WO2007046681A1 - Formulación para obtener una mezcla de concreto fibroreforzado de alta resistencia mecánica y bajo peso volumétrico - Google Patents

Formulación para obtener una mezcla de concreto fibroreforzado de alta resistencia mecánica y bajo peso volumétrico Download PDF

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Sergio Omar GALVÁN CÁZARES
Joel SOSA GUTIÉRREZ
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
    • C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength
    • C04B2201/52—High compression strength concretes, i.e. with a compression strength higher than about 55 N/mm2, e.g. reactive powder concrete [RPC]

Definitions

  • the present invention relates to a cement additive that allows obtaining a concrete of high mechanical strength and low volumetric weight, which is achieved by the addition of resin coated glass fibers and other additives.
  • the traditional concretes used in the construction industry are generally integrated by cement, water, coarse aggregate (gravel), fine aggregate (sand) and some additive if it is required to increase any of its properties such as workability, resistance, setting time etc.
  • the main object of the present invention is to show the formulation for obtaining a fiber reinforced concrete with mechanical properties superior to those of a traditional concrete, which in addition to having a lower volumetric weight, is formulated based on cement, water and waste from glass fibers, which are used as ultralight reinforcing aggregates.
  • the formulation of the concrete object of the present invention results in a mixture of cement, water, aggregates (fine and thick) to obtain a stone material with mechanical characteristics to compression, bending, torsion, etc., and similar to those of a rock.
  • a matrix or binder was chosen, based on water and cement; the cement used was portland cement, preferably white.
  • resin-coated glass fiber wastes are used as reinforcement of the aggregates, to decrease the volumetric weight and increase the mechanical resistance, homogenized before being used, to guarantee a good distribution of these ultralight aggregates in the concrete paste
  • Fiberglass waste must be covered with resin, either polyester, epoxy or any polyurethane and in general any resin, ensuring that at least 50% of its surface is covered by the resin. Its origin can be any such as rolling, extrusion and even pultrusion.
  • the aspect ratio of said fiberglass wastes should be between 0.05 and 0.9, preferably between 0.25 and 0.5.
  • resin-coated fiberglass wastes ground fiber from fiberglass-coated polyester resin trimmings, with a real density of 2.7, and a melting point greater than 1700 ° Celsius, can be used.
  • the manufacturing process is by rolling, from a spray process with a gun.
  • the average length of the fibers is 1.89 centimeters.
  • the volumetric weight of the fiber is 215 kg / m3.
  • the physical and chemical characteristics of the fiberglass wastes to be used are: High fiber-matrix adhesion (in this case the matrix is cement), electrical characteristics (electrical insulator), dimensional stability, incombustibility, mechanical resistance (specific tensile strength / Density higher than that of steel), ability to receive different sizes, imputrescibility, weak thermal conduction and excessive flexibility.
  • the constituents of fiberglass wastes are SiO2 by 65%; AI2O3 by 4%; B2O by 5.5%; CaO by 14%; Mg2O in 3%; K2O by 8%; and, Na2O by 0.5%.
  • the cement content is that used in structural applications and with an A / C ratio (water / cement) that ranges from 0.05 to 0.7, being the optimum between 0.2 and 0.54, to obtain a good workability without using any other type of aggregates or additives
  • the curing method was 28 days with 30% relative humidity.
  • the cement water relationship must comply with the following relationships according to the required design resistance.
  • F'c 4999.78261811 a A 4 - 13224.787328 a A 3 + 13559.8887004 a ⁇ 2 - 6968.83294926 a + 1767.98787878.
  • F'c -200000000 c A 3 + 100000000 c A 2 - 20000000 c + 1000000 c
  • F'c - 292.91 s A 3 + 1130.1 s A 2 - 1418.9 s + 727.11
  • F'c - 184.7 f A 3 + 391.45 f A 2 - 229.97 f + 169.23
  • the second equation (b) establishes the relationship that must be met with Water / Cementing Materials, where the amount of Cementing Materials results from the sum of cement with all those elements that have a pozzolanic or cementing reaction, and can even harden by means of a hydraulic process , like cement.
  • Said elements can be the sands with garuometries that pass the mesh 350, in addition to all those elements granular with pozzolanic reaction on the concrete.
  • the variable c represents the Water / Cement Materials ratio.
  • the third equation (c) establishes the relationship that must be fulfilled in Sand / Cement, where the amount of sand to be considered will be only those that do not pass the 300 mesh, regardless of the nature and origin of it.
  • the variable s represents the ratio Sand / Cement.
  • the fourth equation (d) establishes the optimal relationship that must be fulfilled by Fiber / Cement, where the amount of fiber to be considered, will be the sum of all those fibers used in the concrete, regardless of their origin and nature.
  • the variable f represents the Fiber / Cement ratio.
  • the proportions of fibers used for the formulation of concrete range from 0.5% of fiber content, which provides an average compressive strength of 280 MPa and an increase in shear strength of approximately 64% compared to that of a normal concrete; up to 40% fiber content, which provides an average compressive strength of up to 466 MPa and an increase in shear strength of approximately 92% compared to that of a normal concrete.
  • the 20% fiber content being optimal, which provides an average compressive strength of 352.71 MPa and an increase in shear strength of approximately 84% compared to that of a normal concrete.
  • cement / fiber ratios ranging from 12.94 to 1.62, the optimum being 3.24.
  • polypropylene, kevlar fibers, metal fibers, aramid fibers, polyester fibers, textile microfibers, glass microfibers, steel fibers, henequen fibers and in general all those fibers with good mechanical behavior can be used.
  • the modulus of elasticity fluctuates between 282000 MPa, for a fiber content of 5%; 333000 MPa, for a fiber content of 20%; and, up to 372,000 MPa, for a fiber content of 40%.
  • the cement used for the formulation object of the invention is Portland cement, preferably white type, which is mainly composed of 50% tricalcium silicate, 24% dicalcium silicate, 11% tricalcium aluminate and tetracalcium ferro aluminate in a 8% with a specific weight of 3.1.
  • the water used in mixing is common water. To ensure water quality, it is only necessary to check that there is no color or smell.
  • the concrete dosing method can be adapted to any of the existing ones, as long as the aforementioned fiber ratios are respected, and each and every one of the ratios a, b, c and d are met.
  • the manufacturing process for the formulation of the concrete object of the invention is to homogenize the fibers with the cement, first manually, followed by a mechanical homogenization, until obtaining a perfect distribution of the fibers in the cement.
  • the necessary amount of water is added constantly and mixed for the time necessary to obtain a manageable mixture.
  • the mixture is obtained, it is cast, using a compacting method, either manual or mechanical.
  • the curing method can be any of the ones that allow the current concrete curing regulations, preferably at 28 days with a humidity of 30%. According to the aforementioned description, it is possible to affirm that the characteristics of mechanical resistance to compression and volumetric weight, up to 25% lower, of the formulation object of the invention, have not been achieved by any other traditional or known concrete.

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Abstract

Formulación para la obtención de un concreto fibrorref orzado de alta resistencia y bajo peso volumétrico, con resistencias mecánicas más altas que las de u n concreto tradicional y con un peso volumétrico menor, que comprende una matriz de cemento-agua y fibras, preferentemente desechos de fibra de vidrio como refuerzo de los agregados pétreos. La presente invención muestra un tipo de concreto totalmente diferente a los que actualmente existen en el mercado, gracias a su formulación, mezclado y comportamiento mecánico novedoso.

Description

FORMULACIÓN PARA OBTENER UNA MEZCLA DE CONCRETO FIBROREFORZADO DE ALTA RESISTENCIA MECÁNICA Y BAJO PESO
VOLUMÉTRICO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un aditivo para cemento que permite obtener un concreto de lata resistencia mecánica y bajo peso volumétrico, Io cual se logra mediante Ia adición de fibras de vidrio recubiertas de resina y otros aditivos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los concretos tradicionales utilizados en Ia industria de Ia construcción, se integrado de manera general, por cemento, agua, agregado grueso (grava), agregado fino (arena) y algún aditivo si se requiere aumentar alguna de sus propiedades como Ia trabajabilidad, resistencia, tiempo de fraguado etc.
Para realizar construcciones, el estudio de materiales compuestos para Ia construcción, es en Ia actualidad una de las necesidades primordiales, como medio para obtener substitutos de varios materiales que hoy en día son escasos y caros. Las propiedades mecánicas de los concretos tradicionales, son reducidas en función de su resistencia y peso volumétrico.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El principal objeto de Ia presente invención, es mostrar Ia formulación para Ia obtención de un concreto fibroreforzado con propiedades mecánicas superiores a las de un concreto tradicional, que además de tener un menor peso volumétrico, se formula a base de cemento, agua y desechos de fibras de vidrio, que son utilizados como agregados ultraligeros de refuerzo.
La formulación del concreto objeto de Ia presente invención resulta en una mezcla de cemento, agua, agregados (finos y gruesos) para obtener un material pétreo con características mecánicas a Ia compresión, flexión, torsión, etc., y físicas similares a las de una roca. Para Ia fabricación del concreto objeto de Ia invención, se eligió una matriz ó aglutinante, a base de agua y cemento; el cemento utilizado fue cemento tipo portland, preferentemente blanco.
En Ia formulación de este concreto se utilizan desechos de fibras de vidrio recubiertos con resina como refuerzo de los agregados, para disminuir el peso volumétrico y aumentar Ia resistencia mecánica, homogenizados antes de ser utilizados, para garantizar una buena distribución de estos agregados ultraligeros en Ia pasta de concreto.
Los desechos de fibra de vidrio deben de estar recubiertos de resina, ya sea poliéster, epóxica o de cualquier poliuretano y en general de cualquier resina procurando que al menos un 50 % de su superficie este cubierta por Ia resina. Su procedencia puede ser cualquiera como el laminado, extrusión e inclusive pultrusión. La relación de aspecto de dichos deschos de fibra de vidrio debe de estar entre 0.05 y 0.9, preferentemente entre 0.25 y 0.5. Como ejemplo de los desechos de fibra de vidrio recubiertos con resina, pueden usarse fibra molida de recortes de fibra de vidrio recubiertos de resina poliéster, con una densidad real de 2.7, y un punto de fusión mayor a los 1700° Centígrados. El proceso de fabricación es por laminado, procedente de un proceso de aspersión con pistola. La longitud promedio de las fibras es de 1.89 centímetros. El peso volumétrico de Ia fibra es de 215 kg/m3.
Las características físicas y químicas de los desechos de fibra de vidrio a utilizar son: Alta adherencia fibra - matriz (en este caso Ia matriz es cemento), características eléctricas (aislante eléctrico), estabilidad dimensional, incombustibilidad, resistencia mecánica (resistencia especifica Tracción / Densidad superior a Ia del acero), aptitud para recibir diferentes ensimajes, imputrescibilidad, débil conducción térmica y excesiva flexibilidad. Los constituyentes de los desechos de fibra de vidrio son SiO2 en un 65 %; AI2O3 en un 4%; B2O en un 5.5%; CaO en un 14%; Mg2O en un 3%; K2O en un 8%; y, Na2O en un 0.5%. El contenido de cemento es el utilizado en aplicaciones estructurales y con una relación A/C (agua / cemento) que va de 0.05 a 0.7, siendo el óptimo entre 0.2 y 0.54, para obtener una buena trabajabilidad sin utilizar ningún otro tipo de agregados ni aditivos. El método de curado fue a 28 días con 30% de humedad relativa.
La relación agua cemento, debe de cumplir las siguientes relaciones de acuerdo a Ia resistencia de diseño que se requieran.
Para Ia primera relación que en este caso se denomina como F'c a Ia resistencia de diseño requerida, y a Ia variable A se Ie denomina a Ia relación A / C (agua / cemento) a utilizar en Ia formulación del concreto objeto de esta invención. Esta relación puede ser útil si se desea conocer Ia resistencia que una relación A / C (agua / cemento ) dada puede dar de acuerdo a esta formulación, o bien, si se quiere saber cuál debe de ser Ia relación A / C necesaria para cierta resistencia (F'c) requerida.
a) F'c = 4999.78261811 aA4 - 13224.787328 aA3 + 13559.8887004 aΛ2 - 6968.83294926 a + 1767.98787878. b) F'c = -200000000 cA3 + 100000000 cA2 - 20000000 c + 1000000 c) F'c = - 292.91 sA3 + 1130.1 sA2 - 1418.9 s + 727.11 d) F'c = - 184.7 fA3 + 391.45 fA2 - 229.97 f + 169.23
La segunda ecuación (b), establece Ia relación que debe cumplirse de Agua / Materiales cementantes, donde Ia cantidad de Materiales cementantes resulta de Ia suma de cemento con todos aquellos elementos que tengan reacción puzolánica o cementante, e inclusive puedan endurecer mediante un proceso hidráulico, al igual que el cemento. Dichos elementos pueden ser las arenas con garuometrías que pasen Ia malla 350, además de todos aquellos elementos granulares con reacción puzolánica sobre el concreto. La variable c representa Ia relación Agua / Materiales Cementantes.
La tercera ecuación (c) establece Ia relación que debe de cumplirse de Arena / Cemento, donde Ia cantidad de arena a considerar será sólo de aquellas que no pasen Ia malla 300, no importando Ia naturaleza y origen de Ia misma. La variable s representa Ia relación Arena / Cemento.
La cuarta ecuación (d) establece Ia relación óptima que debe de cumplirse de Fibra / Cemento, donde Ia cantidad de fibra a considerar, será Ia suma de todas aquellas fibras utilizadas en el concreto, sin importar su procedencia y naturaleza. La variable f representa Ia relación Fibra / Cemento.
Las proporciones de fibras utilizadas para Ia formulación del concreto, de acuerdo a las relaciones a, b, c y d, objeto de Ia invención, van desde el 0.5% de contenido de fibra, Io cual proporciona una resistencia promedio a Ia compresión de 280 MPa y un aumento de resistencia a cortante de aproximadamente un 64% comparada con Ia de un concreto normal; hasta el 40% de contenido de fibra, Io cual proporciona una resistencia promedio a Ia compresión de hasta 466 MPa y un aumento de resistencia a cortante de aproximadamente un 92% comparada con Ia de un concreto normal. Siendo el óptimo el 20% de contenido de fibra, Io cual proporciona una resistencia promedio a Ia compresión de 352.71 MPa y aumento de resistencia a cortante de aproximadamente un 84% comparada con Ia de un concreto normal. Con relaciones cemento / fibra que van desde 12.94 hasta 1.62, siendo Ia óptima 3.24. Alternativamente pueden usarse fibras de polipropileno, kevlar, fibras metálicas, fibras de aramida, fibras de poliéster, microfibras textiles, microfibras de vidrio, fibras de acero, fibras de henequén y en general todas aquellas fibras con un buen comportamiento mecánico.
Para Ia mezcla del concreto objeto de Ia invención, el modulo de elasticidad fluctúa entre 282000 MPa, para un contenido de fibra del 5%; 333000 MPa, para un contenido de fibra del 20%; y, hasta 372000 MPa, para un contenido de fibra del 40 %.
El cemento utilizado para Ia formulación objeto de Ia invención, es cemento Pórtland, preferentemente tipo blanco, que está compuesto principalmente por silicato tricálcico en un 50%, silicato dicálcico en un 24%, aluminato tricálcico en un 11% y ferro aluminato tetracálcico en un 8% con un peso especifico de 3.1.
El agua utilizada en el mezclado, es agua común. Para asegurar Ia calidad del agua, solamente es necesario revisar que no presente ninguna coloración ni olor.
El método de dosificación del concreto puede adaptarse a cualquiera de los existentes, siempre y cuando se respeten las proporciones de fibra mencionadas, y se cumplan todas y cada una de las relaciones a, b, c y d.
El proceso de fabricación para Ia formulación del concreto objeto de Ia invención, es homogenizar las fibras con el cemento, primero manualmente, seguido de una homogenización mecánica, hasta obtener una perfecta distribución de las fibras en el cemento.
Una vez homogenizado el cemento con las fibras, se agrega Ia cantidad de agua necesaria en forma constante y se mezcla durante el tiempo necesario para obtener una mezcla manejable.
Una vez obtenida Ia mezcla, se procede a colarse, utilizando un método de compactado, ya sea manual o mecánico.
El método de curado puede ser cualquiera de los que permite Ia normativa acutual de curado de concreto, preferentemente a 28 días con una humedad del 30%. De acuerdo con Ia descripción antes mencionada, es posible afirmar que las características de resistencia mecánica a Ia compresión y peso volumétrico, hasta un 25% menor, de Ia formulación objeto de Ia invención, no han sido logradas por ningún otro concreto tradicional o conocido.

Claims

REIVINDICACIONESHabiendo descrito Ia invención, consideramos como novedad y por Io tanto se reclama como propio, Io contenido en las siguientes reivindicaciones:
1. Formulación para obtener una mezcla de concreto fibroreforzado de alta resistencia mecánica y bajo peso volumétrico, que comprende una matriz de cemento-agua y fibras, preferentemente desechos de fibra de vidrio como refuerzo de los agregados pétreos; el cemento se encuentra presente desde 10% hasta un 72% en peso, siendo el óptimo 63%; el contenido de agua va desde 4% hasta 37%, siendo el óptimo 25%; el contenido de fibra de vidrio desde 5% hasta 40% del peso de cemento a utilizar, siendo el óptimo 13%.
2. Formulación para obtener una mezcla de concreto fibroreforzado de alta resistencia mecánica y bajo peso volumétrico, según Ia reivindicación 1, que se caracteriza por que para su formulación deben de cumplirse las siguientes relaciones: a) F'c = 4999.78261811 aA4 - 13224.787328 aA3 +
13559.8887004 aA2 - 6968.83294926 a + 1767.98787878. b) F'c = -200000000 cA3 + 100000000 cΛ2 - 20000000 c +
1000000 c) F'c = - 292.91 sΛ3 + 1130.1 sΛ2 - 1418.9 s + 727.11 d) F'c = - 184.7 fA3 + 391.45 fΛ2 - 229.97 f + 169.23 donde Ia variable "a" representa Ia relación Agua / Cemento a utilizar en Ia dosificación del concreto para cierta resistencia mecánica a Ia compresión
(F'c). La variable V representa Ia relación Agua / Materiales Cementantes a utilizar en Ia dosificación del concreto para cierta resistencia mecánica a Ia compresión (F'c). La variable "s" representa Ia relación Arena / cemento a utilizar en Ia dosificación del concreto para cierta resistencia mecánica a Ia compresión (F'c). La variable XT representa Ia relación Fibra / Cemento a utilizar en Ia dosificación del concreto para cierta resistencia mecánica a Ia compresión (F'c).
3. Formulación para obtener una mezcla de concreto fibroreforzado de alta resistencia mecánica y bajo peso volumétrico, según Ia reivindicaciones 1 a 3, que se caracteriza por tener una resistencia promedio a Ia compresión, que va desde 280 MPa, hasta 466 MPa, dependiendo el porcentaje de fibra añadido y Ia naturaleza de las mismas.
4. Formulación para obtener una mezcla de concreto fibroreforzado de alta resistencia mecánica y bajo peso volumétrico, como se reivindica en las reivindicaciones 1 y 2, que se caracteriza por tener una resistencia a cortante que va desde un 64% hasta un 92% mayor a Ia de un concreto tradicional, dependiendo el porcentaje de fibra añadido y Ia naturaleza de las mismas.
5. Formulación para obtener una mezcla de concreto fibroreforzado de alta resistencia y bajo peso volumétrico, según las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza por tener un modulo de elasticidad que va desde los 282000 MPa hasta los 372000 MPa dependiendo el porcentaje de fibra añadido y Ia naturaleza de las mismas.
6. Formulación para obtener una mezcla de concreto fibroreforzado de alta resistencia mecánica y bajo peso volumétrico, según Ia reivindicación 1, que se caracteriza por tener un peso volumétrico que va desde los 1000 Kg/m3 hasta los 2400 Kg/m3, dependiendo el porcentaje de fibra añadido y Ia naturaleza de las mismas.
7. Un proceso para Ia fabricación de Ia Formulación para obtener una mezcla de concreto fibroreforzado de alta resistencia mecánica y bajo peso volumétrico según Ia reivindicación 1, en donde dicho proceso comprende las siguientes etapas: homogenizar las fibras con el cemento, primero manualmente, seguido una homogenización mecánica, hasta obtener Ia distribución de las fibras de cemento; agregar Ia cantidad de agua necesaria en forma constante y se mezcla hasta que sea manejable; colar, utilizando un método de compactado, ya sea manual o mecánico; y dejar que se lleve a cabo el curado al menos durante 28, con una humedad del 30%.
8. El concreto obtenido del proceso de Ia reivindicación 7 y que tiene las características descritas en las reivindicaciones 1 a 6.
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