MX2007008020A - Paneles cementicios, de peso ligero, reforzados con fibras. - Google Patents

Abstract

Paneles cementicios, de peso ligero, reforzados con fibras poseen excepcional tenacidad para utilizar como componentes de construccion en aplicaciones tales como elementos de techo, elementos de chapas o foros para paredes, elementos de bastidores y revestimiento, y elementos sustrato para instalacion de acabados de piso en construcciones de tipo residencial y otros. Los paneles emplear una fase continua que resulta del jurado premezclado goza de aglutinante inorganico, fibras PVA y relleno de peso ligero. El aglutinante inorganico por ejemplo puede ser un cemento hidraulico solo, una combinacion de cemento hidraulico y puzolanas o una combinacion de cemento hidraulico, alfa hemihidrato puzolana activa y opcionalmente cal. Las fibras PVA refuerzan la fase continua y se distribuyen en forma aleatoria a traves del compuesto. Paneles tipicos de la invencion tienen una densidad de 961.1 a 1361.6 kg/cm3 (60-85 pct).

Description

PANELES CEMENTICIOS, DE PESO LIGERO, REFORZADOS CON FIBRAS CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere en general a paneles de peso ligero adecuados para aplicaciones como elementos de techado, elementos de bastidores y forros, elementos de chapas o forros para paredes y elementos substrato para instalado de acabados de pisos en construcciones de tipo residencial y otros tipos que tienen tenacidad de flexión significativamente mejorada debido al empleo de fibras de polivinil alcohol (PVA = polyvinyl alcohol) que tienen propiedades selectas como refuerzo. Más particularmente, la invención se refiere a paneles capaces de resistir cargas de impacto impuestas por granizo u otros objetos. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los paneles cementicios o cementosos se han empleado en la industria de la construcción para formar las paredes interiores y exteriores de estructuras residenciales y/o comerciales. Las ventajas de estos paneles incluyen resistencia a humedad comparada con pladur basado en yeso estándar. Sin embargo, una desventaja de estos paneles convencionales es que no tienen suficiente tenacidad de flexión en la proporción que estos paneles puedan ser comparables con, sino más resistentes que, paneles basados en madera tales como madera terciada o tablero de hebras orientadas (OSB ~ oriented strand board). Las estructuras de construcción durante sus vidas útiles están sujetas a una variedad de cargas de impacto (por ejemplo daño por granizo, o daño por objetos lanzados a los edificios debido a tornados o huracanes). No todos los paneles de forro de construcción son suficientemente resistentes para soportar estas cargas de impacto. Cuando es necesario demostrar resistencia a carga de impacto, los paneles de forro son medidos para determinar el impacto que pueda resistir el panel sin fallar. La tenacidad de flexión como se caracteriza en esta especificación, se mide como igual al área total bajo la carga de flexión contra curva de deflexión para un espécimen cargado en doblado de cuatro puntos. La tenacidad de flexión se mide como el área total bajo la carga contra curva de deflexión para un espécimen de flexión cargado en doblado de cuatro puntos de acuerdo con el método de prueba ASTM C947. Paneles basados en madera que logran tenacidad de flexión significante, usualmente son madera terciada o tablero de hebras orientadas (OSB), que consisten de piezas de madera que se pegan en conjunto. Estos paneles pueden proporcionar resistencia de flexión, pero cada uno es combustible y tampoco es durable cuando se exponen al agua. Un panel elaborado de cemento hidráulico resistirá el agua, pero es mucho más pesado que los paneles de madera y tiene insuficiente resistencia de flexión. Se considera que no hay panel actualmente disponible que pueda proporcionar la tenacidad de flexión de la presente invención, mientras que evite las deficiencias de paneles de madera terciada u OSB. Además, la necesidad por paneles cementicios configurados para comportarse en el ambiente de construcción similares a la madera terciada y OSB, significa que los paneles se puedan clavar y cortarse o trabajarse utilizando sierras convencionales y otras herramientas de carpintería convencionales. También es deseable que los paneles estructurales cementicios tengan baja densidad para facilitar el manejo. El panel deberá ser capaz de cortarse con las sierras circulares empleadas para cortar madera.

El panel deberá ser capaz de sujetarse a bastidores con clavos o tornillos. El panel deberá ser dimensionalmente estable cuando se expone al agua, es decir deberá expandirse lo menos posible, de preferencia menos de 0.1% como se mide de acuerdo con ASTM C 1185. El panel no deberá ser biodegradable o sujeto a ataque por insectos o podredumbre. El panel deberá proporcionar un substrato de unión para sistemas de acabados exteriores. Después de curar por 28 días, la tenacidad de flexión de un panel con espesor de 12.7 mm (0.5 pulgada) que tiene una densidad de 961 kg/m3 (60 lb/ft3) a 1200 kg/m3 (75 lb/ft3) es de al menos 5.2 MPa (759 psi), de preferencia mayor a 6.9 MPa (1000 psi) como se mide de acuerdo con la prueba ASTM C 947. Deberá ser evidente que los productos y compuestos basados en madera y basados en cemento actualmente disponibles satisfacen algunas pero no todas las características de desempeño anteriores. En particular, hay necesidad por paneles basados en cemento mejorados que son de peso ligero con tenacidad de flexión mejorada y que exceden la capacidad del producto basado en cemento y basado en madera usado actualmente al proporcionar no combustibilidad y durabilidad al agua. Aunque las fibras de vidrio se han empleado para reforzar cemento, se conoce que pierden resistencia con el tiempo ya que el vidrio es atacado por la cal presente en el cemento. Esto puede ser desplazado en cierta medida al revestir las fibras de vidrio o al utilizar un vidrio resistente a álcali especial. Otras fibras se han sugerido que refuerzan cemento tales como fibras de metal, madera u otras fibras celulósica, fibras de carbón o fibras de polímero. La Columna 10, líneas 1-6 dicen "Aunque no proporcionan resistencia equivalente a fibras de vidrio, es posible incluir algunas fibras de polímero en los paneles de la invención. Estas fibras de polímero por ejemplo fibras de polipropileno, fibras de polietileno, fibras de poliacrilonitrilo y fibras de polivinilo alcohol, son menos costosas que las fibras de vidrio resistentes a álcali y no están sujetas al ataque por cal". La patente de los E.U.A. número 6,241,815 otorgada a Bonen, aquí incorporada por referencia, describe una composición para utilizar en materiales de construcción, que pueden ser sustituidos por concreto de alto desempeño, materiales de parche, compuestos de junta y semejantes, tales como tableros o paneles de respaldo, que incluyen un sulfato de calcio fraguable, de preferencia un hemihidrato, cemento Portland, un material puzolánico finamente dividido, cal y un agregado, que incluye opcionalmente otros aditivos. La proporción en volumen del agregado al sulfato de calcio combinado, cemento Portland, material puzolánico y cal (un aglutinante cementicio) es igual a o mayor que 2/1. Paneles elaborados de ésta composición son útiles, particularmente cuando se exponen al agua ya que tienen buena estabilidad dimensional. La patente de los E.U.A. 4,199,366 A otorgada a Schaefer et al., describe un material tipo cemento reforzado con fibras que tiene cortas fibras de alcohol polivinílico en una cantidad de cuando menos 2% en volumen con base en el volumen total del material. Estas fibras tienen una elongación a la ruptura entre aproximadamente 4 y 8% y un módulo mayor a 130 g/dtex. Un proceso para la preparación del material también se describe. La patente de los E.U.A. número 4,306,911 A otorgada a Gordon et al., describe un método para la producción de un material de fraguado que se obtiene hidráulicamente reforzado con fibras. La patente de los E.U.A. número 4,339,273 A otorgada a Meier et al. describe un proceso para producir una composición de fraguado hidráulico reforzada con fibras, la composición producida y su uso. La patente de los E.U.A. número 5,298,071 A otorgada a Vondran describe una composición de cemento hidratable-fibras que comprende una fibra inter molida en dispersión uniforme en polvo de cemento hidratable. La patente de los E.U.A. número 6,528,151 B1 otorgada a Shah et al. describe un compuesto de matriz de cemento reforzado con fibras extrudidas elaborado al mezclar cemento, agua, aglutinante soluble en agua y fibras de refuerzo relativamente cortas y discontinuas, de preferencia fibras de polivinil alcohol cortas para proporcionar una mezcla extrudible, después de extrudir la mezcla a su forma y cura de cemento. La patente de los E.U.A. número 6,723,162 B1 otorgada a Cheyrezy et al. describe concreto que comprende fibras orgánicas dispersasen una matriz de cemento, matriz de cemento-concreto y premezclas. Algunos de sus ejemplos emplean fibras de polivinil alcohol. La patente de los E.U.A. número 2002/0019465 Al otorgada a Li et al. describe compuestos cementicios reforzados con fibras cortas que son auto compactantes y pueden prepararse al agregar fibras de polímero hidrofílico a una composición de cemento que contiene espesante polimérico y súperplastificante. "Fracture Toughness of Microfiber Reinforced Cement Composites", Nelson, et al., J. Mat. Civil. Eng., Sept./Oct. 2002, describe los resultados de pruebas de tenacidad de fractura conducidas en compuestos de cemento en hoja delgada reforzados con polipropileno (PP), polivinil alcohol (PVA) y fibras de celulosa refinadas bajo condiciones secas al aire. Sin embargo, los productos cementicios de estas referencias tienen alta densidad. En otras palabras, el presente estado-de-la-técnica de paneles basado-en-cementos reforzados con fibras PVA como se presenta por estas referencias, trata con paneles de densidad íntegra y no con paneles de peso ligero. La solicitud de patente de los E.U.A. número de serie 10/666,294 incorporada aquí por referencia, describe un proceso de múltiples capas para producir paneles cementicios estructurales (SCP o paneles SCP) y los SCP's producidos por este proceso. Después que uno de una deposición inicial de fibras trozadas, sueltamente distribuidas por una capa de fango sobre una trama en movimiento, se depositan fibras sobre la capa de fango. También describe un panel cementicio estructural (SCP) producido por su proceso, y un aparato adecuado para producir los paneles cementicios estructurales de acuerdo con su proceso. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a una composición cementicia reforzada con fibras de polivinil alcohol (PVA) para producir compuestos basados en cemento de peso ligero extremadamente duros. Ésta composición es una mezcla de aglutinante inorgánico, rellenos de peso ligero y variedades preferidas de fibras PVA. Se ha encontrado que la combinación de material de la invención lleva a compuestos basados en cemento de peso ligero que poseen tenacidad significante (capacidad de absorción de energía). Para los compuestos de la invención, la tenacidad alcanzada es de varios órdenes de magnitud mayores que para los compuestos reforzados con otras variedades de fibras tales como vidrio resistente a álcalis, carbón o acero. Las fibras PVA se eligen para tener propiedades y parámetros preferidos que llevan a buen desempeño de compuesto. Estas variedades preferidas de fibras PVA pueden emplearse en combinación con otros tipos de fibras tales como fibras de vidrio resistentes a álcalis, carbono, acero u otros polímeros. Compuestos basados en cemento fabricados utilizando la formulación descrita de la invención pueden ser el objetivo para una variedad de aplicaciones en edificar construcciones. La formulación descrita y los compuestos resultantes son particularmente útiles en aplicaciones en donde es de gran consideración el daño debido a cargas de impacto (por ejemplo daño por granizo). Algunos ejemplos de las aplicaciones potenciales incluyen mosaicos de techado y chapas exteriores para paredes de edificios. Composiciones típicas para modalidades de paneles de la presente invención que logran la combinación de baja densidad, tenacidad de flexión mejorada y capacidad de clavado comprenden aglutinante inorgánico (ejemplos -yeso-cemento, cemento Portland u otros cementos hidráulicos) que tienen distribuidas a través de todo el espesor del panel, fibras PVA selectas, rellenos de peso ligero (ejemplo microesferas de vidrio huecas, microesferas cerámicas huecas, microesferas de plástico y/o perlita, uniformemente) y mezclas reductoras de agua de alto rango/súperplastificantes (ejemplos - polinaftalen sulfonatos, poli acrilatos, etc.). Los paneles pueden ser paneles de una sola capa o paneles de múltiples capas. Un panel de una sola o múltiples capas también puede proporcionarse con una hoja de malla, por ejemplo malla de fibra de vidrio si se desea. Un panel típico se elabora a partir de una mezcla de agua y aglutinante inorgánico con las fibras PVA selectas, y microesferas cerámicas de peso ligero y/o microesferas de polímero y superplastificante a través de la mezcla. Otros aditivos tales como mezclas aceleradoras y retardantes, aditivos para control de viscosidad, pueden agregarse opcionalmente a la mezcla para satisfacer las demandas del proceso de fabricación involucrado. Una característica clave de los paneles cementicios o cementosos de esta invención es que en los paneles son de peso ligero. De preferencia, la densidad de los paneles cementicios de la invención es menos que 1360 kg/m3 (85 pcf) o más preferible, la densidad de los paneles cementicios de la invención es menor que 1121 kg/m3 (70 pcf). La presente invención emplea fibras de PVA selectas en paneles cementicios de peso ligero para lograr paneles que tienen propiedades ventajosas. Las fibras preferidas pueden utilizarse solas o en combinación con otros tipos de fibras tales como fibras de vidrio resistentes a álcali, fibras de carbón, fibras de acero u otras fibras de polímero. La tenacidad de flexión del compuesto típicamente es mayor a 2.25 Joules de acuerdo con el método de caracterización de tenacidad de flexión como se describe en esta especificación. Aún más, el panel puede actuar como un panel de corte a una fracción de volumen de fibras de al menos 2%. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista lateral esquemática de un panel de una sola capa de la presente invención. La Figura 2 presenta datos que muestran influencias del tipo de fibras y fracción de volumen de fibras en la tenacidad de flexión de compuestos basados en cemento reforzado con fibras, de peso ligero. La Figura 3 presenta datos que ilustran influencia de tipo de fibras (a 2% de la fracción de volumen de fibras) en la tenacidad de flexión de compuestos basados en cemento reforzado con fibras, de peso ligero. La Figura 4 presenta datos que muestran la influencia de tipo de fibras y fracción de volumen de fibras en tenacidad de flexión de compuestos basados en cemento reforzados con fibras, dé peso ligero. La Figura 5 presenta datos que muestran la influencia de tipo de fibras y fracción de volumen de fibras en resistencia de sujetador lateral de compuestos basados en cemento reforzados con fibras, de peso ligero. La Figura 6 presenta datos que muestran influencia de tipo de fibras y fracción de volumen de fibras en deflexión máxima de compuestos basados en cemento reforzados con fibras de peso ligero. La Figura 7 presenta datos que muestran influencia de tipo de fibras en deflexión máxima de compuestos basados en cemento reforzado con fibras, de peso ligero. La Figura 8 presenta datos que muestran la influencia de tipo de fibra en tenacidad de compuestos basados en cemento reforzados con fibras, de peso ligero. La Figura 9 presenta datos que muestran influencia de tipo de fibra en tenacidad de flexión de compuestos basados en cemento reforzados con fibras, de peso ligero. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como se discutió previamente, hay necesidad por paneles de construcción que son de peso ligero y capaces de reemplazar los paneles basados en madera y basados en cemento actualmente disponibles, para proporcionar tenacidad mejorada para resistir falla debido a impactos que resultan de granizo u otros objetos arrastrados por altos vientos. Paneles y productos basados en madera en general proporcionan un desempeño de tenacidad de flexión adecuado, pero no son dimensionalmente estables cuando se someten al agua y pueden ser atacados por putrefacción o insectos. Los paneles y productos basados en cemento actualmente disponibles tienen las siguientes deficiencias: alta densidad de producto, inferior desempeño de tenacidad, inestabilidad bajo condiciones de congelado-descongelado que lleva a deslaminación del panel, deficiente resistencia a moho y mildiú y resistencia a termitas en paneles reforzados con fibras de celulosa y deficiente durabilidad ante la humedad en paneles reforzados con fibras de celulosa. Además, cuando paneles basados en madera o paneles basados en cemento reforzados con fibras de celulosa son empleados, es necesario protegerlos contra humedad al aplicar revestimiento resistente al agua o adicionales paneles resistentes al agua sobre éstos, a un costo adicional significante. En contraste, los paneles de la invención son resistentes al agua y dimensionalmente estables. Los paneles pueden cortarse con herramientas empleadas para paneles de madera y sujetos a bastidores con clavos o tomillos. Cuando sea conveniente, es posible construcción machihembrada. Los materiales de partida empleados para producir los paneles de la invención son aglutinante inorgánico, por ejemplo sulfato de calcio alfa hemihidrato, cemento hidráulico y materiales puzolánicos, fibras PVA selectas, rellenos de peso ligero, por ejemplo perlita, microesferas cerámicas y/o microesferas de polímero, superplastificante, por ejemplo polinaftalen sulfonato y/o poli acrilatos, agua y aditivos opcionales. Sulfato de Calcio Hemihidrato Sulfato de calcio hemihidrato que puede emplearse en paneles de la invención, se elabora de yeso o un mineral de origen natural (sulfato de calcio de hidrato CaSO4.2H2O). A menos que se indique otra forma, "yeso" se referirá a la forma dihidratada del sulfato de calcio. Después de extraerse, el yeso en bruto se procesa térmicamente para formar un sulfato de calcio fraguable, que puede ser anhidro, pero más típicamente es el hemihidrato, CaSO4.1/2H2O. Para usos finales familiares, el sulfato de calcio fraguable reacciona con agua para solidificar formando el dihidrato (yeso). El hemihidrato tiene dos morfologías reconocidas, denominadas alfa hemihidrato y beta hemihidrato. Estas se eligen para diversas aplicaciones con base en sus propiedades físicas y costo. Ambas formas reaccionan con agua para formar el dihidrato de sulfato de calcio. AI hidratar, alfa hemihidrato se caracteriza por dar lugar a cristales de lados rectangulares de yeso, mientras que beta hemihidrato se caracteriza por hidratar para producir cristales en forma de agujas de yeso, típicamente con gran proporción de dimensiones. En la presente invención, cualquiera o ambas de las formas alfa o beta pueden emplearse dependiendo del desempeño mecánico deseado. El beta hemihidrato forma microestructuras menos densas y se prefiere para productos de baja densidad. El alfa hemihidrato forma microestructuras más densas que tienen superior resistencia y densidad que aquellas formadas por el beta hemihidrato. De esta manera, el alfa hemihidrato puede ser sustituido por beta hemihidrato para incrementar la resistencia y densidad o pueden combinarse para ajustar las propiedades. Una modalidad típica para el aglutinante inorgánico empleado para producir paneles de la presente invención comprende cemento hidráulico tal como cemento Portland, cemento de alto contenido de alúmina, cemento Portland en mezcla con puzolana o sus mezclas. Otra modalidad típica para el aglutinante inorgánico empleado para producir paneles de la presente invención, comprende una mezcla que contiene sulfato de calcio alfa hemihidrato, cemento hidráulico, puzolana y cal. Cemento Hidráulico ASTM define "cemento hidráulico" como sigue: Un cemento que fragua y endurece por interacción química con agua y es capaz de hacerlo bajo el agua. Hay varios tipos de cementos hidráulicos que se utilizan en las industrias de construcción y edificación. Ejemplos de cementos hidráulicos incluyan cemento Portland, cementos de escorias tales como cementos de escorias de alto horno y cementos super sulfatados, cemento de sulfo aluminato de calcio, cemento de alto contenido de alúmina, cementos expansivos, cemento blanco y cementos de rápido fraguado y endurecido. Mientras que el sulfato de calcio hemihidrato fragua y endurece por interacción química con agua, no se incluye dentro de la amplia definición de cementos hidráulicos en el contexto de esta invención. Todos los cementos hidráulicos anteriormente mencionados pueden emplearse para producir los paneles de la invención. La familia más popular y ampliamente utilizada de cementos hidráulicos cercanamente relacionados se conoce como cemento Portland. ASTM define "cemento Portland" como un cemento hidráulico producido al pulverizar clínker, que esencialmente consiste de silicatos de calcio hidráulicos, que usualmente contienen una o más de las formas de sulfato de calcio como una adición inter-molida. Para fabricar cemento Portland, una mezcla íntima de piedra caliza o roca calcárea, rocas arcillosas y arcilla, se quema en un horno para producir el clínker, que después se procesa adicionalmente. Como resultado, las siguientes cuatro fases principales del cemento Portland se producen: Silicato tricálcico (3CaO«S¡O2, también referido como C3S), silicato dicalcico (2CaO«SiO2, denominado C2S), alúminato tricalcico (3CaO?I2O3o C3A) y aluminoferrita tetracálcica (4CaO*AI2O3»Fe2O3 o dAF). Otros compuestos presentes en cantidades menores en cemento Portland incluyen sulfato de calcio y otras sales dobles de sulfatos alcalinos, óxido de calcio y óxido de magnesio. De las diversas clases reconocidas de cemento Portland, cemento Portland Tipo lll (clasificación ASTM) se prefiere para producir los paneles de la invención, que debido a su fineza se ha encontrado que proporciona mayor resistencia. Las otras clases reconocidas de cementos hidráulicos incluyendo cementos de escorias tales como cementos de escorias de alto horno y cementos super sulfatados, cementos de sulfoaluminato de calcio, cementos de alto contenido de alúmina, cementos expansivos, cemento blanco, cementos de rápido fraguado y endurecido tales como cemento de fraguado regulado y cemento de VHE, y los otros tipos de cemento Portland, también pueden emplearse exitosamente para producir los paneles de la presente invención. Los cementos de escoria y el cemento de sulfoaluminato de calcio tienen baja alcalinidad y también son adecuados para producir los paneles de la presente invención. Fibras PVA Diferencias substanciales en desempeño mecánico compuesto ocurre con el uso de diferentes variedades de fibras PVA. De acuerdo con esto, la presente invención elige fibras PVA que tienen características que se consideran llevan a un buen desempeño compuesto. La Tabla 1 cita estas propiedades. TABLA 1 Modulo Elástico de Fibras Más 30 a 50 GPa Preferido Fibras de polivinil alcohol (PVA) son polímeros de la fórmula general (-CH2-CH(OH)-)n con pesos moleculares por ejemplo de 13,000 a 100,000 y una densidad por ejemplo de 1.23 a 1.30 gm/cc y el general se preparan como se conoce en la técnica. Fibras PVA comercialmente disponibles preferidas se citan en la TABLA 2. TABLA 2 KURALON RKW1502 Fibras de polivinil alcohol KURALON están disponibles de Kuraray Co., Ltd., Kurashiki, Japón Las fibras PVA de acuerdo con la presente invención se agregan a sustrato tipo cemento en una cantidad que proporciona cuando menos 0.50% en volumen, de preferencia 0.50% a 3.00%, en volúmenes de estas fibras en el producto resultante. Mezclas de fibras inferiores a 0.50% no proporcionan un material con las características deseadas. Mezclas de fibras sobre 3.00% en volumen hacen muy costosa la preparación de los productos deseados sin ninguna mejora notable en la resistencia a doblado o impacto. La longitud de las fibras individuales puede ser uniforme o puede variar. Las fibras PVA se distribuyen uniformemente en el material de cemento. Las fibras pueden ser monofilamentos de PVA o hebras de múltiples filamentos de PVA. La sección transversal de las fibras puede tomar una variedad de formas, en especial que resultan de variaciones físicas y químicas en procesos de preparación. Por ejemplo, el material de solución de centrifugado, el baño de precipitación y las boquillas de las toberas de centrifugado pueden variarse. De esta manera, la preparación de fibras redondas, fibras multilobulares, fibras huecas, fibras porosas, etc. es facilitada. La superficie exterior de fibra puede ser áspera, dividida o afieltrada por procesos de post-tratamiento físico. Fibras PVA pueden ser fácilmente modificadas químicamente debido a su alta reactividad química. Diversos grupos funcionales tales como grupos carboxilo, grupos amida, grupos nitrilo, grupos fosfato, grupos sulfato, etc. pueden introducirse por reacciones de adición o reacciones de radicales. Abrillantadores o agentes adhesivos pueden introducirse dentro o sobre las fibras por medios puramente físicos y pueden proporcionar auxilio en el anclaje de las fibras PVA en el material tipo cemento. Por los métodos descritos anteriormente, fibras PVA pueden hacerse inflamables, hidrofóbicas, o entrelazadas. Todas las fibras PVA modificadas de esta manera son adecuadas como rellenos en la presente invención. De acuerdo con el proceso de la presente invención, fibras de polivinil alcohol pueden agregarse solas al material tipo cemento o pueden agregarse con fibras de vidrio u otras sintéticas o naturales solas o en combinación. Además de las fibras de refuerzo, adyuvantes tales como desechos de celulosa, trozos de madera, "fíbridos" (por ejemplo fíbridos de polipropileno) y otros rellenos pueden agregarse al material reforzado. Otras Fibras Opcionales Fibras de vidrios se emplean comúnmente como material aislante, pero también se han utilizado como materiales de refuerzo con diversas matrices. Las propias fibras proporcionan resistencia a la tracción para materiales que pueden de otra forma ser sometidos a falla frágil. Las fibras pueden romperse al cargar, pero el modo usual de falla de compuestos que contienen fibras de vidrio ocurre de degradación y falla de la unión o enlace entre las fibras y el material de fase continua. De esta manera, estas uniones son importantes si las fibras de refuerzo van a retener la capacidad por incrementar ductilidad y reforzar el compuesto con el tiempo. Se ha encontrado que cementos reforzados con fibra de vidrio pierden resistencia al pasar el tiempo, lo que se ha atribuido al ataque en el vidrio por la cal que se produce cuando se cura el cemento. Una forma posible para superar este ataque es cubrir las fibras del vidrio con una capa protectora tal como una capa de polímero. En general, estas capas protectoras pueden resistir ataque por cal, pero se ha encontrado que la resistencia se reduce en paneles de la invención y de esta manera no se prefieren capas protectoras. Una forma más costosa de limitar el ataque de cal es utilizar fibras de vidrio resistentes a álcali especiales (fibras del vidrio AR) tales como Nippon Electric Glass (NEG) 350Y. Estas fibras se ha encontrado que proporcionan superior resistencia de unión con la matriz y de esta manera se prefieren para paneles de la invención. Las fibras de vidrio son monofilamentos que tiene un diámetro de aproximadamente 5 a 25 mieras (micrómetros) y típico de aproximadamente 10 a 15 mieras (micrómetros). Los filamentos en general se combinan en 100 hebras de filamentos que pueden formarse agruparse en mechas que contienen aproximadamente 50 hebras. Las hebras o mechas en general se trozarán en filamentos y haces de filamentos convenientes, por ejemplo de aproximadamente 6.3 a 76 mm (0.25 a 3 in) de largo, típicamente de 25 a 50 mm (1 a 2 in). También es posible incluir otras fibras de polímero en los paneles de la invención. Estas fibras de polímero por ejemplo son fibras de polipropileno, polietileno, polietileno de alta densidad, poliacrilonitrilo, poliamida, polimida y/o aramida, son menos costosas que las fibras de vidrio resistentes a álcali y no están sujetas a ataque por cal. Fibras de carbón o de acero también son aditivos potenciales. Materiales Puzolánicos Como se ha mencionado, la mayoría de los cementos Portland y otros hidráulicos producen cal durante hidratación (curado). Es conveniente el reaccionar la cal para reducir ataque en fibras de vidrio. También se conoce que cuando está presente sulfato de calcio hemihidrato, reacciona con aluminato tricalcico en el cemento para formar etringita, que puede resultar en fisuración indeseable del producto curado. Esto a menudo se refiere en la técnica como "ataque de sulfato". Dichas reacciones pueden evitarse al agregar materiales "puzolánicos" que se definen en ASTM C618-97 como "... materiales silicios o silicios y aluminosos que en sí poseen poco o ningún valor cementoso pero en forma finamente dividida y en la presencia de humedad, reacciona químicamente con hidróxido de calcio a temperaturas ordinarias para formar compuestos que poseen propiedades cementosas. Un material puzolánico empleado a menudo es sílice pirógena, una sílice amorfa finamente dividida que es el producto de metal silicio y fabricación de aleación ferro-silicio. De manera característica, tiene alto contenido de sílice y bajo contenido de alúmina. Diversos materiales naturales y sintéticos se han referido que tienen propiedades puzolánicas, incluyendo pómez, perlita, tierra de diatomáceas, toba, tierra de trass, metacaolín, microsílice, escoria de alto horno granulada y molida y cenizas volantes o cenizas volátiles. Mientras que la sílice pirógena es una puzolana particularmente conveniente para utilizar en los paneles de la invención, pueden emplearse otros materiales puzolánicos. En contraste con la sílice pirógena, metacaolín, la. escoria de alto horno granulada y molida y la sílice pirógena pulverizada tienen mucho menor contenido de sílice y grandes cantidades de alúmina, pero pueden ser materiales puzolánicos efectivos. Cuando se utiliza sílice pirógena, constituirá aproximadamente 5 a 20% en peso, de preferencia 10 a 15% en peso de los polvos reactivos (es decir cemento hidráulico, sulfato de calcio alfa hemihidrato, sílice pirógena y cal). Si otras puzolanas se sustituyen, las cantidades utilizadas se seleccionarán para proporcionar desempeño químico similar a sílice pirógena. Rellenos/Microesferas de Peso Ligero Los paneles cementicios de peso ligero de la presente invención típicamente tienen una densidad de 961.20 a 1361.7 kg/m3 (60 a 85 libras/pies3), de preferencia 961.20 a 1201.50 kg/m3 (60 a 75 libras/pie3). En contraste, paneles cementicios típicos tienen densidades tales como 1441.8 a 2322.9 kg/m3 (90 a 145 libras/pie3). Para ayudar en lograr estas bajas densidades, se proporcionan los paneles con partículas de relleno de peso ligero. Estas partículas típicamente tienen un tamaño de diámetro de partículas promedio de 50 a 250 mieras (micrómetros) y/o caen dentro de un rango de tamaño de diámetro de partículas promedio de 10 a 500 mieras. También, típicamente tienen una densidad de partículas (gravedad específica) en el rango de 0.02 a 1.00. Microesferas sirven a un propósito importante en los paneles de la invención, que de otra forma serían más pesadas que lo conveniente para paneles de construcción. Utilizadas como rellenos de peso ligero, las microesferas ayudan a reducir la densidad promedio del producto. Cuando las microesferas están huecas, en ocasiones se refieren como microglobos. Rellenos de peso ligero típicos para incluir en mezclas empleadas para producir paneles de la presente invención, se eligen del grupo que consiste de microesferas cerámicas, microesferas de polímero, perlita, microesferas de vidrio y/o cenoesferas de cenizas volantes. Microsesferas cerámicas pueden fabricarse a partir de una variedad de materiales y utilizando diferentes procesos de fabricación. Aunque puede utilizarse una variedad de microesferas cerámicas como un componente de relleno en los paneles de la invención, las microesferas cerámicas preferidas de la invención se producen como un sub-producto de combustión de carbón y son un componente de las cenizas volantes que se encuentran en servicios auxiliares operados con carbón, por ejemplo Extendospheres-SG elaboradas por Kish Company Inc., Mentor, Ohio o microesferas cerámicas marca FILLITE® elaboradas por Trelleborg Fillite Inc., Norcross, Georgia USA. La química de las microesferas cerámicas preferidas de la invención es predominantemente sílice (SiO2) en el rango de aproximadamente 50 a 75% en peso y alúmina (AI2O3) en el rango de aproximadamente 15 a 40% en peso con hasta 35% en peso de otros materiales. Las microesferas cerámicas preferidas de la invención son partículas esféricas huecas con diámetros en el rango de 10 a 500 mieras (micrómetros), un espesor de cubierta típico de aproximadamente 10% del diámetro de la esfera y una densidad de partículas de preferencia de aproximadamente 0.50 a 0.80 g/mL. La resistencia al aplastamiento de las microesferas cerámicas preferidas de la invención es mayor que 10.3 MPa (1500 psi) y de preferencia mayor que 17. 2 MPa (2500 psi). De preferencia para microesferas en los paneles de la invención primordialmente se basa en el hecho de que son aproximadamente tres a diez veces más fuertes que la mayoría de las microesferas de vidrio sintéticas. Además, las microesferas cerámicas preferidas de la invención son térmicamente estables y proporcionan estabilidad dimensional mejorada al panel de la invención. Microesferas cerámicas encuentran utilidad en un arreglo de otras aplicaciones tales como adhesivos, selladores, materiales de calafateo, enmasillado o sellado, compuestos de techado, pisos de PVC, pinturas, revestimientos industriales y compuestos de plástico resistentes a alta temperatura. Aunque se prefieren, habrá de entenderse que no es esencial que las microesferas sean huecas y esféricas, ya que es la densidad de partículas y la resistencia de compresión que proporcionan al panel de la invención con su bajo peso y propiedades físicas importantes. En forma alterna, partículas irregulares porosas pueden substituirse siempre que los paneles resultantes satisfagan el desempeño deseado. Las microesferas de polímero de preferencia también son esferas huecas con una cubierta hecha de materiales poliméricos tales como poliacrilonitrilo, polimetacrilonitrilo, cloruro de polivinilo o cloruro de polivinilideno, o sus mezclas. La cubierta puede circunscribir un gas utilizado para expansión de la cubierta polimérica durante fabricación. La superficie exterior de las micro esferas de polímero puede tener algún tipo revestimiento inerte tal como carbonato de calcio, óxidos de titanio, mica, sílice, y talco. Las micro esferas de polímero tienen una densidad de partículas de preferencia de aproximadamente 0.02 a 0.15 g/ml_ y tienen diámetros en el rango de 10 a 350 mieras (micrómetros). La presencia de micro esferas de polímero facilita el alcance en forma simultánea baja densidad de panel y mejorada capacidad de corte y clavado. Aunque todos los paneles de la invención pueden cortarse utilizando herramientas de carpintería convencionales, incluyendo microesferas de polímero reducen la resistencia al clavado. Esta es una propiedad valiosa cuando se aplican a mano clavos. Cuando se emplea equipo de clavado neumático, la resistencia del panel a clavar es de menor importancia, de manera tal que la resistencia del panel puede ser superior que para paneles que se van a clavar a mano. Además, cuando se utiliza una mezcla de microesferas cerámicas y de polímero en ciertas proporciones, efectos sinergísticos se logran en términos de propiedades reológicas mejoradas del fango y un aumento en la resistencia a doblado en seco del panel. Otros rellenos de peso ligero, por ejemplo micro esferas de vidrio, perlita o ceno esferas o micro esferas de aluminio-silicato huecas derivadas de cenizas volantes, también son adecuadas para incluir en las mezclas, en combinación con o en lugar de micro esferas cerámicas empleadas para producir los paneles de la presente invención.

Las micro esferas de vidrio típicamente se elaboran de materiales de vidrio resistentes a álcalis y pueden ser huecas. Micro esferas de vidrio típicas están disponibles de GYPTEK INC., Suite 135, 16 Midlake Blvd SE, Calgary, AB, T2X 2X7, CANADÁ. En una primera modalidad de la invención, solo se utilizan micro esferas cerámicas a través de todo el espesor del panel. El panel típicamente contiene aproximadamente 35 a 42% en peso de micro esferas cerámicas distribuidas uniformemente a través del espesor del panel. En una segunda modalidad de la invención, una mezcla de micro esferas de vidrio y cerámicas de peso ligero se utiliza a través de todo el espesor del panel. A fin de lograr las propiedades deseadas, la fracción en volumen de las micro esferas de polímero en el panel de la segunda modalidad de la invención de preferencia estarán en el rango de 7 a 15% del volumen total de los ingredientes secos, en donde los ingredientes secos de la composición son los polvos reactivos (ejemplos de polvos reactivos: cemento hidráulico solo; una mezcla de cemento hidráulico y puzolana; o una mezcla de cemento hidráulico, sulfato de calcio alfa hemihidrato, puzolana, y cal), micro esferas cerámicas, micro esferas de polímero, y fibras de vidrio resistentes a álcali. La cantidad de microesferas del polímero puede variarse al ajustar la proporción de agua-a-polvo reactivo, según se desee para lograr un efecto similar. Una mezcla acuosa típica tiene una proporción de agua-a-polvos reactivos mayor que 0.3/1 a 0.7/1. Formulación Los componentes empleados para producir los paneles resistentes a corte de la invención son fibras de PVA, cemento hidráulico, sulfato de calcio alfa hemihidrato, una puzofana activa tal como sílice pirógena, cal, micro esferas cerámicas, microesferas de polímero, super plastificante (por ejemplo, sal sodio de polinaftalen sulfonato), y agua. Pequeñas cantidades de aceleradores y/o retardantes pueden agregarse a la composición' para controlar las características de fraguado del material en crudo (es decir, sin curar). Aditivos no limitantes típicos incluyen aceleradores para cemento hidráulico tales como cloruro de calcio, aceleradores para sulfato de calcio alfa hemihidrato tales como yeso, retardantes tales como ácido dietilen triamin pentacético (DTPA = diethylene triamine pentacetic acid), ácido tartárico o una sal alcalina de ácido tartárico (por ejemplo, tartrato de potasio), agentes para reducción de encogimiento tales como glicoles, y aire atrapado. Los paneles de la invención incluyen una fase continua en donde fibras PVA y micro esferas, se distribuyen uniformemente. La fase continua resulta del curado de una mezcla acuosa de los polvos reactivos (ejemplos de polvos reactivos: cemento hidráulico solo; mezcla de cemento hidráulico y puzolana; o mezcla de cemento hidráulico, sulfato de calcio alfa hemihidrato, puzolana y cal), de preferencia que incluyen super plastificante y/u otros aditivos. Amplias proporciones en peso típicas de modalidades de estos polvos reactivos (aglutinante inorgánico), por ejemplo cemento hidráulico, sulfato de calcio alfa hemihidrato, puzolana y cal en la invención, con base en peso seco de los polvos reactivos, se muestran en las Tablas 3 y 4. La Tabla 5 cita rangos típicos de polvos reactivos (aglutinante inorgánico), relleno de peso ligero, superplastificante y agua en las composiciones de la presente invención. TABLA 3 TABLA 4 TABLA 5 TABLA 5A No se requiere cal en todas las formulaciones de la invención, pero agregar cal puede proporcionar paneles superiores. Una cantidad típica de cal en los polvos reactivos es de aproximadamente 0.2 a 3.5% en peso.

En la primera modalidad de la invención, los ingredientes secos de la composición serán los polvos reactivos, ejemplos de polvos reactivos: cemento hidráulico solo, mezcla de cemento hidráulico y puzolana, o mezcla de cemento hidráulico, sulfato de calcio alfa hemihidrato, puzolana y cal), fibras de PVA, micro esferas cerámicas y fibras de vidrio resistentes a álcali opcionales, y los ingredientes húmedos de la composición serán agua y super plastificante. Los ingredientes secos y los ingredientes húmedos se combinan para producir el panel de la invención. Las fibras de PVA y micro esferas cerámicas se distribuyen uniformemente en la matriz a través de todo el espesor del panel. Del peso total de ingredientes secos, el panel de la invención se forma de aproximadamente 49 a 56% en peso de polvos reactivos, 0.75 a 3.0% en peso de fibras de PVA, 35 a 42% en peso de micro esferas cerámicas y 0 a 12% en peso de fibras de vidrio resistentes a álcali. En el amplio rango, el panel de la invención se forma de 35 a 58% en peso de polvos reactivos, 0.5 a 5.0% en peso de fibras de PVA, 34 a 49% en peso de micro esferas cerámicas, y 0 a 17% en peso de fibras de vidrio resistentes a álcali del total de ingredientes secos. Las cantidades de agua y super plastificantes agregadas a los ingredientes secos serán suficientes para proporcionar la fluidez de fango deseada requerida para satisfacer consideraciones de procesamiento para cualquier proceso de fabricación particular. Las velocidades de adición típicas para el agua están en el rango entre 35 a 60% del peso de polvos reactivos y aquellos para super plastificante están en el rango entre 1 a 8% del peso de polvos reactivos. Las fibras de vidrio opcionales son monofilamentos que tienen un diámetro de aproximadamente 5 a 25 mieras (micrómetros), de preferencia de aproximadamente 10 a 15 mieras (micrómetros). Los monofilamentos típicamente se combinan con hebras de 100 filamentos que pueden formarse en haces en mechas de aproximadamente 50 hebras. La longitud de las fibras de vidrio típicamente serán de aproximadamente 25 a 50 mm (1 a 2 in) en forma amplia aproximadamente de 6.3 a 76 mm (.25 a 3 in). Las fibras de vidrio y PVA tienen orientación aleatoria, proporcionando comportamiento mecánico isotrópico en el plano del panel. La segunda modalidad de la invención, contiene fibras de PVA con una mezcla de microesferas cerámicas y de polímero distribuidas uniformemente a través de todo el espesor del panel. Incorporación de microesferas de polímero en el panel ayuda a lograr la combinación de baja densidad y ductilidad requeridas para permitir que el panel se corte o sujete (ya sea con clavos o tomillos) con herramientas de carpintería convencionales. Además, las propiedades reológicas del fango se mejoran sustancialmente cuando se utiliza una combinación de microesferas cerámicas y de polímero huecas como parte de la composición. De acuerdo con esto, en la segunda modalidad de la invención, los ingredientes secos de la composición son los polvos reactivos (cemento hidráulico, sulfato de calcio alfa hemihidrato, puzolana y cal), microesferas cerámicas, microesferas de polímero y fibras de vidrio resistentes a álcali opcionales, y los ingredientes húmedos de la composición serán agua y superplastificante. Los ingredientes secos y los ingredientes húmedos se combinarán para producir el panel de la invención. Para lograr buena sujeción y capacidad de corte, la fracción en volumen de las microesferas de polímero en el panel, de preferencia estarán en el rango de 7 a 15% del volumen total de ingredientes secos. Del peso total de ingredientes secos, el panel de la invención se forma a partir de aproximadamente 54 a 65% en peso de polvos reactivos, 0.75 a 3.00 % en peso de fibras de PVA, 25 a 35% en peso de microesferas cerámicas, 0.5 a 0.8% en peso de microesferas de polímero y 0 a 10% en peso de fibras de vidrio resistentes a álcali. En el amplio rango, el panel de la invención se forma a partir de 42 a 68% en peso de polvos reactivos, 0.5 a 5.00 % en peso de fibras de PVA, 23 a 43% en peso de microesferas cerámicas, 0.2 a 1.0% en peso de microesferas de polímero, y 0 a 15%, por ejemplo 5% en peso, en peso de fibras de vidrio resistentes a álcali, con base en el total de ingredientes secos. Las cantidades de agua y superplastificantes agregadas a los ingredientes secos, se ajustarán para proporcionar la fluidez de fango deseada requerida para satisfacer las consideraciones de procesamiento para cualquier proceso de fabricación particular. Las velocidades de adición típicas para el agua está en el rango entre 35 a 70% en peso de los polvos reactivos, pero pueden ser mayores que 60% a 70%, de preferencia 65% a 75%, cuando se desea utilizar la proporción de agua-a-polvo reactivo para reducir densidad de panel y mejorar la capacidad de clavado. Ya que la proporción de agua-a-polvo reactivo puede ajustarse para proporcionar un efecto similar al de las microesferas de polímero, ya sea cualquiera puede utilizarse o una combinación de los dos métodos. La cantidad de superplastificante estará en el rango entre 1 a 8% del peso de los polvos reactivos. Las fibras de vidrio opcionales son monofilamentos que tienen un diámetro de aproximadamente 5 a 25 mieras (micrómetros), de preferencia aproximadamente 10 a 15 mieras (micrómetros). Típicamente se agrupan en hebras y mechas como se discutió anteriormente. La longitud de las fibras de vidrio de preferencia es de 25 a 50 mm (1 a 2 in) aproximadamente y en sentido amplio de aproximadamente 6.3 to 76 mm (0.25 a 3 in). Las fibras tendrán una orientación aleatoria proporcionando comportamiento mecánico isotrópico en el plano del panel. En la segunda modalidad de la invención, la incorporación de las distintas microesferas de polímero en cantidades como se describió anteriormente como una sustitución parcial por las microesferas cerámicas, ayuda a mejorar la tenacidad de flexión en seco del compuesto. Además, sustitución parcial de microesferas cerámicas por microesferas de polímero reduce la proporción de agua-a-polvos reactivos requerida para lograr una fluidez de fango determinada. Fango que contiene una mezcla de microesferas cerámicas y de polímero tendrá superior comportamiento de flujo (trabajabilidad) en comparación con el que sólo contiene microesferas cerámicas. Esto es de importancia particular cuando el procesamiento industrial de los paneles de la invención requiere el uso de fangos con superior comportamiento de flujo. Producción de un Panel de la Invención Los polvos reactivos, ejemplos de polvos reactivos: solo cemento hidráulico; una mezcla de cemento hidráulico y puzolana; o una mezcla de cemento hidráulico, sulfato de calcio alfa hemihidrato, puzolana y cal), las fibras de PVA trozadas y relleno de peso ligero, por ejemplo microesferas, se mezclan en el estado seco en una mezcladora conveniente. Típicamente las fibras de PVA están disponibles en la forma trozada, y se agregan a los ingredientes secos directamente o al fango húmedo en la forma trozada directamente. Fibras PVA típicamente no son trozadas de la mecha como se hace típicamente en el caso de fibras de vidrio. Después, agua, un superplastificante (por ejemplo, la sal sodio de polinaftalen sulfonato), y la puzolana (por ejemplo, sílice pirógena o metacaolín) se mezclan en otro mezclador por 1 a 5 minutos. Si se desea, un retardante (por ejemplo, tartrato de potasio) se agrega en esta etapa, para controlar las características de fraguado del fango. Los ingredientes secos se agregan al mezclador que contiene los ingredientes húmedos y mezclan por 2 a 10 minutos para formar un fango homogéneo uniforme. El fango que contiene fibras de PVA puede entonces ser combinado opcionalmente con fibras de vidrio u otras fibras, en varias formas, con el objetivo de obtener una mezcla de fango uniforme. Los paneles cementosos después se forman al vaciar el fango que contiene fibras en un molde apropiado de forma y tamaño deseados. De ser necesario, se proporciona vibración al molde para obtener buena compactación de material en el molde. Al panel se dan características de acabado de superficie requeridas utilizando una llana o barra de enrasado apropiada. Otros métodos para depositar una mezcla de fango, fibras de PVA y opcionales fibras de vidrio u otras, se les ocurrirán a aquellos familiarizados con la técnica de elaboración de paneles. Por ejemplo, en vez de utilizar un proceso por lotes para producir cada panel, puede prepararse una hoja continua en forma similar, que después de que el material se ha fraguado lo suficiente, puede cortarse en paneles del tamaño deseado. En muchas aplicaciones, por ejemplo en revestimientos o chapas, los paneles serán clavados o atornillados a bastidores verticales. En algunas aplicaciones, tales como en donde los paneles se utilizan como subpiso estructural o capa inferior para acabados, de preferencia se elaborarán con una construcción machihembrada, que puede hacerse al conformar los bordes del panel durante vaciado o antes de uso al cortar las lengüetas y ranuras (machihembrado) con una fresadora. Otra característica de la presente invención es que el panel cementicio resultante se construye de manera tal que las fibras PVA y opcionalmente fibras de vidrio u otras, se distribuyan uniformemente a través del panel. El por ciento de fibras respecto al volumen de fango de preferencia constituye aproximadamente en el rango de 0.5% a 3%, por ejemplo 1.5% Paneles de la presente invención típicamente tienen una o más de las siguientes propiedades: Tenacidad de flexión típicamente es cuando menos 5.2 MPa (750 psi) y de preferencia mayores a 6.9 MPa (1000 psi).

La tenacidad de flexión típicamente es cuando menos 2.25 Jouls que ilustran área total bajo la curva de carga contra deflexión para un espécimen de ancho 102 mm (4 in) largo 305 mm (12 in), espesor 12.7 mm (0.5 pulgada) sobre una extensión de 254 mm (10 in) en doblado de cuatro puntos de acuerdo con el procedimiento de pruebas de \a ASTM C947. La resistencia de sujetador lateral típicamente es cuando menos 136.2 kg (300 libras) para un panel con espesor de 12.7 mm (0.5 pulgada) como se mide de acuerdo con una versión modificada de ASTM D 1761 según se describe por R. Tuomi and W. McCutcheon, ASCE Structural División Joumal, julio 1978.

EJEMPLOS La TABLA 6 resume las propiedades de seis fibras investigadas.

TABLA 6 - Fibras Investigadas Todas las fibras investigadas tienen una longitud igual a o menor que 12.7 mm (0.50 in) y un diámetro igual a o menor que 200 mieras. Las composiciones de mezcla investigadas se produjeron al combinar los siguientes ingredientes: fibras de refuerzo, aglutinante inorgánico, rellenos de peso ligero, súper plasificante y agua. En total, se investigaron 19 mezclas. La densidad de fango de diseño de las mezclas investigadas fue de 1121.40 kg/m3 (70 libras/pie3 (pcf)). La fracción en volumen de fibras en la mezcla se varió y 0.5% a 2.0% para las diversas fibras se investigó.

Composición de Mezcla de la Invención La TABLA 7 proporciona una descripción de las composiciones de mezcla objetivo para estos ejemplos. Las fracciones en peso de diversos ingredientes mostrados en ésta tabla son para el fango húmedo excluyendo fibras.

Las TABLAS 8 y 8A muestran las composiciones actuales para el fango húmedo en combinación con fibras PVA para estos ejemplos.

Cerámicas huecas 4. Otros rellenos de peso ligero, por ejemplo como se menciona a continuación pueden emplearse como parte de esta invención: a. Perlita expandida b. Microesferas de plástico huecas c. Perlas de poliestireno expandidas 5. Súperplastificante empleado en los ejemplos: Polinaftalen sulfonato Otros aditivos tales como mezclas aceleradoras y retardantes, aditivos de control de viscosidad, pueden agregarse opcionalmente para satisfacer las demandas del proceso de fabricación involucrado.

El panel se elaboró como se describió anteriormente en la sección con título "Producción de un Panel de la Invención".

TABLA 8 TABLA 8A Resultados La Tabla 9 resume los resultados para las composiciones investigadas. La Tabla 9 muestra datos de desempeño de formulaciones cementicias de peso ligero reforzadas con fibras. Los datos para los Ejemplos 2A-2D son para compuestos de la presente invención que emplean la fibra PVA KURALON REC15x12 (también etiquetada PVA-2). Paneles compuestos de 13 mm (media pulgada) se produjeron al mezclar los diversos ingredientes en un mezclador Hobart y vaciar la mezcla resultante en un molde. La orientación de fibras en los paneles fue aleatoria tri-dimensional para todas las composiciones de mezcla evaluadas. Los resultados de la investigación también se ilustran en las Figuras 2 a 5. Sigue una discusión de los resultados.

TABLA 9 Tenacidad de Flexión Compuesta Especímenes de panel de flexión 102 mm (4 in) de ancho y de longitud 305 mm (12 in) se cargaron en una disposición de doblado de 4 puntos sobre una extensión de 254 mm (10 in) de acuerdo con el procedimiento de prueba ASTM C947. La carga se aplicó a una velocidad de desplazamiento constante de 12.7 mm/minuto (0.5 pulgada/minuto). La carga de flexión contra respuesta de desplazamiento se registró. La tenacidad compuesta se calcula como área total bajo la curva de carga contra deflexión hasta que falla el espécimen.

La Tabla 9 'así como las Figuras 2 y 3 muestran los valores de tenacidad de flexión que se obtienen para los diversos compuestos investigados. Se realizaron las siguientes observaciones importantes.

Compuestos reforzados con fibras de carbón y micro fibras de acero son extremadamente frágiles como se indica por sus bajos valores de tenacidad.

Compuestos reforzados con fibras de vidrio resistentes a álcali y fibras PVA RF350 tienen ligeramente mejor tenacidad en comparación con los compuestos reforzados con micro fibras de acero y carbón.

Las propiedades de tenacidad de compuestos reforzados con fibras PVA KURALON REC15x12 (PVA-2) son particularmente notables. Puede observarse que los compuestos reforzados con fibras PVA REC15 tienen valores de tenacidad que son de varios órdenes de magnitud mayor que aquellos para los compuestos reforzados con otros tipos de fibras.

En particular, a 2% de fracción de volumen de fibras, los compuestos reforzados con fibras PVA REC15 absorben aproximadamente 5 veces más energía que los compuestos reforzados con fibras de vidrio resistentes a álcalis, aproximadamente 35 veces más energía que los compuestos reforzados con fibras de carbón y aproximadamente 40 veces más de energía que los compuestos reforzados con micro fibras de acero (Figura 3).

Tenacidad de flexión Especímenes de panel de flexión con ancho de 102 mm (4 in) y 305 mm (12 in) de largo se cargaron en doblado de 4 puntos sobre una extensión de 254 mm (10 in) de acuerdo con el procedimiento de prueba ASTM C947. La carga se aplicó a una velocidad de desplazamiento constante de 12.7 mm/minuto (0.5 pulgada/minuto). La carga de flexión contra respuesta de desplazamiento se registró. La tenacidad de flexión del compuesto se calcula de acuerdo con el procedimiento de prueba ASTM C947.

La Tabla 9 así como la Figura 4 muestran los datos de tenacidad de flexión que se obtienen para diversas composiciones de mezcla investigadas. Los compuestos reforzados con fibra PVA REC15 tienen el mejor desempeño de resistencia de flexión.

Resistencia de Sujetador Lateral La resistencia de sujetador lateral del compuesto se mide de acuerdo con una versión modificada de ASTM D 1761 como se describe por R. Tuomi and W. McCutcheon, ASCE Structural División Journal, julio 1978. Un tornillo de 41.3 mm (1- 5/8 in) de longitud se emplea como el sujetador para realizar la prueba.

La Tabla 9 así como la Figura 5 muestran la resistencia a desprendimiento de sujetador lateral para los diversos compuestos probados. La resistencia de sujetador lateral cuantifica la resistencia al desprendimiento lateral que se proporciona por el panel a los sujetadores. Tornillos con longitud igual a 41.3 mm (1-5/8 in) se utilizaron para determinar la resistencia de sujetador lateral de los compuestos. En la figura, puede observarse que los compuestos reforzados con fibras PVA REC15 tienen la mejor resistencia al sujetador lateral. La diferencia en desempeño de los compuestos reforzados con dos tipos diferentes de fibras PVA (PVA REC15 contra PVA RF350) es particularmente notable. Por una parte, los compuestos reforzados con fibras PVA REC 15 se desempeñan extremadamente bien. El desempeño de compuestos reforzados con fibras PVA RF350 es insatisfactorio.

Deflexión Máxima La Tabla 9 así como las Figuras 6 y 7 presentan datos que muestran influencia de tipo de fibras y fracción de volumen de fibras en deflexión máxima de compuestos basados en cemento reforzados con fibras, de peso ligero. Los valores de deflexión máximos mostrados en la Tabla 9 se midieron utilizando la prueba de flexión conducida de acuerdo con la norma ASTM C947, y estos valores representan la deflexión de flexión del espécimen bajo los puntos de carga correspondientes a la carga pico observada durante el régimen de prueba. De las Figuras 6 y 7 puede observarse claramente que los compuestos reforzados con fibras PVA tienen mayor deflexión máxima. Esta observación y comportamiento mecánico compuesto significa el hecho de que los compuestos reforzados con fibras PVA tienen mayor capacidad de deformación (es decir, mayor ductilidad), por lo tanto mayor tenacidad. De estos resultados puede apreciarse fácilmente que para los compuestos reforzados con fibras de carbón y micro fibras de acero, la ductilidad del compuesto no mejora incluso con el aumento en la fracción de volumen de fibras en el compuesto. Los compuestos reforzados con micro fibras de carbón y acero incluso a una fracción en volumen de fibras del 2% tienen valores máximos de deflexión menores a .00178 mm (0.07 in.). Estos resultados, en combinación con los valores de tenacidad compuesta significan el hecho de que los compuestos reforzados con micro fibras de carbón y acero son extremadamente frágiles en su respuesta mecánica en comparación con los compuestos reforzados con fibras PVA. Comparación de Fibras PVA Selectas con Fibras Acrílicas y Fibras de Polipropileno El uso de fibras PVA selectas en un compuesto se compara con el uso de fibras acrílicas o fibras de polipropileno utilizando los materiales y procedimientos anteriormente descritos, pero sustituyendo fibras acrílicas o fibras de polipropileno por las fibras de los ejemplos presentados anteriormente. La Tabla 10 así como la Figura 8 presentan datos que muestran la influencia de tipo de fibras en tenacidad de compuestos basados en cemento reforzados con fibra, de peso ligero. De los resultados presentados en la Tabla 10 y la Figura 8 puede observarse claramente que otros tipos de fibras de polímero no producen mejora en la tenacidad de compuesto equivalente a la producida por las fibras PVA. La Tabla 11 así como la Figura 9 presentan datos que muestran la influencia de tipo de fibras en tenacidad de flexión de compuestos basados en cemento reforzados con fibras, de peso ligero. De los resultados presentados en la Tabla 11 y la Figura 9, puede observarse que otros tipos de fibras de polímero no producen mejora en tenacidad de flexión compuesta equivalente a la producida por fibras PVA. TABLA 10 TABLA 11 Propiedades Preferidas de las Fibras PVA de la Invención Con base en estos datos, se vuelve aparente que diferencias sustanciales en desempeño mecánico compuesto ocurren con el uso de diferentes variedades de fibras PVA. De acuerdo con esto, los parámetros y propiedades preferidas de las fibras PVA que llevan a un buen desempeño compuesto se identifican y resaltan en la Tabla 1. También, la Tabla 2 cita algunas fibras comercialmente disponibles que son las fibras preferidas de la presente invención. Estas variedades preferidas de fibras pueden emplearse en combinación con otros tipos de fibras tales como fibras de vidrio resistentes a álcali, de carbón, de acero u otro polímero.

Mientras que modalidades particulares de la presente invención se han mostrado y descrito, se apreciará por aquellos con destreza en la técnica que pueden realizarse cambios y modificaciones sin apartarse de la invención en sus aspectos más amplios y como se establece en las siguientes reivindicaciones.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1. Un panel reforzado, de peso ligero, dimensionalmente estable que tiene una densidad de 961-1360 kg/m3 (60 - 85 pcf) caracterizado porque comprende: una fase continua que resulta del curado de una mezcla acuosa de polvos reactivos, los polvos reactivos comprenden, en una base seca, polvo reactivo de 35-70% en peso, 20-50% en peso de relleno de peso ligero, 0-20% en peso de fibras de vidrio, y 0.5-5.0% en peso de fibras PVA, la fase continua se refuerza con fibras PVA y contiene el relleno de peso ligero que tiene una gravedad específica de partículas desde 0.02 a 1.00 y un tamaño de diámetro de partículas promedio de 50 a 250 mieras y/o caen dentro de un rango de tamaño de partículas de 10 a 500 mieras, en donde las fibras PVA tienen un diámetro aproximado de 10 a 400 mieras (micrómetros) y una longitud aproximada de 2.5 a 25.4 mm (0.1 a 1 in), y un módulo elástico de fibra de 20-50 GPa. 2. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la fase continua se refuerza uniformemente con las fibras PVA, el relleno de peso ligero se distribuye uniformemente y el panel tiene una Tenacidad de flexión de al menos 5.2 MPa (750 psi). 3. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el panel tiene una Tenacidad de flexión de al menos 6.9 MPa (1000 psi). 4. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el panel tiene una Tenacidad De flexión de cuando menos 2.25 Joules que ilustra área total bajo la curva de carga contra deflexión para un espécimen de ancho de 102 mm (4 in), longitud de 305 mm (12 in), espesor de 12.7 mm (0.5 pulgada) cargado sobre una extensión de 254 mm (10 in) en un doblado de 4 puntos de acuerdo con el procedimiento de prueba de la ASTM C947. 5. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el panel tiene una Resistencia de Sujetador Lateral de cuando menos 136 kg (300 libras) para un panel con espesor de 12.7 mm (0.5 in). 6. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la mezcla acuosa de polvos reactivos comprende una base seca, 35 a 75% en peso de sulfato de calcio alfa hemihidrato, 20 a 55% en peso de cemento hidráulico, 0.0 a 3.5% en peso de cal, y 5 a 25% en peso de puzolana activa, la fase continua se refuerza uniformemente con fibras PVA y contiene micro-esferas cerámicas uniformemente distribuidas, las esferas tienen un diámetro promedio de aproximadamente 10 a 500 mieras (micrómetros). 7. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la mezcla acuosa de polvos reactivos comprende cemento hidráulico. 8. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la mezcla acuosa de polvos reactivos comprende, en una base seca, 70-100% en peso de cemento hidráulico y 0-30% en peso de cuando menos una puzolana. 9. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el panel tiene un espesor aproximado de 6.3 a 25.4 mm (1/4 a 1 in.). 10. El panel de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque un panel con espesor de 12.7 mm (0.5 pulgada) tiene una tenacidad de flexión de cuando menos aproximadamente 2.25 joules que ilustra área total bajo la curva de carga contra deflexión para un espécimen de ancho 102 mm (4 in), 305 mm (12 in) de largo, espesor de 12.7 mm (0.5 pulgada) cargados sobre una extensión de doblado de 4 puntos de 254 mm (10 in.) de acuerdo con el método de prueba ASTM C947. 11. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el relleno de peso ligero comprende esferas cerámicas huecas que comprenden aproximadamente 50 a 75% en peso de sílice, aproximadamente 15 a 40% en peso de alúmina, y hasta 35% en peso de otros materiales. 12. El panel de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el relleno de peso ligero comprende microesferas de polímero que comprenden cuando menos un miembro del grupo que consiste de poliacrilonitrilo, polimetacrilonitrilo, cloruro de polivinilo y cloruro de polivinilideno y opcionalmente revestidas con al menos un polvo seleccionado del grupo que consiste de carbonato de calcio, óxido de titanio, mica, sílice y talco. 13. El panel de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las fibras PVA tienen un diámetro de aproximadamente 10 a 100 mieras (micrómetros) y una longitud de aproximadamente de 5.1 a 12.7 mm (0.2 a 0.5 in), y un módulo elástico de fibras de 30-50 GPa. 14. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la tenacidad de flexión de un panel que tiene una densidad de 961 kg/m3 (60 lb/ft3) a 1200 kg/m3 (75 lb/ft3) es de al menos 5.2 MPa (750 psi). 15. El panel de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la tenacidad de flexión de un panel que tiene una densidad de 961 kg/m3 (60 lb/ft3) a 1200 kg/m3 (75 lb/ft3) es al menos 6.9 MPA (1000 psi). 16. El panel de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los bordes se conforman para permitir que paneles adyacentes permitan construcción machihembrada. 17. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el cemento hidráulico es cemento Portland. 18. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque las fibras PVA constituyen cuando menos 0.5% en volumen de la mezcla acuosa en una base húmeda. 19. El panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque las fibras PVA constituyen aproximadamente 1-3% en volumen de la mezcla acuosa en una base húmeda. 20. El panel de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las fibras PVA constituyen aproximadamente 1-2% en volumen de la mezcla acuosa en una base húmeda. 21. Un método para producir un panel de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque comprende: localizar una mezcla acuosa de polvos reactivos que comprenden, en una base seca, 40 a 95% en peso de cemento, la fase continua se refuerza uniformemente con fibras PVA y contienen relleno de peso ligero distribuido uniformemente, el relleno de peso ligero tiene una gravedad específica de partículas de 0.02 a 1.00, en donde las fibras PVA tienen un diámetro aproximado de 10 a 400 mieras (micrómetros) y una longitud aproximada de 2.5 a 25.4 mm (0.1 a 1 pulgada), y un modulo elástico de fibras de 20-50 GPa como se mide en un molde de panel, y curar la mezcla acuosa para formar el panel. 22. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el relleno de peso ligero comprende esferas de polímero uniformemente distribuidas que tienen un diámetro promedio de aproximadamente 10 a 350 µm. 23. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el relleno de peso ligero comprenden microesferas de polímero huecas que comprenden al menos un miembro del grupo que consiste de poliacrilonitrilo, polimetacrilonitrilo, cloruro de polivinilo y cloruro de polivinilideno, y revestidos opcionalmente con polvos seleccionados del grupo que consiste de carbonato de calcio, óxido de titanio, mica, sílice y talco. 24. El método de conformidackcon la reivindicación 21, caracterizado porque las fibras PVA son monofilamentos que tienen un diámetro aproximado de 5 a 25 mieras (micrómetros) y una longitud aproximada de 6 a 25.4 mm (0.25 a 1 pulgada). 25. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque las fibras PVA son monofilamentos. 26. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la mezcla acuosa tiene una proporción de agua-a-polvos reactivos mayor a 0.3/1 a 0.7/1.