BR0206199B1 - Fibras para reforço de uma composição de concreto e composição de matriz compreendendo as referidas fibras - Google Patents

Description

"FIBRAS PARA REFORÇO DE UMA COMPOSIÇÃO DE CONCRETO E COMPOSIÇÃO DE MATRIZ COMPREENDENDO AS REFERIDAS FIBRAS" CAMPO DA INVENÇÃO A invenção se refere às fibras para o reforço de materiais de matriz e, mais particularmente, a uma pluralidade de fibras poliméricas sintéticas com excelentes propriedades de dispersão e de reforço. Corpos de fibras individuais são alongados e altamente dobráveis, com perfis em -seção transversal genericamente quadrilaterais, minimizando, dessa forma, a formação de bolas de fibras e maximizando a ligação das fibras.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Embora as fibras da presente invenção sejam adequadas para o reforço de vários materiais de matriz, como adesivos, asfaltos, compósitos, plásticos, borrachas e outros, e estruturas feitas com elas; as fibras que serão aqui descritas são particularmente adequadas para o reforço de composições de cimento hidratáveis, como concreto de mistura pronta, concreto pré-vazado, concreto de construção (argamassa), gunita, concreto betuminoso, composições de gesso, composições à prova de fogo à base de gesso e/ou cimento Portland e outros. A principal finalidade das fibras da presente invenção é a de reforçar concreto, por exemplo, de mistura pronta, gunita e outros, e estruturas feitas com eles. Esses materiais de matriz apresentam inúmeros desafios para aqueles que projetam fibras de reforço. 0 concreto é preparado usando-se um aglutinante de cimento hidratável, um agregado fino (por exemplo, areia) e um agregado grosseiro (por exemplo, pequenas pedras, cascalho). Prepara-se uma argamassa usando-se o aglutinante de cimento e agregado fino. Concretos e argamassas são, portanto, materiais quebradiços. Se a estrutura de argamassa ou concreto for submetida a tensões que excedam sua resistência à tração máxima, então, rachaduras podem se iniciar e se propagar nela. A capacidade da estrutura de cimento de resistir ao início de rachaduras e à propagação de rachaduras pode ser entendida com referência à "resistência" e "tenacidade a fraturas" do material. "Resistência" refere-se à capacidade de uma estrutura de cimento ou de concreto de resistir ao início de rachaduras. Em outras palavras, a resistência é proporcional à carga máxima suportada pela estrutura sem rachar e é uma medida da carga ou tensão mínima (por exemplo, o "fator de intensidade de tensão crítica") requerida para iniciar rachaduras nessa estrutura.

Por outro lado, "tenacidade a fraturas" refere-se à "energia de fratura" específica de uma estrutura de cimento ou concreto. Esse conceito refere-se à capacidade da estrutura de resistir à propagação - ou alargamento - de uma rachadura existente na estrutura. Essa propriedade de tenacidade é proporcional à energia requerida para propagar ou alargar a rachadura (ou rachaduras). Essa propriedade pode ser determinada medindo-se simultaneamente a carga requerida para deformar ou "defletir" um espécime de viga de concreto reforçado com fibras (FRC) em uma rachadura aberta e a quantidade ou extensão da deflexão. A tenacidade a fraturas é, portanto, determinada dividindo-se a área sob uma curva de deflexão de carga (gerada traçando-se o gráfico de carga contra deflexão do espécime de FRC) por sua área de seção transversal.

Nas atuais técnicas de cimento e concreto, as fibras são projetadas para aumentar a resistência e a tenacidade a fraturas em materiais de reforço. Inúmeros materiais de fibra foram usados para essas finalidades, como aço, polímeros sintéticos (por exemplo, poliolefinas), carbono, náilon, aramida e vidro. 0 uso de fibras de aço para o reforço de estruturas de concreto continua popular devido à resistência inerente do metal. Entretanto, uma das preocupações no projeto do produto com fibras de aço é a de aumentar a resistência ao "arrancamento" das fibras, porque isso aumenta a capacidade da fibra de impedir a propagação de rachaduras. Com relação a isso, a patente norte-americana 3.953.953 de Marsden, apresentou fibras com extremidades em forma de "J" para resistir ao arrancamento de concreto.

Entretanto, fibras rígidas com deformidades físicas podem causar problemas de entrelaçamento, que tornam as fibras difíceis de manipular e dispersar uniformemente em uma mistura de concreto úmida. Projetos mais recentes, envolvendo o uso de fibras poliméricas "onduladas" ou "em forma de onda", podem ter complicações similares, dependendo da rigidez do material de fibra empregado.

Materiais poliolefínicos, como polipropileno e polietileno, foram usados para o reforço de concreto e oferecem uma vantagem econômica devido ao menor custo relativo do material. Entretanto, esses materiais poliolefinicos, sendo de natureza hidrofóbica, resistem ao ambiente aquoso do concreto úmido. Além disso, a maior quantidade de fibras poliolefínicas necessárias no concreto para se aproximar da resistência e tenacidade a fraturas de concreto reforçado com fibras de aço frequentemente leva a aglomeração das fibras ou "formação de bolas" e a um tempo de misturação aumentado no local de trabalho. Essa tendência a formar bolas de fibras significa que a dosagem de fibras desejada não é atingida. A concentração correta de fibras freqüentemente não é atingida, porque as bolas de fibras são removidas (quando vistas na superfície do concreto) por trabalhadores destinados a obter uma superfície de concreto acabada. Às vezes, ocorre que localizações dentro da estrutura de cimento estejam inteiramente livres de fibras de reforço. Conseqüentemente, a dispersão homogênea de fibras desejada não é obtida.

Processos para facilitar a dispersão de fibras em concreto são conhecidos. Por exemplo, a patente norte- americana 4.961.790 de Smith et al., apresentou o uso de uma bolsa solúvel em água para a introdução de um grande número de fibras em uma matriz úmida. A patente norte-americana 5.224.774 de Valle et al. , apresentou o uso de embalagens não solúveis em água que se desintegram mecanicamente com a misturação para evitar aglomeração e obter uma dispersão uniforme das fibras dentro da mistura de concreto. A dispersão de fibras de reforço também podería ser conseguida mediante embalagens de menores quantidades distintas de fibras. Por exemplo, a patente norte-americana 5.807.458 de Sanders, apresentou fibras que foram enfeixadas usando-se um invólucro de perímetro circunferencial. De acordo com essa patente, a continuidade do invólucro periférico podería ser rompida por agitação dentro da mistura de concreto úmida, e as fibras poderíam ser liberadas e dispersadas na mistura.

Por outro lado, o pedido de patente WO 00/49211 de Leon (publicado em 24 de agosto de 2000), apresentou fibras "embaladas" juntas, mas separáveis quando misturadas no concreto. Uma pluralidade de fibras foi ligada entre si de maneira separável, como por uma fita aderida âs extremidades de corte das fibras, formando, dessa maneira, um "pacote".

Dentro de uma mistura cimentícia úmida, os pacotes poderíam ser rompidos e/ou dissolvidos para permitir a separação e a dispersão de fibras individuais dentro da mistura. A dispersão de fibras de reforço também pode ser conseguida por alteração das fibras durante a mistura. Por exemplo, a patente norte-americana 5.993.537 de Trottier et al., apresentou fibras que se fibrilavam progressivamente com a agitação da mistura de concreto úmida. As fibras apresentavam uma "baixa área de superfície inicial" para facilitar a introdução das fibras na mistura úmida e, com a agitação e sob o efeito de trituração dos agregados na mistura, sofriam "fibrilação", que é a separação do material fibroso de baixa área de superfície inicial em fibrilas individuais menores. Acreditava-se que uma distribuição homogênea das fibras, a taxas de adição mais elevadas, podería ser assim atingida.

Uma nova abordagem foi ensinada na patente norte- americana 6.197.423 de Rieder et al. , que apresentou fibras mecanicamente achatadas. Para melhorar o travamento dentro do concreto, as fibras eram achatadas entre rolos opostos para atingir dimensões de largura e / ou espessura variável, e fraturas de tensão perceptíveis com um microscópio como descontinuidades e deslocamentos irregulares e aleatórios do polímero na superfície de fibras individuais. Acreditava-se que essa fratura de tensão microscópica melhorava a ligação entre o cimento e as fibras e, como as fraturas de tensão eram de natureza não contínua, as fibras eram amolecidas a ponto de o entrelaçamento fibra a fibra (e, portanto, a formação de bolas de fibras) ser minimizado ou evitado. 0 processo de achatamento mecânico de Rieder et al. era diferente do processo apresentado na patente norte-americana 5.298.071 de Vondran, em que as fibras eram trituradas juntamente com clinquer de cimento e retinham partículas de cimento incrustadas na superfície.

Nesse sentido, a natureza da superfície da fibra também foi um tópico freqüente de pesquisa na dispersão e ligação de fibras em concreto. Por exemplo, a patente norte- americana 5.753.368 de Hansen, apresentou uma lista de agentes umectantes, como emulsificadores, detergentes e surfactantes para tornar as superfícies das fibras mais hidrofílicas e, portanto, mais suscetíveis à misturação em concreto úmido. Por outro lado, a patente norte-americana 5.753.368 de Berke et al. , ensinou que a ligação entre concreto e fibras poderia ser aumentada empregando-se revestimentos de éter glicólico particulares, em vez de agentes umectantes convencionais, que tendiam a introduzir ar indesejável na interface fibra/concreto.

Evidentemente, conforme mencionado na patente norte-americana 5.298.071 e na patente norte-americana 6.197.423, conforme acima discutido, também se acreditava que a deformação física da superfície da fibra melhorava a ligação fibra-concreto. A patente norte-americana 4.297.414 de Matsumoto, como outro exemplo, ensinou o uso de saliências e ressaltos para aumentar a resistência de ligação. Outros tratamentos de superfície, como o uso de rodas de gofragem para conferir padrões à fibra, também foram usados para melhorar a ligação fibra-concreto. Os projetistas de fibras até dobraram fibras em formato de onda sinusoidal para aumentar a capacidade das fibras de resistirem ao "arrancamento" do concreto. Entretanto, os presentes inventores perceberam que deformações estruturais aumentadas na estrutura da fibra podem, na realidade, aumentar as oportunidades de ocorrência indesejável de formação de bolas de fibras.

Contra esse pano de fundo, os presentes inventores vêm a necessidade de novas fibras de reforço sintéticas poliméricas, com fácil capacidade de dispersão em concreto, para evitar a formação de bolas de fibras e obter taxas de dosagem de fibras desejadas, proporcionando, ao mesmo tempo, resistência e tenacidade a fraturas em materiais de matriz e particularmente materiais quebradiços, como concreto, argamassa, gunita, materiais à prova de fogo de gesso e outros.

BREVE DESCRICÃO DA INVENÇÃO

Ao superar as desvantagens da técnica anterior, a presente invenção apresenta fibras poliméricas de reforço altamente dispersáveis, materiais de matriz reforçados pelas fibras e processo para sua obtenção. Fibras exemplificativas da invenção proporcionam uma fácil capacidade de dispersão em, assim como resistência e tenacidade a fraturas quando dispersadas dentro de, materiais de matriz, particularmente quebradiços, como concreto, argamassa, materiais à prova de fogo â base de gesso ou cimento Portland, gunita e outros.

Essas qualidades são conseguidas empregando-se uma pluralidade de corpos de fibra individuais com um comprimento alongado definido entre duas extremidades opostas, os corpos possuindo um formato de seção transversal genericamente quadrilateral ao longo do comprimento alongado do corpo de fibra. As fibras individuais têm, dessa forma, dimensões de largura, espessura e comprimento em que a largura média de 1,0 mm a 5,0 mm; e, mais preferivelmente, de 1,3 mm a 2,5 mm, uma espessura média de 0,1 mm a 0,3 mm e, mais preferivelmente, de 0,15 mm a 0,25 mm, e um comprimento médio de 20 mm a 100 mm e, mais preferivelmente, de 3 0 mm a 60 mm. Em modalidades preferidas, a largura de fibra média deve exceder a espessura de fibra média pelo menos 4 vezes (isto é, uma razão de pelo menos 4:1), mas, de preferência, a largura média não deve exceder a espessura média por um fator que exceda 50 vezes (50:1). Mais preferivelmente, a razão de largura para espessura das fibras é de 5 para 2 0 (5:1 a 20:1).

Embora corpos de fibra individuais da invenção possam ser opcionalmente introduzidos e dispersados no material de matriz, como uma pluralidade de pedaços separados ou pedaços separáveis (isto é, fibras em uma folha riscada ou fibrilável; ou contidas dentro de uma embalagem, invólucro, pacote ou revestimento dissolvível ou desintegrável), as fibras podem ser introduzidas diretamente em uma composição cimentícia hidratável e misturadas com relativa facilidade para obter uma dispersão homogênea nela.

Os próprios corpos de fibra individuais, entretanto, não devem ser substancialmente fibriláveis (isto é, adicionalmente redutíveis em unidades de fibra menores) após serem submetidos â agitação mecânica na composição de matriz na medida necessária para se obter uma dispersão substancialmente uniforme das fibras nela.

Corpos de fibra individuais exemplificativos da invenção também são substancialmente livres de fraturas de tensão internas e externas, como as que poderíam ser criadas por trituração com clinquer ou achatamento mecânico. A finalidade genérica dos presentes inventores é a de manter a integridade dos corpos de fibra individuais, não apenas em termos de integridade estrutural das fibras, mas também a integridade e a uniformidade da área de superfície total e da característica de dobramento de um lote para outro.

Um perfil genericamente em seção transversal quadrilateral proporciona uma razão de área de superfície para volume mais elevada (Sa/V) , em comparação com monofilamentos redondos ou ovais compreendendo um material similar e com um diâmetro de dimensões comparáveis. Os presentes inventores acreditam que um formato de seção transversal quadrilateral proporciona uma melhor razão de flexibilidade para volume em comparação com formato de seção transversal redondo ou elíptico e, mais significativamente, essa melhor característica de flexibilidade se traduz em um melhor controle da "capacidade de dobramento". Os corpos de fibra individuais da invenção tendem a se dobrar predominantemente em forma de arco com curvatura mínima e entrelaçamento de fibra a fibra comparativamente menores, facilitando, dessa forma, a dispersão. Em contraste, para um dado módulo elástico do material e uma dada área de seção transversal, as fibras da técnica anterior, com seções transversais circulares ou elípticas com razões de eixo maior/eixo menor de menos de 3; têm uma maior resistência ao dobramento, possuindo, dessa forma, uma maior tendência à formação de bolas de fibras, quando comparadas às fibras de seção transversal genericamente quadrilateral (por exemplo, retangular).

Os presentes inventores também acreditam que uma seção transversal geralmente quadrilateral proporcione excelentes características de área de superfície da fibra e de manipulação quando comparada, por exemplo, a fibras redondas ou elípticas. Com relação a isso, fibras preferidas da invenção têm uma "capacidade de dobramento" na faixa de 20 (muito rígidas) a 1.300 miliNewton'1*metro'2 (mN^m'2) (muito dobráveis) e, mais preferivelmente, na faixa de 25 a 500 miliNewtons'1*metro'2. Conforme aqui usado, o termo "capacidade de dobramento" significa e se refere à resistência de um corpo de fibra individual ao movimento de flexão (isto é, à força que é perpendicular ao eixo longitudinal da fibra), conforme medida aplicando-se uma carga a uma extremidade da fibra e medindo-se seu movimento relativo com relação â extremidade oposta da fibra que foi presa, como dentro de um tenaz ou torno mecânico, para evitar a movimentação. Assim, uma fibra pode ser chamada de mais dobrável se requerer menos força para dobrá-la a um certo grau. A flexibilidade ao dobramento de uma fibra é função de seu comprimento, formato, tamanho de sua seção transversal e seu módulo de elasticidade. Portanto, a capacidade de dobramento "B" da fibra é expressa em termos de miliNewtons'1*metro'2 (mN"^'2) e ê calculada usando-se a seguinte fórmula: em que "E" representa o módulo de elasticidade de Young (Giga Pascal) da fibra; e "I" representa o momento de inércia (mm4) do corpo de fibra individual. Uma fibra com uma menor capacidade de dobramento "B" será, evidentemente, menos flexível que uma fibra com uma capacidade de dobramento "B" mais elevada. 0 momento de inércia "I" descreve a propriedade de matéria de resistir a qualquer alteração no movimento ou rotação. Para um perfil em seção transversal com um formato genericamente quadrilateral (ou aproximadamente retangular), o momento de inércia pode ser calculado usando-se a fórmula: em que "w" representa a largura média do retângulo, e "t" representa a espessura média do retângulo.

Em modalidades exemplificativas adicionais, a "capacidade de dobramento" das fibras pode ser melhorada ainda mais se a espessura e/ou a largura das fibras forem variadas ao longo do comprimento das fibras, por exemplo, de 2,5 a 25 por cento de desvio máximo do valor de espessura ou largura máxima. Essa pequena variação da espessura e/ou da largura da fibra também melhora a ligação entre a matriz de reforço e a fibra.

Os inventores perceberam, em vista da equação acima para "capacidade de dobramento" "B" das fibras com seções transversais genericamente quadrilaterais, que um aumento no módulo de elasticidade "E" da fibra resulta em uma correspondente diminuição na capacidade de dobramento e, consequentemente, tornam a dispersão das fibras mais difícil. Os inventores perceberam, então, que para manter o mesmo nível de capacidade de dobramento, o momento de inércia "I" tem de ser diminuído, e que isso podería ser conseguido, por exemplo, reduzindo-se a espessura das fibras enquanto se mantinha a área de seção transversal das fibras.

Em modalidades adicionais da invenção, corpos de fibra individuais preferidos têm as seguintes propriedades quando medidas na dimensão longitudinal (de ponta a ponta) ao longo do eixo do corpo de fibra: um módulo de elasticidade de Young de 3 a 2 0 Giga Pascal e, mais preferivelmente, de 5 a 15 Giga Pascal, uma resistência à tração de 350 a 1200 Mega Pascal e, mais preferivelmente, de 4 00 a 900 Mega Pascal, e uma capacidade de suportar carga mínima no modo de tensão de 40 a 900 Newton, mais preferivelmente, de 100 a 300 Newton.

Um processo particularmente preferido para a fabricação das fibras é a fusão-extrusão do material polimérico (por exemplo, polipropileno como uma folha contínua); diminuição da temperatura desse material em fusão de folha extrudada abaixo da temperatura ambiente (por exemplo, abaixo de 25°C) ; o corte ou a divisão da folha (após o resfriamento) em corpos de fibra individual, separados ou separáveis, com seções transversais geralmente quadrilaterais para esticar as fibras individuais em um fator de pelo menos 10 a 20, e, mais preferivelmente, entre 12 a 16, para, dessa forma, obter uma largura média de 1,0 a 5,0 mm e, mais preferivelmente, de 1,3 a 2,5 mm e uma espessura média de 0,1 mm a 0,3 mm e, mais preferivelmente, de 0,15 mm a 0,25 mm; e o corte das fibras para se obter corpos de fibra individual com um comprimento médio de fibra de 20 mm a 100 mm e, mais preferivelmente, entre 3 0 mm a 60 mm. Pro- cessos exemplificativos adicionais são descritos a seguir. A presente invenção também se refere à materiais de matriz, como concreto, argamassa, gunita, asfalto e outros materiais contendo as fibras acima descritas, assim como a processos para modificar materiais de matriz pela incorporação das fibras nos materiais de matriz.

Além disso, fibras e materiais de matriz (como concreto) exemplificativos com essas fibras incrustadas são particularmente adequados para aplicações em que a "capacidade de acabamento" seja importante (como aplicações de piso). 0 termo "capacidade de acabamento" refere-se à capacidade das fibras de resistirem a "saltar" do concreto após sua superfície ter sido alisada (isto é, "acabada"). Os inventores descobriram que a capacidade de acabamento, de forma similar à dispersão, é função da capacidade de dobramento da fibra, mas, além disso, a capacidade de acabamento também é função do comprimento da fibra. Fibras exemplificativas com "capacidade de acabamento" são substancialmente livres de fraturas de tensão e substancialmente não fibriláveis quando mecanicamente agitadas dentro do material de matriz, e elas têm uma capacidade de dobramento média de 100 a 2.500 e, mais preferivelmente, de 150 a 2.000 mN'1*m‘2. Fibras preferidas com características de capacidade de acabamento têm, de preferência, um módulo de elasticidade de Young na faixa de 4 a 20 Giga Pascal, uma resistência à tração de 400 a 1.600 Mega Pascal, uma largura média de 1,0 a 5,0 mm, uma espessura média de 0,05 a 0,2 mm, e um comprimento médio de 20 a 75 mm, em que a largura média excede a espessura média por um fator de 5 a 50 e, mais preferivelmente, por um fator de 7 a 40.

Vantagens e características adicionais da invenção são adicionalmente descritas em detalhes a seguir.

BREVE DESCRICÃO DO DESENHO

Uma apreciação das vantagens e benefícios da invenção pode ser compreendida mais prontamente considerando-se a descrição escrita a seguir de modalidades preferidas juntamente com os desenhos anexos, em que: As Figuras 1 a 3 são ampliações microfotográficas das seções transversais de fibras de reforço do ESTADO DA TÉCNICA;

As Figuras 4 e 5 são ampliações microfotográficas do perfil de seção transversal genericamente quadrilateral de fibras exemplificativas da presente invenção; A Figura 6 é uma ampliação microfotográfica (a uma ampliação de 25x) da superfície de um corpo de fibra individual exemplificativo da presente invenção antes da mistura em uma mistura de concreto (que conteria agregados finos e grosseiros) , e a Figura 7 mostra a fibra após a mistura; A Figura 8 é uma ampliação microfotográfica (a uma ampliação de 200x) da superfície de um corpo de fibra individual exemplificativo da presente invenção antes da mistura em uma mistura de concreto (que conteria agregados finos e grosseiros) , e a Figura 9 mostra a fibra após a mistura; A Figura 10 é uma ampliação microfotográfica (a uma ampliação de 900x) da superfície de um corpo de fibra individual exemplificativo da presente invenção antes da mistura em uma mistura de concreto (que conteria agregados finos e grosseiros) , e a Figura 11 mostra a fibra após a mistura; A Figura 12 é uma ampliação microfotográfica (a uma ampliação de 900x) de uma fibra do ESTADO DA TÉCNICA mecanicamente achatada de acordo com a patente norte- americana 6.197.423; A Figura 13 é uma representação gráfica do comportamento de carga de tração versus deformação de diferentes fibras; A Figura 14 é uma representação gráfica do comportamento de tensão de tração versus deformação de diferentes fibras; A Figura 15 é uma fotografia de um dispositivo de divisão em cunha para teste de carga em materiais de matriz de cimento contendo fibras poliméricas de reforço; A Figura 16 é uma representação gráfica do comportamento de tensão versus deslocamento da abertura de boca de rachadura de diferentes fibras; e A Figura 17 é uma curva de tensão versus deformação típica de um material para fins de ilustração dos princípios aqui discutidos.

DESCRICÃO DAS MODALIDADES PREFERIDAS DA INVENÇÃO

Os presentes inventores acreditam que as fibras poliméricas de reforço da presente invenção possam ser usadas em várias composições e materiais e estruturas feitos com elas. 0 termo "materiais de matriz", portanto, pretende incluir uma ampla gama de materiais que possam ser reforçados pelas fibras. Esses incluem adesivos, asfalto, materiais compósitos (por exemplo, resinas), plásticos, elastômeros, como borracha e outros, e estruturas feitas com eles.

Materiais de matriz preferidos da invenção incluem composições de cimento hidratáveis, como concreto de mistura pronta, concreto pré-vazado, argamassa e concreto de construção, gunita, concreto betuminoso, composições a base de gesso (como composições para revestimento de paredes), composições à prova de fogo à base de gesso e/ou cimento Portland (para placas e aplicação por pulverização), membranas e revestimentos à prova de água, e outras composições de cimento hidratáveis, em forma de mistura seca ou úmida. A principal ênfase é dada ao reforço de concreto estrutural (por exemplo, concreto de mistura pronta, gunita). Entretanto, em geral, o concreto (quer vertido, vazado ou pulverizado) é um material extremamente quebradiço que apresenta desafios em termos de colocação de fibras de reforço que (1) possam ser introduzidas com sucesso e misturadas nesse material de matriz e (2) possam conferir resistência de ligação mediando rachaduras à estrutura de concreto reforçada com fibras resultante.

Antes de uma discussão detalhada dos vários desenhos acima mencionados e de modalidades exemplificativas adicionais da invenção, uma breve discussão de definições será útil para facilitar um entendimento mais profundo das vantagens e benefícios da invenção. Como as fibras da invenção são consideradas para uso na parte pastosa de um "cimento" ou "concreto" úmido hidratável (termos que podem ser às vezes usados de maneira intercambiável aqui), é útil discutir preliminarmente as definições de "cimento" e "concreto".

Os termos "pasta", "argamassa" e "concreto" são termos da técnica: pastas são misturas compostas por um aglutinante de cimento hidratável (normalmente, nas não exclusivamente, cimento Portland, cimento de construção ou cimento de argamassa, e também podem incluir calcário, cal hidratada, poeira de cinzas, escória de alto forno, pozolanos e sílica fumada ou outros materiais comumente incluídos nesses cimentos) e água; argamassas são pastas incluindo, além disso, agregado fino (por exemplo, areia); e concretos são argamassas, incluindo, além disso, agregado grosseiro (por exemplo, cascalho, pedras). Composições de "cimento" da invenção referem-se e incluem, portanto, todas as precedentes. Por exemplo, uma composição de cimento pode ser formada misturando-se quantidades requeridas de certos materiais, por exemplo, aglutinante de cimento hidratável, água e agregado fino e/ou grosseiro, conforme desejado, com fibras conforme aqui descritas.

Fibras poliméricas sintéticas da invenção compreendem pelo menos um polímero selecionado no grupo que consiste em polietileno (incluindo polietileno de alta densidade, polietileno de baixa densidade e polietileno de peso molecular ultra alto), polipropileno, polioximetileno, poli(fluoreto de vinilideno), poli(metil penteno), poli(etileno-clorotrifluoroetileno), poli(fluoreto de vinila), poli(oxido de etileno), poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno), poliamida, polibuteno e polímeros de cristal líquido termotrópico. Um polímero sintético preferido é o polipropileno. Corpos de fibra individuais exemplificativos da invenção podem compreender 100% de polipropileno ou, como outro exemplo, podem compreender, predominantemente, polipropileno (por exemplo, pelo menos 70 - 99%), com o restante compreendendo outro polímero (como polietileno de alta densidade, polietileno de baixa densidade) ou cargas opcionais, auxiliares de processamento e/ou agentes umectantes, como os convencionalmente usados na fabricação de fibras poliméricas. O peso molecular do polímero ou polímeros deve ser escolhido de modo que o polímero seja processável em fusão.

Para polipropileno e polietileno, por exemplo, o peso molecular médio pode ser de 5.000 a 499.000 e está, mais preferivelmente, entre 100.000 e 300.000. Diferentes tipos de polietileno podem ser usados, incluindo aqueles contendo ramificações e co-monômeros como buteno, hexeno e octeno, e também incluindo os chamados materiais de polietileno "metalocenos". Se for usado polímero de polipropileno, é preferível que no máximo cerca de 3 0 por cento em peso de unidades co-monoméricas polimerizadas ou resinas misturadas estejam presentes para manter uma operação de processo suave, com até cerca de 10% sendo preferível. Resinas homopoliméricas de propileno são as mais preferidas, com resinas de uso geral na faixa de fluxo em fusão nominal de cerca de 1 a cerca de 40 gramas/10 minutos (ASTM D2497 1995) . Resinas preferidas também têm razões de peso molecular médio ponderado para peso molecular médio aritmético de cerca de 2:1 a cerca de 7:1. A Fig. 1 é uma vista em seção transversal, originalmente tomada a uma ampliação de cerca de 100x, de uma fibra de polipropileno do ESTADO DA TÉCNICA com uma seção transversal elíptica, com dimensões de 0,96 mm de largura e 0,63 mm de espessura. A largura está próxima da espessura, e a fibra pode ser torcida quase igualmente bem em todas as direções em torno de seu eixo longitudinal. A Fig. 2 é uma vista em seção transversal, originalmente tomada a uma ampliação de cerca de lOOx, de uma fibra de formato elíptico (ou oval) do ESTADO DA TÉCNICA, feita com poliacetato de vinil, com 0,78 mm de largura e 0,42 mm de espessura. A Fig. 3 é uma vista em seção transversal, originalmente tomada a uma ampliação de cerca de lOOx, de uma fibra fibrilável do ESTADO DA TÉCNICA, comercialmente disponível sob o nome comercial GRACE® Structural Fibers.

Essa fibra é projetada para fibrilar ou romper em fibrilas menores quando misturada com concreto. 0 perfil de seção transversal se assemelha a um amendoim de três lobos. A Fig. 4 é uma vista em seção transversal, originalmente tomada a uma ampliação de cerca de lOOx, de um corpo de fibra individual exemplificativo da presente invenção. O perfil em seção transversal genericamente quadrilateral é evidente, pelo fato de quatro lados poderem ser discernidos, embora o lado direito pequeno não seja completamente reto. O formato quadrilateral podería ser caracterizado mais precisamente como de natureza trapezoidal, porque o par mais longo de lados (que definem a largura) é genericamente paralelo, ao passo que os dois lados menores formam um ligeiro ângulo com relação aos lados mais longos e entre si. Os inventores acreditam que, quando esses corpos de fibra individuais são cortados de uma folha maior usando-se lâminas de corte, o ângulo ou atitude das lâminas possa definir se os lados menores terão um ângulo, como em um trapézio (em que os dois lados menores têm ângulos diferentes) ; um paralelogramo (em que os dois lados menores, além dos dois lados maiores, serão paralelos entre si) ou retângulo (lados opostos são iguais, e os ângulos são todos de cerca de 90 graus). 0 termo "quadrilateral" ou "geralmente quadrilateral", conforme aqui usado, significa e se refere a um perfil de seção transversal que tem quatro lados, dos quais pelo menos dois são genericamente paralelos entre si e definem a dimensão de largura da fibra. Os dois lados ou faces mais curtas (que definem, portanto, o aspecto de espessura da fibra) podem ou não ser paralelos entre si. Os dois lados ou faces mais curtas podem nem ser retos, mas poderíam assumir, por exemplo, um formato côncavo ou convexo, se as fibras forem extrudadas como corpos separados, em vez de serem cortadas de uma folha. A Fig. 5 é uma vista em seção transversal parcial, originalmente tomada a uma ampliação de cerca de 200x, de um corpo de fibra individual exemplificativo da presente invenção, com 0,19 mm de espessura medida. Nessa microfotografia ampliada, o lado pequeno é geralmente perpendicular aos dois lados mais longos (que estão afastados 0,19 mm), mas há uma leve imperfeição nos cantos.

Embora cantos mais afiados sejam preferidos, porque os presentes inventores acreditam que diminuam o entrelaçamento de fibra a fibra, algum arredondamento ou imperfeição devida ao processo de fabricação deva ser esperada. A Fig. 6 é uma vista, originalmente a uma ampliação de cerca de 25x, da superfície externa de um corpo de fibra individual exemplificativo da presente invenção.

Fibras exemplificativas são substancialmente não fibriláveis quando misturadas e dispersadas de maneira substancialmente uniforme em concreto. Portanto, não há substancialmente qualquer fratura de tensão ou descontinuidade vista na superfície polimérica relativamente lisa da fibra, embora algumas marcas e imperfeições superficiais devidas ao processo de extrusão e/ou processo de corte sejam vistas com ampliação. Os presentes inventores acreditam que a introdução em concreto de corpos de fibra individual que não sejam mecanicamente achatadas (a ponto de terem microfraturas de tensão por toda a superfície) e que não sejam fibriláveis (redutíveis a fibrilas ainda menores quando submetidas à agitação mecânica no concreto) gere uma dispersão e características de reforço mais uniformes; devido às razões uniformes de área de superfície da fibra para volume da fibra e à integridade estrutural de fibra a fibra. Além disso, a superfície das fibras da invenção, ao serem submetidas à agitação mecânica dentro do concreto contendo agregado, atingirá uma aspereza de superfície desejável, que facilitará a ligação das fibras dentro da matriz de concreto quando o concreto for solidificado. A Fig. 7 é uma vista a uma ampliação de 2 5x da fibra da Fig. 6 após ter sido misturada no concreto durante cinco minutos a 25 rpm em um misturador de eixo duplo (e removido para fins de ilustração aqui). Embora a superfície da fibra permaneça substancialmente livre de microfaturas de tensão (por exemplo, rachaduras), experimentará alguma aspereza e opacidade aumentada devido ao efeito do agregado na mistura de concreto. A uma ampliação de 200x, conforme mostrado na Fig. 8, a superfície da fibra, antes de ser introduzida no concreto, é substancialmente livre de deformidades, as únicas características percebidas nesse nível de ampliação sendo leves marcas e imperfeições devidas ao processo de extrusão usado para preparar a folha da qual as fibras individuais são cortadas. Após ser dispersada de maneira substancialmente uniforme em uma mistura de concreto, a fibra, conforme mostrada na mesma ampliação de 20 0x na Fig. 9, não demonstra fraturas de tensão ou fibrilação substanciais. Entretanto, uma aspereza de superfície desejável é discernível quando vista a esse nível de ampliação. Da mesma forma, como o material polimérico das fibras da presente invenção é altamente orientado, não é incomum que, em ampliações mais elevadas, sejam evidentes alguns pequenos fios destacando-se do corpo da fibra, mas isso pode ser atribuído à separação de pedaços moleculares entre si, ou, de outra forma, as imperfeições ou as raspas, e não constitui fibrilação substancial, em que o corpo de fibra se divide era unidades de fibrilas menores.

As superfícies das fibras poliméricas das Figuras 10 a 12 foram todas fotografadas a uma ampliação de cerca de 900x e evidenciam grandes diferenças entre fibras exemplificativas da presente invenção (Figuras 10 e 11) e uma fibra mecanicamente achatada do ESTADO DA TÉCNICA (conforme mostrado na Fig. 12). As Figuras 10 e 11 mostram a superfície da fibra, respectivamente, antes e depois de ser misturada em concreto úmido usando um misturador de eixo duplo (com lâminas contra-rotativas) para atingir uma dispersão substancialmente uniforme das fibras no concreto.

As marcas de extrusão, que são vistas na Fig. 10, se tornam desejavelmente ásperas, conforme mostrado na Fig. 11, mas sem fraturas de tensão substanciais ou descontinuidades sub- superficiais. Mesmo após serem misturadas no concreto (que contém areia e agregado grosseiro, como pedras trituradas ou cascalho), a superfície da fibra da presente invenção (Fig. 11) não desenvolve uma morfologia de microfraturas de tensão (por exemplo, descontinuidades em nervura), conforme visto na fibras mecanicamente achatada do ESTADO DA TÉCNICA (Fig. 12) , mas, todavia, é capaz de apresentas uma superfície desejavelmente áspera e integridade global, assim como apresentar características de dobramento desejáveis para atingir a dispersão de uma pluralidade de corpos de fibra individuais dentro da matriz de concreto.

Conforme aqui usado e acima, os termos "pluralidade" de "corpos de fibra individuais" referem-se a situações em que inúmeras fibras que sejam idênticas em termos de teor de material, dimensões físicas e propriedades físicas são introduzidas no material de matriz. Corpos de fibra exemplificativos da invenção são substancialmente livres de fraturas de tensão superficiais e substancialmente não fibriláveis quando mecanicamente agitadas dentro do material de matriz a ser reforçado, e têm um perfil em seção transversal genericamente quadrilateral ao longo do comprimento alongado, em que: a largura média é de 1,0 a 5,0 mm e, mais preferivelmente, de 1,3 a 2,5 mm; a espessura média é de 0,1 a 0,3 mm e, mais preferivelmente, de 0,05 a 0,25 mm; e, o comprimento médio é de 20 a 100 mm.

Em modalidades preferidas, a largura de fibra média deve exceder a espessura de fibra média em pelo menos 5:1, mas não mais que 50:1, e, mais preferivelmente, a razão de largura para espessura (para fibras com um comprimento médio de 20 a 100 mm) é de 5 a 20 (5:1 a 20:1) .

Em modalidades exemplificativas adicionais da invenção, uma primeira pluralidade de fibras individuais pode ser misturada com uma segunda pluralidade de corpos de fibra individuais (isto é, compreendendo diferentes materiais, diferentes dimensões físicas e/ou diferentes propriedades físicas em comparação com a primeira pluralidade de fibras) para modificar a composição de matriz. O uso de pluralidades adicionais de fibras, com diferentes propriedades, é conhecido na técnica. Misturas híbridas de fibras são apresentadas, por exemplo, na patente norte-americana 6.071.613 de Rieder e Berke, e esse uso de misturas híbridas pode também ser usado em associação com as fibras da presente invenção. Por exemplo, uma primeira pluralidade de fibras pode compreender material polimérico com geometria, dimensões, capacidade de suportar carga mínima e capacidade de dobramento conforme ensinado pela presente invenção, ao passo que uma segunda pluralidade de fibras pode compreender outro material, como aço, vidro, carbono ou material compósito. Como outro exemplo, uma primeira pluralidade de fibras pode ter uma característica de dobramento e/ou dimensão física particular (em termos de largura, espessura ou comprimento médio), ao passo que uma segunda pluralidade de fibras pode compreender materiais poliméricos idênticos ou similares e empregar uma diferente característica de dobramento e/ou dimensão (dimensões) física(s).

Pluralidades de fibras exemplificativas, conforme consideradas pela presente invenção, podem ser fornecidas em uma forma em que estejam embaladas ou conectadas entre si (como com o uso de um saco, invólucro periférico, revestimento, adesivo, ou por corte ou marcação parcial de uma folha polimérica precursora, e outros). Entretanto, conforme previamente discutido acima, "corpos de fibra individuais" da invenção são definidos como estando eles mesmos separados de outros corpos de fibra ou como sendo separáveis de outras fibras quando misturados no concreto.

Assim, pode-se dizer que fibras exemplificativas da invenção compreendem uma pluralidade de corpos de fibra individual; em que os corpos de fibra individual estão separados entre si ou em que os corpos de fibra individual estão conectados ou parcialmente conectados entre si, mas capazes de se tornarem separados após a introdução na e mistura com a composição de matriz (ao ponto de uma dispersão substancialmente uniforme).

Os presentes inventores acreditam que a capacidade de dobramento de fibras poliméricas individuais possa ser controlada com maior precisão, em parte, com o uso do perfil de seção transversal genericamente quadrilateral. Os presentes inventores buscaram evitar uma flexibilidade excessiva, com o qual as fibras ficam enroladas a outras fibras (ou a si mesmas) , de modo que surgisse a formação de bolas de fibras. Também buscaram evitar uma rigidez extrema, que freqüentemente se associa à resistência, porque isso também pode levar a uma "formação de bola" de fibras indesejável. Uma flexibilidade que seja alta demais (como no cabelo humano molhado) pode ser tão problemática quanto a rigidez (como no jogo de "pega varetas" para crianças), porque o auto-entrelaçamento pode surgir em qualquer caso.

Um alto grau de formação de bolas de fibras ou entrelaçamento significa que uma dispersão substancialmente uniforme não foi atingida no material de matriz; e isso, por sua vez, significa que a dosagem de fibras será inadequada e que as propriedades materiais do material reforçado com fibras estarão sujeitas a uma variação significativa.

Os presentes inventores acreditam que, para as melhores propriedades de dispersão, a capacidade de dobramento precisa ser suficientemente alta para minimizar a transferência de tensão entre as outras fibras. Para se conseguir isso, os inventores acreditaram que alterações no formato e tamanho da fibra e no módulo elástico das fibras deveríam ser levadas em consideração. Por exemplo, um menor módulo elástico aumentará a capacidade de dobramento da fibra, se o formato e o tamanho de sua seção transversal permanecer constante. Por outro lado, os inventores também acreditam que é necessário considerar o módulo elástico do material de matriz a ser reforçado. Para fibras de polipropileno, o módulo elástico está na faixa de 2 a 10 Giga Pascal; e para um material de matriz como concreto (quando endurecido), o módulo elástico está na faixa de 20 a 30 Giga Pascal, dependendo do projeto de mistura usado. Os presentes inventores acreditam que, para melhorar as propriedades do material de matriz (concreto endurecido), particularmente em pequenas aberturas ou deflexões de rachaduras, o módulo elástico da fibra deve ser, de preferência, pelo menos tão elevado quanto o módulo elástico do material de matriz (concreto endurecido). Conforme acima mencionado, um aumento no módulo elástico normalmente significa uma diminuição na capacidade de dobramento, o que tem um impacto negativo sobre as propriedades de dispersão da pluralidade de fibras. Assim, para manter a capacidade de dobramento alta, os presentes inventores escolheram modificar tanto o formato, quanto a área de seção transversal dos corpos de fibra individuais. Testes de fratura de espécimes de concreto contendo as fibras indicaram que uma capacidade de suportar carga mínima sob tensão (e não tensão à tração mínima) das fibras é necessária para transferir tensões significativas através de uma seção rachada de concreto. Isso também ajuda a manter o número de fibras por unidade de volume de concreto baixo, e essa exigência de dosagem diminuída tem um efeito positivo em termos de melhora da processabilidade do concreto reforçado com fibras fresco. É um fato bem conhecido que microfibras (com diâmetros de 20 a 60 micrômetros) que sejam adicionadas a concreto para controle de rachaduras por contração plástica (em vez de reforço estrutural, por exemplo) não podem ser adicionadas em grandes volumes devido ao elevado número de fibras por unidade de peso (por exemplo, elevada área de superfície). Taxas de dosagem típicas para essas fibras variam de 0,3 kg/m3 a 1,8 kg/m3 (0,033% em volume a 0,2% em volume). Fibras adicionadas a essas baixas taxas de dosagem não têm um efeito significativo sobre as propriedades endurecidas do concreto.

Fibras que se supõe que tenham um efeito sobre as propriedades endurecidas do concreto precisam ser adicionadas em volumes maiores, devido âs tensões significativamente mais altas que precisam ser transferidas através de seções de concreto rachadas.

De maneira ideal, os presentes inventores acreditam que fibras, usadas em uma estrutura de concreto que seja rachada, proporcionam um equilíbrio entre a fixação no concreto e o arrancamento do concreto. Em outras palavras, cerca de metade das fibras que se estendem através da rachadura devem operar sendo arrancadas do concreto, ao passo que a outra metade das fibras que estendem através da rachadura deve se romper inteiramente, no ponto em que a estrutura de concreto se torna completamente separada na rachadura. Assim, fibras exemplificativas da presente invenção são projetadas com dimensões físicas particulares, que combinam capacidade de dispersão com tenacidade para a finalidade em questão.

Um processo exemplificativo para fabricação de fibras da invenção compreende: a extrusão em fusão de um material polimérico sintético (por exemplo, polipropileno, mistura de polipropileno-polietileno) através de uma matriz para formar uma folha; o resfriamento da folha polimérica extrudada (como com o uso de um rolo de captação resfriador, passagem da folha através de um banho de resfriamento e/ou uso de um ventilador de resfriamento); o corte da folha para fornecer fibras individuais separadas (como puxando a folha através de lâminas metálicas ou facas rotativas), com o que se obtém um perfil de seção transversal genericamente quadrilateral (de preferência com as dimensões de largura e espessura médias conforme descritas em maiores detalhes acima); o estiramento do polímero na direção longitudinal das fibras por um fator de pelo menos 10 a 2 0 e, mais preferivelmente, por um fator de 12 a 16. Após as etapas de estiramento e corte, as fibras individuais podem ser cortadas para formar corpos individuais com comprimentos médios de 20 a 100 mm. Assim, corpos de fibras individuais exemplificativos da invenção terão corpos alongados, compreendendo um ou mais polímeros sintéticos, com uma orientação (razão de estiramento) na direção do comprimento dos corpos de fibra (uma orientação longitudinal) de pelo menos 10 a 20 e, mais preferivelmente, de 12 a 16.

Um processo exemplificativo adicional para a fabricação das fibras com seções transversais genericamente quadrilaterais compreende a extrusão do polímero ou material polimérico através de um orifício de matriz com quatro cantos e formato de estrela, o estiramento das fibras extrudadas por um fator de 10 a 20 (e, mais preferivelmente, por um fator de 12 a 16) , e o corte das fibras estiradas em comprimentos de 20 a 100 mm. Em ainda outras modalidades exemplificativas, fibras com formatos redondos ou elípticos podem ser extrudadas e, enquanto ainda a uma alta temperatura, ser introduzidas entre rolos (que podem ser opcionalmente aquecidos) para achatar as fibras em um formato genericamente quadrilateral (embora, nesse caso, as faces menores das fibras possam ter um formato ligeiramente arqueado ou convexo).

Além das modalidades de corpos de fibra acima mencionados, são possíveis ainda outras modalidades de fibras exemplificativas. Por exemplo, corpos de fibra individual podem ter uma variabilidade de espessura e/ou largura ao longo do comprimento do corpo de fibra individual de um desvio de pelo menos 2,5 por cento (e, mais preferivelmente, um desvio de pelo menos 5,0) e, de preferência, um desvio de no máximo 25 por cento da média (espessura e/ou largura). Por exemplo, pode ser possível, durante o corte da folha de polímero, que as lâminas sejam movidas para frente e para trás, de modo que a largura das fibras possa ser variada ao longo do comprimento de 20 a 100 mm dos corpos de fibra individual.

Em modalidades exemplificativas adicionais, corpos de fibra individuais podem compreender pelo menos dois polímeros sintéticos, um dos pelo menos dois polímeros sintéticos compreendendo um polímero solúvel alcalino disposto na superfície externa da fibra, sendo, dessa forma, operacional para se dissolver quando os corpos de fibra são misturados no ambiente alcalino de uma mistura de concreto úmida. Alternativamente, corpos de fibra individuais podem ser revestidos com um polímero solúvel alcalino. Quando dissolvida no ambiente alcalino de uma mistura de concreto úmida, a superfície externa da fibra podería ser aumentada para um melhor travamento com o concreto quando endurecido.

Um material polimérico solúvel alcalino (alto pH) adequado para uso na presente invenção poderia compreender, por exemplo, polímeros de ácidos carboxílicos insaturados.

Fibras exemplificativas da invenção também podem ser embaladas com uma ou mais misturas, conforme se sabe na técnica do concreto. Misturas exemplificativas incluem super-plastificantes, redutores de água, carreadores de ar, descarreadores de ar, inibidores da corrosão, aceleradores de pega, retardadores de pega, misturas redutoras da contração, poeira de cinzas, sílica fumada, pigmentos ou suas misturas. A uma ou mais misturas podem ser selecionadas, por exemplo, na patente norte-americana 5.203.692 de Valle et al., aqui incorporada por referência.

As fibras também podem ser revestidas com agentes umectantes ou outros materiais de revestimento que possam ser conhecidos por aqueles versados na indústria do concreto.

Características e vantagens adicionais das fibras exemplificativas, composições de matriz e processos da invenção podem ser ilustradas com referência aos exemplos a seguir. EXEMPLO 1 (ESTADO DA TÉCNICA) Fibras da técnica anterior com uma seção transversal de forma elíptica foram testadas em termos de capacidade de dobramento e capacidade de dispersão em uma mistura de concreto. Essas fibras elípticas tinham 50 mm de comprimento, 1,14 mm de largura, 0,44 mm de espessura e tinham um módulo de elasticidade de Young de 4 Giga Pascal.

Pode-se empregar a fórmula de "capacidade de dobramento" acima discutida, em que a "capacidade de dobramento" foi computada como B = l/(3.E.I), e o momento de inércia "I" para elipses é calculado pela fórmula IeiiPse = Pi/64*a«b3, em que "a" é a metade da largura da fibra elíptica (eixo maior da elipse, isto é, dimensão mais larga através do centro), e "b" é a metade da espessura da fibra elíptica (eixo menor da elipse, isto é, dimensão mais estreita através do ponto central da elipse). A deflexão ao dobramento "B" foi computada como sendo de 17,5 mN'1*m'2. Essa fibra é considerada uma fibra "rígida". Foram necessários 30 minutos para introduzir 45 quilogramas (100 libras) dessas fibras elípticas em 6 metros cúbicos (8 jardas cúbicas) de concreto. 0 concreto se encontrava no tambor de um caminhão de mistura pronta e foi girado a 15 revoluções por minuto (rpm). Observou-se uma formação excessiva de bolas de fibras. As fibras elípticas não se dispersaram nesse concreto. EXEMPLO 2 Em contraste co as fibras elípticas da técnica anterior do Exemplo 1, usaram-se fibras com uma seção transversal genericamente quadrilateral. Essas fibras quadrilaterais tinham as seguintes dimensões médias: 50 mm de comprimento, 1,35 mm de largura, e 0,2 mm de espessura com um módulo de elasticidade de Young de 9 Giga Pascal. A capacidade de dobramento "B" dessas fibras foi computada de acordo com a fórmula B = 1/ (3·Ε·Ι) , em que o momento de inércia "I" para seção transversal retangular foi computado de acordo com a fórmula Iretânguio = l/l2.w.t3, em que "w" é a largura média, e "t" é a espessura média do retângulo.

Usando-se a equação, a capacidade de dobramento "B" foi computada como 41,2 mN'1*m'2. Essa fibra é considerada uma fibra flexível. Quando 45 quilogramas (100 libras) dessas fibras foram introduzidos em 6 metros cúbicos (8 jardas cúbicas) de concreto, localizado no tambor de um caminhão de mistura pronta, e girados à mesma taxa que no Exemplo 1, conseguiu-se uma distribuição homogênea de fibras em apenas 5 minutos. Não se observou nenhuma formação de bolas. EXEMPLO 3 As propriedades mecânicas das próprias fibras têm um enorme impacto sobre o comportamento das fibras no concreto, se houver suficiente ligação entre a fibra e a matriz de concreto quebradiça. Se as fibras não se ligarem bem à matriz (por exemplo, o arrancamento de fibras é o principal mecanismo de falha de fibras observado quando o concreto reforçado com fibras é quebrado), então, as propriedades da fibra terão um impacto mínimo sobre o comportamento do material compósito. Conforme anteriormente mencionado, devido à geometria da fibra e às faixas dimensionais selecionadas na invenção pelos presentes inventores, pode-se conseguir uma adesão de ligação suficiente entre o material de matriz (quando endurecido) e as fibras para se obter, de maneira ideal, metade de falhas de fibras (rompimento) e metade de arrancamento de fibras.

Conseqüentemente, as propriedades das fibras, como módulo elástico de elasticidade, resistência à tração e capacidade de suportar carga mínima, foram selecionadas para se obter tão próximo quanto possível o equilíbrio ideal de 50:50 entre a falha por arrancamento de fibras e a falha das fibras. As propriedades mecânicas ótimas das fibras serão altamente dependentes da resistência da matriz: uma matriz de resistência mais elevada requererá uma fibra com um módulo elástico mais elevado, uma resistência à tração mais elevada e uma capacidade de suportar carga mínima mais elevada.

Todos os testes mecânicos realizados com a própria fibra têm de ser feitos em tensão direta (isto é, na direção longitudinal) , que é também o modo pelo qual as fibras falham quando incrutadas em concreto endurecido. (Máquinas comercialmente disponíveis para esses testes são disponíveis em fontes conhecidas, como Instron ou Material Testing Systems) . Para esses testes mecânicos, um filamento de fibra, normalmente de 100 mm de comprimento, é fixado em ambas as extremidades com garras especiais para fios de fibras que não permitem que a fibra deslize. A fibra é ligeiramente pré-estirada (menos de 2 Newtons de carga são medidos). Uma célula de carga mede a carga de tração enquanto a fibra está sendo puxada a uma taxa constante.

Taxas típicas de carregamento variam de 25 mm/min a 60 mm/min. A tensão é medida usando-se um extensômetro, que é preso â amostra. A deformação é definida como a alteração de comprimento divida pelo comprimento inicial (também chamado de comprimento de calibre) multiplicado por 100 e é registrada em termos de porcentagem. O calibre inicial para as medições foi estabelecido em 50 mm. A Fig. 13 mostra várias curvas de carga versus deformação de fibras com diferentes áreas de seção transversal. Fibras com o número 1 são mais finas que fibras com o número 2. As letras "A", "B" e "C" estão relacionadas à largura das fibras: "A" é a fibra com a menor largura, ao passo que "C" é a fibra com a maior largura.

Conseqüent emente, a fibra com a menor área de seção transversal é a fibra "IA", ao passo que a fibra com a maior seção transversal é a fibra "2C" .

Essas curvas fornecidas neste exemplo mostram que uma fibra com uma pequena área de seção transversal tem uma capacidade de suportar carga mínima muito menor que uma fibra com uma maior área de seção transversal. Corpos de fibra individuais devem ter uma capacidade de suportar carga mínima tal que uma pluralidade das fibras proporcionem cumulativamente uma capacidade de suportar carga total que exceda a tensão â tração em que o material da matriz de concreto falharia (isto é, a tensão típica na falha da matriz de concreto está em algum ponto na faixa de 2 a 5 Mega Pascal). Os inventores acreditam que uma capacidade de suportar carga mínima (em tensão) da fibra é necessária para transferir tensões eficazmente, assim como manter baixo o número de fibras individuais. Ao se manter baixo o número de fibras, pode-se manter a processabilidade do concreto fresco. EXEMPLO 4 A Fig. 14 mostra as curvas de tensão versus deformação das fibras descritas no exemplo precedente. "Tensão" é definida como a carga dividida pela área de seção transversal da fibra. A inclinação da parte inicial da curva ascendente é diretamente proporcional ao módulo de elasticidade do material da fibra. Conforme anteriormente mencionado, o módulo de elasticidade da fibra deve estar, de preferência, tão próximo quanto possível do módulo de elasticidade do material de matriz, de modo a transferir cargas de tração através de rachaduras na matriz imediatamente após terem sido iniciadas. Por outro lado, um módulo elástico mais elevado diminui a capacidade de dobramento (isto é, aumenta a rigidez) das fibras; os inventores descobriram que isso diminui a capacidade de dispersão das fibras em concreto úmido. Para minimizar o efeito adverso de um elevado módulo elástico sobre a capacidade de dobramento da fibra, os inventores selecionaram um perfil de seção transversal genericamente quadrilateral e selecionaram uma fibra mais fina e mais larga.

As curvas de tensão versus deformação mostradas na Fig. 14 indicam que os módulos elásticos e as resistências â tração das diferentes amostras de fibras são aproximadamente iguais (até cerca de 7% de deformação). Entretanto, conforme mostrado na Fig. 16, o uso de diferentes dimensões de seção transversal tinha um efeito profundo sobre o desempenho das diferentes amostras de fibras no concreto. EXEMPLO 5 0 efeito de diferentes geometrias das fibras, assim como de diferentes capacidades de suportar carga mínima sobre as propriedades mecânicas do concreto reforçado com fibras pode ser estudado usando-se testes de fratura. 0 princípio básico de um teste de fratura realizado com um dado material é submeter um espécime (neste caso, o concreto reforçado com fibras) a uma carga que inicie rachaduras de maneira controlada, enquanto se mede a carga aplicada e a deformação e abertura de rachadura final do espécime. Um teste adequado para o concreto é o Teste de Separação com Cunha, que se baseia em uma geometria de espécime Compacta- Tensão modificada. A preparação do teste é descrita na patente austríaca AT 390.328 B (1986), assim como na patente austríaca AT 396.997 B (1996) . A Fig. 15 representa um dispositivo de teste de separação com cunha uniaxial típico que pode ser usado para medir a carga em materiais de concreto. Um espécime de concreto em forma de cubo com entalhe repousa sobre um suporte linear (que é muito parecido com uma lâmina de faca cega dividida) com equipamento de transmissão de carga situado em um sulco retangular que se estende verticalmente para baixo penetrando na parte superior do espécime de concreto de amostra. 0 equipamento de transmissão de carga consiste em uma cunha delgada (a) e duas peças de transmissão de carga (b) com rolamentos de agulha integrados. 0 deslocamento da abertura de boca da rachadura (CMOD) é medido por dois transdutores de deslocamento eletrônicos (Transdutor Diferencial Variável Linear ou medidores "LVDT") localizados em lados opostos da rachadura.

Ambos LVDTs (d) estão montados de maneira relativamente simples em um dispositivo de medição de CMOD (c) , que é fixado ao espécime por parafusos. A rachadura se inicia no fundo do entalhe de partida e se propaga de maneira estável do entalhe de partida na parte superior da amostra de concreto até o suporte linear abaixo da amostra. Para se obter uma curva de carga versus deslocamento, os dois sensores de deslocamento de abertura de boca de rachadura, CM0D1 e CM0D2, e a carga aplicada (descendo através da cunha) são registrados simultaneamente.

Para se manter uma taxa aproximadamente constante de abertura da rachadura, o teste é realizado com uma máquina de teste rígida a uma velocidade de cruzeta constante de 0,5 mm/min a 1,0 mm/min, dependendo do ângulo da cunha. A carga de máquina aplicada, FM, o deslocamento vertical δν, e o deslocamento da abertura de boca da rachadura, CMOD, são registrados simultaneamente pelo menos a cada segundo. A energia de fratura, GF, uma medida da energia requerida para alargar a rachadura é determinada a partir de uma curva de carga-deslocamento usando-se a fórmula: em que "B" é a altura do ligamento, "W" é a largura do ligamento (B vezes W é a área de superfície da rachadura), e "Fh" é a carga de separação horizontal, que pode ser calculada usando-se a seguinte equação: em que "FM" é a carga de máquina aplicada, "mw" é a massa da cunha de separação, e "a" é o ângulo da cunha.

Como uma medida da energia para iniciar a rachadura, a taxa de liberação de energia crítica "Gic" é calculada (considerando-se a tensão do plano): em que "Kic" é o fator de intensidade de tensão crítica, que é proporcional à carga de separação máxima "FH,max" · A constante k depende da geometria do espécime e pode ser calculada por um programa de elementos finitos. 0 fator de tensão "Ki" é definido da seguinte maneira: em que "FH" é a carga horizontal medida durante a fratura do espécime. 0 fator de tensão é independente do tamanho do espécime, podendo ser usado para comparar o comportamento de diferentes espécimes e materiais. 0 efeito da fibra sobre as propriedades mecânicas do material compósito pode ser observada após iniciada uma rachadura. A Fig. 16 mostra o comportamento de tensão versus abertura de rachadura de diferentes geometrias de fibras e materiais de fibras. Quanto maior a área sob a curva, mais energia o material compósito pode absorver enquanto está sendo rompido. Esse fenômeno também é chamado de "enrijecimento" de um material. Quanto mais elevada a "tenacidade" de um material com uma determinada dosagem de fibras (% em volume), mais alta é a resistência à propagação de rachaduras do material. Se uma determinada fibra atingir uma tenacidade similar a uma dosagem mais baixa, em comparação com outras fibras, então, essa fibra será considerada uma fibra de reforço mais eficaz. A Fig. 16 mostra que fibras planas substancialmente não fibriláveis da presente invenção são muito mais eficazes, quando comparadas ao desempenho de fibras fibriláveis de dimensões similares (quando inicialmente introduzidas no concreto) e dosagem similar. A

Fig. 16 também demonstra que o desempenho de uma fibra plana de PVA (usada a uma taxa de dosagem 25% mais elevada) , com relação à resistência à propagação de pequenas aberturas de rachadura, é ligeiramente melhor que o de outras fibras.

Entretanto, a aberturas de rachadura maiores, as fibras planas exemplificativas da presente invenção tiveram um desempenho claramente superior ao da fibra de PVA na resistência à deformações mais elevadas.

Modalidades exemplificativas adicionais da invenção apresentam fibras sintéticas e materiais de matriz compreendendo essas fibras que são particularmente adequados para manter um acabamento liso quando incrustadas em materiais de matriz, como concreto. Com relação a isso, os inventores acreditam que a capacidade de dobramento das fibras seja uma característica importante para se obter a capacidade de acabamento. Fibras que não são suficientemente flexíveis tendem a saltar de novo após o acabador de concreto ter tentado alisar (acabar) a superfície de concreto.

Os inventores acreditam que a capacidade de acabamento seja função da capacidade de dobramento e do comprimento da fibra. Para se obter o mesmo tipo de capacidade de acabamento (em que as fibras não saltem de uma superfície de concreto alisada), fibras mais longas precisam ser mais flexíveis (isto é, têm de ter uma capacidade de dobramento mais elevada) do que fibras mais curtas.

Por exemplo, pode-se observar que uma fibra que tenha 40 mm de comprimento, 0,105 mm de espessura e 1,4 mm de largura (com um módulo de Young de 9,5 GPa) tem boas propriedades de dispersão e excelentes características de capacidade de acabamento. Fibras com um comprimento de 40 mm, uma espessura de 0,14 mm e uma largura de 1,4 mm (com um módulo de Young de 9,5 GPa) mostram propriedades de dispersão aceitáveis (por exemplo, algumas poucas bolas de fibras por caminhão, quando adicionadas da mesma maneira que a fibra mais dobrável anterior), mas não tiveram um acabamento tão bom quanto à fibra acima mencionada. Quando fibras similares, com um comprimento de 50 mm, são adicionadas a um caminha de mistura pronta de concreto, mais fibras saltando da superfície podem ser vistas, a despeito de terem a mesma capacidade de dobramento.

Os presentes inventores descobriram, portanto, que fibras exemplificativas como as descritas podem ter excelentes propriedades de tenacidade a diferentes níveis de resistência â compressão. Por exemplo, com 0,5% ou 4,6 kg/m3 de fibras, um valor de Re,3 de mais de 50% pode ser atingido com uma faixa de resistência à compressão do concreto entre 10 e 3 5 MPa, o que é adequado para pisos (medida de acordo com ASTM C 1018 (1997) ou JCI-SF 4 em uma viga de 150 por 150 por 500 mm3) . Incidentalmente, o valor Re,3 representa o fator de ductilidade de uma amostra de concreto reforçada com fibras (por exemplo, viga) , e este pode ser calculado como uma razão da resistência â flexão equivalente (medida após a primeira rachadura e a uma deflexão de 3 mm, em que as fibras estejam mediando a rachadura) dividida pela resistência à flexão original da viga (primeira resistência a rachaduras) . Veja ASTM C 1018 (1997) . Verificou-se que o valor Re,3/ para uma dada dosagem de fibras, dependia da resistência da matriz de concreto, particularmente concreto de resistência mais elevada (por exemplo, na faixa cima de 35 MPa). A seção transversal da fibra foi, então, aumentada, de modo que a resistência â tração fosse aumentada enquanto era mantida uma capacidade de dobramento adequada para bom acabamento e dispersão. Os inventores conseguiram isso aumentando a largura e reduzindo a espessura. 0 comprimento da fibra também foi ajustado para maximizar o valor Re,3- Os inventores também descobriram que em gunita de mistura seca, uma fibra mais dobrável tinha um valor de ressalto menor em comparação com uma fibra menos dobrável.

Em outras palavras, o impacto do material pulverizado não saltava (isto é, ressaltava) da superfície que estava sendo pulverizada.

Além disso, os inventores acreditam que o comprimento e a capacidade de dobramento de fibras afetam grandemente a capacidade de acabamento de pisos de concreto.

Fibras mais longas com o mesmo índice de capacidade de dobramento não tinham uma capacidade de acabamento igual a fibras mais curtas (isto é, tendiam a saltar mais da superfície de concreto após ter sido alisada). Acredita-se que a quantidade de fibras "saltadas" esteja diretamente relacionada à quantidade de energia elástica armazenada na fibra que está sendo empurrada para baixo ou para dentro da superfície do concreto pelo movimento de alisamento da pessoa que está fazendo o acabamento. Quanto maior a energia necessária para empurrar as fibras para dentro da superfície de concreto, mais provável é que as fibras saltem novamente.

Considerando-se essa relação, os inventores perceberam que a energia elástica armazenada depende parcialmente do nível de restrição ao dobramento imposto â fibra por partes incrustadas no material de concreto, parcialmente do comprimento exposto das fibras projetando-se da superfície do concreto e parcialmente da capacidade de dobramento das fibras.

Portanto, os inventores presumem que fibras mais longas tenderão, em média, a ter partes maiores de seu comprimento incrutado na massa de concreto, criando, dessa forma, maiores restrições no ponto de dobramento. Essa maior restrição tenderá a aumentar a energia elástica armazenada na fibra durante o processo de acabamento; e isso, por sua vez, tenderá a aumentar a incidência de fibras que saltam da superfície acabada. Entretanto, no caso de fibras mais curtas com a mesma capacidade de dobramento, o comprimento incrustado provavelmente será menor em média e, portanto, menos restrição seria imposta no ponto de dobramento.

Conseqüentemente, a menor quantidade de energia elástica armazenada em fibras mais curtas torna menos provável que as fibras saltem da superfície do concreto. Em outras palavras, fibras mais curtas tendem a ser arrastadas, e se movem com a espátula de pedreiro ou outro dispositivo de acabamento de superfície, mais facilmente na superfície de concreto que esteja sendo submetida a um acabamento de concreto; e, se acredita que isso seja devido à menor restrição às fibras mais curtas, fazendo com que a fibra se deite com menos energia de dobramento elástica armazenada na fibra.

Conseqüentemente, para se conseguir uma capacidade de acabamento similar, a fibra mais longa precisará ter uma maior capacidade de dobramento para minimizar a energia elástica armazenada na fibra, o que, de outra forma, tenderá a forçar as fibras a se projetarem da superfície de concreto acabada. O módulo de elasticidade, também chamado de Módulo de Young, é a constante que relaciona a tensão e a deformação para um material linearmente elástico. Em termos práticos, o módulo de elasticidade é uma medida da rigidez de um material. Quanto maior o módulo de elasticidade, mais rígido será um material. 0 módulo de elasticidade é determinado pela composição química. 0 módulo de elasticidade pode ser expresso em termos de Mega Pascal (MPa) (também em termos de libras por polegada quadrada (lb/in2)) . Um (1) MPa é igual a um (1) Newton/mm2.

Conforme mostrado na Fig. 17, uma curva de tensão- deformação típica pode ser usada para ilustrar as propriedades físicas de um material. 0 número (1) mostrado na Figura 17 indica a inclinação da curva de tensão- deformação que corresponde à natureza elástica do material, e isso é chamado de módulo de elasticidade. Por definição, o limite proporcional que é indicado na Fig. 17 pelo número (2) representa o primeiro ponto em que o comportamento elástico da curva de tensão-deformação é não linear. Esse ponto também pode ser considerado como o limite de elasticidade, pois, além desse ponto, o espécime começará a demonstrar deformação permanente após a remoção da carga, devido à deformação plástica. 0 momento de inércia descreve a propriedade da matéria de resistir a qualquer alteração na rotação. O momento de inércia, I, para uma área de formato particular (por exemplo, retângulo, elipse ou círculo) pode ser calculado usando-se a fórmula apropriada: em que "w" representa o comprimento, "t" representa a largura (de um retângulo), "a" representa o eixo maior e "b" o eixo menor de uma elipse, e "D" representa o diâmetro de um círculo. A capacidade de dobramento de uma fibra pode ser definida como a resistência a fibra a alterar seu formato quando se aplica uma força externa. Uma fibra será chamada de mais dobrável se requerer menos força para dobrá-la um determinado grau. A flexibilidade de dobramento de uma fibra é função do formato, tamanho de seção transversal e módulo de elasticidade. A capacidade de dobramento, B, de uma fibra pode ser calculada usando-se a fórmula: Usando-se a equação acima, a capacidade de dobramento, B, de uma fibra de 1,2 mm de largura e 0,3 8 mm de espessura com uma seção transversal de formato elíptico com um módulo elástico de 4 GPa é de 26,2 mN'1*m'2. Essa fibra é considerada uma fibra rígida. Quando essas fibras foram adicionadas ao concreto em um caminhão de mistura pronta 45 quilogramas (100 libras) de fibras foram adicionados a 6 metros cúbicos (8 jardas cúbicas) de carga concreto, em 30 minutos, enquanto o tambor estava girando a 15 rpm), observou-se uma formação excessiva de "bolas de fibras" e se observou uma capacidade de acabamento muito ruim. As fibras não se dispersaram no concreto, mas feixes de fibras permaneceram juntos.

Outro exemplo envolve fibras achatadas de 50 mm de comprimento, que tinham 1,4 mm de largura e 0,2 mm de espessura, com um módulo elástico de 9 GPa. A capacidade de dobramento, B, é de 39,7 mN'1*m^2, usando a equação acima.

Essa fibra é considerada uma fibra mais flexível. Quando essas fibras foram adicionadas ao concreto da mesma maneira que no exemplo acima descrito com a fibra rígida, mas em apenas 5 minutos, foram observadas poucas bolas de fibras.

Uma distribuição homogênea das fibras por toda a mistura de concreto foi conseguida devido â natureza mais flexível da fibra. A capacidade de acabamento melhorou em comparação com o exemplo anterior, mas ainda não era satisfatória para todas as aplicações.

Outro exemplo envolve fibras achatadas de 40 mm de comprimento, que tinham 1,4 mm de largura e 0,105 mm de espessura, com um módulo elástico de 9,5 GPa. A capacidade de dobramento, B, é de 259,8 imN'1*™'2, usando a equação acima. Essa fibra é considerada uma fibra altamente flexível. Quando essas fibras foram adicionadas ao concreto da mesma maneira que no exemplo acima descrito, também em apenas 5 minutos, não se observou nenhuma bola de fibras.

Uma distribuição homogênea das fibras por toda a mistura de concreto foi conseguida devido à natureza altamente flexível da fibra. Uma excelente capacidade de acabamento foi consistentemente conseguida com essa fibra.

Quando a capacidade de acabamento da fibra A com uma capacidade de dobramento de 3 9,7 mN"1*m“2 foi comparada com a capacidade de acabamento de uma fibra B com uma capacidade de dobramento de 259,8 mN'1*m'2, as seguintes observações foram feitas. Após o concreto ter sido acabado, a fibra A tendia a saltar da superfície do concreto após a espátula de pedreiro tê-la empurrado para baixo (o concreto parecia "arrepiado"). Por outro lado, quando o mesmo acabamento era aplicado a um concreto contendo a fibra B, as fibras permaneciam dentro da superfície do concreto. A energia elástica armazenada nas fibras era pequena demais para fazer com que saltassem da superfície. Após o acabamento com espátula de pedreiro, quase nenhuma fibra era visível na superfície do concreto quando a laje de concreto era inspecionada um dia depois.

Para uma fibra com propriedades de dispersão otimizadas, a capacidade de dobramento tem de ser suficientemente elevada para minimizar a transferência de tensão entre fibras. Para se conseguir isso, o formato e o tamanho o módulo elástico da fibra podem ser alterados. Um módulo elástico menor aumenta a capacidade de dobramento da fibra, se o formato e o tamanho da seção transversal permanecerem inalterados. Para fibras de polipropileno, o módulo elástico está na faixa de 3 a 2 0 GPa (para comparação, o concreto tem um módulo elástico de 2 0 a 3 0 GPa, dependendo da misturada usada). Para melhorar as propriedades endurecidas em termos de tenacidade do concreto reforçado com fibras, particularmente em pequenas aberturas de rachaduras (até 1 mm) , o módulo elástico da fibra deve ser, de preferência, pelo menos tão alto quanto ou mais alto que o módulo elástico da matriz (concreto). Conforme acima discutido, um módulo elástico mais elevado diminui a capacidade de dobramento, o que tem um impacto negativo sobre as propriedades de dispersão das fibras. Para manter uma alta capacidade de dobramento, o formato da fibra e a área de seção transversal têm de ser alteradas. Testes de fratura mostraram que uma capacidade de suportar carga mínima sob tensão (NÃO a tensão à tração mínima) das fibras é requerida para que sejam capazes de transferir tensões significativas através de uma seção de concreto rachada.

Isso também ajuda a manter o número de fibras por porcentagem em volume baixo, o que tem um efeito positivo sobre a processabilidade do concreto reforçado com fibras fresco. É um fato bem conhecido que microfibras (com diâmetros de 20 a 60 micrômetros), adicionadas principalmente para minimizar rachaduras devidas à contração plástica do concreto, não podem ser normalmente adicionadas em grandes volumes, devido à elevada razão de números por unidade de peso. Taxas de dosagem típicas variam de 0,3 kg/m3 a 1,8 kg/m3 (0,03% em volume a 0,2% em volume), de modo que essas fibras não afetam significativamente as propriedades do concreto endurecido. Fibras destinadas a afetar (isto é, reforçar) concreto endurecido normalmente requerem volumes de adição mais elevados para transferir tensões significativas através de rachaduras no concreto.

Fibras exemplificativas da invenção, que se acredita que confiram uma excelente capacidade de acabamento à superfície de materiais de cimento hidratáveis, compreendem: uma pluralidade de corpos de fibra individual com um comprimento alongado definido entre duas extremidades opostas e compreendendo pelo menos um polímero sintético, os corpos de fibra individuais sendo substancialmente livres de fraturas de tensão, e substancialmente não fibriláveis quando mecanicamente agitados dentro do material de matriz a ser reforçado, em que, na pluralidade de corpos de fibra individuais, a capacidade de dobramento média dos corpos de fibra é de 100 - 2.500 mN'1*m'2. Fibras de alta capacidade de acabamento preferidas também têm as propriedades exemplificativas: um módulo de elasticidade de Young de 4 - 20 Giga Pascal, uma resistência à tração de 400 - 1.600 Mega Pascal. De preferência, os corpos de fibra individual são substancialmente livres de fraturas de tensão; e substancialmente não fibriláveis quando mecanicamente agitados dentro do material de matriz a ser reforçado, os corpos de fibra possuindo um perfil de seção transversal genericamente quadrilateral ao longo do comprimento alongado, possuindo, dessa forma, dimensões de largura, espessura e comprimento, em que a largura média é de 1,0 - 5,0 mm, a espessura média é de 0,05 - 0,2 mm, o comprimento médio é de 2 0 - 75 mm; e em que a largura média excede, de preferência, a espessura média por um fator de 5 a 50.

Fibras de elevada capacidade de acabamento preferidas da invenção compreendem pelo menos um polímero sintético selecionado no grupo que consiste em polietileno, polipropileno, polioximetileno, poli(fluoreto de vinila), poli(metil penteno), poli(etileno-clorotrifluoroetileno), poli(fluoreto de vinila), poli(oxido de etileno), poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno), poliamida, polibuteno e polímeros de cristal líquido termotrópico.

Fibras de elevada capacidade de acabamento exemplificativas têm corpos de fibra individuais, em que a capacidade de dobramento média é de 150 - 2.000 mN'1*m'2.

Fibras de elevada capacidade de acabamento particularmente preferidas são substancialmente livres de fraturas de tensão e substancialmente não fibriláveis quando mecanicamente agitadas dentro do material de matriz a ser reforçado, e têm um perfil de seção transversal genericamente quadrilateral ao longo de seu comprimento alongado, possuindo, dessa forma, dimensões de largura, espessura e comprimento, em que a largura média é de 1,0 - 3,0 mm, a espessura média é de 0,05 - 0,15 mm, o comprimento médio é de 20 - 60 mm; e em que a largura de fibra média excede a espessura de fibra média por um fator de 7 a 40.

Fibras de elevada capacidade de acabamento preferidas adicionais da invenção compreendem uma pluralidade de corpos de fibra individuais com um comprimento alongado definido entre duas extremidades opostas e compreendendo pelo menos um polímero sintético, os corpos de fibra individuais sendo substancialmente livres de fraturas de tensão e substancialmente não fibriláveis quando mecanicamente agitados dentro do material de matriz a ser reforçado, os corpos de fibra possuindo um perfil de seção transversal genericamente quadrilateral ao longo do comprimento alongado, possuindo, dessa forma, dimensões de largura, espessura e comprimento, em que a largura média é de, no mínimo, 1,0 a 3,0 mm, a espessura média é de 0,075 a 0,15 mm, o comprimento médio é de 20 a 60 mm, a razão de largura para espessura médias da fibra é de 7 a 30, um módulo de elasticidade de Young de 4 a 20 Giga Pascal, uma resistência à tração de 400 a 1.600 Mega Pascal, uma capacidade de suportar carga mínima no modo de tensão de 20 a 1.000 Newton por corpo de fibra, os corpos de fibra também possuindo, de preferência, uma razão de razão de área quadrada para volume média de 10,5 a 42 mm'1; e também possuindo, de preferência, uma capacidade de dobramento média de 150 a 2.500 mN'1*m'2. A presente invenção também apresenta composições de matriz compreendendo as fibras acima descritas. Uma composição de matriz exemplificativa pode ser composta por um adesivo, asfalto, material compósito, plástico, elastômero, materiais de cimento hidratáveis ou suas misturas. Composições de matriz preferidas são composições de cimento hidratáveis (por exemplo, concreto, gunita de mistura úmida e de mistura seca, argamassa seca, argamassa, pasta cimentícia), e fibras preferidas compreendendo polipropileno, polietileno ou suas misturas. De preferência, as fibras estão presentes em composições de matriz hidratáveis em quantidades de 0,05% a 2,0% em volume. A invenção apresenta fibras de elevada capacidade de acabamento, assim como materiais de cimento contendo essas fibras. Quando as fibras são incrustadas em concreto, o concreto terá, de preferência, uma resistência à compressão na faixa de 3 0 a 60 MPa, em que o valor Re,3 médio é de 20 a 60%, e o concreto terá uma capacidade de acabamento em que as fibras incrustadas não se projetam substancialmente do concreto (conforme visualmente confirmado por inspeção a olho nu da superfície do concreto). A capacidade de dobramento média dos corpos de fibra é, de preferência, de 100 a 2.500 mN'1*m'2; a largura média é, de preferência, de 1,0 a 3,0 mm; a espessura média é de 0,075 a 0,15 mm; o comprimento médio é, de preferência, de 20 a 60 mm; as fibras possuindo um módulo de elasticidade de Young de 4 a 20 Giga Pascal; e as fibras possuindo uma resistência à tração de 400 a 1.600. A invenção também se refere aos pisos de concreto, e particularmente as lajes de piso, contendo fibras incrustadas conforme acima descrito. Esses pisos de cimento ou concreto com fibras incrustadas têm, de preferência, uma resistência à compressão de 15 a 40 MPa, um valor Re,3 médio de 20 a 60% e capacidade de acabamento (em que fibras incrustadas não se projetam substancialmente do concreto), as fibras também possuindo uma capacidade de dobramento média de 100 a 2.500 mN'1*m"2, uma largura média de 1,0 a 4,0 mm, uma espessura média de 0,050 a 0,15 mm, um comprimento médio de 20 a 60 mm, um módulo de elasticidade de Young de 4 a 20 Giga Pascal, e, de preferência, uma resistência à tração de 400 a 1.600 Mega Pascal.

Ainda outras fibras exemplificativas têm um formato torcido, por exemplo, como resultado do corte em pedaços separados a partir de cordões torcidos na forma de uma corda ou cabo. A presente invenção não deve se limitar aos exemplos e ilustrações precedentes, que são apresentados apenas para fins ilustrativos.

Claims (28)

1. Fibras para reforço de uma composição de concreto, CARACTERIZADAS pelo fato de que compreendem uma pluralidade de corpos de fibra individuais com um comprimento alongado definido entre duas extremidades opostas e compreendendo pelo menos um polímero sintético, ditos corpos de fibra individuais possuindo superfícies que são substancialmente isentas de fraturas de tensão induzidas pelo achatamento mecânico dos corpos de fibra entre rolos opostos, os corpos de fibra individuais sendo substancialmente não fibriláveis em unidades de fibra menores após serem misturados em concreto úmido na medida necessária para atingir uma dispersão substancialmente uniforme das fibras neste, e os corpos de fibra possuindo um perfil de seção transversal genericamente quadrilateral ao longo do comprimento alongado, possuindo, dessa forma, dimensões de largura, espessura e comprimento, em que a largura média é de no mínimo 1,0 mm a no máximo 5,0 mm, em que a espessura média é de no mínimo 0,05 mm a no máximo 0,2 mm, em que o comprimento médio é de no mínimo 20 mm a no máximo 75 mm, em que os corpos de fibra têm um módulo de elasticidade de Young de no mínimo 4 Giga Pascal a no máximo 20 Giga Pascal, em que os corpos de fibra têm uma resistência à tração de no minimo 400 Mega Pascal a no máximo 1.600 Mega Pascal, em que os corpos de fibra têm uma capacidade de suportar carga mínima no modo de tensão de no mínimo 20 Newtons por corpo de fibra a no máximo 1.000 Newtons por corpo de fibra, em que os corpos de fibra têm uma razão de área quadrada para volume média de no mínimo 10,5 mm-1 a no máximo 42 mm”1, em que os corpos de fibra têm uma capacidade de dobramento média "B" de no mínimo 100 mN'1m”2 a no máximo 2.500 mN”1m”2, a capacidade de dobramento "B" das fibras sendo determinada de acordo com a fórmula B = 1/(3 · E · I), em que o momento de inércia "I" para uma seção transversal genericamente quadrilateral é computado de acordo com a fórmula I = 1/12 · w · t3, em que "w" é a largura média e "t" é a espessura média da seção transversal genericamente quadrilateral e em que E representa o módulo de elasticidade de Young da fibra.

2. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS pelo fato de que na dita pluralidade de corpos de fibra, os ditos corpos de fibra individuais são separados uns dos outros.

3. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS pelo fato de, na dita pluralidade de corpos de fibra individuais, os ditos corpos de fibra individuais estarem parcialmente separados uns dos outros mas serem completamente separáveis quando mecanicamente agitados dentro do material de matriz.

4. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS pelo fato de, na pluralidade de corpos de fibra individuais, o pelo menos um polímero sintético ser selecionado do grupo que consiste em polietileno, polipropileno, polioximetileno, poli(fluoreto de vinilideno), poli(metil penteno), poli(etileno- clorotrifluoroetileno), poli(fluoreto de vinila), poli(óxido de etileno), poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno) , poliamida, polibuteno e polímeros de cristal líquido termotrópico.

5. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS pelo fato de os corpos de fibra compreenderem polipropileno em uma quantidade de -no mínimo 75% em peso, e de os corpos de fibra compreenderem polipropileno em uma quantidade de até 100%.

6. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS pelo fato de os corpos de fibra compreenderem uma mistura de pelo menos dois polímeros ou um copolímero compreendendo pelo menos dois dos referidos polímeros.

7. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS pelo fato de os corpos de fibra compreenderem polipropileno e polietileno.

8. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS pelo fato de as ditas fibras estarem incrustadas em concreto, o dito concreto tendo uma resistência compressiva na faixa de 15 a 40 MPa, em que o valor médio Re,3 está entre 20 e 60%, o dito concreto tendo habilidade final onde as ditas fibras incrustadas não se levantam substancialmente do dito concreto.

9. Fibras, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADAS pelo fato de que apresentam uma forma torcida.

10. Composição de matriz CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: um material de matriz selecionado a partir do grupo consistindo de adesivos, asfalto, materiais compósitos,. plásticos, elastômeros e materiais cimenticios hidratáveis; e fibras conforme definidas na reivindicação 1.

11. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que, na dita pluralidade de corpos de fibra individuais, os ditos corpos de fibra estão separados uns dos outros.

12. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que na dita pluralidade de corpos de fibra, pelo menos um polímero sintético é selecionado a partir do grupo consistindo de polietileno, polipropileno, polioximetileno, poli(fluoreto de vinilideno), poli(metil penteno), poli (etileno- clorotrifluoroetileno), poli(fluoreto de vinila), poli(óxido de etileno), poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno), poliamida, polibuteno e polímeros de cristal líquido termotrópico.

13. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que, na dita pluralidade de corpos de fibra individuais, o dito pelo menos um polímero sintético é polipropileno.

14. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que dito material de matriz é um material cimentício.

15. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que os ditos corpos de fibra compreendem polipropileno em uma quantidade de no mínimo 75% em peso e os ditos corpos de fibra compreendem polipropileno em uma quantidade de até 100%.

16. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que os ditos corpos de fibra compreendem uma mistura de no mínimo dois polímeros ou copolímeros. compreendendo no mínimo dois dos ditos polímeros.

17. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADA pelo fato de que os ditos corpos de fibra compreendem polipropileno e polietileno.

18. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que o dito material de matriz é concreto e os ditos corpos de fibra estão incrustados no dito concreto, o dito concreto tendo resistência compressiva na faixa de 15 a 40 MPa, em que o valor médio Re,3 está entre 20 e 60%, o dito concreto tendo habilidade final em que as ditas fibras incrustadas não se levantam substancialmente do dito concreto.

19. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que as ditas fibras são torcidas.

20. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARCTERIZADA pelo fato de que o dito material de matriz é asfalto.

21. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que os ditos corpos de fibra individuais têm variabilidade de espessura ou de largura ao longo do comprimento do corpo de fibra individual de no mínimo 2,5 por cento do desvio de espessura ou largura média, conforme o caso, e em que os ditos corpos de fibra individuais têm uma variabilidade de espessura ou largura de desvio do corpo de fibra individual de no máximo 25 por cento do desvio da espessura ou da largura, conforme o caso.

22. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que os ditos corpos de fibra possuem uma espessura média de no mínimo 0,075 mm a no máximo 0,15 mm.

23. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que os ditos corpos de fibra tem uma área quadrada média para razão de volume de no mínimo 10,5 mm-1 a no máximo 42 mm'1.

24. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que os ditos corpos de fibra são polipropilenos.

25. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que as fibras são constituídas de polietileno e polipropileno.

26. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que as ditas fibras estão presentes no dito material de matriz de concreto em uma quantidade de no mínimo 0,05% em volume e de no máximo 10% em volume.

27. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que os ditos corpos de fibras individuais são recobertos.

28. Composição de matriz, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que ainda compreende um superplastificante, redutor de água, carreador de ar, descarreador de ar, inibidor da corrosão, acelerador de pega, retardador de pega, mistura redutora da contração, poeira de cinzas, sílica fumada ou suas misturas.