WO2007029995A1 - Compuesto cementoso resistente al impacto de balas - Google Patents
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Definitions
- the field of this invention is a novel cementitious compound, based on a hydraulic cement, additives, aggregates and steel fibers. Particularly it is a cementitious compound resistant to the impact of bullets and energy absorption.
- French Patent No. 2,637,585 describes a bulletproof concrete for the caliber of weapons: 9 mm, 3.57 Magnum, and .38 Special for a shot angle of 45 to 30 ° a composition comprising : a) .- from 54 to 60% of stabilized wood granules, b) .- from 8 to 10% of natural sand from 0.0 to 1.6 and from 1.6 to 5.0, c) .- from 30 to 40% of Portland cement heavy duty type CPA 55
- a composition comprising: a) .- from 49 to 60% of granules of stabilized wood, b) .- from 8 to 10% of natural sand from 0.0 to 1.6 and from 1.6 to 5.0, c) .- from 35 to 50% of high-strength Portland cement type CPA 55 HR, d) .- from 8 to 20% of metallic fibers.
- the elements manufactured with this anti-bullet concrete can only be used in conditions of when the angle of shot is 45 to 30 ° Io which is not functional for security applications in general, because the angle of fire in an attack is not predictable.
- the French Patent number 2,640,962 describes a composition of a concrete, capable of limiting the penetration of military projectiles comprising: a) .- a hydraulic binder composed of high-strength Portland cement type CPA 55 HR (100 parts) , b) .- aggregates of high hardness and of particular geometry, such as round or angular (from 120 to 200 parts), c) .- aggregates of high fineness (from 40 to 65 parts), d) .- microsilic (of 3 to 15 parts), e) .- water (from 25 to 35 parts). Additionally, this composition once the mixture is made, must remain 24 hours. in the mold and then must be subjected to a heat treatment of 1 hour @ 20 ° C, + 2 hours @ 50 ° C, + 1 hour @ 200 ° C to obtain its properties.
- US Pat. number. 6,080,234 describes a concrete comprising: a) .- from 70 to 85% of tabular alumina from 0.01 to 3 mm and up to 50 mm. b) .- 2 to 10% of alumina powder and microsilic, c) .- 3 to 20% of an alumina cement, d).
- this invention is limited for an industrial application in the following aspects: 1.- It requires multiple and complicated stages for its manufacture, such as mixing, vibrating, moistening and heat treatment, 2.- The materials required for its manufacture are of high cost and difficult to obtain.
- the invention relates to a novel cementitious compound based on a hydraulic cement, additives, aggregates and steel fibers. Particularly it is a cementitious compound resistant to the impact of bullets and energy absorption, comprising: a) .- from 40 to 60% of a hydraulic cement, b) .- from 0.10 to 1.0% of a retardant, c) .- of 0.40 to 2.0% of a defoamer, d) .- from 1.0 to 3.0% of a dispersant, e) .- from 30 to 40% of aggregates from 0.07 to 0.30 mm and up to 1.50 mm. f) .- from 5 to 30% of fibers, g) .- from 10.5 to 14.6% of water based on the weight of the dry mixture.
- the invention relates to a novel cementitious compound based on a hydraulic cement, additives, silica aggregates and steel fibers. Particularly it is a cementitious compound resistant to the impact of bullets and energy absorption, which is composed of the following materials:
- the hydraulic cement is preferably a calcium sulfoaluminate
- CSA which is mainly composed of about one third of calcium sulfoaluminate (C4A3S) and almost two thirds of di-calcium silicates (C2S) and is sold under the trademark of "Fraguamax” (Cementos Group
- Chihuahua SA de CV Preferably between 40 and 60% is added in Total weight of the dry mix. It is also possible to carry out the invention by preparing mixtures of calcium sulfoaluminate and Portland cement.
- the retardant is a carboxylic acid, specifically it is an anhydrous citric acid and is preferably added between 0.10 and 1.0% of the weight of the sulfoaluminate cement used in the mixture.
- the antifoam is a derivative of a mixture of mineral oils and / or a silicone and is preferably added between 0.40 and 2.0% by weight of the total dry mixture.
- the dispersant is a superplasticizer of the polycarboxylate type and is preferably added between 1.0 and 3.0% of the weight of the cement and / or mixtures of cements used in the mixture.
- the aggregates are made of silica with particle sizes from 0.07 to 0.30 mm and up to 1.50 mm. and preferably between 30 and 40% by weight of the total dry mixture are added.
- the fibers are straight fibers of 13 mm high carbon steel. in length and 0.20 mm in diameter, with a slenderness ratio of 65 and with a tensile strength of 2800 MPa, which are sold under the trademark of "Dramix OL" 13 / .20 “, (Bakaert Trade México S of RL of CV), and between 5.0 and 30.0% of the weight of the cement used in the mixture are preferably added.
- the mixing water is running water and is added from 10.5 to 14.6% based on the weight of the dry mixture.
- silica aggregates are added and mixed dry for 2 to 5 minutes,
- the manufactured part is demoulded, saturated with water and covered with a polyethylene film to avoid a desiccated and stored at an ambient temperature between 20 and 40 ° C.
- Flexion 45 271 189 Compressive strength and flexion in kg / cm2.
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Abstract
La invención se refiere a un novedoso compuesto cementoso a base de un cemento hidráulico, aditivos, agregados y fibras de acero. Particularmente es un compuesto cementoso resistente al impacto de balas y absorción de energía, que comprende: De 40 a 60 % de un cemento hidráulico, de 0.10 a 1.0 % de un retardante, de 0.40 a 2.0 % de un antiespumante, de 1.0 a 3.0 % de un dispersante, de 30 a 40 % de agregados de sílice de 0.05 a 0.30 mm y hasta 1.50 mm.; de 5 a 30 % de fibras de acero y de 10.5 a 14.6 % de agua en base al peso de la mezcla seca. Adicionalmente, el compuesto cementoso desarrolla sus propiedades mecánicas y de resistencia al impacto de balas mediante la reacción química del sulfoaluminato de calcio durante 12 horas a una temperatura ambiente de entre 20 y 40 ° C. El compuesto cementoso de la presente invención puede ser utilizado para la prefabricación de paneles para formar paredes, muros, techos, pisos, etc. Para la reparación y/o fabricación en sitio de paredes, muros, techos, pisos, etc. los cuales son resistentes al impacto de balas de armas calibres: 9 mm, .357 Mágnum, Mágnum 44, .30 rifle, .223 rifle y 7.62 rifle.
Description
COMPUESTO CEMENTOSO RESISTENTE AL IMPACTO DE BALAS
CAMPO DE LA INVENCIÓN
El campo de esta invención es un novedoso compuesto cementoso, a base de un cemento hidráulico, aditivos, agregados y fibras de acero. Particularmente es un compuesto cementoso resistente al impacto de balas y absorción de energía.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En Abril de 1990, Ia Patente Francesa número 2,637,585 describe un concreto anti-balas para ios calibres de armas: 9 mm, 3.57 Mágnum, y .38 Especial para un ángulo de tiro de 45 a 30 ° una composición que comprende: a).- de 54 a 60% de granulos de madera estabilizada, b).- de 8 a 10% de arena natural de 0.0 a 1.6 y de 1.6 a 5.0, c).- de 30 a 40% de cemento Pórtland de alta resistencia tipo CPA 55
HR, d).- de 8 a 10% de fibras metálicas.
Para los calibres de armas: 5.56, 7.62 y 8.68 para un ángulo de tiro de 45 a 30 ° una composición que comprende: a).- de 49 a 60% de granulos de madera estabilizada, b).- de 8 a 10% de arena natural de 0.0 a 1.6 y de 1.6 a 5.0, c).- de 35 a 50% de cemento Pórtland de alta resistencia tipo CPA 55 HR, d).- de 8 a 20% de fibras metálicas. Sin embargo, los elementos fabricados con este concreto anti-balas solo pueden ser utilizados en condiciones de cuando el ángulo de tiro sea de 45 a
30° Io cual no es funcional para aplicaciones de seguridad en general, en virtud de que no es predecible el ángulo de tiro en un ataque. Además al tener como ingrediente granulos de madera estabilizada sus propiedades mecánicas, tales como resistencia a Ia compresión y flexión no son las óptimas; quedando el riesgo de que si alguno de los granulos de madera no fue estabilizado de Ia manera correcta, se corre el riesgo de que reaccione con Ia matriz cementosa provocando agrietamientos o fisuras de los elementos fabricados con este método. Por último no se hace ningún tipo de referencia en relación a Ia forma de llevar a cabo Ia invención. En Junio de 1990, Ia Patente Francesa número 2,640,962 describe una composición de un concreto, capaz de limitar Ia penetración de proyectiles militares que comprende: a).- un ligante hidráulico compuesto de cemento Pórtland de alta resistencia tipo CPA 55 HR (100 partes), b).- agregados de alta dureza y de particular geometría, tales como redondos o angulares (de 120 a 200 partes), c).- agregados de alta finura (de 40 a 65 partes), d).- microsílica (de 3 a 15 partes), e).- agua (de 25 a 35 partes). Adicionalmente, esta composición una vez realizada Ia mezcla, deberá permanecer 24 hrs. en el molde y posteriormente deberá ser sometida a un tratamiento térmico de 1 hora @ 20 ° C, + 2 horas @ 50° C, + 1 hora @ 200° C para obtener sus propiedades.
No obstante, esta composición de concreto con un relativo alto contenido de cemento y fibras, tiene fama de ser capaz de limitar Ia penetración de
proyectiles militares. Sin embargo, esta propiedad tampoco ha sido demostrada o ilustrada.
En Junio de 2000, Ia Patente de EE.UU. número. 6,080,234 describe un concreto que comprende: a).- de 70 a 85 % de alúmina tabular de 0.01 a 3 mm y hasta 50 mm. b).- de 2 a 10 % de alúmina en polvo y microsílica, c).- de 3 a 20 % de un cemento de alúmina, d).~ de 0.1 a 3% de un dispersante a base de naftaleno sulfonato de sodio, e).- de 0.5 a 8.5 % de fibras de acero, f).- de 2 a 4.2 % de agua El concreto arriba mencionado ofrece las siguientes ventajas: a).- bajo contenido de cemento, b).- bajo contenido de fibras, c).- simple implementación, d).- buenas propiedades mecánicas, e).- buena resistencia al impacto de proyectiles.
Una vez realizada Ia mezcla, deberá depositarse en un molde y deberá ser vibrada de 2 a 10 minutos, una vez vibrada permanecerá 24 hrs. en el molde. Posteriormente se desmoldará y se guardará en un lugar cubierto por un día a una humedad relativa de 65 %, por último deberá ser sometida a un tratamiento térmico @ 280° C hasta que Ia pieza quede seca, es decir menos del 0.2% en peso del concreto. Nuevamente, esta invención se ve limitada para una aplicación industrial en los siguientes aspectos: 1.- Requiere de múltiples y complicadas etapas para su fabricación, como Io es el mezclado, vibrado, humedecido y tratamiento térmico,
2.- Los materiales requeridos para su fabricación son de alto costo y difícil obtención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un novedoso compuesto cementoso a base de un cemento hidráulico, aditivos, agregados y fibras de acero. Particularmente es un compuesto cementoso resistente al impacto de balas y absorción de energía, que comprende: a).- de 40 a 60 % de un cemento hidráulico, b).- de 0.10 a 1.0 % de un retardante, c).- de 0.40 a 2.0 % de un antiespumante, d).- de 1.0 a 3.0 % de un dispersante, e).- de 30 a 40 % de agregados de 0.07 a 0.30 mm y hasta 1.50 mm. f).- de 5 a 30 % de fibras, g).- de 10.5 a 14.6 % de agua en base al peso de Ia mezcla seca.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un novedoso compuesto cementoso a base de un cemento hidráulico, aditivos, agregados de sílice y fibras de acero. Particularmente es un compuesto cementoso resistente al impacto de balas y absorción de energía, el cual está compuesto de los siguientes materiales:
El cemento hidráulico es preferentemente un sulfoaluminato de calcio
(CSA), el cual está compuesto principalmente por cerca un tercio de sulfoaluminato de calcio (C4A3S) y casi dos tercios de silicatos di-cálcicos (C2S) y es vendido bajo Ia marca comercial de "Fraguamax" (Grupo Cementos
Chihuahua SA de CV). Preferentemente se adiciona entre el 40 y el 60 % en
peso del total de Ia mezcla seca. También es posible Ia realización de Ia invención mediante Ia elaboración de mezclas de sulfoaluminato de calcio y cemento Pórtland.
El retardante, es un ácido carboxílico, específicamente es un ácido cítrico anhidro y se adiciona preferentemente entre el 0.10 y el 1.0 % del peso del cemento de sulfoaluminato utilizado en Ia mezcla.
El antiespumante, es un derivado de una mezcla de aceites minerales y/o un silicón y se adiciona preferentemente entre el 0.40 y el 2.0 % en peso del total de Ia mezcla seca. El dispersante, es un superplastificante del tipo de los policarboxilatos y se adiciona preferentemente entre el 1.0 y el 3.0 % del peso del cemento y/o mezclas de cementos utilizados en Ia mezcla.
Los agregados son de sílice con tamaños de partícula de 0.07 a 0.30 mm y hasta 1.50 mm. y se adicionan preferentemente entre el 30 y el 40 % en peso del total de Ia mezcla seca.
Las fibras, son fibras rectas de acero al alto carbón de 13 mm. de longitud y de 0.20 mm de diámetro, con una relación de esbeltez de 65 y con una resistencia a Ia tensión de 2800 MPa, las cuales son vendidas bajo Ia marca comercial de "Dramix OL "13/.20", (Bakaert Trade México S de RL de CV), y se adicionan preferentemente entre el 5.0 y el 30.0 % del peso del cemento utilizado en Ia mezcla.
El agua de mezcla, es agua corriente y se adiciona de un 10.5 a un 14.6 % en base al peso de Ia mezcla seca. Preferentemente una relación agua- cemento de 0.20 a 0.25, para obtener una fluidez media y alta.
Preparación del Compuesto acorde a Ia Invención:
La mejor forma de llevar a cabo Ia invención, es mezclar los componentes de Ia siguiente manera:
1.- En una mezcladora se adiciona el cemento de sulfoaluminato y/o las mezclas de cementos de sulfoaluminato-Pórtland, el retardante, el antiespumante y el superplastificante y se mezclan en seco de 2 a 5 minutos,
2.- Posteriormente, se adicionan los agregados de sílice y se mezclan en seco de 2 a 5 minutos,
3.- Una vez realizada Ia mezcla seca, se adiciona el agua de mezclado y se procede a realizar Ia mezcla fresca hasta que hayan sido incorporados completamente los polvos con el agua obteniendo una mezcla de alta fluidez y se mantiene en agitación continua hasta que se adicionen las fibras de acero,
4.- Cuando es obtenida Ia mezcla fresca de alta fluidez, se procede a adicionar paulatinamente las fibras de acero, hasta que queden completamente incorporadas en Ia mezcla con Ia consecuente disminución de Ia fluidez, pero suficiente para realizar el vaciado en el molde,
5.- Durante el vaciado en el molde, Ia mezcla es continua, manual y ligeramente "vibrada y/o acomodada" con un martillo de hule, hasta que es completamente llenado el molde,
6.- Después se deja reposar Ia mezcla durante 12 horas, cubierto el molde con una película de polietileno para evitar Ia pérdida de humedad, ya que después de los primeros 60 minutos comienza Ia reacción química del fraguado del sulfoaluminato de calcio, con el consecuente incremento de Ia temperatura de hasta 68° C durante 11 horas,
7.- Una vez fraguada y endurecida Ia mezcla y con el consecuente descenso de Ia temperatura, se procede a desmoldar Ia pieza fabricada, se satura con agua y se cubre con una película de polietileno para evitar un
desecado brusco y se almacena a una temperatura ambiente de entre 20 y 40 ° C.
EJEMPLOS Los siguientes compuestos cementosos fueron preparados conforme al proceso descrito anteriormente, usando las composiciones indicadas en Ia Tabla A
TABLA A
Formulación de los Compuestos Cementosos
Ingredientes Testigo Ejemplo 1 Ejemplo 2
CSA 0.0 1 ,400.0 gr. 840.0 gr.
Pórtland Tipo Il 445.0 gr. 0.0 560.0
Ácido cítrico 0.0 7.0 4.2 Antiespumante 0.0 17.5 17.5
Dispersante 0.0 42.0 42.0
Sílice (2.36 - 4.75 mm). 920.0 0.0 0.0
Arena (0.00 - 4.75 mm) 796.0 0.0 0.0
Sílice (0.30 -1.50 mm) 0.0 348.5 348.5 Sílice (0.24 -.56 mm) 0.0 281.5 281.5
Sílice (0.07 -.28 mm) 0.0 281.5 281.5
Dramix OL13/20 0.0 280.0 140.0
Agua 260.0 376.0 340.0
Las propiedades mecánicas de los compuestos cementosos elaborados fueron probadas de Ia siguiente manera:
Para resistencia a la compresión, se utilizó Ia Norma ASTM C-109 (cilindros de 10 x 20 cm.) para resistencia a Ia flexión se utilizó Ia Norma ASTM C-348 (vigas de 4 x 4 x 16 cm.). Los resultados se muestran en Ia Tabla B. TABLA B
Compuestos Cementosos Probados
Prueba Testigo Ejemplo 1 Ejemplo 2
Compresión 405 952 822
Flexión 45 271 189 Resistencia a Ia compresión y flexión en Kg. / cm2.
La pruebas de resistencia al impacto de balas fueron llevadas a cabo conforme a Ia Norma UL 752 y se realizaron en paneles fabricados con el compuesto cementoso de Ia invención, los cuales fueron utilizados como blancos, de las siguientes dimensiones: 33.0 x 33.0 x 7.5 cm.
Para ejemplificar Ia prueba, se utilizó un rifle calibre .223 Remington, con una bala de 55.1 granos y una velocidad de 958 m/seg. (Norma UL 752 Nivel 7) Por cada panel, se realizaron 3 disparos separados cada uno a 120°, formando un triángulo, a 4.80 metros de distancia en un ángulo de 0o. En todos los casos Ia balas fueron detenidas por los compuestos cementosos de Ia invención, sin fracturarse el panel, además se midió Ia profundidad de Ia penetración de las balas. Los resultados se muestran en Ia Tabla C.
TABLA C
Compuestos Cementosos Probados
Prueba Testigo Ejemplo 1 Ejemplo 2
UL 752 Nivel 7 Destruido UL 752 Nivel 7 23 mm.
UL 752 Nivel 7 26 mm.
En todos los casos se midió Ia profundidad de Ia penetración de las balas. En relación a Ia resistencia del impacto de balas, se ha establecido que todas las balas fueron detenidas por los compuestos cementosos de Ia invención y que los paneles permanecieron en una pieza y no se fisuraron.
La presente invención no está limitada por las características particulares que han sido especificadas o por los detalles de los ejemplos escogidos para ¡lustrarla. Muchas modificaciones pueden hacerse a las características particulares y a los ejemplos, los cuales han sido descritos para ilustrar los componentes que Ia constituyen, de ese modo sin alejarse del alcance de Ia invención.
Claims
1.- Un compuesto cementoso resistente al impacto de balas, que contiene un cemento hidráulico, aditivos, agregados de sílice y fibras de acero, caracterizado en que comprende: ' a).- de 40 a 60 % de un cemento hidráulico, b).- de 0.10 a 1.0 % de un retardante, c).- de 0.40 a 2.0 % de un antiespumante, d).- de 1.0 a 3.0 % de un dispersante o un superplastficante, e).- de 30 a 40 % de agregados de 0.07 a 0.30 mm y hasta 1.50 mm. f).- de 5 a 30 % de fibras, g).- de 10.5 a 14.6 % de agua en base al peso de Ia mezcla seca.
2.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 1 , caracterizado en que el cemento hidráulico es seleccionado del grupo de los cementos de sulfoaluminato de calcio (CSA) y mezclas de sulfoaluminato de calcio (CSA) y cemento Pórtland Tipo II.
3.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 1 , caracterizado en que el retardante es un ácido carboxílico y específicamente es un ácido cítrico (anh id ro.
4.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 1 , caracterizado en que el antiespumante es un derivado de una mezcla de aceites minerales y / o un silicón.
5.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 1 , caracterizado en que el dispersante y/o superplastificante es un policarboxilato.
6.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 1 , caracterizado en que los agregados son de sílice, con una dureza en Ia escala de Mohs de 7 y con un tamaño de partícula de 0.07 a 0.30 mm y hasta 1.50 mm.
7.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 1 , caracterizado en que Ia composición contiene fibras de acero.
8.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 7, caracterizado en que las fibras de acero son rectas, de acero al alto carbón, de 13 mm. de longitud y de 0.20 mm de diámetro, con una relación de esbeltez de 65 y con una resistencia a Ia tensión de 2800 MPa.
9.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 1 , caracterizado en que el agua de mezcla está presente de 10.5 a 14.6 % de agua en base al peso de Ia mezcla seca.
10.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 1 , caracterizado en que Ia mejor manera de preparar el compuesto cementoso resistente al impacto de balas es: mezclar el cemento de sulfoaluminato de calcio y/o Ia mezcla sulfoaluminato-Pórtland con el retardante, el antiespumante, el dispersante y/o superplastificante de 2 a 5 minutos; posteriormente, se adicionan' los agregados de sílice y se mezclan en seco de 2 a 5 minutos; una vez realizada Ia mezcla seca, se adiciona el agua de mezclado y se procede a realizar Ia mezcla fresca hasta que hayan sido incorporados completamente los polvos con el agua obteniendo una mezcla de alta fluidez y se mantiene en agitación continua hasta que se adicionen las fibras de acero; cuando es obtenida Ia mezcla fresca de alta fluidez, se procede a adicionar paulatinamente las fibras de acero, hasta que queden completamente incorporadas en Ia mezcla con Ia consecuente disminución de Ia fluidez, pero suficiente para realizar el vaciado en el molde; una vez vaciada y acomodada Ia mezcla en el molde a una temperatura ambiente de entre 20 y 40 ° C se deja reposar durante un lapso de 12 horas, cubriendo el molde con una película de polietileno para evitar Ia pérdida de humedad, ya que después de los primeros 60 minutos comienza Ia reacción química del fraguado del cemento de sulfoaluminato de calcio, con el consecuente incremento de Ia temperatura de hasta 68° C. durante un lapso de 11 horas; una vez fraguada y endurecida Ia mezcla y con el consecuente descenso de Ia temperatura, se procede a desmoldar Ia pieza fabricada, se satura con suficiente agua y se cubre con una .película de polietileno para evitar un desecado brusco y se almacena Ia pieza terminada a una temperatura ambiente de entre 20 y 40 ° C,
11.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 10, caracterizado en que el compuesto cementoso desarrolla sus propiedades mecánicas y de resistencia al impacto de balas mediante Ia reacción química del sulfoaluminato de calcio durante 12 horas.
12.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 1 , caracterizado en que el compuesto cementoso puede ser utilizado para. Ia prefabricación de paneles para formar paredes, muros, techos, pisos, etc. los cuales son resistentes al impacto de balas.
13.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 1 , caracterizado en que el compuesto cementoso puede ser utilizado para Ia reparación y/o fabricación en sitio de paredes, muros, techos, pisaos, etc. los cuales son resistentes al impacto de balas.
14.- Un compuesto cementoso de conformidad con Ia reivindicación 12, caracterizado en que el compuesto cementoso de Ia invención es resistente al impacto de balas de armas calibres: 9 mm, .357 Mágnum, Mágnum 44, .30 rifle, .223 rifle y 7.62 rifle.
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