WO2011067431A1 - Hormigón de ultra alta resistencia armado con fibras de acero - Google Patents

Hormigón de ultra alta resistencia armado con fibras de acero Download PDF

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Climent Molins Borrell
Roser Valls
Nayara Klein
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    • C04B14/48—Metal
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    • C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the present invention falls within the field of ultra-high strength concrete reinforced by incorporating metal fibers in the mixture.
  • the concrete of the present invention finds a particular application, although not limited thereto, in the production of prefabricated facade panels for buildings made with highly industrialized procedures.
  • Ultra high strength concrete reinforced with the incorporation of steel fibers called UHPFRC by its acronym in English (ultra high performance fiber reinforced concrete), has been known since at least 1990.
  • the present invention provides a new concrete formulation, alternative to those known in the state of the art and specially adapted for application in buildings with prefabricated panels or panels.
  • the UHPFRC concrete of this invention aims to provide the following mechanical properties:
  • the materials used comprise two types of cement in a preferred embodiment: Portland gray cement from UNILAND and Portland gray cement from CEMENTOS MOLINS, in accordance with the following specifications:
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) say compressive strength at 28 days, minimum 52.5 Mpa, with values of 58 MPa being usual,
  • PVA polyvinyl acetate
  • Fig. 1 shows the results of the concrete runoff test for the fresh state characterization of the UHPFRC concrete of this invention.
  • Fig. 2 shows the results of compressive strength of concretes manufactured in accordance with this invention.
  • Fig. 3 shows the tensile strength results of said concretes.
  • - natural calcium carbonate is made from selected calcite, with a high degree of purity, low iron oxide content and absence of heavy metals; OMYACARB -12 Cl is used, which is characterized by its wide range of particle sizes and its purity; the chemical composition of the raw material contributes 97% of CaC0 3 and the residue in the 100 micron sieve is less than or equal to 0.5% and the residue in the 45 micron sieve less than or equal to 10%; Production plant company L'Arboc (Tarragona - Spain);
  • the nanosilica is Rheomac VMA 350 (additive based on a dispersion of spherical nanoparticles of pure silica dioxide, free of
  • Table 1 is shown below which shows the adjustments in the initially planned dosages and some tests with PVA fibers for the preparation of the proposed concrete, according to the indicated specifications.
  • Table 2 is also included, which indicates adjustments in dosages and PVA fibers
  • REPLACEMENT SHEET (Rule 26) cement, which prevents water from being trapped between the cement starches that are initially formed.
  • the rest of the water and the superplasticizer additive can be added together with the nanosilica, which is liquid.
  • the whole set is mixed for 2 minutes.
  • the addition of water and superplasticizer in two stages provides more workability to the mixture, since those are free to act in the lubrication of the paste since at that time the cement flocs do not appear.
  • the fibers are added to the mixer, which are mixed together with the whole for another minute.
  • the runoff test has been carried out, according to the specifications of the UNE 83361: 2007 standard (AENOR 2007). This test responds to the need to verify if the concrete produced is really self-compacting. In addition, it allows to verify the homogeneity of the material through the existence of exudation and / or segregation of the mixture.
  • specimens have been made for the compression strength test of cylindrical specimens at the age of 24 hours, 7 and 28 days, according to the UNE 12390-3: 2003 standard (AENOR 2003).
  • Test specimens have also been prepared for the Barcelona tensile strength test at 7 days, according to PrUNE 83515: 2007 (AENOR 2007).
  • Table 4 shows the number of molded specimens for each concrete, while Figure 4 shows the molding of the specimens.
  • the tests carried out in the hardened state are intended to characterize the mechanical properties of the concrete in order to verify whether they are compatible with the required structural specifications of the material.
  • Table 3 details the number of specimens produced per concrete test.
  • the release agent has been applied by hand with a damp sponge or cloth. This has resulted in the formation of spots in the form of 'water' on the exposed face of the concrete
  • the release agent has been applied with a spray gun to achieve greater homogenization in the application.

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Abstract

Hormigón de ultra alta resistencia armado con fibras de acero, comprende: al menos un cemento Portland de categoría CEM I en una proporción de 600-800 kg/m3, con una resistencia a la compresión a los 28 días, mínima de 52,5 Mpa; áridos en una proporción de 900-1300 kg/m3, fibras de refuerzo añadidas, comprendiendo al menos una fibra de acero, en una proporción de 150-210 kg/m3; cargas en una proporción de 25-45 kg/m3, incluyendo carbonato cálcico natural y nanosílice; y aditivo superplastificante a base de policarboxilatos en una proporción de 45-55 kg/m3; y agua potable para la mezcla en una proporción de 125- 160 kg/m3.

Description

Hormigón de ultra alta resistencia armado con fibras de acero
La presente invención se inscribe en el campo de los hormigones de ultra alta resistencia reforzados por incorporación de fibras metálicas en la mezcla. El hormigón de la presente invención encuentra una aplicación particular, aunque no está limitado a la misma, en la producción de plafones prefabricados de fachadas para edificaciones realizadas con procedimientos altamente industrializados.
Antecedentes de la invención
Se conocen, al menos desde 1990, hormigones de ultra alta resistencia armados con la incorporación entre otras de fibras de acero, denominados UHPFRC por sus siglas en inglés (ultra high performance fibre reinforced concret).
En las patentes US 6478867, US6080234, FR2633922, DE3734327, EP934915 y EP1984310 se describen diversos ejemplos de composiciones de hormigones de alta resistencia y de ultra alta resistencia con participación de fibras de acero, en general en combinación con otras fibras, en particular fibras orgánicas, para su aplicación en edificios y estructuras viarias proporcionando unas buenas propiedades mecánicas y una elevada resistencia al impacto.
La presente invención aporta una nueva formulación de hormigón, alternativa a las conocidas en el estado de la técnica y especialmente adaptada para su aplicación en edificios con plafones o paneles de fachada prefabricados.
Breve exposición de la invención
El hormigón UHPFRC de esta invención se plantea como objetivo proporcionar las siguientes propiedades mecánicas:
Resistencia a flexo-tracción fct, fl, k = 30 N/mm2
Resistencia a la tracción fct, k = 10 N/mm2
Resistencia a la compresión fck = 100 N/mm2
Se ha previsto la utilización de fibras metálicas de 13 mm de longitud y 0,2 mm de diámetro con una participación en el total del volumen del hormigón de un 2%.
Los materiales utilizados comprenden en una realización preferida dos tipos de cemento: cemento gris Portland de procedencia de la firma UNILAND y cemento gris Portland de la firma CEMENTOS MOLINS, conforme a las siguientes especificaciones:
• cemento Portland de UNILAND: cemento Portland gris.
· cemento Portland de CEMENTOS MOLINS: es un cemento Portland gris de categoría CEM I y de resistencia a la compresión muy alta 52,5 R, es
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) decir resistencia a la compresión a los 28 días, mínima 52,5 Mpa, siendo habituales valores de 58 MPa,
aunque es factible utilizar únicamente el segundo de dichos cementos.
El resto de los materiales utilizados en la mezcla para la formación de este hormigón son:
- áridos: dos tipos de arena:
- arena caliza beige 0-1 mm de tamaño de grano; y
- arena de sílice de 0-7 mm de tamaño grano;
fibras de refuerzo añadidas:
- una fibra de acero OL 13/0,20, y
- tres tipos de fibras de PVA (acetato de polivinilo) las cuales son REC (S) 100x12, REC 15x8 y REC 15x12;
cargas: carbonato cálcico natural y nanosílice;
aditivo su perplastifi cante a base de policarboxilatos
- agua potable para la mezcla
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 muestra los resultados del ensayo de escurrimiento del hormigón para la caracterización en estado fresco del hormigón UHPFRC de esta invención.
La Fig. 2 muestra los resultados de resistencia a compresión de los hormigones fabricados conforme a esta invención.
La Fig. 3 muestra los resultados de resistencia a tracción de dichos hormigones.
Descripción detallada de un ejemplo de realización preferido
Los materiales componentes del hormigón referidos anteriormente se obtienen de diversos proveedores:
- los cementos de las firmas CEMENTOS MOLINS y UNILAND;
- el carbonato cálcico natural está fabricado a partir de calcita seleccionada, con alto grado de pureza, bajo contenido de óxido de hierro y ausencia de metales pesados; se utiliza el OMYACARB -12 Cl que se caracteriza por su amplia gama de tamaño de partículas y por su pureza; la composición química de la materia prima aporta un 97% de CaC03 y el residuo al tamiz de 100 mieras es menor o igual al 0,5 % y el residuo al tamiz de 45 mieras menor o igual al 10%; Planta de producción empresa L'Arboc (Tarragona - España);
- la nanosílice es Rheomac VMA 350 (aditivo basado en una dispersión de nanopartículas esféricas no aglomeradas de dióxido de sílice puro, libre de
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) cloruros y de elevadísima finura) suministrada por BASF;
- el aditivo superplastificante reductor del agua de alta actividad basado en policarbosilatos (apto para hormigones prefabricados);
- es el Glenium ACE 425, suministrado por BASF;
- las fibras de acero OL 13/0,20 han sido suministradas por la firma N.V.
BEKAERT;
- las fibras de PVA han sido suministradas a modo de muestras por la firma nipona KURARAY;
- el agua ha sido tomada de la red de agua potable de Martorell (Barcelona - España).
Se incluye a continuación la Tabla 1 que muestra los ajustes en las dosificaciones inicialmente previstas y unas pruebas con fibras de PVA para preparación del hormigón propuesto, conforme a las especificaciones indicadas.
Tabla 1
Figure imgf000004_0001
Se incluye también la Tabla 2, que indica ajustes en las dosificaciones y fibras de PVA
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) Tabla 2
Figure imgf000005_0001
En lo que concierne a la producción antes de iniciar la producción de hormigones se ha mojado la amasadora y ha sido puesta en movimiento por algunos segundos. Ello se ha hecho para intentar tener unas mismas condiciones entre la primera prueba y las restantes. El orden de vertido de los materiales en la amasadora se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3
Materiales Tiempo de amasado
1 Arena
2 Cemento 2 minutos, en seco
3 carga / cuarzo
4 n Agua y 14 Superplastificante 3 minutos
5 ' Agua, II Superplastificante con la Nanosílice 2 minutos
6 Fibras 1 minuto
Como se observa en dicha Tabla 2, en primer lugar se añaden los materiales secos, empezando por los más gruesos a los más finos, que son la arena, el cemento y la carga (filler). Estos materiales se mezclan en seco durante 2 minutos. A continuación se añade la mitad del agua y del aditivo superplastificante, seguido de 3 minutos amasado. Ese procedimiento se justifica por la necesidad de dispersar las partículas de
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) cemento, lo que evita que el agua quede atrapada entre los fóculos de cemento que se forman inicialmente.
Pasado ese tiempo, se puede añadir el resto del agua y del aditivo superplastificante juntamente con la nanosílice, la cual es líquida. Todo el conjunto se mezcla durante 2 minutos. La adición del agua y superplastificante en dos etapas aporta más trabajabilidad a la mezcla, puesto que esos están libres para actuar en la lubricación de la pasta ya que en ese momento no aparecen los flóculos de cemento. Por último, se añaden las fibras a la amasadora, las cuales son mezclan junto al conjunto por otro minuto.
En la producción de los hormigones con fibras de acero, los materiales granulares se han sido vertidos a la amasadora de modo automatizado, puesto que la instalación ofrece esa opción. No obstante, dado que no son grandes cantidades y para una mayor precisión, el agua, el aditivo superplastificante y la nanosílice se han adicionado manualmente, para que fuera posible controlar las cuantidades adicionadas en base en la visualización de la trabajabilidad de la mezcla. Las fibras se han vertido directamente a la cinta transportadora. Ello evita el contacto directo del trabajador con las fibras y evita accidentes. Eso es fundamental a la seguridad porque esas fibras actúan como agujas, y pinchan la piel cuando entra en contacto con esta, aunque se esté utilizando guantes
En cuanto a la caracterización en estado fresco se ha realizado el ensayo de escurrimiento, según las especificaciones de la normativa UNE 83361 : 2007 (AENOR 2007). Ese ensayo responde a la necesidad de verificar si el hormigón producido realmente es autocom pactante. Además, permite comprobar la homogeneidad del material a través de la existencia de exudación y/o segregación de la mezcla.
Los resultados se muestran en la Fig. 1.
En cuanto a la caracterización en estado endurecido se han realizado probetas para el ensayo de resistencia a compresión de probetas cilindricas a la edad de 24 horas, 7 y 28 días, según la normativa UNE 12390-3: 2003 (AENOR 2003). También se han preparado probetas para el ensayo Barcelona de resistencia a tracción a los 7 días, según la normativa PrUNE 83515: 2007 (AENOR 2007). En la Tabla 4 se muestra el número de probetas moldeadas, para cada hormigón, mientras que en la figura 4 se muestra el moldeo de las probetas. Los ensayos realizados en estado endurecido pretenden caracterizar las propiedades mecánicas del hormigón en aras a verificar si son compatibles con las especificaciones estructurales exigidas del material.
En la Tabla 3 se detallan el número de probetas producidas por prueba de hormigón.
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) Tabla 3
Figure imgf000007_0001
En cuanto a las pruebas de hormigonado con elementos constructivos se han realizado con encofrados de acero y sellado de juntas con silicona neutra.
Se han utilizado dos tipos de desencofrantes (que actúan como retardantes de fraguado) de forma indistinta y por separado, sin ninguna repercusión especial durante en desencofrado:
- Pierii Aquarol TT
- 31 -Pieri LM 5
El desencofrante se ha aplicado a mano con una esponja o paño húmedo. Esto ha dado lugar a la formación de manchas en forma de 'aguas' en la cara vista del hormigón
El desencofrante se ha aplicado con pistola de aspersión para conseguir una mayor homogeneización en la aplicación.
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26)

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Hormigón de ultra alta resistencia armado con fibras de acero, comprendiendo por m3 de mezcla final:
• al menos un cemento Portland de categoría CEM I en una proporción de 600- 800 kg/m3, con una resistencia a la compresión a los 28 días, mínima de 52,5
Mpa;
• áridos en una proporción de 900-1300 kg/m3,
• fibras de refuerzo añadidas, comprendiendo al menos una fibra de acero, en una proporción de 150-210 kg/m3
· cargas en una proporción de 25-45 kg/m3, incluyendo carbonato cálcico natural y nanosílice; y
• aditivo superplastificante a base de policarboxilatos en una proporción de 45-55 kg/m3;;y
agua potable para la mezcla en una proporción de 125- 160 kg/m3.
2. - Hormigón según la reivindicación 1 , caracterizado porque dichos áridos comprenden dos tipos de arena, arena caliza y arena de sílice.
3. - Hormigón según la reivindicación 1 , caracterizado porque se utiliza un cemento gris o un cemento blanco, o una mezcla de los mismos que aporta la proporción de cemento indicada.
4. - Hormigón según la reivindicación 1 , en donde dicha arena caliza es arena beige de 0-1 mm de tamaño promedio de grano.
5. - Hormigón según la reivindicación 1 , en donde dicha arena de sílice es de 0-7 mm de tamaño promedio de grano.
6.- Hormigón según la reivindicación 1 , en donde dichas fibras de refuerzo añadidas son al menos una fibra metálica de acero OL 13/0,20.
7.- Hormigón según la reivindicación 6, caracterizado porque dichas fibras metálicas son de 13 mm de longitud y 0,2 mm de diámetro con una participación en el total del volumen del hormigón de un 2%..
8.- Hormigón según la reivindicación 6, caracterizado porque dichas fibras de refuerzo comprenden además de dicha fibra de acero, tres tipos de fibras de PVA
(acetato de polivinilo) las cuales son REC (S) 100x12, REC 15x8 y REC 15x12.
9.- Hormigón según la reivindicación 8, caracterizado porque dichas fibras d
PVA participan en el hormigón en las siguientes proporciones:
- Fibras de PVA 12/0,10 5-14 kg/m3
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) Fibras de PVA 8/0,04 4-8 kg/m3
Fibras de PVA 12/0,04 4-8 kg/m3
HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26)
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