FIBRAS DE POLÍMEROS DE REFUERZO, ALTAMENTE DISPERSABLES.

Fibras para el refuerzo de una composición de hormigón comprendiendo:

una pluralidad de cuerpos de fibras individuales que tienen una longitud alargada definida entre dos extremos opuestos y que comprenden, como mínimo, un polímero sintético, teniendo dichos cuerpos de fibras individuales superficies que se encuentran sustancialmente libres de fracturas por esfuerzo, tales como se podrían crear por aplanado mecánico de los cuerpos de las fibras entre rodillos en oposición, siendo dichos cuerpos de fibras individuales sustancialmente no fibrilables en unidades de fibras más pequeñas después de su mezcla en un hormigón húmedo en la medida necesaria para conseguir una dispersión sustancialmente uniforme de las fibras en su interior y teniendo dichos cuerpos de fibras una forma general de cuadrilátero en sección a lo largo de dicha longitud alargada, teniendo, por lo tanto, dimensiones de anchura, grosor y longitud en las que la anchura promedio no es menor de 1,0 mm; en las que la anchura promedio no es superior a 5,0 mm; en las que el grosor promedio no es menor de 0,05 mm; en las que el grosor promedio no es superior a 0,2 mm; en las que la longitud promedio no es menor de 20 mm; en las que la longitud promedio no es superior a 75 mm; en las que dichos cuerpos de fibras tienen un módulo Young con una elasticidad no menor de 4 Giga Pascals; en las que dichos cuerpos de fibra tienen un módulo Young con una elasticidad no superior a 20 Giga Pascals; en las que dichos cuerpos de fibra tienen una resistencia a la tracción no menor de 400 Mega Pascals; en las que dichos cuerpos de fibra tienen una resistencia a la tracción no superior a 1600 Mega Pascals; en las que dichos cuerpos de fibra tienen una capacidad de carga mínima a la tracción no menor de 20 Newtons por cuerpo de fibra; en las que dichos cuerpos de fibras tienen una capacidad mínima de carga en tracción no superior a 1000 Newtons por cuerpo de fibra; en las que dichos cuerpos de fibra tienen una relación del área transversal promedio al volumen no menor de 10,5 mm -1 ; en las que dichos cuerpos de fibra tienen una relación del área transversal promedio al volumen no superior a 42 mm -1 ; y en las que dichos cuerpos de fibra tienen una capacidad de flexión promedio "B" no menor de 100 mN -1 *m -2 ; en las que dichos cuerpos de fibra tienen una capacidad de flexión promedio "B" no superior a 2500 mN -1 *m -2 ; estando determinada dicha capacidad de flexión "B" de dichas fibras de acuerdo con la fórmula B=1/(3•E•I), en la que el momento de inercia "I" para una sección de forma general de cuadrilátero se calcula de acuerdo con la fórmula I=(1/12)•w•t 3 en la que "w" es la anchura promedio y "t" es el grosor promedio de la sección transversal que tiene forma general de cuadrilátero y en la que "E" representa el módulo de Young de elasticidad de la fibra

Campo de la invención

La invención se refiere a fibras para materiales de matrices de refuerzo, y más particularmente a una serie de fibras de polímeros sintéticos que tiene excelentes características de dispersabilidad y de capacidad de refuerzo, 5 y preferentemente excelente capacidad de acabado, en composiciones hidratables de cemento. Los cuerpos de las fibras individuales son alargados y con gran capacidad de flexión, teniendo perfiles que en general tienen sección transversal en forma de cuadrilátero, minimizando la formación de bolas de fibras y haciendo máxima la unión de las fibras.

Antecedentes de la invención 10

Si bien las fibras de la presente invención son adecuadas para refuerzo de diferentes materiales de matriz, tales como adhesivos, asfaltos, materiales compuestos, plásticos, gomas, etc., y estructuras fabricadas a partir de éstos, las fibras que se describirán son especialmente adecuadas para el refuerzo de compuestos de refuerzo a base de cemento hidratables, tales como hormigón pre-mezclado, hormigón pre-moldeado, hormigón para albañilería (mortero), hormigón proyectable (“shotcrete”), hormigón bituminoso, composiciones de yeso, compuestos 15 de protección contra el fuego basados en yeso y/o cemento Portland, y otros.

Un objetivo principal de las fibras de la presente invención es el de reforzar el hormigón, por ejemplo, el hormigón pre-mezclado, hormigón de proyección (“shotcrete”), etc., y estructuras fabricadas a partir de éstos. Estos materiales de matriz presentan numerosas dificultades para los que diseñan fibras de refuerzo.

El hormigón es fabricado utilizando un material de unión de cemento hidratable, un árido fino (por ejemplo, 20 arena) y un árido grosero (por ejemplo, pequeñas piedras, grava). Se fabrica un mortero utilizando un material de unión de cemento y un árido fino. Los hormigones y morteros son, por lo tanto, materiales frágiles. Si una estructura de mortero o de hormigón es sometida a esfuerzos que superan su resistencia máxima a la tracción, se pueden iniciar grietas y se propagarse en la misma. La capacidad de la estructura de cemento para resistir la iniciación de grietas y la propagación de las mismas se puede comprender haciendo referencia a la “resistencia” y “tenacidad a la 25 fractura” del material.

La “resistencia” se refiere a la capacidad de una estructura de cemento u hormigón para resistir el inicio de grietas. En otras palabras, la resistencia es proporcional a la carga máxima que puede resistir la estructura sin formar grietas y es una medida de la carga o esfuerzo mínimo (por ejemplo, el “factor de intensidad de esfuerzo crítico”) requerido para iniciar la formación de grietas en dicha superficie. 30

Por otra parte, la “tenacidad a la fractura” se refiere a la “energía de fractura” específica de una estructura de cemento o de hormigón. Este concepto se refiere a la capacidad de la estructura en resistir la propagación, o ampliación, de una grieta existente en la estructura. La característica de la tenacidad es proporcional a la energía requerida para la propagación o ensanchamiento de la grieta (o grietas). Esta propiedad puede ser determinada midiendo simultáneamente la carga requerida para deformar o “flexionar” una muestra de viga de hormigón 35 reforzado con fibras (FRC) en una grieta abierta y la magnitud o extensión de la flexión. La tenacidad a la fractura se determina, por lo tanto, dividiendo el área situada por debajo de una curva de flexión por carga (generada sacando el gráfico de la carga con respecto a la flexión de la muestra FRC) por su área en sección transversal.

En las técnicas del cemento y del hormigón se han diseñado fibras para aumentar la resistencia y tenacidad a la fractura en materiales de refuerzo. Se han utilizado numeroso materiales de fibras para esta finalidad, tales 40 como acero, polímeros sintéticos (por ejemplo, poliolefinas), carbono, nilón, aramidas y vidrio. La utilización de fibras de acero para reforzar estructuras de hormigón sigue siendo habitual debido a la resistencia intrínseca del metal. No obstante, una de las preocupaciones en el diseño de productos con fibras de acero consiste en aumentar la resistencia a la “extracción” de la fibra, porque esto incrementa la capacidad de la fibra en evitar la propagación de las grietas. A este respecto, la patente USA 3.953.953 de Marsden da a conocer fibras que tienen extremos 45 conformados en “J” para resistir la extracción con respecto al hormigón. No obstante, las fibras rígidas que tienen deformaciones físicas pueden provocar problemas de acoplamiento que hacen las fibras difíciles de manejar y de dispersar de manera uniforme dentro de una mezcla de hormigón húmeda. Diseños más recientes que comportan la utilización de fibras de polímeros “rizadas” u “onduladas”, pueden tener complicaciones similares, dependiendo de la rigidez del material de fibras utilizado. 50

Los materiales de poliolefinas, tales como polipropileno y polietileno, han sido utilizados para el refuerzo de hormigón y ofrecen ventajas económicas debido al coste relativamente más bajo del material. No obstante, estos materiales poliolefínicos, al ser hidrofóbicos por su naturaleza, resisten el entorno acuoso del hormigón húmedo. Además, la mayor parte de fibras de poliolefina necesarias en el hormigón, para aproximarse a la resistencia y tenacidad a la fractura del hormigón reforzado con fibras de acero, conducen frecuentemente a fibras que se 55 aglomeran o “forman bolas” y aumentan el tiempo de mezcla en el lugar de la obra. Esta tendencia a formar bolas de fibras significa que la dosificación deseada de fibras no se consigue. La concentración correcta de fibras no se

consigue frecuentemente porque las bolas de fibras son retiradas (cuando se observan en la superficie del hormigón) por los trabajadores que desean conseguir una superficie del hormigón bien acabada. En algunos casos ocurre que lugares de la estructura de cemento carecen por completo de fibras de refuerzo. Por lo tanto, la deseada homogeneidad de la dispersión de fibras no se consigue.

Se conocen procedimientos para facilitar la dispersión de las fibras. Por ejemplo, la patente USA 4.961.790 5 de Smith y otros da a conocer la utilización de una bolsa soluble en agua para introducir un número grande de fibras en una mezcla húmeda. La patente USA 5.224.774 de Valle y otros dio a conocer la utilización de envasado no soluble en agua que se desintegraba mecánicamente en la mezcla evitando la aglomeración y consiguiendo una dispersión uniforme de fibras dentro de la mezcla de hormigón.

La dispersión de fibras de refuerzo se puede conseguir también por envasado de pequeñas cantidades 10 individuales de fibras. Por ejemplo, la patente USA 5.807.458 de Sanders dio a conocer fibras de las que se forman haces utilizando una envolvente perimetral circunferencial. De acuerdo con esta patente, la continuidad de la envoltura periférica se podría alterar por agitación dentro de la mezcla de hormigón húmeda y las fibras se podrían liberar y dispersar en la mezcla.

Por otra parte, la solicitud de patente mundial nºWO 00/49211 de Leon (publicada 8/24/00) dio a conocer 15 fibras formando “paquetes” juntos pero separables una vez mezclados en el hormigón. Una serie de fibras se mezclaban entre sí de manera separable, tal como una cinta adherida a extremos cortados de las fibras, formando un “paquete”. Dentro de una mezcla húmeda a base de cemento, los paquetes se podrían romper y/o disolver separadas para permitir la separación y dispersión de las fibras individuales dentro de la mezcla.

La dispersión de fibras de refuerzo se puede conseguir también alternado las fibras durante la mezcla. Por 20 ejemplo, la patente USA 5.993.537 de Trottier y otros dio a conocer fibras que se fibrilan progresivamente en la agitación de la mezcla de hormigón húmedo. Las fibras presentaban una “reducida área superficial inicial” para facilitar la introducción de fibras en la mezcla húmeda y, después de agitación y bajo el efecto abrasivo de los áridos de la mezcla sufrían “fibrilación”, que es la separación del material fibroso inicial de baja área superficial en fibrillas individuales más pequeñas. Se cree que se podría obtener de esta manera una distribución de fibras homogénea 25 con elevados porcentajes de adición.

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1. Fibras para el refuerzo de una composición de hormigón comprendiendo: una pluralidad de cuerpos de fibras individuales que tienen una longitud alargada definida entre dos extremos opuestos y que comprenden, como mínimo, un polímero sintético, teniendo dichos cuerpos de fibras individuales superficies que se encuentran sustancialmente libres de fracturas por esfuerzo, tales como se podrían crear por aplanado mecánico de los cuerpos de las fibras entre rodillos en oposición, siendo dichos cuerpos de fibras individuales sustancialmente no fibrilables 5 en unidades de fibras más pequeñas después de su mezcla en un hormigón húmedo en la medida necesaria para conseguir una dispersión sustancialmente uniforme de las fibras en su interior y teniendo dichos cuerpos de fibras una forma general de cuadrilátero en sección a lo largo de dicha longitud alargada, teniendo, por lo tanto, dimensiones de anchura, grosor y longitud

en las que la anchura promedio no es menor de 1,0 mm; 10

en las que la anchura promedio no es superior a 5,0 mm;

en las que el grosor promedio no es menor de 0,05 mm;

en las que el grosor promedio no es superior a 0,2 mm;

en las que la longitud promedio no es menor de 20 mm;

en las que la longitud promedio no es superior a 75 mm; 15

en las que dichos cuerpos de fibras tienen un módulo Young con una elasticidad no menor de 4 Giga Pascals;

en las que dichos cuerpos de fibra tienen un módulo Young con una elasticidad no superior a 20 Giga Pascals;

en las que dichos cuerpos de fibra tienen una resistencia a la tracción no menor de 400 Mega Pascals; 20

en las que dichos cuerpos de fibra tienen una resistencia a la tracción no superior a 1600 Mega Pascals;

en las que dichos cuerpos de fibra tienen una capacidad de carga mínima a la tracción no menor de 20 Newtons por cuerpo de fibra;

en las que dichos cuerpos de fibras tienen una capacidad mínima de carga en tracción no superior a 1000 Newtons por cuerpo de fibra; 25

en las que dichos cuerpos de fibra tienen una relación del área transversal promedio al volumen no menor de 10,5 mm-1;

en las que dichos cuerpos de fibra tienen una relación del área transversal promedio al volumen no superior a 42 mm-1;

en las que dichos cuerpos de fibra tienen una capacidad de flexión promedio “B” no menor de 100 mN-1*m-2; 30 y

en las que dichos cuerpos de fibra tienen una capacidad de flexión promedio “B” no superior a 2500 mN-1*m-2;

estando determinada dicha capacidad de flexión “B” de dichas fibras de acuerdo con la fórmula B=1/(3•E•I), en la que el momento de inercia “I” para una sección de forma general de cuadrilátero se calcula de acuerdo con la 35 fórmula I=(1/12)•w•t3 en la que “w” es la anchura promedio y “t” es el grosor promedio de la sección transversal que tiene forma general de cuadrilátero y en la que “E” representa el módulo de Young de elasticidad de la fibra.

2. Fibras, según la reivindicación 1, en las que el grosor promedio de los cuerpos de fibras no es inferior a 0,075 mm y no es superior a 0,15 mm.

3. Fibras, según la reivindicación 1 ó 2, en las que en dicha pluralidad de cuerpos de fibras individuales, 40 dichos cuerpos de fibras individuales están separados entre sí.

4. Fibras, según la reivindicación 1 ó 2, en las que en dicha pluralidad de cuerpos de fibras individuales, dichos cuerpos de fibras individuales están parcialmente separados entre sí, pero son completamente separables cuando son agitados mecánicamente dentro del material de la matriz.

5. Fibras, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en las que, en dicha pluralidad de cuerpos de 45 fibras individuales, dicho, como mínimo, un polímero sintético es seleccionado del grupo que consiste en polietileno, polipropileno, polioximetileno, poli(fluoruro de vinilideno), poli(metilpenteno), poli(etilen-clorotrifluoroetileno),

poli(fluoruro de vinilo), poli(óxido de etileno), poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno), poliamida, polibuteno y polímeros de cristal líquido termotrópico.

6. Fibras, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en las que dichos cuerpos de fibras comprenden polipropileno en una cantidad no inferior a 75% en peso y dichos cuerpos de fibras comprenden polipropileno en una cantidad que llega a 100%. 5

7. Fibras, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en las que dichos cuerpos de fibras que comprenden una mezcla de, cómo mínimo, dos polímeros o un copolímero que comprende, como mínimo, dos de dichos polímeros.

8. Fibras, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en las que dichos cuerpos de fibras comprenden polipropileno y polietileno. 10

9. Fibras, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tienen forma torsionada.

10. Material compuesto que comprende fibras, tal como se han definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, y hormigón en el que están embebidas dichas fibras, poseyendo dicho hormigón una resistencia a la compresión en el rango de 15 a 40 MPa de manera que el valor promedio Re,3 se encuentra entre el 20 y el 60%, teniendo dicho hormigón capacidad de acabado de manera que dichas fibras embebidas no salen 15 sustancialmente de dicho hormigón.

11. Compuesto que comprende un material de unión de cemento y las fibras definidas en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.

12. Composición de matriz, que comprende:

- un material de matriz seleccionado entre el grupo que consiste en adhesivos, asfalto, materiales 20 compuestos, plásticos, elastómetros, y materiales a base de cemento hidratables; y

- fibras, según se define en la reivindicación 1.

13. Composición de matriz según la reivindicación 12 en la que, en dicha pluralidad de cuerpos de fibras individuales, dichos cuerpos de fibras individuales están separadas entre sí.

14. Composición de matriz, según la reivindicación 12 ó 13, en el que dicha pluralidad de cuerpos 25 individuales de fibras, dicho, como mínimo, un polímero sintético es seleccionado entre el grupo que consiste en polietileno, polipropileno, polioximetileno, poli(fluoruro de vinilideno), poli(metilpenteno), poli(etilen-clorotrifluoroetileno), poli(fluoruro de vinilo), poli(óxido de etileno), poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno), poliamida, polibuteno y polímeros de cristal líquido termotrópico.

15. Composición de matriz, según la reivindicación 12 a 14, en la que dicha pluralidad de cuerpos 30 individuales de fibras, dicho, como mínimo, un polímero sintético es polipropileno.

16. Composición de matriz, según la reivindicación 12 a 15, en la que dicho material de matriz es un material a base de cemento.

17. Composición de matriz, según la reivindicación 12 a 16, en la que dichos cuerpos de fibras comprenden polipropileno en una cantidad no inferior al 75% en peso y dichos cuerpos de fibras comprenden polipropileno en 35 una cantidad que llega al 100%.

18. Composición de matriz, según la reivindicación 12 a 17, en el que dichos cuerpos de fibras comprenden una mezcla de, como mínimo, dos polímeros o un co-polímero que comprende, como mínimo, dos de dichos polímeros.

19. Composición de matriz, según la reivindicación 12 a 18, en el que dichos cuerpos de fibras comprenden 40 polipropileno y polietileno.

20. Composición de matriz, según la reivindicación 12 a 19, en la que dicho material de matriz es hormigón y dichas fibras están embebidas en dicho hormigón, poseyendo dicho hormigón una resistencia a la compresión de 15 a 40 MPa de manera que el valor promedio Re,3 se encuentra entre el 20 y el 60%, poseyendo dicho hormigón capacidad de acabado de manera que dichas fibras embebidas no salen sustancialmente de dicho hormigón. 45

21. Composición de matriz, según la reivindicación 12 a 20, en la que dichas fibras están torsionadas.

22. Composición de matriz, según la reivindicación 12 a 21, en el que dicho material de matriz es asfalto.

23. Composición de matriz, según la reivindicación 12 a 22, en el que dichos cuerpos de fibras individuales tienen una variabilidad de grosor o de anchura a lo largo de la longitud del cuerpo de fibras individuales no inferior a 2,5 por ciento de desviación con respecto al grosor o a la anchura promedio según sea el caso, y en la que dichos 50

cuerpos de fibras individuales tienen una variabilidad de grosor o anchura a lo largo de la longitud de los cuerpos de fibras individuales no superior al 25 por ciento de desviación con respecto al grosor o anchura promedio según sea el caso.

24. Composición de matriz, según la reivindicación 12, que comprende un material de matriz de hormigón en el que dichos cuerpos de fibras individuales son sustancialmente no fibrilables en unidades de fibras más 5 pequeñas después de mezcla en hormigón húmedo en la medida necesaria para conseguir una dispersión sustancialmente uniforme de las fibras en su interior, y en la que dichos cuerpos de fibras tienen un grosor promedio no inferior a 0,075 mm y no superior a 0,15 mm.

25. Composición de matriz, según la reivindicación 24, en la que dichos cuerpos de fibras tienen una proporción de área transversal promedio al volumen no inferior a 10,5 mm-1 y en la que dichos cuerpos de fibras 10 tienen una proporción del área de inserción transversal al volumen no superior a 42 mm-1.

26. Composición de matriz, según la reivindicación 24 ó 25, en la que dichos cuerpos de fibras son polipropileno.

27. Composición de matriz, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 26, en la que dichas fibras están formadas por polietileno y por propileno. 15

28. Composición de matriz, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 27, en la que dichas fibras se encuentran presentes en dicho material matriz de hormigón en una cantidad no inferior a 0,05% en volumen y no superior al 10% en volumen.

29. Composición de matriz, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 28, en la que dichos cuerpos de fibras individuales están dotados de recubrimiento. 20

30. Composición de matriz, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 29, que comprenden además un superplastificante, reductor de agua, elemento de arrastre de aire, elemento de eliminación de aire, inhibidor de corrosión, acelerador de fraguado, retardador de fraguado, añadidura de reducción de retracción, cenizas voladoras, vapores de sílice o mezclas de los mismos.

31. Procedimiento para modificar un material de matriz, que comprende la introducción en el mismo de 25 fibras según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.