ES1328032U - Prefabricados de hormigón con propiedades fotocromáticas - Google Patents

Abstract

Un prefabricado de hormigón con propiedades fotocromáticas, que comprende una composición que incluye los siguientes elementos: a. Cemento, en un rango del 17 al 19 % del peso de la composición; b. Agua, en un rango comprendido entre el 3 y el 5 % del peso de la composición; c. Árido fino, en un rango comprendido entre el 75 y el 80 % del peso de la composición, con una granulometría máxima de 2 mm; y d. Cápsulas que comprenden un pigmento fotocromático, o combinaciones de pigmentos fotocromáticos, encapsulados en un material polimérico resistente a la alcalinidad del cemento, en un rango comprendido entre un 0.1 % y un 5 % del peso de la composición.

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Prefabricados de hormigón con propiedades fotocromáticas

[0005] Campo de la invención

[0007] La presente invención se enmarca en el campo de la elaboración de prefabricados de hormigón para su uso en la industria de la construcción. En particular, la invención proporciona un prefabricado de hormigón con pigmentos fotocromáticos encapsulados en su composición que dan lugar a alteraciones de color reversibles en su superficie. Dicha alteración de color permite reducir la temperatura superficial del prefabricado, contribuyendo a mitigar el efecto de isla de calor urbana. Asimismo, se contemplan sus diferentes aplicaciones en mobiliario urbano, pavimentos y otros elementos decorativos.

[0009] Antecedentes de la invención

[0011] Los materiales fotocromáticos cambian de color cuando se exponen a la luz ultravioleta. El cambio de color ocurre cuando el material es irradiado y se detiene cuando se interrumpe la exposición. Cuando se elimina la fuente de ultravioleta, la molécula puede relajarse y volver a su conformación geométrica original y el efecto visual observable es un regreso al estado incoloro. Este proceso de ruptura y reforma de enlaces es dinámico y reversible, por lo que se dice que las dos formas de la molécula están en equilibrio. Cuando hay radiación ultravioleta, se favorece la reacción directa que da color a la superficie. Cuando no está presente, se favorece la reacción inversa quedando de forma incolora.

[0013] Este tipo de materiales tienen dos tipos de posibles transiciones: incoloro a color y color a color. Los materiales que van de incoloro a color contienen un único químico fotocrómico en su composición y son transparentes y blancos cuando no se exponen a la luz ultravioleta. Las transiciones de color a color a veces pueden emplear un colorante inerte como color base, como el azul, junto con un colorante fotocrómico, como el rosa. Cuando se combina, la mezcla se verá azul cuando no se exponga a la luz ultravioleta y se volverá violeta debido a que el colorante fotocrómico alcanzará su tono rosado. Ciertas moléculas fotocrómicas también exhiben una transición directa de color a color sin la necesidad de un color base, sin embargo, son singulares.

[0014] El cambio de color del material depende de la duración de la exposición, la intensidad del componente ultravioleta que se encuentra en la luz y las condiciones del período de no exposición.

[0016] Las composiciones de cemento y hormigón inteligentes basados en la fotocromía pueden aportar características estéticas y mejorar la estabilidad ultravioleta sin comprometer la durabilidad de los materiales. Esta es una ventaja a tener en cuenta, en comparación con los colorantes termocrómicos que, en exteriores, se degradan con la radiación ultravioleta. Los ensayos a la intemperie indican que, en exteriores, la pérdida de la variación de color al cabo de 72 horas con colorantes termocrómicos es más de la mitad para un mortero termocrómico, con un porcentaje del 15% del colorante termocrómico. Por lo tanto, ante la radiación solar, la respuesta óptica de los colorantes termocrómicos se va desvaneciendo rápidamente. Esto se debe a que la luz ultravioleta transporta mucha más energía que la luz del espectro de color visible, excitando electrones unidos en enlaces orgánicos estables, rompiendo y catalizando la formación de nuevos enlaces. Actualmente, los fabricantes están comprobando que la vida útil de los materiales termocrómicos existentes alcanzaría, en el mejor de los casos, únicamente un par de años, si se utilizan en exteriores.

[0018] Sin embargo, en el caso de los colorantes fotocromáticos, el contacto con la luz ultravioleta es el agente activador para cambiar de color u oscurecerse. Dado que los pigmentos cambian de color cuando se exponen a la luz ultravioleta, la radiación UV es un beneficio y no un inconveniente. Es la radiación UV lo que les da la capacidad de variar su color.

[0020] En la patente US3214283 se describen composiciones de cemento hidráulico que incorporan pigmentos fotocromáticos formados por combinaciones de ciertos óxidos metálicos, tales como TiO, FeO, NiO, CuO, etc, en un porcentaje del 10 al 50%, en base al peso del cemento.

[0022] En el artículo “Preparation and application of water-resistant SiO2 coated naphthopyran derivatives based photochromic pigment in fabricating reversible photochromic cement pastes” de Abdul Nasir et al (2021), se describe la incorporación de pigmentos fotocrómicos recubiertos de SiO<2>(SPC) en la fabricación de compuestos de cemento fotocrómico, en un 5% en base al peso del cemento.

[0024] Sin embargo, los porcentajes empleados hasta el momento para conseguir el efecto óptico deseado encarece mucho el proceso productivo, no siendo rentable desde un punto de vista comercial. Debido a ella, las referencias bibliográficas sobre este tipo de materiales fotocrómicos hacen referencia únicamente a su empleo en la obtención de cementos y composiciones a partir de estos cementos.

[0026] Por otra parte, en la actualidad, el mundo está sufriendo un proceso de calentamiento global debido al cambio climático. Las causas de este cambio pueden ser de origen natural, como las erupciones volcánicas, variaciones en la energía que recibimos del sol, etc., o pueden ser debidos a la influencia antropogénica, como por ejemplo a través de las emisiones de CO<2>y otros gases. Aun así, son mayoritariamente provocadas por el hombre y están relacionadas con el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero por la quema de combustibles fósiles debido a la alta demanda de energía, y con la modificación en los hábitos de vida al incrementar el número de personas que viven ahora en las ciudades.

[0028] Los pavimentos convencionales pueden alcanzar, en verano, temperaturas superficiales de entre 48-67ºC (Pomerantz, M. (2000). The Effect of Pavements' Temperatures On Air Temperatures in Large Cities. Lawrence Berkeley National Laboratory. LBNL Report #: LBNL-43442). Este calor puede ser transferido a las capas inferiores del pavimento, donde se almacena hasta que vuelve a ser liberado en forma de calor durante las noches. Las altas temperaturas de la superficie también pueden calentar las aguas pluviales que entran en contacto con el pavimento. Esto contribuye al efecto isla de calor e influye en la calidad del agua que fluye hacia las vías fluviales (U.S. Environmental Protection Agency, 2012).

[0030] Las islas de calor urbanas aparecen porque se han sustituido superficies rurales, generalmente verdes y húmedas, por otras superficies como el asfalto, hormigón, tejas, ladrillo, etc., capaces de absorber y almacenar energía en forma de calor debido a su alta capacidad térmica y baja reflectancia solar, provocando que se caliente el aire colindante y, por tanto, aumentando la temperatura ambiente. Este hecho, crea un sobrecalentamiento del área urbana.

[0032] Las islas de calor urbanas pueden afectar negativamente tanto a la comunidad urbana como al medio ambiente en general. Los efectos negativos más importantes son:

[0033] - Aumento del consumo energético: incremento de la demanda de refrigeración en los meses estivales.

[0034] - Disminución de la calidad del aire: el aire más cálido acelera la formación de niebla o smog.

[0035] - Deterioro de la salud: la mayor temperatura del aire junto con su menor calidad puede agravar enfermedades directamente relacionadas con el calor y con las vías respiratorias, como deshidratación, golpe de calor, asma, arritmias, etc.

[0037] Por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar nuevas composiciones de hormigón con propiedades fotocromáticas que sean, por un lado, económicamente rentables para su producción en masa y, por otro, funcionalmente eficientes para reducir la absorción de calor y mitigar el efecto de isla de calor urbana.

[0039] Breve descripción de las figuras

[0041] Figura 1.Comparativa visual y térmica. (Izquierda) Fotografía de varias muestras de adoquines, donde la fila superior corresponde a la invención con distintos porcentajes de pigmento y la fila inferior a adoquines de referencia sin pigmento. (Derecha) Imágen termográfica correspondiente, donde se aprecia que los adoquines de la invención (fila superior) presentan una temperatura superficial inferior (colores más fríos, morados) que los adoquines de referencia (colores más cálidos, amarillos).

[0043] Figura 2.Segunda serie de muestras en formato visual y térmico, corroborando el efecto de reducción de temperatura.

[0045] Figura 3. Tercera serie de muestras en formato visual y térmico, demostrando de nuevo la efectividad de la invención.

[0047] Figura 4.Imagen termográfica detallada que muestra los puntos de medición de temperatura (Sp1 a Sp10) sobre las muestras de adoquines, junto con la tabla de datos que cuantifica la temperatura exacta de cada muestra, demostrando una diferencia de hasta 3,5°C.

[0049] Figura 5.Vista ampliada de la imagen termográfica de la Figura 4, donde se identifican claramente las muestras Sp1 a Sp10.

[0051] Figura 6.Vista esquemática en sección de un adoquín de estructura bicapa según una realización preferida de la invención, en la que se distinguen una capa superior o vista (1) y una capa inferior o base (2).

[0052] Figura 7.Imagen de adoquines bicapa según una realización de la invención

[0054] Descripción de la invención

[0056] En base a los problemas y necesidades existentes en el estado de la técnica, los autores de la invención han desarrollado nuevas composiciones de prefabricados de hormigón con propiedades fotocromáticas donde el porcentaje de pigmento fotocromático incorporado al hormigón se ve reducido significativamente, haciéndolo económicamente viable y eficaz para reducir la temperatura superficial.

[0058] En un aspecto principal, el prefabricado de hormigón de la invención comprende una composición con los siguientes elementos:

[0059] - Cemento, en un rango del 17 al 19% del peso de la composición.

[0060] - Agua, en un rango comprendido entre el 3 y el 5% del peso de la composición.

[0061] - Árido fino, en un rango comprendido entre el 75 y el 80% del peso de la composición, con una granulometría máxima de 2 mm,

[0062] - Cápsulas que comprenden un pigmento fotocromático reversible, o combinaciones de pigmentos fotocromáticos reversibles, encapsulados en un material polimérico resistente a la alcalinidad del cemento, en un rango comprendido entre un 0,1% y un 5% del peso de la composición.

[0064] En la presente invención, el término "pigmento fotocromático reversible" se refiere a un compuesto que reacciona de manera reversible al ser expuesto a la luz ultravioleta (UV), cambiando su color de manera temporal. Esta propiedad le permite alterar su tonalidad bajo la influencia de la luz solar y volver a su color original una vez que cesa la exposición a la radiación UV.

[0066] Los pigmentos empleados pueden ser de diversos tipos y colores. Los colores básicos de estos pigmentos pueden incluir, de forma no limitativa, rojo, amarillo, azul y morado. Adicionalmente, pueden presentar otros colores como púrpura, azul cielo, verde, gris, naranja o rosa, entre otros.

[0068] Ejemplos específicos de pigmentos fotocromáticos adecuados para la invención incluyen, pero no se limitan a Óxidos de hierro, que pueden proporcionar colores como rojo, amarillo o negro; Óxido de cromo (verde); Azul de cobalto (azul); Azul de ultramar (azul); Dióxido de titanio (blanco), que puede actuar como base o como pigmento en sí mismo, etc.

[0070] También se pueden emplear mezclas de estos pigmentos para obtener colores intermedios, como por ejemplo una mezcla de óxidos de hierro para obtener un color naranja.

[0072] La encapsulación del/los pigmento/s fotocromático/s es una característica técnica esencial de la invención. Este proceso, conocido como microencapsulación, consiste en recubrir las partículas de pigmento con una capa delgada de un material, preferentemente un material polimérico, formando microcápsulas. Este recubrimiento cumple una doble función crítica:

[0073] - Protección Química: La capa polimérica debe ser resistente a la alcalinidad del cemento (pH elevado), creando una barrera que protege al pigmento de la degradación química. Esto asegura la durabilidad a largo plazo y la reversibilidad del efecto fotocromático.

[0074] - Mejora de la Dispersión: Las microcápsulas ayudan a que las partículas de pigmento se distribuyan de manera más homogénea dentro de la mezcla de hormigón durante el amasado, evitando la formación de aglomerados y garantizando un cambio de color uniforme en la superficie del prefabricado.

[0076] La microencapsulación puede llevarse a cabo mediante procedimientos estándar conocidos en el estado de la técnica. Adicionalmente, en la formulación de las cápsulas se pueden emplear aditivos, tales como resinas sintéticas o solventes orgánicos, para conferir una estabilidad y protección adicionales al pigmento.

[0078] El término "prefabricado de hormigón" según la presente invención abarca una amplia gama de elementos destinados a la construcción, el urbanismo y la decoración. Las aplicaciones potenciales de la invención incluyen, de manera no limitativa:

[0079] ● Pavimentos: como adoquines y baldosas.

[0080] ● Mobiliario Urbano: como bancos, alcorques para árboles y jardineras.

[0081] ● Elementos de Delimitación y Viales: como bordillos.

[0082] ● Elementos Decorativos y Arquitectónicos: como paneles para fachadas, elementos para decoración urbana, e incluso nichos.

[0084] Una de las realizaciones preferidas de la invención es el adoquín, debido a su uso extensivo en superficies urbanas donde el efecto de mitigación de la isla de calor es más relevante. La invención contempla dos estructuras principales para el prefabricado: una estructura monocapa, donde todo el cuerpo del elemento se fabrica con la composición de la invención, y una estructura bicapa.

[0086] En una realización preferida, el prefabricado de hormigón es un adoquín de estructura bicapa. Esta estructura es clave para la viabilidad económica de la invención y comprende:

[0087] - Una capa superior o vista (1): Es la capa expuesta al tráfico y a la radiación solar. Está compuesta por el hormigón con la composición de la invención, incluyendo las cápsulas de pigmento fotocromático. Esta capa puede tener diversas formas, colores y texturas dependiendo del diseño específico del adoquín y del propósito estético o funcional que se quiera lograr. Esta capa es la que da el aspecto característico al pavimento de adoquines.

[0089] - Una capa inferior o base (2): Es la capa que proporciona el soporte estructural y está en contacto con el suelo. La capa base suele ser más densa y resistente que la capa superior, ya que está diseñada para proporcionar estabilidad y resistencia a la compresión. Está compuesta por hormigón convencional, sin pigmentos fotocromáticos, lo que reduce drásticamente el coste total del producto. Esta capa ayuda a distribuir la carga del tráfico y a mantener la integridad del pavimento de adoquines.

[0091] La combinación de estas dos capas en un adoquín permite obtener un pavimento duradero y resistente, capaz de soportar el tráfico peatonal y vehicular sin sufrir daños significativos. La bicapa en un adoquín es esencial para garantizar la estabilidad y la durabilidad del pavimento, ya que cada capa cumple una función específica para mantener la integridad del conjunto.

[0093] En el adoquín bicapa la capa superior (1) tiene un espesor menor que la capa inferior (2). En particular, la capa superior (1) representa una fracción minoritaria del espesor total del adoquín, y la capa inferior (2) representa la mayor parte de dicho espesor.

[0094] En una realización preferida, la capa superior (1) representan el 10% del espesor total del adoquín bicapa.

[0096] En realizaciones particulares, el espesor total del adoquín bicapa es de 60-80 mm, siendo el el espesor de la capa superior (1) de 6-8 mm.

[0097] En una realización preferida, la capa superior (1) del adoquín presenta la siguiente composición:

[0098] - 18,0% de cemento

[0099] - 4,2% de agua

[0100] - 77,5% de árido fino, y

[0101] - 0,3% de cápsulas de pigmentos fotocromáticos.

[0102] -La fabricación de estos prefabricados se realiza mediante un proceso industrializado donde la mezcla de los componentes es amasada cuidadosamente para conseguir una excelente homogeneidad. Se pueden emplear moldes de diferentes formas y tamaños para producir la variedad de elementos descritos anteriormente.

[0104] En el caso del adoquín bicapa, el proceso de fabricación comprende el amasado por separado de dos mezclas: una para la capa superior (1), que incluye la composición de la invención con las cápsulas de pigmento, y otra para la capa inferior (2), que corresponde a un hormigón convencional. Posteriormente, en un proceso automatizado de vibrocompresión, ambas capas se superponen en un molde y se compactan bajo presión y vibración constante, garantizando una unión monolítica perfecta. El producto final se somete a un proceso de curado convencional.

[0106] EJEMPLOS

[0108] Se fabricaron varios adoquines bicapa con un espesor total de 80 mm, siendo la capa superior (1) de 8 mm, para demostrar la efectividad de la invención. La capa base de todos los adoquines se fabricó con hormigón convencional. La capa superior se fabricó con distintas concentraciones de cápsulas de pigmento de óxido de hierro rojo. Las muestras se identifican como Sp1 a Sp8. Adicionalmente, se prepararon dos adoquines de referencia (Sp9 y Sp10) sin pigmento fotocromático.

[0110] Muestras Sp1-Sp2 (% máximo): 1.5% de pigmento.

[0111] Muestras Sp3-Sp4 (% alto): 1.0% de pigmento.

[0112] Muestras Sp5-Sp6 (% medio): 0.5% de pigmento.

[0113] Muestras Sp7-Sp8 (% bajo): 0.3% de pigmento.

[0114] Los adoquines se expusieron a radiación solar. La temperatura superficial de cada adoquín se midió mediante una cámara termográfica (FLIR T540, con una emisividad configurada en 0,98) para evaluar el impacto de la composición fotocromática en la absorción de calor.

[0116] Los resultados se muestran en la Tabla 1 y en las Figuras 1, 4 y 5.

[0118] Tabla 1.

[0121]

[0124] Como se observa en la Tabla 1 y en las figuras, todos los adoquines que incorporan pigmento fotocromático (Sp1-Sp8) muestran una temperatura superficial inferior a los adoquines de referencia (Sp9, Sp10). Se observa una diferencia máxima de temperatura de 3,5°C (comparando Sp2 con Sp10), lo que demuestra una mitigación significativa del efecto Isla de Calor.

[0126] Notablemente, incluso la concentración más baja de pigmento (0.3% en Sp7 y Sp8) logra una reducción de temperatura de 1,7°C en comparación con la referencia, confirmando que la invención es efectiva incluso con porcentajes de pigmento muy reducidos y económicamente ventajosos.

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES

1. Un prefabricado de hormigón con propiedades fotocromáticas, que comprende una composición que incluye los siguientes elementos:

a. Cemento, en un rango del 17 al 19% del peso de la composición;

b. Agua, en un rango comprendido entre el 3 y el 5% del peso de la composición; c. Árido fino, en un rango comprendido entre el 75 y el 80% del peso de la composición, con una granulometría máxima de 2 mm; y

d. Cápsulas que comprenden un pigmento fotocromático, o combinaciones de pigmentos fotocromáticos, encapsulados en un material polimérico resistente a la alcalinidad del cemento, en un rango comprendido entre un 0.1% y un 5% del peso de la composición.

2. El prefabricado de hormigón, según la reivindicación 1, que además comprende un aditivo o combinación de aditivos en un rango del 3 al 5% del peso del cemento presente en dicha composición.

3. El prefabricado de hormigón, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el prefabricado es un adoquín que comprende una estructura bicapa, con una capa superior (1), que incluye la composición de la reivindicación 1, y una capa inferior (2) que comprende hormigón convencional.

4. El prefabricado de hormigón, según la reivindicación 3, caracterizado porque la capa superior (1) tiene un espesor menor que la capa inferior (2).

5. El prefabricado de hormigón, según la reivindicación 4, caracterizado porque la capa superior (1) representa el 10% del espesor total de la estructura bicapa.

6. El prefabricado de hormigón según una cualquiera de las reivindicaciones 3-5, caracterizado porque la capa superior (1) del adoquín presenta la siguiente composición: a.18% de cemento;

b.4.2% de agua;

c.77.5% de árido fino; y

d.0.3% de cápsulas de pigmentos fotocromáticos.