ES2225484T5 - Composición de hormigón de ultra-altas prestaciones resistentes al fuego - Google Patents

Composición de hormigón de ultra-altas prestaciones resistentes al fuego Download PDF

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Abstract

Utilización de fibras orgánicas que presentan una temperatura de fusión inferior a 300ºC, una longitud media l superior a 1 mm y un diámetro Ø de 200 m como máximo, en un hormigón de altas prestaciones para mejorar la resistencia al fuego del hormigón, siendo la cantidad de fibras orgánicas tal que su volumen se encuentra comprendido entre el 0, 1 y el 3% del volumen del hormigón después del fraguado y presentando el hormigón una resistencia característica a la compresión a los 28 días de por lo menos 120 MPa, una resistencia característica a la flexión de por lo menos 20 MPa y un valor de esparcido en estado no endurecido de por lo menos 150 mm, siendo estos valores proporcionados para un hormigón almacenado y mantenido a 20ºC, estando dicho hormigón constituido por una matriz cementítica endurecida en la que están dispersadas unas fibras metálicas, que provienen de la mezcla con agua de una composición que comprende, además de las fibras: (a) cemento; (b) unos elementos granulares que presentan un tamaño de grano D90 de 10 m como máximo; (c) unos elementos de reacción puzolánica que presentan un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0, 1 y 100 m; (d) por lo menos un agente dispersante.

Description

Composición de hormigón de ultra-altas prestaciones resistente al fuego.
La presente invención se refiere al campo de los hormigones, más particularmente al campo de los hormigones con fibras. En particular, la presente invención prevé obtener, para un hormigón de ultra-altas prestaciones que permite en particular fabricar elementos estructurales destinados a la construcción de edificios y de creaciones artísticas, una alta resistencia al fuego asociada a una reología controlable y prestaciones mecánicas elevadas. Asimismo, la invención tiene por objeto un hormigón mejorado y que presente propiedades anti-incendio superiores a las propiedades de los elementos de la técnica anterior.
Los hormigones dúctiles denominados hormigones de "ultra-altas prestaciones" se utilizan en particular para la construcción de elementos de hormigón pretensados o no que requieren propiedades mecánicas superiores, en particular una alta resistencia a la compresión. Estos hormigones presentan una alta resistencia a la flexión, típicamente de por lo menos 20 MPa, y una resistencia a la compresión a los 28 días de por lo menos 120 MPa, un módulo de elasticidad a los 28 días superior a 45 GPa, proporcionándose estos valores para un hormigón conservado y mantenido a una temperatura de 20ºC.
Para mejorar las características mecánicas de estos hormigones se han postulado varias soluciones.
Así, el documento WO 95/01316 propone la incorporación de fibras metálicas en una cantidad controlada y con dimensiones seleccionadas en proporciones determinadas con respecto a las dimensiones de los elementos granulados que constituyen la matriz del hormigón.
El documento WO 99/28267 tiene también por objeto hormigones de ultra-altas prestaciones que contienen fibras metálicas. Para mejorar la resistencia mecánica de los hormigones, en particular su comportamiento tanto con respecto a la aparición de microfisuras como a la propagación de macrofisuras, este documento propone la incorporación en la matriz de cemento de elementos que mejoran la tenacidad, seleccionados entre los elementos aciculares o plaquitas que presentan un tamaño medio de como máximo 1 mm.
Los elementos aciculares mencionados son fibras minerales tales como la wollastonita, la bauxita, la mulita, el titanato de potasio, el carburo de silicio, el carbonato de calcio y la hidroxiapatita, o fibras orgánicas derivadas de la celulosa, pudiendo presentar eventualmente estas fibras un revestimiento de superficie de un compuesto orgánico polímero.
El documento WO 99/58468 tiene por objeto hormigones de ultra-altas prestaciones que contienen fibras orgánicas tales como fibras de refuerzo con el fin de mejorar la ductilidad de estos hormigones. En esta solicitud, se contemplan también hormigones de ultra-altas prestaciones en los que está sustituida una parte de las fibras orgánicas por fibras metálicas. Se describe también que las fibras orgánicas modifican el comportamiento del hormigón ante el fuego.
Los hormigones de altas prestaciones descritos anteriormente, debido a sus propiedades mecánicas muestran sin embargo una resistencia insuficiente al fuego, que se traduce en un desconchado de las estructuras expuestas al fuego y que puede originar incluso la explosión de estas estructuras debido a la presión del vapor de agua fijada físicamente y químicamente por los constituyentes de la matriz, bajo la acción del calor.
La patente de EE.UU. 5.749.961 propone mejorar la propiedad de resistencia al fuego de composiciones para hormigones de altas prestaciones sin fibras que presentan resistencias a la compresión del orden 90 a 105 MPa mediante la adición en estas composiciones de una combinación de sílice precipitada y de fibras capaces de formar por disolución, ablandamiento, descomposición, encogimiento o fusión, una red de poros capilares de un diámetro de por lo menos 10 μm y de una longitud de por lo menos 5 mm. Sin embargo, uno de los medios mencionados en esta patente y ampliamente practicado en los hormigones refractarios que consiste en la introducción de fibras orgánicas en el hormigón, disminuye de forma importante por una parte, las resistencias mecánicas del hormigón endurecido, puesto que las fibras introducen un volumen de elasticidad menor que el de la matriz. Por otra parte, las propiedades reológicas del hormigón en estado fresco se encuentran seriamente reducidas por la presencia de las fibras orgánicas en la composición, y se caracterizan por un esparcido insuficiente.
Por consiguiente, resulta difícil concebir la aplicación de tales soluciones a hormigones dúctiles de ultra-altas prestaciones tales como los descritos en las solicitudes de patente WO 99/28267 y WO 99/58468, que preconizan ya volúmenes de fibras del orden de 2%.
Es importante poder disponer de composiciones para hormigones de ultra-altas prestaciones que presenten una reología comprendida entre un comportamiento plástico y un comportamiento fluido. Tales hormigones presentan convencionalmente un valor de esparcido de por lo menos 150 mm, siendo el valor de esparcido medido por la técnica de la mesa de sacudidas, técnica normalizada utilizada en general para los morteros.
Sin embargo, hasta ahora, tales composiciones de hormigón adolecen del inconveniente de presentar una mediocre resistencia al fuego.
Hasta el presente, los intentos para mejorar las propiedades mecánicas de hormigones de ultra-altas prestaciones han mostrado efectos nefastos sobre la resistencia al fuego. A la inversa, las soluciones propuestas para mejorar la resistencia al fuego de los hormigones tienen el efecto en general de disminuir las propiedades mecánicas y/o reológicas de estos hormigones en estado no endurecido.
Por consiguiente, no existe una solución satisfactoria para el problema de la resistencia al fuego de los hormigones de ultra-altas prestaciones que contienen fibras compatibles con las propiedades deseadas para estos hormigones, a saber una resistencia elevada a la tracción/flexión, una resistencia elevada a la compresión y una reología del hormigón en estado no endurecido que pueden estar comprendidas entre un comportamiento plástico y un comportamiento fluido.
El objeto de la presente invención es un hormigón de ultra-altas prestaciones que contiene fibras metálicas de refuerzo, que posee propiedades por lo menos equivalentes a las de los hormigones similares de la técnica anterior, presentando una reología del hormigón en estado no endurecido comprendida entre un comportamiento plástico y un comportamiento fluido, y una buena resistencia al fuego.
Este objeto se alcanza gracias a la presente invención que consiste en la utilización de fibras orgánicas que presentan una temperatura de fusión inferior a 200ºC, una longitud media f1 superior a 1 mm, y un diámetro Ø de cómo máximo 200 μm, en un hormigón de ultra-altas prestaciones con el objeto de mejorar la resistencia al fuego del hormigón, siendo la cantidad de fibras orgánicas tal que su volumen se encuentra comprendido entre 0,1 y menos de 1% % del volumen del hormigón después de fraguado y presentando el hormigón una resistencia característica a la compresión a los 28 días de por lo menos 120 MPa, una resistencia característica a la flexión de por lo menos 20 MPa, y un valor de esparcido en estado no endurecido de por lo menos 150 mm, proporcionándose estos valores para un hormigón conservado y mantenido a 20ºC, estando dicho hormigón constituido por una matriz de cemento endurecida en la que están dispersadas fibras metálicas, que provienen de la mezcla con agua de una composición que comprende además de las fibras:
(a)
cemento;
(b)
elementos granulares que presentan un tamaño de grano D90 de como máximo 10 mm;
(c)
elementos de reacción puzolánica que presentan un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0,1 y 100 μm;
(d)
por lo menos un agente dispersante;
y que cumple las siguientes condiciones:
(1)
el porcentaje en peso del agua con respecto al peso acumulado del cemento (a) y de los elementos (c) está en el intervalo 8-24 %;
(2)
las fibras metálicas presentan una longitud media f1 de por lo menos 2 mm, y una relación f1 /Ø1, siendo Ø1 el diámetro de las fibras, de por lo menos 20,;
(3)
la proporción V1/V, entre el volumen V1 de las fibras metálicas y el volumen V de las fibras orgánicas es superior a 1, y la proporción f1/f , entre la longitud de las fibras metálicas y la longitud de las fibras orgánicas es superior a 1;
(4)
la proporción R entre la longitud media f1 de las fibras metálicas y el tamaño D90 de los elementos granulares es por lo menos 3, preferentemente por lo menos 5;
(5)
la cantidad de fibras metálicas es tal que su volumen es inferior a 4 % del volumen del hormigón después del fraguado.
La invención tiene también por objeto un hormigón de ultra-altas prestaciones resistente al fuego y que presenta una resistencia característica a la compresión a los 28 días de por lo menos 120 MPa, una resistencia característica a la flexión de por lo menos 20 MPa y un valor de esparcido en estado no endurecido de por lo menos 150 mm, proporcionándose estos valores para un hormigón conservado y mantenido a una temperatura de 20ºC; estando dicho hormigón constituido por una matriz de cemento endurecida en la que están dispersadas fibras metálicas, que provienen de la mezcla con agua de una composición que comprende, además de las fibras:
(a)
cemento;
(b)
elementos granulares que presentan un tamaño de grano D90 de como máximo 10 mm;
(c)
elementos de reacción puzolánica que presentan un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0,1 y 100 μm;
(d)
por lo menos un agente dispersante;
(e)
fibras orgánicas;
y que cumple las siguientes condiciones:
(1)
el porcentaje en peso del agua con respecto al peso acumulado del cemento (a) y de los elementos (c) está en el intervalo 8-24%;
(2)
las fibras metálicas presentan una longitud media f1 de por lo menos 2 mm, y una relación f1 /Ø1, siendo Ø1 el diámetro de las fibras, de por lo menos 20;
(3)
las fibras orgánicas presentan una temperatura de fusión inferior a 200ºC, una longitud media f1 superior a 1 mm y un diámetro Ø de como máximo 200 μm;
(4)
la proporción V1/V, entre el volumen V1 de las fibras metálicas y el volumen V de las fibras orgánicas es superior a 1, y la proporción f1/f, entre la longitud de las fibras metálicas y la longitud de las fibras orgánicas es superior a 1;
(5)
la proporción R entre la longitud media f1 de las fibras metálicas y el tamaño D90 de los elementos granulares es por lo menos 3, preferentemente por lo menos 5;
(6)
la cantidad de fibras metálicas es tal que su volumen es inferior a 4 % del volumen del hormigón después del fraguado;
(7)
la cantidad de fibras orgánicas es tal que su volumen se encuentra comprendido entre 0,1 y menos de 1% del volumen del hormigón después del fraguado.
Así, gracias a una concepción novedosa de la matriz de cemento y de su relación con las fibras de refuerzo, esta solución resuelve el problema planteado gracias a este compromiso entre propiedades mecánicas/reológicas/de comportamiento ante el fuego.
Por "matriz de cemento" se designa la composición de cemento endurecida sin fibras metálicas.
D90 significa que el 90% en peso de los elementos granulares presentan un tamaño de grano inferior o igual a 10 mm, siendo el tamaño de los granos medido por los tamaños de las mallas de los tamices cuyo cernido constituye el 90% del peso total de los granos.
D75 significa que el 75% en peso de los elementos granulares presentan un tamaño de grano inferior o igual a 10 mm, siendo el tamaño de los granos medido por los tamaños de las mallas de los tamices cuyo cernido constituye el 75% del peso total de los granos.
Por "fibras orgánicas" se entiende cualquier fibra polimérica que responde a las condiciones mencionadas anteriormente.
Dentro del marco de la invención, se entiende también por "diámetro de las fibras", el diámetro equivalente cuando las fibras son de sección no circular.
Por "resistencia a la flexión", se entiende la resistencia a la flexión en 4 puntos medida en probetas con dimensiones de 7 x 7 x 28 cm.
Ventajosamente, las fibras orgánicas presentan una longitud f superior a 1,5 mm e igual a como máximo 12 mm.
La proporción f /Ø se encuentra comprendida ventajosamente entre 20 y 500.
Según una forma de realización de la invención, el diámetro de las fibras orgánicas se encuentra comprendido entre 2 y 100 μm, preferentemente inferior a 80 μm.
Preferentemente, la proporción V1/V es por lo menos 2.
Se pueden citar en particular las fibras orgánicas que consisten en un homopolímero o copolímero seleccionados de ente la poliacrilamida, la poliétersulfona, el poli(cloruro de vinilo), el polietileno, el polipropileno, el poliestireno, presentando estos homopolímero o copolímero una temperatura de fusión inferior a 200ºC, y la poliamida ,solos o en mezcla. Según una forma de realización particular, las fibras orgánicas son fibras de polipropileno con una longitud de 6 mm y un diámetro de 18 μm.
Con respecto a las fibras metálicas, puede tratarse de fibras metálicas seleccionadas entre las fibras de acero, tales como las fibras de acero de alta resistencia mecánica, las fibras de acero amorfo, o incluso las fibras de acero inoxidable. Eventualmente, las fibras de acero pueden estar revestidas con un metal no férreo, tal como el cobre, el zinc, el níquel (o sus aleaciones).
La longitud media de las fibras metálicas se encuentra preferentemente en el intervalo de 5-30 mm. La proporción es preferentemente de como máximo 200.
Se pueden utilizar fibras metálicas de geometría variable. Pueden presentar una forma dentada, ondulada o de gancho en los extremos. También resulta posible variar la rugosidad de las fibras y/o utilizar fibras de sección transversal variable. Las fibras pueden obtenerse a partir de cualquier técnica adecuada, incluyendo la torsión o el cableado de varios hilos metálicos formando un trenzado.
La cantidad de fibras metálicas es tal que su volumen es preferentemente inferior a 3,5% del volumen del hormigón después del fraguado.
Ventajosamente, la tensión de adherencia media de las fibras metálicas en la matriz de cemento endurecida debe ser de por lo menos 10 MPa, preferentemente por lo menos 15 MPa. Dicha tensión se determina por una prueba de extracción de una monofibra integrada en un bloque de hormigón.
Se ha observado que los hormigones según la presente invención que presentan además dicha fuerza adherencia de las fibras y una tenacidad de matriz elevada (preferentemente por lo menos 15 J/m2) generan mejores prestaciones mecánicas, por sinergia entre estas dos propiedades.
El nivel de la adherencia fibra/matriz puede ser controlado por varios medios que se pueden utilizar individual o simultáneamente.
Según una primera forma de realización, la adherencia de las fibras en la matriz de cemento puede obtenerse mediante el tratamiento de la superficie de las fibras. Este tratamiento de las fibras puede efectuarse a través de por lo menos uno de los procedimientos siguientes:
ataque químico de las fibras;
depósito de un compuesto mineral sobre las fibras, en particular mediante el depósito de un fosfato metálico.
El ataque químico puede realizarse, por ejemplo, poniendo las fibras en contacto con un ácido, y a continuación por neutralización.
En general, el depósito de fosfato metálico se obtiene mediante un procedimiento de fosfatación, que consiste en la introducción de fibras metálicas previamente decapadas en una solución acuosa que comprende un fosfato metálico, preferentemente fosfato de manganeso o de zinc, y después en la filtración de la solución para recuperar las fibras. A continuación, las fibras se enjuagan, neutralizan y después se enjuagan de nuevo. A diferencia del procedimiento de fosfatación habitual, las fibras obtenidas no deben ser sometidas a un acabado de tipo graso. Sin embargo, pueden ser eventualmente impregnadas con un aditivo ya sea para proporcionar una protección anticorrosión, o bien para facilitar su utilización con el medio de cemento. El tratamiento de fosfatación puede obtenerse también mediante el revestimiento o la pulverización de la solución de fosfato metálico sobre las fibras.
Se puede utilizar cualquier tipo de procedimiento de fosfatación; se puede hacer referencia a este respecto a los tratamientos descritos en el artículo de G. Lorin "La phosphatation des métaux", 1973.
Según un segundo procedimiento, la tensión de adherencia de las fibras en la matriz de cemento puede lograrse mediante la introducción en la composición de por lo menos uno de los compuestos siguientes: los compuestos de sílice que comprenden mayoritariamente sílice, carbonato de calcio precipitado, poli(alcohol vinílico) en solución acuosa, un látex o una mezcla de dichos compuestos.
Por compuesto de sílice que comprende mayoritariamente sílice, se entiende en este caso los productos de síntesis seleccionados entre las sílices de precipitación, los soles de sílice, las sílices pirogénicas (del tipo Aerosil), los aluminosilicatos, por ejemplo el Tixosil 28 comercializado por Rhóne-Poulenc, o los productos de tipo arcilla (naturales o derivados): por ejemplo las esmectitas, los silicatos de magnesio, las sepiolitas y las montmorillonitas.
Se utiliza preferentemente por lo menos una sílice de precipitación.
Por sílice de precipitación se entiende una sílice obtenida mediante la precipitación a partir de la reacción de un silicato de metal alcalino con un ácido, en general inorgánico, con un pH adecuado del medio de precipitación, en particular un pH básico, neutro o ligeramente ácido; el modo de preparación de la sílice puede ser cualquiera (adición de ácido a un pie de cuba de silicato, adición simultánea tota! o parcial de ácido o de silicato a un pie de cuba de solución de silicato o de agua, etc.) y se elige en función del tipo de sílice que se desea obtener; después de la etapa de precipitación, se procede generalmente a una etapa de separación de la sílice del medio de reacción según cualquier medio conocido, por ejemplo, un filtro prensa o un filtro bajo vacío; se recoge así una torta de filtrado, que se lava en caso necesario; esta torta puede, eventualmente después de desagregación, ser secada por cualquier medio conocido, en particular por atomización, y después eventualmente molida y/o aglomerada.
En general, la cantidad de sílice de precipitación introducida se encuentra comprendida entre 0,1% y 5% en peso, expresado en seco, con respecto al peso total del hormigón. Por encima de 5%, se observan habitualmente problemas de reología durante la preparación del mortero.
Preferentemente, la sílice de precipitación se introduce en la composición en forma de una suspensión acuosa. Puede tratarse en particular de una suspensión acuosa de sílice que presenta:
-
un contenido de materia seca de 10 a 40% en peso;
-
una viscosidad inferior a 4 x 10-2 Pa.s para un cizallamiento de 50 s-1;
-
una cantidad de sílice contenida en el líquido sobrenadante de dicha suspensión a 7.500 revoluciones por minuto durante 30 minutos, de más del 50% del peso de la sílice contenida en la suspensión.
Esta suspensión está descrita más particularmente en la solicitud de patente WO-A-96/01787. La suspensión de sílice Rhoximat CS 60 SL comercializada por Rhóne-Poulenc es en particular adecuada para este tipo de hormigón.
El cemento (a) del hormigón según la invención consiste ventajosamente en un cemento Portland, tal como los cementos Portland CPA PMES, HP, HPR, CEM I PMES, 52,5 o 52,5R o bien HTS (alto contenido de sílice).
Los elementos granulares (b) son esencialmente arenas o mezclas de arenas finas tamizadas o molidas, que pueden comprender ventajosamente arenas silíceas, en particular polvo de cuarzo.
El tamaño de grano D75 de estos elementos es preferentemente de como máximo 6 mm.
Estos elementos granulares están generalmente presentes a razón de 20 a 60% en peso de la matriz de cemento, preferentemente de 25 a 50% en peso de dicha matriz.
Los elementos finos de reacción puzolánica (c) presentan un tamaño de partículas elementales preferentemente de por lo menos 0,1 μm y como máximo 20 μm, preferentemente como máximo 5 μm. Pueden seleccionarse entre los compuestos de sílice, las cenizas volantes, las escorias de altos hornos, y los derivados de arcilla tales como el caolín. La sílice puede ser un humo de sílice procedente de la industria del circonio mejor que un humo de sílice procedente de la industria del silicio.
Dentro del marco de la invención, los hormigones descritos anteriormente contienen eventualmente elementos de refuerzo. Estos elementos de refuerzo se añaden a la composición que forma la matriz con el objeto de incrementar su tenacidad.
La tenacidad se expresa o bien en términos de tensión (factor de intensidad de tensión: Kc) o bien en términos de energía (régimen critico de energía: Gc), empleando el formalismo de la Mecánica lineal de la fractura. Preferentemente, la tenacidad de la matriz de cemento es por lo menos 15 J/m2, ventajosamente de por lo menos 20 J/m2. El método para medir la tenacidad ha sido descrito en la solicitud de patente PCT WO 99/28267.
La tenacidad de la matriz de cemento se obtiene ventajosamente mediante la adición a la composición de cemento de elementos de refuerzo de un tamaño medio de 1 mm como máximo, preferentemente 500 μm como máximo, presentándose en forma acicular o en forma de plaquetas. Están generalmente presentes en una proporción volumétrica inferior al 35%, en particular en el intervalo 5-25% del volumen acumulado de los elementos granulares
(b) y de los elementos de reacción puzolánica (c).
Por "tamaño" de los elementos de refuerzo se entiende el tamaño de su dimensión mayor (en particular la longitud en el caso de las formas aciculares).
Puede tratarse de productos naturales o de síntesis.
Los elementos de refuerzo de forma acicular se seleccionan ventajosamente entre fibras inferiores a 1 mm de longitud, por ejemplo, las fibras de wollastonita, las fibras bauxita, las fibras de mulita, las fibras de titanato de potasio, las fibras de carburo de silicio, las fibras de celulosa o de derivados de celulosa, tales como el acetato de celulosa, las fibras de carbono, las fibras de carbonato de calcio, las fibras de hidroxiapatita y otros fosfatos de calcio, o los productos derivados obtenidos mediante la trituración de dichas fibras y las mezclas de dichas fibras.
Preferentemente, se utilizan elementos de refuerzo cuya acicularidad, expresada por la relación longitud/diámetro, es como mínimo 3, y preferentemente como mínimo 5.
Las fibras de wollastonita han dado buenos resultados. Los elementos de refuerzo en forma de plaquitas pueden seleccionarse entre las plaquitas de mica, las plaquitas de talco, las plaquitas de silicato mixto (arcillas), las plaquitas de vermiculita, las plaquitas de alúmina, y aluminatos o silicatos mixtos así como las mezclas de dichas plaquitas.
Las plaquitas de mica han proporcionado buenos resultados.
Es posible utilizar combinaciones de estas diferentes formas o naturalezas de elementos de refuerzo en la composición del hormigón según la invención. Estos elementos de refuerzo pueden presentar un revestimiento orgánico. Este tipo de tratamiento es particularmente recomendado para los elementos de refuerzo que son productos naturales. Tales elementos de refuerzo se describen con detalle en las solicitudes de patente WO 99/28267 y EP-A-372804.
La relación ponderal agua/cemento, tradicional en la técnica del hormigón, puede variar cuando se utilizan sustitutos del cemento, que son en particular los elementos de reacción puzolánica. Para las necesidades de la presente invención, se ha definido por tanto la relación ponderal entre la cantidad de agua (E) y el peso acumulado del cemento y de los elementos de reacción puzolánica. Esta proporción así definida, está comprendida entre 8 y 24% aproximadamente, preferentemente entre 13 y 20% aproximadamente. Sin embargo, en la descripción de los ejemplos, se ha utilizado la proporción E/C entre el agua y el cemento.
La composición según la invención comprende también por lo menos un agente dispersante (d). Este agente dispersante es generalmente un agente fluidizante. El agente fluidizante puede seleccionarse entre los lignosulfonatos, la caseína, los polinaftalenos, en particular los polinaftalensulfonatos de metales alcalinos, los derivados de formaldehído, los poliacrilatos de metales alcalinos, los policarboxilatos de metales alcalinos así como los polióxidos de etileno injertados. En general, la composición según la invención comprende de 0,5 a 2,5 partes en peso de agente fluidizante por 100 partes en peso de cemento.
Se pueden añadir otros aditivos a la composición según la invención, por ejemplo un agente antiespumante. A título de ejemplo, se pueden utilizar los agentes antiespumantes a base de polidimetilsiloxanos o de propilenglicol.
Entre los agentes de este tipo, se pueden citar 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. Particularmente, resultan muy adecuadas las siliconas que comprenden esencialmente restos M (RSiO0,5) y restos D (R2SiO). En estas fórmulas, los radicales R, idénticos o diferentes, se seleccionan más particularmente entre el hidrógeno y los radicales alquilo que comprenden de 1 a 8 átomos de carbono, prefiriéndose el radical metilo. El número de restos está comprendido preferentemente en el intervalo de 30 a 120.
La cantidad de un agente de este tipo en la composición es generalmente como máximo 5 partes en peso por 100 partes de cemento.
A menos que se indique lo contrario, los tamaños de las partículas se miden por MET (microscopía electrónica de transmisión) o MEB (microscopía electrónica de barrido).
La matriz puede contener también otros ingredientes a condición que no perjudiquen las prestaciones esperadas del hormigón.
El hormigón puede ser obtenido según cualquier procedimiento conocido por el experto en la materia, en particular mediante la mezcla de los constituyentes sólidos y agua, la conformación (moldeo, colada, inyección, bombeo, extrusión, calandrado), y después endurecimiento.
Por ejemplo, para preparar el hormigón, se amasan los constituyentes de la matriz de cemento y las fibras metálicas con la cantidad adecuada de agua.
Ventajosamente, se respeta el siguiente orden de amasado:
amasado de los constituyentes pulverulentos de la matriz (por ejemplo durante 2 minutos);
introducción del agua y una parte, por ejemplo la mitad, de los adyuvantes;
amasado (por ejemplo durante 1 minuto);
introducción de la parte restante de los adyuvantes;
amasado (por ejemplo, durante 3 minutos);
introducción de las fibras;
amasado (por ejemplo durante 2 minutos)
Según una variante preferida, las fibras orgánicas se introducen antes de la adición de agua.
El hormigón es sometido a continuación a un proceso de maduración entre 20ºC y 100ºC durante el tiempo necesario para obtener las características mecánicas deseadas.
Una maduración a una temperatura cercana a la temperatura ambiente proporciona buenas propiedades mecánicas, y ello, gracias a la selección de los constituyentes de la matriz de cemento. En este caso, se deja madurar el hormigón, por ejemplo, a una temperatura cercana a los 20ºC.
La maduración también puede requerir un tratamiento térmico entre 60 y 90ºC a presión normal en el hormigón endurecido.
El hormigón obtenido puede ser sometido en particular a un tratamiento térmico entre 60 y 100ºC durante un período de 6 horas a 4 días con una duración óptima del orden de 2 días, y empezando el tratamiento después del final del fraguado de la mezcla o por lo menos un día después del inicio del fraguado. En general, tiempos de tratamiento de 6 a 72 horas son suficientes, dentro del intervalo de temperaturas mencionado anteriormente.
El tratamiento térmico se realiza en un ambiente seco o húmedo o según ciclos que alternan los dos ambientes, por ejemplo, 24 horas en un ambiente húmedo seguidas por 24 horas en un ambiente seco.
Este tratamiento térmico se utiliza en hormigones que han terminado su fraguado, preferentemente envejecidos por lo menos 1 día y aún mejor envejecidos por lo menos aproximadamente 7 días.
La adición de polvo de cuarzo puede resultar útil cuando el hormigón se somete al tratamiento térmico mencionado anteriormente.
El hormigón puede ser pretensado por medio de hilos adherentes o por cable trenzado adherente o bien postensado por medio de cables monotoroidales envainados engrasados o por medio de cable o barra con vaina, estando el cable constituido por un ensamblaje de hilos o por cables trenzados.
El pretensado, ya sea en forma de pretensión o en forma de postensado, resulta particularmente adecuado para productos de hormigón según la invención.
En efecto, los cables metálicos de pretensado presentan siempre resistencias a la tracción muy elevadas, mal utilizadas, puesto que la fragilidad de la matriz que los contiene no permite optimizar las dimensiones de los elementos estructurales de hormigón.
Los hormigones obtenidos según la presente invención presentan en general una resistencia a la tracción directa Rt
5 de por lo menos 8 MPa. Según una forma de realización preferida, los hormigones útiles para la presente invención presentan una resistencia característica a la compresión de por lo menos 150 MPa y una resistencia característica a la flexión en 4 puntos Rf de por lo menos 25 MPa.
Los hormigones obtenidos según la invención presentan un buen comportamiento ante el fuego tal como se ilustra en los ejemplos siguientes conservando al mismo tiempo buenas propiedades físicas tanto en estado no endurecido
10 como en estado endurecido.
A continuación, se proporcionan ejemplos de realización de hormigones según la invención, así como los resultados de comportamiento ante el fuego obtenidos con estos hormigones.
Preparación de las muestras
El hormigón de ultra-altas prestaciones utilizado en los siguientes ejemplos, se obtuvo a partir de los siguientes 15 compuestos:
(i)
Cemento Portland: de alto contenido en sílice del tipo HTS, de la Société LAFARGE(FRANCIA);
(ii)
Arena: arena de cuarzo BE31 de la Société SIFRACO (FRANCIA) con un D75 de 350 μm
(iii) Polvo de cuarzo: grado C400 con 50% de granos inferiores a 10 micrómetros, de la Société SIFRACO (FRANCIA);
20 (iv) Humos de sílice: microsílice vítrea que proviene de la fabricación del zirconio, del tipo "MST", con una superficie específica "BET" de 12 m2/g de la Société S.E.P.R.(FRANCIA);
(v)
Adyuvante: fluidizante líquido ÓPTIMA 100 de la Société CHRYSO (FRANCIA);
(vi)
Fibras metálicas: Las fibras metálicas son fibras de acero con una longitud de 13 mm, un diámetro de 200
micrómetros y una resistencia de fractura en tracción de 2800 MPa, proporcionados por la Société 25 BEKAERT (Bélgica). Las cantidades utilizadas se indican en la tabla siguiente.
(vii) Fibras orgánicas: Las fibras orgánicas son fibras de polipropileno o de poli(alcohol vinílico) cuya geometría y las cantidades utilizadas se indican en la tabla siguiente.
El hormigón descrito más adelante se obtiene por amasado de los constituyentes pulverulentos, introducción del agua y de una parte del adyuvante, amasado, la introducción de la parte restante del adyuvante, amasado,
30 introducción de las fibras metálicas, amasado, siendo las fibras orgánicas introducidas en la mezcla antes de la adición del agua. En estos ensayos, se ha utilizado un dispositivo amasador de tipo EIRICH RV02 de alta turbulencia con rotación de la cuba.
Los moldes se llenan con esta composición, y después se hacen vibrar utilizando los procedimientos estándares. Las probetas se desmoldean 48 horas después del vertido. Se someten a continuación a un tratamiento térmico que
35 consiste en almacenarlas en horno a 90ºC durante 48 horas al 100% de humedad.
La fórmula del hormigón se proporciona a continuación:
Cemento HTS
Humo de sílice MST Polvo de cuarzo C400 Arena BE31 Fibras de acero Fibras orgánicas Fluidizante OPTIMA 100 Agua E/C
1
0,325 0,3 1,43 X Y 0,054 0,22
X e Y son los contenidos de fibras metálicas y orgánicas indicados en la Tabla 1. Primera serie de pruebas:
40 Los hormigones se analizan según los siguientes métodos de análisis.
• La resistencia a la compresión Rc es el valor obtenido en compresión directa en una probeta cilíndrica (70 mm de diámetro/140 mm de altura) a 20ºC:
Rc = 4F/ d2
siendo F la fuerza a la fractura en N, y siendo d el diámetro de las muestras. 45 • La resistencia a la flexión en 4 puntos se mide en una probeta de 70 x 70 x 280 mm montada sobre apoyos articulados, según las normas NFP 18-411 y NFP 18-409 y ASTM C 1018 según la fórmula: Rf = 3Fmax (l - l')/2dw2
en la que Fmax representa la fuerza máxima en N (fuerza en el pico), I = 210 mm, y l'= I/3 y d = w = 70 mm.
•
El valor de esparcido se mide a partir de la técnica de la mesa de sacudidas (20 golpes) según las normas ASTM C320, ISO 2768-1 y EN 459-2.
•
El comportamiento ante el fuego se determina midiendo:
5 (1) la resistencia característica a la flexión en 4 puntos residual después de atemperar las probetas de hormigón, en forma de prismas de 70 x 70 x 250 mm. Las probetas se aíslan sobre 2 caras y las 2 caras no aisladas se exponen al fuego en un horno precalentado (entre 400 y 500ºC) cuya temperatura se ha elevado a 800ºC en 20 minutos, y después se mantienen durante 1 hora a una temperatura de 800ºC;
(2) la resistencia característica a la compresión residual después de atemperar las probetas cúbicas recortadas 10 con 70 mm de arista;
(3) se observa también para cada muestra la presencia de descascarillado explosivo.
Tabla 1
Ejemplo
1 2 3* 4 5* 6 7
Agua/cemento
0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22
Fibras metálicas (% vol) X
1,8 2 2 2 2 0 0
Fibras orgánicas (% vol) Y
1,4 2 0,7 0,5 1 2,8 4,4
Naturaleza de las fibras orgánicas
PP PP PAV PP PP PAV PAV
Fibras orgánicas Longitud (mm) Dimensión transversal μm) o Diámetro (μm)
19 50 x 500 19 50 x 500 6 15 6 20 6 20 12 200 12 200
Esparcido 20 golpes (mm)
160 140 160 200 160 225 190
Resistencia a la compresión antes de la exposición al fuego (MPa)
165 175,5 204,5 181,3 173,3 165,9 148,4
Resistencia a la flexión antes de la exposición al fuego (MPa)
32,5 25,8 30,9 26,9 23,9 15,5 22,5
Resistencia a la flexión residual después de exposición al fuego (MPa)
9,3 11,5 9,4 11,4 8,7 0,2 0,3
Apariencia de las muestras después de la exposición al fuego
Fisuras importantes y desconchados fisuras fisuras fisuras fisuras fisuras fisuras y descascarillado
Resistencia a la compresión después de la exposición al fuego (MPa)
82,3 99,5 106,4 117,4 89,5 34,1 27,9
*que no es según la invención
15 En los ejemplos 1 y 2, las fibras de polipropileno (PP) son fibras FIBERMESH 6130 cuya temperatura de fusión es 170ºC.
En el ejemplo 3, las fibras de poli(alcohol vinílico) (PAV) son fibras KURARAY RMS 182 cuya temperatura de fusión es 220ºC.
En los ejemplos 4 y 5, las fibras de polipropileno son fibras FIBRIN 623 distribuidas en Francia por la Société 20 CHRYSO S.A.
En los ejemplos 6 y 7, las fibras son fibras KURARAY RF 350.
Los resultados obtenidos muestran que las fibras del ejemplo 2 (comparativo) (polipropileno I = 19 mm) permiten un comportamiento correcto ante el fuego para una dosificación de: 2%. Por el contrario, la reología no resulta satisfactoria (esparcido/20 golpes: 140 mm). Para una dosificación reducida del ejemplo 1 (comparativo) (1,4%), la reología mejora sustancialmente (esparcido: 160 mm), pero el comportamiento ante el fuego se vuelve muy limitado: presencia de grandes fisuras y de desconchado.
Con las fibras orgánicas del ejemplo 3 (que no es según la invención) [(poli(alcohol vinílico): 1 = 6 mm] y para una dosificación de 0,7%, la reología permanece correcta (esparcido: 160 mm) y el comportamiento ante fuego aceptable (ningún desconchado).
Los mejores resultados se obtienen con las fibras de los ejemplos 4 y 5 (que no es según la invención) (polipropileno: 6 mm de longitud). Para una dosificación reducida (0,5%), la reología es excelente (esparcido: 200 mm) y el comportamiento ante el fuego es bueno. Los valores de comportamiento mecánico (compresión, flexión) son elevados.
Con los hormigones de los ejemplos 6 y 7 que contienen solamente fibras orgánicas, se obtiene un buen valor de esparcido de hormigón, pero aunque estos hormigones no explotan durante la exposición al fuego, presentan propiedades mecánicas muy deterioradas después de la exposición al fuego.
Segunda serie de pruebas:
• El hormigón preparado según el ejemplo 4 se vierte en elementos no cargados. Estos elementos son los siguientes:
-
losetas de 400 x 300 x 25 mm3 de dimensión;
-
columnas de 300 x 300 x 700 mm3 de dimensión o de 200 x 200 x 900 mm3 de dimensión, y
-
vigas en "I" de 2100 x 1500 x 240 mm3 de dimensión, con un alma de 50 mm de espesor.
Algunos de los elementos se someten a un tratamiento térmico idéntico al de la primera serie de pruebas (48 horas a 90ºC y 100% de humedad). El conjunto de elementos tratados o no tratados, se exponen a continuación al fuego según la norma EN 1365-2 del 18/2/99 durante 2 horas (es decir, una temperatura de fuego de aproximadamente 1050ºC).
Los resultados de las pruebas son los siguientes:
-
las losetas, con o sin tratamiento térmico, calentadas solamente sobre la cara inferior y cargadas transversalmente con 42 daN en el medio de su longitud no han sufrido ningún deterioro; -las columnas, calentadas uniformemente, no han mostrado ningún descascarillado después de la prueba al fuego; -la viga, sometida a un tratamiento térmico, es calentada uniformemente, y no ha mostrado ningún descascarillado después de la prueba.
El hormigón del ejemplo 4 también se ha vertido en columna con una sección de 20 x 20 cm y una altura de 90 cm.
Después del tratamiento térmico (48 horas a 90ºC y 100% de humedad), dos columnas han sido sometidas a una carga de compresión de 2000 kN de intensidad (es decir, 43,6% de lo que habría resistido el elemento), con una excentricidad de 14 mm.
Estas muestras han sido expuestas al fuego según la norma EN 1365-2 del 18/2/99. Una de las columnas ha sido capaz de resistir la carga durante 89 minutos y la otra durante 82 minutos (lo que representa una temperatura de fuego de aproximadamente 1000ºC). Han mostrado un descascarillado menor antes de la fractura.

Claims (28)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Utilización de fibras orgánicas que presentan una temperatura de fusión inferior a 200ºC, una longitud media f superior a 1 mm y un diámetro Ø de como máximo 200 μm, en un hormigón de ultra-altas prestaciones para mejorar la resistencia al fuego del hormigón, siendo la cantidad de fibras orgánicas tal que su volumen se encuentra comprendido entre el 0,1 y menos de 1% del volumen del hormigón después del fraguado y presentando el hormigón una resistencia característica a la compresión a los 28 días de por lo menos 120 MPa, una resistencia característica a la flexión de por lo menos 20 MPa y un valor de esparcido en estado no endurecido de por lo menos 150 mm, siendo estos valores proporcionados para un hormigón conservado y mantenido a 20ºC, estando dicho hormigón constituido por una matriz de cemento endurecida en la que están dispersadas fibras metálicas, que provienen de la mezcla con agua de una composición que comprende, además de las fibras:
    (a)
    cemento;
    (b)
    elementos granulares que presentan un tamaño de grano D90 de como máximo 10 mm;
    (c)
    elementos de reacción puzolánica que presentan un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0,1 y 100 μm;
    (d)
    por lo menos un agente dispersante;
    y que cumple las siguientes condiciones:
    (1)
    el porcentaje en peso del agua con respecto al peso acumulado del cemento (a) y de los elementos (c) está comprendido en el intervalo de 8-24%;
    (2)
    las fibras metálicas presentan una longitud media f1 de por lo menos 2 mm, y una relación f1/Ø1, siendo Ø1 el diámetro de las fibras, de por lo menos 20;
    (3)
    la proporción V1/V, entre el volumen V1 de las fibras metálicas y el volumen V de las fibras orgánicas es superior a 1, y la proporción f1/f entre la longitud de las fibras metálicas y la longitud de las fibras orgánicas es superior a 1;
    (4)
    la proporción R entre la longitud media f1 de las fibras metálicas y el tamaño D90 de los elementos granulares es por lo menos 3;
    (5)
    la cantidad de fibras metálicas es tal que su volumen es inferior a 4% del volumen del hormigón después del fraguado.
  2. 2.
    Utilización según la reivindicación 1, caracterizada porque el hormigón comprende además elementos de refuerzo capaces de mejorar la tenacidad de la matriz, seleccionados entre elementos aciculares o plaquitas que presentan un tamaño medio de como máximo 1 mm, y que están presentes en una proporción en volumen inferior al 35% del volumen acumulado de los elementos granulares (b) y de los elementos de reacción puzolánica (c).
  3. 3.
    Utilización según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la relación f/Ø de las fibras orgánicas está comprendida entre 20 y 500.
  4. 4.
    Utilización según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque las fibras orgánicas presentan una longitud f superior a 1,5 mm y como máximo igual a 12 mm.
  5. 5.
    Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las fibras orgánicas presentan un diámetro inferior a 80 μm.
  6. 6.
    Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la relación V1/V entre las fibras metálicas y las fibras orgánicas es por lo menos 2.
  7. 7.
    Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las fibras orgánicas consisten en un homopolímero o copolímero seleccionados entre los grupos de poli(cloruro de vinilo), polietileno, polipropileno, solos o en mezcla.
  8. 8.
    Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las fibras orgánicas son fibras de polipropileno.
  9. 9.
    Utilización según la reivindicación 8, en la cual las fibras de polipropileno tienen una longitud de 6 mm y un diámetro de 18 μm.
  10. 10.
    Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las fibras metálicas son fibras de acero.
  11. 11.
    Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las fibras metálicas presentan una longitud comprendida en el intervalo de 5 a 30 mm.
  12. 12.
    Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el tamaño de granos D75 de los elementos granulares (b) es como máximo 6 mm.
  13. 13.
    Hormigón de ultra-altas prestaciones resistente al fuego y que presenta una resistencia característica a la compresión a 28 días de por lo menos 120 MPa, una resistencia característica a la flexión de por lo menos 20 MPa, y un valor de esparcido en estado no endurecido de por lo menos 150 mm, proporcionándose estos valores para un hormigón conservado y mantenido a 20ºC; estando dicho hormigón constituido por una matriz de cemento endurecida en la que están dispersadas fibras metálicas, que provienen de la mezcla con agua de una composición que comprende además de las fibras:
    (a)
    cemento;
    (b)
    elementos granulares que tienen un tamaño de grano D90 de 10 mm como máximo;
    (c)
    elementos de reacción puzolánica que tienen un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0,1 y 100 μm;
    (d)
    por lo menos un agente dispersante;
    (e)
    fibras orgánicas,
    y que cumple las siguientes condiciones:
    (1)
    el porcentaje en peso del agua con respecto al peso acumulado del cemento (a) y de los elementos (c) está comprendido en el intervalo de 8-24%;
    (2)
    las fibras metálicas presentan una longitud media f1 de por lo menos 2 mm, y una relación f1/Ø1, siendo Ø1 el diámetro de las fibras, de por lo menos 20;
    (3)
    las fibras orgánicas presentan una temperatura de fusión inferior a 200ºC, una longitud media f superior a 1 mm y un diámetro Ø de como máximo 200 μm;
    (4)
    la proporción V1/V, entre el volumen V1 de las fibras metálicas y el volumen V de las fibras orgánicas es superior a 1, y la proporción f1/f, entre la longitud de las fibras metálicas y la longitud de las fibras orgánicas es superior a 1;
    (5)
    la proporción R entre la longitud media f1 de las fibras metálicas y el tamaño D90 de los elementos granulares es por lo menos 3;
    (6)
    la cantidad de fibras metálicas es tal que su volumen es inferior a 4% del volumen del hormigón después del fraguado;
    (7)
    la cantidad de fibras orgánicas es tal que su volumen se encuentra comprendido entre 0,1 y menos de 1% del volumen del hormigón después del fraguado.
  14. 14.
    Hormigón según la reivindicación 13, caracterizado porque las fibras orgánicas presentan un diámetro inferior a 80 μm.
  15. 15.
    Hormigón según una de las reivindicaciones 13 a 14, en el que la relación f/Ø de las fibras orgánicas está comprendida entre 20 y 500.
  16. 16.
    Hormigón según una de las reivindicaciones precedentes 13 a 15, en el que la proporción en volumen V1/V entre las fibras metálicas y las fibras orgánicas es por lo menos 2.
  17. 17.
    Hormigón según una de las reivindicaciones 13 a 16, en el que las fibras orgánicas presentan una longitud de como máximo igual a 12 mm.
  18. 18.
    Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones precedentes 13 a 17, caracterizado porque las fibras orgánicas son fibras de polipropileno que tienen una longitud inferior a 10 mm.
  19. 19.
    Hormigón según la reivindicación 18, en el que las fibras de polipropileno presentan una longitud de aproximadamente 6 mm y un diámetro de 18 μm.
  20. 20.
    Hormigón según una de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizado porque las fibras metálicas son fibras de acero.
  21. 21.
    Hormigón según una de las reivindicaciones 13 a 20, caracterizado porque las fibras metálicas tienen una longitud comprendida en el intervalo de 5 a 30 mm.
  22. 22.
    Hormigón según una de las reivindicaciones precedentes 13 a 21, caracterizado porque comprende además elementos de refuerzo capaces de mejorar la tenacidad de la matriz seleccionados entre los elementos aciculares o plaquitas que presentan un tamaño medio de como máximo 1 mm, y que están presentes en una proporción en volumen inferior al 35% del volumen acumulado de los elementos granulares (b) y de los elementos de reacción puzolánica (c).
  23. 23.
    Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones precedentes 13 a 22, caracterizado porque los elementos de refuerzo presentan un tamaño medio de como máximo 500 μm y están presentes en una proporción en volumen comprendida en el intervalo de 5% a 25% del volumen acumulado de los elementos granulares (b) y de los elementos de reacción puzolánica (c).
  24. 24.
    Hormigón según una de las reivindicaciones precedentes 13 a 23, caracterizado porque los elementos de refuerzo son fibras de wollastonita.
  25. 25.
    Hormigón según una de las reivindicaciones precedentes 13 a 23, caracterizado porque los elementos de refuerzo son plaquitas de mica.
  26. 26.
    Hormigón según una de las reivindicaciones precedentes 13 a 25, caracterizado porque el tamaño de granos D75 de los elementos granulares (b) es como máximo 6 mm.
    5 27. Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones precedentes 13 a 26, caracterizado porque está pretensado en pretensión.
  27. 28.
    Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 26, caracterizado porque está pretensado en postensión.
  28. 29.
    Procedimiento para la preparación de un hormigón definido según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 28,
    10 que comprende el mezclado de cemento, elementos granulares que presentan un tamaño de grano D90 de como máximo 10 mm; elementos de reacción puzolánica que presentan un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0,1 y 100 μm; por lo menos un agente dispersante; y fibras orgánicas, con la cantidad adecuada de agua, procedimiento en el que las fibras se introducen en la mezcla antes de la adición de agua.
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