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Title:
LIGHTWEIGHT AND/OR THERMALLY INSULATING STRUCTURAL CONCRETES HAVING A HIGHER RESISTANCE/DENSITY AND/OR RESISTANCE/CONDUCTIVITY RATIO, AND METHODS FOR THE PRODUCTION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/076126
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a structural concrete that is lightweight and/or has low thermal conductivity, formed by a) a binder matrix corresponding to between 20-50% in volume of the total volume of the concrete, comprising: i. a type I, II, III, IV or V Portland cement, or a mixture thereof; ii. supplementary cementitiuos materials in a proportion of up to 4 times the volume of Portland cement; iii. with a ratio (in volume) of water to cement and supplementary cementitious materials between 0.20-0.70; iv. a maximum volume of calcium hydroxide (CH) of 10%; and b) lightweight aggregates corresponding to between 30-80% of the total volume of the concrete, wherein the concrete has a compressive strength of at least 10 MPa after 28 days, a density of less than 1.4 t/m3, a thermal conductivity of less than 0.288, at 23°C and 50% of relative humidity, a resistance/conductivity ratio of at least Q?/? = 60 (MPa*m*K)/W and a resistance/density ratio Q?/? of at least 17 (MPa*m3/t). The invention also relates to the methods for producing said concrete.

Inventors:
LÓPEZ CASANOVA MAURICIO ALEJANDRO (CL)
REMESAR LERA JOSÉ CARLOS (CL)
VERA ARAYA SERGIO EDUARDO (CL)
Application Number:
PCT/CL2017/050059
Publication Date:
May 03, 2018
Filing Date:
October 18, 2017
Export Citation:
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Assignee:
UNIV PONTIFICIA CATOLICA CHILE (CL)
International Classes:
B28C5/00; B28C7/02; B28C7/04; C04B28/00
Foreign References:
US20130145967A12013-06-13
KR20160015475A2016-02-15
Other References:
PIERALISI, R.: "Characterization and modelling of pervious concrete. Dpto Ing. Construction", TESIS DOCTORAL, March 2016 (2016-03-01), XP055479683, Retrieved from the Internet [retrieved on 20180121]
CHUNG, S.Y. ET AL.: "Investigation of characteristics and responses of insulating cement paste specimens with aer solid using Xray micro computed tomography", CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS, vol. 118, April 2016 (2016-04-01), pages 204 - 215, XP029566234
WU, Y. ET AL.: "Development of ultra lightweight cement composites with low thermal conductivity and high specific strenght for energy efficient buildings", CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS, vol. 87, 2015, pages 100 - 112, XP055480020
HILAL, A. A. ET AL.: "On Entrained Pore Size Distribution of Foamed Concrete", CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS, vol. 75, 2015, pages 227 - 233, XP055480089
WEI, S. ET AL.: "Characterization and Simulation of microstructure and thermal properties of foamed concrete", CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS, vol. 47, 2013, pages 1278 - 1281, XP028698851
CHUNG, S.C. ET AL.: "Pore Characteristics and Their Effects on the Material Properties of Foamed Concrete Evaluated Using Micro-CT Images and Numerical Approaches", APPL. SCI., vol. 7, no. 6, 2017, pages 550, XP055480134
Attorney, Agent or Firm:
ESTUDIO CAREY LTDA (CL)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1. Un método de fabricación de un hormigón estructural, liviano y con baja conductividad térmica, CARACTERIZADO porque comprende las siguientes etapas:

a. proveer agregados y una dosificación de una matriz aglomerante para el hormigón; dicha dosificación consiste en el cociente agua/material cementante de la matriz y debe estar en el rango 0,20-0,70;

b. realizar un análisis de los agregados livianos por fracción de tamaño midiendo la distribución de tamaño de poros de cada fracción;

c. realizar un análisis de la matriz aglomerante, midiendo su contenido de hidróxido de calcio (CH) y volumen de poros;

d. definir la cantidad absoluta y relativa de las fracciones de agregados de manera de cumplir con los siguientes requerimientos: para tamaño de poros de hasta 10 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 15% y un contenido mínimo de aire acumulado de 10%; para tamaño de poros de hasta 40 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 50% y un contenido mínimo de aire acumulado de 20%; para tamaño de poros de hasta 100 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 75% y un contenido mínimo de aire acumulado de 30%; para tamaño de poros de hasta 200 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 90% y un contenido mínimo de aire acumulado de 40%; para tamaño de poros de hasta 300 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 100% y un contenido mínimo de aire acumulado de 43%;

e. considerar los análisis realizados en las etapas b) y c) y evaluar si se cumplen los siguientes criterios: i. un volumen total de aire en los agregados livianos provistos entre un 50% y un 99%;

ii. un volumen total de aire en el hormigón aportado por los agregados livianos entre un 25% y un 75%;

iii. un volumen máximo de matriz aglomerante de 50% del volumen total del hormigón;

iv. un volumen total de poros en la matriz aglomerante de 10-30% con respecto al volumen total de la matriz;

v. un porcentaje máximo de hidróxido de calcio (CH) en la matriz aglomerante de 10%;

f. si no se cumplen dichos criterios, repetir los pasos a) a e), si se cumplen dichos criterios, seleccionar los agregados analizados y la dosificación para la matriz aglomerante analizada como los componentes seleccionados del hormigón estructural liviano y con baja conductividad térmica; y

g. fabricar un hormigón con dichos agregados seleccionados y dicha matriz seleccionada según dicha dosificación.

2. El método de fabricación de hormigón de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque dicho análisis de los agregados livianos en la etapa b) se realiza midiendo la distribución de la porosidad mediante tomografía computacional.

3. El método de fabricación de hormigón de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque dicho análisis de la matriz aglomerante en la etapa c) midiendo su contenido de hidróxido de calcio (CH) y volumen de poros, se realiza midiendo el contenido de los productos de hidratación mediante simulaciones y se analizan muestras de matrices aglomerantes candidatas mediante XRD, XRF y/o TGA.

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4. El método de fabricación de hormigón de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque el agregado de menor tamaño tiene un tamaño de al menos la mitad de la fracción de mayor tamaño de dicho agregado.

5. El método de fabricación de hormigón de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dichos agregados provisto en la etapa a) incluyen componentes amorfos y en la etapa b) también se realizar un análisis de dichos componentes amorfos presentes por fracción de tamaño midiendo la distribución de tamaño de poros de cada fracción y dicho análisis de dichos componentes amorfos se realiza midiendo la distribución de la porosidad mediante tomografía computacional y se mide su conductividad térmica.

6. El método de fabricación de hormigón de acuerdo a la reivindicación 5, CARACTERIZADO porque en la etapa e) se agrega el criterio en que la conductividad térmica de dichos componentes amorfos debe ser inferior a 0,2 W/mK.

7. Un método de fabricación de hormigones estructurales y livianos, CARACTERIZADO porque comprende las siguientes etapas:

a. proveer agregados y una dosificación de una matriz aglomerante para el hormigón, dicha dosificación consiste en el cociente agua/material cementante de la matriz y debe estar en el rango 0,20-0,50;

b. realizar un análisis de los agregados livianos por fracción de tamaño midiendo la distribución de tamaño de poros de cada fracción;

c. realizar un análisis de la matriz aglomerante midiendo su resistencia mecánica;

d. definir la cantidad absoluta y relativa de las fracciones de agregados de manera de cumplir con los siguientes requerimientos: para tamaño de poros de hasta 10 μπι se

3 debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 15%; para tamaño de poros de hasta 40 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 50%; para tamaño de poros de hasta 100 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 75%; para tamaño de poros de hasta 200 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 90%; para tamaño de poros de hasta 300 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 100%;

e. considerar los análisis realizados en las etapas b) y c) y evaluar si se cumplen los siguientes criterios:

i. un volumen total de aire en los agregados livianos seleccionados entre un 30% y un 99%;

ii. un volumen total de aire en el hormigón aportado por los agregados livianos entre un 15% y un 75%;

iii. un volumen máximo de matriz aglomerante de 50% del volumen total del hormigón;

f. si no se cumplen dichos criterios, repetir los pasos a) a e), si se cumplen dichos criterios, seleccionar los agregados analizados y la dosificación para la matriz aglomerante analizada como los componentes seleccionados del hormigón estructural liviano; y

g. fabricar un hormigón con dichos agregados seleccionados, dicha matriz seleccionada y dicha dosificación.

8. El método de fabricación de hormigón de acuerdo a la reivindicación 7, CARACTERIZADO porque dicho análisis de los agregados livianos en la etapa b) se realiza midiendo la distribución de la porosidad mediante tomografía computacional.

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9. El método de fabricación de hormigón de acuerdo a la reivindicación 7, CARACTERIZADO porque dichos agregados provisto en la etapa a) incluyen componentes amorfos y en la etapa b) también se realizar un análisis de dichos componentes amorfos presentes por fracción de tamaño midiendo la distribución de tamaño de poros de cada fracción y dicho análisis de dichos componentes amorfos se realiza midiendo la distribución de la porosidad mediante tomografía computacional y se mide su conductividad térmica.

10. El método de fabricación de hormigón de acuerdo a la reivindicación 9, CARACTERIZADO porque en la etapa e) se agrega el criterio en que la conductividad térmica de dichos componentes amorfos debe ser inferior a 0,2 W/mK.

11. Un hormigón estructural y liviano, CARACTERIZADO porque es constituido por: a) una matriz aglomerante correspondiente a un rango de 20 - 50% en volumen del volumen total del hormigón que comprende:

i. un cemento Portland Tipo I, II, III, IV o V, o una mezcla de ellos, según norma ASTM C 150, en una dosis de al menos 100 kg/m3 de hormigón; ii. materiales cementicios suplementarios en una proporción de hasta 4 veces en volumen de cemento Portland;

iii. con un cociente (en volumen) de agua a cemento y materiales cementicios suplementarios en un rango de 0,20 - 0,70;

iv. un volumen máximo de hidróxido de calcio (CH) de 10%; y b) agregados livianos correspondientes a un rango entre 30 - 80% del volumen total del hormigón;

en donde el hormigón tiene una resistencia a la comprensión, luego de 28 días de edad, de al menos 10 MPa, una densidad inferior a 1,4 t/m3, una conductividad térmica inferior a 0,288; a

5 23°C y 50% de humedad relativa y un cociente de resistencia a densidad Qa/p de al menos 17 (MPa*m3/t).

12. El hormigón de la reivindicación 11, CARACTERIZADO porque tiene una resistencia a la comprensión, luego de 28 días de edad, de al menos 13 MPa.

13. El hormigón de la reivindicación 11, CARACTERIZADO porque tiene una conductividad térmica inferior a 0,185; a 23 °C y 50% de humedad relativa.

14. El hormigón de la reivindicación 11 , CARACTERIZADO porque tiene un cociente de resistencia a densidad Qa/p de al menos 25 (MPa*m3/t).

15. El hormigón de la reivindicación 11, CARACTERIZADO porque dicho hormigón es además de baja conductividad térmica y tiene un cociente de resistencia a conductividad de al menos Qa/λ = 60 (MPa*m*K)/W.

16. El hormigón de la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque tiene un cociente de resistencia a conductividad de al menos Qa/λ = 70(MPa*m*K)/W.

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Description:
HORMIGONES ESTRUCTURALES LIVIANOS Y/O AISLANTES TÉRMICOS DE COCIENTE RESISTENCIA/DENSIDAD Y/O RESISTENCIA/CONDUCTIVIDAD

SUPERIORES Y SUS MÉTODOS DE FABRICACIÓN

MEMORIA DESCRIPTIVA

CAMPO DE APLICACIÓN

La presente invención se relaciona con las industrias relacionadas al cemento, particularmente relacionadas con el diseño, la fabricación y la obtención de un hormigón para estructuras en hormigón armado mezclado in-situ, premezclado o en uso de tecnologías de prefabricación, también para estructuras en hormigón sin armadura como en bloques de albañilería y fundaciones, utilizados en la construcción de estructuras de vivienda y de altura y de infraestructura en general. El objeto de la presente invención consiste en un hormigón estructural, liviano y de baja conductividad térmica y su método de fabricación.

ANTECEDENTES

Antecedentes en torno a la eficiencia energética y aislación térmica de edificaciones:

En el mundo actual, la eficiencia energética de las viviendas y espacios de trabajo ha tomado relevancia y se busca disminuir su consumo energético. Además, el hormigón es el material de construcción más utilizado en el mundo, dadas sus prestaciones arquitectónicas, estructurales y constructivas. Sin embargo, la conductividad térmica de los hormigones convencionales es elevada y, en la mayoría de los climas, es insuficiente para otorgar una adecuada resistividad térmica, requiriendo a menudo de un aislamiento térmico adicional, en casas construidas con estos materiales. Para evitar y simplificar la construcción de estas viviendas, según el entorno en que son ubicadas, se busca desarrollar y producir un hormigón que presente una resistencia a la compresión suficiente para que pueda tener una función estructural y, a la vez, tenga una conductividad térmica suficientemente baja. Por lo que adicionalmente a las cualidades tradicionalmente buscadas en un hormigón, tal como la trabajabilidad, la constructabilidad y la resistencia a la compresión, se busca desarrollar y producir un hormigón estructural y de baja conductividad térmica que pueda reemplazar los materiales existentes y utilizados en estructuras con una resistencia a la compresión de al menos 10 MPa y una conductividad térmica menor a 0,288 W/(m*K) (watts por metro por grado Kelvin) para ser considerado como un buen aislante. Se debe notar que se considera a una conductividad térmica entre 0,288 y 0,721 W/(m*K) como un aislante moderado y a una conductividad térmica superior a 0,721 W/(m*K) como un aislante pobre. Por ejemplo, los ladrillos cerámicos sólidos pueden tener una conductividad térmica mínima de 0,8 W/(m*K) y los ladrillos cerámicos huecos una conductividad térmica mínima de 0,75 W/(m*K) correspondientes a aislantes pobres y una resistencia a la compresión alrededor de 8 MPa. Por lo que se busca producir un hormigón con un compromiso equilibrado entre la conductividad térmica y la resistencia a la compresión, siendo un buen aislante térmico y con un mínimo de resistencia a la compresión, siendo superior al ladrillo cerámico.

Antecedentes en torno al peso propio de elementos estructurales y de edificaciones:

El peso propio de los elementos estructurales y, por lo tanto, la densidad de los materiales utilizados definen en gran medida la capacidad estructural del elemento. Esto debido a que el elemento estructural como, por ejemplo, un muro en hormigón debe siempre resistir su propio peso además de las cargas impuestas en el diseño. Por lo anterior, un material utilizado será más competitivo en la medida que su capacidad para resistir cargas adicionales aumenta, lo que se puede lograr con un aumento de su resistencia y/o con una disminución de su propio peso. Este factor cobra mayor relevancia al considerar el efecto que pueda tener un menor peso propio de los elementos estructurales, en la reducción de las solicitaciones sísmicas y del tamaño de las fundaciones. Más aun cuando se trabaja con tecnologías de hormigón prefabricado, donde los costos de transporte y montaje son proporcionales al peso de estos elementos.

Por lo que adicionalmente a las cualidades tradicionalmente buscadas en un hormigón, tal como la trabajabilidad, constructabilidad y la resistencia a la compresión, se busca desarrollar y producir un hormigón estructural y de baja densidad que pueda reemplazar los materiales existentes y utilizados en estructuras de edificación en altura e infraestructura en general, en donde el bajo peso implique una ventaja, con una resistencia a la compresión cilindrica de al menos 20 MPa y una densidad menor a 1 ,2 t/m 3 (toneladas por metro por metro cúbico). Se debe notar que se considera a un hormigón con una densidad bajo 1 ,85 t/m 3 como un hormigón liviano.

Antecedentes en torno al equilibrio entre las propiedades mecánicas y físicas:

Para efecto de evaluar este compromiso entre propiedades mecánicas y física, se definen dos cocientes: un cociente de resistencia a conductividad térmica y otro cociente de resistencia a densidad, y son definidos como:

Qa/λ = Resistencia a la compresión (a 28 días de edad) / conductividad térmica, en

(MPa*m*K)/W (Megapascal, metro y grado Kelvin por Watt), con lo cual el ladrillo de albañilería tiene un cociente Qa/λ = 10 (MPa*m*K)/W y el hormigón convencional tiene un cociente entre Qa/λ = 15 y 45 (MPa*m*K)/W.

Q^/p = Resistencia a la compresión (a 28 días de edad)/densidad, en (MPa*m 3 )/t

(Megapascal, metro cúbico por tonelada), con lo cual el hormigón convencional tiene un cociente entre Qa/p = 10 y 18 (MPa*m 3 )/t.

Se conocen diferentes tipos de hormigones, como por ejemplo el hormigón liviano de baja conductividad térmica. Por ejemplo, en el documento US2010/021551 se divulga una formulación de hormigón liviano capaz de proveer suficiente resistencia a la compresión para un hormigón estructural y baja conductividad térmica. Se indica que los hormigones convencionales tienen una conductividad térmica a 23 °C y 50% de humedad relativa de 1,3 a 2,1 W/(m*K) (watts por metro por grado Kelvin) y que los hormigones livianos, estructurales y convencionales tienen una conductividad térmica generalmente mayor a 0,8 W/(m*K) para las mismas condiciones, es decir corresponden a un aislante pobre. Este documento divulga un ejemplo de hormigón fabricado con una conductividad térmica de 0,52 W/(m*K) es decir un aislante moderado y con un resistencia a la compresión (a los 28 días de edad medida en probetas cilindricas) de 29 MPa que supera ampliamente el ladrillo de albañilería, con un cociente Qa/λ = 55,8 (MPa*m*K)/W. No obstante, el hormigón desarrollado en dicho documento no alcanza a obtener un rendimiento térmico satisfactorio para ser considerado como un buen aislante.

Se conoce otro tipo de hormigón con una baja conductividad térmica, producido principalmente con un grado de porosidad dentro de los agregados. Este tipo de hormigón presenta usualmente una resistencia a la compresión demasiado baja para utilizarse en estructura de albañilería. Por ejemplo, en el documento US2013/098270 se describe producir un ejemplo de hormigón con una conductividad térmica de 0,163 W/(m*K), es decir un buen aislante pero una resistencia a la compresión (a 28 días de edad) de tan solo 8,5 MPa, lo cual es similar al ladrillo cerámico, lo que implica un cociente de resistencia a conductividad de Qa/λ = 50,06(MPa*m*K)/W, se considera que la resistencia a la compresión no es suficiente para reemplazar y mejorar la edificación de albañilería con, por ejemplo, ladrillos cerámicos. Se busca producir un hormigón que sea buen aislante pero mejore la resistencia a la compresión.

Antecedentes en torno a la micro estructura:

El hormigón puede considerarse como un material compuesto de dos fases: una matriz aglomerante que es preparada como pasta cementicia, típicamente una pasta hidrata de cemento Portland, y los agregados, tales como grava, gravilla y arena, en forma de partículas gruesas o finas que son incorporadas a dicha pasta mediante una mezcla que, luego, es colocada en moldajes (encofrados) y es dejada endurecer en diferente modalidades según el tipo de hormigón y el tipo de construcción utilizada (hormigón armado mezclado in-situ, premezclado o en uso de tecnologías de prefabricación, y estructuras en hormigón con armadura pasiva, activa o sin armadura como bloques para albañilería).

Con respecto a la matriz del hormigón, esta es la fase que provee la resistencia mecánica al material, aglomerando los agregados. Los principales productos de hidratación en la matriz es una pasta cementicia son silicatos de calcio hidratados (CSH) (50 - 60% en peso), hidróxido de calcio (CH) (20 - 25% en peso) y cemento no hidratado (3 a 8%).

La matriz constituida a partir del CSH presenta una estructura que varía de un bajo grado de cristalinidad a una red reticular, a diferencia del CH y de fases del cemento Portland (silicatos tricálcicos, silicatos bicálcicos aluminatos tricálcicos y ferroaluminatos tetracálcicos), que presentan una estructura cristalina. Siendo de bajo grado de cristalinidad, se estima que el CSH presenta una menor conductividad térmica que el CH y fases del cemento Portland no hidratadas. Además, el CSH provee la capacidad aglomerante y de resistencia mecánica al hormigón. Se conoce que en presencia de materiales cementicios suplementarios y disponibilidad de agua, el CH se transforma en CSH y se promueve una disminución del cemento Portland no hidratado. Por lo tanto, se busca minimizar la cantidad de CH, cemento Portland no hidratado y obtener una mayor cantidad de CSH para una matriz con fase amorfa que permita contribuir en la resistencia mecánica y, al mismo tiempo, disminuir la conductividad térmica del hormigón. Adicionalmente, se busca utilizar la mayor parte del agua inicialmente contenida en la matriz aglomerante, de manera a vaciar los poros en su interior que contengan agua y álcalis (solución de poros) y reemplazarlos por aire. En efecto, la optimización de los componentes de la matriz genera cambios en la microestructura de la pasta, que a su vez repercutan en la resistencia a la compresión y la conductividad térmica. Por otra parte, la porosidad de los agregados livianos disminuye la conductividad térmica del hormigón, ya que el aire encapsulado es un buen aislante térmico. Sin embargo, no todos los poros tienen el mismo efecto en la conductividad térmica y la resistencia mecánica. Entonces, se busca obtener un refinamiento de poros, maximizar la distribución espacial de poros, minimizar el tamaño máximo de poros y minimizar el contenido de humedad al interior de los poros del hormigón y lograr una matriz aglomerante amorfa que permita disminuir la conductividad térmica del hormigón producido.

PROBLEMA TECNICO

En la presente invención se busca diseñar y producir hormigones que posean un balance entre las propiedades físicas y mecánicas significativamente superiores a los existentes en la actualidad. Por ejemplo, un hormigón suficientemente resistente a la compresión, mayor que 9 MPa, para poder superar el ladrillo cerámico en estructuras de albañilería y con una conductividad térmica que permita ser un buen aislante térmico, inferior a 0,288 W/(m*K) pero con un buen compromiso entre ambas propiedades medible con el cociente Qa/λ y que sea, por ejemplo, mayor a 60 (MPa*m*K)/W. En otro ejemplo, un hormigón suficientemente resistente para construcción de edificación en altura con una resistencia a compresión mayor que 25 MPa y con una densidad menor a 1 t/m 3 pero con un buen compromiso entre resistencia y densidad y, por ejemplo, un cociente Qa/p mayor o igual a 15 (MPa*m 3 )/t .

SOLUCION TECNICA

El hormigón liviano y aislante térmico de la presente invención es un material en donde sus fases principales (matriz y agregados) han sido optimizadas para disminuir significativamente la conductividad térmica y/o la densidad con el menor detrimento posible en la resistencia mecánica aumentando así sus respectivos cocientes Qa/λ y/o Qa/p sobre los rangos típicamente presentes en un hormigón. La densidad del hormigón y su conductividad térmica disminuyen al aumentar el volumen total de poros con aire en su interior. La conductividad térmica del aire disminuye a medida que disminuye el tamaño de los poros en su interior que contienen dicho aire. Por lo tanto, la disminución, en la distribución, del tamaño de los poros en el hormigón permite reducir la conductividad térmica al disminuir los puentes térmicos a través de la matriz, considerando hormigones de igual porosidad total.

La resistencia mecánica del hormigón tiende a disminuir al aumentar el volumen total de poros en su interior, sin embargo, dicha disminución está gobernada por la distribución de los poros en su interior. Esto se refiere tanto a la distribución espacial de los poros como a su tamaño, esto se refiere específicamente: a la distribución de los poros entre las fases del agregado grueso, del agregado fino y de la matriz aglomerante y, también, a la distribución de dicha porosidad en relación al tamaño de poros en su interior.

En el hormigón liviano y aislante térmico de la presente invención, la matriz aglomerante presenta una mayor conductividad térmica que los agregados, por lo que el calor fluye mayoritariamente por ésta, controlando así la conductividad térmica del hormigón. Considerando lo anterior, la matriz aglomerante de acuerdo a esta invención presenta una conductividad térmica considerablemente menor a las matrices de hormigones convencionales y de hormigones livianos ya existentes. Esto se logra mediante la obtención de una matriz aglomerante de microestructura amorfa (minimizando su cristalinidad) y un máximo de aire en los poros (minimizando el volumen de solución de poros). La obtención de una matriz aglomerante amorfa contribuye adicionalmente a un aumento de la resistencia mecánica de ésta y, por lo tanto, del hormigón en su conjunto.

La sinergia entre la estructura amorfa de la matriz aglomerante en estado endurecido, su contenido de aire versus la solución de poros, junto con una distribución homogénea de éstos y la selección de los agregados según el refinamiento de sus poros presentes, permite que el hormigón de la presente invención posea una conductividad térmica menor o igual a 0,19 W/(m*K), una densidad menor o igual a 1,4 t/m 3 y una resistencia a la compresión cilindrica mayor o igual a 10 MPa. Esto incluso permite un cociente de resistencia a conductividad de mayor a Qa/λ = 70 (MPa*m*K)/W y un cociente de resistencia a densidad Qa/p mayor a 25 (MPa*m 3 /t).

VENTAJAS DE LA PRESENTE INVENCION

Con el hormigón de la presente invención se permite una construcción sustentable de alto confort térmico y acústico. Adicionalmente, el proceso constructivo es similar al de un hormigón convencional, siendo el tiempo de construcción y costos menor en comparación con muros de hormigón convencional con una aislación interior o exterior.

El hormigón de la presente invención permite reemplazar la albañilería con un producto de mayor resistencia a la compresión y menor conductividad térmica.

Adicionalmente, la estructura porosa del hormigón y la matriz aglomerante principalmente amorfa y mayoritariamente con aire en lugar de solución de poros, permite una mejor absorción acústica y una mejor resistencia al fuego.

RESUMEN

La presente invención consiste en un método para fabricar un hormigón estructural, liviano y/o con baja conductividad térmica que comprende las etapas de analizar los poros de los agregados y la fase cristalina de la matriz aglomerante y seleccionar los agregados y la mezcla para la matriz aglomerante según criterios definidos.

La presente invención consiste también en un hormigón estructural, liviano y de baja conductividad térmica, constituido por:

a) una matriz aglomerante correspondiente a un rango de 20 - 50% en volumen del volumen total del hormigón que comprende: i. un cemento Portland Tipo I, II, III, IV o V, o una mezcla de ellos, según norma ASTM C 150, en una dosis de al menos 100 kg/m 3 de hormigón;

11. materiales cementicios suplementarios en una proporción volumétrica de hasta 4 veces en volumen de cemento Portland;

ni. con un cociente (en volumen) de agua a cemento y materiales cementicios suplementarios en un rango de 0,20

IV. un volumen máximo de hidróxido de calcio (CH) de 10%; y b) agregados correspondientes a un rango entre 30 - 80% del volumen total del hormigón;

en donde el hormigón tiene una resistencia a la comprensión, luego de 28 días de edad, de al menos 10 MPa, una densidad inferior a 1 ,4 t/m 3 , una conductividad térmica inferior a 0,288 (a 23°C y 50% de humedad relativa), un cociente de resistencia a conductividad de al menos Qa/λ = 60 (MPa*m*K)/W y un cociente de resistencia a densidad Qa/p de al menos 17 (MPa*m 3 /t).

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 ilustra un gráfico de la distribución del volumen de poros aportado por los agregados livianos en el hormigón en función del tamaño de poros. Permite comprobar el efecto del volumen de aire acumulado con respecto a cierto tamaño de poros.

La figura 2 muestra la distribución del volumen de aire en los poros según el tamaño de poros para hormigones con diferentes agregados livianos. Permite apreciar el grado de refinamiento de los poros, analizando la distribución del volumen de poros en función del tamaño de poros según los agregados livianos.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

La presente invención consiste en hormigones estructurales livianos y aislantes térmicos que presentan cocientes Qa/λ y/o Qa/p superiores a los del hormigón convencional o de hormigones livianos existentes y su método de obtención. Permite obtener un hormigón con resistencia estructural y superior a aquella de los ladrillos cerámicos y características de buen aislante térmico. Asimismo, se puede obtener un hormigón con resistencia a la compresión de rango estructural según la norma ACI318 y con densidades inferiores a 1 ,0 t/m 3 .

De acuerdo a la presente invención, los hormigones estructurales livianos y aislantes térmicos llegan a presentar un cociente Qa/λ mayor a 60 (MPa*m*K)/W, preferentemente mayor a 70 (MPa*m*K)AV.

La presente invención también consiste en hormigones estructurales livianos que presentan un cociente Qa/p mayor a 17 (MPa*m 3 /t), preferentemente mayor a 25 (MPa*m 3 /t). Los parámetros de los criterios indicados a continuación son determinantes en el comportamiento físico relacionado a la densidad, al comportamiento mecánico y/o a la conductividad térmica de un hormigón, estos parámetros son utilizados en el método de la presente invención. De acuerdo a la presente invención, el método de fabricación de hormigones estructurales livianos y aislante térmico comprende las siguientes etapas:

a. Proveer agregados que pueden incluir componentes amorfos y una dosificación de una matriz aglomerante para el hormigón; dicha dosificación consiste en el cociente agua/material cementante de la matriz y debe estar en el rango 0,20-0,70; b. Realizar un análisis de los agregados livianos y dichos componentes amorfos presentes por fracción de tamaño midiendo la distribución de tamaño de poros de cada fracción;

c. Realizar un análisis de la matriz aglomerante, midiendo su contenido de CH y volumen de poros;

d. Definir la cantidad absoluta y relativa de las fracciones de agregados de manera de cumplir con los siguientes requerimientos: para tamaño de poros de hasta 10 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 15% y un contenido mínimo de aire acumulado de 10%; para tamaño de poros de hasta 40 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 50% y un contenido mínimo de aire acumulado de 20%; para tamaño de poros de hasta 100 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 75% y un contenido mínimo de aire acumulado de 30%; para tamaño de poros de hasta 200 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 90% y un contenido mínimo de aire acumulado de 40%; para tamaño de poros de hasta 300 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 100% y un contenido mínimo de aire acumulado de 43%;

e. Considerar los análisis realizados en las etapas b) y c) y evaluar si se cumplen los siguientes criterios:

i. un volumen total de aire en los agregados livianos seleccionados entre un 50% y un 99%;

ii. un volumen total de aire en el hormigón aportado por los agregados livianos entre un 25% y un 75%;

iii. un volumen máximo de matriz aglomerante de 50% del volumen total del hormigón;

iv. un volumen total de poros en la matriz aglomerante de 10-30% con respecto al volumen total de la matriz;

v. un porcentaje máximo de CH en la matriz aglomerante de 10%; f. si no se cumplen dichos criterios, repetir los pasos a) a e), si se cumplen dichos criterios, seleccionar los agregados analizados y la dosificación para la matriz aglomerante analizada como los componentes seleccionados del hormigón estructural liviano y con baja conductividad térmica; y g. fabricar un hormigón con dichos agregados candidatos y dicha matriz candidata según dicha dosificación, tal como es conocido en el estado de la técnica.

De acuerdo a un aspecto preferido de la presente invención, dicho análisis de los agregados livianos en la etapa b) se realiza midiendo la distribución de la porosidad mediante tomografía computacional (CT sean). Este ensayo permite analizar en 3D el volumen y distribución de poros mayores a 1 μιη (depende del tamaño de la partícula). El volumen de aire de poros menores a 1 μπι se calcula mediante la diferencia de la porosidad medida por CT sean y la porosidad total del agregado medida de acuerdo al ACI213.

De acuerdo a un aspecto preferido de la presente invención, dicho análisis de los otros componentes amorfos en la etapa b) se mide de la distribución de la porosidad mediante CT sean y se mide su conductividad térmica. La conductividad térmica de estos debe ser de 0,2 W/mK como máximo.

De acuerdo a un aspecto preferido de la presente invención, dicho análisis de la matriz aglomerante en la etapa c) midiendo su contenido de CH y volumen de poros, se realiza midiendo el contenido de los productos de hidratación mediante simulaciones y se analizan muestras de matrices aglomerantes candidatas mediante XRD, XRF y/o TGA.

De acuerdo a un aspecto preferido de la presente invención, se recomienda que el agregado de menor tamaño tenga un tamaño de al menos la mitad de la fracción de mayor tamaño de dicho agregado.

De acuerdo a otro objeto de la presente invención, un método de fabricación de hormigones estructurales livianos comprende las siguientes etapas:

a. Proveer agregados que pueden incluir componentes amorfos y una dosificación de una matriz aglomerante para el hormigón, dicha dosificación consiste en el cociente agua/material cementante de la matriz y debe estar en el rango 0,20-0,50; b. Realizar un análisis de los agregados livianos y dichos componentes amorfos presentes por fracción de tamaño midiendo la distribución de tamaño de poros de cada fracción;

c. Realizar un análisis de la matriz aglomerante midiendo su resistencia mecánica; d. Definir la cantidad absoluta y relativa de las fracciones de agregados de manera de cumplir con los siguientes requerimientos: para tamaño de poros de hasta 10 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 15%; para tamaño de poros de hasta 40 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 50%; para tamaño de poros de hasta 100 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 75%; para tamaño de poros de hasta 200 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 90%; para tamaño de poros de hasta 300 μπι se debe tener un contenido mínimo de volumen de aire distribuido de 100%;

e. Considerar los análisis realizados en las etapas b) y c) y evaluar si se cumplen los siguientes criterios:

i. un volumen total de aire en los agregados livianos seleccionados entre un 30% y un 99%;

ii. un volumen total de aire en el hormigón aportado por los agregados livianos entre un 15% y un 75%;

iii. un volumen máximo de matriz aglomerante de 50% del volumen total del hormigón;

f. si no se cumplen dichos criterios, repetir los pasos a) a e), si se cumplen dichos criterios, seleccionar los agregados analizados y la dosificación para la matriz aglomerante analizada como los componentes seleccionados del hormigón estructural liviano; y fabricar un hormigón con dichos agregados candidatos, dicha matriz candidata dicha dosificación, tal como es conocido en el estado de la técnica.

De acuerdo a un aspecto preferido y de manera similar al método para fabricar hormigón estructural liviano y aislante térmico previamente descrito, dicho análisis de los agregados livianos en la etapa b) se realiza midiendo la distribución de la porosidad mediante CT sean.

De acuerdo a un aspecto preferido de la presente invención, dicho análisis de los otros componentes amorfos en la etapa b) se mide de la distribución de la porosidad mediante CT sean y se mide su conductividad térmica. La conductividad térmica de estos debe ser de 0,2 W/mK como máximo.

A continuación se resume en la tabla 1 , las condiciones a cumplir de los agregados en la etapa d) de los métodos de fabricación de hormigón de acuerdo a la invención, en cantidad absoluta y relativa de las fracciones de agregados:

Tabla 1 : Criterios de volumen y distribución del aire de los agregados

Para la presente invención, los materiales cementantes y considerados de la matriz son el cemento Portland Tipo I, II, III, IV, V o una mezcla de éstos, según norma ASTM C 150. En efecto, la matriz puede estar compuesta por cemento Portland, materiales cementicios suplementarios, aditivos químicos y agua. Los materiales cementicios suplementarios considerados son tales como: cenizas volantes, micro sílice, nano sílice, puzolanas, naturales, arcilla calcinada, escoria de alto horno, lutita calcinada, ceniza de cascarilla de arroz, cenizas de residuos madereros o una mezcla de ellas y otros materiales que generen una reacción puzolánica por su contenido de silicatos o aluminatos.

Los aditivos químicos considerados son tales como plastificantes, plastificantes de alto rango, incorporadores de aire, modificadores del tiempo de fraguado (acelerantes o retardantes), viscocificantes, reductores de la retracción, facilitadores de la hidratación, agentes de curado, ya sea en base a carboxilatos, oleatos, sulfonatos, celulosa, estírenos-butadienos, entre otros típicamente utilizados en el hormigón.

Los agregados considerados son agregados livianos y otros agregados de estructura amorfa. En su conjunto componen a los agregados de los hormigones de la presente invención. Los agregados livianos poseen una mayor porosidad que los agregados pétreos y naturales que son usados convencionalmente. Pueden ser de origen natural (piedra pómez, vermiculita) o producidos industrialmente (cenizas volantes, micro sílice, nano sñice, puzolanas, naturales, arcilla calcinada, escoria de alto horno, lutita calcinada, ceniza de cascarilla de arroz, vidrio). Se desea que la materia prima del agregado sea en base a un material amorfo en lugar de un material cristalino, ya que los primeros presentan normalmente una menor conductividad térmica.

Otros componentes de estructura amorfa considerados son polímeros termoplásticos, elastomeros o fibras, tales como poliestireno, caucho, polipropilenos o acrilonitrilo butadieno estireno. Estos componentes disminuyen la conductividad térmica del hormigón debido a la baja conductividad térmica que poseen, menor a 0,2 W/mK. Los agregados pueden ser: a) Agregados livianos artificiales: preparados por expansión, peletización, sinterización u otro método, como por ejemplo la arcilla expandida, lutita expandida, pizarra expandida, perlita expandida, vidrio expandido, vermiculita, diatomita, cenizas volantes, escoria de alto horno, microesferas de vidrio, cenoesferas, entre otros;

b) Agregados livianos naturales: piedra pómez, vermiculita, diatomita, entre otros;

c) Polímeros termoplásticos, elastómeros o fibras, tales como poliestireno, caucho, polipropilenos o acrilonitrilo butadieno estireno.

A continuación, se ilustra la presente invención mediante un ejemplo. Este ejemplo debe entenderse como ilustrativo de la presente invención y no pretende restringir la invención en modo alguno.

EJEMPLOS

A continuación, en la tabla 2 se divulgan ejemplos de la presente invención. Los hormigones 1 , 3 y 4 fueron diseñados de acuerdo al método para obtener hormigones estructurales livianos y aislantes térmicos de acuerdo a la presente invención. El hormigón 3 fue diseñado de acuerdo al método de fabricación de un hormigón estructural liviano de acuerdo a la presente invención. Los hormigones 2 y 5 son utilizados para comparar la efectividad del método. Los agregados de arcilla expandida y vidrio expandido se encuentran en estado saturado superficialmente seco (SSS), para lo cual fue sumergida en agua por 24 hrs y luego llevada a la condición SSS.

Tabla 2: Dosificaciones de hormigones

Hormigón 1 2 3 4 5

Cemento 170 240 285 285 334

FA 192 145 172 172 0 SF 0 34 40 40 0

Agua 145 167 199 199 132

Superplastificante 1.80 2 2.30 2.30 0.67

Arena normal 0 0 0 0 214

Arcilla expandida φ 0-5 mm 0 0 0 0 297

Arcilla expandida φ 10-20 mm 0 0 0 0 400

Lutita expandida φ 10-20 mm 0 0 0 0 0

Vidrio expandido φ 0.1-0.3 mm 160 0 117 0 0

Vidrio expandido φ 0.25-0.5 mm 0 90 90 0 0

Vidrio expandido φ 0.5 -1 mm 123 50 54 270 0

Vidrio expandido φ 1-2 mm 84 62 86 0 0

Vidrio expandido φ 2-4 mm 69 92 0 0 0

Se puede observar en las figuras 1 y 2 que, utilizando el método de fabricación de la presente invención, los hormigones 1 , 3 y 4 cumplen con los requisitos de la Tabla 1.

Por otro lado, el hormigón 2 cumple con los requisitos del contenido mínimo del volumen de aire distribuido, pero no cumple con el volumen mínimo de aire acumulado. El hormigón 5 no cumple con ninguno de los requisitos anteriores. Los hormigones 3 , 4 y 5 tienen un contenido total de aire similar, como se aprecia en la tabla 3. Sin embargo, de la figura 1 y la tabla 3 se aprecia que un mayor refinamiento del volumen de aire acumulado incrementa la eficiencia del cociente entre resistencia a la compresión y conductividad térmica. Por otro lado, incrementar el volumen de aire tampoco asegura una mayor eficiencia. El hormigón 1 presenta un menor contenido de aire que el hormigón 2, pero un mayor volumen de aire para tamaños de poros menores a 40 μιη. Esto resulta en que el hormigón 1 tenga mayor resistencia a la compresión y menor conductividad térmica que el hormigón 2. Por otro lado, el hormigón 3 es el único de estos ejemplos que cumple con los requisitos de los hormigones estructurales livianos, ya que cociente Qa/p es mayor o igual a 25.

Tabla 3

La tabla 4 muestra las propiedades de las matrices cementicias usadas en los hormigones de prueba. El hormigón 1 presenta una matriz A, los hormigones 2, 3 y 4 presentan la matriz B y el hormigón 5 presenta la matriz C. Tabla 4

Matriz Aglomerante A 1 B 2 C 3

Dosis Cemento (kg/m3) 608 751 1392

Dosis Ceniza Volante (kg/m3) 686 452 0

Dosis microsílice (kg/m3) 0 105 0

Dosis Agua (kg/m3) 518 523 557 CH (%) 7,0 8,8 17,2

CSH (%) 20,9 26,8 47,1

CSH/CH 3,04 2,98 2,75

Densidad fresca (t/m3) 1,81 1,83 1,95

Densidad endurecida seca (t/m3) 1,68 1,70 1,81

Resistencia a la compresión cilindrica a 28 días (MPa) 45,6 62,0 73,1

Conductividad térmica seca (W/mK) 0,43 0,45 0,68

Conductividad térmica a 23°C y 50% HR (W/mK)2 0,49 0,52 0,78

Cociente resistencia a conductividad térmica Qa/λ

((MPa*m*K)AV) 105 138 107

1: Matriz aglomerante presente en mezcla 1 de Tabla 2

2: Matriz aglomerante presente en mezcla 2, 3 y 4 de Tabla 2

3: Matriz aglomerante presente en mezcla 5 de Tabla 2

Se puede observar en la tabla 4, que, utilizando el método de diseño de la presente invención, las matrices aglomerantes A y B cumple con un porcentaje máximo de volumen de CH en la matriz aglomerante bajo 10%.