ES2205811T5

ES2205811T5 - Hormigón que comprende fibras orgánicas dispersadas en una matriz de cemento, matriz de cemento del hormigón y premezclas.

Info

Publication number: ES2205811T5
Application number: ES99918063T
Authority: ES
Inventors: Laurent Frouin; Jerome Dugat; Marcel Cheyrezy; Sandra Boivin; Gilles Orange
Original assignee: Bouygues SA; Lafarge SA
Current assignee: Bouygues SA; Lafarge SA
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 2010-12-27
Anticipated expiration: 2019-05-12
Also published as: JP4522981B2; AU3611899A; FR2778654A1; EP1080049A1; PT1080049E; JP2008133185A; ZA200006572B; KR100612269B1; PL344220A1; JP2002514567A; DE69911202D1; ES2205811T3; US6723162B1; ATE249399T1; AU748678C; JP2007055895A; BR9910471A; JP5603538B2; CA2332637A1; DE69911202T3

Abstract

Hormigón que comprende una matriz de cemento endurecida en la cual están dispersadas fibras orgánicas, que se obtiene al mezclar con agua una composición que contiene además de las fibras: (a) cemento, (b) elementos granulares, (c) elementos finos con reacción puzolánica, (d) por lo menos un agente dispersante y caracterizado porque: (1) los elementos granulares (b) tienen un tamaño de grano máximo D de 2 mm como máximo, preferentemente 1 mm como máximo, (2) los elementos finos con reacción puzolánica (c) tienen un tamaño de partícula elemental de 20 m como máximo, preferentemente 1 m como máximo, y porque: (3) el porcentaje en peso del agua con respecto al peso acumulado de cemento (a) y los elementos finos de reacción puzolánica (c) está comprendido entre 8% y 25%, (4) las fibras orgánicas tienen una longitud individual l de por lo menos 2 mm y una relación I/ de por lo menos 20, siendo el diámetro de las fibras, (5) la cantidad de fibras es tal que su volumen representa 8% como máximo del volumen del hormigón después de fraguar, (6) la relación R entre la longitud de las fibras promedio L y el tamaño de grano máximo D de los elementos granulares es de por lo menos 5.

Description

La presente invención se refiere a un nuevo hormigón con fibras que permite producir elementos de estructuras, con propiedades superiores a las de los componentes de la técnica anterior, en particular con respecto al comportamiento de esfuerzo de tracción (resistencia a la flexión y esfuerzo de tracción directa). Las fibras que se emplean son fibras orgánicas.

Un análisis estructural de los hormigones ha mostrado que sus propiedades mecánicas están estrechamente vinculadas a la presencia de defectos estructurales. Muchos tipos de defectos estructurales pueden observarse en estas mezclas de hormigón cuando se someten a cargas mecánicas. Se diferencian entre sí por su tamaño.

A la escala más baja, se observa el defecto denominado de microporosidad del hormigón. Se trata de poros, denominados capilares, derivados de los espacios intergranulares, inicialmente presentes en la pasta fresca. Su tamaño se encuentra en el rango entre 50 nanómetros a algunos micrómetros.

A una escala intermedia, se observan los defectos de microfisuración. Se trata de microfisuras que tienen aberturas en el rango entre 1 y 100 micrómetros. Éstas no son coalescentes, esto es, no forman una ruta continua a través de la estructura. Esencialmente se deben al carácter heterogéneo del hormigón, los granulados presentan propiedades mecánicas y físicas diferentes de las del ligante/cemento. Aparecen cuando tiene lugar la carga mecánica. Este tipo de defecto es primordialmente responsable de las deficientes propiedades mecánicas del hormigón a la tracción y de su carácter frágil.

En la escala superior, se observan defectos de macrofisuración, La abertura de estas fisuras varía de 100 µm a 1 mm. Estas fisuras son coalescentes.

También puede observarse defectos principales de tamaño milimétrico, que se deben a una errónea preparación del hormigón (defectos de aire ocluido, relleno).

Se han propuesto soluciones ya sea para reducir la presencia de estos diversos defectos o para atenuar sus defectos.

De esta manera, ha sido posible controlar parcialmente la microporosidad reduciendo la proporción en peso de agua/cemento y utilizando agentes fluidizantes. El uso de cargas finas, en particular con una reacción puzolánica, también ha hecho posible reducir el tamaño de los microporos.

En cuanto a lo que se refiere a la microfisuración, se ha reducido en gran manera -tratamientos térmicos después de fraguado

por:

-: la mejora de la homogeneidad del hormigón, por ejemplo limitando el tamaño de los

granulados a 800 µm,

-: la mejora de la compacidad del material (optimización granular y presionado

opcional, antes y durante el fraguado),

En cuanto a la microfisuración, se ha controlado por el uso de fibras de metal.

La solicitud de patente WO-A-95/01316 puede mencionarse como documento ilustrativo de la técnica anterior. Consiste en controlar la relación en tamaño entre las fibras de metal y los elementos granulares (arena, granulados). Este hormigón de fibras mejorado comprende cemento, elementos granulares, elementos finos con reacción puzolánica y fibras de metal. Los elementos granulares deben tener un tamaño de grano máximo D de 800 micrómetros, como máximo, las fibras deben tener una longitud individual I en el rango entre 4 mm y 20 mm, y la relación R entre la longitud promedio L de las fibras y D deberá ser por lo menos igual a 10.

El hormigón resultante presenta un comportamiento dúctil o de pseudoendurecimiento en flexión.

También se han propuesto formulaciones de hormigón o de mortero que comprenden fibras orgánicas para diversos propósitos, opcionalmente conjugadas con fibras de metal, como se describe por ejemplo en la publicación “Fibre reinforced cementitious composites” (compuestos cementicios reforzados con fibras) por A. BENTUR,

S. MINDESS (Elsevier Applied Science, 1990).

El estado de la técnica muestra que el experto en la materia que busca formular un hormigón con fibras se enfrenta a múltiples elecciones posibles de materiales y de dosificaciones, tanto respecto a la matriz de cemento del hormigón como a las fibras, de manera tal que permanece planteado el problema de formular un hormigón que presente propiedades mejoradas en comparación con los hormigones existentes y cuyo costo no sea redhibitorio para su uso efectivo en la industria de construcción y obras públicas.

Una respuesta a las propiedades buscadas se encuentra a nivel del uso de fibras orgánicas en lugar de las fibras de metal: incremento de la ductilidad, en particular resistencia a la tracción, reducción de efectos de corrosión, reducción de peso de las estructuras de hormigón con fibras. Una atenuación menos importante de las señales radioeléctricas también puede mencionarse.

Un efecto interesante aportado por la presencia de fibras de refuerzo de tipo polímero, es un comportamiento mejorado ante el fuego de las mezclas de hormigón con fibras.

Otra vía complementaria se encuentra a nivel de la eliminación de los defectos anteriormente mencionados, más particularmente de las microfisuras, debido a que se ha observado que las realizaciones descritas en la técnica anterior sirven principalmente para evitar el desarrollo de las macrofisuras y no de las microfisuras: las microfisuras no se estabilizan y desarrollan bajo esfuerzo.

El objetivo de la presente invención es un hormigón que comprende unas fibras orgánicas de refuerzos y que tiene propiedades mejoradas en comparación con los hormigones de la técnica anterior, más particularmente en resistencia a la tracción (resistencia a la tracción directa y flexión).

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Otro objetivo de la presente invención es proporcionar hormigón cuyo endurecimiento se mejora más allá del primer daño al controlar la propagación de las macrofisuras. La invención se propone de esta manera incrementar el campo de uso de hormigón más allá del primer daño confiriendo un comportamiento dúctil al hormigón.

La figura 1 de los dibujos anexos es una curva tipo de tracción directa de un hormigón de carácter dúctil de acuerdo con la técnica anterior.

En el caso de una ruptura que no es del tipo frágil (frágil significa aquí que la ruptura es súbita, no progresiva), tanto el ingeniero que diseña una estructura como el ingeniero que la calcula o debe verificar su seguridad, tienen necesidad de tener acceso a la ley de comportamiento del material, o a una característica que lo muestre. La ductilidad del material sólo corresponde a la deformación elástica que se produce, en resistencia a la tracción directa, antes del pico de estricción A.

A fin de ilustrar la ventaja de ductilidad, es suficiente imaginar el comportamiento de un tirante (un tirante de suspensión por ejemplo, empotrado por su extremo superior), sometido a una carga de tracción creciente (se agregan pesos al extremo inferior). Tan pronto como esta carga alcanza el valor del pico, se produce la ruptura y es completa (en la prueba de esfuerzo a la tracción directa, en particular, la porción post-pico sólo puede verse si la prueba se lleva a cabo en deformación).

La ductilidad de un material no elástico se caracteriza por el conjunto de la curva de esfuerzo-deformación a tracción simple, pero sólo se considera hasta el pico. También puede definirse como el cociente de la deformación a la ruptura εA por la deformación

σ

A

elástica εel = εB· correspondiente al esfuerzo de ruptura (a condición de que σA sea

σ

B

superior que σB); esta relación es igual a la del módulo elástico (pendiente OB) dividido por el módulo secante a la ruptura (esfuerzo en el pico dividido por deformación en el pico o pendiente OA).

Puede describirse la ductilidad mediante un coeficiente de ductilidad δ:

εA· σB

δ = si σA ≥σB

εB· σA

δ =1 si σA< σB

en donde εA = deformación en el pico, y

σA

εel = εB·

σB

con εel = deformación que se obtendría bajo el esfuerzo del pico al extrapolar elásticamente la deformación resultante bajo el esfuerzo de servicio.

Esta definición es perfectamente coherente con el comportamiento físico que se observa en una probeta (multifisuración): cuando tiene lugar la primera fisura, se alcanza, localmente, el pico B (que es sólo un máximo local o parcial), llamado de primera fisuración, seguido por una abertura que puede leerse en la figura 1 entre el primer pico B y el punto C, en donde la curva sube por encima del valor de este pico; en este punto, la primera fisura se estabiliza debido a que el esfuerzo de nuevo se incrementa en todo el volumen bajo esfuerzo, hasta la aparición de una segunda fisura, etc. Este comportamiento es fuerte, ya que sólo puede ser más estable en volúmenes de tamaño superior.

Otro objetivo de la presente invención es incrementar el nivel de esfuerzo en el que aparece el primer daño del hormigón (es decir las microfisuras) y de esta manera a extender el campo de uso para el hormigón (comportamiento lineal elástico).

Todavía otro objetivo de la invención es mejorar, por un efecto de sinergia entre la matriz de cemento y las fibras orgánicas, el comportamiento del hormigón tanto con respecto a la aparición de microfisuras como la propagación de macrofisuras.

Se ha descubierto que los objetivos de la invención se alcanzaban con un hormigón que combina una matriz de cemento de características determinadas y fibras orgánicas también de características determinadas.

De forma más precisa, en su forma general, la invención tiene por objeto un hormigón que comprende una matriz de cemento endurecida en la cual están dispersadas fibras orgánicas, que se obtienen al mezclar con agua una composición que contiene además de fibras orgánicas:

a): cemento,

b): elementos granulares;

c): elementos finos con reacción puzolánica,

d): por lo menos un agente de dispersión,

y caracterizado porque:

(1): los elementos granulares (b) están presentes a razón de 20 a 60% en peso de matriz de cemento y tienen un espesor de grano máximo D de cómo máximo 2 mm, preferentemente de como máximo 1 mm;

(2): los elementos finos con reacción puzolánica (c) tienen un tamaño de partícula elemental de como máximo 20 µm, preferentemente de como máximo 1 µm;

(3): el porcentaje en peso de agua con respecto al peso acumulado de cemento (a) y de los elementos (c) está comprendido entre 8% y 25%;

(4): las fibras orgánicas son unas fibras de alcohol polivinílico, fibras de poliacrilonitrilo, fibras de polietileno, fibras de polietileno de alta densidad, fibras de poliamida o de poliimida, fibras de polipropileno (homo o copo), o también unas mezclas de estas fibras y presentan una longitud individual l de por lo menos 2 mm y una relación l/φ, siendo φ el diámetro de las fibras, de por lo menos 20;

5) la cantidad de fibras es tal que su volumen representa de 1% a como máximo 8% como máximo del volumen de hormigón después de fraguar.

6) la relación R entre la longitud de fibras promedio L y el tamaño de grano máximo D de los elementos granulares es de por lo menos 5,

De esta manera, gracias a una concepción nueva del esqueleto granular y su relación con las fibras de refuerzo, esta solución resuelve el problema planteado con este compromiso entre las propiedades mecánicas y la reología.

Las propiedades de hormigón de acuerdo con la invención no se modifican sustancialmente si dentro de la matriz, elementos granulares (b) también se emplean, con un tamaño de grano que excede de 2 mm, pero en una proporción que no exceda 25% del volumen del conjunto de los componentes (a) + (b) + (c).

La presencia de esta clase granular en dicha proporción puede considerarse como una carga que no toma parte en las características mecánicas de material en la medida que:

- el tamaño de granos D50 de todos los componentes (a), (b) y (c) es de 200 µm

como máximo, preferentemente 150 µm como máximo, y

- la relación R entre la longitud de fibras promedio L y el tamaño de grano D75 del

conjunto de los componentes (a), (b) y (c) es de por lo menos 5, preferentemente

de por lo menos 10.

Por tamaño de los granos D75 y D50, se entienden respectivamente los tamaños de los tamices cuyo paso representa respectivamente 75% y 50% del volumen total de granos.

La invención por lo tanto también se refiere a un hormigón que comprende una matriz de cemento endurecida en la cual están dispersadas fibras orgánicas, que se obtiene al mezclar con agua una composición que contiene, además de las fibras orgánicas:

(a): cemento;

(b): elementos granulares, presentes a razón de 20 a 60% en peso de la matriz de cemento

(c): elementos con reacción puzolánica;

(d): por lo menos un agente dispersante,

y caracterizado porque:

(1): los elementos con reacción puzolánica tienen un tamaño de partículas elementales de 1 µm como máximo, preferentemente 0,5 µm como máximo;

(2): el porcentaje en peso de agua respecto al peso acumulado (a) del cemento y de los elementos (c) está comprendido entre 8% y 24%;

(3): las fibras orgánicas son unas fibras de alcohol polivinílico, fibras de poliacrilonitrilo, fibras de polietileno, fibras de polietileno de alta densidad, fibras de poliamida o de poliimida, fibras de polipropileno (homo o copo), o también unas mezclas de estas fibras y presentan una longitud individual l de por lo menos 2 mm y una relación l/φ, siendo φ el diámetro de las fibras, de por lo menos 20

(4): la cantidad de fibras es tal que su volumen representa de 1% a como máximo 8%

del volumen del hormigón después de fraguar,

(5): el conjunto de los elementos (a), (b) y (c) tienen un tamaño de grano D75 de 2 mm como máximo, preferentemente 1 mm como máximo, y el tamaño de grano D50 de 150 µm como máximo, preferentemente 100 µm como máximo, y

(6): la relación R entre la longitud de fibras promedio L y el tamaño de grano D75 del conjunto de los constituyentes (a), (b) y (c) es de por lo menos 5, preferentemente de por lo menos 10;

Las condiciones (3) y (5) aplican a todos los constituyentes sólidos (a), (b) y (c) en conjunto, sin fibras, y no por cada uno tomado individualmente.

En una variante, una parte de las fibras orgánicas se substituye por fibras de metal: se obtiene entonces un compuesto “híbrido”, cuyo comportamiento mecánico puede adaptarse en función de las características requeridas (parte elástica y endurecida/parte de post-pico).

La presencia de fibras orgánicas hace posible modificar el comportamiento ante el fuego del hormigón componente se definió anteriormente.

De hecho, la naturaleza fusible de estas fibras hace posible desarrollar rutas a través de las cuales el vapor o el agua bajo presión pueden escapar, cuando tiene lugar un importante incremento de temperatura.

Las fibras orgánicas pueden seleccionarse entre las fibras de alcohol polivinílico (APV), las fibras de poliacrilonitrilo (PAN), las fibras de polietileno (PE), las fibras de polietileno de alta densidad (PEHD), las fibras de polipropileno (PP), homo-o copolímeros, las fibras de poliamida o poliimida, las fibras de aramida o las fibras de carbono. Mezclas de estas fibras también pueden emplearse. Las fibras de refuerzo utilizadas de acuerdo con la invención pueden seleccionarse entre las diversas fibras disponibles en el mercado y que se clasifican en una de las tres categorías siguientes: fibras no reactivas de alto módulo, las fibras no reactivas de bajo módulo y las fibras reactivas. Los siguientes ejemplos ilustrativos se refieren, en particular, a las fibras PEHD no reactivas, el módulo de las cuales es superior al de la matriz de hormigón, las fibras de poliamida no reactivas (PA), el módulo de las cuales es menor que el de la matriz de hormigón y las fibras APV que reaccionan con la matriz de hormigón.

Los elementos de refuerzo “híbridos” pueden producirse por asociación de fibras de diversas naturalezas y/o longitudes. Los siguientes ejemplos ilustrativos se refieren más particularmente a unas fibras orgánicas APV cortas (6 mm) y a unas fibras de metal largas (13 mm) y muestran que se obtiene un efecto de sinergia de refuerzo considerable. Otros ejemplos de combinaciones semejantes son los siguientes:

fibras cortas de APV o PEHD (6 mm) y fibras largas APV (20 mm);

fibras de acero cortas (5 mm) y fibras largas APV (20 mm).

Estas fibras orgánicas pueden tener la forma de un objeto ya sea hecho como monofilamento o multifilamento, estando el diámetro del objeto entre 10 µm a 800 µm. Las fibras orgánicas pueden emplearse en la forma de estructuras tejidas o no tejidas o de un cordón híbrido (mezcla de filamentos).

La longitud individual de las fibras orgánicas, está preferentemente entre 5 mm y 40 mm.

La cantidad de fibras es tal que su volumen es inferior a 8%, y preferentemente inferior a 5% del volumen del hormigón después de fraguar.

La relación l/φ, siendo φ el diámetro de las fibras, es de por lo menos 20 y, preferentemente de 500 como máximo.

Las pruebas han mostrado que incluso una cantidad de fibras que lleva a un volumen tan bajo como 1% podía ser eficaz, tomando en cuenta la formulación de matriz.

De hecho, las dosificaciones útiles dependen en gran manera de la geometría de fibras, de su naturaleza química y de sus propiedades mecánicas intrínsecas (módulo elástico, umbral de flujo, resistencia mecánica).

Utilizar mezclas de fibras, que tienen características diferentes, permite adaptar las propiedades del hormigón respecto a las características deseadas.

Ventajosamente, la fuerza de adherencia promedio de las fibras en la matriz de cemento de ser de por lo menos 2 MPa, preferentemente de por lo menos 5 MPa, dependiendo de la naturaleza de las fibras.

Esta fuerza se determina por una prueba de extracción de una monofibra empotrada en un bloque de hormigón, como se describirá a continuación.

El nivel de adherencia fibra/matriz puede controlarse utilizando varios métodos que pueden utilizarse individualmente o en forma simultánea.

La adherencia de las fibras en la matriz de cemento puede obtenerse por reactividad entre las fibras y la matriz de cemento, que puede ser amplificada con tratamientos térmicos que se llevan a cabo sobre el hormigón (curado) o con tratamientos de superficie de las fibras.

De acuerdo con un segundo método, la fuerza de adherencia de las fibras en la matriz de cemento puede obtenerse al incluir en la composición por lo menos uno de los siguientes compuestos: compuestos de sílice que comprenden esencialmente sílice, carbonato de calcio precipitado, solución acuosa de alcohol polivinílico, unos fosfatos, unos látex, un surfactante (agente desespumante, agente humectante o similar) o una mezcla de dichos compuestos.

Por compuestos de sílice, que comprenden mayoritariamente sílice, se entienden aquí los productos de síntesis seleccionados entre las sílices de precipitación, los soles de sílice, las sílices de pirogenación (tipo aerosil), los silicoaluminatos, por ejemplo el Tixosil 28 distribuido en el mercado por RHODIA Chimie, o los productos que se obtienen por ataque de productos naturales de tipo arcilla: las esmectitas, los silicatos de magnesio, las sepiolitas, las montmorillonitas.

Preferentemente, se utiliza por lo menos una sílice de precipitación.

Por sílice de precipitación se entiende aquí una sílice que se obtiene por precipitación a partir de la reacción de un silicato de metal alcalino con un ácido, usualmente inorgánico, a un pH adecuado del medio de precipitación, particularmente un pH básico, neutro o ligeramente ácido.

En general, la cantidad de sílice de precipitación que se introduce está comprendida entre 0,1% y 5% en peso seco, con respecto a la composición total del hormigón. Más allá de 5%, usualmente se observan problemas de reología en la preparación del hormigón.

Preferentemente, la sílice de precipitación se introduce en la composición como una suspensión acuosa. Puede tratarse, en particular, de una suspensión acuosa de sílice que presenta:

-un contenido de materia seca comprendido entre 10% y 40% en peso,

-una viscosidad inferior a 4.10-2 Pa.s para una cizalladura de 50 s-1 ,

-una cantidad de sílice contenida en el sobrenadante de dicha suspensión a

7500 rpm durante 30 minutos superior a 50% del peso de sílice contenida en la

suspensión.

Esta suspensión se describe más particularmente en la solicitud de patente WO-A96/01787. La suspensión de sílice Rhoximat 60 SL distribuida en el mercado por RHODIA Chimie, es particularmente conveniente para este tipo de hormigón.

Ventajosamente, la matriz del hormigón también comprende componentes capaces de mejorar la tenacidad de la matriz, que se eligen entre elementos en forma de agujas o plaquetas que tienen un tamaño promedio de 1 mm como máximo, y presentes en una proporción de volumen comprendida entre 2,5% y 35% del volumen acumulado de los elementos granulares (b) y puzolánicos (c). Preferentemente, la tenacidad de la matriz es de por lo menos 15 J/m2, ventajosamente de por lo menos 20 J/m2.

Por “matriz de cemento” se entiende la composición de cemento endurecida, sin fibras.

Los elementos granulares esencialmente son arenas finas o mezclas de arenas finas, ya sea tamizadas, o molidas, que pueden comprender ventajosamente arena de sílice, particularmente harina de cuarzo.

El tamaño máximo D de estos elementos es preferentemente de 1 mm o 500 µm como máximo.

Estos elementos granulares están en general presentes a razón de 20% a 60% en peso de la matriz de cemento, preferentemente 25% a 50% en peso de dicha matriz.

La relación R entre la longitud promedio L de las fibras y el tamaño de granos máximo D de los elementos granulares es de por lo menos 5, particularmente cuando los elementos granulares tienen un tamaño de granos máximo de 1 mm.

El cemento de la composición de acuerdo con la invención es ventajosamente un cemento Portland tal como los cementos Portland CPA PMES, HP, HPR, CEM I PMES, 52,5 ó 52,5R o HTS (alto contenido de sílice).

Los elementos finos con reacción puzolánica tienen un tamaño de partícula elemental de por lo menos 0,1 µm, y como máximo 20 µm, preferentemente como máximo 0,5 µm. Pueden seleccionarse entre las sílices, tales como las cenizas volantes, las escorias de alto horno, los derivados de arcillas tales componente el caolín. La sílice puede ser vapor de sílice de la industria del circonio, en lugar de vapor de sílice de la industria del silicio.

El porcentaje en peso de agua/cemento de la composición de acuerdo con la invención puede variar cuando se utilizan substitutos del cemento, más particularmente elementos de reacción puzolánica. El porcentaje de agua se define por la relación ponderal de la cantidad de agua E respecto al peso acumulado del cemento y de los elementos de reacción puzolánica: varía entre aproximadamente 8% y 25% o entre 13% y 25%.

La composición de acuerdo con la invención también comprende un agente dispersante. Este agente dispersante es en general un agente fluidizante. El agente fluidizante puede seleccionarse entre: los lignosulfonatos, la caseína, los polinaftalenos, en particular los polinaftalensulfonatos de metales alcalinos, los derivados del formaldehído, los poliacrilatos de metales alcalinos, los policarboxilatos de metales alcalinos y polióxidos de etileno injertados. En general, la composición de acuerdo con la invención comprende entre 0,5 y 2,5 partes en peso de agente fluidizante por 100 partes en peso de cemento.

Pueden agregarse otros aditivos a la composición de acuerdo con la invención, por ejemplo, un agente desespumante. A título de ejemplo, se pueden citar en particular los desespumantes a base de polidimetilsiloxanos.

Entre este tipo de agentes, se pueden mencionar en particular las siliconas en forma de una solución, de un sólido y preferentemente en forma de una resina, de un aceite o de una emulsión, preferentemente en agua. Más particularmente convenientes son las siliconas que esencialmente comprenden unos motivos M (RSiO0,5) y D (R2Sio). En estas fórmulas, los radicales R, idénticos o diferentes, se eligen más particularmente entre el hidrógeno y los radicales alquilos que comprenden 1 a 8 átomos de carbono, siendo el radical metilo el preferido. El número de motivos está preferentemente comprendido entre 30 y 120.

La cantidad de dicho agente en la composición es generalmente como máximo de 5 partes en peso por 100 partes de cemento.

Todos los tamaños de partícula se miden utilizando MET (microscopía electrónica de transmisión) o MEB (microscopía electrónica por barrido).

El hormigón se prepara utilizando cualquier método conocido por el experto en la materia, entre los cuales el mezclado de los componentes sólidos y del agua, conformado (moldeo, colado, inyección, bombeo, extrusión, calandrado), y luego endurecimiento.

El hormigón obtenido puede someterse a un curado por un período de tiempo necesario a fin de obtener las características mecánicas deseadas a una temperatura comprendida entre la temperatura ambiente y 100ºC, en particular un curado entre 60ºC y 100ºC. El tiempo de curado puede estar comprendido entre 6 horas y 4 días, con una duración óptima del orden de 2 días, el curado se inicia después de terminación de fraguado de la mezcla y por lo menos un día después del inicio del fraguado.

El curado se realiza en ambiente seco o húmedo o por ciclos que alternan ambos ambientes, por ejemplo un curado de 24 horas en ambiente húmedo seguido por un curado de 24 horas en ambiente seco.

Este curado se realiza en hormigones que han completado su fraguado, preferentemente con por lo menos un día de edad, y más preferente cuando menos 7 días de edad aproximadamente.

La adición del polvo de cuarzo es particularmente útil cuando el hormigón se cura a alta temperatura.

Los hormigones obtenidos de acuerdo con la invención presentan en general una resistencia al esfuerzo de tracción directa Rt de por lo menos 6 MPa, con un comportamiento que puede presentar una cierta ductilidad.

También pueden presentar una resistencia a flexión 4 puntos Rf de por lo menos 20 MPa, una resistencia a la compresión Rc de por lo menos 140 MPa y una energía a la ruptura Wf de por lo menos 2000 J/m2.

La tenacidad de la matriz de cemento se obtiene particularmente al agregar a la composición de cemento agentes de refuerzo con una forma anisotrópica y un tamaño promedio de 1 mm como máximo, preferentemente 500 µm como máximo.

En general, los agentes de refuerzo de la composición de acuerdo con la invención están presentes en forma acicular o de plaquetas.

Por “tamaño” de los microrrefuerzos, se entiende el tamaño promedio de su dimensión más grande (más particularmente, la longitud para las formas de agujas).

Estos agentes pueden ser productos naturales o de síntesis.

Los agentes de refuerzo en forma de agujas pueden seleccionarse entre fibras de wollastonita, fibras de bauxita, fibras de mullita, fibras de titanato de potasio, fibras de carburo de silicio, fibras de fosfatos, por ejemplo fibras de fosfato de calcio, más particularmente hidroxiapatita (HAP), fibras de celulosa o sus derivados, fibras de carbono, fibras de carbonato de calcio, fibras de vidrio (resistentes a los álcalis). Fibras cortas (longitud como máximo de 2 mm, preferentemente como máximo de 1 mm) de alcohol polivinílico, poliacrilonitrilo, polietileno de alta densidad, poliamida, aramida o polipropileno, también pueden ser empleadas. Materiales tales como lana de acero, también se incluyen en la definición de los agentes de refuerzo de acuerdo con la invención.

Los agentes de refuerzo en forma de plaquetas pueden seleccionarse entre las plaquetas de mica, las plaquetas de talco, las plaquetas de silicatos mixtos (arcillas), las plaquetas de vermiculita, las plaquetas de alúmina.

Es posible utilizar una mezcla de estas diversas formas o tipos de agentes de microrrefuerzo en la composición del hormigón de acuerdo con la invención.

Estos agentes de refuerzo pueden presentar en la superficie un revestimiento orgánico de polímero que se obtiene a partir de por lo menos uno de los siguientes componentes: alcohol polivinílico, silanos, siliconatos, resinas siloxanos o poliorganosiloxanos o los productos de reacción entre (i) por lo menos un ácido carboxílico que contiene de 3 a 22 átomos de carbono, (ii) por lo menos una amina aromática o alifática polifuncional o amina substituida, que contiene de 2 a 25 átomos de carbono y (iii) un agente de reticulación que es un complejo de metal hidrosoluble, que contiene por lo menos un metal seleccionado entre: el zinc, el aluminio, el titanio, el cobre, el cromo, el hierro, el circonio y el plomo.

El espesor de este revestimiento puede variar entre 0,01 µm y 10 µm, preferentemente entre 0,1 µmy1 µm.

Los látex pueden seleccionarse entre los látex de estireno-butadieno, los látex acrílicos, los látex estireno-acrílicos, los látex metacrílicos, los látex carboxilados y fosfonados. Los látex que presentan funciones complejantes del calcio se prefieren.

El revestimiento orgánico polímero puede obtenerse por tratamiento en lecho fluido

o con la ayuda de un mezclador de tipo FORBERG de las fibras de refuerzo en presencia de uno de los compuestos anteriormente definidos.

Los compuestos siguientes son los preferidos: el poliorganosiloxano H240, las resinas siloxanos Rhodorsil 878, 865 y 1830 PX, el Manalox 403/60/WS y WB LS 14, todos comercializados por RHODIA Chimie, los siliconatos de potasio.

Este tratamiento se recomienda particularmente para los agentes de refuerzo que son productos naturales.

El hormigón ya puede ser precargado en pretensión con alambre adherente o cordón adherente, o precargado en post-tensión por monocordones envainados engrasados o por una barra o cable envainado, estando el cable constituido por un ensamblaje de alambres o constituido por cordones.

La precarga, ya sea en forma de pretensado o postensado, es particularmente bien adecuada para productos de hormigón de acuerdo con la invención.

En efecto, los cables de pretensado de metal siempre tienen resistencias a tracción muy elevadas (mal utilizadas), ya que la fragilidad de la matriz que los contiene no permite optimizar las dimensiones de los elementos estructurales de hormigón.

Ya se ha obtenido una mejora utilizando hormigones de altas características; en el caso del hormigón de acuerdo con la invención, el material se refuerza homogéneamente con unas fibras orgánicas o híbridas, que le permiten alcanzar altas características mecánicas simultáneamente con cierta ductilidad. El pretensado de este material por medio de cables o cordones, cualquiera que sea su modo, se emplea entonces casi completamente, de manera tal que se crean elementos de hormigón pretensados muy resistentes a tracción y a flexión y por lo tanto optimizados.

La reducción de volumen que se obtiene, como resultado de este incremento en las resistencias mecánicas, puede generar elementos prefabricados muy ligeros. Por ello, se tiene entonces la posibilidad de tener elementos de hormigón de una gran extensión fácilmente transportables debido a su peso ligero; esto está particularmente bien adecuado para construir grandes obras de arte, en las que se emplea ampliamente la precarga por postensado. La solución presenta entonces para este tipo de trabajo ganancias de montaje y tiempos de duración de obra particularmente favorables.

Además, el tratamiento térmico reduce significativamente la contracción después del curado, limitando de esta manera las pérdidas de pretensado en el tiempo.

Esta propiedad es particularmente buscada y el conjunto de las ventajas anteriormente mencionadas asociadas a la muy baja permeabilidad del producto, muy ventajosos para la durabilidad y el mantenimiento de obras de arte en el tiempo, hacen que este material pueda ser válidamente un sustituto ventajoso de obras realizadas en acero.

La invención también se refiere a una matriz de cemento adaptada para obtener y utilizar el hormigón anteriormente definido.

Finalmente, la invención se refiere a las premezclas que contienen los constituyentes necesarios para la preparación del hormigón y de la matriz como se definen anteriormente.

Los siguientes ejemplos ilustran la invención, pero sin limitar su alcance.

Preparación de muestras

1) Materias primas 2) Modo de fabricación

-: Cemento Portland: alto contenido de sílice, tipo HTS (LAFARGE Francia).

-: Arena: Arena de cuarzo BE31 (SIFRACO Francia).

-: Harina de cuarzo: calidad C400, con 50% de granos inferiores a 10 µm (SIFRACO Francia).

-: Vapor de sílice: microsílice vítrea que se obtiene en la fabricación del circonio (SEPR Francia).

-: Adyuvante: superplastificante X 404 (MAPEI Italia) Francia) superplastificante líquido. u OPTIMA 100 (CHRYSO

-: Fibras: las fibras orgánicas son de APV (KURARAY RM182, RF1500 y RF4000, UNITIKA 1800), de PEHD (DSM Dyneema), o fibras de PA (FILTEC PAK 50). Están presentes en forma de monofilamentos con un diámetro de 50 µm a 600 µm para una longitud que va de 5 a 32 mm. Las dosificaciones utilizadas son de 1% a 5% en volumen (con respecto al volumen total).

-: Elementos de refuerzo en forma de agujas: wollastonita (CaSiO2) grado NYAD G (NYCO USA).

-: Elemento de refuerzo con forma de plaquetas: mica (moscovita) grado MG 160 (KAOLINS D’ARVOR Francia).

Los componentes se mezclan en el siguiente orden: -malaxado de los componentes pulverulentos de la matriz y de los componentes

adicionales, -introducción del agua y parte de los adyuvantes, -malaxado, -introducción de la fracción restante de agentes fluidizantes, -malaxado, -introducción de las fibras de refuerzo, -malaxado.

La duración del tiempo de malaxado depende en gran manera del tipo de malaxador empleado (EIRICH o HOBART). La desgasificación puede hacerse más fácil por un malaxado a velocidad reducida al final del proceso. Los moldes son entonces llenados y vibrados de acuerdo con los procedimientos usuales.

3) Curado

-Madurado a 20ºC. Las probetas se desmoldean 48 horas después de colado. Luego se someten a un tratamiento que consiste en almacenarlas bajo agua a aproximadamente 20ºC por lo menos 14 días. Las probetas se mecanizan (dependiendo de la prueba a realizar) 26 a 28 días después de colado y la prueba se realiza los siguientes días.

-Tratamiento térmico a 90ºC. Las probetas se desmoldean 48 horas después de colada. Luego se someten a un tratamiento térmico que consiste en almacenarlas en un horno a 90ºC por 24 horas en aire húmedo (>90ºC RH), seguido por 24 horas en aire seco. El eventual mecanizado se realiza 6 días después de colada y la prueba se lleva a cabo los siguientes días (7 días mínimo después de colada).

Métodos de medición Comportamiento a tracción directa: Rt

Se trata del valor que se obtiene a tracción directa en probetas en forma de halteras que se mecanizan a partir de prismas de 70 x 70 x 280 mm a fin de tener una sección útil de 70 x 50 mm2 por 50 mm de alto. Las probetas, alineadas cuidadosamente, se montan rígidamente en el banco de prueba (UTS) con un sólo grado de libertad (sin unión por rótula de tipo cardán).

F max

Rt=

70 x50 en donde Fmax representa la resistencia máxima en N (pico) para una ruptura que tiene

lugar en la sección central 70 x 50.

Coeficiente de ductilidad: δ

El coeficiente de ductilidad δ se define por la relación:

εA· σB

δ = si σA ≥σB

εB· σA en donde εA es la deformación en el pico, y σA

εel = εB·

σB

es la deformación que se obtendría bajo el esfuerzo del pico al extrapolar elásticamente la deformación que se obtiene bajo el esfuerzo de servicio.

Comportamiento a flexión: Rf

i) Flexión 4 puntos Rf es el valor que se obtiene a flexión 4 puntos (distancia entre ejes: 70 x 120) en probetas prismáticas de 70 x 70 x 280 mm montadas sobre apoyos en forma de rótula. 3Fmax (l -l’)

Rf =

2dw2

en donde Fmax representa la resistencia máxima en N (resistencia en el pico), l = 210 mm yl’ = l/3 yd= w=70mm.

ii) Flexión de 3 puntos

El valor que se obtiene a flexión de 3 puntos Rf (distancia entre ejes: 220) se obtiene en probetas prismáticas de 40 x 40 x 250 mm montados sobre apoyos en forma de rótula.

3Fmaxl Rf = 2dw2

en donde Fmax representa la longitud máxima en N (fuerza en el pico), l = 200 mm, y d =w= 40mm.

Comportamiento a compresión: Rc

Rc es el valor que se obtiene a compresión directa en una muestra cilíndrica rectificada (diámetro 70 mm/altura 140 mm).

4F Rc =

πd2

en donde F representa la resistencia a la ruptura en N y d el diámetro de las muestras (70 mm).

Tenacidad: Kc, Gc

La tenacidad se expresa ya sea en términos de esfuerzo (factor de intensidad de esfuerzo crítico: Kc) o bien en términos de energía (porcentaje crítico de energía: Gc), utilizando el formalismo de Mecánica Lineal de Ruptura).

Las pruebas se realizan a flexión de 3 puntos a partir de prismas entallados 40 x 40 x 250 ó 70 x 70 x 280 mm, es decir muestras de geometría SENB (procedimiento ASTM-E 399-83). Una entalla con perfil en V se realiza en seco en estos prismas utilizando una fresadora equipada con un disco diamantado. La profundidad relativa a/w de la entalla es de 0,4 (a: profundidad de entalla, w: altura de muestra).

El factor crítico de intensidad de esfuerzo Kc se obtiene a partir de la carga de ruptura F y de la longitud de la fisura a en el punto de inestabilidad (prueba de desplazamiento condicionado, a 10-2 mm/s, en máquina de prueba universal SCHENCK):

3Fl

Kc= imagen1 aY

2dw2

en la que:

l representa la distancia entre ejes entre puntos de soporte (banco de flexión) = 210 mm,

d y w respectivamente son la profundidad y altura de la muestra,

a es la longitud de la entalla en el momento de la ruptura,

Y es un parámetro de forma que depende de la longitud de fisura (α = a/w). En flexión de 3 puntos, se utiliza preferentemente el parámetro Y de acuerdo con SRAWLEY J.E. (International J. of Fracture (1976), vol. 12, páginas 475-476).

Y = 1,99 -α(1 -α) (2,15 -3,93α + 2,7α2 (1 +2α) (1 -α)3/2

Gc puede obtenerse a partir de las curvas fuerza-desplazamiento, a condición de 5 extraer las contribuciones debidas a las deformaciones parásitas y de llevar de nuevo la energía disipada a la sección de ligamento: (w -a) x d.

En deformación planar, hay una relación simple entre Kc y Gc:

Gc= Kc2(1-v2) E 10 en donde:

E es el módulo elástico,

15 v representa el coeficiente de Poisson,

E se obtiene experimentalmente al vibrar una muestra prismática sobre dos soportes, a partir de la determinación de frecuencia fundamental (método GRINDOSONIC).

20

Energía de fracturado: Wf

Wf es el valor que se obtiene al determinar el área total bajo la curva de fuerza-flecha, sobre una prueba de flexión 4 puntos en prisma de 70 x 70 x 280 mm. La flecha 25 medida se corrige a fin de determinar el desplazamiento real de la muestra.

∫ Fδc

Wf =

dw

en donde F es la fuerza aplicada, δc es el desplazamiento real (flecha corregida), d x w la sección de la muestra.

30 Adherencia

En cuanto a la adherencia de las fibras orgánicas en la matriz de cemento, la fuerza se determina por una prueba de extracción de una monofibra empotrada en un 35 bloque de hormigón.

Los hilos se empotran en unos bloques de hormigón, las dimensiones de los cuales son 4 x 4 x 4 cm. La composición que se utiliza es la misma que la empleada para las probetas en la prueba mecánica (flexión, compresión y tracción): la relación agua/cemento

40 se establece en 0,25.

Los hilos empotrados en la longitud de 10 mm se extraen por tracción utilizando una máquina de prueba universal (SCHENK), con una velocidad de 0,1 mm/min.

El esfuerzo ejercido se mide por medio de un captador de fuerza adaptado, y el desplazamiento del hilo (con respecto a la muestra) mediante un captador de extensiometría.

La fuerza de adherencia promedio se evalúa a partir de la siguiente fórmula simplificada: Fmax

τd= πφle

en donde Fmax es la fuerza máxima medida, φ es el diámetro de hilo y le es la longitud de empotrado.

EJEMPLOS

Se han realizado unos hormigones de fibras utilizando las fibras definidas en las siguientes tablas I a IV, las composiciones de estos hormigones se definen en las siguientes tablas II a VI. Estas composiciones están expresadas en peso.

Las características de estos hormigones se indican en las siguientes tablas II a V, así como en las figuras 2 a 14.

En estas figuras:

La figura 2 es un gráfico que se obtiene por pruebas de flexión 4 puntos con en ordenadas, los valores de esfuerzo (MPa) y en abscisas, los valores de la flecha (mm) para muestras de hormigón, con una relación E/C = 0,2 y una maduración a 20ºC (28 días): comparación de las fibras de acero (Steel Cord) y de las fibras orgánicas (APV).

La figura 3 es un gráfico que se obtiene por pruebas de flexión 4 puntos con en ordenadas, los valores de esfuerzo (MPa) y en abscisas los valores de la flecha (mm) para muestras de hormigón con una relación E/C = 0,2 y un tratamiento térmico a 90ºC: comparación de las fibras de acero (Steel Cord) y de las fibras orgánicas (APV).

La figura 4 muestra un gráfico que se obtiene por pruebas de tracción directa con, en ordenadas los valores de esfuerzo (MPa) y en abscisas los valores de alargamiento (mm) para muestras de hormigón, con una relación E/C = 0,2 y una maduración a 20ºC (28 días): fibras orgánicas (APV).

La figura 5 muestra un gráfico que se obtiene por pruebas de tracción directa con, en ordenadas, los valores de esfuerzo (MPa) y en abscisas los valores de alargamiento (mm) para muestras de hormigón con una relación E/C = 0,2 y un tratamiento térmico a 90ºC: fibras orgánicas (APV).

La figura 6 muestra un gráfico que se obtiene pro pruebas de tracción directa con, en ordenadas, los valores de esfuerzo (MPa) y en abscisas, los valores de alargamiento (mm) para muestras de hormigón que contienen wollastonita, con una relación E/C = 0,24 y un tratamiento térmico a 20ºC (28 días): fibras orgánicas (APV).

El criterio de utilidad δ ha variado de 3 a 5 aproximadamente.

La figura 7 es un gráfico que se obtiene por pruebas de flexión en 3 puntos, con en ordenadas, los valores del esfuerzo (MPa) y en abscisas los valores de la flecha (mm) para muestras de hormigón, con una relación E/C = 0,25 y un tratamiento térmico a 90ºC: fibras APV RF 1500.

La figura 8 es un gráfico que se obtiene por pruebas de flexión en 3 puntos, con en ordenadas, los valores del esfuerzo (MPa) y en abscisas, los valores de la flecha (mm) para muestras de hormigón, con una relación E/C = 0,25 y un tratamiento térmico a 90ºC: fibras APV RF 1500 de diferente longitud (10 mm a 30 mm), y

La figura 9 es un gráfico que se obtiene por pruebas de flexión en 3 puntos, con en ordenadas, los valores del esfuerzo (MPa) y en abscisas, los valores de la flecha (mm) para muestras de hormigón, con una relación E/C = 0,25 y un tratamiento térmico a 90ºC: fibras PEHD.

-: la figura 10 es un gráfico que se obtiene por pruebas de flexión en 3 puntos, que muestran el efecto de una mezcla de fibras orgánicas APV (2% en volumen de RF 1500 y 2% en volumen de RF 4000) en una matriz de hormigón con una relación E/C = 0,25 y un tratamiento térmico a 90ºC durante 48 horas.

-: la figura 11 es un gráfico que representa las curvas de esfuerzo/desplazamiento que se obtienen en pruebas de flexión de 3 puntos con las composiciones 18 y 19 con fibras PEHD en la tabla V.

-la figura 12 es un gráfico análogo al de la figura 11 que se obtiene con composiciones 20 y 21, con las fibras PA en la tabla V.

-la figura 13 es un gráfico similar al de las figuras 11 y 12 que se obtiene con las composiciones 22, 23 y 24 con fibras APV y 25 con híbridos APV/acero en la tabla

V.

-la figura 14 es un gráfico similar al de las figuras 11 a 13, para comparar los comportamientos de fibras de naturalezas diferentes según las composiciones 18 (PEHD), 20 (PA) y 23 (APV) en la tabla V.

-la figura 15 es un gráfico que ilustra los resultados que se obtienen en las pruebas de arrancado monofibra con diversas naturalezas de fibras, con en ordenadas, la fuerza que se aplica y en las abscisas el desplazamiento, con la matriz de la composición indicada en la tabla VI.

Los resultados obtenidos en flexión de 3 puntos en los ejemplos 18 a 25, corresponden a pruebas realizadas utilizando una distancia de 120 mm entre ejes en probetas prismáticas 40 x 40 x 160 mm.

El efecto de refuerzo generado por unas fibras dispersadas en una matriz de hormigón, es puesto claramente en evidencia a través de pruebas de flexión (4 puntos): figuras 2 y 3. Las fibras de alcohol polivinílico (APV) incorporadas a un porcentaje de 4% en volumen, conducen a un comportamiento similar al obtenido con una dispersión de fibras de acero (2% vol.). El tratamiento térmico (90ºC) desarrolla una cierta reactividad entre las fibras APV y la matriz de hormigón: por lo tanto, un esfuerzo pico elevado observado en flexión (4 puntos)

En tracción directa (figuras 4 y 5), se observa un efecto de endurecido importante (ductilidad) en presencia de fibras de alcohol polivinílico al 4% en volumen (APV): se observa una multifisuración importante en las probetas de tracción. Este fenómeno no se observa en el caso de fibras de acero, debido a su alta rigidez y la adherencia promedio de estas fibras en la matriz de hormigón. El valor en el pico se mejora substancialmente en el caso de un tratamiento térmico a 90ºC.

Se observan comportamientos similares en el caso de fibras APV dispersadas en una matriz que contiene wollastonita (figura 6), con incremento del esfuerzo de primer daño.

En presencia de fibras orgánicas, los hormigones probados a flexión de 3 puntos muestran alta ductilidad: endurecimiento importante hasta el esfuerzo pico, energía disipada post-pico. Esto se observa tanto para las fibras de alcohol polivinílico APV (figura 7) como para las fibras de polietileno de alta densidad PEHD (figura 9).

La longitud de fibras debe optimizarse: compromiso entre la reología y las propiedades mecánicas. Por ejemplo, para fibras APV que tienen aproximadamente un diámetro de 400 µm, se han observado en flexión de 3 puntos que hay transición respecto a la longitud de fibras hacia 18 mm aproximadamente (figura 8). Esto da un factor de elongación en el orden de 50.

La ventaja de una mezcla de fibras se ilustra en la figura 10. Se ha observado que unas fibras APV e dimensiones medianas (KURARAY 1500: 4% en vol.) conducen a una ganancia a resistencia a flexión (esfuerzo pico) del hormigón: por otra parte, unas fibras APV de dimensiones mayores (KURARAY 4000: 4% en vol.) inducen a una disipación de energía importante en flexión (porción post-pico) pero en detrimento por el contrario de la resistencia (esfuerzo pico).

Una asociación de los dos tipos de fibras permite, de manera sorprendente, obtener un hormigón reforzado que presenta (por ejemplo a flexión) a la vez una mejora en la resistencia a flexión (esfuerzo pico) y de la energía disipada (ductilidad): (figura 10).

Efectos en este sentido pueden desarrollarse por un refuerzo híbrido: asociación de fibras orgánicas y fibras de metal.

La invención no se limita a las modalidades que se han descrito.

TABLA I Características de las fibras orgánicas estudiadas

Densidad: Módulo E Resistencia Elongación Diámetro Longitud Punto de

(Gpa): mecánica a la ruptura (µm) (mm) fusión (ºC)

(MPa): (%)

APV: 1,3 20-30 800-1200 7-10 220

RM182: 15 6

RF350: 200 12

RF1500: 400 20/30

RF4000: 600 30

PEHD: 0,97 90 2700 3-5 150

50: 5

50: 10

50: 18

PA: 1,12 2-5 500-900 20-30 260

500: 20

500: 30

Acero: 7,6 210 2900 200 13 1550

5: TABLA II

10: Evaluación de las características mecánicas de hormigones con fibras: comparación fibras APV/fibras de acero

Ejemplo nº: 1 2 3 4 5 6 7 8

Cemento Portland: 1 1 1 1 1 1 1 1

Arena: 1,430 1,430 1,430 1,430 1,430 1,430 1,29 1,29

Harina de cuarzo: 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300

Vapor de sílice: 0,325 0,325 0,325 0,325 0,325 0,325 0,325 0,325

Adyuvante (extracto seco): 0,012 0,012 0,012 0,012 0,012 0,012 0,015 0,015

Agua: 0,200 0,200 0,24 0,24 0,20 0,20 0,24 0,24

Fibras: tipo Fibras: % vol: Sin Sin Acero 2% Acero 2% APV 4% APV 4% APV 4% APV 4%

Wollastonita: 0 0 0 0 0 0 10 10

Mica: 0 0 0 0 0 0 0 0

Maduración o tratamiento térmico (T ºC): 20 90 20 90 20 90 20 90

Resistencia a la flexión 4 puntos: 16,6 16,5 18,5 21,3 23 27,5 22 27

Resistencia a la tracción (MPa): 7,1 6,75 7,75 10,75 9 8,5 9,25 9,45

Tenacidad Gc (J/m2): 9,2 10 10 10,5 9,75 10,25 20 22

Resistencia a compresión: 190 198 155 182,5 138 147,5 143 147

Energía disipada Wf (J/m2): 12 15 >5000 >5000 >5000 >5000 >5000 >5000

Tipo de fibra: APV = alcohol polivinílico

TABLA III

Evaluación de las características mecánicas que se obtienen con diferentes fibras orgánicas

Ejemplo nº: 9 10 11 12 13

Cemento Portland: 1 1 1 1 1

Arena: 1,430 1,430 1,430 1,430 1,430

Harina de cuarzo: 0,300 0,300 0,300 0,300 0,300

Vapor de sílice: 0,325 0,325 0,325 0,325 0,325

Adyuvante (extracto seco): 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

Agua: 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25

Fibras: tipo Fibras % en vol.: APV 1500 4 APV 4000 4 APV 1800 PEHD 1 PAN 1,5

Madurado o tratamiento térmico (T ºC): 90 90 90 90 90

Resistencia a la flexión de 3 puntos (MPa): 35 27 25 22,5 20

Tenacidad Gc (J/m2): 10 10 11,25 11 10

Resistencia a la compresión (MPa): 142 145 152,5 145

Tipo de fibra APV = alcohol polivinílico KURARAY (1500, 4000), UNITIKA (1800) PEHD = polietileno de alta densidad

10

PAN = poliacrilonitrilo

TABLA IV 15 Fibras APV (1500): efecto de la longitud de las fibras

Ejemplo nº: 14 15 16 17

Cemento Portland: 1 1 1 1

Arena: 1,430 1,430 1,430 1,430

Harina de cuarzo: 0,300 0,300 0,300 0,300

Vapor de sílice: 0,325 0,325 0,325 0,325

Adyuvante (extracto seco): 0,01 0,01 0,01 0,01

Agua: 0,25 0,25 0,25 0,25

Fibras: longitud (mm) Fibras % en vol.: 30 4 18 4 12 4 6 4

Madurado o tratamiento térmico (T ºC): 90 90 90 90

Resistencia a la flexión de 3 puntos (MPa): 35 30 16,5 12

Resistencia a la compresión (MPa): 145 152 132,5 135

Tipo de ruptura: Dúctil Dúctil Sin endurecido Semi-frágil

TABLA V

Ejemplo nº: 18 19 20 21 22 23 24 25

Cemento Portland: 1 1 1 1 1 1 1 1

Vapor de sílice: 0,325 0,325 0,325 0,325 0,325 0,325 0,325 0,325

Harina de cuarzo: 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

Arena: 1,43 1,43 1,43 1,43 1,43 1,43 1,2 1,43

Wollastonita: - - - - - - 0,24 -

Adyuvante (extracto seco): 0,018 0,018 0,018 0,018 0,019 0,017 0,018 0,018

Agua (E/C): 0,25 0,25 0,22 0,22 0,19 0,21 0,21 0,25

Fibras: naturaleza: PEHD PEHD PA PA APV APV APV APV Acero

Fibras: longitud (mm): 5 10 20 30 12 20 20 6 13

Fibras: diámetro (mm): 0,05 0,05 0,5 0,5 0,2 0,4 0,4 0,015 0.2

Fibras: % vol.: 1,5 1 5 5 4 4 4 1 2

Tratamiento térmico (T ºC): 90 90 90 90 90 90 90 90

Resistencia a tracción en 3 puntos 40x40x160 mm: 26,5 24,6 20,4 21,3 20,5 24,9 27,9 44,0

Resistencia a compresión MPa: 121 185 122 139 150 137 140 178

TABLA VI Composición de la matriz empleada para las pruebas de arrancado (pull-out)

Cemento Pórtland: 1

Arena: 1,43

Harina de cuarzo: 0,3

Vapor de sílice: 0,325

Adyuvante (extracto seco): 0,018

E/C: 0,25

Maduración o tratamiento térmico (T ºC): 90

Claims

Reivindicaciones

1. Hormigón que comprende una matriz de cemento endurecida en la cual están dispersadas fibras orgánicas, que se obtiene al mezclar con agua una composición que contiene además de las fibras:

(a)

cemento,

(b)

elementos granulares,

(c) elementos finos con reacción puzolánica, (d) por lo menos un agente dispersante y caracterizado porque:

(1)

los elementos granulares (b) están presentes a razón de 20 a 60% en peso de matriz de cemento y tienen un tamaño de grano máximo D de 2 mm como máximo, preferentemente 1 mm como máximo,

(2)

los elementos finos con reacción puzolánica (c) tienen un tamaño de partícula elemental de 20 µm como máximo, preferentemente 1 µm como máximo,

(3)

el porcentaje en peso del agua con respecto al peso acumulado de cemento (a) de los elementos (c) está comprendido entre 8% y 25%,

(4)

las fibras orgánicas son unas fibras de alcohol polivinílico, fibras de poliacrilonitrilo, fibras de polietileno, fibras de polietileno de alta densidad, fibras de poliamida o de poliimida, fibras de polipropileno (homo o copo), o también unas mezclas de estas fibras y presentan una longitud individual l de por lo menos 2 mm y una relación l/φ, siendo φ el diámetro de las fibras, de por lo menos 20;

(5)

la cantidad de fibras es tal que su volumen representa de 1% a como máximo 8% como máximo del volumen del hormigón después de fraguar,

(6)

la relación R entre la longitud de las fibras promedio L y el tamaño de grano máximo D de los elementos granulares es de por lo menos 5.
2. Hormigón que comprende una matriz de cemento endurecida en la cual están dispersadas fibras orgánicas, que se obtienen al mezclar con agua una composición que contiene además de las fibras:

(a)

cemento,

(b)

elementos granulares, presentes a razón de 20 a 60% en peso de la matriz de cemento;

(c)

elementos finos con reacción puzolánica,

(d)

por lo menos un agente dispersante,

y caracterizado porque:

(1)

los elementos finos con reacción puzolánica tienen un tamaño de partículas elementales de 1 µm como máximo, preferentemente 0,5 µm como máximo,

(2)

el porcentaje en peso del agua con respecto al peso acumulado del cemento (a) y de los elementos (c) está comprendido entre 8% y 24%,

(3)

las fibras orgánicas son unas fibras de alcohol polivinílico, fibras de poliacrilonitrilo, fibras de polietileno, fibras de polietileno de alta densidad, fibras de poliamida o de poliimida, fibras de polipropileno (homo o copo), o también unas mezclas de estas fibras y presentan una longitud individual l de por lo menos 2 mm y una relación I/φ, siendo φ el diámetro de las fibras, de por lo menos 20

(4)

la cantidad de fibras es tal que su volumen representa de 1% a 8% como máximo del volumen del hormigón después de fraguar,

(5)

todos los constituyentes (a), (b) y (c) tienen un tamaño de grano D75 de 2 mm como máximo, preferentemente 1 mm como máximo, y un tamaño de grano D50 de 150 µm como máximo, preferentemente 100 µm como máximo, y

(6)

la relación R entre la longitud de fibras promedio L y el tamaño de granos D75 del conjunto de los constituyentes (a), (b) y (c) es por lo menos 5, preferentemente 10.
3.

Hormigón según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque presenta en tracción directa, una ductilidad expresada en términos de coeficiente de ductilidad δ, de δ>1, preferentemente δ>1,25.
4.

Hormigón según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la relación I/φ de las fibras es como máximo de 500.
5.

Hormigón según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la fuerza de adherencia promedio de las fibras en la matriz de cemento endurecido es de por lo menos 2 MPa, preferentemente de por lo menos 5 MPa.
6.

Hormigón según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la matriz de cemento contiene complementariamente por lo menos uno de los siguientes compuestos, que tienen como función incrementar la adherencia de las fibras en la matriz: los compuestos de sílice que comprenden mayoritariamente sílice, carbonato de calcio precipitado, alcohol polivinílico en solución acuosa, unos fosfatos, unos látex, un agente desespumante, o una mezcla de dichos compuestos.
7. Hormigón según la reivindicación 6, caracterizado porque el compuesto de sílice es sílice de precipitación introducida en un contenido comprendido entre 0,1% y 5% en peso, expresado en seco, con respecto al peso total del hormigón.
8.

Hormigón según la reivindicación 7, caracterizado porque la sílice de precipitación se introduce en la composición en forma de una suspensión acuosa.
9.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una parte de las fibras orgánicas se sustituye por fibras de metal, fibras de metal que tienen preferentemente una longitud individual de por lo menos 2 mm y una relación de elongación l/φ (siendo φ el diámetro de fibras) de por lo menos 20.
10.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una asociación de fibras orgánicas y/o de metal cortas y largas.
11.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque comprende unos constituyentes capaces de mejorar la tenacidad de la matriz, que se eligen entre unos elementos en forma de agujas o de plaquetas que tienen un tamaño promedio de 1 mm como máximo, y están presentes en una proporción en volumen comprendida entre 2,5% y 35% del volumen acumulado de los elementos granulares (b) y los elementos de reacción puzolánica (c).
12.

Hormigón según la reivindicación 11, caracterizado porque la tenacidad de la matriz de cemento es de por lo menos 15 J/m2.
13.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la tenacidad de la matriz se obtiene por adición a la composición de cemento de agentes de refuerzo con una forma anisotrópica y un tamaño promedio de 500 µm como máximo.
14.

Hormigón según la reivindicación anterior, caracterizado porque los agentes de refuerzo están presentes en una proporción en volumen comprendida entre 5% y 25% del volumen acumulado de los elementos granulares (b) y de los elementos de reacción puzolánicos (c).
15.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque los agentes de refuerzo en forma de agujas se eligen entre las fibras de wollastonita, las fibras de bauxita, las fibras de mullita, las fibras de titanato de potasio, las fibras de carburo de silicio, las fibras de celulosa o sus derivados, las fibras de carbono, las fibras de fosfato de calcio, más particularmente de hidroxiapatita (HAP), las fibras de carbonato de calcio, las fibras de vidrio (resistentes a álcalis) o derivados que se obtienen por triturado de las fibras y las mezclas de dichas fibras, unas fibras cortas (longitud como máximo 2 mm preferentemente como máximo 1 mm) de alcohol polivinílico, poliacrilonitrilo,

polietileno de alta densidad, poliamida, aramida o polipropileno que pueden estar también presentes, así como unos materiales tales como lana de acero.
16.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque las plaquetas se eligen entre las plaquetas de mica, las plaquetas de talco, las plaquetas de silicatos mixtos (arcillas), las plaquetas de vermiculita, las plaquetas de alúmina y aluminatos y las mezclas de dichas plaquetas.
17.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque por lo menos una parte de los agentes de refuerzo anisotrópicos presenta en la superficie un revestimiento orgánico polimérico que se obtiene de por lo menos uno de los siguientes compuestos: alcohol polivinílico, silanos, siliconatos, resinas siloxanos, poliorganosiloxanos o el producto de reacción entre (i) por lo menos un ácido carboxílico que contiene 3 a 22 átomos de carbono, (ii) por lo menos una amina aromática o alifática polifuncional o amina sustituida, que contiene de 2 a 25 átomos de carbono y (iii) un agente de reticulación que es un complejo de metal hidrosoluble, que contiene por lo menos un metal seleccionado entre: el zinc, el aluminio, el titanio, el cobre, el cromo, el hierro, el circonio y el plomo.
18.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el tamaño de los elementos granulares (b) es como máximo de 500 µm.
19.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos granulares (b) son unas arenas finas o mezclas de arenas finas, tamizadas o trituradas, que pueden contener ventajosamente unas arenas de sílice, más particularmente harina de cuarzo.
20.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos granulares (b) están presentes a razón de 25% a 50% en peso de la matriz de cemento.
21.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos finos de reacción puzolánica (c) comprenden unos elementos del grupo constituido por la sílice, más particularmente vapor de sílice, las cenizas volátiles, y las escorias de alto horno.
22.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el porcentaje de agua con respecto al peso acumulado de cemento (a) y de los elementos de reacción puzolánica (c) está comprendido entre 13% y 25%.
23.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta una resistencia a tracción directa de por lo menos 6 MPa.
24.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta una resistencia a flexión 4 puntos de por lo menos 20 MPa.
25.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta una resistencia a compresión de por lo menos 120 MPa, y preferentemente 140 MPa.
26.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta una energía de ruptura de por lo menos 2000 J/m2.
27.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, caracterizado porque se somete, después de fraguar, a una maduración a una temperatura cercana a la temperatura ambiente, por ejemplo a 20ºC, por un período de tiempo necesario para obtener las características mecánicas deseadas.
28.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 27, caracterizado porque se somete, después de fraguar, a un tratamiento térmico entre 60ºC y 100ºC a presión normal.
29.

Hormigón según la reivindicación 28, caracterizado porque la duración del tratamiento térmico es de 6 horas a 4 días, generalmente de 6 horas a 72 horas.
30.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 29, caracterizado porque se precarga por pretensado.
31.

Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 29, caracterizado porque se precarga por postensado.