PT106403A - Painel à base de cimento portland, partículas de madeira, agregados leves, reforçado com fibras de álcool polivinílico - Google Patents

Abstract

O PRESENTE INVENTO DIZ RESPEITO A UM PAINEL COMPÓSITO, DE SUPERFÍCIES PLANAS, DE PEQUENA ESPESSURA (4 A 40 MM) CINZENTO, BRANCO OU COLORIDO, RESISTENTE, RÍGIDO E COM ELEVADAS PRESTAÇÕES AO NÍVEL DA RESISTÊNCIA AO IMPACTO, AO FOGO, À HUMIDADE, ÀS VARIAÇÕES TÉRMICAS, AO RUÍDO E AOS FUNGOS E OUTROS MICRORGANISMOS, ALIADO A UMA INERENTE VERSATILIDADE ARQUITETÓNICA, CONSTITUÍDO POR 20 A 50% DE CIMENTO PORTLAND BRANCO OU CINZENTO; 5 A 50% DE PARTÍCULAS DE MADEIRA RESINOSA DESCASCADA; 0,1 A 10% DE ACELERADOR DE SUPERFÍCIE; 0,1 A 20% DE SOLUÇÃO DE SULFATO DE ALUMÍNIO; 2 A 50% DE FILER CALCÁRIO; 0,5 A 20% DE FIBRAS DE PVA; 0,1 A 50% DE AGREGADOS LEVES; E, FACULTATIVAMENTE, 0,1 A 15% DE PIGMENTOS INORGÂNICOS. A COMBINAÇÃO ENTRE A RESISTÊNCIA E FLEXIBILIDADE DA MADEIRA E DAS FIBRAS DE PVA (FIBRAS DE ÁLCOOL POLIVINILÍCO), COM A DURABILIDADE E RIGIDEZ DO CIMENTO, PERMITEM UM LARGO CAMPO DE APLICAÇÕES, TANTO EM EXTERIORES COMO EM INTERIORES, EM APLICAÇÕES DE EDIFÍCIOS PÚBLICOS OU DOMÉSTICOS, TORNANDO-SE NUMA SOLUÇÃO ECONÓMICA E FÁCIL DE APLICAR.

Description

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DESCRIÇÃO

"PAINEL COMPÓSITO, À BASE DE CIMENTO PORTLAND, PARTÍCULAS DE MADEIRA, AGREGADOS LEVES, REFORÇADO COM FIBRAS DE ÁLCOOL POLIVINÍLICO"

Campo da Invenção A presente invenção insere-se no campo dos materiais de construção à base de cimento, madeira e fibras de PVA e agregados leves, com elevados padrões de durabilidade, segurança, conforto e economia e com uma enorme diversidade de aplicação desde pavimentos, tetos, coberturas, revestimento e isolamento de fachadas, e similares.

Antecedentes da Invenção A utilização de painéis na construção à base de madeira é vasta e diversa, contudo as vantagens que lhes são reconhecidas, em especial a elevada resistência à flexão, como são o caso do contraplacado, os painéis de fibras de média densidade (MDF) ou os painéis de partículas (OSB), são lhe condicionadas pela menos bom desempenho à resistência ao fogo, durabilidade à água e estabilidade 2 dimensional e por vezes ao ataque de fungos, insetos e microrganismos.

Por outro lado os painéis à base de cimento, embora respondam às lacunas dos painéis de madeira, ou são demasiado densos, ou não apresentam valores de resistência à flexão equiparáveis e que respondam aos esforços a que lhe são solicitados.

Excetuando os painéis de cimento reforçados com fibras de PVA e constituídos por fileres de baixa densidade e microesferas de vidro, descritos na patente US 7.732.032 B2, cujas fibras permitem os desempenhos equivalentes aos painéis de madeira ao nivel da resistência à flexão, não existem painéis com uma versatilidade e aplicabilidade tão vasta, em coberturas, paredes, tetos e ou pavimentos, com exigências estruturais. Vários são os casos em que se utilizam fibras de diferentes naturezas como compósito à matriz de cimento tendo em vista o reforço na resistência à flexão, sem a utilização de madeira. As patente US 4.199.366, US 4.306.911, US 4.339.273, US 5.298.071, US 6.528.151 e US 6.723.162 Bl, descrevem formulações e métodos de preparação para a utilização de fibras de PVA, nalgumas situações com a mistura de outras fibras orgânicas poliméricas, a utilizar 3 na matriz de cimento e/ou outros ligantes pozolânicos ou hidráulicos. Em qualquer das situações, o resultado são produtos de elevada densidade, tal como é o caso da patente US 10/666.294, que descreve um processo para a obtenção de painéis estruturais por multi-camadas à base de cimento (painéis SCP) com a adição de fibras de PVA sobre cada camada pré-misturada.

Em particular na patente US 7.732.032 B2 é descrito a formulação para a produção de painéis de cimento reforçado com fibras de PVA, contendo cimento Portland, fibras de PVA criteriosamente selecionadas em termos das suas características, fileres de baixas densidades (como exemplo as microesferas de vidro, microesferas cerâmicas e/ou perlite) e superplastificantes redutores de água (por exemplo polinaftalenos, poliacrilatos, etc.), com a particularidade de apresentarem densidades entre 961 e 1361 kg/m3, bastante inferior ao que é caracteristico dos painéis de cimento e com um excelente desempenho ao nivel das resistências à flexão. De qualquer maneira na formulação não é contemplada a utilização de madeira, material renovável e de grande sustentabilidade.

Sumário da Invenção A vantagem da presente invenção baseia-se no facto de formular um painel leve, de fácil aplicação e que apresente um bom desempenho genérico ao nivel do seu 4 comportamento ao fogo e térmico e acústico, resistente ao impacto, tração e flexão, resistente à humidade, estável do ponto de vista dimensional, resistente a fungos, insetos e microrganismos e economicamente competitivo, e que face a estas caracteristicas pudesse ser utilizado numa vasta diversidade de áreas, inclusive com funções estruturais e arquitetónicas. A presente invenção permite ultrapassar os problemas de estabilidade dimensional do painel tradicional só com fibra de madeira, face às variações higrométricas, reforçando as suas caracteristicas mecânicas, nomeadamente resistência à flexão e tração, elevada ductilidade associada a uma grande durabilidade, permitindo-lhe elevada versatilidade ao nivel das aplicações, dada a sua baixa densidade entre 1000 e 1400 kg/m3.

Por outro lado pode-se adicionar à composição do painel agregados leves (microesferas de vidro) que proporcionam uma melhor performance ao nivel das propriedades térmicas do painel, passando este a ter uma papel ativo ao nivel do isolamento térmico, nomeadamente aquando da sua utilização em paredes e tetos.

Finalmente a possibilidade de ter cor e um acabamento semelhante a uma superfície em betão desmoldada, torna-o muito interessante para aplicações ao nivel arquitetónico. 5

Descrição Pormenorizada da Invenção A utilização a composição de acordo com a invenção no fabrico do painel permitiu atingir uma resistência minima à flexão de 9 N/mm2. Por outro lado a utilização de microesferas de vidro, visaram por um lado aligeirar o peso do painel com valores entre 1000 e 1400 kg/m3, e a melhoria do seu comportamento térmico, melhorando o comportamento térmico do painel (K=0,1 a 0,23 W/m2.K) refira-se também a melhoria verificada na resistência de sons aéreos de 31 a 37 dB e coeficiente de absorção sonora a=0,10 para frequências de 250 a 500 Hz).

Os ligantes utilizados são cimentos Portland brancos ou cinzentos, em resposta ao efeito arquitetónico pretendido, e em conformidade EN 197-1, apresentando um desenvolvimento rápido de resistências. O filer deverá ter origem em calcários e apresentar-se finamente moido com granulometrias inferiores a 125 pm. Terão de se encontrar limpos, isentos de argilas ou outras contaminações. É fundamental a estabilidade de cor destes materiais, sob pena de não se atingirem nos painéis os índices de homogeneidade pretendido, pelo que é fundamental o controlo das características colorimétricas deste produto. 6

Objeto da invenção 0 objeto da invenção diz respeito a um painel compósito de baixa densidade e elevado desempenho à base de cimento Portland, partículas de madeira, agregados leves e reforçado com fibras de álcool polivinílico, que compreende, em percentagem volumétrica (materiais secos) a seguinte composição: (a) 20 a 50% de cimento Portland branco ou cinzento; (b) 5 a 50% de partículas de madeira resinosa descascada; (c) 0,1 a 10% de acelerador de superfície; (d) 0,1 a 20% de solução de sulfato de alumínio; (e) 2 a 50% de filer calcário; (f) 0,5 a 20% de fibras de PVA; (g) 0,1 a 50% de agregados leves; e, facultativamente, (h) 0,1 a 15% de pigmentos inorgânicos. O componente (a) encontra-se normalmente presente numa percentagem volumétrica entre 25 e 35%, preferencialmente 29%. mars

De preferência o componente (b) encontra-se presente numa percentagem volumétrica entre 10 e 25%, preferencialmente 17%. 7

Habitualmente, o componente (b) apresenta-se sob a forma de aparas com espessuras entre 0,25 e 0,32 mm.

De preferência 50 a 70% das aparas de madeira, mais preferencialmente 2/3, têm um comprimento < 1 mm e 46 a 26% das aparas de madeira, mais preferencialmente 1/3, têm um comprimento entre 1 e 4 mm. A percentagem de aparas de madeira com comprimento superior a 4 mm deve situar-se próxima de 0%.

Preferencialmente, as aparas são de madeira de pinho. O componente (c) mais preferido é o silicato de sódio em solução com uma densidade entre 1,10 e 1,15 g/cm3, preferencialmente 1,13 e com um rácio SiC>2/Na20 entre 3,19 e 3,53. É preferível que o componente (d) tenha uma densidade entre 1,05 e 1,10 g/cm3, mais preferencialmente 1,07 g/cm3. O componente (e) tem geralmente uma granulometria inferior a 125 μπι e um teor de carbonatos superior a 92%. O componente (f) é usualmente constituído por fibras de PVA de diâmetro entre 2 6 e 660 μιη e comprimento entre 6 e 30 mm, preferencialmente entre 12 e 18 mm, com uma dosagem volumétrica preferencial entre 1 e 5% do material seco.

Num modelo de realização preferido, o componente (g) consiste em microesferas de vidro diâmetro entre 30 e 65 μιη, preferencialmente entre 30 e 45, densidade entre 0,125 e 0,60 g/cm3, preferencialmente entre 0,30 e 0,50 g/cm3, condutividade térmica entre 0,044 e 0,187 W/m.°K e rácio volume ar/volume de esfera entre 0,76 e 0,95, numa dosagem volumétrica preferencial entre 25 e 45% do volume total seco.

Caso exista, o componente (h) é habitualmente constituído por pigmentos de óxidos metálicos em dosagem variável face á cor pretendida.

Os painéis compósitos de acordo com a invenção apresentam caracteristicas de baixa densidade entre 1000 e 1400 kg/m3 e bom desempenho ao nivel das resistências mecânicas nomeadamente resistência à tração por flexão > 9 N/mm2, tração perpendicular ao plano > 0,5 N/mm2 e módulo de elasticidade > 4000 N/mm2.

Para além disso apresentam caracteristicas de baixa condutividade térmica 0,10 < x < 0,23 W/m2.K e classe 9 A de resistência ao fogo pela ASTM E 136-1 e A2 pela EN 13501-1.

Parte experimental

As aparas de madeira utilizadas, podendo ser provenientes de pinheiro, são destroçadas e afinadas para as seguintes dimensões:

Quadro 1 - Caracteristicas das aparas de madeira

A utilização de sulfato do tipo aluminio Al2(SO4) 3.nH20 em solução com densidade de entre 1,05 e 1,10 g/cm3 (1,07) permite a desfribilhação das aparas mais grossas, sendo que a utilização de silicato do tipo de sódio Na20.nSi02 com rácio Si02/Na20 = entre 3,19 e 3,53 numa solução com densidade entre 1,10 e 1,15 g/cm3, ajudará por um lado no aceleramento de presa da mistura como na mineralização das aparas de madeira.

As fibras de PVA a utilizar devem apresentar as seguintes caracteristicas, por forma a responder às caracteristicas pretendidas pelo painel: 10

Quadro 2 - Características das fibras de PVA

Diâmetro (pm) Comprimento (mm) Módulo elasticidade (GPa) Resistência à tração (GPa) 26-660 6-30 29-42 11 0,8-1,6 llllllll

As microesferas serão preferencialmente de vidro e a sua utilização tem em vista a diminuição do peso/densidade do painel e melhoria do comportamento acústico e térmico. As caracteristicas deverão responder ser as seguintes:

Quadro 3 - Caracteristicas das microesferas de vidro

Densidade Diâmetro Espessura Volume vazios/ Resistência esma- Condutividade (g/cm3) (pm) parede (pm) volume esfera gamento (psi) térmica (W/msK) 0.125-0,60 30-65 0,52-1,29 0.76-0,95 250-28000 0-044-0.187 A água a utilizar deverá ser limpa (incolor e sem cheiro), de preferência potável, e isenta de óleos ou outras impurezas que possam contaminar a cor do betão, obedecendo ao estipulado na EN 1008.

Os pigmentos adequados ao fabrico da mistura deverão ser inorgânicos.

As principais caracteristicas a obter constam no quadro seguinte: 11 Característica Desempenho

Quadro 4 - Características dos painéis Característica Desempenho Densidade 1000-1400 kg/nr !|l c a 1 i iiillllliupe r f i ilifllii € on du 11 v ida de- {t é rmi c a................. ιΗ|,·23.....al!ld^wJl|K................................llllllll Módulo de elasticidade à feOÉb Mpa lllilli ο ρ a r a 1 e 5 f:® Mpa Tração perpendicular ao 0,60 Mpa Tração por flexão ...Compressão pa;£ale.l.a....a.Q plano... .. i| ........................................................ ||i||Ípressão pâlllliiillll ar aolf plano i Esforço.....transverso .............. £|||]---Mpa..............vJlllllli.....................................................11111 Factor de resistência â U illO {mét oJplillpldo) difusão do vapor de água "Re sis tênciá"'ao‘"Fogo................ M0 - KE P 92-501 A - ASTM £136-1 Propriedades acústicas índice de reddção sonora Rw entre 31 e 37 dB consoante espessura Coeficiente de absorção α = 0,10 para frequências de 250- sonora Estabilidade dimensional Vaii-J... ____d____ ·. Q.,..5.ft....sntre amplitudes, extremas.....de...... J§sversal máxima Variação de espessura 1,5- - lo de esi ura pót $:We¥l¥^^^^fc-a----du-gan^J-4----fa^.................. 12

Exemplos

Exemplo 1

Etapa Componente % em volume 1 Aparas de madeira de Pinho (2/3 < lmm 17,4 e 1/3 [1;4] mm) 2 Solução de sulfato de alumínio 3,2 densidade 1,07 g/cm3 3 Solução de silicato de sódio densidade 7,5 1,13 g/cm3 4 Cimento cinzento CEM II/A-L 42,5R 29,1 5 Fibras PVA KURALON KIIKF1000 2,6 6 Microesferas de vidro K46 40,1

Etapas de fabrico:

Os toros de madeira, são reduzidos em aparas. As aparas são afinadas e repartidas em grossas entre 1 e 4 mm e finas, abaixo dos 1 mm. As aparas depois entram no misturador onde após 30 s entra ½ da água e após outros 30 s, a restante metade de água. Após 30 s entra a solução de sulfato de alumínio e após 60 s, entra a solução de silicato de sódio. O cimento, fibras de PVA e microesferas de vidro são pré-misturados durante 60 s, sendo então adicionados na misturadora principal com os restantes constituintes. A mistura entra na fase de conformação onde é distribuída com uma espessura uniforme sobre chapas de aço, 13 formando um colchão. É formada uma pilha de chapas e colchões alternados com um número de andares em função da espessura das placas a fabricar. A pilha é prensada e introduzida numa estufa de endurecimento, onde sob o efeito da pressão, temperatura e humidade e tempo de permanência, irão adquirir a resistência necessária por forma a serem manipuladas. 0 conjunto das placas é desprensado a as placas são separadas das chapas. Os painéis sofrem uma operação de pré-corte e são empilhadas e deixadas em maturação em parque coberto. Após a maturação, as placas são introduzidas no túnel de secaqem a fim de retirar a humidade em excesso.

Na fase final as placas são cortadas à dimensão pretendida e tratadas superficialmente.

Exemplo 2

Etapa Componente % em volume 1 Aparas de madeira de Pinho (2/3 < lmm 29,1 e 1/3 [1;4] mm) 2 Solução de sulfato de alumínio 3,2 densidade 1,07 q/cm3 3 Solução de silicato de sódio densidade 7,5 1,13 q/cm3 4 Cimento cinzento CEM II/A-L 42,5R 29,1 5 Filer calcário < 125 μιη 12,1 6 Fibras PVA KURALON KIIKF1000 2,6 7 Microesferas de vidro K46 28,0 14

Etapas de fabrico:

Os toros de madeira, são reduzidos em aparas. As aparas são afinadas e repartidas em grossas entre 1 e 4 mm e finas, abaixo dos 1 mm. As aparas depois entram no misturador onde após 30 s entra ½ da água e após outros 30 s, a restante metade de água. Após 30 s entra a solução de sulfato de aluminio e após 60 s, entra a solução de silicato de sódio. O cimento, filer calcário, fibras de PVA e microesferas de vidro são primeiro pré-misturados durante 60 s, sendo então adicionados na misturadora principal com os restantes constituintes. A mistura entra na fase de conformação onde é distribuída com uma espessura uniforme sobre chapas de aço, formando um colchão. É formada uma pilha de chapas e colchões alternados com um número de andares em função da espessura das placas a fabricar. A pilha é prensada e introduzida numa estufa de endurecimento, onde sob o efeito da pressão, temperatura e humidade e tempo de permanência, irão adquirir a resistência necessária por forma a serem manipuladas. O conjunto das placas é desprensado a as placas são separadas das chapas. Os painéis sofrem uma operação de pré-corte e são empilhadas e deixadas em maturação em par- 15 que coberto. Após a maturação, as placas são introduzidas no túnel de secagem a fim de retirar a humidade em excesso.

Na fase final as placas são cortadas à dimensão pretendida e tratadas superficialmente.

Aplicações

Damos em seguida alguns dos exemplos possíveis de aplicação das placas de cimento-madeira/PVA, selecionados de entre os seguintes: • Revestimento e isolamento de fachadas • Construção de paredes (interiores ou exteriores). • Pavimentos (interiores ou exteriores). • Tetos (interiores ou exteriores). • Coberturas. • Decoração de interiores. • Cofragem perdida e outras utilidades múltiplas na construção. • Barreiras sonoras. • Mobiliário urbano.

Fachadas: A utilização deste tipo de painéis em fachadas, garante diversas vantagens pelo facto de ser um material de construção que pode ser utilizado tanto em exteriores, com bom comportamento à exposição solar, aos ciclos húmidos e secos das águas da chuva, aos ciclos de gelo e degelo, pela 16 sua resistência sonora e mecânica e pela inerente facilidade de aplicação e trabalhabilidade, podendo ser aplicado tal e qual, ou ser adotado um acabamento por pintura ou revestimento com materiais cerâmicos.

Paredes:

Outra das aplicações poderá ser na construção de paredes divisórias ou estruturais em interiores ou exteriores .

As caracteristicas de resistência mecânica, térmica, de resistência à ação do fogo, quando aplicado com um sistema de suporte e fixação poderão constituir uma boa solução.

De facto a resistência mecânica, durabilidade e facilidade de manutenção, poderão tornar os painéis numa excelente solução para o revestimento de interiores em edifícios de grande afluência de pessoas (edifícios públicos). Por outro lado, os recintos húmidos interiores podem também ser áreas indicadas para a utilização deste tipo de painel, devido ao seu bom comportamento com a humidade, como são o caso de balneários e instalações sanitárias em geral.

Pavimentos:

As excelentes caracteristicas de resistência resistência tér- mecânica, a sons aéreos e de percussão 17 mica, à ação do fogo, à ação dos fungos, térmitas e outros microrganismos, permitem, quando aplicado num sistema adequado de suporte, responder aos requisitos específicos da construção de pavimentos.

Tetos:

Uma outra possibilidade é a utilização destes painéis como tetos falsos, podendo ser obtidos excelentes resultados ao nível estético e de durabilidade.

Coberturas:

Sendo um material que não se degrada quando exposto em exteriores, poderá ser utilizado como revestimento final de acabamento, requerendo naturalmente que haja um sistema de impermeabilização de forma a garantir a estanquidade.

Cofragem perdida;

As suas características de rigidez, resistência e durabilidade, permitirão utilizar este painel no domínio das cofragens perdidas.

Lisboa, 31 de Agosto de 2012

Claims (12)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Painel compósito à base de cimento Portland, partículas de madeira, agregados leves e reforçado com fibras de álcool polivinilico, caracterizado por compreender, em percentagem volumétrica relativa ao material seco, a seguinte composição: (a) 20 a 50% de cimento Portland branco ou cinzento; (b) 5 a 50% de partículas de madeira resinosa descascada; (c) 0,1 a 10% de acelerador de superfície; (d) 0,1 a 20% de solução de sulfato de alumínio; (e) 2 a 50% de filer calcário; (f) 0,5 a 20% de fibras de PVA; (g) 0,1 a 50% de agregados leves; e, facultativamente, (h) 0,1 a 15% de pigmentos inorgânicos.

2. Painel compósito de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o componente (a) se encontrar presente numa percentagem volume do material seco entre 25 e 35%.

3. Painel compósito de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o componente (b) se encontrar presente numa percentagem volume do material seco entre 10 e 25%. 2

4. Painel compósito de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o componente (b) se apresentar sob a forma de aparas com espessuras entre 0,25 e 0,32 mm.

5. Painel compósito de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado por 50 a 70% das aparas de madeira terem um comprimento < 1 mm e por 4 6 a 2 6% das aparas de madeira terem um comprimento entre 1 e 4 mm.

6. Painel compósito de acordo com qualquer reivindicação 3 a 5, caracterizado por as aparas serem de madeira de pinho.

7. Painel compósito de acordo com qualquer reivindicação 1 a 6, caracterizado por o componente (c) ser silicato de sódio em solução com uma densidade entre 1,10 e 1,15 g/cm3 e com um rácio SiC>2/Na20 entre 3,19 e 3,53.

8. Painel compósito de acordo com qualquer reivindicação 1 a 7, caracterizado por o componente (d) ter uma densidade entre 1,05 e 1,10 g/cm3.

9. Painel compósito de acordo com qualquer reivindicação 1 a 8, caracterizado por o componente (e) ter granulometria inferior a 125 μπι e um teor em carbonato superior a 92%.

10. Painel compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o componente 3 (f) ser constituído por fibras de PVA de diâmetro entre 26 e 660 μιτι e comprimento entre 6 e 30 mm.

11. Painel compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por o componente (g) consistir em microesferas de vidro de diâmetro entre 30 e 65 μιη, densidade entre 0,125 e 0,60 g/cm3, condutividade térmica entre 0,044 e 0,187 W/m.°K e rácio volume ar/volume de esfera entre 0,76 e 0,95.

12. Painel compósito de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por o componente (h) consistir em pigmentos de óxidos metálicos. Lisboa, 31 de Agosto de 2012