MX2008009251A - Mezcla de material de construccion aditivo que incluye microparticulas con capas apolares - Google Patents

Abstract

La invención trata del uso de microparticulas poliméricas con envolturas apolares en mezclas para material de construcción que curan hidráulicamente, para mejorar su resistencia a la congelación y/o su resistencia a la congelación-descongelación.

Description

MEZCLAS DE MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN ADITIVO QUE INCLUYE MICROPARTÍCULAS CON CAPAS APOLARES La presente invención se refiere al uso de micropartículas poliméricas en mezclas de material de construcción que se fija de manera hidráulica, para el propósito de mejorar su resistencia a las heladas y la durabilidad contra la congelación / deshielo cíclicos. Los factores decisivos que afectan la resistencia del concreto a las heladas y a la congelación / deshielo cíclicos bajo exposición simultánea a agentes de deshielo son la impermeabilidad de su microestructura, una cierta resistencia de la matriz, y la presencia de cierta microestructura de poros. La microestructura de un concreto ligado con cemento es atravesada por poros capilares (radio: 2 µm - 2 mm) y poros de gel (radio: 2 - 50 nm). El agua presente en estos poros difiere en su estado en función del diámetro del poro. Mientras que el agua en los poros capilares retiene sus propiedades comunes, el agua en los poros de gel se clasifica como agua condensada (mesoporos: 50 nm) y agua superficial ligada por adsorción (microporos: 2 nm), cuyos puntos de congelación pueden por ejemplo estar por debajo de - 50°C [M. J. Setzer, Interacción del agua con pasta de cemento endurecida, Transacciones de Cerámica 16 (1991) 415 -39]. Como consecuencia, incluso cuando el concreto se enfría a bajas temperaturas, una parte del agua en los poros permanece sin congelarse (agua metaestable). Sin embargo, para una temperatura dada, la presión del vapor sobre el hielo es menor que la presión sobre el agua. Debido a que está presente el hielo y el agua metaestable uno junto a la otra de manera simultánea, se desarrolla un gradiente de vapor - presión que produce la difusión del agua todavía líquida al hielo y a la formación de hielo a partir del agua mencionada, lo que resulta en la eliminación del agua de los poros más pequeños o la acumulación de hielo en los poros más grandes. Esta nueva distribución del agua como resultado del enfriamiento se lleva a cabo en todo el sistema poroso y depende de manera crítica en el tipo de distribución de los poros. La introducción artificial de poros de aire microfinos en el concreto por lo tanto da origen sobre todo a los llamados espacios de expansión para expandir el hielo y el hielo - agua. Dentro de estos poros, el agua de congelación puede expandir o la presión interna y las tensiones del hielo y el hielo - agua pueden ser absorbidas sin la formación de microgrietas y por lo tanto sin daño provocado por la helada al concreto. La forma fundamental en la cual actúan estos sistemas de poros de aire ha sido descrita, en conexión con el mecanismo del daño contra las heladas al concreto, en un gran número de revisiones [Schulson, Erland M. (1998) Daño del hielo al concreto. Informe Especial CRREL 98 - 6; S. Chatterji, Congelación de materiales basados en cemento con aire ocluido y acciones específicas de los agentes con aire ocluido, Compuestos de Cemento y Concreto 25 (2003) 759 - 65; G. W. Scherer, J. Chen & J. Valenza, Métodos para proteger el concreto contra el daño por congelación, Patente de los Estados Unidos 6,485,560 B1 (2002); M. Pigeon, B. Zuber & J. Marchand, Resistencia a la congelación / deshielo, Tecnología Avanzada del Concreto 2 (2003) 11/1 - 11/17; B. Erlin & B. Mather, Un nuevo proceso mediante el cual la congelación cíclica puede dañar el concreto - el efecto Erlin / Mather, Investigación del Cemento y Concreto 35 (2005) 1407 - 11]. Una precondición de la resistencia mejorada del concreto en la exposición al ciclo de congelación y deshielo es que la distancia de cada punto en el cemento endurecido desde el próximo poro de aire artificial no exceda un valor definido. Esta distancia también se conoce como el "Factor de espaciado de Powers" [T. C. Powers, El requerimiento de aire del concreto resistente a las heladas, Procedimientos del Consejo de Investigación de Autopistas 29 (1949) 184 - 2002]. Las pruebas de laboratorio han demostrado que exceder el "Factor de espaciado de Powers" crítico de 500 µm provoca daño en el concreto en el ciclo de congelación y deshielo. Con la finalidad de lograr esto con un contenido de poro de aire limitado, el diámetro de los poros de aire introducidos artificialmente debe por lo tanto ser menor a 200 - 300 µm [K. Snyder, K. Natesaiyer & K. Hover, Las propiedades estereológicas y estadísticas de espacios de aire ocluidos en el concreto: Una base matemática para la clasificación de sistemas de espacios de aire, Ciencia de Materiales del Concreto VI]. La formación de un sistema de poros de aire artificial depende principalmente de la composición y la conformidad de los materiales agregados, el tipo y cantidad de cemento, la consistencia del concreto, la mezcladora utilizada, el tiempo de mezclado, y la temperatura, pero también depende de la naturaleza y la cantidad del agente que forma los poros de aire, el agente de arrastre del aire. A pesar de que estos factores de influencia pueden ser controlados si se toman en cuenta las normas de producción adecuadas, sin embargo, puede haber una multiplicidad de efectos adversos no deseados, que dan como resultado finalmente que el contenido de aire del concreto esté por arriba o por abajo del nivel deseado y que afecte por ende de manera adversa la fuerza o la resistencia a las heladas del concreto. Los poros de aire artificiales de este tipo no pueden medirse directamente; en lugar de esto, el aire arrastrado por la mezcla se estabiliza mediante la añadidura de los agentes de arrastre del aire antes mencionados [L.

Du & K. J. Folliard, Mecanismo de la oclusión del aire en el concreto, Investigación del Cemento y Concreto 35 (2005) 1463 - 71]. Los agentes de arrastre de aire convencionales son principalmente similares a los surfactantes en su estructura y desintegran el aire introducido mezclándolo en pequeñas burbujas de aire con un diámetro en la medida de lo posible menor a 300 µm, y las estabilizan en la microestructura de concreto húmeda. A continuación se presenta la diferencia entre los dos tipos. Un tipo - por ejemplo oleato de sodio, la sal de sodio del ácido abiético o resina Vinsol, un extracto de las raíces del pino - reacciona con el hidróxido de calcio de la solución del poro en la pasta del cemento y se precipita como una sal de calcio insoluble. Estas sales hidrofóbicas reducen la tensión de la superficie del agua y se recolectan en la interfase entre la partícula del cemento, el aire y el agua. Estabilizan las microburbujas y por lo tanto se encuentran en las superficies de estos poros de aire en el concreto a medida que se endurece. El otro tipo - por ejemplo el sulfato de laurilo sódico (SDS) o el dodecil -fenilsulfonato sódico - reacciona con el hidróxido de calcio para formar sales de calcio que, en contraste, son solubles, pero que muestran una conducta de una solución anormal. Bajo una cierta temperatura crítica, la solubilidad de estos surfactantes es muy baja, mientras que arriba de esta temperatura su solubilidad es muy buena. Como resultado de la acumulación preferencial en el límite del aire / agua, éstos de igual manera reducen la tensión de la superficie, estabilizan por lo tanto las microburbujas, y se encuentran de preferencia en las superficies de estos poros de aire en el concreto endurecido. El uso de estos agentes de arrastre del aire de la técnica anterior va acompañado por una gran cantidad de problemas [L. Du & K. J. Folliard, Mecanismo de la oclusión del aire en el concreto, Investigación del Cemento y Concreto 35 (2005) 1463 - 71]. Por ejemplo, los tiempos de mezclado prolongados, las diferentes velocidades de la mezcladora y las secuencias de medición alteradas en el caso de los concretos de mezcla preparada, dan como resultado la expulsión del aire estabilizado (en los poros de aire). El transporte de los concretos con tiempos de transporte extendidos, el deficiente control de temperatura y los diferentes equipos de bombeo y transporte, así como también la introducción de estos concretos junto con un procesamiento subsecuente alterado, la vibración y las condiciones de temperatura, pueden producir un cambio significativo en el contenido de poros de aire establecido con anterioridad. En el peor de los casos, esto puede significar que un concreto ya no cumpla con los valores de limitación requeridos de una cierta clase de exposición y por lo tanto se convierte en inutilizable [EN 206 - 1 (2000), Concreto - Parte 1 : Especificación, cumplimiento, producción y conformidad]. La cantidad de sustancias finas en el concreto (por ejemplo, cemento con diferente contenido de álcali, añadiduras como polvo de ceniza, polvo de sílice o añadiduras de color) afecta de igual manera en forma adversa el arrastre del aire. También puede haber interacciones con los mejoradores de flujo que tienen una acción desespumante y por lo tanto expelen los poros de aire, pero también pueden introducirlos de una manera no controlada. Todas estas influencias que complican la producción de concreto resistente a las heladas pueden evitarse si, en lugar de que el sistema de poros de aire requerido sea generado por medio de los agentes de arrastre de aire antes mencionados con una estructura similar a un surfactante, el contenido de aire es incorporado mediante la mezcla o la medición sólida de micropartículas poliméricas (microesferas huecas) [H. Sommer, Un nuevo método de fabricación de concreto resistente a las heladas y sales anticongelantes, Betonwerk & Fertigtiltechnik 9 (1978) 476 - 84]. Debido a que las micropartículas por lo general tienen tamaños de partícula menores a 100 µm, también pueden distribuirse de una manera más fina y uniforme en la microestructura del concreto que puede introducir artificialmente los poros de aire. En consecuencia, son suficientes incluso cantidades pequeñas para una resistencia suficiente del concreto al ciclo de congelación y deshielo. El uso de micropartículas poliméricas de este tipo para mejorar la resistencia a las heladas y la durabilidad contra la congelación / deshielo cíclicos del concreto ya es conocido en una técnica anterior [consultar la patente alemana DE 2229094 A1 , la patentes de los Estados Unidos US 4,057,526 B1 , US 4,082,562 B1 , y la patente alemana DE 3026719 A1]. Las micropartículas descritas en éstas son notables en particular por el hecho de que poseen un espacio que es más pequeño que 200 µm (diámetro) y que este núcleo hueco está compuesto de aire (o una sustancia gaseosa). Éste de igual manera incluye micropartículas porosas en una escala de 100 µm que pueden poseer una multiplicidad de espacios y/o poros relativamente pequeños. Con el uso de micropartículas huecas para el arrastre de aire artificial en el concreto, dos factores demostraron tener desventajas para la puesta en práctica de esta tecnología en el mercado. Se requieren dosis relativamente altas con el fin de lograr una resistencia satisfactoria del concreto a los ciclos de congelación y deshielo. El objetivo en el cual se basa la presente invención fue por lo tanto proporcionar un medio para mejorar la resistencia a las heladas y la durabilidad contra la congelación / deshielo cíclicos para mezclas de material de construcción que se fijan de manera hidráulica, que desarrolla su actividad completa aún en dosis relativamente bajas. El objetivo ha sido logrado a través del uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, en mezclas de material de construcción que se fijan de manera hidráulica, caracterizadas porque la capa de las micropartículas está compuesta en más del 99% por peso de monómeros que tienen una solubilidad en agua menor a 10"1 mol / 1. A menos que se indique lo contrario, las solubilidades referidas en esta especificación siempre son las del agua a 20°C. Como resultado del uso predominante de monómeros con una solubilidad en agua muy pobre, se obtienen micropartículas que tienen una superficie bastante no polar. De manera sorprendente, se ha descubierto que a través del uso de estas micropartículas, es posible lograr una actividad extremadamente buena en el contexto del mejoramiento de la resistencia contra las heladas y el ciclo de congelación / deshielo. El efecto es mucho mayor que si se utilizan partículas con una superficie más polar. Como explicación de este efecto inesperado - sin ninguna intención de que esta teoría restrinja el alcance de la invención - se asume que las micropartículas de este tipo con una superficie no polar muestran una mala adhesión a la mezcla del material de construcción. Como resultado de esto, es posible que los poros capilares se formen en la interfase entre las micropartículas y la matriz del material de construcción, y estos poros contribuyen a un mejoramiento en la resistencia a las heladas y el ciclo de congelación / deshielo. La capa está compuesta en conformidad con la invención, en más del 99% por peso de monómeros con una solubilidad en agua menor a 10~1 mol / 1. La capa está compuesta de preferencia en más del 99.5% por peso de estos monómeros. Con una preferencia particular, la capa está compuesta exclusivamente de estos monómeros. Debido a que el efecto de la invención de la capa no polar se relaciona aparentemente con la superficie no polar, es suficiente si, en el caso de una estructura de capas múltiples de la micropartícula, la capa más extema cumple la condición de estar compuesta en más del 99% por peso de monómeros con una solubilidad en agua de 10"1 mol / I. En este caso, también se prefiere una composición del monómero con 99.5% de estos monómeros, y en particular se prefiere el uso exclusivo de estos monómeros en la capa más externa. La capa, cuando sea adecuada la capa externa, está compuesta de preferencia de estireno. En una forma de realización preferida adicional de la invención, la capa, cuando sea adecuada la capa externa, está compuesta de estireno y/o n - hexil (met)acrilato y/o n - butil (met)acrilato y/o isobutil (met)acrilato y/o propil (met)acrilato y/o o etil metacrilato y/o etílhexil (met)acrilato. La indicación de (met)acrilato aquí denota no solamente el metacrilato, como el metil metacrilato, etil metacrilato, etc., sino también el acrilato, como el metil acrilato, etil acrilato, etc., y también mezclas de ambos. Las micropartículas de la invención pueden prepararse de preferencia mediante la polimerización por emulsión y de preferencia tienen un tamaño de partícula promedio de 100 a 5000 nm; un tamaño de partícula promedio de 200 a 2000 nm. Se da una preferencia máxima a tamaños de partículas promedio de 250 a lOOO nm.

El tamaño de la partícula promedio es determinado, por ejemplo, contando una cantidad significativa a nivel estadístico de las partículas por medio de micrográficas de electrones de transmisión. En el caso de la preparación mediante la polimerización por emulsión, las micropartículas se obtienen en forma de una dispersión acuosa. De acuerdo con esto, la añadidura de las micropartículas a la mezcla del material de construcción se lleva a cabo de igual manera de preferencia en esta forma. Durante la preparación y en la dispersión, los espacios en las micropartículas se llenan de agua. Las partículas desarrollan su efecto de mejorar la resistencia a las heladas y al ciclo de congelación / deshielo en la mezcla del material de construcción despejando por lo menos parcialmente el agua durante y después del endurecimiento de la mezcla del material de construcción, produciendo de manera correspondiente esferas huecas llenas de gas o llenas de aire. De acuerdo con una forma de realización preferida, las micropartículas utilizadas están compuestas de partículas de polímero que poseen un núcleo (A) y por lo menos una capa (B), las partículas del polímero del núcleo / capa han sido dilatadas por medio de una base. El núcleo (A) de la partícula contiene uno o más monómeros de ácido carboxílico no saturado por medio de etileno (derivado) que permite la dilatación del núcleo; estos monómeros se seleccionan de preferencia del grupo del ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido maléico, anhídrido maléico, ácido fumárico, ácido itacónico y ácido crotónico, así como mezclas de los mismos. Se prefieren en particular el ácido acrílico y el ácido metacrílico. La capa - cuando sea adecuado, la capa más externa - B incluye, de acuerdo con la invención, los monómeros indicados. Cuando las micropartículas están construidas como partículas de capas múltiples o como redes de gradiente, no existen restricciones particulares en los monómeros utilizados entre el núcleo y la capa más externa. La preparación de estas micropartículas poliméricas mediante polimerización por emulsión y su dilatación por medio de bases como por ejemplo hidróxidos de metal alcalino o hidróxidos de metal alcalino y también amoniaco o una amina, se describen de igual manera en las patentes europeas EP 22 633 B1 , EP 735 29 B1 y EP 188 325 B1. El contenido de polímero de las micropartículas utilizadas puede situarse, en función del diámetro y el contenido de agua, en un 2% a 98% por peso (peso del polímero en relación con el peso total de la partícula llenada con agua). Se prefieren los contenidos de polímero de 2% a 60% por peso, y en particular se prefieren los contenidos de polímero de 2% a 40% por peso. Dentro del alcance de la presente invención, es totalmente posible agregar las micropartículas llenas de agua directamente como sólido a la mezcla del material de construcción. Para este propósito, las micropartículas - tal como se describió anteriormente - se coagulan y se aislan de la dispersión acuosa a través de métodos estándares (por ejemplo filtración, centrifugación, sedimentación y decantación) y las partículas se secan posteriormente. Las micropartículas llenadas con agua se agregan a la mezcla del material de construcción en una cantidad preferida de 0.01% a 5% por volumen, en particular de 0.1% a 0.5% por volumen. La mezcla del material de construcción, en la forma por ejemplo de concreto o mortero, puede incluir en este caso los aglutinantes de fijación hidráulica habituales, como por ejemplo cemento, cal, yeso o anhidrita, por ejemplo. Una ventaja sustancial a través del uso de las micropartículas llenadas con agua es que sólo una cantidad extremadamente pequeña de aire es introducida en el concreto. Como resultado, pueden lograrse fuerzas de compresión significativamente mejoradas en el concreto. Éstas son de aproximadamente 25% - 50% superiores a las fuerzas de compresión del concreto obtenidas con la oclusión de aire convencional. De esta manera, es posible lograr clasificaciones de fuerza que pueden obtenerse de otra manera sólo por medio de un valor del agua / cemento sustancialmente menor (valor agua / cemento). Sin embargo, los valores de agua / cemento bajos, a su vez restringen de manera significativa las propiedades de procesamiento del concreto en ciertas circunstancias. Además, las fuerzas de compresión más altas pueden hacer posible reducir el contenido de cemento del concreto que se necesita para desarrollar la fuerza y por lo tanto puede significar una reducción importante en el precio por metro cúbico de concreto.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES 1. El uso de micropartículas políméricas, que contienen un espacio, en mezclas de material de construcción que se fijan de manera hidráulica, caracterizado porque la capa de las micropartículas está compuesta en más del 99% por peso de monómeros que tienen una solubilidad en agua de menos de 10~1 mol / I.
2. 2. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, en mezclas de material de construcción que se fijan de manera hidráulica, de acuerdo con la Reivindicación 1 , caracterizado porque la capa de las micropartículas está compuesta exclusivamente de monómeros con una solubilidad en agua de 10"1 mol / 1.
3. 3. El uso de mícropartículas políméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 1 , caracterizado porque la capa externa contiene estireno.
4. 4. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 1, caracterizado porque la capa externa contiene estireno y/o n - hexil (met)acrilato y/o n - butíl (met)acrílato y/o isobutil (met)acrilato y/o propil (met)acrilato y/o etil metacrilato y/o etilhexil (met)acrilato.
5. 5. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 1 , caracterizado porque las micropartículas están compuestas de partículas de polímero que incluyen un núcleo de polímero (A), que es dilatado por medio de una base acuosa y contiene uno o más monómeros de ácido carboxílico no saturado (derivado), y una cubierta de polímero (B), que está cubierta principalmente de monómeros no iónicos, no saturados en forma de etileno.
6. 6. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 5, caracterizado porque los monómeros de ácido carboxílico no saturados (derivado) son seleccionados del grupo de ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido maléico, anhídrido maléico, ácido fumárico, ácido itacónico y ácido crotónico.
7. 7. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 1 , caracterizado porque las micropartículas tienen un contenido de polímero de 2% a 98% por peso.
8. 8. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 1 , caracterizado porque las micropartículas tienen un tamaño de partícula promedio de 100 a 5000 nm.
9. 9. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 8, caracterizado porque las micropartículas tienen un tamaño de partícula promedio de 200 a 2000 nm.
10. 10. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 9, caracterizado porque las micropartículas tienen un tamaño de partícula promedio de 250 a 1000 nm.
11. 11. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 1 , caracterizado porque las micropartículas se utilizan en una cantidad de 0.01% a 5% por volumen, en base a la mezcla del material de construcción.
12. 12. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 11 , caracterizado porque las micropartículas se utilizan en una cantidad de 0.1% a 0.5% por volumen, en base a la mezcla del material de construcción.
13. 13. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 1, caracterizado porque las mezclas del material de construcción están compuestas por un aglutinante seleccionado del grupo del cemento, cal, yeso y anhidrita.
14. 14. El uso de micropartículas poliméricas, que contienen un espacio, de acuerdo con la Reivindicación 1 , caracterizado porque las mezclas del material de construcción son concreto o mortero.