BRPI0708118A2 - misturas de material de construção aditivo contendo micropartìculas secas por pulverização - Google Patents

Abstract

MISTURAS DE MATERIAL DE CONSTRUçãO ADITIVO CONTENDO MICROPARTICULAS SECAS POR PULVERIZAçáO. A presente invenção refere-se ao uso de micropartículas poliméricas que são cheias de gás em misturas de material de construção de assentamento hidráulico para fins de intensificação de sua resistência ao congelamento e durabilidade ao congelamento/descongelamento cíclicos.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MISTURASDE MATERIAL DE CONSTRUÇÃO ADITIVO CONTENDO MICROPARTÍ-CULAS SECAS POR PULVERIZAÇÃO".

A presente invenção refere-se ao uso de micropartículas polimé-ricas em misturas de material de construção de assentamento hidráulico pa-ra fins de intensificação de sua resistência e durabilidade ao congelamen-to/descongelamento cíclico.

O concreto é um material de construção importante e é definidopela DIN 1045 (07/1988) como pedra artificial formada através de endureci-mento de uma mistura de cimento, agregado e água junto, onde apropriado,com misturas para concreto e adições para concreto. Uma forma pela qual oconcreto é classificado é através de sua subdivisão em grupos de resistência(BI-BII) e classes de resistência (B5-B55). Mistura em formadores de gás ouformadores de espuma produz concreto aerado ou concreto espumoso(Rõmpp Lexikon, 10i ed., 1996, Georg Thieme Verlag).

O concreto tem propriedades duas vezes dependentes. Primeiro,através de secagem, ele sofre uma redução no volume que é denominadaencolhimento. A maioria da água, contudo, está ligada na forma de água decristalização. O concreto, ao invés de secagem, assenta: isto é, a pasta decimento altamente móvel inicialmente (cimento e água) começa a endurecer,se torna rígida e, finalmente, solidifica, dependendo do ponto de tempo eprogresso da reação química/mineralógica entre o cimento e a água, conhe-cida como hidratação. Como um resultado da capacidade de ligação à águado cimento, é possível que o concreto, diferente da cal virgem, endureça epermaneça sólido mesmo sob água. Em segundo, o concreto sofre deforma-ção sob carga, conhecida como deformação.

O ciclo de congelamento/descongelamento refere-se à alterna-ção climática de temperaturas em torno do ponto de congelamento da água.Particularmente no caso de materiais de construção mineral-ligados, tal co-mo concreto, o ciclo de congelamento/descongelamento é o mecanismo dedano. Esses materiais possuem uma estrutura porosa, capilar e não sãoherméticos à água. Se uma estrutura desse tipo que está cheia de água éexposta a temperaturas abaixo de 0°C, então, a água congela nos poros.Como um resultado da anomalia de densidade da água, o gelo, então, seexpande. Isso resulta em dano ao material de construção. Dentro dos porosmuito finos, como um resultado de efeitos na superfície, há uma redução noponto de congelamento. Em microporos, a água não congela até abaixo de -17°C. Conseqüentemente, como um resultado de ciclos de congelamen-to/descongelamento, o material em si também se expande e contrai, há adi-cionalmente um efeito de bomba capilar, a qual aumenta ainda a absorçãode água e, conseqüentemente, indiretamente, o dano. O número de ciclosde congelamento/descongelamento, portanto, é crítico com relação ao dano.

Fatores decisivos que afetam a resistência do concreto paracongelado e para congelamento/descongelamento cíclicos sob exposiçãosimultânea a agentes de descongelamento são a impenetrabilidade de suamicroestrutura, uma determinada resistência da matriz e a presença de umadeterminada microestrutura porosa. A microestrutura de um concreto cimen-to-ligado é atravessada por poros capilares (raio: 2 μιτι - 2 mm) e poros degel (raio: 2 - 50 nm). A água presente nesses poros difere, quanto a seu es-tado, como uma função do diâmetro de poro. Enquanto que a água nos po-ros capilares retém suas propriedades usuais, aquela nos poros de gel éclassificada como água condensada (mesoporos: 50 nm) e água na superfí-cie ligado de modo adsorvente (microporos: 2 nm), os pontos de congela-mento da qual pode, por exemplo, estar bem abaixo de -50°C [M. J. Setzer,Interaction of water with hardened cement paste, Ceramic Transactions 16(1991) 415-39]. Conseqüentemente, mesmo quando o concreto é esfriado para baixas temperaturas, um pouco de água nos poros permanece nãocongelada (água metastável). Para uma determinada temperatura, contudo,a pressão de vapor sobre o gelo é menor do que aquela sobre a água. Umavez que o gelo e água metastável estão presentes um ao longo do outro si-multaneamente, um gradiente de pressão de vapor se desenvolve, o qualleva à difusão da água ainda líquida para o gelo e à formação de gelo sobrea referida água, resultando em remoção de água dos poros menores ou a-cúmulo de gelo nos poros maiores. Essa redistribuição de água como umresultado de resfriamento ocorre em cada sistema de poro e é criticamentedependente do tipo de distribuição de poro.

A introdução artificial de poros de ar microfinos no concreto,conseqüentemente, dá origem primariamente àquilo que é denominado es-paços de expansão para expansão de gelo e água-gelo. Dentro desses po-ros, a água congelada pode expandir ou a pressão interna e tensões do geloe água-gelo podem ser absorvidas sem formação de microrrachaduras e,conseqüentemente, sem dano por congelamento ao concreto. A forma fun-damental pela qual tais sistemas de poro-ar atuam foi descrita, com relaçãoao mecanismo de dano por congelamento ao concreto, em um grande nú-mero de revisões [Schulson, Erland M. (1998) Ice damage to concrete. CR-REL Special Report 98-6; S. Chatterji, Freezing of air-entrained cement-based materiais and specific actions of air-entraining agents, Cement & Con-crete Composites 25 (2003) 759-65; G. W. Scherer, J. Chen & J. Valenza,Methods for protecting concrete from freeze damage, Patente US 6.485.560B1 (2002); M. Pigeon, B. Zuber & J. Marchand, Freeze/thaw resistance, Ad-vanced Concrete Technology 2 (2003) 11/1-11/17; B. Erlin & B. Mather, Anew process by which cyclic freezing can damage concrete - the Erlin/Mathereffect, Cement & Concrete Research 35 (2005) 1407-11].

Uma pré-condição para resistência aperfeiçoada do concretoquando de exposição ao ciclo de congelamento e descongelamento é que adistância de cada ponto no cimento endurecido para o próximo poro de arartificial não excede a um valor definido. Essa distância é também referidacomo o "Fator de espaçamento de Powers" [T. C. Powers, The air require-ment of frost-resistant concrete, Proceedings of the Highway Research Bo-ard 29 (1949) 184-202]. Testes de laboratório mostraram que exceder o "fa-tor de espaçamento de Powers" crítico de 500 μπι leva a dano ao concretono ciclo de congelamento e descongelamento. De forma a obter isso comum teor limitado de poro-ar, o diâmetro dos poros de ar artificialmente intro-duzidos deve, portanto, ser menor do que 200 - 300 μητι [Κ. Snyder, Κ. Nate-saiyer & Κ. Hover, The stereological and statistical properties of entrained airvoids in concrete: A mathematical basis for air void systems characterization,Materials Science of Concrete VI (2001) 129-214],

A formação de um sistema de poro-ar artificial depende critica-mente da composição e da conformidade dos agregados, do tipo e quanti-dade do cimento, da consistência do concreto, do misturador usado, do tem-po de mistura e da temperatura, mas também da natureza e quantidade doagente que forma os poros de ar, o retentor de ar. Embora esses fatores deinfluência possam ser controlados se consideração é tomada com relação àsnormas de produção apropriadas, eles podem, todavia, ter uma multiplicida-de de efeitos adversos indesejados resultando, por fim, no teor de ar do con-creto estando acima ou abaixo do nível desejado e, conseqüentemente, afe-tando adversamente a resistência ou a resistência ao congelamento do con-creto.

Poros de ar artificiais desse tipo não podem ser medidos direta-mente; antes, o ar encerrado pela mistura é estabilizado com a adição dosretentores de ar antes mencionados [L. Du & K. J. Folliard, Mechanism of airentrainment in concrete, Cement & Concrete Research 35 (2005) 1463-71].Retentores de ar convencionais são principalmente de estrutura semelhantea tensoativo e decompõem o ar introduzido pela mistura em pequenas bo-lhas de ar tendo um diâmetro tão próximo quanto possível de menos de 300μm e estabilizam as mesmas na microestrutura de concreto úmido. Uma dis-tinção é feita aqui entre dois tipos.

Um tipo - por exemplo, oleato de sódio, o sal de sódio de ácidoabiético ou resina Vinsol, um extrato de raízes de pinho - reage com o hidró-xido de cálcio da solução de poro na pasta de cimento e é precipitado comosal de cálcio insolúvel. Esses sais hidrofóbicos reduzem a tensão de superfí-cie da água e coletam na interface entre a partícula de cimento, ar e água.Eles estabilizam as microbolhas e são, portanto, encontrados nas superfíciesdesses poros de ar no concreto à medida que ele endurece.

O outro tipo - por exemplo, Iauril sulfato de sódio (SDS) ou dode-cilfenil-sulfonato de sódio - reage com o hidróxido de cálcio para formar saisde cálcio os quais, em contraste, são solúveis, mas os quais exibem umcomportamento de solução anormal. Abaixo de uma determinada temperatu-ra crítica, a solubilidade desses tensoativos é muito baixa enquanto que, a-cima dessa temperatura, sua solubilidade é muito boa. Como um resultadode acúmulo preferencial no limite ar/água, eles reduzem, da mesma forma, atensão de superfície, assim, estabilizam as microbolhas e são, de preferên-cia, encontrados nas superfícies desses poros de ar no concreto endurecido.

O uso desses retentores de ar da técnica anterior está acompa-nhado por uma série de problemas [L. Du & K. J. Folliard, Mechanism of airentrainment in concrete, Cement & Concrete Research 35 (2005) 1463-71].Por exemplo, tempos de mistura prolongados, diferentes velocidades do mis-turador e alteração das seqüências de medição no caso de concretos emmistura pronta resultam na expulsão do ar estabilizado (nos poros de ar).

O transporte de concretos com tempos de transporte prolonga-dos, pobre controle de temperatura e diferente equipamento de bombeamen-to e transporte e também a introdução desses concretos em conjunto comsubseqüente processamento alterado, solavancos e condições de tempera-tura, pode produzir uma alteração significativa no teor de poro-ar ajustado deantemão. No pior caso, isso pode significar que um concreto não se confor-ma mais aos valores limites requeridos de uma determinada classe de expo-sição e, portanto, se tornou inutilizável [EN 206-1 (2000), Concreto - Parte 1:

Especificação, desempenho, produção e conformidade].

A quantidade de substâncias finas no concreto (por exemplo, ci-mento com um teor de álcali diferente, adições tais como cinzas, pó de sílicaou adições de colorantes), da mesma forma, afetam adversamente a reten-ção de ar. Podem existir também interações com aperfeiçoadores de fluxoque têm uma ação desespumante e, conseqüentemente, expelem os porosde ar, mas também podem introduzir os mesmos de uma maneira descontro-lada.

Uma outra desvantagem da introdução de poros de ar é obser-vada como sendo a diminuição na resistência mecânica do concreto comaumento do teor de ar.

Todas essas influências as quais complicam a produção de con-creto resistente ao congelamento podem ser evitadas se, ao invés do siste-ma de poro-ar requerido ser gerado por meio dos retentores de ar acimamencionados com estrutura semelhante a tensoativo, o teor de ar é mantidoatravés da mistura ou medição sólida de micropartículas poliméricas (micro-esferas ocas) [H. Sommer, A new method of making concrete resistant tofrost and de-icing salts, Betonwerk & Fertigteiltechnik 9 (1978) 476-84]. Umavez que as micropartículas geralmente têm tamanhos de partícula de menosde 100 μιτι, elas também podem ser distribuídas mais fina e uniformementena microestrutura do concreto do que poros de ar artificialmente introduzi-dos. Conseqüentemente, mesmo pequenas quantidades são o bastante pararesistência suficiente do concreto ao ciclo de congelamento e descongela-mento.

O uso de micropartículas poliméricas desse tipo para melhorar aresistência ao congelamento e durabilidade ao congelamen-to/descongelamento cíclicos do concreto já é conhecido da técnica anterior[cf. DE 2229094 A1, US 4.057.526 B1, US 4.082.562 B1, DE 3026719 A1 ].As micropartículas descritas nos mesmos têm diâmetros de pelo menos 10μm (usualmente substancialmente maior) e possuem vazios cheios de ar oucheios de gás. Isso, da mesma forma, inclui partículas porosas, as quais po-dem ser maiores do que 100 μιτι e podem possuir uma multiplicidade de va-zios e/ou poros relativamente pequenos.

Com o uso de micropartículas ocas para retenção de ar artificialem concreto, dois fatores provaram ser desvantajosos para o estabelecimen-to dessa tecnologia no mercado. Por um lado, o uso de solventes orgânicosé objetivável, dos pontos de vista do ambiente e de custo e, por outro lado,doses relativamente altas são requeridas de forma a obter resistência satis-fatória do concreto a ciclos de congelamento e descongelamento. O objetivosobre o qual a presente invenção está baseada foi, portanto, aquele de pro-porcionar um meio para melhorar a resistência ao congelamento e durabili-dade ao congelamento/descongelamento cíclicos para misturas de materialde construção de assentamento hidráulico que desenvolvem sua atividadetotal mesmo em doses relativamente baixas. Um componente desse objetivofoi obter a eficácia total desse meio imediatamente após sua incorporaçãona mistura de construção.

O objetivo foi obtido através do uso de micropartículas poliméri-cas contendo um vazio em misturas de material de construção de assenta-mento hidráulico caracterizado pelo fato de que micropartículas cheias degás são usadas. Micropartículas cheias de gás são polímeros com nú-cleo/envoltório secos por pulverização. As micropartículas cheias de gás sãoativas tão logo incorporação na mistura de material de construção, uma vezque não há necessidade de água para difundir de dentro da partícula. Con-seqüentemente, resistência ao congelamento e durabilidade ao congelamen-to/descongelamento cíclicos eficazes são asseguradas quase que imediata-mente após endurecimento.

Descobriu-se que, através de secagem por pulverização, é pos-sível remover a água das dispersões de micropartícula. Surpreendentemen-te, descobriu-se que, dessa forma, micropartículas ocas cheias de gás intac-tas podem ser obtidas rapidamente e de modo barato. Isso reduz considera-velmente o esforço lógico e custos de transporte e processamento. Os pósobtidos dessa forma podem ser medidos prontamente em misturas de mate-rial de construção.

A notação (met)acrilato aqui denota não apenas metacrilato, talcomo metil metacrilato, etil metacrilato, etc., mas também acrilato, tal comometil acrilato, etil acrilato, etc., e também misturas de ambos.

As micropartículas da invenção podem ser preparadas, de prefe-rência, através de polimerização em emulsão e têm, de preferência, um ta-manho de partícula de 100 a 5000 nm; preferência particular é dada a umtamanho médio de partícula de 200 a 2000 nm. Mais preferência é dada atamanhos de partícula de 250 a 1000 nm.

O tamanho médio de partícula é determinado, por exemplo, con-tando uma quantidade estatisticamente significativa de partículas, usandomicrografias por transmissão de elétrons.

No caso de preparação através de polimerização em emulsão,as micropartículas são obtidas na forma de uma dispersão aquosa.

Micropartículas desse tipo já são conhecidas da técnica anteriore são descritas nas publicações EP 22 633 B1, EP 73 529 B, e EP 188 325B1. Além disso, essas micropartículas são vendidas comercialmente sob amarca comercial ROPAQUE® pela Rohm & Haas. Esses produtos têm sidousados, até o momento, primariamente em tintas e corantes para melhorar opoder de ocultação e opacidade de revestimentos de tinta ou impressõessobre papel, papelões e outros materiais.

No caso de preparação e na dispersão, os vazios nas micropar-tículas são cheios de água. De acordo com a invenção, a dispersão é secapor pulverização. Secagem por pulverização remove o líquido das partículaspoliméricas com núcleo-envoltório. Microesferas ocas cheias de gás são ob-tidas, as quais são muito estáveis.

De acordo com uma modalidade preferida, as micropartículasusadas são compostas de partículas poliméricas as quais possuem um nú-cleo (A) e pelo menos um envoltório (B), as partículas poliméricas com nú-cleo/envoltório tendo sido intumescidas por meio de uma base.

O núcleo (A) da partícula contém um ou mais monômeros deácido carboxílico etilenicamente insaturados (derivado) os quais permitemintumescimento do núcleo; esses monômeros são, de preferência, selecio-nados do grupo de ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido maléico, anidridomaléico, ácido fumárico, ácido itacônico e ácido crotônico e misturas dosmesmos. Ácido acrílico e ácido metacrílico são particularmente preferidos.

O envoltório (B) contém predominantemente monômeros não-iônicos etilenicamente insaturados. Como tais monômeros, uso é feito, depreferência, de estireno, butadieno, viniltolueno, etileno, acetato de vinila,cloreto de vinila, cloreto de vinilideno, acrilonitrila, acrilamida, metacrilamida,C1-C12 alquil ésteres de ácido (met)acrílico ou misturas dos mesmos.

A preparação dessas micropartículas poliméricas através de po-limerização em emulsão e seu intumescimento por meio de bases tais comohidróxidos de metal alcalino ou álcali e também amônia ou uma amina são,da mesma forma, descritos nas patentes Européias EP 22 633 B1, EP 73529 B1 e EP 188 325 B1.

É possível preparar partículas com núcleo-envoltório as quaistêm uma construção com um único envoltório ou múltiplos envoltórios oucujos envoltórios exibem um gradiente. O teor de polímero das micropartícu-las usadas pode estar situado, como uma função, por exemplo, do diâmetro,da proporção de núcleo/envoltório e da eficiência de intumescimento, a 2% a98% em volume.

As micropartículas cheias de gás são adicionadas à mistura dematerial de construção em uma quantidade preferida de 0,01% a 5% em vo-lume, em particular 0,1% a 0,5% em volume. A mistura de material de cons-trução na forma, por exemplo, de concreto ou argamassa, pode, nesse caso,incluir os aglutinántes de assentamento hidráulico comuns, tais como cimen-to, cal, gesso ou anidrita, por exemplo.

No caso de misturas de material de construção as quais são ex-postas, tão logo após endurecimento, à condições de congelamento/ des-congelamento, a vantagem de acordo com a invenção é manifestada, acimade tudo, no fator de condições do tempo, o qual representa uma avaliaçãoquantitativa do dano por congelamento visível na superfície de uma amostra.

Através do uso das micropartículas da invenção, é possível man-ter a introdução descontrolada de ar na mistura de material de construçãoem um nível extraordinariamente baixo.

Em concreto, observações foram feitas, por exemplo, de aperfei-çoamentos nas resistências compressivas de mais de 35% quando compa-rado com concreto obtido com retenção de ar convencional.

Maiores resistências compressivas são de interesse, além de eem particular, na medida em que elas tornam possível reduzir o teor de ci-mento do concreto que é necessário para que resistência se desenvolva noconcreto, desse modo, tornando possível obter uma redução significativa nopreço por m3 de concreto.

Claims (13)

1. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio, emmisturas de material de construção de assentamento hidráulico, caracteriza-do pelo fato de que micropartículas cheias de gás são usadas.

2. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um envoltóriode acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que polímeroscom núcleo-envoltório secos por pulverização são usados.

3. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as micropartí-cuias são compostas de partículas poliméricas as quais compreendem umnúcleo polimérico (A), o qual é intumescido por meio de uma base aquosa econtém um ou mais monômeros de ácido carboxílico insaturado (derivado) eum envoltório polimérico (Β), o qual é composto predominantemente de mo-nômeros não-iônicos etilenicamente insaturados.

4. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio deacordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os monômerosde ácido carboxílico insaturado (derivado) são selecionados do grupo de á-cido acrílico, ácido metacrílico, ácido maléico, anidrido maléico, ácido fumá-rico, ácido itacônico e ácido crotônico.

5. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio de-1 acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os monômerosnão-iônicos etilenicamente insaturados são compostos de estireno, butadie-no, viniltolueno, etileno, acetato de vinila, cloreto de vinila, cloreto de vinili-deno, acrilonitrila, acrilamida, metacrilamida, C1-C12 alquil ésteres de ácidoacrílico ou metacrílico.

6. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as micropartí-culas têm um teor de polímero de 2% a 98% em volume.

7. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as micropartí-culas têm um tamanho médio de partícula de 100 a 5000 nm.

8. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio deacordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as micropartí-culas têm um tamanho médio de partícula de 200 a 2000 nm.

9. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio deacordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as micropartí-cuias têm um tamanho médio de partícula de 250 a 1000 nm.

10. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as micropartí-culas são usadas em uma quantidade de 0,01% a 5% em volume, baseadona mistura de material de construção.

11. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio deacordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que as micropartí-culas são usadas em uma quantidade de 0,1% a 0,5% em volume, baseadona mistura de material de construção.

12. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as misturas dematerial de construção são compostas de um aglutinante selecionado dogrupo de cimento, cal, gesso e anidrita.

13. Uso de micropartículas poliméricas, contendo um vazio deacordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as misturas dematerial de construção são concreto ou argamassa.