WO2010122201A2 - Sección híbrida base cemento prefabricada y procedimiento para su fabricación - Google Patents

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    • C04B2111/28—Fire resistance, i.e. materials resistant to accidental fires or high temperatures

Definitions

  • the present invention belongs to the field of construction, and more specifically to the design and manufacture of prefabricated cement-based hybrid sections, for application in supporting works (such as tunnels, screen walls, foundation walls, etc.).
  • the main object of the present invention is to form a structural section with improved properties for obtaining more efficient structural elements.
  • the first trend advocates the use of new technologies of cement-based composite materials, also called CBC (cement based composites) based, for example, on the modification of its matrix or cement paste, using a fiber typology, or cocktails of fibers (fibers of different sizes and types) in order to give the structural element significant improvements.
  • CBC cement based composites
  • a better ductility or impact resistance is obtained using steel fibers, or a better fire resistance if polypropylene fibers are used or both if both types are properly combined
  • the second trend advocates the use of passive protection solutions based on layers that are applied (paints, projected mortars) or adhere (fireproof panels, acoustic barriers) to structural concrete segments in general after assembly, through the use of special adhesives or techniques, [Insulated fiber cement siding, Patent Application 20060053740], [Concrete sandwich panel, EP1982030251] [Ductal elements Monaco Train Station, http: //www.ductal- lafarge.com/wps/portal/Ductal/DiscoverDuctal/ Architect / References] [http: // www.cbbnfireproofing.nl/htm/projects.htm].
  • Bentur, Steel Corrosion in Concrete Fundamentals and Civil Engineering Practice (Modern Concrete Technology, 1998], especially those of extrados (exterior face or in contact with the ground), significantly reducing the structural integrity of the element [New trends in tunnel coverings, wwvj.geoconsu ⁇ t.es/fotos/publicaations/ TendenciesRevestimien-tos.pdf ⁇ .
  • draining layers A. Rico, A. Rico Rodr ⁇ guez, H. del Castillo, Soil engineering on land roads: roads, railways and airplanes, ISBN 9681800796, 9789681800796, 2002] as well as the use of more waterproof concrete [Stephen W. Forster, Ph. D., PG, High-Performance Concrete: Understanding the Basics, 2006], [Aitcin, P. -C, and Neville, A., "High-Performance Concrete Demystified," Concrete International, V. 15, No. 1, pp.
  • porous solutions [ACI 522-06 (2006) can even be mentioned as a layer in the area of the intrados or extrados. "Pervious Concrete.”
  • reinforced structural concrete (or traditional structural concrete), consists of the use of reinforced concrete with steel bars or meshes.
  • the three-dimensional reinforcement consists in reinforcing the concrete or the CBC with fibers during its preparation process.
  • fibers such as metal fibers (steel), synthetic fibers (polypropylene) or glass fibers, which give important improvements, strength, toughness, fire protection, durability, cracking control, etc. These fibers are added to the concrete mixer or the mixer of the manufacturing plant, being recommended to introduce it along with the sand and aggregates or when The concrete is already mixed.
  • the aforementioned drawbacks are resolved, providing a multilayer structure for application in support works (tunnels, screen walls, basement enclosures, etc.), manufactured from the superposition of the At least two layers, of CBC (cement based composites), compatible and with differentiated mechanical properties that allow to solve a specific function, (insulating against fire, greater resistance against impacts, impermeability, etc.) or if so combined functions are required, molded and joined in a single phase and in any case without using additional adhesion layers, at least one of these layers having structural functions.
  • CBC cement based composites
  • each layer is done by simple adhesion, due to the effect chemical bonding of the setting, so it is recommended to use the same type of cement and superplasticizer additive, although it is sufficient that they are compatible.
  • the inherent thicknesses and requirements of the layers will be conditioned by the requirements of each particular work, which will determine the type of CBC to be prepared to form each layer.
  • the hybrid section can use traditional reinforcement or mesh (steel bars) for its conformation, in this case the ferrule structure, with its corresponding separators, is placed on a previous layer that has characteristics that allow to avoid an incorrect situation of the same.
  • traditional reinforcement or mesh steel bars
  • three-dimensional reinforcement reinforcement with fibers
  • porous solutions or based on principles it is placed on a previous layer that has such viscosity conditions that allows the intrusion of the material of that layer on Ia of the porous solution.
  • the hybrid section object of the invention has as its main advantage the synergy that is achieved by using CBC layers with differentiated mechanical properties, working in a way that is more suitable, and thus being able to have much more efficient structural elements from the point of view of the strength, stiffness, deformability, durability against
  • the present invention also makes it possible to optimize the use of materials in work when carried out during the prefabrication process, avoiding additional work of placing passive protection elements and obtaining greater speed in the works, better quality control, as well as a reduction of the thicknesses of each layer, with considerable savings in the final cost that all this entails.
  • Figure 1. Shows a sectional view of a hybrid section for the formation of a segment composed of three layers of CBC with differentiated mechanical properties.
  • a prefabricated hybrid section can be observed that provides a multilayer structure (1) for the formation of a slot intended for tunneling, composed from the superposition of three layers (2, 3 and 4 ) of different CBC, compatible and with differentiated mechanical properties that allow each one to solve a specific function, (insulation against fire, greater resistance to impacts, impermeability, etc.), inserted in a mold until the corresponding thickness for each layer is achieved. .
  • Said hybrid section is formed by a first layer (2) of CBC containing strength and toughness functions, reinforced with steel fibers (5), a second layer (3) of CBC with structural functions, reinforced with bars (6) of steel (mesh), and a third layer (4) of CBC reinforced with polypropylene fibers (7) that acts as an insulator against fire, and that corresponds to the intrados face (inside of the tunnel).

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Abstract

Comprende una estructura multicapa (1) especialmente indicado para obras de sostenimiento (túneles, muros pantalla, muros de sótano, etc.), fabricada a partir de la superposición de al menos dos capas (2, 3) de CBC (cement based composites) compatibles y con propiedades mecánicas diferenciadas que permiten resolver una función específica, (aislante frente al fuego, mayor resistencia frente a impactos, impermeabilidad, etc.) o si así se requiere funciones combinadas. Estas capas (2, 3 y 4) de hormigón son moldeadas y unidas en una sola fase y en cualquier caso sin usar capas de adherencia adicionales, teniendo al menos una de estas capas (2, 3 ó 4) funciones estructurales. La presente invención tiene como ventaja principal la sinergia que se consigue al utilizar capas (2, 3 y 4) de CBC con propiedades mecánicas diferenciadas, trabajando de la forma en que resulten más aptas, y poder contar así con elementos estructurales mucho más eficientes.

Description

SECCIÓN HÍBRIDA BASE CEMENTO PREFABRICADA Y PROCEDIMIENTO PARA SU FABRICACIÓN
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de Ia construcción, y más concretamente al diseño y fabricación de secciones híbridas base cemento prefabricadas, para su aplicación en obras de sostenimiento (tales como túneles, muros pantalla, muros de cimentación, etc.).
El objeto principal de Ia presente invención es conformar una sección estructural con propiedades mejoradas para Ia obtención de elementos estructurales más eficientes.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La creciente demanda en ingeniería de contar con soluciones prefabricadas de sostenimiento (túneles, muros pantalla, muros de sótano, etc.) con una mayor vida en servicio, a Ia vez que con prestaciones adecuadas a distintos procesos de fabricación, transporte y/o puesta en obra mecanizados ha impulsado el desarrollo de nuevas soluciones a medida [Tailor made concrete structures. New solutions for our society, Eds. J. Walraven and D. Stoelhorst, ISBN 978-0-415-47535-8, 1196 págs].
Actualmente, existen dos grandes planteamientos de cómo abordar el complejo objetivo de integrar las distintas exigencias (acciones mecánicas, medioambientales, ignífugas, acústicas, etc.) a las distintas prestaciones efectivas que pueda tener el elemento de sostenimiento. La primera tendencia propugna el uso de nuevas tecnologías de materiales compuestos base cemento, los también llamados CBC (cement based composites) basadas, por ejemplo, en Ia modificación de su matriz o pasta de cemento, utilizando una tipología de fibras, o bien cócteles de fibras (fibras de distintos tamaños y tipos) con el fin de conferir al elemento estructural importantes mejoras. De esta manera, se obtiene una mejor ductilidad o resistencia al impacto utilizando fibras de acero, o una mejor aptitud ante el fuego si se usan fibras de polipropileno o a ambos si se combinan de forma adecuada ambos tipos [Perumalsamy N. Balaguru, Sarendra P. Shah, "Fiber reinforced cement composites", Mc Graw HiII International Editions 1992.], [Arnon Bentur & Sidney Mindess, " Fibre reinforced cementitious composites" Elsevier applied science London and Newyork 1990], [JJ. Beaudoin, CBD-223. Fibre-Reinforced Concrete, 1982], [Proceedings of JSCE (Japan Society of Civil Engineers), Properties of fiber reinforced concrete subjected to high temperature, 2005]
La segunda tendencia propugna el uso de soluciones de protección pasiva a base de capas que se aplican (pinturas, morteros proyectados) o se adhieren (paneles antifuego, barreras acústicas) a los segmentos de hormigón estructural en general tras su montaje, mediante el uso de adhesivos o técnicas especiales, [Insulated fiber cement siding, Patent Application 20060053740], [Concrete sandwich panel, EP1982030251] [Ductal elements Monaco Train Station, http://www.ductal- lafarge.com/wps/portal/Ductal/DiscoverDuctal/Architect/References] [http:// www.cbbnfireproofing.nl/htm/projects.htm].
Mientras que las primeras soluciones en general conllevan mayores costes en materiales, complejidad y costes de producción, las segundas, si bien optimizan el uso de materiales, conllevan por Io general mayores costes de instalación, ya que requieren trabajos previos o posteriores a Ia instalación del propio elemento estructural. Son las condiciones adversas (temperatura, humedad y presencia de agentes químicos nocivos) las que combinadas con Ia aparición de fisuras, las que provocan el deterioro temprano de las armaduras [A. Bentur, Steel Corrosión in Concrete: Fundamentáis and Civil Engineering Practice (Modern Concrete Technology, 1998], en especial las del extradós (cara exterior o en contacto con el terreno), reduciendo de manera importante Ia integridad estructural del elemento [Nuevas tendencias en los revestimientos de túneles, wwvj.geoconsu\t.es/fotos/publicaciones/ TendenciasRevestimien-tos.pdf\.
En el caso de los distintos elementos de sostenimiento del terreno, fabricados con hormigón armado, el agua ataca al hormigón y al acero deteriorándolos, Io que obliga a una reparación del revestimiento, que normalmente requerirá el cierre del túnel al tráfico. Por otra parte, el agua que cae sobre Ia calzada puede resultar peligrosa para los vehículos por Ia posibilidad de deslizamientos e incluso de formación de placas de hielo.
La colocación de capas drenantes [A. Rico, A. Rico Rodríguez, H. del Castillo, La ingeniería de suelos en las vías terrestres: carreteras, ferrocarriles y aeropistas, ISBN 9681800796, 9789681800796, 2002] así como el empleo de hormigones más impermeables [Stephen W. Forster, Ph. D., P. G., High- Performance Concrete: Understanding the Basics, 2006], [Aitcin, P. -C, and Neville, A., "High-Performance Concrete Demystified," Concrete International, V. 15, No. 1 , pp.21-26.], son una solución que permite paliar estos problemas pero que requiere de trabajos preliminares, Io que implica un mayor coste de mano de obra y una mayor exigencia de control debido a que se trata de un trabajo que necesariamente debe ser realizado in situ. Por otra parte el uso de hormigones u otros materiales estructurales base cemento más impermeables o de matriz más densa, resultan mucho más susceptibles al efecto del desconchamiento o explosión frente a acciones tales como el fuego [Hlgh TEmperatute COncrete and SPalling, EU RAM-H ITECO Project], [Upgrading methods for fire safety in existing TUNnels, EU-UPTUN Project 2002-2006]. Es por ello que o bien se colocan fibras de polipropileno o se protege el elemento con una capa ignífuga en Ia zona del intradós (o cara interior opuesta a Ia del terreno).
Cabe citar incluso como capa en Ia zona del intradós o extradós, Ia utilización de soluciones porosas [ACI 522-06 (2006). "Pervious Concrete."
American Concrete Institute Committee 522 Bear, J. (1972). "Dynamics of fluids in porous media", Elsevier, New York.], [Neithalath, N., Weiss, J., and Olek, J.
(2005). "Modeling the influence of pore structure on the acoustic absorption of enhanced porosity concrete", Journal of Advanced Concrete Technology, Japan Concrete Institute, 3(1 ), 29-40] que proporcionan capas densas de agregados y granulometría equilibrada. Se ha comprobado que estas soluciones presentan grandes ventajas acústicas y de confort: capacidad de absorción del ruido, seguridad y drenaje del agua.
En el proceso de preparación del hormigón es común añadir aditivos superplastificantes. Estos aditivos son empleados para aumentar Ia plasticidad, reducir Ia cantidad de agua de amasado y acelerar el fraguado del hormigón, entre otros. Además permiten obtener hormigones de altas resistencias y gran impermeabilidad, siendo el aditivo recomendado además para hormigones
En cuanto a las técnicas constructivas, el hormigón estructural armado, (u hormigón estructural tradicional), consiste en Ia utilización de hormigón reforzado con barras o mallas de acero.
Por otra parte el armado tridimensional consiste en reforzar el hormigón o el CBC con fibras durante su proceso de preparación. Existen diferentes tipos de fibras, tales como fibras metálicas (acero), fibras sintéticas (polipropileno) o fibras de vidrio, que Ie confieren importantes mejoras, resistencia, tenacidad, protección contra el fuego, durabilidad, control de fisuración, etc. Estas fibras se añaden a Ia hormigonera o a Ia mezcladora de Ia planta de fabricación, siendo recomendable introducirla junto con Ia arena y los áridos o bien cuando el hormigón ya esté mezclado.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Mediante Ia sección híbrida prefabricada objeto de Ia presente invención se resuelven los inconvenientes anteriormente citados, proporcionando una estructura multicapa para su aplicación en obras de sostenimiento (túneles, muros pantalla, cerramientos de sótanos, etc.), fabricada a partir de Ia superposición de al menos dos capas, de CBC (cement based composites), compatibles y con propiedades mecánicas diferenciadas que permiten resolver una función específica, (aislante frente al fuego, mayor resistencia frente a impactos, impermeabilidad, etc.) o si así se requiere funciones combinadas, moldeadas y unidas en una sola fase y en cualquier caso sin usar capas de adherencia adicionales, teniendo al menos una de estas capas funciones estructurales.
Respecto al procedimiento de fabricación de Ia sección híbrida prefabricada objeto de invención comprende las siguientes etapas:
- preparación de Ia primera capa de CBC con una propiedad diferenciada, - vertido de Ia primera capa sobre un molde hasta que se alcanza el espesor correspondiente,
- preparación de Ia segunda capa de CBC atendiendo a otra propiedad diferenciada,
- vertido de Ia segunda capa sobre Ia primera capa, y así sucesivamente, efectuándose dicho vertido antes del fraguado de Ia capa anterior para garantizar así una adecuada unión entre las capas,
- espera del tiempo que se estime oportuno, una vez terminada Ia colocación de las capas, hasta conseguir el curado del bloque, que será el elemento estructural final conformado.
El vertido de cada capa se realiza por simple adherencia, debida al efecto de unión química del fraguado, por Io que se recomienda usar el mismo tipo de cemento y aditivo superplastificante, aunque es suficiente con que sean compatibles.
Los espesores y requisitos inherentes de las capas, vendrán condicionados por los requisitos de cada obra en particular, los cuales determinarán el tipo de CBC a preparar para conformar cada capa.
La sección híbrida puede utilizar armado tradicional o mallazo (barras de acero) para su conformación, en este caso Ia estructura de ferralla, con sus correspondientes separadores, se coloca sobre una capa previa que tenga unas características tales que permitan evitar una incorrecta situación de Ia misma.
Asimismo se pueden utilizar armados tridimensionales (refuerzo con fibras) para Ia conformación de las capas, en este caso se procede como en el caso de cualquier otra capa de CBC.
También es posible el empleo de soluciones porosas o basadas en unos principios para conseguir una estructura densa de agregados, de granulometría equilibrada, Ia misma se coloca sobre una capa previa que tenga unas condiciones de viscosidad tales que permita Ia intrusión del material de esa capa sobre Ia de Ia solución porosa.
La sección híbrida objeto de invención tiene como ventaja principal Ia sinergia que se consigue al utilizar capas de CBC con propiedades mecánicas diferenciadas, trabajando de Ia forma en que resulten más aptas, y poder contar así con elementos estructurales mucho más eficientes desde el punto de vista de Ia resistencia, rigidez, capacidad de deformación, durabilidad frente a
Ia acción continua del agua, que puede afectar a su capa de extradós (cara exterior del elemento), o el fuego, que puede afectar a su capa de intradós
(cara interior del elemento).
La presente invención permite además optimizar el uso de materiales en obra al realizarse durante el proceso de prefabricación, evitando trabajos adicionales de colocación de elementos de protección pasiva y obteniendo una mayor rapidez en las obras, un mejor control de calidad, así como una reducción de los espesores de cada capa, con el considerable ahorro en el coste final que todo esto conlleva.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de Ia misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista seccionada de una sección híbrida para Ia formación de una dovela compuesta por tres capas de CBC con propiedades mecánicas diferenciadas.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En Ia figura 1 a título de ejemplo se puede observar una sección híbrida prefabricada que proporciona una estructura multicapa (1 ) para Ia formación de una dovela destinada al revestimiento de túneles, compuesta a partir de Ia superposición de tres capas (2, 3 y 4) de distintos CBC, compatibles y con propiedades mecánicas diferenciadas que permiten resolver cada uno una función específica, (aislante frente al fuego, mayor resistencia frente a impactos, impermeabilidad, etc.), insertadas en un molde hasta conseguir el espesor correspondiente para cada capa.
Dicha sección híbrida está conformada por una primera capa (2) de CBC que contiene funciones de resistencia y tenacidad, reforzado con fibras de acero (5), una segunda capa (3) de CBC con funciones estructurales, armado con barras (6) de acero (mallazo), y una tercera capa (4) de CBC reforzado con fibras de polipropileno (7) que actúa de aislante frente al fuego, y que corresponde con Ia cara de intradós (cara interior del túnel).
Respecto al procedimiento de fabricación de Ia sección híbrida arriba descrita, comprende las siguientes etapas:
- preparación de Ia primera capa (2) de CBC tipo 1 , - adición de las fibras de acero (5) aumentando así su tenacidad, rigidez y resistencia al impacto,
- vertido de esta primera capa (2) sobre el molde hasta que se alcanza el espesor indicado para esta capa,
- preparación de Ia segunda capa (3) de CBC tipo 2, - vertido de Ia segunda capa (3) sobre Ia primera capa (2), efectuándose dicho vertido antes del fraguado de Ia capa anterior para garantizar así una adecuada unión entre las capas (2, 3),
- preparación de Ia tercera capa (4) de CBC tipo 3,
- adición de las fibras de polipropileno (7) para un mejor comportamiento frente al fuego,
- vertido de Ia tercera capa (4) sobre Ia segunda capa (3), efectuándose dicho vertido antes del fraguado de Ia capa anterior para garantizar así una adecuada unión entre las capas (3, 4),
- espera del tiempo que se estime oportuno, una vez terminada Ia colocación de todas las capas (2, 3 y 4), hasta conseguir el curado del bloque, que será el elemento estructural final conformado.
Preferentemente se añaden materiales granulares especiales con o sin adicción de fibras (5, 7) varias durante Ia preparación de las capas (2, 3 ó 4) para un mejor comportamiento frente al fuego.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Sección híbrida base cemento prefabricada para Ia conformación de elementos estructurales más eficientes, especialmente indicado para obras de sostenimiento, caracterizada porque comprende una estructura multicapa (1 ) formada a partir de Ia superposición de al menos dos capas (2, 3) de CBC (cement based composites), compatibles y con propiedades mecánicas diferenciadas que permiten resolver una función específica, moldeadas y unidas en una sola fase y en cualquier caso sin usar capas de adherencia adicionales, teniendo al menos una de estas capas (2, 3) funciones estructurales.
2. Sección híbrida prefabricada de acuerdo con reivindicación 1 , caracterizada porque está formada por tres capas (2, 3 y 4) de CBC compatibles y con propiedades mecánicas diferenciadas.
3. Sección híbrida prefabricada de acuerdo con reivindicación 2, caracterizada porque Ia primera capa (2) de CBC está reforzada con fibras de acero o vidrio (5) o ambas, teniendo esta capa (2) funciones de resistencia y tenacidad a Ia vez que mejor comportamiento a edad temprana.
4. Sección híbrida prefabricada de acuerdo con reivindicación 2, caracterizada porque Ia segunda capa (3) está fabricada de un CBC armado con barras (6) de acero, teniendo dicha capa (3) funciones estructurales.
5. Sección híbrida prefabricada de acuerdo con reivindicación 2, caracterizada porque Ia segunda capa (3) está fabricada de un CBC con armado tridimensional de distintos tipos de fibras, teniendo dicha capa (3) funciones estructurales.
6. Sección híbrida prefabricada de acuerdo con reivindicación 2, caracterizado porque Ia tercera capa (4) de CBC está reforzada con fibras de polipropileno (7) para mejorar su comportamiento frente al fuego.
7. Sección híbrida prefabricada de acuerdo con reivindicación 2, caracterizado porque Ia tercera capa (4) de CBC está conformada con materiales granulares especiales con o sin adicción de fibras (5, 7) varias.
8. Procedimiento de fabricación de Ia sección híbrida prefabricada caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- preparación de una primera capa (2) de un CBC tipo 1 ,
- vertido de esta primera capa (2) sobre un molde hasta que se alcanza el espesor indicado para esta capa, - preparación de una segunda capa (3) de un CBC tipo 2,
- vertido de Ia segunda capa (3) sobre Ia primera capa (2), y así sucesivamente, efectuándose dicho vertido antes del fraguado de Ia capa anterior para garantizar así una adecuada unión entre las capas (2, 3), - espera del tiempo que se estime oportuno, una vez terminada Ia colocación de todas las capas (2, 3), hasta conseguir el curado del bloque, que será el elemento estructural final conformado.
9. Procedimiento de acuerdo con reivindicación 8, caracterizado porque se adicionan fibras de acero (5) durante Ia preparación de las capas (2, 3 ó 4) para conseguir que éstas sean más rígidas y resistentes al impacto.
10. Procedimiento de acuerdo con reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado porque se emplea hormigón armado, mallazo, utilizando barras (6) de acero, para Ia fabricación de las capas (2, 3 ó 4) con funciones estructurales.
11. Procedimiento de acuerdo con reivindicaciones 8, 9 ó 10, caracterizado porque se adicionan fibras de polipropileno (7) durante Ia preparación de las capas (2, 3 ó 4) para un mejor aislamiento frente al fuego.
12. Procedimiento de acuerdo con reivindicaciones 8, 9 ó 10, caracterizado porque se añaden materiales granulares especiales con o sin adicción de fibras (5, 7) durante la preparación de las capas (2, 3 ó 4) para un mejor comportamiento frente al fuego.
13. Procedimiento de acuerdo con reivindicación 8, caracterizado porque cada capa (2, 3 y 4) es de un material capaz de fluir y consolidar bajo su propio peso, sin que se produzca segregación.
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