USO DE PLÁSTICOS RECICLADOS PARA PERFILES DE CONSTRUCCIÓN ESTRUCTURALES.

Un material compuesto estructural de plástico modular que comprende una sección de alma dispuesta a lo largo de un eje horizontal y al menos una sección de reborde dispuesta a lo largo de un eje horizontal paralelo a aquél y moldeado integralmente para engranar con la superficie superior o inferior de dicha sección de alma,

en el que: la dimensión vertical (grosor) de la sección de reborde es la décima parte a la mitad del tamaño de la dimensión vertical de la sección de alma sin ninguna sección o secciones de reborde, y la anchura de la sección o secciones de reborde medida perpendicularmente al eje horizontal de la sección de reborde es dos a diez veces el tamaño de la dimensión de la anchura de la sección de alma medida perpendicularmente al eje horizontal de la sección de alma; y dicho material compuesto está formado a partir de (A) una mezcla de polímero inmiscible co-continua de una poliolfeina de alta densidad y (B) un material de fibra recubierto de termoplástico.

Campo de la invención

La invención se refiere a nuevos perfiles de construcción hechos de materiales compuestos resistentes a la degradación; a estructuras producidas a partir de tales nuevos perfiles; y a métodos relacionados para producir y usar tales perfiles y estructuras.

Antecedentes de la invención

Existen actualmente alrededor de 500.000 puentes de madera para vehículos en los Estados Unidos, ensamblados a partir de madera tratada químicamente. Un 40 por ciento estimado de ellos se encuentra en necesidad de reparación o sustitución.

Existen varios tipos de madera tratada químicamente, tales como madera tratada con creosota y madera tratada a presión. Estos materiales son relativamente económicos de fabricar y usar, y son prácticamente tan versátiles como cualquier otro perfil de madera. También presentan una resistencia incrementada a la degradación microbiana y fúngica, y al agua.

Sin embargo, la creciente popularidad de la madera tratada químicamente tiene algunas repercusiones negativas que están comprobándose precisamente ahora. La madera tratada químicamente toma una fuente perfectamente utilizable, reciclable y renovable, y la vuelve tóxica. Por ejemplo, la madera “tratada a presión” o “CCA” se trata con arsénico-cobre cromado muy venenoso y no se puede quemar. Si bien la madera CCA se puede enterrar, la lixiviación de productos químicos tóxicos hace indeseables tales estrategias de eliminación. La eliminación de la madera creosotada requiere el uso de incineradores especiales. Estos materiales están resultando mucho más difíciles y costosos de eliminar que de utilizar. Sin embargo, debido a la larga vida útil de estos materiales, el impacto económico y medioambiental de la madera tratada químicamente está comenzando a sentirse ahora.

La madera de plástico reciclado para estructuras representa una posible alternativa a la madera tratada químicamente. Las patentes de EE.UU. nos 6.191.228, 5.951.940, 5.916.932, 5.789.477, y 5.298.214 describen materiales compuestos de madera para estructuras de plástico reciclado hechos de plástico post-consumidor y post-industrial, en los cuales se mezclan poliolefinas con poliestireno o un material de fibra recubierto con termoplástico, tal como fibra de vidrio. Estos materiales compuestos estructurales disfrutan actualmente de éxito comercial como sustitutos para traviesas de ferrocarril creosotadas y otros materiales de sección transversal rectangular. El mercado se ha visto limitado de otro modo para la madera para estructuras de plástico reciclado, debido a que es significativamente más cara que las vigas de madera tratadas sobre una base de coste instalado, a pesar del uso de plásticos de desecho reciclados.

Esta importante diferencia de costes se hizo más evidente en la construcción de estructuras de puentes, en las cuales las vigas de madera tratadas a presión se reemplazaron con vigas de material compuesto de madera para estructuras de plástico reciclado. Si bien tan resistentes como la madera sometida a tratamiento CCA, las vigas de material compuesto de plástico reciclado no fueron tan rígidas, y tendían a combarse, o “correrse”. Fue posible compensar esto aumentando las dimensiones de las vigas y utilizando más vigas de sección transversal rectangular. Sin embargo, esto se sumaba adicionalmente al coste ya incrementado de los materiales y la construcción en comparación con la madera tratada.

Se pueden preparar también vigas estructurales que no “se corren” a partir de resinas obtenidas mediante ingeniería, tales como policarbonatos o ABS. Sin embargo, estas son más caras aún que los materiales compuestos estructurales hechos de plásticos reciclados. Persiste la necesidad de materiales estructurales basados en plásticos reciclados que sean más competitivos en costes con la madera tratada sobre una base de coste instalado.

El documento US 6247651 propone una traviesa para vías férreas ( o traviesa) hecha a partir de un material compuesto formado de plásticos reciclados (por ejemplo, polietileno de alta densidad o polipropileno), fibras de vidrio residual, y “caucho en migas” (por ejemplo, neumáticos de caucho granulado). El componente de caucho en migas comprende típicamente 20% del material compuesto.

Un primer aspecto de la invención proporciona un material compuesto estructural de plástico modular que tiene una sección de alma dispuesta a lo largo de un eje horizontal y al menos una sección de reborde dispuesta a lo largo de un eje horizontal paralelo a aquél y moldeada integralmente para engranar la superficie superior o inferior de dicha sección de alma, en el que:

la dimensión vertical (grosor) de la sección de reborde es la décima parte a la mitad del tamaño de la dimensión vertical de la sección de alma sin ninguna sección o secciones de reborde, y la anchura de la sección o secciones de reborde medida perpendicularmente al eje horizontal de la sección de reborde es dos a diez veces el tamaño de la dimensión de la anchura de la sección de alma medida perpendicularmente al eje horizontal de la sección de alma; y dicho material compuesto está formado a partir de una mezcla de polímero inmiscible co-continua de una poliolfeina de alta densidad y un material de fibra recubierto con termoplástico.

BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Ahora se ha descubierto que las mezclas de polímeros inmiscibles de las patentes de EE.UU. nos 6.191.228, 5.951.940, 5.916.932, 5.789.477, y 5.298.214 pueden moldearse en perfiles estructurales que son más eficientes en costes que las vigas estructurales de plástico reciclado tradicionales con secciones transversales rectangulares. Los perfiles estructurales de acuerdo con la presente invención se moldean como un artículo conformado de una sola pieza, e incluyen perfiles modulares tales como vigas en I, vigas en T, vigas en C, y similares, en las cuales uno o más rebordes horizontales engranan un cuerpo dispuesto axialmente conocido en la técnica de las vigas en I como un alma. El área de sección transversal reducida de tales perfiles representa un ahorro significativo en costes en términos de uso de material, sin sacrificar las propiedades mecánicas. Se obtienen ahorros adicionales en costes a través de técnicas de construcción modular permitidas por el uso de tales perfiles.

Por lo tanto, de acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un material compuesto estructural de plástico modular que tiene una sección de alma dispuesta a lo largo de un eje horizontal, y al menos una sección de reborde dispuesta a lo largo de un eje horizontal paralelo a aquél y moldeada integralmente para engranar la superficie superior o inferior de dicha sección de alma, en el que el material compuesto está formado por una mezcla de (A) poliolefina de alta densidad y (B) material de fibra recubierto con termoplástico. La poliolefina de alta densidad es preferiblemente polietileno de alta densidad (HDPE). El material de fibra recubierto con termoplástico es preferiblemente una fibra de carbono revestida con termoplástico, o fibras de vidrio tales como fibra de vidrio.

Las dimensiones del reborde con relación a las dimensiones de la sección de alma no pueden ser tan grandes como para dar como resultado la deformación por pandeo de las secciones de reborde con la aplicación de una carga. Preferiblemente, la dimensión vertical (grosor) de la sección de reborde es alrededor de la décima parte a alrededor de la mitad del tamaño de la dimensión vertical de la sección de alma sin ninguna sección o secciones de reborde, y la dimensión de la anchura de la sección de reborde total, medida perpendicularmente al eje horizontal de la sección de reborde, es alrededor de dos a alrededor de diez veces el tamaño de la dimensión de la anchura medida perpendicularmente al eje horizontal de la sección de alma.

Otros perfiles estructurales eficientes de acuerdo con la presente invención incluyen tableros conformados machihembrados que forman ensamblajes entrelazados. Se ha descubierto que los ensamblajes entrelazados reducen el grosor de tablero requerido debido a la manera en la que el ensamblaje distribuye las cargas entre los tableros entrelazados. Esto representa también un ahorro significativo en costes en términos de uso de material sin sacrificar las propiedades mecánicas, obteniéndose también ahorros adicionales de costes a través de las técnicas de construcción modular que permiten estos perfiles.

Por lo tanto,... [Seguir leyendo]

1. Un material compuesto estructural de plástico modular que comprende una sección de alma dispuesta a lo largo de un eje horizontal y al menos una sección de reborde dispuesta a lo largo de un eje horizontal paralelo a aquél y moldeado integralmente para engranar con la superficie superior o inferior de dicha sección de alma, en el que:

la dimensión vertical (grosor) de la sección de reborde es la décima parte a la mitad del tamaño de la dimensión vertical de la sección de alma sin ninguna sección o secciones de reborde, y la anchura de la sección o secciones de reborde medida perpendicularmente al eje horizontal de la sección de reborde es dos a diez veces el tamaño de la dimensión de la anchura de la sección de alma medida perpendicularmente al eje horizontal de la sección de alma; y

dicho material compuesto está formado a partir de (A) una mezcla de polímero inmiscible co-continua de una poliolfeina de alta densidad y (B) un material de fibra recubierto de termoplástico.

2. El material compuesto de plástico modular de la reivindicación 1, caracterizado por ser una viga en I, una viga en C o una viga en T.

3. Un material compuesto estructural de plástico modular esencialmente plano que comprende un lado ranurado y un lado en forma de espiga moldeado integralmente, siendo cada lado perpendicular al plano del material compuesto, en el cual el material compuesto está formado por una mezcla co-continua inmiscible de polímeros de una poliolefina de alta densidad y un material de fibra recubierto de termoplástico; en el que el lado ranurado define una ranura y el lado en forma de espiga está dimensionado para engranar de modo entrelazado con una ranura que tiene las dimensiones de la ranura definidas por el lado ranurado, y el lado ranurado y el lado en forma de espiga están dimensionados de tal manera que una pluralidad de los materiales compuestos estructurales de plástico modular esencialmente planos pueden estar ensamblados de modo entrelazado para distribuir una carga recibida por un miembro del ensamblaje entre otros miembros del ensamblaje.

4. El material compuesto de plástico modular plano de la reivindicación 3, que comprende al menos un par de lados paralelos opuestos ranurados y en forma de espiga, que definen entre ellos una dimensión de anchura o longitud del material compuesto.

5. El material compuesto de plástico modular plano de la reivindicación 4, en el que dicha dimensión de anchura tiene entre dos y diez veces el tamaño de la dimensión de altura del material compuesto.

6. El material compuesto estructural de plástico modular de la reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha poliolefina de alta densidad es polietileno de alta densidad (HDPE).

7. El material compuesto de plástico modular de la reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho material de fibra recubierto de termoplástico es una fibra de carbono o de vidrio recubierta de termoplástico.

8. El material compuesto de plástico modular de la reivindicaciones 1 a 7, en el que dicho material compuesto comprende de 20 a 90% en peso de un componente polímero que tiene al menos 80% en peso de HDPE y de 10 a 80% en peso de fibras recubiertas de termoplástico.

9. El material compuesto de plástico modular de la reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por exhibir un módulo de compresión de al menos 2,41 x 109 Pa (350.000) y una resistencia a la compresión de al menos 27,6 x 106 Pa (4000 psi).

10. Un puente construido a partir de las vigas en I de la reivindicación 2, que comprende una pluralidad de filas paralelas soportadas por pilares de primeras vigas en I mayores, y una pluralidad de segundas vigas en I más pequeñas dispuestas paralelamente entre sí y sujetas perpendicularmente a y entre las filas adyacentes de las primeras vigas en I mayores, en el que las superficies superior e inferior de los segundos rebordes de las vigas en I están dimensionadas para encajar dentro de la abertura definida por los rebordes superior e inferior de las primeras vigas en I.

11. Un puente de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende adicionalmente una superficie de tablero sujeta a las primeras o segundas vigas en I.

12. Un puente de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dicha superficie de tablero está dimensionada para ajustarse entre los rebordes superiores de las filas paralelas de las primeras vigas en I, y dicha superficie de tablero tiene una dimensión de grosor seleccionada para proporcionar a la superficie de tablero una superficie superior que está nivelada esencialmente con las superficies superiores de las filas paralelas de las primeras vigas en I.

13. Un puente de acuerdo con la reivindicación 11 o reivindicación 12, en el que dicha superficie de tablero está formada por una pluralidad de paneles estructurales de material compuesto de plástico modular esencialmente planos que comprenden un lado ranurado y un lado en forma de espiga moldeado integralmente paralelo al lado ranurado, siendo cada lado perpendicular al plano del panel de material compuesto y a la dirección de recorrido, en el que cada panel de material compuesto está formado por una mezcla co-continua inmiscible de polímeros de poliolefina de alta densidad y un material de fibra recubierto de termoplástico; y para cada panel de material

compuesto, el lado ranurado define una ranura, y el lado en forma de espiga está dimensionado para engranar de modo entrelazado con una ranura que tiene las dimensiones de la ranura definida por el lado ranurado, de tal modo que dicha pluralidad de paneles de material compuesto forman un ensamblaje entrelazado en el cual los paneles adyacentes están unidos de modo machihembrado; y el lado ranurado y el lado en forma de espiga de cada panel están dimensionados de tal manera que una pluralidad de materiales compuestos estructurales de plástico modular esencialmente planos se ensamblan de modo entrelazado para distribuir una carga recibida por un miembro del ensamblaje entre otros miembros de ensamblaje.