ES2204108T3 - Materiales de construccion reforzados con fibra. - Google Patents

Materiales de construccion reforzados con fibra.

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ES2204108T3 ES99907211T ES99907211T ES2204108T3 ES 2204108 T3 ES2204108 T3 ES 2204108T3 ES 99907211 T ES99907211 T ES 99907211T ES 99907211 T ES99907211 T ES 99907211T ES 2204108 T3 ES2204108 T3 ES 2204108T3
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Jean-Francois Trottier
Michael Mahoney
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Abstract

Una formulación de producto para construcción que comprende una mezcla que contiene agente de aglutinamiento inorgánico y en el rango de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 3.0% en volumen de un material fibroso en donde el material fibroso está compuesto de monofilamentos de resina sintética y en donde el material fibroso está caracterizado por tener: un área de superficie inicial de cada monofilamento del material fibroso de no más de aproximadamente 200 m2; en donde el material fibroso experimenta fibrilación progresiva bajo la agitación de la fórmula, resultando en un incremento en el área superficie del material fibroso.

Description

Materiales de construcción reformados con fibra.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a materiales de construcción reforzados con fibra. En un aspecto particular la invención se refiere a métodos para la producción de materiales de construcción reforzados con fibra sintética que, bajo agitación, fibrila progresivamente para producir materiales de construcción con propiedades de rendimiento mejorado. En otro aspecto de la presente invención. se proporcionan artículos preparados a partir de los materiales de refuerzo de fibra antes descritos.
Antecedentes de la invención
El concreto tiene la mayor. producción de todos los materiales hechos por el hombre. Comparado con otros materiales de construcción, posee muchas ventajas que incluyen el bajo costo, la disponibilidad general de los materiales, la capacidad de adaptación y utilización bajo diferentes condiciones ambientales. Por lo tanto, el concreto probablemente continuará siendo él material de construcción dominante en el futuro previsible. Desafortunadamente, el .concreto plano también es un material frágil con muy poca resistencia a la tracción y capacidad de deformación, requiriendo generalmente del refuerzo antes de que pueda usarse en forma extensiva como un material de construcción.
La idea de utilizar otro material para reforzar un material de baja resistencia a la tracción es un concepto antiguo. Por ejemplo, la paja y la crin de los caballos se han utilizado durante miles de años para mejorar las propiedades de los ladrillos de arcilla. Bentur, A., Mindess, S., ``Fiber Reinforced Cementitious Conposites, (Elsevier Applied Science, 1990). En años más recientes, se han incorporado fibras en una gran variedad de materiales de construcción (incluyendo cerámica, plástico, cemento, y productos de yeso) para mejorar las propiedades de rendimiento del compuesto resultante. American Concrete Institute ACI 544.1 R-96, ``Fiber Reinforced Concrete.'' 1996. La introducción de las fibras en el concreto resultan en cambios en la propiedad post-elástica que varía desde sutil hasta sustancial, dependiendo de un número de factores que incluyen resistencia de la matriz, tipo de la fibra, módulo de 'la fibra, relación de aspecto de la fibra, resistencia de la fibra, características de unión de la superficie de la fibra, contenido de la fibra. orientación de la fibra, efectos de tamaño agregado, y similares. Las propiedades mejoradas incluyen resistencia a la tracción. resistencia compresiva, módulo elástico, resistencia al agrietamiento. control de agrietamiento, capacidad de duración, longevidad a la fatiga, resistencia del impacto y la abrasión. contracción, expansi6n. características térmicas y resistencia al fuego.
Aunque se sabe que el refuerzo de fibra es más efectivo que el refuerzo convencional en el control del agrietamiento local a diferencia, de las barrías de refuerzo, no debe proporcionar en la mayoría de los casos ningún incremento en la capacidad de soporte de carga del concreto. Las barras de refuerzo convencionales están ubicadas estratégicamen1e en la estructura para transportar las resistencias a la tracción en tanto que las fibras están distribuidas en forma aleatoria en la mezcla de concreto. Las fibras, por lo tanto no se utilizan en diseños como un sustituto para el refuerzo convencional. Aunque no está referido actualmente por ACI Comité. 318, las fibras se usan en ocasiones en, aplicaciones estructurales con refuerzo convencional. American Concrete Institute, ACI 318 Building Code Requirements for Reinforced Concrete, 1995.
La práctica de agregar fibras de acero al concreto para superar sus desventajas fue introducida a principios de este siglo. Entre 1920 y 1935 varias patentes pertenecientes al concreto reforzado con fibra de acero (SFRC) fueron concedidas. Véase por ejemplo Kleinlagel, A., Patente Alemana No. 388.959: Scailles, J.C., Patente Francesa No. 514.186; Martin; G.C., Patente Norteamericana No. 1,633,219: y Etherridge, H., Patente Norteamericana No. 1,913,707. El uso de las fibras de vidrio en el concreto se intentó por primera vez e n la U RSS a finales de los años 1950s. Biryukovich, K.L., y Yu, D.L., ``Glass Fiber Reinforced Cement'' {traducido por G.L. Cairns. CERA Translation, No. 12, Civil Eng. Res. Assoc., London. 1965). Los intentos iniciales en el uso de fibras sintéticas (nylon, polipropileno) se hicieron en los 1960s. Monfore, G. E.. . A review of Fiber Reinforced Portland Cement Paste, Mortar and Concrete.'' J. Res. Dev. Labs, Vol. 10, No. 3, Sept. 1968, pp. 36M42; Goldfein, S.. ``Plastic Fibrous Reinforcement for Portland Cement,'' Technical Report No. ``1757-TR, U.S. Army Research Development Laboratories,'' Fort Belvoir, Oct. 1963, pp. 1- 16. Cuando se usaron por. primera vez las fibras de acero, solamente se emplearon fibras de acero rectas. El uso de las fibras de acero resultó en características mejoradas para la ductilidad y se reportaron también incrementos en la tenacidad de la fractura y la resistencia de la flexi6n. Para fibras de acero rectas, dos factores primarios que controlaron las propiedades del compuesto fueron la fracción de volumen de fibra y la longitud/diámetro o relación, de aspecto de las fibras. La cantidad de fibras varió desde 90 a 120 kg/m^{3} (1 .1 al .5% en volumen de concreto. Las relaciones de aspecto estuvieron en la escala de 60 a 100. Los principales problemas encontrados en las primeras etapas fueron difíciles en la mezcla y la manejabilidad. A fracciones de mayor volumen se encontró que las fibras se aglomeran durante el proceso de mezclado. Este proceso. llamado aglomeración, se presenta frecuentemente para las fibras más grandes. Esto tiende a afectar la calidad del concreto, en el sitio, especialmente para fracciones de volumen con mayor contenido de fibra. Además, existe una reducción en la manejabilidad del concreto como resultado de la adición de las fibras.
La llegada de las fibras de. acero deformadas a finales de los años 1970 resultó en el uso incrementado del concreto reforzado con fibra en el campo, Ramakrishnan estableció que las fibras con extremos de ganchos pueden usarse con fracciones de volumen mucho menores que las fibras de acero rectas, produciendo los mismos resultados en términos de ductilidad y tenacidad del producto. Ramakrishnan, V., Brandshaug, T., Coyle. W.V., y Shrader, E.K., "A Comparative Evaluation of Concrete Reinforced with Straight SteeI Fibers and Deformed End Fibers GIued Together in Bundles," ACI Journal. Vol. 77, No. 3, May-June 1980, pp, 135-143. Estas fibras fueron pegadas en los bordes con pegamento soluble en agua de manera que, cuando se agrega al concreto, las fibras tienen una relación de aspecto mucho menor (aparente). Durante el mezclado. 1as fibras fueron separadas Y dispersadas como fibras individuales. La uni6n y la subsecuente dispersión, en combinación con una menor fracción de volumen de fibras, resultó en la eliminación virtual de la aglomeración. Mas tarde, un número de otras fibras finas tales como plegadas o removidas con paleta y extremos alargados también se desarrollaron.
El Reporte de Comité ACI .544 sobre Concreto Reforzado con fibra, publicado en 1996, reporta que el primer uso importante de las fibras sintéticas en el concreto se realizó en 1965. por US Army Corps of Engineers Research and Development Section. American Concrete Institute ACI 544.1R-96. "Fiber Reinforced Concrete," 1996. Las fibras de monofilamento sintéticas fueron utilizadas para la construcción de estructuras de concreto resistentes a onda explosiva. Las fibras utilizadas fueron de 13 a 25 mm de largo y tuvieron una relación de aspecto de entre 50 a 100, es decir la geometría no fue muy diferente de la de las fibras de acero que se usaron en el concreto en ese momento. Con esas fibras se encontr6 que los regímenes de adición de hasta 0.5% en volumen del concreto resultado en el incremento significativo en la ductilidad y la resistencia al impacto.
Sin embargo, hubo muy poca explotación comercial de la tecnología de refuerzo de fibra y no fue hasta los años 19805 que el desarrollo y uso a gran escala de fibras sintéticas en el concreto empezó a tener lugar. Ese trabajo fue predominantemente realizado con muchas fibras de calibre menor (es decir fibras de menor diámetro con altas relaciones de aspecto) en regímenes de adición de fibra más bajos. Morgan, D.R., y Rich, L., "High Volume Synthetic Fiber Reinforced Shotcrete," The First International Conference on Syntetic Fiber Reinforced Concrete, OrIando Florida, USA. January 16, 1998. La mayor parte del trabajo fue ejecutada con fibras de polipropileno fibrilado intercalado a -0.1 a 0.2% en regímenes de adici6n de volumen. En esos regímenes de adición de volumen de fibras menores, los beneficios primarios de las fibras son para el control de agrietamiento de contracción plástica y la provisión de la resistencia. antes del cosido hasta en extruído y ciertos productos de concreto precolado recosido. La mejora en la ductilidad de la resistencia del impacto y la resistencia del agrietamiento con secado restringido está limitado a tales regímenes de adición de volumen de fibra bajos. Debe observarse que aún en esos regímenes de adición de fibra bajos, el corte de fibra (no. de fibras en una unidad de volumen de matriz) y la superficie especifica (área de superficie de fibras por unidad de volumen de la matriz) es muy alto. En consecuencia, actualmente es muy difícil introducir en el concreto mas de 0.4% el volumen de fibras de polipropileno de fibrilado convencional sin hacer cambios significativos al diseño de mezcla del concreto. Como resultado. la mayoría de las fibras sintéticas utilizadas en la actualidad están incorporadas en el concierto en regímenes de adición de fibra muy bajos para simplificar el control de la contracción plástica.
Con el surgimiento de nuevas áreas de aplicación, el interés de la investigación se ha movido a mayores contenidos de fibra donde el índice de resistencia y otros factores son consideraciones del diseño- El índice de resistencia es una indicación de las capacidades de transporte de carga de las fibras dentro de la matriz de concreto después del primer agrietamiento. Como se mencionó previamente, el concreto colado en el lugar acomodara hasta 0.4% en volumen de fibras sintéticas con ajustes de proporción de mezclado mínimos. El hormigón con mezcla con exceso de agua con fibras agregadas a un régimen de hasta 0.75% en volumen proporcionará mayores incrementos en los valores de índice de tenacidad. Morgan, D.R., McAskill. N.. Richardson. 8.W., y Zellers. R.C. lOA Ccrnparative Evaluation of Plain, Polypropylene Fibers. Steel Fibers. y Wire Mesh Reinforced Shotcrete,'' Transportation Research Board, Washington D.C., Jan. 1989. La longitud de la fibra y la configuración de la fibra son factores importantes en este contenido de fibra. En aplicaciones de. hormigón en calidad, el uso de fibra de polipropileno fibrilada Intercalada en contenidos de hasta 0.3% en volumen ha incrementado drásticamente la resistencia a la fatiga. American Concrete Institute ACI 544.1 R-96, ``Fiber Reinforced Concrete,'' 1996.
Hace unos cuantos años, una nueva fibra de poliolefína de monofilamento con un sistema de surtido único, se desarrollo la cual se ha utilizado ahora en los regímenes de adición de fibra del 1.0 al 2.0% de rango de volumen (es decir valores de hasta 10 veces. mayores que el uso convencional de las fibras de polipropileno fibríladas). la fibra se ha utilizado en un rango de diferentes piezas planas de concreto y otras aplicaciones de concreto colado en él. lugar, por ejemplo, pavimento de concreto profundo, estructuras de recubrimiento de cubierta de puente, acabado de partehumos. etc. Ramakrishnan, V'' y MacDonald, C.N., ``Durability EvaIuation y. Performance Histories of Projects Using Polyolefin Fiber Reinforced Concrete,'' ACI British Columbia Chapter, High Performance Concrete Seminar, Vancouver, BC, April 1997, p.15. las fibras utilizaron un rango de longitud de 25 a .50 mm. y tienen relaciones de aspecto en la escala de 66 a 80. A estos regímenes de adición de fibra mucho mayores, la ductilidad, la resistencia del impacto y la tenacidad en los compuestos de concreto se incrementaron sustancialmente y son mucho más comparables a valores logrados con concreto reforzados con fibra de acero, con 0.5 a 0.7% (40 a 55 kg/m^{3}) de adición de fibra por volumen. Aparte de demostrar excelentes características de refuerzo la fibra de poliolefína tiene la ventaja sobre su contraparte de acero en que nunca se oxida. Continuando con la misma filosofía (uso de fibra polimérica en latos regímenes de adición), las Synthetics Industries han lanzado un nuevo polímero para aplicaciones de hormigón. La nueva. fibra llamada polímero de alto rendimiento 5-152 (HPP), es fabricada como un filamento grueso con un perfil conformado y diseñado. La literatura de producto de Synthetics Industries en 1998. La forma similar a ondas de las fibras está diseñada para anclar las fibras en el hormigón. Adicionalmente, el grosor de la fibra permite que se combine en un régimen mucho mayor por unidad de volumen que las fibras convencionales, dando de esta manera un rendimiento estructural mejorado de aplicación de hormigón.
Sin embargo, la fibra de poliolefina es de utilidad limitada debido a que es una fibra de monofilamento. que permanecerá en su forma origina I después del mezclado. Tiene un área de superficie' relativamente corta y por tanto tiene características de unión correspondiente mente escasas. Por tanto se debe introducir un porcentaje relativamente grande por volumen (1.5% y superior) a fin de lograr resultados benéficos.
La adición de fibras de concreto generalmente resultará en la perdida de asentamiento y las características de manejo de la mezcla. Esta perdida es amplificada conforme a la relación de aspecto (longitud/diámetro) de la fibra o el régimen de adición de la fibra se incrementa. Para el concreto reforzado con fibra mezclado en forma convencional, las fibras con lata relación de aspecto son más efectivas en mejora, el rendimiento post-pico debido a su alta resistencia para extracción desde la matriz. Un efecto nocivo del uso de fibras con lata relación de aspecto es el potencial de aglomeración de las fibras durante el mezclado.
. La mayoría de las fibras sintéticas usadas en la actualidad son fibras fíbriladas que tienen áreas. de superficie muy grandes Y relaciones de aspecto. Las áreas de superficie muy grandes de esas fibras hacen difícil la producción de una mezcla de concreto trabajable a mayores regímenes de adición de fibra de más de 0.5% en volumen. sin provocar severos problemas de la manejabilidad Y de aglomeracíón de la fibra. Por esta razón, las fibras sintéticas son utilizadas principalmente al 0.1% en volumen de regímenes de adición de fibra, y se agregan en su mayor parte para el control del agrietamiento por contracción en el concreto.
Por tanto, existe la necesidad en la técnica de formulaciones de concreto reforzado con fibra que superan las desventajas antes mencionadas, en tanto que mantienen aún características superiores de contracción y manejo. De manera más particular sería deseable el poder emplear fibras de un tipo que sea menos sensible a la aglomeración y que pueda por tanto agregarse en mayores fracciones de volumen. Las fracciones de volumen mayores. resultarán en características de refuerzo mejoradas, previamente inalcanzables con materiales de construcción reforzados con fibra 1ales. como el concreto.
Breve descripción de la invención
La presente invención resuelve las necesidades antes mencionadas en la técnica al proporcionar materiales de construcción reforzados con fibras tales como el concreto, que tiene propiedades de rendimiento mejoradas tales como la contracción plástica reducida, la contracción de secado reducida, la resistencia al fuego mejorada. longevidad a la fatiga mejorada, resistencia mejorada a la expansión térmica y la contracción, mayor índice de tenacidad. manejabilidad y manipulación mejoradas, y similares. Los materiales. de construcción reforzados de la invención. son preparados utilizando material de fibra que tiene propiedades iniciales definidas y la habilidad especifica para fibrilar resultando en un área de superficie sustancialmente incrementada al mezclado.
El área de superficie baja inicial del material de fibra contemplado para uso de acuerdo con la invención permite la adición de un contenido de fibra relativamente alto sin hacer cambios en el diseño de mezcla del concreto o utilizar cualquier agente de unión liberable con el tiempo para evitar la aglomeración de las fibras. La habilidad del material fibroso empleado en la presente para soportar la fibrilacíón progresiva permite alcanzar una distribución uniforme de las fibras a través de toda la mezcla de concreto en las primeras etapas del mezclado en tanto que las fibras aún están relativamente intactas. Subsecuentemente, cuando las fibras se empiezan a fibrilar, no tienden, en esta etapa, a aglomerarse ya que han sido dispersadas en la mezcla de concreto.
De manera más especifica, la presente invención proporciona una forrmulaci6n de producto de construcción que comprende una mezcla que contiene un agente aglomerante inorgánico y en la escala de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 3,0% en volumen de un material fibroso.
en donde el material fibroso está compuesto de monofilamentos de resina sintética y en donde el material fibroso está caracterizado por tener;
un área de superficie inicial de cada monofilamento del material fibroso de no más de aproximadamente 200 m2;
en donde el material fibroso experimenta una fibrilación progresiva bajo agitación de la fórmula, resultando en un incremento en el área de superficie del material fibroso.
La presente invención proporciona también una formulaci6n en base a cemento P6rtland que comprende en un rango de
aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 0.3% en volumen de un material fibroso comprendiendo cemento Pórtland.
en donde el material fibroso está compuesto de monofilamentos de resina sintética y en donde el material fibroso está caracterizado por tener:
un área de superficie inicial de cada monofilamento del material fibroso de no más de aproximadamente 200 mm2,
en donde el material fibroso experimenta fibrilaci6n progresiva bajo la agitación de dicha formulaci6n. resultando en un incremento en el área de superficie del material fibroso.
La presente invención proporciona también un método para la producci6n de una formulación en base a cemento Pórtland, el método que comprende agregar en la escala de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 0.3% en volumen de un material fibroso a una composición en base a cemento Pórtland,
en donde el material fibroso está compuesto de monofilamentos de resina sintética y en donde el material fibroso está caracterizado por tener:
un área de superficie inicial de cada monofilamento del material fibroso de no más de aproximadamente 200 mm2;
en donde el material fibroso experimenta una fibrilación progresiva bajo agitación de la formulaci6n. resultando en un incremento en el área de superficie del material fibroso.
La presente invención proporciona también un método para producir una formulaci6n de producto de construcción. el método que comprende:
a)
agregar en la escala de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 0.3% en volumen de un material fibroso a un agente aglomerante inorgánico;
en donde el material fibroso está compuesto de monofilamentos de resina sintética y en está caracterizado por tener:
un área de superficie inicial de cada monofilamento del material fibroso de no más de aproximadamente 200 mm:;
(b) agitar la combinación resultante para .provocar la fibrilación progresiva que resulta en un incremento en el área de superficie del material fibroso.
. La presente invención proporciona también un articulo que comprende una formulación en base a cemento Portland reforzado. la formulación que contiene en la escala de aproximadamente 0.1 hasta, aproximadamente 3.0 en volumen de un material fibroso,
en donde el material fibroso está compuesto de monofilamentos de resina sintética y en donde le material fibroso está caracterizado por tener:
un área de superficie inicial de cada monofilamento del material fibroso de no más de aproximadamente 200 mm:;
en donde el material fibroso ha experimentado la fibrilaci6n progresiva bajo agitación de dicha formulación, resultando en un incremento en el área de superficie del material fibroso.
La presente invención proporciona también un material fibroso para uso en una formulación de producto de construcci6n, que comprende monofilamentos de resina sintética cada uno que tiene un área de superficie inicial de no más de aproximadamente 200 mm2, en donde le material fibroso experimenta fibrilación progresiva bajo agitación resultando en un incremento en el área de superficie.
Breve descripción de la figura
La Figura 1 ilustra gráficamente la curva de tenacidad a la flexi6n de una formulación de "hormigón" que contiene 1.5% en volumen de fibras de monofilamento que tienen propiedades de rendimiento/físicas como se describe para el uso en la práctica de la presente Invenci6n.
Descripción detallada de la invención
De acuerdo con la presente invención, se proporcionan formulaciones de producto de construcción que comprenden una mezcla que contiene agente aglomerante inorgánico y en la escala de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 3.0 por ciento en volumen de un material fibroso.
en donde el material fibroso está caracterizado por tener
a) una relación de aspecto inicial baja,
b) un área de superficie inicial de no más de aproximadamente 200 mm^{2};
en donde el material fibroso es capaz de y experimenta, fibrilación progresiva bajo agitaci6n de la formulación. resultando en un incremento promedio en el área de superficie de por lo menos aproximadamente 20 por ciento, preferiblemente de por lo menos de alrededor de 50 por ciento. Se proporcionan también en la presente métodos de producto de la formulaci6n de producto para construcción antes descrito así como los artículos que comprenden la formulaci6n.
Como se emplea en la presente. formulación de producto para la construcci6n se refiere a una variedad de materiales de construcción y matrices que incluyen, formulaciones en base a cemento Pórtland y artículos producidos a partir de las mismas. tales como concreto. hormigón, ladrillos. mortero, argamasa, partehumos superior, compuestos sintéticos. compuestos en base a carbón y similares. En una modalidad preferida de la invenci6n. la formulación en base a cemento Pórtland es concreto que comprende cemento Pórtland, rocas (tal como graba o roca triturada) y arena.
Aquellos con experiencia en la técnica pueden identificar fácilmente los materiales aglutinantes inorgánicos adecuados para el uso en la práctica de la presente invención. Como se usa en la presente, el término "materiales aglutinantes inorgánicos" se refiere a materiales que no contienen predominantemente carbono que sirve para mantener juntos los diversos constituyentes s61idos de un agregado. Ejemplos de materiales contemplados para usarse en la presente incluyen cemento Pórtland. arcilla, estuco. yeso de parís. y similares. Dichos materiales incluyen aquellos disponibles actualmente. Y aquellos desarrollados en el futuro, se contemplan para usarse en composiciones y métodos de la presente invención.
Como se usa en la presente, el término ``material fibroso'' se refiere a u n monofilarnento sintético que tiende a separarse mediante división progresiva de las fibras, típicamente desde los extremos de las fibras hacia adentro (es decir,``fibrilar''), bajo condiciones apropiadas, en una pluralidad de filamentos de varias longitudes desde la longitud completa hasta una pequeña microscópica, cada uno de áreas de sección transversal mucho más pequeña y mayor relación. de aspecto que el monofilamento original presupuesto, es reconducido por aquellos con experiencia en la técnica que el material fibroso no puede dividirse. o separarse completamente, sino que puede permanecer como una unidad compuesta de una pluralidad de fibrilos (es decir, puede fibrilarse parcialmente). En un aspecto de la presente invención, una población de fibrilos grandes, cortos, unidos y separados puede esperarse bajo las condiciones apropiadas. Las condiciones adecuadas para generar las fibras completa Y parcialmente fibriladas incluyen agitación, mezclado, vibración, aspersión y similares. La variedad resultante en el tamaño de fibra y las relaciones de aspecto de las fibras fibriladas contribuirá a una escala de características mejoradas tales como manejabilídad, tenacidad 'y resistencia a la contracción.
El material fibroso contemplado para uso en la presente típicamente posee tales propiedades de rendimiento deseable como elasticidad. resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a los cambios en el pH Y resistencia a la humedad, suficientes para hacer, a tales materiales útiles para las formulaciones de producto de construcción reforzadas bajo las cargas y condiciones estándar. En una modalidad especifica; el material fibroso contemplado para uso en la presente está comprendido de artículos de 'fibra planos, plegados y/o grabados. En otro aspecto de la presente invención las dimensiones de sección transversal iniciales del monofilamento sintético original son de aproximadamente 1.1mm x O.37mm. De acuerdo con otro aspecto especifico de la invención, el material fibroso fibrilado o parcialmente fibrilado comprende una estructura de red fina de fibras, de una combinación de polímero sintético. Como se usa en la presente "estructura de red" se apega al uso normal del término, es decir, las fibras fibriladas y parcialmente fibriladas forman una estructura de malla relativamente desordenada o similar a red enmarañada. El modificado "fino", como se usa en la frase "estructura de red fina", denota la naturaleza inherentemente pequeña de la red debido al tamaño de las fibras descritas en la presente para uso en I^{\sim}IS composiciones y métodos de la invención.
Los ejemplos de combinaciones de polímero sintético adecuado contempladas para uso en la presente incluyen mezclas de polímero de polipropileno y polietileno. Preferiblemente la mezcla de polietileno/polipropileno empleada en la presente tendrá una m asa de aproximadamente 7.5 g por denier, una gravedad específica de aproximadamente 0.94 y un alargamiento al estiramiento en la ruptura en la escala de aproximadamente 1'6% hasta aproximadamente 18%. En esta modalidad preferida, la combinación de polímero está comprendida en la escala de aproximadamente 70.hasta aproximadamente 90% de resina de polipropileno que tiene una velocidad de flujo fundido en la escala de aproximadamente 1,2 hasta aproximadamente 4 g/10 min. y una gravedad especifica en la escala desde aproximadamente 0.88 hasta aproximadamente 0.90 g/cm^{3}. El otro componente de la mezcla de polímero actualmente preferida está en la escala de. aproximadamente 10 hasta aproximadamente 30% de resina de polietileno de lata densidad con una velocidad de flujo fundido en la escala de aproximadamente 0.6 hasta aproximadamente 1.1 g/10 min y una gravedad específica en la escala de aproximadamente 0.94 hasta aproximadamente 0.96 g/cm^{3}. En un aspecto preferido de la invención. la red fibrosa consta de la combinación de polimero de polietileno/Polipropileno antes descrita exclusivamente y no se mantiene junta mediante ningún tipo de agente adhesivo. Las fibras ilustrativas de este tipo están hechas bajo el nombre de "PolysteeI^{TM}" y están disponibles con East Coast Rope Ltd., de Sydney, Nova Scotia, Canada.
Las fibras contempladas para uso de acuerdo con las composiciones y métodos de la invención pueden producirse a través de cualquier método conocido' en la técnica. En un aspecto de la presente invención. las fibras contempladas para uso en la practica de la invención son fabricadas extruyendo individualmente un filamento que subsecuentemente sea extinguido y después estirado en un horno de estiramiento. El filamento es recalentado en un horno de recosido para relajar el filamento y fijar la "memoria" del filamento. El filamento puede ser grabada para crear flexibilidad y mejorar la capacidad de sujeción del filamento. Finalmente, el filamento es cortado a la longitud especificada (dependiendo de la aplicación) utilizando. por ejemplo, una rueda de corte giratoria. Por supuesto. como lo reconocerán fácilmente aquellos con experiencia en la técnica, otros métodos adecuados para producir fibras que cubren las especificaciones de fibra establecidas en la presente también pueden emplearse.
Como se usa en la presente, ``relaci6n de aspecto'' significa la longitud de una fibra dividida por el diámetro de una fibra cilíndrica que tiene un área de sección transversal similar. De acuerdo con la presente invención, el material fibroso empleado tiene una relaci6n de aspecto inicial baja. Las relaciones de aspecto adecuadas pueden determinarse fácilmente por parte de aquéllos con experiencia en la técnica. Típicamente. la relación de aspecto inicial quedará en la escala de aproximadamente 30, hasta aproximadamente 80. como lo comprenderán fácilmente aquellos con experiencia en la técnica. cualquier valor en la escala antes descrita puede emplearse en la práctica de ola presente invención. dependiendo de la formulación particular de las composiciones de la invención. el uso pretendido. la o las propiedades deseadas de las composiciones de la invención y similares. por ejemplo. en un aspecto de la invención, cuando se preparan formulaciones útiles para el concreto bombeado (por ejemplo ``hormigón''). la relación de aspecto inicial debe estar en el extremo inferior de la escala. típicamente debe ser de alrededor de 50. En otro aspecto de la invención, cuando se preparan formulación útiles para concreto vaciado o colado en el si1io (tal como placas) la relación de aspecto inicial debe estar en el extremo superior de la escala, típicamente de alrededor de 70.
. Como lo reconocerán fácilmente aquellos son experiencia en la técnica, una amplia gama de longitudes de fibra es adecuada para el uso en la practica de la presente invención. Como lo comprenderán aquellos con experiencia en la técnica. la longitud de las fibras que se van a emplear en la practica de la presente, invención variará dependiendo de las composiciones de la invención, el uso pretendido, las propiedades deseadas de las composiciones de la invención Y similares. por ejemplo, en un aspecto de la invención, cuando se preparan formulaciones útiles para el concreto bombeado, la longitud de fibra inicial para el material fibroso contemplado para uso en la presente será relativamente corto, típicamente de alrededor de 38. mm. En otro aspecto de la invención, cuando se preparan formulaciones útiles para concreto vaciado o colado en el lugar, la longitud de la fibra será de alguna manera más grande. comúnmente de alrededor de 50 mm.
Como se usa en la presente, el ``área de superficie inicial baja'' contemplada para el material fibroso empleado en la presente no es mayor de alrededor de 200 mm^{2}. Actualmente se prefiere que el área de superficie inicial sea menor de aproximadamente 150 mm^{2}. En una modalidad especifica para uso en la preparación de composición es en base a cemento Portland que son bombeadas (por ejemplo, ``hormigón'' Y similares)'' un área de superficie inicial de aproximadamente 110 mm2 es la preferida. En una modalidad especifica para uso en la preparación de composiciones en base a cemento Portland que se vacían o vierten en el lugar, el área de superficie inicial preferida es de aproximadamente 150 mm2. la presente invención. La agitación puede lograrse a través de medios mecánicos, tales como por ejemplo, mezclado, girado, agitación. sacudimiento, vertido, amasamiento, vibración, bombeo Y similares. Los medios adicionales de agitación contemplados para uso en la presente invención incluyen vibración ultrasónica y mezclado o turbulencia inducidos térmicamente. En una modalidad actualmente preferida, la agitación se presentará a través de la acción mecánica de un mezclador de cemento.
EI uso d el término "fibrilación" e n las reivindicaciones y especificación de la presente se refieren a la separación o división progresiva del material fibroso de área de superficie inicial baja en miembros individuales de la red fibrosa del componente. En una población dada del material fibroso que ha experimentado fibrilación, parte del área del material fibroso de área de superficie baja inicial puede permanecer sustancialmente intacto y no separado, en tanto que otras fibras iniciales pueden ser completa y sustancialmente separadas. De acuerdo con la presente invención, después de la fibrilación. existirá un rango de fibras separadas resultando en un incremento promedio en el área de superficie de la población' del material fibroso en la escala de por lo menos aproximadamente 20 por ciento, de. preferencia de por lo menos aproximadamente el 50 por ciento. En una modalidad particularmente preferida el material fibroso experimentará un incremento promedio en el área de superficie de por lo menos 100 por ciento. En una modalidad especialmente preferida. la población de fibra s representará un incremento promedio en el área de superficie del material fibroso de por lo menos 200 por ciento. En una modalidad preferida de la presente invención, la fibrilación progresiva de las fibras permite lograr una distribuci6n casi uniforme de las fibras a través de la mezcla de concreto en las primeras etapas del mezclado en tanto que las fibras aún están relativamente intactas (es decir antes de la fibrilación misma).
Como lo comprenderán fácilmente aquellos con experiencia en la técnica. incluso el incremento más ligero en el área de superficie de la fibra (por ejemplo 5% y más) provocado por un nivel mínimo de fibrilación, conducirá a mejoras en las propiedades del rendimiento general (por ejemplo, tenacidad a la flexión, contracción plástica. contracción al secado, resistencia al fuego, longevidad a la fatiga. resistencia a la expansión térmica y contracción, resistencia al impacto, manejabilidad, bombeo y. manipulación y similares) de los materiales de construcción reforzados con fibra sobra la lograda con la fibra de monofilamento original (es decir no fibrilada). Los incrementos más sustanciales (por ejemplo en la escala de por lo menos aproximadamente 50%) en el área de superficie de la fibra conducirá a mejoras significativas en las propiedades de rendimiento. La fibrilación de las fibras contemplada para el uso de acuerdo con la presente invención conducirá a incrementos del promedio en el área de superficie del material fibroso hasta de aproximadamente 20,000% o más. A pesar de esos valores promedio. aquéllos con experiencia en la técnica reconocerán fácilmente que. incluso a mayores incremento de porcentaje en el área de superficie, algunas fibras permanecerán intactas y no mostraran incrementos visibles en el área de superficie después del mezclado y la colocación.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporcionan formulaciones de producto de construcción que comprenden el material de fibra descrito en la presente en la escala de aproximadamente 0.:1 hasta aproximadamente 3.0 por ciento en volumen. Tales formulaciones de producto de construcción muestran características mejoradas cuando se comparan con otras formulaciones de. construcción reforzadas con fibra tales como contracción plástica reducida, contracción de secado reducido, resistencia al fuego mejorada. longevidad de la fatiga mejorada, resistencia mejorada a la expansión térmica y a la contracción, resistencia al impacto mejorada, tenacidad a la flexión mejorada. manejabilidad mejorada, bombeo y manipulación y similares.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporcionan formulaciones de producto para construcción que comprenden la escala de. aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 0.3 por ciento en volumen del material de fibra descrito en la presente. A esos bajos rangos de adición de fibra, tales formulaciones demuestran características mejoradas tales como contracción plástica. contracción al secado, resistencia al fuego mejorada, longevidad a la fatiga mejorada, resistencia mejorada a la expansi6rl térmica y a la contracción. manejabilidad mejorada, bombeo y manipulación. así como alguna mejora en la resistencia al impacto y la tenacidad a la flexión.
En otro aspecto más de la presente invención se proporcionan formulaciones de producto de construcción que comprende la escala de aproximadamente 0.3 a aproximadamente 3.0 por ciento en volumen del material de fibras descrito en la presente. A esos regímenes relativamente aítos de adición de fibra, tales formulaciones también demuestran características mejoradas tales como contracción plástica, contracción al secado, resistencia QI fuego mejorada, longevidad a la fatiga mejorada, resistencia mejorada a la expansión térmica y a la contracción, manejabilidad. bombeo y manipulación mejorados. así como mejoras sustanciales a la resistencia del impacto y tenacidad a la flexión.
De acuerdo con otra modalidad de la presente invenci6n se proporcionan métodos para producir formulaciones de producto de construcción mediante la adición del material fibroso antes descrito para materiales de aglutinamiento inorgánico en donde la formulación es sometida a agitación suficiente para lograr un incremento promedio en el área de superficie de las fibras de por lo menos 20 por ciento aproximadamente. de preferencia de menos alrededor del 50 por ciento. Esos métodos producen materiales de construcci6n que tienen cuando se comparan con otros sistemas de refuerzo de fibra sintética, características mejoradas tales como contracción plástica reducida, contracción al secado reducida, resistencia al fuego mejorada, longevidad a la fatiga mejorada. resistencia mejorada a la expansión térmica y a la contracción. resistencia al impacto mejorada tenacidad a la flexión mejorada, manejabilidad. bombeo y manipulación mejoradas y similares.
En un aspecto de los métodos de la invención, en la escala de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 0.3 por ciento en volumen del material fibroso se agrega a una composición en base a cemento Portland la cual es sometida después a agitación como antes, proporcionando de esta manera formulaciones de producto de construcción con características mejoradas tales como contracción plástica contracción al secado resistencia a I fuego mejorada. longevidad a la fatiga mejorada, resistencia mejorada a la expansión térmica y a la contracción. manejabilidad mejorada bombeo y manipulación mejoradas. así como alguna mejora en la resistencia al impacto y la tenacidad a la flexi6n.
En otro aspecto de los métodos de la invención en la escala de aproximadamente 0.3 hasta aproximadamente 3.0 por ciento en volumen de un material fibroso se agrega.a una composición en base a cemento Portland la cual es sometida después a agitaci6n como se hizo antes, proporcionando de esta. manera, formulaciones de producto para la construcción con contrgcci6n plástica, contracción al secado, resistencia al fuego mejorada, longevidad a la fatiga mejorada. resistencia a la expansión térmica y a la contracción, manejabilidad, bombeo y manipulación mejoradas, así como mejoras sustanciales en la resistencia al impacto y la tenacidad a la flexión.
De acuerdo con otra modalidad de la presente invención, se proporcionan artículos que comprenden las formulaciones del producto de construcción antes descritas. En un aspecto preferido de la invención proporcionan artículos que comprenden las formulaciones en base a cemento Portland antes descritas.
Se describirá ahora la invención en mayor detalle mediante referencia a los siguientes ejemplos no limitantes.
Ejemplos
En un experimento reciente se demostr6 que la fibra 3000 denier Polysteel^{TM} (disponible de East Coast Rope. Ltd., North Sydney, Nova Scotig). que comprende combinación de polímero de polietileno/polipropileno con una masa de aproximadamente 7,5 gramos por denier. una gravedad especifica de aproximadamente 0.94 y un alargamiento al estiramiento a la ruptura en la escala de aproximadamente 16% hasta aproximadamente 18%, cuando se agrega a un régimen de adición de volumen de 1% de fibra de poliolefina mejorada a 1.67% en volumen (fibra de área de superficie especifica inicial similar, y resistencia a la tracción idéntica y. módulo de elasticidad) tanto en tenacidad a la flexión como rendimiento a la contracción .plástica. Se condujeron pruebas similares en una serie de fibras de acero en regímenes de adición de fibra de 0.5 y 0.75%; los resultados muestran que la fibra de fibrilaci6n. cuando se agregó a un régimen de adición de volumen de 1% mejoró fácilmente a las. fibras de acero en el control de contracción plástica y contracción de secado.
Las pruebas de hormigón se condujeron sobre fibra, teniendo propiedades de rendimiento y físicas descritas en la presente, que revelan que la fibra es bombeada fácilmente y cargada en fracciones de volumen de fibra de hasta 1.5%. Un ligero cambio en- el diseño de mezcla de concreto permitió. que la fibra fuera bombeada y cargada a un régimen de adición de alto porcentaje de 2% en volumen. Debe observarse que es casi imposible bombear y cargar las fibras sintéticas fibriladas disponibles en el mercado a regímenes de adición que excedan del 0.5% en volumen. De nuevo, el área de superficie de fibra baja inicial de la fibra de monofilamento permitió la adición de una cantidad muy alta de fibras en el hormigón. En el caso del hormigón, la acción de fibrilaci6n se produjo mediante la acción del mezclador de concreto y mediante el impacto de las fibras sobre la superficie proyectada. Los resultados, como se ilustran en la figura 1, indican que la fibra de fibrilaciór. ha logrado un nivel de rendimiento a la tenacidad V al 1.5% de adici6n, un rendimiento nunca alcanzado por ninguna fibra sintética antes. los regímenes de adici6.n de fibra de 1% en hormigón de la fibra de fibrilaci6n logró el nivel de rendimiento a la tenacidad IV, lo, cual nuevamente es sustancialmente superior que otras fibras sintética.
En tanto que se ha descrito en detalle la invenci6n con referencia a ciertas modalidades preferidas de las mismas se comprenderá que las modificaciones y variaciones están dentro del alcance y espíritu para el cual se describió y reivindicó.

Claims (33)

1. Una formulación de producto para construcción que comprende una mezcla que contiene agente de aglutinamiento inorgánico y en el rango de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 3.0 por ciento en volumen de un material fibroso en donde el material fibroso está compuesto de monofilamentos de resina sintética y en donde el material fibroso está caracterizado por tener:
un área de superficie inicial de cada monofilamento del material fibroso de no más de aproximadamente 200m^{2};
en donde el material fibroso experimenta fibrilación progresiva bajo la agitación de la fórmula, resultando en un incremento en el área superficie del material fibroso.
2. Una formulación en base a cemento Portland que comprende cemento Portland y en el rango de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 3.0 por ciento en volumen de un material fibroso,
en donde el material .fibroso está compuesto de monofilamentos de resina sintética Y en donde el material fibroso está caracterizado por tener;.
un área de .superficie inicial de cada monofilamento del material fibroso de no más de aproximadamente 200 mm^{2};
en donde el material fibroso experimenta fibrilación progresiva bajo agitación de dicha formulación. resultando en un incremento en el área de superficie del material fibroso.
3. Una formulación de conformidad con la reivindicación 1 ó 2. caracterizada porque el incremento en el área de superficie del material fibroso es en promedio, de por lo menos aproximadamente el 20 por ciento.
4. Una formulación de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque cada monofilamento del material fibroso tiene una relación de aspecto en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 8.0 antes de la agitación.
5. Una formulación de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el material fibroso comprende una de las fibras planas, fibras dobladas y fibras grabadas.
6. Una formulación de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el material fibroso está comprendido de una estructura de red fina de filamentos.
7. Una formulación de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6,:caracterizada porque los monofilamentos de resina sintética comprenden una combinación de polipropileno y polietileno.
8. Una formulación de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el material fibroso tiene una masa de aproximadamente 7.5 gramos por denier, una gravedad especifica de aproximadamente 0.94 y un alargamiento por tensión de aproxima d a m ente 16% hasta aproximadamente 18%.
9. Una formulación de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, que comprende en la escala de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 0.3 por ciento en volumen del material fibroso.
10. Una formulación de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, que comprende en la escala de aproximadamente 0.3 hasta aproximadamente 3.0 por ciento en volumen del material fibroso.
11. Un método para la producción de una formulación en base a cemento Portland, el método que comprende agregar en la escala de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 3.0 por ciento en volumen de un material fibroso a una composición en base a cemento Portland.
en donde el material fibroso esta compuesto de monofilamentos de resina sintética y en donde el material fibroso está caracterizado por tener:
un área de superficie inicial de cada monofilamento de cada monofilamento del material fibroso. de no más de aproximadamente 200 mm^{2};
en donde el material fibroso experimenta fibrilación progresiva bajo agitación de la formulación. resultando en un incremento en el área de superficie del material fibroso.
12. Un método para producir una formulación de producto para construcción. el método que comprende:
(a) agregar en la escala de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 3.0 por ciento en volumen de un material fibroso a un agente de aglutinamiento inorgánico.
en donde el material fibroso está compuesto de monofilamentos de resina sintética Y en donde el material fibroso está caracterizado por tener:
un área de superficie inicial de cada monofilamento de material fibroso de no más de aproximadamente 200 mm^{2};
(b) agitar la, combinación resultante para provocar que la fibrilaci6n progresiva de cómo resultado un incremento en el área de superficie del material fibroso.
13. Un método de conformidad con la reivindicación 11 6 12. caracterizado porque el incremento en el área de superficie del material fibroso es en promedio de por lo menos aproximadamente 20 por ciento.
14. Un método de conformidad con la reivindicación 11 ó 12, que, comprende agregar una cantidad de material fibroso efectiva para mejorar la contracción plástica y/o las características de contracción al secado de la formulación de producto para la construcción.
15. Un método de conformidad con la reivindicación 11 ó 12, que comprende agregar una cantidad de ``material fibroso efectiva para mejorar Ias características de tenacidad a la flexión de la formulación del producto de construcción.
16. Un método de conformidad con la reivindicación 11 ó 12, que comprende agregar una cantidad de material fibroso efectiva para mejorar la resistencia al agrietamiento y el control de agrietamiento de la formulación de producto de construcción.
17. Un método de conformidad con la reivindicación 11 ó 12. que comprende agregar una cantidad de material fibroso efectiva para mejorar la longevidad a la fatiga de la formulación del producto de construcción.
18. Un método. de conformidad con la reivindicación 11 6 12. que. comprende agregar una cantidad de material fibroso efectiva para mejorar la resistencia a la expansión térmica o la construcción térmica de la formulación de producto para la construcción.
19. Un método de conformidad con la reivindicación 11 6 12, que comprende agregar una cantidad de material fibroso efectiva para mejorar la resistencia al fuego de la formulación del producto de construcción.
20. Un método de conformidad con la reivindicación 11 6 12, que comprende agregar una cantidad de material fibroso efectiva para mejorar la resistencia al impacto de la formulación del producto de construcción.
21. Un método de conformidad con la reivindicación 11 ó 12, que comprende agregar una cantidad de material fibroso efectiva para mejorar las características dé manejo relativo de la formulación del producto. de construcción.
22. Un método de conformidad con I a reivindicación 11 ó 12, que comprende agregar una cantidad de material fibroso efectiva para mejorar las características. de bombeo relativos de la formulación del producto de construcción.
23. Un método de conformidad con la reivindicación 11 ó 12. caracterizado porque cada monofilamento del material fibroso tiene una relación de aspecto en la escala de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 80 antes de la agitación.
24. U n método, de conformidad con la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque el material fibroso comprende por lo menos una de las fibras planas, fibras' plegadas y fibras grabadas.
25. Un articulo que comprende una formulación en base a cemento Portland reforzado, la formulación que contiene la escala de aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 3.0 por ciento en volumen de un material fibroso.
en donde el material fibroso está compuesto de monofilamentos de resina sintética y en donde le material fibroso está caracterizado por tener:
un área de superficie inicial de cada filamento del material fibroso de no más de aproximadamente 200 mm^{2};
en donde el material fibroso ha experimentado fibrilación progresiva bajo agitación de dicha formulación, resultando en un incremento en el área de superficie del material fibroso.
26. Un artículo de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque el incremento en el área de superficie del material fibroso es, en promedio de por lo menos aproximadamente el 20%.
27. Un artículo de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque cada monofilamento del material fibroso tiene una relación de aspecto en la escala de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 80 antes de la agitación.
28. Un artículo de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque el material fibroso comprende por lo menos una de las fibras planas, fibras plegadas y fibras grabadas.
29. Un material para uso en una formulación de producto de construcción que comprende monofilamentos de resina sintética, cada uno que tiene un área de superficie inicial de no más de aproximadamente 200 mm^{2}, en donde el material fibroso experimenta fibrilación progresiva bajo agitación resultando en un incremento en el área de superficie.
30. El material fibroso de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque el incremento en el área de superficie del material fibroso es en promedio, de por lo menos aproximadamente el 20 por ciento.
31. El material fibroso de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque cada monofilamento del material fibroso tiene una relación de aspecto en el rango de aproximadamente 30 hasta aproximadamente 80 antes de la agitación.
32. El material fibroso de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque el material fibroso comprende por lo menos una de las fibras planas, fibras plegadas y fibras grabadas.
33. El material fibroso de conformidad con cualquiera del as reivindicaciones 25 a 32, caracterizado porque los monofilamentos de resina sintética comprenden una combinación de polipropileno y polietileno.
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