entre as estruturações 5, permanece desprovida. Δ fibra é submetida a uma determinada quantidade de partes planas nos locais emboçados e por isso são um pouco mais largas, com uma secção transversal alongada ou oval. No exemplo apresentado, a estruturação 5 foi produzida por um emboço. Esta estruturação mecânica tem por objetivo uma superfície macroscopicamente perfilada com a finalidade, por meio disso, de aumentar a fricção estática entre esta fibra bicomponente e o material de construção ao qual foi adicionada. 0 emboço como meio de atingir o objetivo comprovou-se como especialmente, e até surpreendentemente, vantajoso. Primeiramente, um emboço pode ser incorporado sobre uma superfície de fibra de um modo relativamente simples e não dispendioso e com isso, em e

segundo lugar, esta superfície

e

totalmente

macroscopicamente perfilada,

no

entanto,

nao

10

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microscopicamente, permanecendo assim, de certo modo, macia e intacta dentro da estrutura. As ranhuras podem ser produzidas por meio de tal emboço, que transcorrem de modo transversal às fibras, porém ranhuras também transcorrem em um ângulo oblíquo às fibras. As combinações de tais estruturas de ranhuras podem ser emboçadas, tal como com ranhuras que transcorrem transversalmente às fibras que são superpostas pelas ranhuras que transcorrem em um ângulo obliquo às mesmas. Além disso, ranhuras que transcorrem exclusivamente em um ângulo obliquo à fibra também podem cruzar-se. Se tais fibras são fundidas em segmentos de 10 a 80 mm de comprimento em um material de construção similar a cimento, em especial em concreto, então por meio de uma ligação aperfeiçoada de matriz de fibra - sua resistência para tensão é aumentada e o comportamento pós-ruptura é decisivamente melhorado. Podem ser adicionadas proporções de volume de fibras maiores como com fibras de aço em decorrência de uma maior flexibilidade dos plásticos. A densidade de tais fibras, de somente 0,9 - 1,1 g/cm3, é inferior por aproximadamente um fator 8 em comparação à densidade do aço que é de 7,8 g/cm3. Por esta razão, com relação ao peso como um todo, quantidades de dosagem consideravelmente inferiores e características mais homogêneas de material resultam com a fibra bicomponente plástica aqui apresentada, com a mesma performance quando comparada a fibras de aço.

0 emboço de fibras bicomponente pode ser efetuado de uma maneira simples por meio da fibra que transcorre através de dois cilindros de emboço 1,2 de um modo sem fim e, depois disso, cortada em segmentos no comprimento desej ado, conforme está esquematicamente representado na figura 3 por meio de uma instalação para este emboço. 0 emboço continuo ou interrompido ou intermitente 5 é criado por meio da natureza dos cilindros de emboço 1, 2 e seu ajuste (emboço de fenda em fenda ou deslocado). Portanto, os cilindros 1, 2 apresentam um emboço em determinados locais e, por sua vez, em outros não. Em qualquer caso, a profundidade do emboço deve ser maior do que 10% do diâmetro médio da fibra.

Um outro tipo de emboço das fibras é visto a partir do lado na figura 4. Aqui, as fibras bicomponente transcorrera através de dois cilindros de emboço em um tipo de rodas dentadas a uma distância uma da outra da espessura desejada da fibra. Em conformidade, a fibra foi emboçada em um formato de zigue-zague, enquanto que a fibra apresentada na figura 5 transcorre entre dois cilindros de emboço que estão similarmente configurados em uma maneira de rodas dentadas, no entanto transcorrem entre si, de modo tal que os dentes coincidem um sobre o outro com uma pequena distância, de uma maneira que somente onde estes se encontram a fibra que transcorre é comprimida. Então é formada a fibra da superfície de corte transversal com um formato que se modifica constantemente. Uma fibra continuamente emboçada com um núcleo de fibra 3 e uma cobertura de fibra 7 de diferentes materiais está representada na figura 6. As ranhuras da estrutura 5 englobam toda a superfície da fibra e somente nas regiões 4 entre as ranhuras que a fibra permanece lisa. 0 núcleo 3 pode adicionalmente ser misturado com micro e nanopartícuias 6 na forma de material de enchimento mineral, sais metálicos, partículas de vidro ou pequenas esferas de vidro ou materiais de fibra de todos os tipos, o que faz com que a redução do diâmetro da fibra seja reduzida em carga de tensão e é reduzida a distensão na ruptura. Por meio disso é possível aumentar adicionalmente o módulo de elasticidade destas fibras, o que conduz a um aumento nas resistências de ligação e um comportamento uniforme de estiramento nos resultados do material de construção.

De preferência, o polímero de cobertura 7 é misturado com nanopartículas minerais, o que significa aquelas de um diâmetro inferior a 1 μπι. No entanto, esta medida não serve para o aperfeiçoamento direto da adesão entre as fibras e o concreto, visto que a maioria das partículas minerais é completamente envolvida por plástico. Isso é principalmente efetuado por meio de combinações químicas, pro exemplo, por meio de cimento de incorporação ou por meio de partículas minerais, no polímero, ou por meio de um efeito mecânico, tal como por meio de uma natureza mais áspera de superfície. No entanto, uma superfície mais rígida é obtida por meio de incorporação de nanopartículas no polímero da cobertura. A ligação ao cimento - após o emboço - é melhor por meio disso. A admissão da força ocorre mais rapidamente e mais força pode ser admitida. Atinge-se um desgaste menor da superfície com o estiramento da fibra. Por esta razão, verifica-se uma maior resistência de estiramento e que permanece por mais tempo durante a distância desejada de 3 mm de flexão do 22/2 β corpo de teste. As fibras são mais rigidas visto que principalmente a cobertura externa é responsável pelo grau de rigidez. Por meio disso obtém-se um módulo mais alto de elasticidade e uma menor contração (apertadamento) no estiramento e carga que, por sua vez, apresenta um efeito positivo na ligação. No entanto, geralmente a mais alta força tensora é reduzida por meio da incorporação de partículas estranhas. Com uma proporção de massa de 70% de núcleo e 30% de cobertura, esta redução da força tensora é somente efetiva em 30% do polímero da cobertura. Estas condições depreendem-se a partir da figura 7. Aqui, os valores de resistência de dois polímeros plásticos idênticos estão apresentados, com a única diferença de que com o tipo L, a cobertura é refinada com nanopartículas, enquanto que a cobertura do tipo M não foi tratada. Esta incorporação de substâncias minerais exclusivamente na cobertura também envolve vantagens comerciais. Um polímero que contém nanopartículas incorporadas é entre 3 a 4 vezes mais dispendioso do que os polímeros padrão. Portanto, é uma diferença essencial se - com uma fibra total - 100% do polímero necessita ser refinado com estes produtos especiais, ou somente a cobertura com uma proporção de aproximadamente 30% de massa do produto total.

Com um emboço específico, que se comprovou como sendo vantajoso e que também é requerido nos comprimentos relativamente curtos de fibras, a distância de ponta a ponta é precisamente cerca de 0,65 mm. Um emboço a pequenas distâncias aumenta a homogeneidade do reforço e suas forças de estiramento. Os filamentos com relação à sua estrutura interna já estão acabados antes do emboço. 0 perfil dos cilindros de emboço pode ser transmitido 1:1 sobre os filamentos e de modo correspondente com a estruturação da superfície do filamento pode ser facilmente adaptada aos requisitos técnicos. Dependendo do objetivo, um outro emboço pode ser aplicado, esse com uma pequena ou grande distância, com ondas grandes ou pequenas etc. Uma flexibilidade destas na fabricação não é concebível com filamentos que, de acordo com o método, somente são estirados após o emboço. Portanto, evidenciou-se ser muito essencial que os filamentos com estiramento completo e homogêneo, idênticos em seu diâmetro, somente sejam emboçados em um estágio posterior. Por meio disso, o polímero completamente estirado e longitudinalmente orientado somente é deslocado e reorientado lateralmente ou em profundidade, enquanto sua estrutura permanece a mesma. São evitados locais finos mais frágeis com uma estrutura de polímero mais fraca.

A figura 8 apresenta um diagrama de curso de força para representar a resistência de ligação, por ex. : a força por superfície de fibra de dois tipos de fibra emboçados de modo diferente com nanopartículas no polímero de cobertura, em comparação com as mesmas fibras sem emboço e sem nanopartículas no polímero da cobertura. Demonstrou- se que os melhores resultados são obtidos com a combinação de um emboço adequado e a aplicação de nanopartículas no polímero de cobertura. Aqui foi atingido um valor máximo de 3, 17 N/mm2.

Com a finalidade de atingir as propriedades mecânicas desejadas, usualmente, são adicionados aproximadamente 0,3% por volume de fibras de aço nos materiais de construção ligados com cimento. No caso da presente fibra plástica bicomponente apresentada é usado um percentual de 0,5 por volume que, no entanto, resulta em uma adição de massa 4,8 vezes inferior, com propriedades pós-falha mais regulares e consideravelmente melhores. Além disso, o próprio manuseio de tais segmentos leves de fibra plástica de 10 a 80 mm de comprimento é muito mais simples que àquele das fibras de aço. Um risco de corrosão não existe de modo algum com estas fibras plásticas, conforme ocorre no caso das fibras de aço. As fibras plásticas aqui descritas, além disso, são resistentes aos álcalis.

Finalmente, não são somente as fibras plásticas em si que são decisivas para a aplicação significativa em concreto. No final, as fibras plásticas devem ser incorporadas de uma forma adequada para que as mesmas desenvolvam seu efeito. Mesmo as melhores fibras ficam sem utilidade se não for alcançada nenhuma distribuição homogênea no concreto. Se as fibras são incorporadas no concreto de uma maneira um pouco solta, tal como insufladas ou dispersas em amontoados, então, freqüentemente, são formados acúmulos de fibras, nos quais o concreto não penetra completamente. Estes acúmulos de fibras deterioram a resistência e a regularidade do concreto.

Uma solução surpreendentemente eficaz foi encontrada ao envolver alguns milhares de fibras como um feixe, com uma película plástica solúvel na água e então cortar em segmentos ou feixes. Para dar uma idéia, a figura 9 apresenta um destes feixes 8. Os mesmos medem aproximadamente 50 mm em comprimento e diâmetro, pesa 55 gramas e contêm 6000 fibras e estão envolvidos por uma > 25/26 »3*0

e-

película plástica inerte transparente e solúvel na água, porém aberta na parte superior e inferior e ali cortada em um plano. A partir dai estes feixes 8 são mantidos como um conjunto de um modo confiável por esta película plástica.

Somente após a incorporação no concreto a película se dissolve e as fibras distribuem-se no concreto. No entanto as fibras individuais não colam umas às outras, mas são somente mantidas juntas por fricção. Por meio disto, com a dissolução da película envolvente ocorre uma rápida distribuição das fibras no concreto. As fibras ficam então todas direcionadas de um modo igual em tais feixes 8. Podem ser adicionados até 2% por volume de fibras no concreto sem qualquer problema. A posição paralela das fibras nos feixes permite uma distribuição homogênea. A película envolvente é completamente solúvel na água e, além disso, é inerte. Conforme comprovado, a mesma não influencia a qualidade do concreto. Com um componente de fibra no concreto de 4,5 kg de fibras (0,5% por volume ou 492.000 fibras individuais) somente é necessário incorporar 82 peças de tais feixes de fibras. Em contraste a uma embalagem em pequenos sacos, dif ic ilmente qualquer ar fica envolvido nestes feixes, pelo qual significa que os mesmos não flutuam na incorporação no concreto e assim podem ser consideravelmente melhor misturados. Na mistura do concreto, os feixes se distribuem, se desintegram, porém as fibras não se engancham, mas são apertadamente envolvidas pelo concreto. A embalagem de fibras plásticas, no entanto, também apresentam consideráveis vantagens comerciais: são consideravelmente mais compactas que o feixe de fibras soltas. Os 4,5 kg de fibras requerem caixas de somente cerca de 0,015 m2 de conteúdo. As embalagens são retangulares. Por esta razão as mesmas oferecem boas possibilidades de acondicionamento em engradados padronizados. O formato compacto também envolve economia no transporte.

Claims

1. Fibra plástica para aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de 4 mm, com um diâmetro médio de 0,15 a 2 mm, correspondendo a aproximadamente 160 a 28.000 dtex (Dezitex = grama por 10.000 metros lineares), CARACTERIZADO pelo fato de que é uma fibra bicomponente que é estirada pelo fator 5 a 15 e é fabricada por meio de um método de co-extrusão a partir de um núcleo central e uma cobertura que a envolve, de polímeros de pureza diferentes ou misturas de polímeros e que após o estiramento ter sido efetuado, uma superfície estruturada continuamente ou com interrupções ou superfície com ranhuras é emboçada sobre esta fibra bicomponente continuamente estirada, na qual a profundidade desta estruturação é maior do que 10% deste diâmetro médio de fibra e as distâncias máximas de suas pontas de estrutura dentro de estruturas incorporadas em direção axial situam- se na faixa entre 0,5 mm e 3 mm.

2. Fibra plástica para aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de >4 mm, de acordo com uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que a fibra é uma fibra de poliolefina, o que quer dizer que a mesma consiste de polipropileno ou polietileno ou a mistura destas matérias primas, ou que é fabricada de outras matérias primas termoplásticas.

3. Fibra plástica para aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de >4 mm, de acordo com uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que seu núcleo (3) consiste de polímeros com um baixa taxa de extrusão (MFR) e de uma distribuição apertada de peso molecular, e sua cobertura (7) consiste de um polímero com uma MFR superior e de uma distribuição de peso molecular mais ampla.

4. Fibra plástica para aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de >4 mm, de acordo com uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que a superfície estruturada é um emboço mecânico de um ou múltiplos lados (5), que é de ângulo reto, transverso ou diagonal e de qualquer outro formato.

5. Fibra plástica para aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de >4 mm, de acordo com uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que as partículas minerais, metálicas ou cerâmicas (6) na forma de materiais de enchimento, sais, partículas de vidro, pequenas esferas de vidro ou fibras são incorporadas no polímero de núcleo (3) , no polímero de cobertura (7) ou em ambos os polímeros {3, 7).

6. Fibra plástica para aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de >4 mm, de acordo com uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que 3% por massa para 25% por massa das nanopartícuias de mineral fino com um diâmetro de < 1 μιη são incorporadas no polímero de cobertura (7).

7. Fibra plástica para aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de >4 mm, de acordo com uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que os grupos funcionais são incorporados no polímero de cobertura (7), para aumentar a superfície de tensão e a polaridade das fibras.

8. Fibra plástica para aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de >4 mm, de acordo com uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que é embalado em feixes (8) de diversos milhares de segmentos que são envolvidos com uma película plástica solúvel na água (9) e são mantidos unidos pela mesma.

9. Fibra plástica para aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de >4 mm, de acordo com uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que é embalado em feixes compactos (8) de diversos milhares de segmentos, com comprimentos de secção de 10 mm a 80 mm, no qual os feixes em ambos os lados são cortados de um modo plano e mantidos unidos envolvidos por uma película plástica inerte, solúvel na água (9).

10. Fibra plástica para aplicação em concreto com um diâmetro máximo de granulação de >4 mm, de acordo com uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que as mesmas estão em feixes (8) de diversas milhares de segmentos, com comprimentos de secção de 10 mm a 80 mm, no qual os feixes em ambos os lados são cortados de um modo plano e mantidos unidos envolvidos por uma película plástica inerte, solúvel na água (9) em um material de construção ligado a cimento ser adicionada e misturada com o mesmo.