ES2242539B1 - Aditivo fibroso para materiales de construccion. - Google Patents
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Abstract
Aditivo fibroso para materiales de construcción, cuyo aditivo es de aplicación en distintos materiales compuestos utilizados en la construcción, de forma que el aditivo fibroso comprende fibras de polietilén tereftalato de sección circular con diámetros comprendidos entre 10 y 50 mm y una longitud comprendida entre 3 y 60 mm., conteniendo entre 20 y 100 grupos carboxilos terminales.
Description
Aditivo fibroso para materiales de
construcción.
La siguiente invención, según se expresa en el
enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un
aditivo para materiales de construcción, el cual es de aplicación
para ser usado como aditivo en distintos materiales de construcción
como son morteros, hormigones, escayolas y asfaltos, de forma que
el mismo actúa como refuerzo de mezclas cementicias y como
estabilizador y reforzante de mezclas asfálticas.
Así, el aditivo fibroso está basado en una fibra
sintética de polietilén tereftalato con características de
dispersión, adherencia y resistencia a la alcalinidad mejoradas, y,
supone un método alternativo para el refuerzo de mezclas
cementicias y asfálticas.
En la presente invención se describe un aditivo
fibroso para materiales de construcción, el cual es de aplicación
para ser usado como aditivo en distintos materiales compuestos
utilizados en la construcción como son morteros, hormigones,
escayolas y asfaltos.
Se describe el estado de la técnica para las
diferentes matrices susceptibles de ser aditivadas con la fibra
objeto de la presente invención.
Es conocido por la técnica que el mortero, el
hormigón y la escayola son materiales de naturaleza frágil, con
bajas resistencias a la tracción en comparación con su resistencia
a compresión, y que, por tanto, necesitan de un refuerzo que tenga
la función de evitar la formación de grietas que puedan debilitar
el material compuesto, actuando también como elemento de unión en
el caso de que se formen grietas.
En este sentido, en la fabricación de hormigón
se han utilizado diferentes tipos de fibras como refuerzo.
Así, tras la prohibición de las fibras de
amianto por razones de salubridad en el trabajo, las fibras más
comúnmente utilizadas son las fibras de vidrio, las fibras de
carbono, las fibras de acero y las fibras sintéticas,
principalmente, las de polipropileno.
De esta forma, a continuación se describe el
estado de la técnica conocido para las fibras sintéticas, por ser
la familia en la que se encuadra la fibra de polietilén tereftalato
objeto de la presente invención.
Estas fibras se utilizan, fundamentalmente, con
dos objetivos, uno como refuerzo convencional, para lo que se
utilizan altas dosificaciones de fibra, generalmente, comprendidas
entre el 0,1 y el 1% en peso, y otro como refuerzo secundario, para
lo que se emplean dosificaciones inferiores.
Por otra parte, se entiende por refuerzo
convencional el refuerzo proporcionado por las fibras para aumentar
considerablemente la resistencia a la tracción, a la flexotracción
y la resistencia al impacto de los hormigones.
Por refuerzo secundario se entiende el refuerzo
frente a la generación y propagación de las fisuras y microfisuras
que se producen durante el fraguado y los estados iniciales de
curado del hormigón. Esta fisuración está generada, principalmente,
por el cambio de volumen causado por el fenómeno químico de
hidratación del cemento y por la pérdida de humedad debida a la
evaporación de agua de la superficie del hormigón en estado
plástico. Las fibras actúan evitando la generación y propagación de
tensiones que puedan evolucionar hacia microgrietas y grietas de
mayor tamaño.
En la capacidad de refuerzo de las fibras, ya
sea refuerzo convencional o secundario, influyen de manera decisiva
los siguientes parámetros:
A) Dispersión: las fibras deben estar
homogéneamente distribuidas a lo largo de la matriz. Para conseguir
esto, las fibras deben ser compatibles y completamente dispersables
en los medies acuosos propios del hormigón en estado fresco.
B) Adherencia: se trata de la cohesión
entre las distintas fases, la fibra y la matriz en este caso, y
tiene dos componentes:
- B1.
- Adherencia específica, producida por las fuerzas moleculares e intermoleculares establecidas en la interfase fibra-matriz.
- B2.
- Adherencia mecánica, producida por rozamientos. Esta adhesión de tipo mecánico depende de la estructura superficial de las fibras.
Es evidente que cuanto mejor sea la adherencia
de las fibras a la matriz más eficiente será la transmisión de
tensiones desde la matriz a la fibra, y, consecuentemente, más
eficaz será la función de refuerzo ejercida por las
fibras.
fibras.
Con el objetivo de mejorar la dispersión y
adherencia de las fibras, se han desarrollado distintos tipos de
fibras. Así, la patente americana US 6,503,625 describe una fibra
sintética o mezcla de distintas fibras con secciones superiores a
0,0025 mm^{2} que presenta una serie de deformaciones
superficiales macroscópicas y microscópicas provocadas por un
aplastamiento mecánico. Mediante estas deformaciones superficiales
es posible conseguir una mejor adherencia de tipo mecánico a la
matriz.
Sin embargo, la dispersión de estas fibras se ve
desfavorecida por estas mismas deformaciones, que propician el
enmarañamiento de las fibras.
Además, estas modificaciones pueden afectar a
las propiedades mecánicas de las fibras como la resistencia a la
tracción y el módulo de Young, de manera que las fibras pierdan
parte de su capacidad de refuerzo.
Otro tipo de modificaciones descritas en la
bibliografía consisten en variaciones en la sección de las fibras.
En este sentido, la patente WO 02088439 reivindica una fibra
sintética, preferentemente de polipropileno con secciones
rectangulares y superiores a 0,1 mm^{2}. Según esta patente, las
secciones rectangulares permiten mejores dispersiones. Sin embargo,
mediante secciones tan altas, no es posible conseguir un refuerzo
secundario eficiente, para el que se requieren fibras más finas que
permitan obtener mayores superficies específicas por unidad de
peso.
Con idéntico objetivo, la patente EP 235577
describe unos aglomerados de fibra, de tipo acrílico, dispersables
en matrices orgánicas e inorgánicas. Estas fibras, con diámetros
menores a 50 \mum y longitudes superiores a 3 mm están unidas por
un agente cohesionante que se disuelve en la matriz a reforzar. Sin
embargo, la disolución de estos agentes no siempre es la adecuada y
siguen quedando haces de fibra sin dispersar.
El gran aumento de tráfico de vehículos pesados
y la demanda de pavimentos asfálticos con mejores propiedades en
cuanto a durabilidad, textura y sonoridad ha provocado el
desarrollo de nuevas técnicas para la construcción de carreteras y
la mejora de las mismas.
En la técnica de las mezclas asfálticas para la
construcción y mantenimiento de carreteras, es conocido que el uso
de aditivos fibrosos puede evitar los problemas de segregación y
drenaje del betún de las diferentes mezclas durante los procesos de
preparación, transporte y extendido de las mismas.
Las fibras más comúnmente utilizadas para este
fin son las fibras celulósicas, como, por ejemplo, la fibra Arbocel,
que se emplea generalmente en forma de pellets. La principal
función de las fibras celulósicas es la de actuar como
"soporte" de betún en mezclas que requieren altos contenidos
del mismo. El mayor contenido en betún mejora el comportamiento de
fatiga del asfalto, es decir, prolonga su vida de servicio.
Se conoce también el uso de otros tipos de
fibras, utilizadas con idéntico objetivo; y así, la patente
americana US 5,897,950 describe una fibra procedente de residuos de
poliéster triturados con longitudes comprendidas entre 0,25 y 0,7
mm.
Se han utilizado también fibras sintéticas en la
preparación de determinados tipos de mezclas asfálticas como las
fibras acrílicas, tal y como describe la patente francesa FR
2676436, que reivindica una composición asfáltica para su uso en
capas intermedias con un contenido del 6 al 15% en betún blando y
un porcentaje de fibras acrílicas entre un 0,2 y un 2%.
En la presente memoria se describe un aditivo
fibroso para materiales de construcción, cuyo aditivo es de
aplicación en distintos materiales compuestos utilizados en la
construcción, de forma que el aditivo fibroso comprende fibras de
polietilén tereftalato de sección circular con diámetros
comprendidos entre 10 y 50 \mum y una longitud comprendida entre
3 y 60 mm., conteniendo entre 20 y 100 grupos carboxilos
terminales, favoreciendo la dispersión y adherencia en las mezclas
de materiales para construcción.
Por otra parte, las fibras de polietilén
tereftalato presentan una resistencia a la tracción comprendida
entre 200 y 1000 MPa y por un módulo de Young comprendido entre 3 y
15 GPa.
Las fibras de polietilén tereftalato presentan
una resistencia a la alcalinidad mejorada, al presentar el polímero
constituyente de las fibras un aumento de la cristalinidad, al haber
introducido un agente nucleante consistente en una sal, orgánica o
inorgánica, preferiblemente, una sal de un ácido carboxílico de
cadena lineal, en la etapa de polimerización o de extrusión que
favorece la formación y desarrollo de las fases cristalinas, lo que
no se había conseguido con otros métodos.
Además, las fibras de polietilén tereftalato son
tratadas con un agente humectante, ensimaje o spin finish
consistente en derivados de poliglicoles, ésteres o tensoactivo de
cualquier tipo para favorecer esta resistencia a medios alcalinos
así como la dispersión y adherencia a la matriz.
Por otro lado, las fibras de polietilén
tereftalato pueden presentar un contenido en antimonio inferior a
0,03 ppm. y/o un contenido en metales pesados nulo, al utilizar
catalizadores especiales durante el proceso de polimerización.
Asimismo, las fibras de polietilén tereftalato
pueden ser mezcladas, en diferentes proporciones, con otras fibras
sintéticas como poliamidas, polipropileno o acrílicas.
El aditivo fibroso, basado en fibras de
polietilén tereftalato, es de uso en mezclas cementicias, como
hormigones y morteros, en una proporción de 0,01 al 1% basado en el
peso total de la mezcla (cemento, áridos, agua y otros
aditivos).
Igualmente, el aditivo fibroso, basado en fibras
de polietilén tereftalato, es de uso en mezclas asfálticas para la
construcción de pavimentos y carreteras, en una proporción de 0,1 y
1% basado en el peso total de la mezcla (betún, áridos y otros
aditivos).
Por otra parte, las fibras de polietilén
tereftalato pueden ser empaquetadas en bolsas, embalajes
hidrosolubles o de cualquier otro tipo, en orden a facilitar su
dosificación en las matrices (mezclas) cementicias.
Para cumplimentar la descripción que
seguidamente se va a realizar, y con objeto de ayudar a la
comprensión de las características de la invención, se acompaña a
la presente memoria de un juego de planos en cuyas figuras, de
forma ilustrativa y no limitativa, se representan las detalles más
característicos de la invención.
Figura 1. Muestra una gráfica relativa a la
resistencia a la deformación plástica de una mezcla bituminosa
conteniendo la fibra de la invención frente a otras dos mezclas
bituminosas que no contienen la fibra.
La presente invención se refiere a una fibra de
polietilén tereftalato con características de dispersión,
adherencia y resistencia a la alcalinidad mejoradas, la cual ha sido
desarrollada para su uso como refuerzo de materiales de
construcción, y, más en concreto, de mezclas cementicias y
asfálticas.
Las fibras objeto de la presente invención
poseen unas longitudes comprendidas entre 3 y 60 mm y unas
secciones circulares con diámetros comprendidos entre 10 y 50
\mum. La resistencia a la tracción de las fibras está
comprendida entre 200 y 1000 MPa y el módulo de Young está
comprendido entre 3 y 15 GPa
Las fibras de polietilén tereftalato objeto de
la invención presentan una serie de características que las hacen
idóneas para su combinación con materiales cementicios. Estas
características consisten en:
- \bullet
- Su alta capacidad para establecer interacciones en la interface fibra-matriz cementicia. Esta capacidad está relacionada con la presencia de grupos carboxilos libres (-COO-) en el polímero constituyente de las fibras que permiten el establecimiento de interacciones intermoleculares entre la superficie de las fibras y la matriz cementicia, favoreciendo así la dispersión y adherencia en los medios acuosos propios de estas matrices.
- \bullet
- Su mejorada resistencia a los álcalis presentes en los materiales cementicios. Esta mejora se obtiene a través de varias vías en el proceso de fabricación de la fibra. Estas vías son el aumento de la cristalinidad del polímero y la aplicación de coatings en la etapa de estirado.
Las fibras de polietilén tereftalato están
constituidas por regiones cristalinas, semicristalinas y amorfas.
Las regiones amorfas son las más susceptibles a los ataques
alcalinos. Aumentando las regiones cristalinas en el polímero, se
mejora la resistencia a la alcalinidad del poliéster.
El aumento de las regiones cristalinas en el
polímero se consigue a través de ratios de estirado altos
(superiores a 3,5) y mediante la introducción de aditivos
nucleantes, consistentes en sales orgánicas o inorgánicas,
precursores de las regiones cristalinas, que favorecen la formación
de las esferulitas (cristales). Los aditivos nucleantes orgánicos
pueden ser introducidos tanto en la etapa de polimerización como en
la de extrusión, previa a la hilatura. En general, los nucleantes
inorgánicos es preferible introducirlos en la etapa de
polimerización ya que se logra una mejor dispersión de los
mismos.
También se consiguen parte de las propiedades de
resistencia a la alcalinidad mediante el recubrimiento de las
fibras en la etapa de estirado. Estos recubrimientos pueden
consistir en poliglicoles, ésteres, así como cualquier tipo de
tensoactivo para mejorar la estabilidad de las fibras frente a los
álcalis. La aplicación de los mismos se realiza durante el proceso
de estirado de las fibras bien mediante un baño o mediante
pulverización.
- \bullet
- Sus ventajas medioambientales. Un aspecto de la invención comprende las fibras de polietilén tereftalato descritas anteriormente cuando han sido obtenidas por un proceso de polimerización que excluye la utilización de catalizadores con metales pesados y/o antimonio. Así las fibras presentan contenidos inferiores a 0,03 ppm y/o un contenido nulo en metales pesados. Las fibras así preparadas presentan ventajas adicionales relacionadas con el medioambiente.
Por otra parte, la producción de la fibra
descrita consta de dos fases, la producción del polímero y la
producción de la fibra.
El proceso consta de dos etapas, esterificación
y polimerización del monómero.
Etapa
1
Se añade la materia prima, ácido tereftálico
puro y monoetilenglicol, así como un inhibidor de las reacciones
secundarias de formación del dímero de monoetilenglicol (compuesto
de sodio de carácter básico) al reactor. Una vez se ha introducido
en el reactor de esterificación la materia prima se inicia el
proceso de esterificación, aplicando presión y temperatura hasta
alcanzar los parámetros que definen el final de la reacción.
La reacción que ocurre en esta fase es la
siguiente:
2
OH-CH2-CH2-OH +
HOOC-C6H4-COOH \rightarrow
OH-CH2-CH2-OOC-C6H4-COO-CH2-CH2-OH
+ 2
H2O
Una vez finalizada la esterificación, se añade
un protector frente a la degradación térmica que el polímero puede
sufrir en los procesos de obtención de la fibra. Este protector
consiste en un compuesto de fósforo.
Etapa
2
Se añade el catalizador del proceso de
polimerización. Utilizando catalizadores específicos se obtienen
fibras libres de metales pesados y/o antimonio. Una vez adicionado
el catalizador se aplica vacío y temperatura hasta alcanzar los
parámetros que definen el final de la reacción. En este proceso se
controla el grado de polimerización para obtener el número de
grupos carboxilo terminales óptimo, que quedarán libres y con
capacidad para establecer interacciones en la interfase
fibra-matriz. Asimismo, durante esta fase se
introducen los agentes nucleantes que favorecerán el aumento del
grado de cristalinidad en la etapa de estirado. Las reacciones que
ocurren en esta fase son similares a la
siguiente:
siguiente:
2
OH-CH2-CH2-OOC-C6H4-COO-CH2-CH2-OH
\Leftrightarrow
OH-CH2-CH2-OOC-C6H4-COO-CH2-CH2-OOC-C6H4-COO-CH2-CH2-OH
+ OH-CH2-CH2-OH
El proceso consta de tres etapas, hilatura,
estirado y cortado.
Etapa
1
El polímero producido en la fase anterior, se
precristaliza y se seca a temperaturas entre 150 y 200ºC. Una vez
seco, se introduce en un extrusor en el cual se funde con
temperaturas entre 250 y 300ºC. Posteriormente, el polímero se
extruye en forma de capilares a través de una serie de hileras. El
polímero extruído por estas hileras, se somete a un proceso de
enfriamiento y estirado para comenzar a conferirle la cristalinidad
necesaria.
Etapa
2
En este proceso, la fibra adquiere la
cristalinidad y propiedades físicas y tensiles que la caracterizan.
Las relaciones de estirado están comprendidas entre 3,5 y 4,5. Tras
el proceso de estirado, la fibra es tratada con una serie de
coatings que le confieren parte de las propiedades de resistencia a
la alcalinidad. Los coatings consisten en derivados de
poliglicoles, ésteres o cualquier tipo de tensoactivo para
favorecer la dispersión y la adherencia a la matriz y la
estabilidad en medios alcalinos.
Etapa
3
La fibra, una vez seca, pasa a ser cortada. Para
ello se emplean unas ruedas de corte que permiten obtener las
longitudes de fibra apropiadas para cada tipo de matriz. La fibra,
una vez que está cortada, es empaquetada en los distintos formatos
comerciales.
Las fibras así producidas están destinadas a la
preparación de materiales cementicios y asfálticos.
Así, un aspecto de la presente invención se
refiere a un hormigón, mortero o preparado de base cementicia que
tiene distribuidas de manera homogénea cantidades de fibra de
polietilén tereftalato en dosificaciones comprendidas entre 0,01 y
1% en peso, basado en el peso de la mezcla total.
Para la obtención de mezclas destinadas a la
fabricación de hormigones y morteros se añaden las fibras en una
proporción comprendida entre el 0,01 y el 1% al resto de
constituyentes del material (cemento, áridos y otros aditivos).
Esta adición se puede realizar sobre los tipos de mezcladores
habitualmente utilizados para la preparación de estas mezclas como
son, por ejemplo, las hormigoneras de tambor rotativo para la
preparación de mezclas in situ o los
camiones-hormigonera con capacidades superiores
(6-12 m^{3}). Los tiempos de agitación y/o
mezclado no se ven sustancialmente afectados mediante la
introducción de las fibras objeto de la invención.
Gracias a la presencia de grupos carboxilo
libres (-COO-) en la superficie de las fibras y a la aplicación de
coatings específicos, éstas presentan un comportamiento hidrófilo
que permite la adición sobre las mezclas en húmedo, facilitando así
la dosificación y el uso de las mismas, tal y como se ha explicado
anteriormente. Esto no limita el hecho de que las fibras puedan ser
también introducidas "en seco" o mezcladas con los áridos
constituyentes del hormigón que se vaya a preparar, con
anterioridad a la adición de agua.
Las aplicaciones típicas de los materiales
cementicios objeto de la presente invención son pavimentaciones,
elementos prefabricados (por ejemplo tuberías, paneles, dovelas
para túneles), revestimiento de fachadas, etc.
Debido a la variedad de aplicaciones de los
materiales cementicios (hormigones y morteros) objeto de la presente
invención, resulta evidente la gran cantidad de combinaciones
posibles entre los constituyentes de estas mezclas. En este sentido
la presente invención se refiere a un material cementicio, hormigón
o mortero, conteniendo las fibras de polietilén tereftalato en una
proporción de 0,01 al 1% en peso, constituido por cualquier clase de
cemento (Pórtland, puzolánicos, cementos de
magnesia-fosfato, yesos, etc.), cualquier
granulometría de árido y cualquier relación cemento/agua.
Asimismo, el material puede contener aditivos,
incorporados para mejorar el procesado y/o las propiedades finales
del hormigón o mortero (por ejemplo aireantes, fluidificantes,
retardantes o aceleradores del fraguado, estabilizantes, etc.).
Las mejoras que se consiguen en los materiales
basados en cemento, gracias a la correcta dispersión y adhesión de
las fibras de polietilén tereftalato objeto de la presente
invención en estas matrices son principalmente:
- \bullet
- Reducción de la fisuración por retracción plástica y térmica que tiene lugar durante el fraguado y curado de compuestos de naturaleza cementicia. La mejora que proporcionan las fibras radica en su actuación como "relajadores de tensiones" ya que cuando se forma una microgrieta durante los estados iniciales de fraguado y curado del hormigón fresco, ésta va a deformar la fibra en lugar de evolucionar hacia grietas de mayor tamaño. Esta trasmisión de tensiones desde la matriz cementicia a la fibra se ve potenciada por la buena adherencia de las fibras. La reducción en el área fisurada conseguida mediante la adición de las fibras objeto de la presente invención es superior al 70%.
- \bullet
- Aumento de la resistencia a flexotracción del hormigón curado de hasta un 30%.
- \bullet
- Mejora de la tixotropía de las mezclas. Se obtienen materiales más homogéneos en la fase de mezclado, sin que exista segregación de los distintos componentes. Consecuentemente los hormigones presentan mejores acabados.
- \bullet
- Reducción de la permeabilidad, como consecuencia directa de la disminución de la fisuración conseguida mediante la adición de las fibras objeto de la presente invención. Esta disminución de la permeabilidad se traduce en una mejor resistencia a los daños producidos por el hielo y en un aumento de la durabilidad de las estructuras.
Así, la presente invención proporciona ventajas
respecto a las fibras existentes al permitir una mejor dispersión y
adherencia de las fibras en los medios acuosos propios de las
matrices cementicias, sin necesidad de efectuar la modificación
mecánica de la superficie. Esto es posible debido a la presencia de
grupos carboxilos libres en la estructura del polímero
constituyente de las fibras que favorecen el establecimiento de
interacciones intermoleculares en la interfase
fibra-matriz.
Además, las fibras objeto de la presente
invención poseen características mejoradas en cuanto a durabilidad
en matrices cementicias respecto a las fibras de polietilén
tereftalato convencionales que las hacen idóneas para la
fabricación de estos materiales, tal y como se describe en la
presente memoria descriptiva.
Otro aspecto de la presente invención se refiere
a una mezcla asfáltica que tiene distribuidas de manera homogénea
las fibras desarrolladas en cantidades comprendidas entre 0,1 y 1%
en peso.
Para la obtención de las mezclas objeto de la
presente invención, destinadas a la preparación de asfaltos, se
añaden las fibras en una proporción del 0,1 al 1% en peso al resto
de constituyentes del material (betún, áridos y otros aditivos).
Esta adición se puede realizar de forma manual o automática
directamente al mezclador tanto en plantas en continuo como en
plantas de tipo discontinúo, preferiblemente antes de la inyección
del betún y manteniendo el mezclado "en seco" durante 2 ó 3
segundos más del tiempo habitual para conseguir la correcta
distribución de las
fibras.
fibras.
La adición de las fibras también puede
realizarse manual o automáticamente sobre la cinta transportadora
de los áridos que alimenta al mezclador.
El resto del proceso de preparación de la mezcla
asfáltica es el seguido en cada tipo de planta. Los rangos de
temperatura que de forma general se utilizan para la preparación de
mezclas asfálticas (150-200ºC) no afectan a las
propiedades de la fibra objeto de la invención cuyo punto de fusión
es de 250ºC y cuya temperatura de ignición está por encima de los
450ºC.
Debido a la variedad de aplicaciones de los
materiales asfálticos objeto de la presente invención, resulta
evidente la gran cantidad de combinaciones posibles entre los
constituyentes de estas mezclas.
En este sentido la presente invención se refiere
a un material asfáltico, conteniendo las fibras de polietilén
tereftalato en una proporción de 0,1 al 1% en peso, constituido por
cualquier clase de betún (betún normal de los distintos grados de
penetración, por ejemplo 60/70, betunes modificados
poliméricamente, emulsiones asfálticas, etc.) y cualquier
granulometría y tipo de árido (silíceo, calizo, etc.). Asimismo, la
mezcla puede contener aditivos, incorporados para mejorar el
procesado y/o las propiedades finales del asfalto.
En este contexto, por mezcla asfáltica se
entiende la mezcla de betún, árido y fillers y otros aditivos. Por
betún se entiende el material aglomerante constituido por una
mezcla de hidrocarburos de origen natural o pirogénico, o de ambos
tipos que pueden ser líquidos, semisólidos y sólidos, que se licúan
gradualmente al calentarse y que son solubles en sulfuro de
carbono.
Las mejoras que se consiguen en los materiales
basados en asfalto, gracias a la incorporación de las fibras objeto
de la invención son las siguientes:
- \bullet
- Disminución de la disgregación y aumento de la cohesividad de las mezclas.
- \bullet
- Mejora de las propiedades mecánicas de los firmes (resistencia a la tracción, resistencia a la tracción indirecta, 15 módulo). Las fibras actúan formando un entramado o red que arma la mezcla permitiendo una mejor redistribución de esfuerzos.
- \bullet
- Disminución de los problemas derivados de la segregación del betún durante el transporte de las mezclas.
- \bullet
- Disminución de las deformaciones plásticas provocadas por los efectos abrasivos del tráfico.
- \bullet
- Aumento de la durabilidad, ya que las fibras proporcionan un refuerzo frente a las deformaciones y las fisuraciones, traduciéndose esto en la conservación de sus características en un amplio intervalo de temperaturas.
Estas mejoras permiten la obtención de
carreteras más seguras y con menores costes de mantenimiento.
Todas estas mejoras obtenidas mediante la
adición de fibras hace, que en muchos casos, sea posible la
sustitución del betún modificado poliméricamente por betún normal,
permitiendo un abaratamiento del coste total de la mezcla. Esto no
limita el hecho de que las fibras puedan ser empleadas en mezclas
que contengan betunes modificados.
Las mezclas asfálticas objeto de la presente
invención comprenden un amplio rango de aplicaciones en carreteras.
Así, mediante la adición de las fibras de polietilén tereftalato se
consigue mejorar las propiedades de mezclas de granulometría densa,
de mezclas drenantes y de mezclas de microaglomerados en caliente.
Esto no limita que las fibras puedan utilizarse para mejorar las
características de otros tipos de mezclas.
Así, del estudio de la técnica se observa que se
han propuesto fibras, de composición diferente a las de la presente
invención y que aluden, principalmente, a su utilidad como soporte
de betún, sin tener en cuenta la capacidad de la fibra para mejorar
las prestaciones de los pavimentos asfálticos. La fibra de
polietilén tereftalato objeto de la presente invención proporciona
mejoras en las propiedades mecánicas, de drenaje y de durabilidad
de los pavimentos asfálticos.
La presente invención se ilustra adicionalmente
mediante los siguientes ejemplos que no pretenden en absoluto ser
restrictivos de su alcance:
Para la fabricación de las fibras se llevó a
cabo en primer lugar la fabricación del polímero, para lo que se
utilizó ácido tereftálico puro (BP) y monoetilénglicol
(Sabia). Como inhibidor de las reacciones secundarias se
utilizó NaOH. La esterificación se llevó a cabo bajo las
condiciones de 2,8 bares de presión y 262ºC de temperatura. Durante
la esterificación se añadió TiO_{2} en una concentración de 0,38%.
Posteriormente se llevó a cabo la polimerización bajo las
condiciones de vacío (<13 mbar) y temperatura (292ºC) y
añadiendo el aditivo nucleante Licomont NaV 101. El polímero
así preparado sé extruyó, y tras el secado se cortó en forma de
chips.
Los chips del polímero se fundieron a
temperaturas comprendidas entre 200 y 300ºC y se efectuó el hilado a
temperaturas de 270-290ºC, a través de una hilera de
504 orificios, a una velocidad de estirado de 700 m/min.
Posteriormente se sometió a los filamentos a un baño consistente en
una mezcla del productos Silastol Cut 1 y Silastol Cut 2
(Schill Seilacher). Los filamentos así obtenidos fueron
sometidos a un segundo estiramiento a la temperatura de 180ºC para
lograr el grado de cristalización y las propiedades mecánicas
deseadas y fueron cortados en una rueda de corte a dos longitudes:
6 mm y 18 mm.
Las fibras así fabricadas, presentaban un
diámetro de unos 25 5 \mum, una resistencia a la tracción de 578
Mpa y un módulo de Young de 7,48 GPa (test realizado en dinamómetro
INSTRON según la norma ASTM D 2256-02).
Se llevaron a cabo ensayos de flexión sobre
probetas de hormigón reforzadas con las fibras de polietilén
tereftalato objeto de la presente invención y sobre probetas
testigo para constatar la mejora aportada por las fibras.
Para la preparación del hormigón se utilizó
cemento Pórtland Mixto Gris sin Cr (VI) "Cem
II/B-M(V-LL)32,5N",
grava de la marca TRACE y agua con relaciones cemento: árido de 1:3
y 1:4 y un ratio agua:cemento de 0,6. Las fibras se añadieron en
una proporción de 0,6 Kg/m^{3}.
Para la preparación de la mezcla se utilizó una
hormigonera de tipo rotativo "Betomix" B134 con un volumen de
mezcla de 100 litros, a una velocidad entre 20 y 30 rpm.
Primero se mezclaron el cemento, la grava y el
agua durante 2 minutos, a continuación se añadieron las fibras
fabricadas según el Ejemplo 1 (con una longitud de 18 mm) y se
mantuvo el mezclado durante 2 minutos más.
Tras el mezclado se comprobó que las fibras
estaban homogéneamente distribuidas en el hormigón y que no se daba
enmarañamientos de las mismas.
A continuación se vertió la mezcla sobre moldes
rectangulares de dimensiones 100 x 100 x 350 mm.
Tras el fraguado y curado de las probetas se
llevaron a cabo ensayos de flexión a cuatro puntos. Las distancias
entre los puntos fueron:
- Diámetro de los rodillos y carga de apoyo: 20
mm.
- Distancia entre rodillos de carga: 100 mm.
- Distancia entre rodillos de apoyo: 300 mm.
- Longitud de los cilindros de apoyo y de carga:
120 mm.
En la tabla 1 se muestran los resultados
obtenidos en los ensayos, donde F es la carga de rotura en Newton y
f_{cf} es la tensión de rotura por flexotracción en MPa, calculada
a partir de la siguiente fórmula:
f_{cf} =
\frac{F \cdot l}{d_{1} \cdot
d_{2}^{2}}
donde:
- d_{1} es el lado de la sección de la probeta
paralela a la dirección de llenado (mm);
- d_{2} es el lado de la sección de la probeta
normal a la dirección de llenado (mm), y;
- l es la longitud de la probeta (mm).
\vskip1.000000\baselineskip
El efecto de la introducción de fibras en el
hormigón se muestra en la tabla 1 mediante las tensiones de rotura
medias para cada uno de los tipos de probetas (fm_{cf}),
calculadas como la media de las tensiones obtenidas para cada uno de
los especímenes de un tipo determinado. También aparece la
variación relativa (%) de la tensión de rotura de las probetas
reforzadas frente a las probetas testigo.
Los resultados obtenidos para esta serie de
probetas muestran que al añadir la fibra de polietilén tereftalato
objeto de la invención al hormigón se mejora su tensión última de
rotura. Así, para probetas de hormigón con una relación
cemento:árido de 1:4 y una dosificación de fibra de 0,6 Kg/m^{3}
se consigue un aumento medio de un 30% aproximadamente, mientras
que para esa misma dosificación y una relación 1:3 el aumento es de
un 14%.
La mezcla de hormigón preparada según el Ejemplo
2 se vertió en moldes de dimensiones 600x400x30 mm., con 2 cuñas de
15 mm. de alto colocadas a 115 mm. de los laterales del molde.
El curado del hormigón se llevó a cabo bajo una
corriente de aire caliente que favoreciera la formación de fisuras,
tomando como referencia la norma americana ICBO
AC-32.
Tras el curado se midieron, empleando reglas y
galgas, las superficies fisuradas de los paneles de hormigón
testigo (sin fibra) y de los paneles de hormigón reforzados con 0,6
Kg/m^{3} de la fibra objeto de la invención. Los resultados
mostraron una clara reducción en la fisuración en los paneles de
hormigón reforzados con la fibra de polietilén tereftalato
fabricada según el Ejemplo 1.
Así, la superficie fisurada para la probeta sin
fibra fue de 390 mm^{2} mientras que la superficie fisurada para
la probeta que contenía fibra fue de 95 mm^{2}. Se consiguió, por
tanto, una reducción del área fisurada del 75%.
Se llevó a cabo este test para evaluar la
durabilidad de las fibras en las matrices cementicias.
Se prepararon probetas de hormigón, según el
Ejemplo 2 pero con una dosificación de fibras superior (4,7
Kg/m^{3}), tomando como referencia la norma americana ICBO
AC-32.
Posteriormente, las probetas reforzadas con
fibra y las probetas testigo (sin fibra) se sumergieron en un
tanque con agua saturada en Ca(OH)_{2} a la
temperatura de 50ºC con condiciones controladas de pH y
temperatura.
Se extrajeron probetas del tanque a los 28 días
de envejecimiento acelerado (equivalente a 10 años naturales) y de
56 días (equivalente a años naturales) y se midieron las tensiones
medias de rotura en ensayo a flexión a cuatro puntos.
Los resultados, recogidos en la tabla 2 muestran
una permanencia de las propiedades a flexión del hormigón en las
probetas reforzadas con fibra.
\vskip1.000000\baselineskip
Para confirmar la evidencia de la durabilidad de
las fibras en el hormigón, así como la adherencia de las mismas a
la matriz se estudiaron por microscopía electrónica de barrido
(SEM) fibras extraídas de la superficie de fractura de las
probetas ensayadas a las diferentes edades. Las fibras permanecieron
en buen estado tras el envejecimiento.
El examen de la interfase
fibra-matriz a través de SEM confirmó la correcta
adherencia de las fibras, no observándose huecos atribuibles al
deslizamiento de las fibras, como ocurre con otras fibras de
refuerzo.
Para la realización de la solera con hormigón
reforzado con la fibra de la invención se eligió una zona de paso
de camiones y palas que producen un gran desgaste, de esta manera
se pudo comprobar la evolución del pavimento de manera más rápida y
compararla con los tramos de solera sin fibra adyacente.
Se realizaron dos amasadas, de 8 m^{3} cada
una, en un camión-hormigonera. Se preparó un
hormigón con un contenido en cemento de 300 kg/m^{3} de la marca
"Esfera" con una relación de agua:cemento de 0,6. La
dosificación de la fibra fue de 0,6 kg/m^{3}. Las fibras se
añadieron mediante un embalaje consistente en bolsas hidrosolubles
de 0,6 kg cada una, que permiten una fácil dosificación de las
mismas sobre el camión-hormigonera. La espiral
mezcladora del camión se hizo girar a 15 rpm. durante 3 minutos
después de la adición de la fibra. Posteriormente se vertió la
mezcla sobre el solado previamente allanado y compactado.
Por último se procedió a alisar la superficie
mediante paletas y vibradoras por parte de los operarios.
Se pudo comprobar, en esta prueba piloto a
escala real que la dispersión de la fibra fue homogénea, no
observándose grumos ni enmarañamiento de las fibras. La
trabajabilidad, medida mediante el ensayo del cono invertido (ASTM
C995-94) permaneció dentro de los parámetros
habituales, no requiriéndose cantidades superiores de agua.
Después de tres meses de servicio no se
observaron grietas en la solera que contenía la fibra de la
invención, mientras que en los tramos adyacentes, sin fibra, se
observaron fisuras de diferente magnitud.
Preparación de una mezcla densa de tipo
S-20.
Se preparó una mezcla asfáltica densa
conteniendo la fibra preparada según el Ejemplo 1 (cortada a 6
mm.).
En primer lugar se añadieron los áridos, de
composición silícea y caliza (procedentes de los acopios del
Jarama en Velilla de San Antonio) y la fibra preparada según
el Ejemplo 1 y se realizó un primer mezclado en seco, a la
temperatura de 170ºC de un minuto de duración a efectos de
homogenización y dispersión. Posteriormente se añadió el betún
(Repsol) agitando la mezcla durante 40 segundos hasta
conseguir un mezclado completo y homogéneo. Posteriormente se
añadió el filler y se completó el mezclado durante otros 40
segundos.
La fibra se dispersó de manera homogénea en la
mezcla, no observándose grumos ni enmarañamiento de las fibras.
Para evaluar las mejoras aportadas por la fibra,
se comparó esta mezcla con sus homólogas fabricadas con el mismo
betún y betún modificado. Las mezclas preparadas fueron las que se
detallan en la tabla 3 siguiente:
El porcentaje óptimo de ligante bituminoso se
determinó mediante el ensayo Marshall y resultó de un 5% de betún
sobre árido para las mezclas bituminosas que no contenían fibra y
de un 5,8% para la mezcla bituminosa conteniendo la fibra.
Además, de la capacidad de la fibra según la
invención para actuar como soporte de betún, se evaluó la mejora en
las propiedades mecánicas de los firmes preparados a partir de las
mezclas descritas en la tabla 3 para lo que se llevaron a cabo
distintos ensayos de acuerdo con la normativa NLT. Los resultados
se muestran a continuación:
Para evaluar la disminución en las deformaciones
plásticas de los pavimentos se llevó a cabo el ensayo en pista para
probetas fabricadas con los tres tipos de mezclas descritos, que
constató la mejora en cuanto a la reducción de las bandas de
rodadura provocadas por el tráfico. Este hecho indica una mayor
durabilidad de los firmes reforzados con la fibra objeto de la
presente invención.
En la figura 1 se muestra el resultado de este
ensayo, que muestra cómo con la mezcla 2, conteniendo un betún
convencional 60/70 y un porcentaje del 0,3% en peso de la fibra se
obtienen resultados similares a los obtenidos para las mezclas
conteniendo betún modificado.
La resistencia a compresión de las tres mezclas
bituminosas, según norma NLT-162, se expresan en la
siguiente tabla 4:
donde:
R1: resistencia a compresión de las probetas
sumergidas.
R2: resistencia a compresión de las probetas no
sumergidas.
Índice resistencia contenida: IRC =
100*R1/R2
Estos resultados muestran un buen comportamiento
de la mezcla asfáltica reforzada con fibra a los efectos del
agua.
En la siguiente tabla 5 se puede observar la
resistencia a compresión diametral de las tres muestras bituminosas,
según NLT-346.
Así, las fibras aportan una mejora en la
capacidad de no-distribución de cargas a capas
inferiores.
Se preparó una mezcla bituminosa conteniendo las
fibras de la invención fabricadas según el Ejemplo 1 (con una
longitud de 6 mm) en una planta de tipo continuo, las
características de la mezcla fueron:
- -
- Granulometría del árido: D12
- -
- Tipo de betún: 60/70
- -
- Dosificación de betún: 5,4% en peso total de la mezcla.
- -
- Temperatura de mezclado: 160ºC
- -
- Dosificación fibra: 0,3% en peso total de la mezcla.
Se prepararon unas 50 Tn de mezcla. La
dosificación de la fibra se realizó manualmente sobre la cinta
transportadora de los áridos que alimenta al trómel. En el trómel
se inyectó el betún en un porcentaje del 5,4% en peso sobre la
mezcla total. La mezcla se realizó a una temperatura de 160ºC.
Se descargó la mezcla sobre 2 camiones con
capacidad de 25 Tn de mezcla cada uno que transportaron la mezcla
hasta el lugar de extendido, situado en la localidad de Oliete
(Teruel) a unos 120 Km de la planta donde se preparó la mezcla. No
se observó segregación de los componentes durante el transporte. La
fibra quedó homogéneamente distribuida en la matriz.
La mezcla se extendió sobre una superficie de
unos 700 m^{2} con un espesor de 4 cm, la trabajabilidad de la
mezcla con fibra fue la habitual. No se observaron grumos ni
enmarañamiento de las fibras. Después de 6 meses con condiciones
climatológicas adversas y tráfico pesado no se observan fisuras ni
disgregación en la calzada.
Claims (9)
1. Aditivo fibroso para materiales de
construcción, cuyo aditivo es de aplicación en distintos materiales
compuestos utilizados en la construcción, caracterizado
porque el aditivo fibroso comprende fibras de polietilén
tereftalato de sección circular con diámetros comprendidos entre 10
y 50 \mum y una longitud comprendida entre 3 y 60 mm.,
conteniendo entre 20 y 100 grupos carboxilos terminales.
2. Aditivo fibroso para materiales de
construcción, según reivindicación 1ª, caracterizado porque
las fibras de polietilén tereftalato presentan una resistencia a la
tracción comprendida entre 200 y 1000 MPa y por un módulo de Young
comprendido entre 3 y 15 GPa.
3. Aditivo fibroso para materiales de
construcción, según reivindicación 1ª, caracterizado porque
las fibras de polietilén tereftalato presentan una resistencia a la
alcalinidad mejorada, al presentar el polímero constituyente de las
fibras un aumento de la cristalinidad, al haber introducido un
agente nucleante consistente en una sal, orgánica o inorgánica,
preferiblemente, una sal de un ácido carboxílico de cadena lineal,
en la etapa de polimerización o de extrusión que favorece la
formación y desarrollo de las fases cristalinas.
4. Aditivo fibroso para materiales de
construcción, según reivindicación 1ª, caracterizado porque
las fibras de polietilén tereftalato son tratadas con un agente
humectante, ensimaje o spin finish consistente en derivados de
poliglicoles, ésteres o tensoactivo de cualquier tipo para
favorecer la dispersión y adherencia a la matriz y la estabilidad
en medios alcalinos.
5. Aditivo fibroso para materiales de
construcción, según reivindicación 1ª, caracterizado porque
las fibras de polietilén tereftalato pueden tener un contenido
inferior a 0,03 ppm. y/o un contenido en metales pesados nulo.
6. Aditivo fibroso para materiales de
construcción, según reivindicación 1ª, caracterizado porque
las fibras de polietilén tereftalato pueden ser mezcladas, en
diferentes proporciones, con otras fibras sintéticas como
poliamidas, polipropileno o acrílicas.
7. Uso del aditivo fibroso de las
reivindicaciones 1 a 7, en mezclas cementicias, como hormigones y
morteros, en una proporción de 0,01 al 1% basado en el peso total
de la mezcla.
8. Uso del aditivo fibroso de las
reivindicaciones 1 a 6, en mezclas asfálticas, para la construcción
de pavimentos y carreteras, en una proporción de 0,1 y 1% basado en
el peso total de la mezcla.
9. Uso del aditivo fibroso, de las
reivindicaciones 1 a 7, porque las fibras de polietilén tereftalato
pueden ser empaquetadas en bolsas, embalajes hidrosolubles o de
cualquier otro tipo, en orden a facilitar su dosificación en las
mezclas cementicias.
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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