ES2326435T3 - Fibras sinteticas bicomponente para su aplicacion en materiales de construccion unidos con cemento. - Google Patents

Abstract

Fibra de plástico para la aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano >4 mm, con un diámetro promedio de 0,15 a 2 mm, correspondiente a aproximadamente de 160 a 28.000 dtex (decitex = gramo por 10.000 metros lineales), mediante lo cual es una fibra bicomponente, que se alarga en un factor de 5 a 15 y se fabrica por medio de un método de coextrusión a partir de un núcleo central y una cubierta que envuelve a éste, de mezclas poliméricas o polímeros puros de manera diferente, y mediante lo cual sobre esta fibra bicomponente alargada de manera continua se estampa una superficie acanalada o estructurada de manera continua o de manera interrumpida, mediante lo cual la profundidad de esta estructuración es superior al 10% de este diámetro de fibra promedio, y las distancias máximas de sus extremos de estructura dentro de estructuras incorporadas en la dirección axial se encuentran en la región entre 0,5 mm y 3 mm, caracterizada porque la superficie acanalada o estructurada de manera continua o de manera interrumpida se estampa sobre esta fibra bicomponente alargada de manera continua tras haberse efectuado el alargamiento.

Description

Fibras sintéticas bicomponente para su aplicación en materiales de construcción unidos con cemento.

La invención se refiere a fibras de plástico especiales con un diámetro promedio de 0,15 a 2 mm, correspondiente a aproximadamente de 160 a 28.000 dtex (decitex = gramo por 10.000 metros lineales), mediante lo cual es una fibra bicomponente, que se alarga en un factor de 5 a 15 y se fabrica por medio de un método de coextrusión a partir de un núcleo central y una cubierta que envuelve a éste, de mezclas poliméricas o polímeros puros de manera diferente, y mediante lo cual sobre esta fibra bicomponente alargada de manera continua se estampa una superficie acanalada o estructurada de manera continua o de manera interrumpida, mediante lo cual la profundidad de esta estructuración es superior al 10% de este diámetro de fibra promedio, y las distancias máximas de sus extremos de estructura dentro de estructuras incorporadas en la dirección axial se encuentran en la región entre 0,5 mm y 3 mm, que son adecuadas para la aplicación en hormigón con un diámetro de grano mayor de 4 mm y superior, y de ese modo mejoran de manera decisiva la resistencia a la tracción y el comportamiento tras la fractura de estos materiales de construcción.

La resistencia a la tracción del hormigón es inferior a su resistencia a la compresión en un factor de aproximadamente 10. La fractura se efectúa de manera relativamente quebradiza. Por tanto, es necesario reforzar el hormigón cuando alberga fuerzas de tracción o fuerzas de cizallamiento en la construcción de edificios. Frecuentemente, se encuentran en un primer plano las consideraciones de seguridad. Un componente de hormigón al superar la carga máxima no debe romperse de manera catastrófica y abrupta, sino en primer lugar absorber una cierta cantidad de energía, luego presentar un comportamiento dúctil. Ambas cosas se consiguen de manera convencional por medio de refuerzo con acero. El tipo de refuerzo se planea de manera detallada y luego se aplican los refuerzos de manera costosa principalmente a mano. En ciertos casos, puede suprimirse el refuerzo con acero convencional completa o parcialmente por medio del mezclado con fibras de acero cortadas cortas. Sin embargo, las fibras de acero tienen desventajas decisivas. Son propensas a la corrosión, lo que conduce frecuentemente a feas bandas de herrumbre o manchas en el hormigón. Además conllevan peligro de lesión. También tienen malas propiedades de dosificación y mezclado como resultado de su rigidez. Surgen grandes pesos de dosificación como resultado de la gran densidad, lo que se pone de manifiesto en los costes. El mezclado de fibras de vidrio también conduce a una dispersión relativamente alta de las propiedades del material debido a la distribución no uniforme. Otros tipos de fibra, tales como fibras de vidrio, tienen desventajas decisivas, por ejemplo una resistencia a los álcalis limitada.

El uso de fibras de plástico ofrece una alternativa. De ese modo, es necesario por un lado que las fibras tengan una resistencia a la tracción relativamente grande, y por otro lado es necesario que tengan una alta resistencia de la unión con el hormigón. En el caso de carga, la fricción estática sobre la superficie completa de la fibra ha de seguir siendo eficaz, de modo que se extraiga la fibra uniformemente y esté en la posición de absorber una gran cantidad de energía de fractura. Pueden fabricarse tipos económicos de fibra, particularmente también en comparación directa con fibras de acero, basándose en plásticos de poliolefina (polipropileno, polietileno) u otros plásticos termoplásticos. Aunque se tiene éxito en esto, al conseguir resistencias a la tracción notables con valores que, en cierto grado, son mejores que los del acero, el módulo de elasticidad y la resistencia de la unión a hormigón son generalmente bajos con estos tipos de fibras. Puede conseguirse una mejora de la fricción estática aumentando el módulo E de las fibras, fabricadas de materias primas relativamente caras.

Se conocen fibras de plástico termoplásticas de múltiples capas para reforzar hormigón a partir del documento EP 1.350.773. En ese documento, se enfatiza particularmente que los polímeros de las diferentes capas tienen diferente puntos de fusión. El polímero con el menor punto de fusión se encuentra en el núcleo, el de mayor se encuentra en la cubierta, en los que la diferencia ha de ser de 10ºC a 20ºC. Esta medida es para que sirvan para alargamiento tras calentamiento en un horno especial, en el que la capa interna se calienta asimismo de manera adecuada con el calentamiento de la capa externa, de modo que es posible un alargamiento en un factor de 3 a 12. Por medio del alargamiento, las moléculas de plástico se orientan longitudinalmente. La resistencia en el plástico se consigue en primer lugar por medio de esto. Estas fibras de plástico se dotan, en su lado externo, de estructuras antes del alargamiento, para aumentar la fuerza adhesiva en el hormigón. En detalle, estos filamentos se fabrican de tal manera que se produce una película de doble capa o de múltiples capas por medio de coextrusión. Después, se dota esta película de un estampado por medio de una calandria. Posteriormente se corta la película en pequeñas tiras estrechas. Al final, las pequeñas tiras bidimensionales aún se alargan, por medio de lo cual surgen de manera eficaz las protuberancias o ubicaciones delgadas y gruesas.

Sin embargo, es importante determinar que el estampado y alargamiento tienen lugar en un proceso coherente. Surgen acumulaciones parciales de material debido al estampado en el estado no estirado, tal como se enseña en el documento EP 1.350.773 A2. El polímero que se desplaza mediante la estructuración es todavía amorfo. Si se estira después, entonces se alarga en primer lugar la zona con la menor acumulación de material. Se sabe generalmente y también es obvio que en primer lugar se estiran las ubicaciones con la menor resistencia durante cada procedimiento de alargamiento. En este caso, esto es claramente las ubicaciones delgadas. Por este motivo, las pequeñas tiras estampadas previamente pueden no estirarse uniformemente al final, por tanto, tras un alargamiento tras efectuar el estampado. Sería difícil o incluso imposible mientras se mantienen condiciones de producción favorables, lo que significa mientras se evitan roturas de filamentos, poder alargar completamente filamentos estampados de una manera tal en modo alguno. Las ubicaciones delgadas se alargarían completamente, mientras que en las ubicaciones gruesas el grado de alargamiento y, por tanto, también la orientación de las moléculas deben ser necesariamente menores. Por medio de esto, las protuberancias que se fabrican según este método son más suaves que las demás ubicaciones del filamento y, en consecuencia, tienen un módulo de elasticidad insuficientemente alto. Esto significa que las protuberancias, al someterlas a extracción, se desgastan ligeramente. Además, básicamente no es posible obtener protuberancias de bordes afilados por medio de alargamiento tras el estampado, puesto que el perfil de las protuberancias está "desdibujado" debido al estiraje, lo que resulta claramente evidente en la figura 1 del documento EP 1.350.773 A2. Puesto que cada cadena sólo es tan resistente como su elemento más débil, este método también conlleva que se desperdicia una cierta cantidad de material, puesto que es necesario usar una cantidad de polímero superior a la proporcional, con el fin de conseguir los valores de resistencia diseñados en las ubicaciones delgadas. La figura 1(A) del documento EP 1.350.773 A2 deja claro asimismo este punto. Con el estampado antes del alargamiento, sólo pueden conseguirse protuberancias que tienen una distancia muy grande entre sí. Por tanto, en el párrafo [0041] del documento EP 1.350.773 A2 se menciona que la razón de alargamiento ha de ser de entre 3:1 y 12:1 y preferiblemente entre 5:1 y 10:1. Con un estampado piramidal tal como se muestra en la figura 1 (B), y tras un estiraje total mínimo posterior (factor de alargamiento) de 5, las distancias de protuberancia a protuberancia son de 5 mm, con un estiraje total de 10, que representa el mínimo absoluto con un filamento de HDPE o PP de alta resistencia, por tanto, resulta una distancia de 10 mm de protuberancia a protuberancia, sin tener en cuenta el hueco del estampado. La figura 1 (A) del documento EP 1.350.773 A2 además ilustra muy claramente el perfil de los filamentos que se obtiene por medio de un estampado antes del alargamiento. Las fibras son delgadas por encima del promedio en la banda (ubicaciones delgadas). Los engrosamientos aumentan de manera continua hacia las protuberancias (ubicaciones gruesas) y después se vuelven cada vez más planos. Por tanto, hasta cierto grado se forma un cono en ambos lados mediante cada protuberancia. Esta particularidad se repite siempre con el método según se describe en el documento EP 1.350.773 A2, independientemente de qué tipo de estampado se seleccione, ya sea un perfil piramidal, ondulado o angular, o un estampado de un solo lado o de doble lado. Las protuberancias discurren necesariamente y siempre en ambos lados hacia fuera en un ángulo muy agudo con respecto al diámetro de la siguiente ubicación delgada. El deslizamiento fuera del hormigón, en comparación con un estampado brusco con transiciones marcadas desde las ubicaciones delgadas hasta las gruesas, es significativamente más desfavorable.

Por tanto, sólo pueden conseguirse protuberancias redondeadas o aplanadas lateralmente que tienen una gran distancia entre sí, con el estampado antes del alargamiento, y además queda claro que se acepta una conversión de estructura en el interior de las fibras como resultado del alargamiento que sigue al estampado con respecto al tiempo. Durante cada procedimiento de alargamiento, en primer lugar se estiran las ubicaciones con la menor resistencia. Éstas, en este caso, son claramente las ubicaciones delgadas producidas debido a la estructuración. Por este motivo, las fibras alargadas tras un estampado ya no tienen estructuras moleculares homogéneas. En su lugar, las ubicaciones delgadas se alargan por completo, mientras que el grado de alargamiento en las ubicaciones gruesas y, por tanto, también la orientación uniforme de las moléculas es inevitablemente menor. Por este motivo se usa una cantidad de polímero superior a la proporcional, con el fin de conseguir los valores de resistencia deseados en las ubicaciones delgadas. Además, las ubicaciones gruesas son suaves, lo que asimismo empeora la unión al hormigón, y conduce a un deslizamiento fuera de la matriz de piedra y cemento, lo que es mucho más probable en comparación con una superficie de polímero duro.

Frente a estos antecedentes, es el objeto de la presente invención proporcionar fibras de plástico para la aplicación en materiales de construcción unidos con cemento, en particular en hormigón con el mayor grano superior a 4 mm de diámetro, por medio de lo cual se mejoran significativamente las propiedades mecánicas de estos materiales de construcción porque comprenden una estructura molecular homogénea, así como un estampado más denso sobre su superficie. Al mismo tiempo, estas fibras de plástico deben ser más prácticas en su manejo y mezclado, deben conseguir su resistencia a la tracción con masas mínimas y deben poder competir con las fibras de acero con respecto al coste.

Este objeto se logra mediante una fibra de plástico según la reivindicación 1.

Debido a la división en un núcleo y una cubierta, por un lado el polímero de la cubierta con respecto a la trabajabilidad (reología) y la resistencia de la unión entre fibra y hormigón, además del grado de rigidez, la estabilidad dimensional y la resistencia al desgaste, y por otro lado el polímero del núcleo con respecto a la alta resistencia a la tracción y una pequeña extensión a la rotura, pueden optimizarse de manera independiente entre sí. Por medio de esto, puede no sólo conseguirse fibras con características mejoradas, muy nuevas, sino también reducir los costes, puesto que no es la fibra completa la que debe consistir en caros polímeros universales, como es el caso con las fibras totales. Además, así resulta la posibilidad de aplicar los componentes caros en menor extensión, por ejemplo sólo en la cubierta. El polímero de la cubierta puede optimizarse hasta la unión deseada al cemento, por un lado por medio de estampado, y por otro lado por medio de modificación química en la superficie. De ese modo, se ha mostrado que la combinación de ambas medidas es extremadamente eficaz.

En los dibujos adjuntos se muestran diferentes construcciones de fibras que son adecuadas para su incorporación en un material de construcción unido con cemento, y se presenta el efecto en el hormigón por medio de diagramas de medidas.

Se muestran en:

la figura 1: un diagrama de fuerza-trayectoria para representar la resistencia de la unión, es decir la fuerza por superficie de la fibra de diferentes tipos de fibra en un material de construcción unido con cemento;

la figura 2: una fibra estampada de manera intermitente con una sección transversal inicialmente redondeada;

la figura 3: un dispositivo para estampar con dos rodillos dispuestos paralelos entre sí, representado esquemáticamente;

la figura 4: un tipo de estampado de las fibras, visto desde el lateral;

la figura 5: un tipo de estampado adicional de las fibras, visto desde el lateral;

la figura 6: una fibra estampada con un núcleo de fibra y una cubierta de fibra de diferentes materiales, con nanopartículas o partículas finas en el polímero del núcleo y/o de la cubierta;

la figura 7: un diagrama de fuerza-trayectoria para representar diferentes resistencias de la unión con fibras de plástico idénticas, en las que se aplicaron nanopartículas en el polímero de la cubierta con la fibra;

la figura 8: un diagrama de fuerza-trayectoria para representar la resistencia compuesta de fibras con nanopartículas y estampado en el polímero de la cubierta, en comparación con una fibra sin nanopartículas ni estampado en el polímero de la cubierta;

la figura 9: un haz individual con miles de secciones de fibra de plástico, para su incorporación en el material unido con cemento con el que va a mezclarse.

Se explican algunos hechos básicos en el presente documento antes de tratar con las figuras individuales. Las fibras que pueden aplicarse en hormigón, a diferencia de las fibras en productos de fibrocemento, tienen un diámetro significativamente mayor que de 0,15 a 2 mm, puesto que si no con las dosificaciones de fibra habituales para refuerzo mecánico, es decir en la región del 0,3 al 2% en volumen, no puede conseguirse una trabajabilidad adecuada del material de construcción. Con tales fibras gruesas, la resistencia de la unión entre la fibra y el material de construcción, en particular basándose en polímeros de bajo módulo económicos tales como poliolefinas, ha sido inadecuada hasta la fecha, puesto que la sección transversal de la fibra se reduce en caso de carga, y por tanto, la fibra puede deslizarse fácilmente fuera de su encapsulado. Se ha mostrado que un aumento de la resistencia de la unión por medio de una selección de polímeros adecuada o por medio del aumento de la adhesión al hormigón debido al aumento de la tensión superficial de las fibras o debido a un tratamiento de corona, plasma o con fluoruro, o también por medio de depositar dispersiones de cera o reblandecimientos, es insuficiente con fibras de bajo peso molecular y por tanto también con fibras bicomponente. Con el uso de plásticos de alto módulo, la sección decreciente de la sección transversal sólo se reduce adecuadamente cuando la fibra en gran parte o por completo, se fabrica a partir de estas materias primas económicas. Una fibra bicomponente dotada de una estructura estampada abre ahora perspectivas muy nuevas para las aplicaciones en hormigón.

Se sabe, con materias primas termoplásticas, que los siguientes parámetros son decisivos con el fin de que las fibras consigan altos valores de resistencia con una baja extensión y un alto módulo de elasticidad: los polímeros deben tener una baja MFR (velocidad de flujo del fundido) y una estrecha distribución de peso molecular. La velocidad de flujo del fundido se define según la norma ISO 1133 y es una medida a una temperatura y carga de presión, de cuánta masa fluye a través de una boquilla definida por tiempo. Además, el grado de alargamiento (procedimiento de estiraje tras la hilatura) debe seleccionarse tan alto como sea posible. Sin embargo, también se sabe que las fibras con un diámetro de 0,15 a 2 mm tienden a separarse y abrirse (fibrilar) bajo carga mecánica en la dirección longitudinal, lo que es muy negativo para la unión entre el cemento y las fibras. Al extraerlas del hormigón, las fibras se cargan mucho mecánicamente, y de ese modo se produce inevitablemente una fibrilación, cuando se ha estirado el polímero en el procedimiento de fabricación hasta su límite de alargamiento. Los polímeros con una mayor MFR y una distribución de peso molecular más amplia tienen un comportamiento significativamente más beneficioso durante el procedimiento de alargamiento. Esto significa que las fibras, fabricadas de tales polímeros pueden estirarse en mayor extensión, hasta que se alcanza su límite de alargamiento absoluto.

Habitualmente los filamentos, estas fibras totales, o los filamentos coextruidos, por tanto, por ejemplo fibras de núcleo-cubierta se fabrican según el siguiente sistema: tras salir de las boquillas, en las que se presiona cada fibra a salir a través de un orificio separado, las fibrillas no estiradas se enfrían en un baño de agua. Puede controlarse la temperatura de este baño. Los filamentos delgados se enfrían más rápido que los gruesos. Durante el posterior procedimiento de alargamiento, los filamentos discurren a través de fuentes caloríficas adecuadas (hornos) de una manera con menos contacto en una o más fases de procedimiento. Los filamentos delgados se enfrían y se calientan más rápido y de manera más uniforme que los gruesos con un diámetro, por ejemplo, de 0,15 a 2,0 mm. Los filamentos con una masa mayor almacenan la energía de fusión en el centro durante más tiempo. Lógicamente, las capas externas se enfrían más que las capas internas en el baño de agua. El equilibrio térmico entre el centro de la fibra y la superficie de la fibra en este caso no se consigue mediante polímeros con diferentes puntos de fusión, sino por medio de la compensación térmica como resultado del baño de enfriamiento y la radiación térmica como resultado de las temperaturas del horno de alargamiento. Las fibras de plástico presentadas en el presente documento se producen según este método convencional para filamentos. Los puntos de fusión de ambos polímeros, en el núcleo así como en la cubierta, pueden ser idénticos o también diferentes, puesto que estos per se no son de importancia para el posterior procesamiento continuado. Preferiblemente, sin embargo, se usan polímeros para el núcleo y la cubierta que presentan el mismo comportamiento frente a la temperatura, lo que significa que alcanzan su punto de fusión a la misma temperatura de aproximadamente 165ºC. Por otro lado, se trabaja con polímeros que tienen diferentes viscosidades tras alcanzar el punto de fusión, específicamente una velocidad de flujo del fundido (MFR) de 0,8 y 35 g/10 min. El polímero de la cubierta con 35 g/10 min, con el mismo punto de fusión, es aproximadamente 44 veces más líquido que el polímero del núcleo. Las diferentes MFR contrarrestan la fibrilación. El polímero de la cubierta más líquido es más fácil de alargar que el polímero del núcleo más duro. Por tanto, la cubierta no agotada por completo evita la fibrilación.

Con la trayectoria sugerida en el presente documento, de fabricar la fibra de un núcleo y una cubierta de diferentes polímeros, se dispone de las mejores condiciones para optimizar las fibras. El polímero de la cubierta, por un lado, puede optimizarse con respecto a la trabajabilidad (reología) y la resistencia de la unión entre la fibra y hormigón, y el polímero del núcleo puede optimizarse independientemente del mismo con respecto a una alta resistencia a la tracción y una pequeña elongación a la rotura. Para esto, se ha producido una fibra de núcleo-cubierta, cuyo núcleo consiste en polímeros con una menor MFR y una distribución de peso molecular muy estrecha, y cuya cubierta consiste en polímeros con una mayor MFR y una distribución de peso molecular más amplia. Con el procedimiento de alargamiento, el núcleo de una fibra diseñada de tal manera se maximiza con respecto a las propiedades mecánicas, porque se alarga por completo y de manera homogénea, mientras que la cubierta todavía tiene suficientes reservas, con el fin de fijar de manera fiable las fibras y por medio de esto, impedir la fibrilación bajo carga. Por tanto, con una fibra de este tipo el núcleo está diseñado de manera dirigida para obtener los mejores valores mecánicos posibles, y la cubierta para una unión óptima al cemento. La fibra estirada por completo, es decir de manera continua y de manera homogénea se dota entonces de una estructura en una fase posterior por medio de estampado. Entonces, de ese modo, el polímero alargado por completo con sus moléculas orientadas longitudinalmente, sólo hay que desplazarlo o reorientarlo aún, lateralmente o en profundidad. Observando sobre el perfil total de las fibras, no surgen ubicaciones delgadas con debilitamiento.

En ensayos, se demostró que se conservaban los altos valores de resistencia por medio de la incorporación adicional de una masa del 3% al 25% de partículas minerales finas, pero se redujo la extensión a la rotura. Sales metálicas, partículas de vidrio o esferas de vidrio o materiales de fibra de todos los tipos son adecuados para tal incorporación. El módulo de elasticidad de las fibras se aumentó por medio de esto, lo que es muy ventajoso con esta aplicación. Simultáneamente, la incorporación de los minerales tiene el efecto de que se reduce la contracción de las fibras (estrangulamiento) bajo carga, lo que a su vez tiene un efecto positivo sobre el comportamiento de extracción.

Puede demostrarse que la tensión superficial del polímero aumenta debido a la incorporación de grupos funcionales, lo que conduce asimismo a una unión mejorada entre las fibras y el cemento. Sin embargo, esta modificación química hace los polímeros más caros. Puesto que con una fibra de núcleo-cubierta, sólo la cubierta entra en contacto directo con el cemento, sólo es necesario modificar ésta. La parte de la cubierta, dependiendo del diseño de la fibra, es aproximadamente del 20% al 50% de la masa total de la fibra. Con el fin de conseguir el mismo efecto con una fibra total, el polímero de ese tipo tendría que modificarse en su totalidad.

Por tanto, las fibras con propiedades muy nuevas y mejoradas significativamente pueden diseñarse por medio de la combinación de las medidas descritas anteriormente. Además, pueden reducirse los costes, puesto que no es necesario que la fibra completa consista en polímeros universales caros, como es el caso con fibras totales, sino que pueden usarse componentes caros en una pequeña extensión, por ejemplo sólo en la cubierta. El polímero de la cubierta puede optimizarse entonces hasta la unión deseada al cemento, por un lado mediante estampado y, por otro lado, mediante una modificación química de la superficie. De ese modo, se ha demostrado que la combinación de estas dos medidas es extremadamente eficaz.

La estructuración de la superficie se efectúa preferiblemente por medio de un estampado mecánico de las fibras bicomponente. Se forman canales en la parte estampada por medio del procedimiento de estampado, y el plástico se desplaza lateralmente de manera simultánea, lo que también efectúa una superficie estructurada lateralmente que entonces actúa de manera positiva con respecto a la adhesión del cemento sobre la fibra y su enmallado con el hormigón. Por medio de esta estructuración, no se supera la matriz del material de construcción, incluso con una sección decreciente de la sección transversal de la fibra en el caso de carga, por tanto, incluso a menores módulos de elasticidad de la fibra.

Una mejora adicional de las propiedades de unión a hormigón de fibras bicomponente es particularmente satisfactoria por medio de la incorporación adicional de una masa del 3% al 25% de nanopartículas finas con un diámetro de grano < 1 \mum en forma de cargas minerales en el polímero de la cubierta. El grado de rigidez y la resistencia al desgaste de la superficie aumentan por medio de esto. Una fibra de este tipo se dota de un estampado de la misma manera o una similar, con el fin de proporcionar una superficie estructurada. El estampado se vuelve más duro y más preciso debido a la incorporación de nanopartículas. Con la extracción de la fibra, resulta así una trayectoria de extracción menor con la misma transmisión de fuerzas y una mayor resistencia de la unión, lo que se presenta en el diagrama según la figura 7. La aplicación de estas partículas sólo en el polímero de la cubierta conduce a un ahorro decisivo en masa y costes.

Los resultados de los ensayos de extracción en el laboratorio se representan en la figura 1. A este respecto, los mejores resultados los mostró una fibra modificada con polímero que se mezcla adicionalmente con minerales y se estampa adicionalmente. La resistencia de la unión máxima, medida en una muestra de 7 días y a una profundidad de encapsulado de las fibras de 20 mm, se midió a 2,0 N/mm^{2}. Por tanto, el resultado fue más del doble del de una fibra igual pero sin estampar. En comparación con las fibras no modificadas con una superficie lisa sin estampar y sin la incorporación de ningún material auxiliar en el polímero, la unión fue incluso mayor en un factor de 8. Las fibras de polímero no modificadas y sin estampar, por tanto, aquellas con una superficie lisa, en comparación, sólo podrían albergar fuerzas de tracción significativamente menores. La mera modificación por medio de la incorporación de grupos funcionales aumenta la tensión superficial del polímero, lo que conduce a una unión mejorada entre las fibras y el cemento, tal como se muestra por medio de la figura 1. Las fibras pierden muy rápido su efecto bajo carga, tal como resulta evidente a partir del diagrama.

Las fibras de plástico presentadas en el presente documento también difieren significativamente de aquellos productos con los que se intenta conseguir una unión mejorada al cemento y una fuerza de extracción aumentada, solamente por medio del mezclado de minerales o agentes de unión minerales. A menudo se aduce que los áridos suponen una fuerte conexión controlada con el cemento. Se ha encontrado que esta afirmación es incorrecta. Específicamente, se determinó que la mayor parte de los minerales o el agente de unión mineral se encapsula en el plástico, o se envuelve sobre la superficie por medio de emulsiones, ceras, ablandadores, etc. y estos áridos son, por tanto, ineficaces en su mayoría. Además, los ensayos también han mostrado que finalmente el comportamiento de extracción más favorable que se observó mediante las incorporaciones de minerales, nos conduce de nuevo principalmente a la superficie de fibras menos uniforme y al menor estrangulamiento de la fibra (contracción).

La cubierta de las fibras bicomponente presentadas en el presente documento consiste en polímeros modificados que se optimizan con respecto a las propiedades de adhesión al cemento y de procesamiento (reología). La tensión superficial de las fibras puede aumentarse por medio de la incorporación de grupos funcionales (por ejemplo anhídrido de ácido maleico o sustancias activas/productos químicos que actúan de manera similar) en el polímero de la cubierta, que a su vez conduce a una humectabilidad mejorada de ésta, y a una unión mejorada entre el cemento y la fibra. Se ha mostrado que las fibras de núcleo-cubierta con un diámetro entre 0,35 y 0,5 mm son particularmente ventajosas en los ensayos. La razón en masa entre el núcleo y la cubierta se encuentra entre 50%/50% y 80%/20%. Se ha encontrado que un diámetro de grano < 1 \mum es favorable. Se ha mostrado que las materias primas de poliolefina, PL y HDPE así como mezclas de estos dos polímeros, son ventajosas como núcleo. La cubierta de una fibra de este tipo se dota adicionalmente de un estampado, con el fin de proporcionarle una superficie estructurada.

La figura 2 muestra una fibra de núcleo/cubierta de plástico. Esta fibra consiste en materiales de poliolefina, es decir de polipropileno, polietileno o mezclas de los mismos y otras materias primas termoplásticas. La fibra tiene un diámetro de 0,15 a 2 mm. Tiene un núcleo 3 de un polipropileno, polietileno o mezclas de los mismos y una materia prima termoplástica diferente, y una cubierta 7 de diferentes materias primas de poliolefina tales como PP, HDPE o mezclas de estos dos polímeros, que envuelve este núcleo 3. La fabricación de esta fibra bicomponente se efectúa en el procedimiento de extrusión. Una fibra de este tipo puede tener una sección transversal circular, pero también una sección transversal que difiere de ésta, por tanto, por ejemplo una forma elipsoidal, cuadrada, rectangular, en forma de hueso o en forma de estrella o cualquier otra forma. Como particularidad, la fibra se dota en su superficie de manera continua o de manera intermitente de una estructuración 5 mecánica mientras permanece al descubierto en las regiones 4 entre la estructuración 5. La fibra se somete a una cierta cantidad de aplanado en las ubicaciones estampadas, y allí es algo más ancha, con una sección transversal elongada/ovalada. En el ejemplo mostrado, la estructuración 5 se ha producido mediante un estampado. Esta estructuración mecánica tiene el objetivo de perfilar macroscópicamente la superficie, con el fin de, mediante esto, aumentar la fricción estática entre esta fibra bicomponente y el material de construcción de tipo cemento con el que se mezcla. Se ha mostrado que el estampado, como medio para esto, es particularmente, de hecho sorprendentemente, ventajoso. En primer lugar, puede incorporarse un estampado sobre una superficie de la fibra de manera relativamente sencilla y económica, y en segundo lugar, con esto, la superficie perfilada macroscópicamente, sin embargo no microscópicamente, por tanto, permanece lisa y dentro de la estructura. Pueden producirse canales por medio de un estampado de este tipo, que discurren transversalmente a las fibras pero también canales que discurren en un ángulo oblicuo con respecto a las fibras. También pueden estamparse combinaciones de tales estructuras con canales, tal como con canales que discurren transversalmente a las fibras a los que se superponen los canales que discurren en un ángulo oblicuo con respecto a las mismas. Sin embargo, también pueden cruzarse entre sí canales que discurren exclusivamente en un ángulo oblicuo con respecto a la fibra. Si se someten a colada fibras de este tipo en longitudes de sección de aproximadamente 10 a 80 mm en un material de construcción de tipo cemento, en particular en hormigón, entonces por medio de la unión de la matriz de la fibra mejorada, aumenta su resistencia a la tracción y se mejora de manera decisiva el comportamiento tras la fractura. Pueden mezclarse mayores partes en volumen de fibras que con las fibras de acero como resultado de la mayor flexibilidad del plástico. La densidad de tales fibras sólo de aproximadamente 0,9 - 1,1 g/cm^{3} es menor en aproximadamente un factor de 8 en comparación con la densidad del acero que es de 7,8 g/cm^{3}. Por este motivo, como un todo con respecto al peso, resultan cantidades de dosificación significativamente menores y características de materiales más homogéneas con los tipos de fibra bicomponente de plástico mostrados en el presente documento, con el mismo rendimiento en comparación con las fibras de acero.

El estampado de las fibras bicomponente puede efectuarse de la manera más sencilla por medio de que la fibra discurra a través de dos rodillos 1, 2 de estampado de un modo sin fin, y después cortándose en una sección de la longitud deseada, tal como se representa esquemáticamente en la figura 3 por medio de una disposición para este estampado. Se producen estampados 5 continuos o interrumpidos o intermitentes por medio de la naturaleza de los rodillos 1, 2 de estampado y su ajuste (estampado de nervio a nervio o desviado). Los rodillos 1, 2 por tanto, tienen un estampado en ciertas ubicaciones, y ninguno en otras. La profundidad del estampado en cualquier caso debe ser mayor que el 10% del diámetro de fibra promedio.

Se observa otro tipo de estampado de las fibras desde el lateral en la figura 4. En este caso, las fibras bicomponente discurren a través de dos rodillos de estampado a la manera de ruedas dentadas a distancia entre sí del espesor de fibra deseado. En consecuencia, la fibra se estampó en una forma en zigzag, mientras que las fibras mostradas en la figura 5 discurrían a través entre dos rodillos de estampado que están configurados asimismo a la manera de una rueda dentada, pero discurren entre sí de tal manera que los dientes en cada caso se aproximan entre sí con una pequeña distancia, de modo que sólo cuando estos se encuentran, se comprimen las fibras que discurren a través. Entonces se forma una fibra con una forma que cambia de manera constante de la superficie de la sección transversal. En la figura 6 se representa una fibra estampada de manera continua con el núcleo 3 de fibra y la cubierta 7 de fibra de diferentes materiales. Los canales 5 de la estructura abarcan toda la superficie de la fibra y sólo es en las regiones 4 entre los canales 5 donde la fibra sigue siendo lisa. El núcleo 3 puede mezclarse además con micro y nanopartículas 6 en forma de cargas minerales, sales metálicas, partículas de vidrio o pequeñas esferas de vidrio o materiales de fibra de todos los tipos, lo que tiene el efecto de que se reduce la reducción del diámetro de la fibra con una carga de tracción, y se reduce la elongación a la rotura. Por medio de esto, se consigue aumentar adicionalmente el módulo de elasticidad de estas fibras, lo que conduce a un aumento en las resistencias de las uniones, y resulta un comportamiento de extracción uniforme de los materiales de construcción.

Preferiblemente, el polímero 7 de la cubierta se mezcla con nanopartículas minerales, lo que significa con aquellas con un diámetro inferior a 1 \mum. Sin embargo, esta medida no sirve para la mejora directa de la adhesión entre las fibras y el hormigón, puesto que la mayoría de las partículas minerales están envueltas por completo por plástico. Esto se efectúa principalmente por medio de combinaciones químicamente, por ejemplo por medio de la incorporación de cemento o por medio de partículas minerales, en el polímero, o por medio de un efecto mecánico, tal como por medio de una naturaleza de superficie más rugosa. Sin embargo, se consigue una superficie más dura por medio de la incorporación de nanopartículas en el polímero de la cubierta. La unión al cemento, tras el estampado, es mejor por medio de esto. La captación de fuerzas se efectúa más rápido y puede albergarse más fuerza. Se consigue un menor desgaste de la superficie con la extracción de la fibra. Por este motivo, se determina una resistencia a la extracción mayor y más duradera sobre la distancia deseada de 3 mm de combado del cuerpo de prueba. Las fibras son más rígidas puesto que es principalmente la cubierta externa la que es responsable del grado de rigidez. Se consigue un mayor módulo de elasticidad y un menor "estrangulamiento" (sección decreciente) con la extracción/carga por medio de esto, lo que a su vez tiene un efecto positivo sobre la unión. Sin embargo, la mayor fuerza de tracción se reduce generalmente por medio de la incorporación de partículas extrañas. Con una razón en masa del 70% de núcleo y el 30% de cubierta, esta reducción de la fuerza de tracción sólo es eficaz en el 30% del polímero de la cubierta. Estas condiciones han de deducirse a partir de la figura 7. En este caso, se muestran los valores de resistencia de dos polímeros de plástico idénticos, con la única diferencia de que con el tipo L, la cubierta se refina con nanopartículas, mientras que la cubierta del tipo M estaba sin tratar. Esta incorporación de sustancias minerales exclusivamente en la cubierta también conlleva ventajas comerciales. Un polímero que contiene nanopartículas incorporadas, es entre 3 y 4 veces más caro que los polímeros convencionales. Por tanto es una diferencia esencial si, con una fibra total, es necesario refinar el 100% del polímero con estos productos especiales, o sólo la cubierta, con aproximadamente una parte del 30% en masa del producto total.

Con un estampado específico, que se ha mostrado que es ventajoso y que se requiere también con las longitudes de fibra relativamente cortas, la distancia de extremo a extremo es tan sólo de aproximadamente 0,65 mm. Un estampado a distancias pequeñas aumenta la homogeneidad del refuerzo y sus fuerzas de extracción. Los filamentos ya están acabados con respecto a su estructura interna antes del estampado. El perfil de los rodillos de estampado puede transmitirse 1:1 sobre los filamentos y, en consecuencia, la estructuración de la superficie del filamento puede adaptarse fácilmente a las demandas técnicas. Dependiendo de lo que se desee, pueden aplicarse otros rodillos de estampado para producir protuberancias más pequeñas o más grandes, protuberancias con aristas o redondeadas, aquellas con una pequeña distancia, con ondulaciones grandes o pequeñas, etc. Tal flexibilidad en la fabricación no es concebible con filamentos que según el método, sólo se alargan tras el estampado. Por tanto, se ha mostrado que es muy esencial que los filamentos alargados por completo y de manera homogénea que son idénticos en diámetro sólo se estampen en una fase posterior. Por medio de esto, el polímero alargado por completo y orientado longitudinalmente sólo se desplaza y reorienta lateralmente o en profundidad, mientras que su estructura sigue siendo la misma. Se evitan las ubicaciones delgadas con debilitamiento con una estructura de polímero más débil.

La figura 8 muestra un diagrama de fuerza-trayectoria para representar la resistencia de la unión, es decir la fuerza por superficie de la fibra de dos tipos de fibra estampados de diferente manera con nanopartículas en el polímero de la cubierta, en comparación con las mismas fibras sin estampado y sin nanopartículas en el polímero de la cubierta. Se ha mostrado que se consiguen los mejores resultados con una combinación de un estampado adecuado y la aplicación de nanopartículas en el polímero de la cubierta. En este caso se logró un valor superior de 3,17 N/mm^{2}.

Con el fin de conseguir las propiedades mecánicas deseadas, habitualmente se mezcla aproximadamente el 0,3% en volumen de fibras de acero en materiales de construcción unidos con cemento. En el caso de las fibras de plástico bicomponente presentadas en el presente documento, se usa el 0,5% en volumen que, sin embargo, da como resultado una adición de masa 4,8 veces menor, con propiedades tras la fractura mejoradas significativamente y más regulares. Además, el manejo de tal sección de fibra de plástico ligera de 10 a 80 mm de longitud per se es mucho más sencillo que el de las fibras de acero. No existe peligro de corrosión en absoluto con estas fibras de plástico, tal como es por el contrario el caso con las fibras de acero. Las fibras de plástico descritas en el presente documento son además resistentes al medio alcalino.

Finalmente, no son sólo las propias fibras de plástico las que son decisivas para una aplicación técnicamente significativa en hormigón. Al final, las fibras deben incorporarse en el hormigón en una forma adecuada, con el fin de que presenten su efecto. Incluso las mejores fibras no pueden usarse si no puede lograrse una distribución homogénea en el hormigón. Si las fibras se incorporan en el hormigón de manera algo suelta, tal como mediante soplado o dispersión en pilas, entonces a menudo se forman bolsas de fibras, en las que no penetra por completo el hormigón. Estas acumulaciones de fibras empeoran la resistencia y la regularidad del hormigón.

Se encontró una solución sorprendentemente eficaz enrollando unos cuantos miles de fibras como un haz, con una película de plástico soluble en agua, y luego cortando secciones o haces. La figura 9 muestra un haz 8 de este tipo con el fin de proporcionar una idea sobre esto. Mide aproximadamente 50 mm de longitud y diámetro, pesa 55 gramos y contiene 6000 fibras y está rodeado por una película 9 de plástico inerte y soluble en agua, transparente, pero abierto por la parte inferior y la parte superior, y cortado en un plano ahí. Los haces 8 a partir de entonces se mantienen juntos de manera fiable mediante esta película de plástico. Sólo tras su incorporación en el hormigón se disuelve la película, y las fibras se distribuyen en el hormigón. Sin embargo, las fibras individuales no se pegan entre sí, sino que se mantienen juntas por fricción. Al disolver la película de envoltura, resulta una rápida distribución de las fibras en el hormigón por medio de esto. Las fibras se dirigen entonces todas de igual manera en tales haces 8. Puede mezclarse hasta el 2% en volumen de fibras con respecto al hormigón sin ningún problema. La posición paralela de las fibras en los haces permite una distribución homogénea. La película de envoltura es completamente soluble en agua y además es inerte. Tal como se demostró, no tiene influencia sobre la calidad del hormigón. Con un componente de fibra en el hormigón de 4,5 kg de fibras (el 0,5% en volumen o 492.000 fibras individuales) sólo es necesario incorporar 82 unidades de tales haces de fibras. A diferencia de un envasado en una pequeña bolsa, apenas nada de aire queda encerrado en estos haces, mediante lo cual no salen a flote al incorporarse al hormigón, y por tanto, pueden mezclarse mejor. Al mezclar el hormigón, los haces se distribuyen, se deshacen, pero las fibras no se enganchan, sino que quedan rodeadas de manera íntima por el hormigón. Sin embargo, el envasado de las fibras de plástico también tiene ventajas comerciales significativas: son significativamente más compactas que la aglutinación de fibras sueltas. 4,5 kg de fibras requiere cajas con un contenido de aproximadamente sólo 0,015 m^{2}. Los envases son rectangulares. Por este motivo, ofrecen buenas posibilidades de apilamiento en palés normalizados. La forma compacta también conlleva ahorros en el transporte.

Claims (10)

1. Fibra de plástico para la aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano >4 mm, con un diámetro promedio de 0,15 a 2 mm, correspondiente a aproximadamente de 160 a 28.000 dtex (decitex = gramo por 10.000 metros lineales), mediante lo cual es una fibra bicomponente, que se alarga en un factor de 5 a 15 y se fabrica por medio de un método de coextrusión a partir de un núcleo central y una cubierta que envuelve a éste, de mezclas poliméricas o polímeros puros de manera diferente, y mediante lo cual sobre esta fibra bicomponente alargada de manera continua se estampa una superficie acanalada o estructurada de manera continua o de manera interrumpida, mediante lo cual la profundidad de esta estructuración es superior al 10% de este diámetro de fibra promedio, y las distancias máximas de sus extremos de estructura dentro de estructuras incorporadas en la dirección axial se encuentran en la región entre 0,5 mm y 3 mm, caracterizada porque la superficie acanalada o estructurada de manera continua o de manera interrumpida se estampa sobre esta fibra bicomponente alargada de manera continua tras haberse efectuado el alargamiento.

2. Fibra de plástico para la aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano >4 mm, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la fibra es una fibra de poliolefina, lo que significa que consiste en polipropileno o polietileno o en mezclas de estas materias primas, o se fabrica de otras materias primas termoplásticas.

3. Fibra de plástico para la aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano >4 mm, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque su núcleo (3) consiste en polímeros con una baja velocidad de flujo del fundido (MFR) y de una estrecha distribución de peso molecular, y su cubierta (7) consiste en polímero con una mayor MFR y de una distribución de peso molecular más amplia.

4. Fibra de plástico para la aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano >4 mm, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la superficie estructurada es un estampado (5) mecánico de un solo lado o múltiples lados, que está en ángulo recto, es diagonal, cruzado y de cualquier otra forma.

5. Fibra de plástico para la aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano >4 mm, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque se incorporan en el polímero (3) del núcleo, el polímero (7) de la cubierta o en ambos polímeros (3, 7) partículas (6) minerales, metálicas o cerámicas en forma de cargas, sales, partículas de vidrio, pequeñas esferas de vidrio o materiales de fibra.

6. Fibra de plástico para la aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano >4 mm, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en el polímero (7) de la cubierta se incorpora del 3% en masa al 25% en masa de nanopartículas minerales finas con un diámetro de grano de \leq 1 \mum.

7. Fibra de plástico para su aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano > 4 mm, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque se incorporan grupos funcionales en el polímero (7) de la cubierta, para aumentar la tensión superficial y la polaridad de las fibras.

8. Fibra de plástico para la aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano >4 mm, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque se envasa en haces (8) de varios miles de secciones que se envuelven con una película (9) de plástico, soluble en agua y se mantienen juntos mediante ésta.

9. Fibra de plástico para la aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano >4 mm, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque se envasa en haces (8) compactos de varios miles de secciones, con longitudes de sección de 10 mm a 80 mm, en la que los haces están en ambos lados fuera del plano, y se mantienen juntos mediante una película (9) de plástico inerte, soluble en agua.

10. Uso de una fibra de plástico para la aplicación en hormigón con los mayores diámetros de grano >4 mm, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque está en haces (8) de varios miles de secciones con longitudes de sección de 10 mm a 80 mm, en el que estos haces (8) se envuelven con una película (9) de plástico, soluble en agua, a la que se añade el material de construcción unido con cemento y se mezcla con ella.