MEZCLA DE CONCRETO FIBROREFORZδDO RESISTENTE A LA CORROSION ₀

CAMPO TéCNICO

La presente invención se refiere a composiciones y métodos de fabricación de concreto con contenido de fibras de vidrio para mejorar el comportamiento del mismo ante los agentes de corrosión.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

En Ia actualidad el concreto al igual que algunos materiales plásticos y metálicos, es usado en Ia industria de Ia construcción para fabricar tuberías para el transporte, almacenamiento y distribución no solo de agua sino también de líquidos diversos. El concreto usado para este fin en Ia industria de Ia construcción, esta integrado de manera general, por cemento, agua, agregado grueso (grava), agregado fino (arena) y algún aditivo si se requiere aumentar alguna de sus propiedades como Ia trabajabilidad, resistencia, tiempo de fraguado etc.

El estudio de Ia corrosión en materiales es en Ia actualidad una de las primordiales necesidades para obtener substitutos o mejoras de varios materiales que hoy en día son escasos y caros para realizar construcciones con ellos. Mucha del agua potable y el agua de proceso se transporta en tuberías que tienen problemas de procesos de corrosión, en sistemas abiertos o cerrados.

Una de las principales dificultades del desarrollo de tuberías, no solo de concreto, si no en general de cualquier material, así como el acero y materiales metálicos, es Ia fragilidad al impacto y el periodo de vida útil limitado que tienen estas tuberías, así como de Ia poca resistencia que muestran ante Ia corrosión y el ataque ante varias sustancias, como los sulfates, ácidos, hidrocarburos, y en general, a los productos derivados del petróleo, como es el caso del petróleo crudo.

Con este fin se desarrollo un método para Ia fabricación de tuberías de concreto fibroreforzado con propiedades mecánicas superiores a las de un concreto tradicional

que además de tener un menor peso volumétrico esta hecho a base de desechos de fibras de vidrio (que se utilizan como agregados), cemento y agua, siendo su formulación tal, que inhibe Ia corrosión, ya sea en sistemas de tubería abierta o cerrada e inclusive corrosión galvánica y anaerobia.

OBJETO DE LA INVENCIóN '

Es objeto de Ia presente invención, revelar el método novedoso de mezcla de concreto fibroreforzado resistente a Ia corrosión, cuyos detalles característicos se muestran claramente en Ia descripción y en los términos que se indican más adelante.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

Con referencia a Io anterior, este es un material pétreo artificial heterogéneo, con características similares a las de Ia piedra, con características mecánicas a Ia compresión, flexión, torsión, etc. y físicas similares a las de una roca, que se obtiene por Ia mezcla de cemento, agua, y agregados finos y gruesos en diferente proporción. Para Ia fabricación de este concreto se eligió una matriz o aglutinante a base de agua y cemento; el cemento utilizado para esta formulación fue Cemento Pórtland tipo H, usado para cimentaciones de pozos petroleros, con un peso específico de 3.1 Kg. /dm3. El cemento reacciona con el agua formando un cuerpo duro resistente, que recibe el nombre de matriz, que Ie da Ia rigidez necesaria. Esta matriz une los granos de agregados finos y gruesos formando un todo. La cantidad de cemento a utilizar deberá de ser Ia necesaria para cubrir a los agregados una vez hidratado con el agua. El agua utilizada está dada por Ia relación A/C (agua / cemento) que deberá de ir desde un 0.25 y hasta un 0.65, siendo el óptimo 0.45. El agregado a utilizar en este concreto es el carbón mineral tipo breeze cribado, con una absorción de agua entre el 10% y el 15%. La granulometría de los agregados a utilizar deberá de ser de no más cinco milímetros de diámetro. Constituyendo las partículas menores al milímetro de diámetro al menos el 35% del total del peso de los agregados a utilizar en Ia fabricación de este concreto, siendo el óptimo un 45%, del cual deberá de tener al menos un 35% de material que pase Ia criba 0.150 (100). El agregado debe de tener una buena distribución, tanto de partículas finas como de polvo de carbón

mineral, con una granulometría tal que servirá para saturar a Ia matriz permitiendo así una mejor conducción eléctrica con fines de crear ¹ un material que permita Ia protección catódica contra Ia corrosión. La proporción necesaria de los agregados con diámetros mayores a los 3 milímetros deberá de ser de al menos un 20% y no más del 35% del total del peso de agregado a utilizar. El fosfato de plata tiene un efecto sobre Ia corrosión del concreto evitándola y favoreciendo Ia conducción eléctrica y se deberá de mezclar con Ia mitad del agua que se utilizará para Ia hidratación del cemento, hasta obtener una buena solución. La cantidad de fosfato de plata necesaria para esta formulación varía desde el 0.05% hasta el 0.8% del peso total del cemento a utilizar, siendo el óptimo 0.65%. El fosfato de hierro, tiene un efecto sobre Ia corrosión inhibiéndola, así como sobre Ia resistencia mecánica y Ia fluidez necesaria para que el concreto sea trabajable durante un tiempo justo que permita su correcta colocación y compactación. La cantidad de fosfato de hierro necesaria para esta formulación varía desde el 1.76% hasta el 2.65% del peso total del cemento a utilizar, siendo el óptimo un 2.45%; y procurando que no exceda de 45500 ppm, Ia concentración de ésta sal en el agua a utilizar en el concreto.

El fosfato deberá de ser mezclado con el cemento y el carbón mineral antes de incorporarse el agua.

Se utilizó fibra molida de recortes de fibra de vidrio recubiertos de resina poliéster, con una densidad real de 2.7 y un punto de fusión mayor a los 1700° Centígrados, en sustitución de los agregados gruesos para disminuir el peso volumétrico y aumentar Ia resistencia mecánica, homogenizados antes de ser utilizados para garantizar una buena distribución del agregado. El proceso de fabricación es por laminado procedente de un proceso de aspersión con pistola. La longitud promedio de las fibras es de 1.89 centímetros. El peso volumétrico de Ia fibra es de 215 kg/m3.

Algunas de sus principales características físicas y químicas son: Alta adherencia fibra - matriz (en este caso Ia matriz es cemento); características eléctricas (Aislante eléctrico); estabilidad dimensional, incombustibilidad, resistencia mecánica

(resistencia especifica Tracción / Densidad superior a Ia del acero); aptitud para

recibir diferentes ensimajes, imputrescibilidad, débil conducción térmica y excesiva flexibilidad.

Los constituyentes de Ia fibra de vidrio son SíO ₂ en un 65 %, AbO ₃ en un 4%, B ₂ O en un 5.5%, CaO en un 14%, Mg ₂ O en un 3%, K ₂ O en un 8% y Na ₂ O en un 0.5%.

Como aditivos se usa un superfluidificante que tendrá Ia función de aumentar Ia trabajabilidad y de reducir el agua necesaria para Ia hidratación del cemento. La cantidad de superfluidificante no deberá de ser menor al 2% del volumen de agua utilizado y no mayor al 10%, siendo el óptimo un 7%. Este superfluidificante debe de mezclarse con Ia mitad de agua restante a Ia que se utilizó el agua para diluir el fosfato de plata, para asegurar que tanto el cemento como los agregados estarán en contacto con estas sustancias. El uso de este superfluidificante no está sujeto a sustancia o contenido químico alguno; es decir, puede emplearse cualesquiera de ios existentes en el mercado, siempre y cuando cumpla con el objetivo de reducir Ia cantidad de agua necesaria y proporcionar una mayor fluidez al concreto y no contenga en cantidad mayor al 5% los siguientes compuestos: éter vinilmetílico, ya que favorecería una polimerización no deseada; y boro trifluoruro, ya que se presentaría una reacción exotérmica que afectaría a Ia matriz.

El cemento utilizado para esta formulación es cemento Pórtland clase H de alta resistencia a los sulfates, que está compuesto principalmente por silicato tricálcico en un 50%, silicato dicálcico en un 24%, alumínate tricálcico en un 11% y ferro alumínate tetracálcico en un 8% con un peso específico de 3.1.

El contenido de cemento es el utilizado en aplicaciones estructurales y con una relación A/C (agua / cemento) que va de 0.25 y hasta un 0.65, siendo el óptimo 0.45 para obtener una buena trabajabilidad sin utilizar ningún otro tipo de agregados ni aditivos. El método de curado es a 28 días con 30% de humedad relativa, o bien a temperatura ambiente.

El agua utilizada es agua común. Para asegurarse de Ia calidad del agua basta con observar que no presente ninguna coloración ni olor.

El método de dosificación del concreto puede adaptarse a cualquiera de los existentes siempre y cuando se respete las proporciones de fibra mencionadas, al igual que los contenidos de fosfato de hierro y fosfato de plata.

El proceso de mezclado consta de tres etapas. La primera consta de Ia homogenización del cemento, las fibras de vidrio y el carbón mineral, para posteriormente adicionarle el fosfato de hierro, procurando que éste se distribuya uniformemente sobre Ia superficie de Ia mezcla y asegurando que no exista una concentración excesiva en una sola parte. Este proceso puede ser manual o mecánico siempre y cuando se asegure una correcta dispersión de todos los agregados en Ia matriz, así como de Ia hidratación del cemento.

El tiempo de mezclado para las revolvedoras chicas deberá de ser de 5 minutos a partir de que todos los ingredientes, excepto el fosfato de hierro, están dentro de Ia revolvedora. Una vez transcurridos estos cinco minutos, se añade el fosfato de hierro procurando irlo vertiendo en pequeñas cantidades para facilitar su mezclado y su correcta homogenización. Una vez añadido el fosfato, deberá de mezclarse durante minuto y medio. Para revolvedoras grandes y entre ellas las ollas de los camiones, el primer periodo de mezcla deberá de ser de al menos tres y medio minutos, y el segundo periodo, de al menos minuto y medio.

En Ia segunda etapa, se añade a Ia mezcla obtenida el agua donde fue previamente diluido el fosfato de plata, procurando verterla lentamente y durante un proceso de mezclado continuo, para que todos los sólidos de Ia mezcla logren estar en contacto con esta solución. El tiempo de mezclado para esta etapa, en las revolvedoras chicas y grandes, deberá de ser de tres y medio minutos a partir de que se comience a verter Ia solución de fosfato de plata a los materiales que están dentro de Ia revolvedora. Una vez transcurridos estos tres y medio minutos se revisa si este tiempo ha sido el adecuado y si se ha llevado a cabo Ia correcta homogenización de todos los materiales; en caso contrario, se debe de mezclar hasta obtener las características mencionadas. El agua y el fosfato de plata deben de añadirse durante un proceso de mezclado continuo, procurando que toda Ia solución hidrate al

cemento, incluso removiendo el material que se encuentre en el fondo de Ia olla o mezcladora.

En Ia tercera etapa de mezclado, se añade el agua donde fue diluido el superfluidificante, procurando verterla lentamente y en un proceso de mezclado continuo, para permitir una correcta dispersión de esta sustancia sobre Ia mezcla y que todos los materiales entren en contacto con ella, procurando que toda Ia solución hidrate al cemento, incluso removiendo el material que se encuentre en el fondo de Ia olla o mezcladora. El tiempo de mezclado para esta etapa, en las revolvedoras chicas deberá de ser de cinco minutos a partir de que se comience a verter dicha solución a los materiales que están dentro de Ia revolvedora. Una vez transcurridos estos cinco minutos se revisa si este tiempo ha sido el adecuado y si se ha llevado a cabo Ia correcta homogenización de todos los materiales; en caso contrario, se debe de mezclar hasta obtener las características mencionadas. Para revolvedoras grandes y entre ellas las ollas de los camiones, el periodo de mezcla deberá de ser de al menos tres minutos.

No debe de añadirse agua al concreto después de mezclado, excepto del concreto premezclado en ollas; en caso de no dar el revenimiento especificado, se puede añadir agua y superfluidificante a partes iguales, siempre y cuando no sobrepase al 2% del agua utilizada originalmente en Ia mezcla, seguida de un tiempo de mezclado igual al de mezclado inicial que es de unos tres y medio minutos.

El concreto conductivo premezclado debe de descargarse de Ia olla antes de Ia hora y media de fabricado.

La colocación del concreto puede realizarse manual o mecánicamente. El concreto deberá de compactarse, ya sea mediante apisonamiento, vibrado, ó, cualesquiera de los métodos que se crean convenientes para su compactación, siempre y cuando no se golpee de tal manera al agregado que pudiera fragmentarse o separarse del mortero.

El concreto realizado según esta formulación, presenta una buena cohesión que permite el que se comporte en forma plástica y no se desmorone ni se separen los granos de carbón de Ia matriz y con un mínimo de sangrado o aparición de películas de agua en Ia superficie del concreto debido al asentamiento de las partículas sólidas más pesadas.

El concreto de Ia invención en estado fresco, mantiene a todas las partículas de agregado rodeadas de una película de lechada que las separa y les da fluidez; Ia lechada a su vez esta formada por partículas de cemento suspendidas en agua y saturadas por agregado fino y por sulfato de plata, que inhibe Ia corrosión y Ie da Ia propiedad de ser antimicrobial, al no permitir Ia formación, tanto en Ia superficie como en el interior del concreto, de bacterias y microorganismos que faciliten una corrosión anaerobia, o por Ia reducción de sulfates o algunas otras sustancias, permitiendo saturar a Ia matriz y creando así una unión entre Ia matriz y el agregado mediante el polvo de carbón mineral que sirve de puente, permitiendo Ia conducción eléctrica, de allí el uso de un superfluidificante, que facilita Ia dispersión del agregado fino sobre toda Ia matriz e incluso sobre el agregado, permitiendo una mezcla fluida y heterogénea; esto es que los granos de agregado fino llenen los vacíos del agregado grueso, de tal manera, que compactados tengan máxima densidad. Por Io que cuanto mayor sea el porcentaje de agregado de mayor tamaño utilizado en Ia fabricación de este concreto, menor será su conductividad, ya que aumentaría mucho el porcentaje de vacíos de Ia mezcla, requiriendo mucho más lechada, además compactada por un medio enérgico, las partículas de agregado grueso se van al fondo y en Ia parte superior quedaría una acumulación de partículas pequeñas con mucha lechada, que disminuirá su conductividad y propiciara su agrietamiento.

La protección catódica se da cambiando el sentido de la corriente en Ia pila de corrosión. Conectando eléctricamente, por ejemplo, el acero con el concreto se puede llegar a suprimir Ia corrosión del acero, ya que dejará de actuar como ánodo y pasará a comportarse como cátodo, dejando el papel de ánodo al material más activo (concreto en este caso). El fosfato de hierro forma una película fina, tanto en Ia superficie del concreto como al interior, al estar perfectamente mezclado con los demás materiales, Ia cual Io protege de un ataque posterior y sirve para aislar al

concreto del medio agresivo, además de que proporciona una buena adherencia al acero de refuerzo, y favorece Ia impermeabilidad permitiendo aislar tanto Ia superficie del acero como del concreto de los medios agresivos. Además de conferirle al concreto Ia posibilidad de obtener superficies pulidas o mates, capaz de conferirle a este material, un acabado con fines decorativos.

El fraguado inicial se presenta generalmente entre las 2 y las 2:30 horas, a 23 grados Centígrados. Mientras que el fraguado final se presenta entre las 4 y las 5 horas.

El curado de este concreto deberá de hacerse a temperatura ambiente, en un periodo de entre 3 y 10 días, dependiendo de Ia humedad del clima.

La vida útil de este concreto va de los 30 a los 70 años, dependiendo de las condiciones de servicio y los agentes químicos a los que este sometido.

Las proporciones de fibras utilizadas para este concreto van desde el 5% de contenido de fibra, Io cual proporciona una resistencia promedio a Ia compresión de 280 MPa y un aumento de resistencia a cortante de aproximadamente un 64%, comparada con Ia de un concreto normal, hasta el 40% de contenido de fibra, Io cual proporciona una resistencia promedio a Ia compresión de hasta 466 MPa y un aumento de resistencia a cortante de aproximadamente un 92%, comparada con Ia de un concreto normal, siendo el óptimo, el 20% de contenido de fibra, Io cual proporciona una resistencia promedio a Ia compresión de 352.71 MPa y aumento de resistencia a cortante de aproximadamente un 84%, comparada con la de un concreto normal. Con relaciones cemento fibra que van desde 12.94 hasta 1.62, siendo Ia óptima 3.24.

Para este concreto, el modulo de elasticidad fluctúa entre 282000 MPa, para un contenido de fibra del 5%; 333000 MPa, para un contenido de fibra del 20%; y, hasta 372000 MPa, para un contenido de fibra del 40%.

Por todo Io dicho anteriormente se puede afirmar que estas características de resistencia mecánica a Ia compresión y peso volumétrico hasta un 25% menor no han sido logradas por ningún otro concreto.