Composición de hormigón de ultra-altas prestaciones resistentes al fuego.

Utilización de fibras orgánicas que presentan una temperatura de fusión inferior a 300ºC,

una longitud media l superior a 1 mm y un diámetro Ø de 200 m como máximo, en un hormigón de altas prestaciones para mejorar la resistencia al fuego del hormigón, siendo la cantidad de fibras orgánicas tal que su volumen se encuentra comprendido entre el 0, 1 y el 3% del volumen del hormigón después del fraguado y presentando el hormigón una resistencia característica a la compresión a los 28 días de por lo menos 120 MPa, una resistencia característica a la flexión de por lo menos 20 MPa y un valor de esparcido en estado no endurecido de por lo menos 150 mm, siendo estos valores proporcionados para un hormigón almacenado y mantenido a 20ºC, estando dicho hormigón constituido por una matriz cementítica endurecida en la que están dispersadas unas fibras metálicas, que provienen de la mezcla con agua de una composición que comprende, además de las fibras: (a) cemento; (b) unos elementos granulares que presentan un tamaño de grano D90 de 10 m como máximo; (c) unos elementos de reacción puzolánica que presentan un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0, 1 y 100 m; (d) por lo menos un agente dispersante.

Composición de hormigón de ultra-altas prestaciones resistente al fuego.

La presente invención se refiere al campo de los hormigones, más particularmente al campo de los hormigones con fibras. En particular, la presente invención prevé obtener, para un hormigón de ultra-altas prestaciones que permite en particular fabricar elementos estructurales destinados a la construcción de edificios y de creaciones artísticas, una alta resistencia al fuego asociada a una reología controlable y prestaciones mecánicas elevadas. Asimismo, la invención tiene por objeto un hormigón mejorado y que presente propiedades anti-incendio superiores a las propiedades de los elementos de la técnica anterior.

Los hormigones dúctiles denominados hormigones de "ultra-altas prestaciones" se utilizan en particular para la construcción de elementos de hormigón pretensados o no que requieren propiedades mecánicas superiores, en particular una alta resistencia a la compresión. Estos hormigones presentan una alta resistencia a la flexión, típicamente de por lo menos 20 MPa, y una resistencia a la compresión a los 28 días de por lo menos 120 MPa, un módulo de elasticidad a los 28 días superior a 45 GPa, proporcionándose estos valores para un hormigón conservado y mantenido a una temperatura de 20ºC.

Para mejorar las características mecánicas de estos hormigones se han postulado varias soluciones.

Así, el documento WO 95/01316 propone la incorporación de fibras metálicas en una cantidad controlada y con dimensiones seleccionadas en proporciones determinadas con respecto a las dimensiones de los elementos granulados que constituyen la matriz del hormigón.

El documento WO 99/28267 tiene también por objeto hormigones de ultra-altas prestaciones que contienen fibras metálicas. Para mejorar la resistencia mecánica de los hormigones, en particular su comportamiento tanto con respecto a la aparición de microfisuras como a la propagación de macrofisuras, este documento propone la incorporación en la matriz de cemento de elementos que mejoran la tenacidad, seleccionados entre los elementos aciculares o plaquitas que presentan un tamaño medio de como máximo 1 mm.

Los elementos aciculares mencionados son fibras minerales tales como la wollastonita, la bauxita, la mulita, el titanato de potasio, el carburo de silicio, el carbonato de calcio y la hidroxiapatita, o fibras orgánicas derivadas de la celulosa, pudiendo presentar eventualmente estas fibras un revestimiento de superficie de un compuesto orgánico polímero.

El documento WO 99/58468 tiene por objeto hormigones de ultra-altas prestaciones que contienen fibras orgánicas tales como fibras de refuerzo con el fin de mejorar la ductilidad de estos hormigones. En esta solicitud, se contemplan también hormigones de ultra-altas prestaciones en los que está sustituida una parte de las fibras orgánicas por fibras metálicas. Se describe también que las fibras orgánicas modifican el comportamiento del hormigón ante el fuego.

Los hormigones de altas prestaciones descritos anteriormente, debido a sus propiedades mecánicas muestran sin embargo una resistencia insuficiente al fuego, que se traduce en un desconchado de las estructuras expuestas al fuego y que puede originar incluso la explosión de estas estructuras debido a la presión del vapor de agua fijada físicamente y químicamente por los constituyentes de la matriz, bajo la acción del calor.

La patente de EE.UU. 5.749.961 propone mejorar la propiedad de resistencia al fuego de composiciones para hormigones de altas prestaciones sin fibras que presentan resistencias a la compresión del orden 90 a 105 MPa mediante la adición en estas composiciones de una combinación de sílice precipitada y de fibras capaces de formar por disolución, ablandamiento, descomposición, encogimiento o fusión, una red de poros capilares de un diámetro de por lo menos 10 μm y de una longitud de por lo menos 5 mm. Sin embargo, uno de los medios mencionados en esta patente y ampliamente practicado en los hormigones refractarios que consiste en la introducción de fibras orgánicas en el hormigón, disminuye de forma importante por una parte, las resistencias mecánicas del hormigón endurecido, puesto que las fibras introducen un volumen de elasticidad menor que el de la matriz. Por otra parte, las propiedades reológicas del hormigón en estado fresco se encuentran seriamente reducidas por la presencia de las fibras orgánicas en la composición, y se caracterizan por un esparcido insuficiente.

Por consiguiente, resulta difícil concebir la aplicación de tales soluciones a hormigones dúctiles de ultra-altas prestaciones tales como los descritos en las solicitudes de patente WO 99/28267 y WO 99/58468, que preconizan ya volúmenes de fibras del orden de 2%.

Es importante poder disponer de composiciones para hormigones de ultra-altas prestaciones que presenten una reología comprendida entre un comportamiento plástico y un comportamiento fluido. Tales hormigones presentan convencionalmente un valor de esparcido de por lo menos 150 mm, siendo el valor de esparcido medido por la técnica de la mesa de sacudidas, técnica normalizada utilizada en general para los morteros.

Sin embargo, hasta ahora, tales composiciones de hormigón adolecen del inconveniente de presentar una mediocre resistencia al fuego.

Hasta el presente, los intentos para mejorar las propiedades mecánicas de hormigones de ultra-altas prestaciones han mostrado efectos nefastos sobre la resistencia al fuego. A la inversa, las soluciones propuestas para mejorar la resistencia al fuego de los hormigones tienen el efecto en general de disminuir las propiedades mecánicas y/o reológicas de estos hormigones en estado no endurecido.

Por consiguiente, no existe una solución satisfactoria para el problema de la resistencia al fuego de los hormigones de ultra-altas prestaciones que contienen fibras compatibles con las propiedades deseadas para estos hormigones, a saber una resistencia elevada a la tracción/flexión, una resistencia elevada a la compresión y una reología del hormigón en estado no endurecido que pueden estar comprendidas entre un comportamiento plástico y un comportamiento fluido.

El objeto de la presente invención es un hormigón de ultra-altas prestaciones que contiene fibras metálicas de refuerzo, que posee propiedades por lo menos equivalentes a las de los hormigones similares de la técnica anterior, presentando una reología del hormigón en estado no endurecido comprendida entre un comportamiento plástico y un comportamiento fluido, y una buena resistencia al fuego.

Este objeto se alcanza gracias a la presente invención que consiste en la utilización de fibras orgánicas que presentan una temperatura de fusión inferior a 200ºC, una longitud media f1 superior a 1 mm, y un diámetro Ø de cómo máximo 200 μm, en un hormigón de ultra-altas prestaciones con el objeto de mejorar la resistencia al fuego del hormigón, siendo la cantidad de fibras orgánicas tal que su volumen se encuentra comprendido entre 0, 1 y menos de 1% % del volumen del hormigón después de fraguado y presentando el hormigón una resistencia característica a la compresión a los 28 días de por lo menos 120 MPa, una resistencia característica a la flexión de por lo menos 20 MPa, y un valor de esparcido en estado no endurecido de por lo menos 150 mm, proporcionándose estos valores para un hormigón conservado y mantenido a 20ºC, estando dicho hormigón constituido por una matriz de cemento endurecida en la que están dispersadas fibras metálicas, que provienen de la mezcla con agua de una composición que comprende además de las fibras:

(a) cemento;

(b) elementos granulares que presentan un tamaño de grano D90 de como máximo 10 mm;

(c) elementos de reacción puzolánica que presentan un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0, 1 y 100 μm;

(d) por lo menos un agente dispersante;

y que cumple las siguientes condiciones:

(1) el porcentaje en peso del agua con respecto al peso acumulado del cemento (a) y de los elementos (c) está en el intervalo 8-24 %;

(2) las fibras metálicas presentan una longitud media f1 de por lo menos 2 mm, y una relación f1 /Ø1, siendo Ø1 el diámetro de las fibras, de por lo menos 20, ;

(3) la proporción V1/V, entre el volumen V1 de las fibras metálicas y el volumen V de las fibras orgánicas es superior a 1, y la proporción f1/f , entre la longitud de las fibras metálicas y la longitud de las fibras orgánicas es superior a 1;

(4) la proporción R entre la longitud media f1 de las fibras metálicas y el tamaño D90 de los elementos granulares es por lo menos 3, preferentemente por lo menos... [Seguir leyendo]

1. Utilización de fibras orgánicas que presentan una temperatura de fusión inferior a 200ºC, una longitud media f superior a 1 mm y un diámetro Ø de como máximo 200 μm, en un hormigón de ultra-altas prestaciones para mejorar la resistencia al fuego del hormigón, siendo la cantidad de fibras orgánicas tal que su volumen se encuentra comprendido entre el 0, 1 y menos de 1% del volumen del hormigón después del fraguado y presentando el hormigón una resistencia característica a la compresión a los 28 días de por lo menos 120 MPa, una resistencia característica a la flexión de por lo menos 20 MPa y un valor de esparcido en estado no endurecido de por lo menos 150 mm, siendo estos valores proporcionados para un hormigón conservado y mantenido a 20ºC, estando dicho hormigón constituido por una matriz de cemento endurecida en la que están dispersadas fibras metálicas, que provienen de la mezcla con agua de una composición que comprende, además de las fibras:

(a) cemento;

(b) elementos granulares que presentan un tamaño de grano D90 de como máximo 10 mm;

(c) elementos de reacción puzolánica que presentan un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0, 1 y 100 μm;

(d) por lo menos un agente dispersante;

y que cumple las siguientes condiciones:

(1) el porcentaje en peso del agua con respecto al peso acumulado del cemento (a) y de los elementos (c) está comprendido en el intervalo de 8-24%;

(2) las fibras metálicas presentan una longitud media f1 de por lo menos 2 mm, y una relación f1/Ø1, siendo Ø1 el diámetro de las fibras, de por lo menos 20;

(3) la proporción V1/V, entre el volumen V1 de las fibras metálicas y el volumen V de las fibras orgánicas es superior a 1, y la proporción f1/f entre la longitud de las fibras metálicas y la longitud de las fibras orgánicas es superior a 1;

(4) la proporción R entre la longitud media f1 de las fibras metálicas y el tamaño D90 de los elementos granulares es por lo menos 3;

(5) la cantidad de fibras metálicas es tal que su volumen es inferior a 4% del volumen del hormigón después del fraguado.

2. Utilización según la reivindicación 1, caracterizada porque el hormigón comprende además elementos de refuerzo capaces de mejorar la tenacidad de la matriz, seleccionados entre elementos aciculares o plaquitas que presentan un tamaño medio de como máximo 1 mm, y que están presentes en una proporción en volumen inferior al 35% del volumen acumulado de los elementos granulares (b) y de los elementos de reacción puzolánica (c) .

3. Utilización según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la relación f/Ø de las fibras orgánicas está comprendida entre 20 y 500.

4. Utilización según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque las fibras orgánicas presentan una longitud f superior a 1, 5 mm y como máximo igual a 12 mm.

5. Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las fibras orgánicas presentan un diámetro inferior a 80 μm.

6. Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la relación V1/V entre las fibras metálicas y las fibras orgánicas es por lo menos 2.

7. Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las fibras orgánicas consisten en un homopolímero o copolímero seleccionados entre los grupos de poli (cloruro de vinilo) , polietileno, polipropileno, solos o en mezcla.

8. Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las fibras orgánicas son fibras de polipropileno.

9. Utilización según la reivindicación 8, en la cual las fibras de polipropileno tienen una longitud de 6 mm y un diámetro de 18 μm.

10. Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las fibras metálicas son fibras de acero.

11. Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las fibras metálicas presentan una longitud comprendida en el intervalo de 5 a 30 mm.

12. Utilización según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el tamaño de granos D75 de los elementos granulares (b) es como máximo 6 mm.

13. Hormigón de ultra-altas prestaciones resistente al fuego y que presenta una resistencia característica a la compresión a 28 días de por lo menos 120 MPa, una resistencia característica a la flexión de por lo menos 20 MPa, y un valor de esparcido en estado no endurecido de por lo menos 150 mm, proporcionándose estos valores para un hormigón conservado y mantenido a 20ºC; estando dicho hormigón constituido por una matriz de cemento endurecida en la que están dispersadas fibras metálicas, que provienen de la mezcla con agua de una composición que comprende además de las fibras:

(a) cemento;

(b) elementos granulares que tienen un tamaño de grano D90 de 10 mm como máximo;

(c) elementos de reacción puzolánica que tienen un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0, 1 y 100 μm;

(d) por lo menos un agente dispersante;

(e) fibras orgánicas,

y que cumple las siguientes condiciones:

(1) el porcentaje en peso del agua con respecto al peso acumulado del cemento (a) y de los elementos (c) está comprendido en el intervalo de 8-24%;

(2) las fibras metálicas presentan una longitud media f1 de por lo menos 2 mm, y una relación f1/Ø1, siendo Ø1 el diámetro de las fibras, de por lo menos 20;

(3) las fibras orgánicas presentan una temperatura de fusión inferior a 200ºC, una longitud media f superior a 1 mm y un diámetro Ø de como máximo 200 μm;

(4) la proporción V1/V, entre el volumen V1 de las fibras metálicas y el volumen V de las fibras orgánicas es superior a 1, y la proporción f1/f, entre la longitud de las fibras metálicas y la longitud de las fibras orgánicas es superior a 1;

(5) la proporción R entre la longitud media f1 de las fibras metálicas y el tamaño D90 de los elementos granulares es por lo menos 3;

(6) la cantidad de fibras metálicas es tal que su volumen es inferior a 4% del volumen del hormigón después del fraguado;

(7) la cantidad de fibras orgánicas es tal que su volumen se encuentra comprendido entre 0, 1 y menos de 1% del volumen del hormigón después del fraguado.

14. Hormigón según la reivindicación 13, caracterizado porque las fibras orgánicas presentan un diámetro inferior a 80 μm.

15. Hormigón según una de las reivindicaciones 13 a 14, en el que la relación f/Ø de las fibras orgánicas está comprendida entre 20 y 500.

16. Hormigón según una de las reivindicaciones precedentes 13 a 15, en el que la proporción en volumen V1/V entre las fibras metálicas y las fibras orgánicas es por lo menos 2.

17. Hormigón según una de las reivindicaciones 13 a 16, en el que las fibras orgánicas presentan una longitud de como máximo igual a 12 mm.

18. Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones precedentes 13 a 17, caracterizado porque las fibras orgánicas son fibras de polipropileno que tienen una longitud inferior a 10 mm.

19. Hormigón según la reivindicación 18, en el que las fibras de polipropileno presentan una longitud de aproximadamente 6 mm y un diámetro de 18 μm.

20. Hormigón según una de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizado porque las fibras metálicas son fibras de acero.

21. Hormigón según una de las reivindicaciones 13 a 20, caracterizado porque las fibras metálicas tienen una longitud comprendida en el intervalo de 5 a 30 mm.

22. Hormigón según una de las reivindicaciones precedentes 13 a 21, caracterizado porque comprende además elementos de refuerzo capaces de mejorar la tenacidad de la matriz seleccionados entre los elementos aciculares o plaquitas que presentan un tamaño medio de como máximo 1 mm, y que están presentes en una proporción en volumen inferior al 35% del volumen acumulado de los elementos granulares (b) y de los elementos de reacción puzolánica (c) .

23. Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones precedentes 13 a 22, caracterizado porque los elementos de refuerzo presentan un tamaño medio de como máximo 500 μm y están presentes en una proporción en volumen comprendida en el intervalo de 5% a 25% del volumen acumulado de los elementos granulares (b) y de los elementos de reacción puzolánica (c) .

24. Hormigón según una de las reivindicaciones precedentes 13 a 23, caracterizado porque los elementos de refuerzo son fibras de wollastonita.

25. Hormigón según una de las reivindicaciones precedentes 13 a 23, caracterizado porque los elementos de refuerzo son plaquitas de mica.

26. Hormigón según una de las reivindicaciones precedentes 13 a 25, caracterizado porque el tamaño de granos D75 de los elementos granulares (b) es como máximo 6 mm.

27. Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones precedentes 13 a 26, caracterizado porque está pretensado en pretensión.

28. Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 26, caracterizado porque está pretensado en postensión.

29. Procedimiento para la preparación de un hormigón definido según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 28,

que comprende el mezclado de cemento, elementos granulares que presentan un tamaño de grano D90 de como máximo 10 mm; elementos de reacción puzolánica que presentan un tamaño de partículas elementales comprendido entre 0, 1 y 100 μm; por lo menos un agente dispersante; y fibras orgánicas, con la cantidad adecuada de agua, procedimiento en el que las fibras se introducen en la mezcla antes de la adición de agua.