Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO DE PRÉ- MISTURA E FIBRAMENTO A SECO"
Este processo inova a produção de produtos de pré-mistura para aplicação nos campos das artes, construção, engenharia e indústria em geral para diversos 5 produtos que contenham agentes de cimentação e/ou adesivos ou aglutinantes, bem como cargas ou agregados finos e/ou pesados em estado seco e inativo, normalmente em pó ou produtos granulares antes da ativação, a fim de iniciar seus processos de endurecimento. Em particular, esses materiais serão providos de fibras, microfibras e/ou multifibras usando este processo, bem como 10 microestruturados e/ou pré-estruturados, o que for aplicável.
Esta invenção também aumenta o teor de fibras no material, doravante denominado “superfibramento”, uma vez que, devido ao estado da técnica, são usadas quantidades de fibra consideravelmente menores do que as propostas. O objetivo do “superfibramento”, independente de inibir a formação de fissuras e 15 microfissuras durante o ajuste (“pega”) inicial e posterior, é fornecer maior resistência mecânica numa disposição isotrópica e assim modificar a reologia do material interligando os filamentos.
Descrição do estado da técnica
O uso ocasional de fibras para reforçar o fechamento da formação de 20 fissuras já é conhecido do estado da técnica; a patente americana US 6,099,638 descreve o uso de fibras em aplicações reológicas, concreto, microconcreto e argamassa. Embora o estado da técnica mencione o uso de fibras (por exemplo, Garcia Rivero, J.L., "Technical Construction Manual", publicado por Cementos Apasco), a mistura de fibras com os componentes do concreto é preparada num
estado fresco, isto é, em estado úmido. A necessidade de formular a aplicação em estado seco descrita na patente acima mencionada, sob o número US 6,099,638, leva ao desenvolvimento desta invenção.
No caso particular da preparação do concreto e argamassas, foram usados cimento, areia, cascalho e aditivos, e água foi adicionada para iniciar o processo de ajuste, e em alguns casos, fibras de reforço foram adicionadas antes do assentamento ou aplicação. Devido à fluidez dessas misturas durante o ajuste, alguns meios de conter e dar forma a elas devem ser usados, por exemplo, o piso, as estruturas, os moldes ou formação.
Quando o projetista decidir usar fibras para reforçar o fechamento de fissuras, cujas fibras são incorporadas na mistura tendo adicionado água ou um agente precursor e os processos de filtração a seco não são usados. A incorporação de fibras na mistura úmida leva a problemas de falta de uniformidade, solidez e estratificação das fibras e emperramento/bloqueio do equipamento de mistura. Por outro lado, a maneira pela qual as fibras impedem a obtenção da fixação mecânica como restante da mistura. Até agora, esses problemas limitaram a concentração de fibras na mistura e seu uso integral, independente do fato de que o aumento do percentual das fibras recomendado possa afetar e até mesmo impedir o assentamento correto do concreto em sua formação ou moldes.
Ocorrem problemas durante a mistura das fibras com materiais úmidos que impedem a incorporação correta das fibras devido à geração de solidez, mistura difícil ou mistura estratificada/fragmentada, e não pode ser obtida uma mistura suficientemente uniforme. Isso tem limitado a faixa de formulações de fibras, reduzindo-a a pequenas proporções em relação aos demais ingredientes, na ordem de 0,02% de fibra por peso em relação à mistura úmida ou, normalmente, 600 g de fibra para cada metro cúbico de mistura úmida para formulações baseadas em cimento tipo Portland com cascalho e areia, de acordo com as recomendações técnicas dos provedores deste tipo de fibra. Esta proporção é equivalente a 0,024% do peso da mistura seca (sem adicionar água).
Antes da patente acima mencionada, essas fibras eram muito usadas para reduzir fissuras que apareciam durante a contratação, na hora da secagem em argamassas e concreto, e com a intenção de fornecer uma determinada quantidade de reforço para esta finalidade, embora com sucesso limitado. Antes desta invenção, não havia nenhum processo que permitisse uma formulação a seco bem sucedida e até hoje os fabricantes e os próprios padrões de fibramento recomendam ou estipulam a aplicação em estado fresco (na hora da mistura) e numa proporção baixa em relação ao restante dos ingredientes. O processo mencionado de dosagem, mistura e administração de materiais úmidos usado pelo estado da técnica é apropriado para aplicações usadas nas artes anteriores no canteiro de obras.
Além dos problemas mencionados, outros problemas adicionais surgem na aplicação da fibra ao usar materiais rochosos, como: (i) a fixação mecânica das fibras com o restante dos componentes de materiais (cimentos e carga) é tão baixa que a resistência mecânica das fibras não é usada para a queda, o que a impede de alcançar sua capacidade plena na formulação do material e (ii) a falta de uniformidade na concentração das fibras no material resultante.
O processo que forma a matéria da presente invenção soluciona todos esses problemas aplicando forças de dispersão e abrasão controladas que distribuem as fibras uniformemente, e, portanto modificam positivamente, maximizam a área de superfície das interfaces (dos agentes de cimentação) sólidas (fibra)/sólidas e garantem contato profundo com os componentes de cimentação da mistura com as fibras, a fim de usar sua resistência ao máximo. A mistura seca é homogênea em termos da concentração de fibras e esta homogeneidade é mantida quando a mistura é hidratada ou ativada para ajuste e posterior aplicação. Isso garante que as propriedades finais são as designadas pela formulação da mistura e o aumento das possibilidades de dosar, multifibramento e superfibramento de argamassa, concreto, microconcreto e outros materiais compostos. Este processo aumenta a capacidade de dosagem uniforme das fibras ou microfibras e sua fixação mecânica, o que leva ao início de um processo de pré-estrutura física e obtenção da modificação positiva das propriedades do produto.
O fenômeno sobre o qual esta invenção tem base surge principalmente na mistura seca, sem contrariar o uso complementar do método de mistura úmida.
Este conhecimento (que é básico para a inovação) demonstrou que os problemas dos materiais de construção em geral são originados pelo fato de que os construtores não têm acesso a materiais bem fabricados ou supermateriais (assim chamados devido à sua resistência e alto desempenho). Este processo inédito de fibramento a seco é aplicável tanto para concreto e argamassa com bases em cimento Portland ou Puzolana1 como para materiais compostos com bases em outros diferentes tipos de agentes de cimentação.
Objetivos da invenção
Este novo processo garante uma dosagem e homogeneidade apropriadas
e corretas no fibramento seco de materiais antes do processo de aplicação. Este processo é usado para prover fibras em concreto e argamassa com base em cimento (Portland ou Puzolana) e material composto com base em outros cimentos que incluem cargas ou agregados granulares. Portanto, é muito 10 importante para a microestrutura, para os materiais compostos e para os chamados supermateriais e microconcreto.
Os materiais assim obtidos aumentaram a resistência mecânica, o que é manifestado isotropicamente, reduziram a permeabilidade devido à redução de poros, a redução ou eliminação da formação de fissuras que se formam devido 15 ao encolhimento durante o ajuste, o módulo de elasticidade é modificado favoravelmente e o padrão de ruptura torna-se mais favorável porque a ruptura deixa de ser frágil e, portanto, mantém a resistência residual que age para reduzir o colapso das estruturas que foram expostas a tensões excessivas ou terremotos.
Embora a prática de fibras incorporadas no concreto novo já exista, o 20 objetivo desta patente também é permitir o uso de maiores proporções de fibra com relação aos agentes de cimentação e agregados, em quantidades substancialmente superiores (até 10 vezes mais e até em proporções maiores) que não eram possíveis antes desta invenção. Esta invenção também permite a fixação de fibras modificando favoravelmente suas propriedades superficiais.
Descrição detalhada da invenção
O objetivo desta invenção é obter o fibramento e superfibramento corretos dos materiais compostos que incluem fibra em sua formulação para finalidades de reduzir um material isotrópico, cujos elementos estão perfeitamente alinhados de modo a atender totalmente às especificações do projeto, como resistência a esforço por compressão, tensão ou flexão, permeabilidade, resistência à ruptura, módulo de elasticidade, viabilidade de execução em estado fresco, contração, acabamento superficial, ajuste etc..
O tipo de fibra (material, espessura, forma, comprimento, resistência etc.) deverá ser apropriado para a aplicação específica e pode ser orgânico, inorgânico, mineral, não mineral, natural, sintético, liso ou texturizado (com terminais ou nós) ou outras formas pré-determinadas para aumentar a fixação mecânica. O tipo de fibra pode ser simples ou duas ou mais fibras múltiplas usadas simultaneamente, incluindo espessura (de 0,02 μιτι a 5008 μιτι ou seus equivalentes de 0,78 a 200 milésimos de uma polegada), comprimentos (normalmente de 0,2 a 100 mm e se exigido pelo desenhista, fibras contínuas de comprimentos similares ao comprimento do molde ou peça acabada) e materiais como os mencionados nos seguintes parágrafos, a fim de fornecer diferentes características aos materiais resultantes.
Ao mesmo tempo, os agentes de cimentação, que podem ter base em cimento Portland ou Puzolana ou polímeros (naturais ou sintéticos), vidro, argilas (naturais ou sintéticas) e aditivos e cargas devem ser dosados com base nas necessidades específicas do projetista para as aplicações desejadas.
Por exemplo, no caso específico dos materiais para produtos rochosos aplicáveis na construção em geral, recomenda-se o uso de poliolefinos e fibras de polipropileno e polietileno, individualmente ou combinados, e se for do tipo convencional ou de microfibra, juntamente com os monofilamentos e multifilamentos. O uso de fibras em outros materiais também é incluído, como diferentes polímeros (poliéster, poliamidas, acrílico, polivinil, aramida (Kevlar®) e outros), fibras inorgânicas (vidros, carvão, metálicos, minerais, cerâmicas etc.) orgânicas (celulose, vegetal e animal) etc..
O processo de fibramento a seco permite que as fibras, ao serem submetidas a forças de abrasão de forma controlada, sofram uma modificação no estado cilíndrico que resulta em sua extrusão e processo de alongamento que passa para um estado amorfo-cilíndrico que beneficia consideravelmente a fixação mecânica da fibra e resulta num aumento bastante significativo na área superficial que a fibra apresentará ao agente de cimentação. Para dar continuidade ao “processo excelente” (exclusivamente a título de exemplo), é aconselhável que a dosagem ocorra em intervalos com cargas granulares (basicamente areias) e, posteriormente, conforme o caso, agregados pesados (cascalhos, por exemplo) e concluir finalmente com o agente de cimentação, sem desconsiderar que os agregados pesados podem ser misturados em estado fresco, no canteiro de obras.
Para fazer isso como um aditivo (sem cargas) ou com cargas micronizadas, o tempo de mistura deve ser aumentado e testes de inspeção devem ser executados para garantir a incorporação correta e distribuição uniforme das fibras.
Para este tipo de materiais, recomenda-se um processo abrasivo. Isso pode ser obtido por meio de diversos métodos de mistura no estado da técnica, para mencionar somente alguns: os misturadores do tipo “trouser” com pás, as roscas sem-fim, o misturador intensivo e outros que são altamente eficientes. Esta patente não pretende projetar o modelo excelente de maquinário para a mistura. A intenção é apresentar o conceito inventivo do processo para fibramento a seco ou superfibramento.
As vantagens do conceito inédito de fibramento a seco beneficiarão a isotropia e uniformidade, podendo até microestruturarem aumentando a resistência dos materiais. Também facilitarão a aplicação e o trabalho no canteiro de obras, possibilitando assim a disponibilidade de materiais fibrosos pré- misturados.
Este processo também beneficia as resistências finais, e quando bem dosado e executado, pode até eliminar os poros do produto final. Esta característica tem o efeito inédito de que com determinadas fórmulas, obtêm-se um material com alto nível de impermeabilidade. Um outro aspecto é que são gerados materiais inéditos deste processo que podem ser utilizados como materiais rochosos microestruturados de alta resistência para operações de reforço ou como um elemento estrutural em si mesmo, bem como para impermeabilização devido à sua baixa permeabilidade. Além disso, quando os materiais são dosados, passam pelo processo de fibramento e são misturados com fórmula adequada de acordo com as recomendações aqui contidas e reivindicações desta patente, as curvas de tensões de deformação dos materiais podem ser modificadas favoravelmente numa média de 500%, beneficiando assim as resistências tão importantes quanto as anti-sísmicas. Com isso obtemos uma nova geração de argamassas e concretos e diversos outros materiais, e promovemos um melhor uso de agentes de cimentação.
Um ponto adicional é que a invenção não implica o uso de materiais prejudiciais à saúde ou ao meio ambiente. Para este objetivo, a recomendação é não utilizar fibras como amianto ou fibras que, devido ao seu tamanho e propriedades, permanecem suspensas no are não decantam.
O processo que forma o objeto desta invenção consiste no seguinte:
1. Modelo do produto (para aplicação específica), de preferência para obter um produto microestruturado. Neste produto, serão estabelecidas as proporções do agente de cimentação, material granular (agregados), aditivos, endurecedores, água (conforme aplicável), fibras e outros componentes da mistura, bem como outras características conhecidas pelo projetista para obter as características físicas, mecânicas e de moldagem necessárias para a aplicação considerada.
2. A mistura inicial, de preferência com os produtos mais abrasivos ou granulares (recomenda-se um misturador helicoidal, embora outros tipos de misturadores possam ser usados, por meio de ajustes correspondentes nas condições do processo).
3. Rigorosa supervisão de que o produto é homogêneo. Nas primeiras aplicações recomenda-se usar um microscópio óptico para inspeção.
Uma vez selecionado o tipo excelente de fibra ou fibras para a finalidade desejada na formulação do material, a carga de fibra será misturada com o restante dos componentes de acordo com o seguinte processo:
Fase A (Primeira Etapa): Uma parte do material granular (agregados) será carregada no equipamento de mistura, de preferência com tamanho de partículas na faixa de 0,149 mm a 9,5 mm, correspondente a areias e pedregulhos.
Fase B (Segunda Etapa): Uma parte proporcional das fibras é carregada. O processo que forma o objeto desta invenção é aplicável às fibras de seção cilíndrica, bem como a fibras de seções não cilíndricas, como muitas fibras naturais e sintéticas disponíveis no mercado. Também se aplica a fibras lisas, texturizadas, cobertas com penugem e pré-determinadas, seja em monofilamento ou multifilamentos.
O processo que forma o objeto desta invenção possui suficiente flexibilidade para aplicação a misturas que incorporam fibras de diferentes origens, como orgânicas, inorgânicas, minerais, não minerais, naturais e sintéticas.
Este processo é aplicável a fibras de diferentes comprimentos e diâmetros (calibres), que podem variar de um comprimento de 3 mm a 80 mm com diâmetro de 0,02 pm a 600 μιτι, de preferência numa faixa de 5 mm a 50 mm de comprimento e diâmetro de 100 pm a 200 μιτι (se fibras de monofilamentos ou para os elementos individuais dos multifilamentos).
Fase C (Terceira Etapa): A mistura é aplicada moderadamente (de 5 a 10 segundos)
Etapas posteriores: Continua a adição de sucessivas cargas de material granular e fibras da mesma forma com mistura intermediária rápida, até completar a carga total. A mistura da carga total de fibra com o material granular arenoso então ocorre por um período de 45 a 900 segundos, de preferência na faixa de 60 a 720 segundos. Mais especificamente, a hora será determinada pelas características da própria fibra, incluindo sua dureza, o material granular, outros componentes da mistura e a intensidade da mistura abrasiva devido ao tipo e características do equipamento misturador. Pode ocorrer também numa etapa individual se a intensidade e o tempo da mistura forem aumentados.
Término: Os componentes restantes envolvidos na formulação da mistura, como grãos maiores, agentes de cimentação e outros componentes, são depois adicionados e a mistura final ocorre durante um período que varia de 10 a 900 segundos adicionais, e de preferência de 90 a 600 segundos. Mais especificamente, o tempo final de mistura dependerá das propriedades dos componentes da mistura, proporção dos ingredientes de tamanho menor e maior, suas densidades e a intensidade da mistura abrasiva, com base no tipo e características do equipamento misturador.
Descarga: Nesta fase, um movimento de baixa intensidade é mantido, sempre fornecendo as características do equipamento permitidas, a fim de manter a homogeneidade da mistura fibrosa.
Uma segunda configuração de presente invenção consiste do seguinte:
Uma vez executadas as etapas A, B e C (passos de 1 a 3) da configuração acima descrita, a inclusão das fibras é realizada da seguinte forma:
Etapa D (Primeiro passo): Carregar uma parte do material granular no equipamento misturador, de preferência com tamanho de partículas dentro da categoria das areias e cascalhos.
Etapa E (Segundo passo): Carregar uma parte proporcional das fibras.
Etapa F (Terceiro passo): Sem aplicar a mistura, carregar outra parte proporcional de material granular.
Passos subsequentes: Continuar acrescentando da mesma forma cargas sucessivas de material granular e fibras, de forma estratificada, até completar a carga total.
Em seguida, executar a mistura da carga total de fibra com o material granular durante um período entre 45 segundos a 20 minutos, de preferência na faixa de 60 a 900 segundos e, mais especificamente, o tempo estará determinado pela próprias características da fibra (incluindo sua dureza), materiais granulares, outros componentes da mistura e pela intensidade da mistura abrasiva, que é função do tipo e características do equipamento misturador.
Conclusão: Finalmente, acrescentar os demais componentes que tenham a formulação da mistura, como os granulares de maior tamanho, bem como os agentes de cimentação e outros componentes, e preparar a mistura final, durante um período que pode variar de 90 a 600 segundos. E, mais especificamente, o tempo da mistura final dependerá das propriedades dos componentes da mistura, do tamanho de partícula dos ingredientes de menor e maior tamanhos, suas densidades e da intensidade da mistura abrasiva, que é função do tipo e das características do equipamento misturador.
Descarga: Esta operação será realizada mantendo-se o movimento com baixa intensidade, sempre e quando as características do equipamento assim permitirem, a fim de conservar a homogeneidade da mistura com fibras.
Uma terceira configuração da presente invenção consiste no seguinte:
Uma vez concluídas as fases A, B e C (etapas de 1 a 3), da primeira configuração, a incorporação das fibras ocorre da seguinte forma:
Fase D (Primeira Etapa): Parte do material granular é carregada no equipamento misturador do tipo contínuo, de preferência de um tamanho de partícula que vem dentro da faixa de areias e pedregulhos. O material granular pode ser dosado por meio de um alimentador do tipo com banda vibratória ou rotativa ou rosca sem fim.
Fase E (Segunda Etapa): Uma parte proporcional das fibras é carregada por meio de um alimentador do tipo rosca sem fim.
Etapas seguintes: Sucessivas cargas de material granular e fibras serão adicionadas continuamente até que todas as cargas tenham sido colocadas.
Ocorrerá então a mistura da carga total de fibras com o material granular durante um período na faixa de 45 segundos a 20 minutos, de preferência na faixa de 60 a 900 segundos, e o tempo será determinado mais especificamente pelas características da própria fibra (incluindo sua dureza), o material granular, outros componentes da mistura e intensidade da mistura abrasiva, dependendo do tipo e características do equipamento misturador. Recomenda-se um misturador rotativo tipo tambor, com ou sem paredes divisórias internas.
Descarga: Esta etapa é executada mantendo o movimento com baixa intensidade, fornecendo sempre as características permitidas do equipamento, a fim de reter a homogeneidade da mistura fibrosa. Uma quarta configuração da presente invenção consiste em utilizar fibras de maior tamanho, até vários metros.
Nesta quarta configuração, as fibras são condicionadas tendo uma mistura apenas dos materiais granulares em quaisquer dos métodos de 1 a 3.
As fibras condicionadas então se separam enquanto a mistura da fórmula ocorre, de acordo com as descrições dos métodos de 1 a 3.
A mistura entre os ingredientes da fórmula e as fibras longas previamente condicionadas, juntamente com os grânulos usados no condicionamento, é então combinada com o restante da fórmula seca, de preferência de acordo com a forma da peça final que se deseja produzir. Esta operação pode incorporar um ajuste das fibras para colocar a resistência na direção desejada.
Finalmente, a água ou o agente ativador do ajuste (“pega”) é adicionado e deve ser misturado ou amassado para manter a homogeneidade da água ou do ativador incorporado. Esta etapa é fácil uma vez que as fibras de pré- condicionamento de acordo com esta invenção podem ser incorporadas mais facilmente com a fórmula seca e produzirem uma mistura úmida mais uniforme.
Esta incorporação apresenta vantagem em relação aos processos de fabricação de peças extrudadas ou formadas com processos mecânicos.