BR0111774B1 - material de construÇço. - Google Patents
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Description
"MATERIAL DE CONSTRUÇÃO"
A presente invenção se refere a um material deconstrução adequado para as mais diversas construções, comoconstrução de estradas, pontes, túneis e edifícios. Ainvenção também se refere a um método para produção de talmaterial e ao uso do mesmo.
Fundamentos da Invenção
Os materiais de construção e os métodos depreparação de tais .materiais compreendendo composições deconcreto para construção de pontes, estradas, túneis,edifícios e construções marinhas são conhecidos do estadoda técnica, por exemplo, da Patente U.S. No. 5.932.000, naqual é divulgado um método para preparação de concreto apartir de uma mistura de um aglutinante hidráulico,agregados, água e sílica coloidal.
A Patente U.S. No. 5.149.370 divulga uma pastafluida de cimento compreendendo uma suspensão aquosa deácido silícico coloidal adequada para aplicações em poços.
Tem sido desejado se fornecer através da técnicanovas composições adequadas para materiais de construçãoque resultem em materiais de construção ainda maisresistentes que os produzidos até então. Tem sido tambémdesejado se fornecer materiais de construção contendoquantidades inferiores de aditivos, o que pode proporcionarcustos de produção reduzidos. Além disso, tem sido desejadose preparar, por exemplo, misturas de concreto que possammanter sua alta processabilidade em todo o período de tempoanterior à cura da mistura de concreto.
A presente invenção pretende solucionar osproblemas acima descritos.
Descrição da Invenção
A invenção se refere a um material de construçãoque compreende um aglutinante hidráulico, água e umcomposto de silica coloidal modificado por alumínio.
Foi surpreendentemente descoberto que um materialde construção compreendendo os ditos componentes, aumenta aresistência imediata, assim como a resistência de longoprazo do material de construção. Além disso, foi descobertoque o material de construção compreendendo a silicacoloidal modificada por alumínio mantém uma alta e estávelprocessabilidade.
O termo "material de construção" significa ummaterial, especialmente que não tenha ainda sido curado,adequado para construção, por exemplo, de estradas, túneis,pontes, edifícios, tubos de concreto, cimentação de poços,construções subterrâneas e outras argamassas de cimento, econstruções marinhas, como cais, ponte de atracação equebra-mar.
O termo "silica coloidal modificada por alumínio"significa silica coloidal modificada por alumínio dequalquer forma, em que a silica coloidal pode ser, porexemplo, silica sol, silica precipitada, silica gel, silicana forma de gases, vapor de silica ou mistura dos mesmos.Muito embora o sol de silica modificado por alumínio seja aforma preferida e a única forma discutida em detalhesadiante, as outras formas podem substituir ou sermisturadas com o sol de silica modificado por alumínio,como aditivos, no material de construção.
Os sóis de silica modificados por alumínio,algumas vezes referidos como sóis de silica modificados poraluminato ou alumina, podem ser preparados mediante adiçãode uma apropriada quantidade de íons de aluminato, Al(OH)4",a um sol de silica não modificado convencional sobagitação. A solução de íon de aluminato é adequadamente umasolução de aluminato de sódio ou aluminato de potássiodiluída. As partículas de silica adequadamente possuem decerca de 0,05 a 2, preferencialmente de cerca de 0,1 acerca de 2 átomos de Al/nm2 de área de superfície departículas de silica. As partículas de silica modificadaspor alumínio compreendem íons de aluminato inseridos oupermutados, criando locais de aluminosilicato queapresentam uma carga superficial negativa fixa. Aspartículas de silica modificadas por alumínio retêm suaalta carga superficial negativa abaixo de um pH 3, aocontrário dos sóis de silica convencionais não modificados,para os quais a carga superficial negativa diminui quando opH diminui, normalmente abaixo de um pH de cerca de 2, queé a carga de ponto zero para um sol de silica nãomodificado. A carga superficial é, portanto, menor para aspartículas de silica não modificadas do que para o sol desilica modificado por alumínio em um pH abaixo de cerca de8. 0 pH do sol de silica modificado por alumínio pode serajustado, preferencialmente por meio de uma resinatrocadora de íons, adequadamente para um pH variando decerca de 3 a cerca de 11, mais preferencialmente de cercade 4 a cerca de 10. O sol de sílica modificado por alumíniopode, após isso, ser concentrado para produzir um teor desílica de cerca de 1 a cerca de 60% em peso,preferencialmente de cerca de 5% cerca de 50% em peso. Aspartículas de sílica modificadas por alumínio possuem umteor de Al2O3 de cerca de 0,05 a cerca de 3,preferencialmente de cerca de 0,1 a cerca de 2 e mais aindapreferencialmente de cerca de 0,1 a cerca de 1% em peso. 0diâmetro das partículas de sílica modificadas por alumínioadequadamente varia de cerca de 3 nm a cerca de 100 nm. Oprocedimento de preparação do sol de sílica modificado poralumínio é ainda descrito na publicação, por exemplo, "TheChemistry of Silica", de autoria de Iler K. Ralph, páginas407-409, John Wiley & Sons (1979) e na Patente U.S. No.5.368.833.
Nesse contexto, o termo sílica coloidalmodificada por alumínio, tem o significado de tambémcompreender produtos de reação de sílica coloidal que foramreagidos quimicamente com um aglutinante hidráulico ououtros componentes presentes no material de construção oucom a mistura que forma o material de construção, porexemplo, gel de silicato de cálcio hidratado.
As partículas de sílica modificadas por alumíniosão adequadamente dispersas em água ou outros solventes,tal como os solventes orgânicos, por exemplo, álcoois oumistura de água e solventes orgânicos. As partículas desílica modificadas por alumínio são adequadamenteestabilizadas por cátions, tais como K+, Na+, Li+, NH4+ oumistura dos mesmos.
A área superficial especifica do sol de silicamodificado por alumínio é adequadamente de cerca de 10 acerca de 1200 m2/g, preferencialmente de cerca de 30 acerca de 1000 m2/g e ainda mais preferencialmente de cercade 60 a cerca de 900 m2/g.
A mistura dos componentes que produzem o materialde construção pode ser sensível à proporção deágua/aglutinante hidráulico. Se uma quantidadedemasiadamente grande de água estiver presente, pode tornara composição instável, provocando a drenagem e segregação.Mediante adição de sol de silica modificado por alumínio, épossível se evitar tais efeitos e ao mesmo tempo se obterum material que apresenta uma alta resistência imediata euma resistência de longo prazo, comparado às composiçõesque não contêm sol de silica modificado.
As partículas de silica coloidal modificadas poralumínio são distinguidas das partículas de silicarevestidas por alumínio, que são partículas em que asuperfície de silica está revestida (coberta) com umacamada de alumina, resultando em partículas que mostram asmesmas propriedades das partículas de alumina. Tanto aspartículas de alumina como as partículas de silicarevestidas de alumina possuem, por exemplo, uma cargasuperficial positiva.
O aglutinante hidráulico pode ser, por exemplo,um cimento, como o cimento comum Portland (OPC) ou cimentosmisturados, conforme descrito, por exemplo, na Patente U.S.No. 6.008.275.Os componentes que produzem o material deconstrução, isto é, o aglutinante hidráulico, a silicacoloidal modificada por alumínio e água, adequadamentepossuem uma proporção em peso conforme o seguinte:aglutinante hidráulico (peso seco): silica coloidalmodificada por alumínio (peso seco) de cerca de 1:0,0005 acerca de 1:0,2, preferencialmente de cerca de 1:0,001 acerca de 1:0,1. A proporção em peso do aglutinantehidráulico (peso seco) para água é adequadamente de cercade 1:0,22 a cerca de 1:4, preferencialmente de cerca de1:0,25 a cerca de 1:2,5.
De acordo com uma modalidade preferida, osagregados podem ser incluídos no material de construção. Otermo "agregados" significa um material, como pedra,cascalho e areia e outros materiais inorgânicos preferidos,adequadamente tendo um diâmetro médio de partícula variandode cerca de 0,01 a cerca de 100 nm, preferencialmente decerca de 0,125 a cerca de 100 nm. Os agregados sãoadequadamente compreendidos no material de construção numaproporção de cerca de 100 a cerca de 1000% em peso, baseadono peso do aglutinante hidráulico. Os agregados contribuempara uma maior resistência do material de construção etornam o mesmo com um menor custo de produção.
Preferencialmente, um agente de carga fino podeser compreendido no material de construção, adequadamentena faixa de cerca de 0,1 a cerca de 40% em peso, baseado nopeso dos agregados. A adição de um agente de carga finopode contribuir para uma composição mais densa e maisestável.O termo "agente de carga fino" significapartículas de um diâmetro máximo de 125 μπι. Adequadosagentes de carga finos incluem cal, areia, vidro,partículas de cinzas incombustíveis e outros materiaisinorgânicos, como silicato de cálcio e magnésio. 0 tipo doagente de carga fino usado depende da aplicação. Noconcreto de auto-compactação Sueco (SCC), a calfreqüentemente usada, enquanto no SCC Alemão e no concretoresidencial Americano, as partículas de cinzasincombustíveis são normalmente usadas, enquanto o concretode alta resistência Sueco (HSC) normalmente compreendeareia como agente de carga fino.
Preferencialmente, a proporção em peso dosagentes de carga finos para os agregados é de cerca de0,001:1 a cerca de 0,4:1, preferencialmente de cerca de0,015:1 a cerca de 0,3:1.
De acordo com uma modalidade preferida, omaterial de construção compreende um plastificante e/ou umsuperplastificante, tal como um condensado deformaldeído/naftaleno sulfonado, um condensado deformaIdeido/melamina sulfonada, um policarboxilato oumistura dos mesmos, preferencialmente um policarboxilatoe/ou um condensado de formaldeído/naftaleno sulfonado. Oscondensados de formaldeído/naftaleno sulfonado sãoespecialmente preferidos quando usados no material deconstrução para aplicações de cimentação de poços, pelofato de que esses super-plastificantes não são sensíveis àsaltas temperaturas que ocorrem nos poços.
O termo "policarboxilato" significa compreenderum grupo de compostos de polímero que compreendem umaestrutura dorsal tendo grupos carboxílicos ligados à mesma.
0 peso molecular do policarboxilato adequadamente varia decerca de 1000 a cerca de 2.000.000 g/mol, preferencialmentede cerca de 2000 a cerca de 1.000.000 g/mol. A estruturadorsal pode também compreender outros grupos ligados, comocadeias poliacrilicas ou de poliéter. O peso molecular daestrutura dorsal adequadamente varia de cerca de 1000 acerca de 100.000 g/mol, preferencialmente de cerca de 5000a cerca de 20.000 g/mol. Policarboxilatos adequados sãoainda descritos na Patente U.S. No. 6.008.275.
Quaisquer outros aditivos podem ser compreendidosno material de construção, por exemplo, retardadores,agentes de arraste de ar, aceleradores, emulsões de látex,agentes hidrofóbicos, agentes redutores de retração,inibidores de corrosão, etc. A dosagem desses aditivosadequadamente se situa na faixa de cerca de 0,1 a cerca de10% em peso (peso seco), baseado no peso do aglutinantehidráulico.
A invenção também se refere a um material deconstrução compreendendo os produtos de reação deaglutinante hidráulico, sol de sílica modificado poralumínio e água.
A invenção ainda se refere a um método parapreparação de um material de construção compreendendo umamistura de aglutinante hidráulico, água e uma sílicacoloidal modificada por alumínio, preferencialmente um solde sílica modificado por alumínio.
Os componentes podem ser adicionados em qualquerordem. Preferencialmente, a sílica coloidal modificada poralumínio é adicionada após os outros componentes terem sidomisturados, As proporções em peso entre os componentesmisturados são, adequadamente, conforme já descritoanteriormente.
A invenção se refere ainda ao uso do material deconstrução conforme descrito acima em construções deestradas, túneis, pontes, edifícios, como construções deconcreto de edifícios residenciais e comerciais, tubos deconcreto, cimentação de poços, cimentação subterrânea,incluindo argamassas de cimento, aplicações em minas econstruções marinhas.
A invenção após ser assim descrita, permite queseja considerado óbvio a sua variação de diversas maneiras.
Tais variações não devem ser consideradas como umafastamento do espírito e escopo da invenção e todas taismodificações, consideradas como óbvias para um especialistaversado na técnica são intencionadas para ser incluídasdentro do escopo das reivindicações. Os exemplos seguintesirão ilustrar ainda como a invenção descrita pode serexecutada sem limitação do escopo da mesma.
Os sóis de sílica seguintes, usados nos Exemplos1-3, são listados abaixo. Todas as percentagens em peso dosteores de sílica (SiO2) e alumina (Al2O3) são baseadas nopeso do produto total de sol de sílica.
- Sol de sílica 1: sol de sílica modificado por alumínio;área superficial específica de 850 m2/g; teor de SiO2: 7,7%em peso, teor de Al2O3: 0,33% em peso;
- Sol de sílica 2: sol de sílica não modificado; áreasuperficial especifica de 900 m2/g; teor de SiO2: 10% empeso;
- Sol de silica 3: sol de silica não modificado; áreasuperficial especifica de 750 m2/g; teor de SiO2: 15% empeso;
- Sol de silica 4: sol de silica modificado por alumínio;área superficial específica de 80 m2/g; teor de SiO2: 47% empeso, teor de Al2O3: 0,25% em peso;
- Sol de silica 5: sol de silica não modificado; áreasuperficial específica de 80 m2/g; teor de SiO2: 50% empeso;
- Sol de silica 6: sol de silica modificado por alumínio;área superficial específica de 220 m2/g; teor de SiO2: 30%em peso, teor de Al2O3: 0,2% em peso;
- Sol de silica 7: sol de silica não modificado; áreasuperficial específica de 220 m2/g; teor de SiO2: 30% empeso.
As áreas de superfície específicas dos sóis desilica foram determinadas pelo método de Sear, descrito napublicação "The Chemistry of Silica", de Iler Ralph K.(1979), páginas 203-206, 353-354.
Exemplo 1
Na preparação das amostras 1-6 abaixo, um sol desilica modificado por alumínio ou um sol de silica nãomodificado e um super-plastificante (Glenium 51) foramadicionados em quantidades conforme estabelecido na Tabela1, a um cimento de classe II (Bygg Cement-Skovde CEM 11/A-L42.R). Em seguida, foram adicionados 200 kg de água, 120kg de um agente de carga fino (cal), agregados e umsuperplastificante (Glenium 51) (conforme a Tabela 1) . Osagregados foram adicionados de tal modo que o peso total decimento, cal e agregados alcançou 2140 kg/m3.
A processabilidade das amostras preparadas foiestimada mediante medição do espalhamento inicial. 0espalhamento inicial é medido através da colocação de umacomposição de concreto recentemente misturada em um coneinclinado, apresentando um determinado diâmetro, cujo coneé subseqüentemente disposto de cabeça para baixo, de modoque a massa após a remoção do cone começa a fluir (conformeo Método de Teste Padrão ASTM C 143) . Um alto espalhamentoindica uma alta processabilidade, o que garante que a massade concreto pode facilmente fluir para fora do local onde amesma deve ser curada. Uma alta processabilidade tambémgarante que a massa de concreto pode ser armazenada por umdeterminado período de tempo, sem perda das propriedadesiniciais de fluidez que a mesma obteve logo após apreparação.Tabela 1
<table>table see original document page 13</column></row><table>Retornando à Tabela 1, pode ser concluído que aamostra 1, compreendendo um sol de sílica modificado poralumínio, apresenta uma resistência imediata (após 24horas) e uma resistência de longo prazo (após 28 dias) maisaltas do que a apresentada na amostra 2, que compreende umsol de sílica não modificado, muito embora o teor de sílicada amostra 1 seja significativamente mais baixo que o daamostra 2.
Do mesmo modo, a amostra 3, compreendendo um solde sílica modificado por alumínio, mostra uma resistênciaimediata superior à da amostra 4, que compreende um sol desílica não modificado (as duas amostras apresentamsubstancialmente o mesmo teor de sílica). A amostra 6,compreendendo um sol de sílica modificado por alumínio,mostra uma resistência imediata e de longo prazo superioresàs resistências da amostra 5, muito embora o teor de sílicada amostra 5 seja inferior ao da amostra 6.
Exemplo 2
Na preparação das amostras 1-6 abaixo, um sol desílica modificado por alumínio ou um sol de sílica nãomodificado foram adicionados a um cimento de classe II(Bygg Cement-Skovde CEM II/A-L42.R). Em seguida, foramadicionados 200 kg de água, 120 kg de um agente de cargafino (cal), agregados e um superplastificante (Glenium 51)(conforme a Tabela 2) . Os agregados foram adicionados detal modo que o peso total de cimento, cal e agregadosalcançou 2140 kg/m3. 0 super-plastif icante e os sóis desílica foram adicionados em quantidades conformeestabelecido na Tabela 2. A processabilidade do concretofoi estimada mediante medição do espalhamento inicial(conforme Exemplo 1). 0 espalhamento foi também medido após90 minutos (espalhamento em cone inclinado). A perda deprocessabilidade, isto é, a diferença entre o espalhamentoinicial e o espalhamento após 90 minutos foi tambémcalculada. Quanto maior for o espalhamento em coneinclinado, isto é, o espalhamento após 90 minutos depois damedição do espalhamento inicial, menor será a perda deprocessabilidade.Tabela 2
<table>table see original document page 16</column></row><table>
Na Tabela 2, pode ser visto que a amostra 1,compreendendo um sol de sílica modificado por alumínio,mostra uma perda de processabilidade menor que na amostra 2(a amostra 1 apresenta um teor de sílica ligeiramenteinferior). Pode ser ainda visto que a amostra 4, quecompreende um sol de sílica modificado por alumínio,apresenta uma perda de processabilidade menor que a amostra3 (mesmo teor de sílica nas amostras 3 e 4). Pode ser aindaobservado que a amostra 5, que compreende um sol de sílicamodificado por alumínio, apresenta uma perda deprocessabilidade menor que a amostra 6, muito embora o teorde sílica da amostra 5 seja ligeiramente inferior. De ummodo geral, a partir dos resultados obtidos, pode seconcluir que a perda na processabilidade é de apenas 60%para as amostras contendo sóis de sílica modificados poralumínio, em relação às amostras contendo sóis de sílicanão modificados.
Exemplo 3
A fim de avaliar a fluidez de uma pasta fluida decimento compreendendo sóis de sílica modificados poralumínio ou sóis de sílica não modificados, forampreparadas 4 pastas fluidas a partir de cimento de classe I(Anlãggningscement Degerhamm CEM I 42,5BV/SR/LA). As pastasapresentavam uma proporção em peso de água para cimento de0,35. Em seguida, foi adicionado às pastas fluidas 2% empeso de sol de sílica e 1% em peso de um super-plastificante, baseado no peso do cimento (uma soluçãocondensada, a 30% em peso, de formaldeído/naftalenosulfonado).
A seguir, as pastas fluidas foram misturadas comagitação moderada. O valor do rendimento e a viscosidadeplástica (uma medida da reologia da pasta fluida) foramdepois avaliados por meio de um Viscosimetro ConTec, Modelo4 (Viscosimetro BML), após 15, 30, 60 e 90 minutos,respectivamente. 0 valor do rendimento é uma medida daforça necessária para fazer, por exemplo, uma pasta fluidade cimento se movimentar.
Tabela 3
<table>table see original document page 18</column></row><table>
Comparando as amostras na Tabela 3, o valor dorendimento das amostras 1 e 4, que compreendem sóis desilica modificados por alumínio, são um pouco menores queos das amostras 2 e 3. As pastas fluidas devem apresentarum valor mínimo de rendimento, de modo a obter um valorsubstancialmente zero, isento de água (sem qualquerdrenagem).Tabela 4
<table>table see original document page 19</column></row><table>
A Tabela 4 mostra grandes diferenças naviscosidade plástica entre as amostras que contêm sóis desilica modificados por alumínio e sóis de sílica nãomodificados. Ao se comparar as amostras 1 e 2, tendosubstancialmente o mesmo teor de sílica, pode ser observadoque a amostra 1 (contendo um sol de sílica modificado poralumínio) apresenta uma viscosidade plástica inferior queda amostra 2. Pode também ser observado, que a amostra 3(contendo sol de sílica modificado por alumínio) apresentauma viscosidade plástica inferior à da amostra 4 (asamostras 3 e 4 possuem substancialmente o mesmo teor desílica). Uma pasta fluida com boas propriedades de fluideze substancialmente zero de isenção de água, isto é, nãosujeita à drenagem, é altamente vantajosa, especialmente nacimentação de poços. Uma baixa viscosidade plásticasignifica uma boa propriedade de fluidez e boaspropriedades de penetração e ligação.
Claims (15)
1. Material de construção caracterizado porcompreender um aglutinante hidráulico, água e uma silicacoloidal modificada por alumínio.
2. Material de construção de acordo com areivindicação 1, caracterizado em que a silica coloidal éum sol de síli ca modificado por alumínio.
3. Material de construção de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 e 2, caracterizado em que aproporção em peso entre o aglutinante hidráulico e a silicacoloidal modificada por alumínio é de 1:0,0005 a 1:0,2.
4. Material de construção de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 3, caracterizado em que aproporção em peso entre o aglutinante hidráulico e a água éde 1:0,22 a 1:4.
5. Material de construção de acordo com uma dasreivindicações 1 a 4, caracterizado em que o aglutinantehidráulico é um cimento.
6. Material de construção de acordo com uma dasreivindicações 1 a 5, caracterizado em que o material deconstrução compreende ainda agregados.
7. Material de construção de acordo com uma dasreivindicações 1 a 6, caracterizado em que o material deconstrução compreende ainda um agente de carga fino.
8. Material de construção de acordo com uma dasreivindicações 1 a 7, caracterizado em que a proporção empeso entre o agente de carga fino e os agregados é de 0,001a 0,4.
9. Material de construção de acordo com uma dasreivindicações 1 a 8, caracterizado em que a silicacoloidal possui um teor de Al2O3 de 0,05 a 3% em peso.
10. Material de construção de acordo com uma dasreivindicações 1 a 9, caracterizado por compreender aindaum plastificante e/ou um super-plastificante.
11. Material de construção de acordo com areivindicação 10, caracterizado em que o super-plastif icante é um policarboxilato e/ou um condensado deformaldeido/naftaleno sulfonado.
12. Método de preparação de um material deconstrução conforme reivindicado em qualquer uma dasreivindicações 1 a 10, caracterizado por compreender amistura de um aglutinante hidráulico, água e uma silicacoloidal modificada por alumínio.
13. Método de acordo com a reivindicação 12,caracterizado em que a silica coloidal é um sol de silicamodificado por alumínio.
14. Método de acordo com uma das reivindicações 12 e 13, caracterizado em que a sílica coloidal modificadapor alumínio é adicionada após os outros componentes teremsido misturados.
15. Uso de um material de construção conformedefinido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11,caracterizado em que o dito uso pode ser aplicado emestradas, túneis, pontes, edifícios, tubos de concreto,cimentação de poços, cimentação subterrânea, construçõesmarinhas e em aplicações de mineração.
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