BR112012017140A2 - composição de cimento e método de formação de uma composição de cimento endurecido - Google Patents

Abstract

COMPOSIÇÃO DE CIMENTO E MÉTODO DE FORMAÇÃO DE UMA COMPOSIÇÃO DE CIMENTO ENDURECIDO. A presente inveção refere-se a composições de cimento nas quais as prioridades de cimento das cinzas volantes são cuidadosamente controladas são descritas. As composições de cimento podem ser substancialmente livres de ácidos e bases agressivos, tais como os ácido cítrico(~pH2,2) e ativadores de metais alcalinos, incluindo hidróxidos alcalinos (~pH 12-14) e carbonatos de metal (~ pH 11,6). A utilização destes produtos quimicos agressivos gera reações ácido-base durante a utilização dos produtos. Em vez destes produtos químicos agressivos, um ativador com base em um sal de ácido láctico é utilizafo como acelerador da reação. Compostos bóricos podem ser utilizados como um reator nas composições.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPOSI-

ÇÃO DE CIMENTO E MÉTODO DE FORMAÇÃO DE UMA COMPOSIÇÃO DE CIMENTO ENDURECIDO".

CAMPO DA INVENÇÃO Uma nova família de composições é descrita para a produção de materiais cimentícios hidráulicos misturados e seus derivados de concreto e argamassa para construção original, reparo, produtos de concreto fabrica- dos, blindagem, pulverização e outras aplicações. Esses materiais exibem reações controladas de subprodutos industriais contendo cálcio com ativado- res químicos, retardadores, intensificadores de ligação, e modificadores de resistência mecânica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO Materiais com propriedades pozolânicas contêm sílica vítrea e alumina que irão, na presença de água e cal livre, reagir com o cálcio para produzir silicato de cálcio e hidratos de silicato de cálcio-alumina. Há pozola- nas naturais e industriais. As pozolanas industriais são produzidas durante processos in- dustriais e incluem, por exemplo, cinzas volantes de Classe C e Classe F conforme definido de acordo com a especificação de American Society of Tests and Materials (ASTM) C618. Essas cinzas volantes são produzidas durante a combustão de carvão. Essas consistem na matéria inorgânica, incombustível presente no carvão que foi fundida durante a combustão for- mando uma estrutura amorfa. A classificação de cinza volante produzida industrial depende do tipo de carvão u sado e sua composição química. À combustão de lignito e ou carvão sub-betuminoso produz tipicamente cinza volante de Classe C. A combustão de antracito e carvão betuminoso tipica- mente produz cinza volante de Classe F. Conforme definido por ASTM C618, as características de cinza volante de Classe C incluem maior teor de cal do que a cinza volante de ClasseF.O teor de cal maior na cinza volante de Classe C permite que a cinza volante de Classe C seja auto-endurecedora, enquanto a cinza volante de Classe F exige tipicamente a adição de cal ou cimento para formar mate- riais cimentícios hidratados.

Um exemplo de uma pozolana natural é a cinza pozolânica de Classe N. A cinza pozolânica de Classe N é uma pozolana natural crua ou . calcinada como algumas terras diatomáceas, sílex opalino, e argilas; tufos, cinzas vulcânicas, e pumicitas; e argilas e argilas calcinadas. Os atributos químicos e físicos de cinzas pozolânicas de Classe C, Classe F e Classe N são definidos por ASTM-C618, cujos conteúdos es- tão aqui incorporados a título de referência em sua totalidade.

É conhecido utilizar cinza volante em composições de cimento, tipicamente na presença de cimento Portland. A Patente No. U.S. 5.556.458 . 10 de Brook, et al, por exemplo, exige pelo menos 20% de cimento Portland.

Em particular, Brook, et al. observa que o cimento Portland é exigido em sua 7 composição para superar a baixa resistência inicial de composições de cinza volante.

A Patente No U.S. 4.997.484 de Gravitt et al. e a Patente U.S.

7.288.148 de Hicks et al. descrevem composições de cimento com cinza volante sem o cimento Portland, porém contam com um sistema de reação de ácido-base que utiliza os efeitos combinados de ácido cítrico (- pH 2,2) e um hidróxido de álcali (- pH 12-14) ou carbonato de metal (- pH 11,6). Entretanto, as composições de cimento com cinza volante de Gravitte Hicks não exibem o tempo de trabalho, resistência, durabilidade, e dureza exigidas por muitas aplicações de cimento.

O Pedido de Patente No. de Série U.S. 12/017.956, cuja totali- dade está incorporada aqui a título de referência, descreve composições cimentícias aprimoradas que compreendem pós de pozolana e um ativador de pH neutro, eem particular, um sal cítrico de pH neutro.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção se baseia na descoberta que derivados de ácido láctico, lactato e os sais de ácido láctico, quando usados como um ati- vador de hidratação de cimentos pozolânicos, aprimoram de maneira inespe- rada e surpreendente as propriedades plásticas do cimento como retenção da queda e funcionalidade. A retenção da queda e funcionalidade aprimora- das permite que os trabalhadores conduzam as operações de acabamento

: de superfície para obter as texturas desejadas sem as restrições de tempo associadas ao uso de ativadores de sal cítrico ou ativadores que empregam - os sais de outros ácidos carboxílicos mais longos. Curiosamente, nem todos os ácidos carboxílicos de três carbo- nos produzem a vantagem de lactatos. Em particular, os sais de ácido pro- priônico, outro ácido carboxílico de três carbonos, não foram identificados por produzir os aprimoramentos em retenção e funcionalidade caracteriza- dos por cimentos ativados com lactato. Como descrito aqui, um ácido láctico, um lactato ou o sal de ácido láctico é usado como o ativador primário. Como - 10 usado aqui, a frase "ativador químico à base de ácido láctico" se refere a ativadores de ácido láctico, um lactato, e sais de ácido láctico.

. De acordo com algumas modalidades preferidas, o ativador é um metal alcalino ou sal alcalinoterroso de ácido láctico. Ademais, outras formas de ácido láctico neutralizado podem ser benéficas. De acordo com outras modalidades preferidas, o ativador é lactato de potássio, sódio, lítio, cálcio ou magnésio. Em algumas modalidades, outros ativadores podem es- tar presentes nas composições de cimento. De preferência, o ativador de lactato está presente em uma porcentagem de peso maior do que 50% do teor de ativador total da composição de cimento, com mais preferência, 95% do teor de ativador total da composição de cimento. Como alternativamente expresso, os ativadores sem lactato devem estar presentes em uma quanti- dade total menor do que 50% por peso, de preferência, menor do que 30% por peso, e com mais preferência, menor do que 25% por peso, do peso to- tal de todos os ativadores combinados na composição de cimento.

Uma modalidade é uma composição cimentícia que inclui pozo- lanas à base cinza volante de carvão; e um ativador químico à base de ácido láctico. O ativador químico pode ser um sal de pH neutro de ácido láctico. Por exemplo, o ativador químico pode incluir lactato de potássio, lactato de sódio, lactato de lítio, lactato de cálcio, ou lactato de magnésio. O sal de pH neutro também pode incluir um metal alcalino ou terra alcalina. Em algumas modalidades, a composição cimentícia pode ser substancialmente isenta de ativadores de ácido cítrico, ativadores de metal álcali, e ativadores de carbo-

nato de metal. Ademais, a composição cimentícia pode incluir adicionalmente : um retardador químico. Por exemplo, o retardador pode incluir um composto de boro como ácido bórico, óxido bórico, borato de sódio, tetraborato de só- dio, borato de potássio e tetraborato de potássio, pentaidrato de bórax, e deca-hidrato de bórax. O cimento pode incluir um borato ou outro retardador, por exemplo, em uma quantidade de 0,1 a 3,0 por cento por peso, com base no peso total de cimento hidratável. A composição cimentícia pode possuir um tempo de pega entre - 10 30 minutos e 12 horas, maior do que 2 horas ou ainda do que 12 horas sem afetar de forma prejudicial as propriedades de desempenho fundamentais, ” por exemplo, propriedades mecânicas em uma ampla gama de temperaturas (44ºC a 48,8ºC (40º*F a 120ºF)). De preferência, a composição cimentícia possui um tempo de pega menor do que 24 horas.

Outra modalidade é um método de formação de uma composi- ção de cimento endurecida que inclui misturar uma composição hidratável que compreende pozolanas à base de cinza volante de carvão e um ativador químico à base de ácido láctico para formar uma composição de cimento endurecida. O método pode incluir adicionalmente misturar um retardador químico com a composição hidratável que compreende pozolanas à base de cinza volante de carvão e o ativador químico. Em algumas modalidades, o método poderia incluir adicionalmente dissolver um retardador em uma solu- ção que compreende o ativador químico em uma concentração entre 0,1% por peso e 40% por peso, com mais preferência, entre 0,1% por peso e 30,0% por peso e, com máxima preferência, em uma concentração entre 10,0% por peso e 30,0% por peso. De acordo com outra modalidade, os re- tardadores e/ou outros compostos podem estar em uma solução separada em outros solventes em concentrações de 0,1% por peso a 50% por peso.

Sal ou sais lácticos podem ser usados em combinação com ou- tros ativadores conhecidos ou um único sal láctico ou uma combinação de sais lácticos pode ser usada como o único ativador. Por exemplo, lactato de potássio pode ser usado como o único ativador. De preferência, os ativado-

res sem lactato estão presentes em uma quantidade total menor do que 40% por peso, e com mais preferência, menor do que 25% por peso, do peso to- - tal de todos os ativadores combinados nas composições cimentícias. Com- postos bóricos ou outros retardadores convencionais podem ser usados nas composições.

O cimento da invenção pode incluir qualquer fonte de material po- zolânico seja de ocorrência natural ou artificial, inclusive cinza de casca de arroz, pumicitas de cinza vulcânica, opala e outras cascas, terras diatomá- ceas, sílex opalino, tufos, argilas calcinadas, cinza volante de Classe C, cinza - 10 volante de Classe F, cinza pozolânica de Classe N, individualmente ou em combinação. O cimento também pode incluir outros aditivos, inclusive sílica " ativa, aluminato de cálcio, óxido de magnésio, cal, gesso, um ou mais aditivos retardadores da família de compostos de boro (por exemplo, sais de borato, ácido bórico, óxido bórico, ou bórax), retardadores orgânicos como gluco- heptonato de sódio, argilas reativas como meta-caulim, volastonita, agentes de arrastamento de ar (AEA), agentes modificadores de viscosidade (VMA), | plastificantes, látex, fibras (para resistência à fratura), ou aditivos de compen- sação de retração (SRA). Quando o pó de pozolana primária for cinza volante de Classe F ou cinza pozolânica de Classe N, o cimento inclui um ou mais materiais ricos em cálcio, de preferência, subprodutos industriais como pó de forno de cimento, pó de forno de cal, escória de forno e cinza de depuração.

Em algumas modalidades, o pó de pozolana pode consistir es- sencialmente em 100% de cinza volante de Classe C. Em outras modalida- des, o cimento hidratável pode incluir alternativamente, por exemplo, 50 a 95 porcento por peso de cinza volante de Classe C com base no peso total do cimento hidratável; consistir essencialmente em cinza volante de Classe F e o cimento pode incluir adicionalmente um material aditivo rico em cálcio; in- cluir 0,5 a 50 por cento por peso de cinza volante de Classe F com base no peso total do cimento hidratável; ou consistir essencialmente em cinza pozo- lânicade Classe N e o cimento pode compreender adicionalmente um mate- rial aditivo rico em cálcio. De acordo com outra modalidade, o pó de pozola- na consiste essencialmente em cinza volante de Classe C e cinza volante de

- ANNAN taiaattntaaáA. 6/25 . Classe F, em que a cinza volante de Classe C está presente em uma quan- tidade de 50 a 100 por cento por peso, e a cinza volante de Classe F está - presente em uma quantidade de O a 30 por cento por peso com base no pe- so total do cimento hidratável.

Os cimentos descritos podem ser usados individualmente ou misturados com outros cimentos como cimento Portland, cimentos de escó- ria, e outros tipos de cimentos hidráulicos convencionais. Entretanto, os ci- mentos da presente invenção não exigem a presença de outros cimentos para exibir suas propriedades superiores. Consequentemente, os cimentos . 10 de acordo com a invenção podem ser substancialmente isentos de cimento Portland. A frase "substancialmente isento" significa presente em uma quan- “ tidade menor do que um por cento por peso com base no peso total da com- | posição mencionada. As composições cimentícias também podem incluir uma ou mais cargas além do cimento. De acordo com outra modalidade, o cimento hidratável pode possuir cimento Portland em quantidades menores do que 20% por peso, e, com mais preferência, menores do que 15%, meno- res do que 10%, e menores do que 2% por peso, com base no peso total do cimento hidratável. Em algumas modalidades, o cimento pode incluir sulfatos ou compostos orgânicos.

Em algumas modalidades, as composições de cimento possuem inesperadamente alta estabilidade dimensional, resistência, dureza, tempos de trabalho, permeabilidade, resistência a sulfato, resistência ao congela- mento-descongelamento, mitigação de reatividade álcali-agregado, e/ou am- pla gama de tempos de pega facilmente controlada. De acordo com outra modalidade, uma argamassa, pasta de cimento, ou concreto inclui um ci- mento hidráulico em que o cimento é quimicamente ativado por um ativador químico com base em ácido láctico.

Outra modalidade é um cimento hidratável que inclui um pó de pozolana, um ou mais ativadores de pH neutro; e um retardador, em que o cimento hidratável possui um teor de cálcio expresso como os óxidos de 15% ou mais, de preferência, 20% ou mais, com base no peso total do ci- mento hidratável, e em que os ativadores de pH neutro são responsáveis por mais de 50% do peso total de ativadores no dito cimento hidratável e em que o cimento hidratável possui menos do que 20% por peso de cimento Por- - tland com base no peso total do cimento hidratável.

Ainda outra modalidade é uma composição cimentícia que inclui um cimento hidratável.

O cimento pode incluir, por exemplo, um pó de pozo- lana; dois ou mais ativadores, pelo menos um desses é um sal de ácido lác- tico; e um retardador; e uma ou mais cargas agregadas.

As cargas agrega- das podem incluir areia de sílica, areia natural, agregado fino fabricado a partir da produção de pedra, cinza não volante, escória, vidro moído, areia - 10 de fundição reciclada, e concreto reciclado e combinações desses.

De acordo com outras modalidades, o cimento hidratável pode . possuir metal álcali e/ou metal alcalinoterroso em quantidades menores do que 30 % por peso, e, com mais preferência, menores do que 25% por peso, | do peso total de ativadores no dito cimento hidratável.

De acordo com outras modalidades, o cimento hidratável pode possuir ativadores de metal álcali e/ou metal alcalinoterroso em quantidades menores do que 20% por peso, menores do que 15% por peso, menores do que 10% por peso, menores do que 5% por peso e menores do que 2% por peso, com base no peso total de ativadores no dito cimento hidratável. “DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO Antes da presente invenção, acredita-se geralmente que a sinteri- zação em alta temperatura (no caso de cimento Portland) ou uma química forte de ácido-base (no caso de cimentos pozolânicos da técnica anterior) era necessária para proporcionar a resistência e dureza exigidas pela maioria das aplicações de cimento.

Subsequente a essa visão predominante, os invento- res descobriram que utilizando-se ativadores de pH neutro, sais cítricos em particular, produtos de cimento podem ser produzidos com propriedades ines- peradamente superiores ao cimento Portland ou a cimentos pozolânicos pre- parados de acordo com químicas ativadoras à base de ácido tradicionais.

Subsequente à descoberta das vantagens de sais cítricos como ativadores, os inventores descobriram que ácido láctico, lactatos, e sais de ácido láctico, quando usados como um ativador de hidratação de cimentos

- AMISGNRANRNANUNAA ANNAN At ALAN daria Matta. . 8/25 . pozolânicos, aprimoram de forma surpreendente as propriedades plásticas do cimento como retenção da queda e funcionalidade. Como usado aqui, a - frase "ativador químico à base de ácido láctico" se refere a ativadores de ácido láctico, lactato, e sais de ácido láctico.

A retenção da queda e funcionalidade aprimoradas permite que os trabalhadores conduzam as operações de acabamento de superfície para obter as texturas desejadas sem as restrições de tempo associadas ao uso de ativadores de sal cítrico ou ativadores que empregam os sais de outros ácidos carboxílicos mais longos. Curiosamente, descobriu-se que nem todos BR 10 os ácidos carboxílicos de três carbonos produzem a vantagem de lactatos.

Em particular, os sais de ácido propriônico, outro ácido carboxílico de três 7] carbonos, não foram identificados por produzir os aprimoramentos em reten- ção e funcionalidade caracterizados por cimentos ativados com lactato.

As composições cimentícias são descritas em que os ativadores químicos à base de ácido láctico são usados como ativadores de hidratação para produzir propriedades plásticas aprimoradas como retenção da queda e funcionalidade. Os ativadores se dissolvem ou se dissociam na presença de água e pozolanas para permitir a reação de hidratação com as pozolanas para proceder de maneira uniforme e bem controlada. Os compostos bóri- cos, ou outros retardadores convencionais, podem ser usados nas composi- ções para desacelerar ou modificar a reação de hidratação. Quando ativado- res de sal cítrico permitem tempos de pega em faixas de apenas 10 minutos a 2 horas ou mais, os ativadores à base de sal de ácido láctico da presente invenção permitem tempos de pega na faixa de 30 minutos a 12 horas ou mais sem perda significativa nas propriedades plásticas. Um elemento ver- sado na técnica poderia entender que as composições podem ser projetadas para possuir qualquer número de tempos de pega desejados inclusive entre minutos e 12 horas, maiores do que 2 horas, maiores do que 4 horas e maiores do que 6 horas.

30 As modalidades dessa invenção também podem incluir combi- nações de materiais pozolânicos, por exemplo, cinza volante de Classe C e Classe F. A reação de cinza volante de Classe C pode produzir calor consi-

derável, e esse calor pode causar encolhimento inicial à medida que o pro- duto é colocado.

O encolhimento pode resultar em craqueamento e delami- * nação de um substrato.

A cinza volante de Classe F contém pouco ou ne- nhum óxido de cálcio (CaO), e é lentamente reativa com o ativador de lacta- to.

Consequentemente, a inclusão de alguma cinza volante de Classe F na mistura de reação modera a reação formando o produto sólido ao distribuir uniformemente microesferas de vidro fortes, uniformemente dimensionadas em toda a mistura.

Adicionalmente, essas reações térmicas são reguladas pelo uso dos lactatos.

O método por meio do qual isso é realizado é condu- BR 10 zido ao controlar a taxa de conversão inicial nos compostos hidratados.

Consequentemente, enquanto o calor total gerado é o mesmo, o tempo para - realizar a hidratação é aumentado para permitir a dissipação de calor para o ambiente de maneira mais controlada.

Conforme com cimentos ativados com sais cítricos, os materiais de cimento ativados com ativadores químicos à base de ácido láctico, medi- ante a reação com água, incluem, de preferência, hidratos que possuem ra- zões molares de sílica para cálcio (S:C) de cerca de 1:1 a cerca de 1,8:1, tipicamente de cerca de 1,1:1 a cerca de 1,5:1. Como exemplos particulares, a razão molar S :C pode ser cerca de 1,2: 1, 1,3:1 ou 14:1. As quantidades relativas de subprodutos industriais contendo cálcio (por exemplo, cinza vo- lante de Classe C) e subprodutos industriais com baixo teor de cálcio ou sili- ciosos (por exemplo, cinza volante de Classe F) podem ser selecionadas para obter a razão molar S:C desejada.

Materiais Os cimentos de acordo com a presente invenção podem incluir os materiais apresentados abaixo, em quantidades expressas em termos de porcentagem por peso da composição de cimento total, não incluindo areia, pedra e outras cargas.

O termo "cimento" é geralmente usado aqui para se referir à composição aglutinante.

O termo "composição cimentícia" é geral- mente usado aqui para se referir à combinação do cimento (ou aglutinante) e carga, por exemplo, areia, pedra, e similares.

O composto cimentício inclui tipicamente de cerca de 5 a cerca de 60 por cento de cimento.

1) Pós de pozolana naturais ou industriais. Exemplos de pós de pozolana incluem cinza volante de Classe C, cinza volante de Classe F, e . cinza pozolânica de Classe N. Os compostos cimentícios podem incluir cinza volante de Classe C como um pó de pozolana contendo alto teor de cálcio. Em algumas modalidades, a cinza volante de Classe C pode ser incluída no cimento na faixa de cerca de 50 a cerca de 98 por cento por peso, dentro da faixa de cerca de 60 a cerca de 95 por cento por peso, ou dentro da faixa de cerca de 70 a cerca de 95 por cento por peso. De preferência, o teor de cálcio expresso como os óxidos (CaO) ' 10 do pó de pozolana contendo alto teor de cálcio é maior do que cerca de 22 por cento por peso e está na faixa de cerca de 22 a cerca de 30 por cento " por peso. Se o teor de CaO for baixo, componentes adicionais contendo cal como hidróxido de cálcio, nitratos, nitritos, sulfatos ou carbonatos podem ser adicionados. Nota-se que embora o uso de cinza volante de Classe C como o pó de pozolana contendo alto teor de cálcio seja basicamente descrito a- qui, outros tipos de pós de pozolana contendo cálcio podem ser usados em algumas modalidades como substitutos parciais ou totais da cinza volante de Classe C (por exemplo, escória de alto-forno, pó de forno de cimento, e pó de forno de cal).

O cimento pode incluir de forma adicional ou alternativa um ou mais pós de pozolana relativamente contendo baixo teor de cálcio ou alto teor de silício. De preferência, o cimento inclui pelo menos um pó de pozola- na com um teor de cálcio expresso como os óxidos menor do que cerca de 22 por cento por peso ou, com mais preferência, menor do que cerca de 15 porcento por peso. Em algumas modalidades, a cinza volante de Classe F pode, por exemplo, estar presente na faixa de cerca de 0,5 a cerca de 50 por cento por peso, ou, de preferência, dentro da faixa de cerca de 1 a cerca de 25 por cento por peso, ou com mais preferência, dentro da faixa de cerca de 2 a cerca de 15 por cento por peso. Embora o uso de cinza volante de Clas- seF como o pó de pozolana com baixo teor de cálcio seja basicamente des- crito aqui, outros tipos de pós de pozolana de teor de cálcio relativamente baixo e/ou alto teor de silício podem ser usados em algumas modalidades

- ANNGRINUNINSNRNGNN ARENA antas AAbMSAAA AAA ita . 11/25 como substitutos parciais ou totais da cinza volante de Classe F (por exem- ' plo, cinza pozolânica de Classe N, cinza vulcânica, cinza não volante, cinza . de madeira, cinza de incinerador municipal, zeólitos etc.). Na medida em que os pós pozolânicos com baixo teor de cálcio compreendem uma grande pro- porção do componente de pó pozolânico, materiais ricos em cálcio devem ser adicionados à composição para fornecer o teor de cálcio exigido. Os ma- teriais ricos em cálcio preferidos incluem subprodutos industriais como escó- ria de alto-forno, pó de forno de cimento, pó de forno de cal e cinza de depu- ração. ' 10 Sílica ativa pode ser usada no cimento para aumentar a resis- tência a curto prazo, resistência a longo prazo, resistência de ligação, pro- ' priedades elásticas e/ou propriedades térmicas. Quando presente, a sílica ativa pode estar presente, por exemplo, na faixa de cerca de 0,5 a cerca de | por cento por peso, ou, de preferência, dentro da faixa de cerca de 1 a cercade 7 por cento por peso.

De preferência, o cimento compreende um teor de cálcio total expresso como os óxidos de 20 por cento por peso ou mais. Se o teor de Cao for baixo, componentes contendo cal adicionais como hidróxido de cál- cio, nitrato, nitrito, sulfato ou carbonato podem ser adicionados para obter esseteorde cálcio.

Aluminato de cálcio pode ser usado para aumentar o desenvol- vimento de resistência a curto prazo do produto. O aluminato de cálcio pode, por exemplo, estar presente na faixa de cerca de 1 a cerca de 25 por cento por peso, ou dentro da faixa de cerca de 5 a cerca de 20 por cento por peso.

Adições de cal (CaO ou CaOH) podem ser usadas para aumen- tar a funcionalidade do produto, atuam como um compensador de encolhi- mento, e/ou funcionam como um acelerador. A cal pode, por exemplo, estar presente na faixa de cerca de 0,1 a cerca de 5 por cento por peso. A quanti- dade de cal adicionada à composição pode ser dependente da quantidade decalpresente na cinza volante.

Boratos podem ser usados como retardadores de ganho de re- sistência. Os boratos preferidos incluem um ou mais aditivos retardadores da

| AAARNAANNARlNARMMINNNIAAAainNAAANAANANNLALANNARAAIRAAMINARARAAEA ASIA dAnAhrardr ads AAA AMVM Vad 12/25 família de sal de borato, por exemplo, bórax pode estar presente na faixa de i cerca de 0,1 a cerca de 10 por cento por peso, ou, de preferência, 0,1 a 3 . por cento por peso, ou com mais preferência, de 0,1 a cerca de 2 por cento por peso. Ácido bórico também pode ser ou alternativamente usado visto queo borato pode, por exemplo, estar presente na faixa de cerca de 0,1 a cerca de 10 por cento por peso, ou, de preferência, dentro da faixa de cerca de 0,1 a 5 por cento por peso ou com mais preferência dentro da faixa de cerca de 0,2 a cerca de 1,7 por cento por peso. Outros boratos como hidra- tos de ácido bórico, borato de potássio, borato de sódio, tetraborato de po- . 10 tássio e tetraborato de sódio podem ser adicional ou alternativamente usa- dos. Esses boratos podem ser adicionados para aumentar a resistência de . ligação ao substrato existente e consistem em um retardador. Outros retar- dadores conhecidos que incluem sulfatos e compostos orgânicos podem ser usados além de ou como uma alternativa para os boratos.

Um único ativador ou múltiplos ativadores da família de ácido láctico podem ser incluídos. Por exemplo, ácido láctico, lactato, lactato de potássio, lactato de lítio, lactato de sódio, lactato de cálcio ou lactato de magnésio pode, por exemplo, estar presente na faixa de cerca de 0,1 a cer- ca de 30 por cento por peso, comparado com o peso total do cimento, ou, de preferência, de cerca de 2 a cerca de 5 por cento por peso, comparado com o peso total do cimento. Esses ativadores podem ser os únicos ativadores presentes no cimento. Alternativamente, outros ativadores sem lactato po- dem estar presentes, desde que os ativadores de lactato constituam 50% ou mais do componente ativador.

Outros exemplos de ativadores de pH neutro que podem ser u- sados em vez de ou além de um ativador de lactato incluem sais cítricos, ácido málico, malônico, glicólico, e outros ácidos carboxílicos e sais desses ácidos, inclusive, porém sem caráter limitativo, nitratos, nitritos, cloretos, tio- cianatos.

Ingredientes misturados que incluem, por exemplo, argilas reati- vas como metacaulim, volastonita, agentes de arrastamento de ar (AEA), látex, fibras (para resistência à fratura), compensadores de encolhimento

OO DAS 13/25 (SRA), agente modificador de viscosidade (VMA) e plastificantes. Em algumas modalidades, os cimentos da presente invenção . são substancialmente isentos de cimento Portland, cimentos de escória, e outros tipos de cimentos convencionais. Em outras modalidades, os cimen- tos da invenção podem incluir outros cimentos, inclusive cimento Portland, desde que esses outros cimentos compreendam menos do que cerca de 20 por cento por peso, de preferência, menos do que cerca de 15 por cento por peso, e com mais preferência, menos do que 10 por cento por peso, do peso total do cimento.

. 10 As modalidades também podem ou alternativamente ser subs- tancialmente isentas de ativadores de metal álcali como hidróxidos de álcali " (- pH 12-14) e carbonatos de metal (- pH 11,6) como usado em outros tipos de materiais. As modalidades também podem ou alternativamente ser subs- | tancialmente isentas de ácidos cítricos (- pH 2,2) e outros ácidos.

As composições cimentícias de acordo com a invenção podem incluir uma ou mais cargas além do cimento. De acordo com algumas moda- lidades, os tamanhos de partícula de agregados finos (areia) podem variar de areia de sílica fina à areia natural ou fabricada para obedecer às especifi- cações de ASTM. Essas cargas podem incluir, por exemplo, areia de sílica, areia natural, agregados finos fabricados a partir da produção de pedra, cin- za não volante, escória, vidro moído, concreto reciclado e/ou areia de fundi- ção reciclada. Exemplos específicos de cargas incluem classes de agrega- dos diferentes, como areia C33, areia NJ 60, areia C144, pedra $8, e pedra 57 ou outras.

Essa invenção será mais bem entendida com referência os se- guintes exemplos, esses pretendem ilustrar as modalidades específicas den- tro do escopo total da invenção.

Exemplos As Tabelas 1a e 1b fornecem exemplos de misturas de cimento que utilizam um ativador de lactato. A Tabela 1a relaciona misturas feitas a 35ºC (95ºF) e utilizando um ativador de lactato a 22,2ºC (72ºF). A Tabela 1b relaciona as misturas feitas a 22,2ºC (72ºF). Nas Tabelas 1a e 1b as propor-

A AA 14/25 ções de materiais usados nas composições de argamassa são; cimento 6,91 lb (incluindo o ativador), Areia C33 10,80 lb, água 1,59 lb.

Essas proporções * são misturadas durante 4 minutos e então as amostras foram preparadas.

As argamassas testadas possuem a seguinte composição aproximada: Cinza volantede Classe C —-27,11% por peso Cinza volante de Classe F — 4,13% por peso Retardador 0,4% por peso a 1,25% por peso Ativador 3,2% por peso a 10,0% por peso Areia C33 66,7% por peso . 10 Total 100,00% por peso O total da cinza volante de classe c mais a classe f é ajustado “ para explicar as diferenças na quantidade de ativador/retardador.

Nessas tabelas, as porcentagens por cento de composições ati- vadoras e retardadoras diferentes são fornecidas.

O ativador de lactato é compreendido de 60% por peso de solução sólida de ácido láctico neutrali- zado.

O sal é um sal à base de potássio.

O retardador é uma única fonte de ácido bórico de grau técnico disponível junto à Rio Tinto Corporation.

A capacidade de essas misturas de lactato reterem a queda po- de ser observada nas Tabelas 1a e 1b.

A porcentagem de ativador e retar- dador está baseada na porcentagem de cinza volante de classe C na mistu- ra.

Nas Tabelas 1a e 1b, os efeitos do lactato para a retenção de tempo de trabalho em argamassas e concreto como determinado de acordo com ASTM C 403 são mostrados.

O tempo de retenção de fluxo é maior do que 2 horas (tempo de trabalho), e foi medido ao medir a retenção da queda e o tempo de disposição de cada composição.

O tempo de pega final é de 2 ho- ras a 9 horas e foi medido pela resistência à penetração de acordo com ASTM C403. A resistência das misturas de cimento em psi é fornecida em 6 horas, 8 horas, 24 horas, 7 dias, e 28 dias.

As variações do ativador (lactato de potássio) e do retardador fo- ram avaliadas em temperaturas diferentes para determinar qual efeito, se algum, sobre a retenção da queda ou fluxo poderia ocorrer.

A partir disso, é possível formular o cimento para obter as propriedades desejadas,

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Várias misturas de concreto feitas com um ativador de lactato . podem ser encontradas na Tabela 2. Pode ser observado que a funcionali- - dade do concreto é mantida sem perda de queda no tempo de pega.

Esses concretos foram produzidos em temperaturas diferentes e tempos de traba- lhoalmejados diferentes.

Tabela 2 Misturas de concreto feitas com ativadores de lactato Exemplo 1 2 3 4 6 7 8 ra 17,482 | 15,783 15,783 | 15,783 | 15,783 | 15,783 | 15,783 Paraço é 2,995 | 2704 | 2,704 | 2,704 | 2,704 | 2,704 | 2,704 arena 0,140 | 0,139 | 0,153 | 0,167 | 0,181 | 0,139 | 0,144 | 0,149 Lactato (%) | 1,108 | 1,181 | 1,131 | 1,181 | 1,181 | 1,131 | 1,181 | 1,131 SRA (%) 0,153 0,115 | 0,115 | 0,115 | 0,000 | 0,115 | 0,115 Areia C33 (%) | 25,397 | 30,224 | 30,224 | 30,224 | 30,224 | 30,224 | 30,224 | 30,224 Pã 50,614 | 50,892 | 50,892 | 50,892 | 50,892 | 50,892 | 50,892 | 50,892 4,666 | 3,364 | 3,363 3,602 | 3,370 | 3,370 de água ESND ” ” P ” P ” mistura Tempo de s Y . Tempo 2:01 | 5:02 | 830 315 | 245 | 314 trabalho ' : : ' Tempode | 10 |) >2, >9:08 | >9:19 | 3:56 | 301 | 429 pega perdido o água de | água de Comentários DA purga | purga água de purga Lo A Lodo | resistênia [ | amoras | | aos | ms | smees | | so ao | |

. Tabela 2 - continuação - Exemplo t 1 2 3 4 5 ' 6 7 8 " 6 horas 824 550 ' 460 510 | 370 e os 8 horas 575 485 o ue js 24 horas 1790 1800 1550 1180 48 horas ' 3280 2970 “2610 3060 3150 3160 2960 3 dias 2870 3940 3780 3910 mam dem 7 dias 5190 5180 4970 5180 7 E 6240 í 6090 “6350 6600 6250 6260 A Tabela 3 mostra o desempenho de um desenho de cimento em relação a vários desenhos de concreto.

Nesses exemplos, a formulação de cimento é conforme exposto a seguir; — PozolanaA (cinza volante de Classe C) % por peso 82,08 Pozolana B (cinza volante de Classe F) % por peso 13,90 Retardador (Ácido Bórico) % por peso 0,903, Ativador (Lactato de Potássio 60% de sólidos) % por peso 3,119 Tabela 3 Resultados de Resistência e Durabilidade para Concreto à Base de Lactato Categoria de Mistura Concreto de Uso Geral Mistura f 1 2 3 Teor de Aglutinante/cy CE ão A 06 A 24H 1120 2222 2424 Resistência 7D 3374 5453 5899 4831 6798 7310 Resistência à Flexão | 7D 450 562 28D 553 | 685

Tabela 3 - continuação9 - Categoria de Mistura Concreto de Uso Geral ' Mistura f 1 2 3 24H 181 307 371 Tração por Compressão 7D 439 625 Diametral - — 280 so | em 24H 16,68 (2,42) | 20, 13 (2,92) | 17,79 (2,58) MOE, Milhões de kPa - : (Milhões de psi) 7D | 54,20 (4,96) | 33,71 (4,89) 33,16 (4,81) . 28D 38,06 (5,52) | 36, 13 (5,24) | 35,71 (5,18) . Similarmente, os concretos podem ser feitos com um ativador que já possui o retardador pré-incorporado na solução ativadora. Esses de- monstraram propriedades elásticas similarmente aprimoradas. Isso, em al- guns casos, fornece uma conveniência de produção de concretos em locais remotos sem pré-misturar todos os componentes. Exemplos de ativadores feitos desse modo podem ser encontrados na Tabela 4.

Tabela 4 Composições Ativadoras que Incluem um Retardador Porcentagem Componente 1 2 4 5 Ácido bórico 18,0 180 | 250 Lactato de potássio 89,1 82,0 [DA 75,0 Hidróxido de potássio [| 32,8 | Ácido láctico PA 49,2 A Tabela 5 mostra a estabilidade de volume de concretos feitos com o cimento ativado com lactato. Essas proporções de desenho de con- creto são aquelas mostradas na Tabela 3.

É AMNRRUNNUIAAIRSADIRRRA NINA AIRNRAIAA Aa MAMA tta ARA tttthAAMAAIAANN AULA 23/25 Tabela 5 - Valores de Encolhimento ASTM C156 para Concretos na Tabela 1a Í Amostra 1 2 3 4 5 7 8 -0,001 -0,006 | -0,003 | -0,003 | -0,003 | -0,006 | -0,006 2 dia -0,009 -0,010 -0,011 | -0,009 | -0,009 3 dia -0,016 -0,012 | -0,005 | -0,007 -0,011 7 dia -0,020 -0,018 | -0,014 | -0,015 | -0,021 | -0,021 | -0,020 14 dia -0,024 -0,022 | -0,019 | -0,024 | -0,028 | -0,025 | -0,025 7 28 dia -0,029 -0,028 | -0,024 | -0,029 | -0,030 | -0,027 | -0,029 . Métodos de fabricação Os produtos de área grande (como o Exemplo 4 na Tabela 2) podem ser produzidos ao misturar todos os ingredientes exceto o ativador antes do uso. O ativador pode ser então adicionado no momento em que é necessário que o concreto inicie sua reação. Uma vez que o ativador é adi- ij cionado, a reação química que resulta na pega final foi iniciada. À mistura específica irá determinar quanto tempo de trabalho está disponível antes da pegafinal.

Por exemplo, um caminhão de transporte pode carregar uma mistura de acordo com o Exemplo 4 em uma usina gravimétrica. O cami- nhão de transporte tem agora 4 a 6 horas ou mais antes de o concreto não ser mais utilizável. Em qualquer ponto nesse período de tempo, o ativador, como um líquido ou como um pó sólido, pode ser adicionado (mais prova- velmente no local de construção), e o concreto pode ser colocado. Essa capacidade proporciona uma grande vantagem sobre o concreto de cimen- to Portland, que tipicamente possui 90 minutos de tempo de trabalho acei- tável a partir do momento em que o caminhão de transporte é carregado na usina gravimétrica. Exemplos de concreto produzido desse modo são mos- trados na tabela 6.

Tabela 6 , Curvas de Resistência de Concreto de Uso Geral (Ativador à base de lacta- - to) para Aglutinantes Diferentes ID de Pega Final Resistência compressiva x Dados . " Mistura Min 24H 3D 28D concreto ekkomaxx com Lactato de Pot 3,119% , Ácido bórico 0,9028%, B 8142 Aglutinante 312,5 kg/m? (500 TH:30M | 336 | 1870 Ibs/cy), WIC 0,400 concreto ekkomaxx com Lactato de Pot 3,119%, Ácido bórico 0,9028%, . - 8143 Aglutinante 343,7 kaim? (550 7H:45M 435 | 2113 | 3020 | 3797 - Ibs/cy), WIC 0,349 ' concreto ekkomaxx com Lactato de | Pot 3,119% , Ácido bórico 0,9028%, 8144 Aglutinante 375,0 kg/m? (600 8H 665 | 2790 | 3829 | 5080 Ibs/cy), WIC 0,3155 concreto ekkomaxx com Lactato de Pot 3,119% Ácido bórico 0,9028%, ts 8149 Aglutinante 406,2 kg/m? (650 10H:30M | 958 | 4386 | 5000 | 6105 Ibs/cy), WIC 0,2645 concreto ekkomaxx com Lactato de Pot 3,119% ,Ácido bórico 0,9028%, . 8150 Aglutinante 437,5 kgim? (700 10H:45M | 1339 | 4911 | 5877 | 6911 Ibs/cy), WIC 0,2464 concr)eto ekkomaxx com Lactato de Pot 3,119% , Ácido bórico 0,9028%, 8151 Aglutinante 468,7 kglm? (750 11H 1415 | 5032 | 6205 | 7439 Ibs/cy), WIC 0,2227 concreto ekkomaxx com Lactato de Pot 3,119% , Ácido bórico 0,9028%, . 8157 Aglutinante 500,0 kg/m? (800 10H:15M | 2308 | 5707 | 6990 | 7776 Ibs/cy), WIC 0,2096 concreto ekkomaxx com Lactato de Pot 3,119% , Ácido bórico 0,9028%, 8158 Aglutinante 531,2 kg/m? (850 10H 2453 | 5832 | 7066 | 8059 Ibs/cy), WC concreto ekkomaxx com Lactato de Pot 3,119%, Ácido bórico 0,9028%, 8159 Aglutinante 652,5 Kgim? (900 10H 2692 | 6213 | 7259 | 8391 Ibs/cy), WIC 0,192

Os produtos misturáveis volumétricos (por exemplo, Exemplos 5 e 7 na Tabela 2) podem ser feitos ao adicionar porções uniformes de cimen- - to, pedra, e areia sob operação de controle remoto.

A porção de cimento contendo o acelerador e o retardador pode ser misturada com areia e pedra no misturador de alto cisalhamento.

Como uma opção para essa aborda- gem, o acelerador e retardador podem ser adicionados sob a forma de pó ou líquido.

Esse pedido descreve várias faixas numéricas no texto e figuras.

As faixas numéricas descritas inerentemente sustentam qualquer faixa ou - 10 valor dentro das faixas numéricas descritas mesmo que uma limitação de - faixa precisa não esteja integralmente determinada no relatório descritivo, . pois essa invenção pode ser praticada em todas as faixas numéricas descri- tas.

A descrição acima é apresentada para permitir que um elemento | versado na técnica faça e utilize a invenção, e é fornecida no contexto de uma aplicação particular e suas exigências.

Várias modificações nas modali- dades preferidas se tornarão óbvias para os elementos versados na técnica, e os princípios genéricos definidos aqui podem ser aplicados a outras moda- lidades e aplicações sem que se abandone o espirito e escopo da invenção.

Assim, essa invenção não pretende se limitar às modalidades mostradas, porém deve estar de acordo com o escopo mais amplo compatível com os princípios e características descritos aqui.

Por fim, a descrição total das pa- tentes e publicações mencionadas nesse pedido está incorporada aqui a título de referência.

Claims (27)

REIVINDICAÇÕES

1. Composição de cimento, caracterizada pelo fato de que com- preende: pozolanas com base em cinzas volantes de carvão, e um ativador químico com base em ácido láctico compreendendo mais de 50% em peso do peso total de ativadores na composição de cimen- to, em que o peso total de ativadores na composição de cimento compreende 0,1 a 30% do peso total da composição de cimento, e a compo- siçãode cimento é substancialmente isenta de cimento Portland.

2. Composição de cimento de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizada pelo fato de que o ativador químico é um sal de ácido láctico de pH neutro.

3. Composição de cimento de acordo com a reivindicação 2, ca- racterizada pelo fato de que o ativador químico compreende lactato de po- tássio, lactato de sódio, lactato de lítio, lactato de cálcio, ou lactato de mag- nésio.

4. Composição de cimento de acordo com a reivindicação 2, ca- racterizada pelo fato de que o sal de pH neutro compreende um metal alcali- noou alcalino terroso.

5. Composição de cimento de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizada pelo fato de que a composição de cimento compreende ainda um retardador químico.

6. Composição de cimento de acordo com a reivindicação 5, ca- racterizada pelo fato de que o retardador compreende um composto de boro.

7. Composição de cimento de acordo com a reivindicação 6, ca- racterizada pelo fato de que o composto de boro é selecionado a partir do grupo consistindo em ácido bórico, óxido bórico, borato de sódio, tetraborato de sódio, borato de potássio e tetraborato de potássio, bórax penta-hidratado ebóraxdeca-hidratado.

8. Composição de cimento de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizada pelo fato de que a composição de cimento é substancialmente livre de ativadores de ácido cítrico, ativadores de metais alcalinos, e ativado- res de carbonato de metal.

9. Composição de cimento de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizada pelo fato de que o ativador químico com base em ácido láctico compreende mais de 95% em peso do peso total de ativadores na composi- ção de cimento.

10. Composição de cimento de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a composição de cimento tem um tempo de ajuste de 2 horas a 24 horas.

11. Composição de cimento de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que pozolanas com base em cinzas volantes de carvão são selecionadas dentre o grupo consistindo em cinza volante Classe C, cinza volante Classe F, cinzas pozolânicas Classe N e combinações das mesmas.

12. Composição de acordo com a reivindicação 10, caracteriza- da pelo fato de que a composição apresenta uma razão molar de sílica para cálcio entre cerca de 1,2:1 a cerca de 1,4:1.

13. Composição de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o retardador é dissolvido em uma solução de ativador, em uma concentração entre 0,1% e 30,0%.

14. Composição de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o retardador é dissolvido em uma solução de ativador, em uma concentração entre 10,0% e 30,0%.

15. Método de formação de uma composição de cimento endu- recido, caracterizado pelo fato de que compreende: misturar uma composição hidratável compreendendo pozolanas com base em cinzas volantes de carvão e um ativador químico com base em ácido láctico compreendendo mais de 50% em peso do peso total de ativadores na composição de cimento, para formar uma composição de ci- —mento endurecido, em que o peso total de ativadores na composição de cimento compreende 0,1 a 30% do peso total da composição de cimento, e a compo-

sição de cimento é substancialmente isenta de cimento Portland.

16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe- lo fato de que o ativador químico é um sal de ácido láctico de pH neutro.

17. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe- lofatode que o ativador químico compreende lactato de potássio, lactato de sódio, lactato de lítio, lactato de cálcio, ou lactato de magnésio.

18. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pe- lo fato de que o sal de pH neutro compreende um metal alcalino ou alcalino terroso.

19. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe- lo fato de que compreende ainda a mistura de um retardador químico com a composição hidratável compreendendo pozolanas com base em cinzas vo- lantes de carvão e o ativador químico.

20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pe- lofatode que o retardador compreende um composto de boro.

21. Método de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pe- lo fato de que o composto de boro é selecionado a partir do grupo consistin- do em ácido bórico, óxido bórico, borato de sódio, tetraborato de sódio, bora- to de potássio e tetraborato de potássio, bórax penta-hidratado, e bórax de- ca-hidratado.

22. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe- lo fato de que ativadores de ácido cítrico, ativadores de metais alcalinos, e ativadores de carbonato de metal não são misturados com a composição hidratável compreendendo pozolanas com base em cinzas volantes de car- vão para formar a composição de cimento endurecido.

23. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe- lo fato de que o ativador químico com base em ácido láctico compreende mais de 95% em peso do peso total de ativadores utilizados para formar a composição de cimento endurecido.

24. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe- lo fato de que a composição hidratável compreendendo pozolanas com base em cinzas volantes de carvão tem um tempo de ajuste maior do que 2 horas após a mistura com o ativador químico com base em ácido láctico.

25. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe- lo fato de que a composição hidratável compreendendo pozolanas com base em cinzas volantes de carvão compreende pozolanas selecionadas a partir dogrupo consistindo em cinzas volantes Classe C, cinzas volantes Classe F, cinzas pozolânicas Classe N e combinações das mesmas.

26. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe- lo fato de que compreende ainda a dissolução de um retardador em uma solução compreendendo o ativador químico em uma concentração compre- endida entre 0,1% e 40%.

27. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe- lo fato de que compreende ainda a dissolução de um retardador em uma solução separada do ativador químico em uma concentração compreendida entre 0,1% e 40%.