BR112018072656B1 - Pozolana sintética, métodos para fazer uma pozolana sintética e material compósito - Google Patents
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Abstract
são descritas pozolanas sintéticas, produzidas utilizando-se materiais locais para proverem um material cimentício que é uniforme em termos de química e de propriedades, independentemente da localização onde os materiais são obtidos. dois métodos de produção são descritos. um deles é um processo de alta temperatura no qual os materiais são processados em um estado semi-fundido ou fundido. o segundo processo é um processo aquoso a baixa temperatura.
Description
[001] Este pedido de patente reivindica a prioridade e o benefício do pedido de patente provisório co-pendente número de série US 62 / 332.318, depositado em 5 de maio de 2016, cujo conteúdo está aqui incorporado como referência na sua totalidade.
[002] A invenção se refere a concretos em geral, e particularmente a materiais pozolânicos usados em composições de concreto.
[003] Cimentos de vários tipos têm sido empregados há milhares de anos em todos os tipos de construção. O cimento hidráulico moderno típico, mais comumente conhecido como Cimento Portland Comum (CPC), é uma das substâncias mais consumidas no planeta.
[004] Embora os concretos baseados em cimento Portland comum possuam uma pegada ecológica de CO2 menor do que a maioria dos outros materiais estruturais, 0 volume total de concreto de cimento Portland produzido a cada ano faz dele um contribuinte significativo para as emissões antropogênicas globais de dióxido de carbono. A fim de reduzir as emissões globais de CO2, é necessário adotar novas abordagens para criar uma nova geração de cimentos hidráulicos. Hoje, 0 forno de cimento mais eficiente pode produzir clínquer de cimento com uma emissão associada de 816 kg de CO2 por tonelada de clínquer de CPC. Misturar 0 clínquer de cimento triturado com Materiais Cimentícios Suplementares (MCSs) tendo emissão baixa ou zero de CO2 associada à produção reduz 0 CO2 total incorporado do produto final. Usar um cimento com 0 menor fator de clínquer possível para uma dada aplicação é a abordagem mais comum da indústria para reduzir a pegada ecológica de CO2 das instalações de concreto.
[005] Os MCSs misturados com clínquer de CPC para obter um baixo fator de clínquer são principalmente cinzas volantes e escória. Dado 0 esforço para reduzir a pegada ecológica de CO2 através de uma redução do fator de clínquer do cimento, a demanda pelo que anteriormente era considerado como materiais residuais (cinzas volantes e escória) aumentou até o ponto em que os custos desses materiais podem ser comparáveis ao custo do CPC. Devido a essa demanda por substâncias anteriormente consideradas como produtos residuais, bem como resíduos de xistos de petróleo ou de minerais de argila minimamente processados, eles podem ser economicamente produzidos e utilizados como MCSs.
[006] Há uma necessidade por MCSs sustentáveis que possam ser produzidos para substituir significativamente o CPC no concreto.
[007] De acordo com um aspecto, a invenção descreve métodos de produção de materiais tendo uma proporção significativa de uma fase amorfa ativável.
[008] Em uma forma de incorporação, o material é produzido através da fragmentação e queima de materiais em um processo de estado sólido de alta temperatura, para produzir clínquer com algum componente cristalino e alguma fase amorfa ativável derivada da fase líquida gerada durante a queima.
[009] Em outra forma de incorporação, o material é produzido pela decomposição aquosa ou dissolução de um mineral contendo silicato natural, residual ou feito pelo homem (artificial) com CO2, para criar uma fase amorfa ativável e precipitados cristalinos adicionais.
[010] Em uma outra forma de incorporação, 0 material produzido contendo fase amorfa ativável é combinado com água e um ativador para criar um material cimentício compósito.
[011] Ainda em outra forma de incorporação, 0 ativador é selecionado a partir de CPC (1% a 70% em peso), cal livre (1% a 20% em peso), hidróxido de cálcio (1% a 20% em peso), e hidróxidos alcalinos (NaOH, KOH, 1% a 10% em peso), individualmente ou em combinação.
[012] De acordo com um aspecto, a invenção caracteriza uma pozolana sintética compreendendo pelo menos 10% em massa de uma fase amorfa ativável compreendida por um ou mais materiais siliciosos, alumino-siliciosos e aluminosos, com a fase amorfa ativável configurada para ser ativada através da realização de uma reação química para formar um composto cimentício.
[013] Em uma forma de incorporação, a pozolana sintética compreende ainda uma fase cristalina.
[014] Em outra forma de incorporação, a fase cristalina compreende, em sua maioria, melilita cristalina.
[015] Ainda em outra forma de incorporação, a fase cristalina compreende em sua maioria feldspato plagioclásio cristalino.
[016] Em mais uma outra forma de incorporação, a fase cristalina compreende em sua maioria feldspato alcalino cristalino.
[017] De acordo com outro aspecto, a invenção se refere a um método para fazer uma pozolana sintética, tal pozolana sintética compreendendo pelo menos 10% em massa de uma fase amorfa ativável, com o método compreendendo uma etapa de realizar uma reação de estado sólido em um processo de alta temperatura para produzir um clínquer.
[018] Em uma forma de incorporação, a etapa de realizar uma reação de estado sólido em um processo de alta temperatura compreende as etapas de: selecionar uma ou mais matérias primas precursoras; analisar as composições químicas das uma ou mais matérias primas precursoras; misturar as uma ou mais matérias primas precursoras para obter uma composição precursora misturada tendo uma proporção molar bruta de Ca em relação à soma de Al, Fe, Mg, Si de 0,5 a 1,0, e uma soma de óxidos de metal de Al, Fe e Mg de pelo menos 14% em peso; e aquecer a composição precursora misturada a uma temperatura entre 800 °C e 1.400 °C durante um tempo suficiente para reagir a composição precursora misturada para produzir um clínquer baseado em melilita.
[019] Em outra forma de incorporação, a etapa de realizar uma reação de estado sólido em um processo de alta temperatura compreende as etapas de: selecionar uma ou mais matérias primas precursoras; analisar as composições químicas das uma ou mais matérias primas precursoras; misturar uma ou mais matérias primas precursoras para obter uma composição precursora misturada tendo uma química bruta de AISÍ2O8 com a adição de um ou mais materiais de CaAI (membro final de anortita), NaSi (membro final de albita) ou KAI (membro final de ortoclásio), tendo uma proporção molar dos componentes CaAI + NaSi + KAI em relação a AISizOede 0,8 a 1,2 para 1; e aquecer a composição precursora misturada a uma temperatura entre 800 °C e 1.400 °C, durante um tempo suficiente para reagir a composição precursora misturada para produzir um clínquer baseado em feldspato plagioclásio.
[020] Em mais uma outra forma de incorporação, o método para fazer uma pozolana sintética compreende ainda uma etapa de utilizar um produto químico de pré-tratamento para melhorar a taxa de reação ou a máxima extensão de reação da reação de estado sólido, em comparação com a taxa de reação ou a máxima extensão de reação que é observada na ausência do produto químico de pré-tratamento.
[021] Ainda em outra forma de incorporação, o produto químico de pré-tratamento é uma solução de ácido orgânico contendo pelo menos um ácido dentre ácido acético, ácido cítrico, ácido tartárico, ácido glucônico e ácido oxálico.
[022] Em uma outra forma de incorporação, o método para fazer uma pozolana sintética compreende uma etapa de introduzir o produto químico de pré-tratamento durante a trituração dos clínqueres.
[023] Em mais uma outra forma de incorporação, o método para fazer uma pozolana sintética compreende uma etapa de introduzir o produto químico de pré-tratamento a um clínquer triturado.
[024] De acordo com outro aspecto, a invenção se refere a um método para fazer uma pozolana sintética, tal pozolana sintética compreendendo pelo menos 10% em massa de uma fase amorfa ativável, com o método compreendendo uma etapa de realizar uma reação aquosa em um processo de baixa temperatura.
[025] Em uma forma de incorporação, a etapa de realizar uma reação aquosa em um processo de baixa temperatura compreende usar um precursor incluindo um mineral de silicato configurado para decompor-se ou dissolver-se incongruentemente para formar uma fase amorfa ativável, e um precursor químico configurado para auxiliar na decomposição ou dissolução do mineral precursor.
[026] Em outra forma de incorporação, o método de fazer uma pozolana sintética compreende ainda uma etapa de percolar um gás residual contendo CO2 através de um reator.
[027] Em ainda outra forma de incorporação, 0 precursor químico é um ácido.
[028] Em mais uma outra forma de incorporação, o precursor químico é derivado de gás CO2.
[029] Em outra forma de incorporação, 0 precursor químico é sintetizado a partir de gás CO2.
[030] Em uma outra forma de incorporação adicional, 0 mineral precursor é selecionado a partir de um mineral obtido naturalmente, um calcário silicioso, uma argila, volastonita, olivina, e feldspato.
[031] Em uma forma de incorporação adicional, 0 mineral precursor é um material artificial selecionado a partir de cimento Portland comum, um cimento de sulfo-aluminato de cálcio, um cimento de aluminato de cálcio, um cimento de silicate de cálcio carbonatável, e areia de fundição sintética.
[032] Em mais uma forma de incorporação, 0 mineral precursor é uma pozolana produzida sinteticamente.
[033] Ainda em uma outra forma de incorporação, 0 mineral precursor é selecionado a partir de um material residual, escória e cinzas volantes.
[034] Em uma outra forma de incorporação, a fase amorfa ativável compreende SÍO2, AI2O3 6 AI2O3-SÍO2.
[035] De acordo com outro aspecto, a invenção se refere a um material compósito produzido pela mistura de uma pozolana sintética da reivindicação 1 com um ativador e água.
[036] Em uma forma de incorporação, 0 ativador é selecionado a partir de cimento hidráulico (1% a 70% em peso), cal livre (1% a 20% em peso), hidróxido de cálcio (1% a 20% em peso) e hidróxidos alcalinos (NaOH, KOH, 1% a 10% em peso), individualmente ou em combinação.
[037] Os objetivos, aspectos, características e vantagens precedentes e outros da invenção tornar-se-ão mais evidentes a partir da seguinte descrição e das reivindicações.
[038] Os objetivos e características da invenção podem ser melhor compreendidos com referência aos desenhos descritos abaixo, e às reivindicações. Os desenhos não estão necessariamente em escala, com a ênfase geralmente sendo dada à ilustração dos princípios da invenção. Nos desenhos, números iguais são usados para indicarem partes iguais ao longo das várias vistas.
[039] A fig. 1 é um diagrama de fases ternário de CaO - SiOz - AI2O3 mostrando tanto as características químicas comuns de pozolana, a característica química geral do clínquer de cimento Portland comum, e a região de interesse para clínquer do tipo de melilita - anortita de alta temperatura, de acordo com os princípios da invenção.
[040] Esta invenção vai reduzir a pegada ecológica de CO2 de cimentos hidráulicos produzidos tradicionalmente. Os MCSs são tipicamente compostos por silicatos amorfos e/ou alumino-silicatos amorfos que podem ser ativados na presença de uma base. Uma fase amorfa ativável é uma fase amorfa que compreende silicato amorfo e/ou uma fase de alumino-silicato amorfo que pode ser ativada para ter uma propriedade cimentícia.
[041] Para alcançar um alto impacto na indústria de cimento e concreto, esses MCSs devem ser capazes de ser produzidos globalmente, de preferência dentro da infra- estrutura de cimento existente, com uma cadeia de fornecimento confiável e sustentável.
[042] A fim de diminuir a pegada ecológica de CO2 incorporada dos produtos de concreto, foram realizados esforços para reduzir a quantidade de clínquer durante a produção de cimento. Isto tem sido possível em muitas aplicações através do uso de pozolanas. Pozolanas englobam uma variedade de materiais naturais e subprodutos industriais que possuem a capacidade de substituir uma certa proporção de cimento Portland em um concreto enquanto contribuem para a resistência do membro final do concreto. Como esses materiais contribuem para a resistência mecânica do material, eles são capazes de substituir uma quantidade substancial de cimento Portland, em alguns casos em até 80%.
[043] Muitos materiais pozolânicos, especialmente subprodutos industriais, possuem pegada ecológicas de CO2 inerentemente baixas. Em algumas formas de incorporação, 0 seu uso em cimentos misturados reduz significativamente a pegada ecológica de CO2 incorporada do cimento.
[044] O termo "pozolana" abrange largamente materiais siliciosos ou alumino-siliciosos e aluminosos que não possuem nenhuma propriedade cimentícia intrínseca, mas podem reagir quimicamente (ou serem ativados) com hidróxido de cálcio na presença de água para formar compostos cimentícios. Também é feita referência ao material de pozolana como uma fase amorfa ativável. Historicamente, materiais de ocorrência natural contendo um componente de vidro vulcânico foram usados em combinação com cal apagada (hidratada) para criar as argamassas usadas nas antigas práticas de construção. Nos tempos modernos, um grande número de materiais pozolânicos são usados em conjunto com cimentos hidráulicos. Eles incluem materiais como cinzas volantes, escória granulada de alto forno triturada (GGBFS - Ground Granulated Blast Furnace Slag}, fumos de silica, resíduos orgânicos queimados (por exemplo, cinzas de casca de arroz), metacaulim reativo (argilas calcinadas), xistos calcinados, cinzas vulcânicas, pedra-pomes e terra de diatomáceas.
[045] A fig. 1 é um diagrama de fases ternário 100 de CaO - SiÜ2 - AI2O3 mostrando tanto as características químicas comuns de pozolana, a característica química geral do clínquer de cimento Portland comum, e a região de interesse para clínquer do tipo de melilita - anortita de alta temperatura, de acordo com os princípios da invenção.
[046] Na fig. 1 são ilustradas algumas pozolanas do estado da técnica anterior, incluindo sílica 102, pozolanas naturais 104, CV (Cinzas Volantes) Tipo F 106, GBBS (também referida como escória granulada de alto forno triturada, GGBFS) 108, CPC 110, e CV (Cinzas Volantes) Tipo C 112.
[047] Na fig. 1, as novas pozolanas da presente invenção são indicadas pela porção da região 120 de Pozolana de Melilita - Anortita, que não sobrepõe nenhuma das pozolanas do estado da técnica anterior na composição.
[048] A reação de uma pozolana em um sistema de cimento hidráulico típico é simplesmente a reação entre a portlandita (Ca(OH)2), fornecida pelo componente de cimento hidráulico, e ácido silícico (H4SÍO4). Esta reação cria um composto geralmente referido como hidrato de silicato de cálcio (C-S-H), geralmente escrito como CaH2SiO4 • 2H2O. A formação de C-S-H é mostrada na Equação 1. Embora isto possa ser escrito como uma reação estequiométrica, na prática a fase de CSH pode ter uma relação molar de Ca/Si altamente variável e um teor de água cristalina altamente variável.
[049] Conforme usados aqui, os subscritos (aq), (s), (I) são destinados a denotarem os estados aquoso, sólido e líquido, respectiva mente.
[050] Em muitos casos, o hidróxido de alumínio também está presente em um meio aquoso (aluminato, AI(OH)4‘) e pode sofrer uma reação semelhante, para formar hidratos de aluminato de cálcio como C4AHi3(Ca4Al2θ7 • 13H2Ü) ou CsAHeíCaaAhOe • 6H2O, hidrogranada). Na presença de ácido silícico, se formarão hidratos de silicato aluminato de cálcio (C-A-S-H), tais como C2ASHs(Ca2Al2SiO7 • 8H2O, estratlingita) ou precipitados mais complexos de C-A-S-H. As reações que produzem espécies simples de C-A-H e C-A-S-H são mostradas nas Equações 2 a 4. Como espécies de C-S-H, 0 teor de Ca, Si, Al e H2O das espécies de C-A-S-H pode ser altamente variável.
[051] Espécies de álcalis como potássio ou sódio também reagem com hidróxido de alumínio aquoso e ácido silícico em algumas circunstâncias, e formam precipitados de hidrato de silicato de alumínio alcalino similares.
[052] Na presença de outras espécies aniônicas, tais como sulfato ou carbonato, outros hidratos complexos como etringita ou monocarbonato podem se precipitar. As formações de etringita e monocarbonato são mostradas nas Equações 5 e 6.
[053] As várias espécies de hidratos complexos descritas podem ser amplamente descritas como compostos cimentícios, e são conhecidas por contribuírem para a resistência mecânica de sistemas cimentícios.
[054] Para participar da reação pozolânica, a pozolana utilizada no sistema deve ter a capacidade de gerar H4SÍO4 aquoso e AI(OH)3. Devido à instabilidade inerente das fases contendo AI2O3 e SÍO2 amorfo, elas são preferidas em relação às fases cristalinas. Em muitos casos, a solubilidade do SÍO2 e do AI2O3 pode ser melhorada pela cura dos concretos contendo pozolana a altas temperaturas, ou pela incorporação de ativadores de hidróxido alcalino. Essa fase pozolânica é referida como uma "fase amorfa ativável" no contexto desta invenção.
[055] A composição de uma determinada pozolana define em quais espécies ela pode contribuir para a formação de compostos cimentícios. Pozolanas altamente siliciosas podem contribuir apenas com espécies relacionadas a SÍO2 para 0 processo de reação. Uma pozolana diversamente composta, tal como escória granulada de alto forno triturada, pode contribuir com espécies derivadas de SiO∑, AI2O3 e CaO para os compostos de cimento.
[056] As pozolanas naturais, ou seja, pedra-pomes vulcânica derivada de depósitos de cinzas vulcânicas, têm sido usadas desde a antiguidade. Essas rochas, quando trituradas, possuem um alto grau de atividade pozolânica natural devido ao seu caráter amorfo. No entanto, elas são geograficamente restritas e são abundantes somente para uso como MCSs em certas áreas da Europa e do Oriente Médio. Como a indústria de cimento é inerentemente uma indústria de alto volume e margens reduzidas, 0 processamento e 0 transporte de pozolanas naturais é economicamente sustentável apenas em certas circunstâncias.
[057] A calcinação de certas matérias primas naturais para criar um material pozolânico é outra abordagem para 0 fornecimento de uma grande quantidade de MCSs reativos. A calcinação de minerais de argila para criar metacaulim (AI2SÍ2O7 amorfo) para uso como MCS tem sido desenvolvida. Em alguns casos, a matéria prima de argila é calcinada com calcário, que provê portlandita (Ca(OH)2) para a reação pozolânica quando combinada com água. A calcinação de xistos de resíduos da extração de gás natural ou de petróleo também é usada para criar um material mais complexo que pode conter diversas proporções de metacaulim, sílica amorfa e cal livre.
[058] Similarmente ao uso de pozolanas naturais, 0 uso de pozolanas processadas simples está baseado na disponibilidade local de matérias primas adequadas. Muitas formas de abordagem para as pozolanas baseadas em argila calcinada requerem características químicas de uma argila específica que não é geograficamente abundante. A calcinação de xistos, especialmente a partir de resíduos de extração de hidrocarbonetos, está restrita ao local onde essas operações estão ocorrendo e, adicionalmente, requer que a rocha extraída tenha características químicas adequadas para o processamento em um MCS. Em contraste com uma pozolana natural, que pode apenas requerer as etapas de processamento de esmagamento e / ou trituração, as pozolanas naturais calcinadas requerem um processamento de forno rotativo adicional para criar a fase de aluminosilicate amorfa que reage com a portlandita. Esse processamento adicional exige uma infra-estrutura de processamento apropriada, transporte adicional, e custos adicionais que limitam a sustentabilidade econômica, exceto em condições muito favoráveis.
[059] Os subprodutos industriais são os MCSs mais típicos da atualidade. Os três subprodutos mais comuns utilizados são cinzas volantes, escória granulada de alto forno triturada (GGBFS) e fumo de sílica. A vantagem de usar tais subprodutos é que a pegada ecológica de dióxido de carbono incorporada pode ser tomada como zero (0). O custo desses materiais deve ser baixo. No entanto, isto não acontece mais, uma vez que o estímulo para diminuir o fator de clínquer na indústria de cimento impulsionou a demanda por esses materiais até o ponto em que eles podem custar tanto quanto ou mais do que o componente de clínquer hidráulico de um cimento misturado. Assim como as pozolanas naturais, os subprodutos também estão sujeitos a limitações geográficas. Por exemplo, países com pouca produção de aço não terão acesso à GGBFS.
[060] Tanto a GGBFS como as cinzas volantes podem ser misturadas em altas proporções em sistemas de cimento hidráulico, o que as torna extremamente atraentes para reduzir o fator de clínquer. No entanto, como esses materiais são subprodutos para os quais o seu método de fabricação é um efeito colateral de outro produto industrial, eles sofrem variações de composição e de qualidade. A composição e a reatividade desses subprodutos variam dependendo das especificidades do processo e das matérias primas das quais eles são derivados. Por causa disso, há uma alta variabilidade na qualidade, tanto geograficamente como ao longo do tempo.
[061] Para que os MCSs reativos como as pozolanas sejam utilizados mais amplamente na indústria de concreto, os desafios de disponibilidade universal e uniformidade de qualidade precisam ser abordados. Uma pozolana projetada por engenharia, produzida industrialmente utilizando matérias primas abundantes e baratas e a infra-estrutura de produção existente, quando possível, é uma solução preferida. Em algumas formas de incorporação, a solução deve ser capaz de ser sintetizada utilizando matérias primas globalmente disponíveis e poder ser controlada quanto à sua consistência. Uma pozolana projetada também apresenta preferivelmente uma pegada ecológica de CO2 incorporada mais baixa do que 0 cimento hidráulico convencional.
[062] Como descrito aqui, uma "pozolana sintética" é um MCS reativo artificial para uso em combinação com um ativador para criar um aglutinante cimentício. Uma pozolana sintética contém uma certa proporção de material que é capaz de reagir com um ativador, criando precipitados cimentícios.
[063] Uma pozolana sintética comumente contribui com íons de Si e Al para precipitados cimentícios. Dependendo da composição, a pozolana sintética pode contribuir com outras espécies para a formação de precipitados cimentícios, tais como Na, K, Fe, Mg ou Ca.
[064] Em algumas formas de incorporação a composição da pozolana sintética pode ser projetada por engenharia, com 0 propósito de adaptar a proporção entre espécies formadoras de composto cimentício que contribuíram para uma pozolana sintética - sistema ativador.
[065] A presente invenção descreve as rotas para produzir um fornecimento contínuo e confiável de uma fase amorfa ativável contendo um material às vezes conhecido como uma "pozolana" ou "material pozolânico".
[066] Duas rotas distintas para produzir uma substância contendo pozolana são descritas.
[067] Uma rota é um método de alta temperatura que pode ser implementado em fornos de cimento existentes, com matérias primas existentes. Dois processos químicos de formação de clínquer em alta temperatura são descritos.
[068] Um processo químico é baseado em minerais de melilita, e 0 segundo processo é baseado em feldspatos plagioclásios.
[069] Em algumas formas de incorporação, 0 material cimentício produzido pelo processamento em alta temperatura é uma combinação ou algum estágio intermediário dos sistemas baseados em melilita e plagioclásio.
[070] Em certas formas de incorporação, as matérias primas precursoras utilizadas para o processamento a alta temperatura podem incluir matérias primas naturais, como calcário, sedimentos lodosos, arenitos, argilas, terras de diatomáceas, margas, bauxitas, minério de ferro, ou outros recursos naturais adequados.
[071] Em certas formas de incorporação, as matérias primas precursoras utilizadas para o processamento a alta temperatura podem incluir resíduos ou subprodutos de processos, tais como cinzas volantes, escória, fumo de sílica, areia de fundição, rejeitos de extração de minérios, pedras de pedreira, cacos de vidro, resíduos de concreto triturado, ou resíduos ou subprodutos de processos adequados.
[072] Em certas formas de incorporação, as matérias primas precursoras usadas para o processo de alta temperatura podem ser uma combinação de fontes naturais e fontes de resíduos e de subprodutos de processos.
[073] A segunda abordagem descreve a submissão de minerais contendo silicato, que podem ser provenientes de diversas áreas diferentes, a um processo aquoso a baixa temperatura em que eles se decompõem ou se dissolvem para produzirem uma fase amorfa ativável.
[074] Em certas formas de incorporação, o processo aquoso é realizado através do uso de espécies químicas, preferencialmente ácido carbônico, ou íon de bicarbonato, ou ácido oxálico, derivadas de gás CO2.
[075] Em algumas formas de incorporação, 0 mineral de silicato precursor para 0 processo aquoso pode ser um mineral de silicato de origem natural, ou minerais como volastonita, olivina, minerais de argila, calcários, ou feldspatos.
[076] Em algumas formas de incorporação, 0 mineral de silicato precursor para 0 processo aquoso pode ser um material residual, tais como cinzas volantes, escória, areia de fundição, ou rejeitos de extração de minérios.
[077] Em algumas formas de incorporação, 0 mineral de silicato precursor para 0 processo aquoso pode ser um material artificial, tal como cimento Portland comum, cimento de silicato de cálcio carbonatável, cimento de sulfo-aluminato de cálcio, cimento de belita, cimento de aluminato de cálcio, ou areia de fundição sintética.
[078] A melilita mineral é urn sorossilicato que é constituído por uma solução sólida cristalina entre gehlenita (CazAhSiO?) e akermanita (Ca∑MgSiO?). As melilitas também podem conter proporções significativas de ferro ou sódio, em certas condições alcançando composições de ferro-akermanita (Ca2Fe2+SÍ2O?), ferro-gehlenita (Ca2Fe3+AISiO?) ou soda melilita (NaCaAISÍ2O?). Sob certas condições, as melilitas podem incorporar adicionalmente íons de potássio substitucionalmente. As melilitas podem ser descritas utilizando a fórmula geral (Ca,Na,K)2[(Mg,Fe2+,Fe3+,AI,Si)3O7].
[079] Uma composição mineral de melilita é constituída por uma mistura de fases discretas de melilita cristalina, ou como uma solução sólida de melilita que pode ser descrita por qualquer uma das espécies minerais acima mencionadas.
[080] As composições minerais de melilita também contêm uma fase de alumino-silicato de cálcio amorfa (não cristalina), adicionalmente às fases cristalinas acima descritas. Esta fase amorfa também pode incluir muitas espécies de impurezas introduzidas a partir de matérias primas ou por processamento.
[081] Uma composição mineral melilita é projetada selecionando-se uma ou mais matérias primas precursoras e misturando-as para obter um precursor misturado, tendo uma proporção molar bruta de Ca em relação à soma de Al, Fe, Mg, Si de 0,5 a 1,0, e uma soma de óxidos de metal de Al, Fe e Mg de modo a que estes óxidos componham 14% da massa da composição mineral de melilita final; e aquecendo-se a composição precursora misturada a uma temperatura entre 800 °C e 1.400 °C.
[082] Espécies de álcalis como Na ou K podem substituir Ca na fase de melilita cristalina.
[083] Espécies de álcalis, como Na ou K, ou espécies de halogênios, tais como F ou Cl, podem ser introduzidas para criarem mais líquido durante a queima e, assim, mais fase amorfa na composição mineral de melilita final.
[084] Ao ser projetada uma composição mineral melilita, a composição alvo pode ser determinada através de análise química das matérias primas precursoras disponíveis. A análise química pode ser realizada com relação a qualquer assunto conveniente, como química úmida, análise de difração de raios X, e EDAX (Energy Dispersive Analysis X-Ray - Análise Dispersiva de Energia por raios X). Em algumas formas de incorporação, espera-se que existam alguns vestígios de impurezas não expressas na composição alvo, tais como ferro, sódio, potássio e outros elementos ubíquos.
[085] Esta química de clínquer pode ser produzida utilizando-se matérias primas e uma infra-estrutura de fabricação de cimento existentes, com modificações mínimas no processo.
[086] Espera-se que esta química alvo produza uma redução de aproximadamente 40% nas emissões de CO2, em comparação com 0 cimento Portland comum (CPC) produzido no forno mais eficiente atualmente.
[087] Espera-se que, em algumas formas de incorporação, as principais fases que são produzidas sejam a melilita cristalina e 0 silicato de alumínio e cálcio amorfo. Em algumas formas de incorporação, 0 silicato de alumínio e cálcio amorfo compreende a fase amorfa ativável. Espera-se que, em algumas formas de incorporação, existam fases menores (provavelmente menores que 7%) incluindo um ou mais materiais dentre sílica residual, cal livre, C2S (belita Ca∑SiCM), CS (volastonita CaSiCh), e C3S2 (rankinita CaaSi∑O?), krotita (CaAhCM), grossita (CaAUO?), hibonita (CaAI^Oig), corindo (AI2O3), ou anortita (CaAl2SÍ20s).
[088] Em algumas formas de incorporação, a composição de óxido da fase amorfa ativável depende da composição de óxido do precursor misturado e do histórico térmico da composição mineral de melilita. A título de exemplo, no caso de uma composição mineral de melilita 100% amorfa, a composição de óxido da fase amorfa ativável será a mesma da composição de óxido do precursor misturado. Quando fases cristalinas estão presentes, a composição de óxido da fase amorfa ativável será a composição de óxido do precursor misturado menos a composição de óxido líquida das fases cristalinas.
[089] Outra composição mineral ativável a alta temperatura está baseada em feldspatos plagioclásio e ortoclásio. Anortita (CaAhSÍ2O8) é um sistema mineral próximo da gehlenita no diagrama de equilíbrio ternário de CaO - AI2O3 - SÍO2. A anortita em conjunto com sódio e potássio dá origem a uma ampla série de minerais conhecidos como feldspatos plagioclásio e alcalino. Por uma questão de brevidade, essa família de minerais será geralmente referida como "feldspatos". Um mineral ativável baseado em feldspato pode ter uma pegada ecológica de CO2 incorporada ainda mais baixa do que um mineral ativável à base de melilita, porque requer menos Ca e assim menos CaCCh para sintetizar.
[090] Os minerais de feldspato são minerais geologicamente comuns, a maioria dos quais pode ser classificada quimicamente como membros do sistema ternário de albita (NaAISiaOs, Ab) - ortoclásio (KAISiaOs, Or) - anortita (CaAhSizOs, An). As composições entre albita e ortoclásio são comumente conhecidas como feldspatos alcalinos, e aquelas entre albita e anortita são comumente conhecidas como feldspatos plagioclásios. Os minerais de uma solução sólida entre anortita e albita são comumente definidos pelo teor de anortita (An) do mineral. Estes incluem anortita (> 90% de An), bitaunita (70% a 90% de An), labradorita (50% a 70% de An), andesina (30% a 50% de An), oligoclásio (10% a 30% de An), e albita (0% a 10% de An). Os minerais de uma série de soluções sólidas entre albita e ortoclásio são similarmente definidos por seu teor de ortoclásio (Or). Estes incluem albita (0% a 10% de Or), anortoclásio (10% a 36% de Or). Em teores mais altos de ortoclásio, diversas combinações de microclina (KAISiaOs) e sanidina (KAISiaOs) podem ser observadas em combinação com inclusões de albita ou de anortoclásio.
[091] Uma composição mineral de feldspato é composta por uma mistura de fases discretas de plagiodásio cristalino ou de feldspato alcalino, ou como uma série de solução sólida de plagiodásio, ou como uma série de solução sólida de feldspato alcalino, ou como uma combinação de qualquer uma das espécies minerais ou soluções sólidas acima mencionadas.
[092] As composições minerais de feldspato também contêm uma fase de alumino-silicate de cálcio amorfa (não cristalina), adicionalmente às fases cristalinas descritas acima. Esta fase amorfa também pode incluir muitas espécies de impurezas introduzidas a partir de matérias primas ou de processamento.
[093] Uma composição mineral de feldspato é projetada selecionando-se uma ou mais matérias primas precursoras, e misturando-as para obter um precursor misturado com uma química bruta descrita por uma composição base de AISÍ2O8 com a adição de uma combinação de CaAI (membro final de anortita), NaSi (membro final de albita), ou KAI (membro final de ortoclásio), tendo uma proporção molar dos componentes CaAI + NaSi + KAI em relação a AISÍ2O8 de 0,8 a 1,2.
[094] Em algumas formas de incorporação, as proporções de KAI, CaAI, NaSi podem ser variadas para aumentar o nível de líquido durante a queima e, assim, a fase amorfa na composição mineral final de feldspato.
[095] Em algumas formas de incorporação, espécies de halogênio tais como Cl ou F podem ser introduzidas para aumentar o nível de líquido durante a queima e, assim, a fase amorfa na composição mineral de feldspato final.
[096] Ao ser projetada uma composição mineral de feldspato, a composição alvo pode ser determinada através de análise química das matérias primas precursoras disponíveis. A análise química pode ser realizada com relação a qualquer assunto conveniente, como química úmida, análise de difração de raios X, e EDAX. Em algumas formas de incorporação, espera-se que existam alguns vestígios de impurezas não expressas na composição alvo, tais como ferro, magnésio e outros elementos ubíquos.
[097] Esta química de clínquer pode ser produzida utilizando-se matérias primas e uma infra-estrutura de fabricação de cimento existentes, com modificações mínimas no processo.
[098] Espera-se que esta química alvo produza uma redução de aproximadamente 60% nas emissões de CO2, em comparação com 0 cimento Portland comum (CPC) produzido no forno mais eficiente atualmente.
[099] Espera-se que, em algumas formas de incorporação, as principais fases que são produzidas sejam a anortita cristalina ou feldspato, e silicato de alumínio e cálcio amorfo. Em algumas formas de incorporação, 0 silicato de alumínio e cálcio amorfo compreende a fase amorfa ativável. Espera-se que, em algumas formas de incorporação, existam fases menores (provavelmente menores que 7%) incluindo um ou mais materiais dentre sílica residual, cal livre, C2S (belita Ca2SiO4), CS (volastonita CaSiOa), e C3S2 (rankinita Ca3SÍ2O?), krotita (CaAhOi), grossita (CaAkO?), hibonita (CaAInOw), corindo (AI2O3), melilita ((Ca,Na,K)2(AI,Fe2+,Fe3+,Mg,Si)2Siθ7), nefelina (NaaKAUSi^iβ), leucita (KAISÍ2O6), diopsida (MgCaSÍ2Oe), hedenbergita (FeCaSÍ2Oe), augita ((Ca,Na)(Mg,Fe,AI,Ti)(Si,AI)2θ6), ou minerais do grupo olivina ((Mg,Fe)2SiO4).
[0100] Em algumas formas de incorporação, a composição de óxido da fase amorfa ativável depende da composição de óxido do precursor misturado e do histórico térmico YJJTJ da composição mineral de feldspato. A título de exemplo, no caso de uma composição mineral de feldspato 100% amorfa, a composição de óxido da fase amorfa ativável será a mesma da composição de óxido do precursor misturado. Quando fases cristalinas estão presentes, a composição de óxido da fase amorfa ativável será a composição de óxido do precursor misturado menos a composição de óxido líquida das fases cristalinas.
[0101] Pretende-se que o material formado seja uma mistura de fases cristalinas e uma fase amorfa. Quanto mais fase amorfa estiver presente, melhor. No entanto, para operação em forno rotativo, espera-se que a fase amorfa possa compreender 30%, 40% ou 50% do produto. Para outros tipos de fornos em que a carga inteira é fundida, a fase amorfa pode compreender percentagens ainda mais elevadas, por exemplo, de 60%, 70% ou 80% do produto.
[0102] Nas formas de incorporação com melilita ou feldspato, espera-se então que a mistura de fases cristalinas e uma fase amorfa seja misturada com ativadores, como descrito abaixo.
[0103] O processo de produção do cimento inclui uma das reações descritas para produzir uma composição mineral de melilita ou uma composição mineral de feldspato, e suas fases amorfas associadas.
[0104] As pozolanas sintéticas de feldspato - melilita conforme descritas geralmente ocupam a área do diagrama de fases de CaO - AI2O3 - SÍO2 indicado na fig. 1. Dependendo do projeto da pozolana sintética de feldspato - melilita, a composição pode ficar situada dentro de uma região associada a outras pozolanas naturais ou de subproduto. No entanto, em tal situação, pretende-se que a pozolana sintética seja intencionalmente projetada para obter um nível desejado de reatividade pozolânica e reprodutibilidade industrial, em contraste com um material de subproduto que é meramente coletado e minimamente processado para uso como um MCS pozolânico.
[0105] A região de pozolana sintética de melilita - feldspato indicada no diagrama de fases de CaO - AI2O3 - SÍO2 não leva em consideração outras espécies que seriam incorporadas aos materiais de pozolana sintética, tanto por projeto ou como consequência da seleção de matéria prima. Espécies como Na, K, Fe, Mg, Ti, Mn e outras presentes podem diferenciar ainda mais uma pozolana sintética de uma composição existente natural ou de um subproduto.
[0106] Além disso, existem espaços distintos no diagrama de fases de CaO - AI2O3 - SÍO2 que não estão comumente associados com nenhum material natural ou subproduto utilizado. Uma faixa distinta de composições está situada entre as pozolanas naturais siliciosas e a escória granulada de alto forno triturada. Outro intervalo distinto está no centro do diagrama de fases, entre as cinzas volantes Tipo C e Tipo F.
[0107] O material é então triturado para prover tamanhos de partículas da nova pozolana sintética que são semelhantes aos do CPC, ou mais finos.
[0108] A nova pozolana sintética é então misturada com um dos ativadores descritos. Em algumas formas de incorporação, a mistura pode ser feita por co-trituração. Em certas outras formas de incorporação, 0 ativador pode permanecer separado e é introduzido durante a produção de um material compósito a partir da pozolana sintética.
[0109] Uma abordagem alternativa para sintetizar uma fase amorfa ativável para uso como um MCS é realizada pela exploração do mecanismo de dissolução de muitos minerais de silicato comuns. Muitos minerais, especifica mente silicatos de cálcio, são capazes de sofrer um processo conhecido como dissolução incongruente, no qual 0 cátion de metal é lixiviado a partir da matriz cristalina original. A remoção do cátion de metal cria instabilidade na fase cristalina, mas 0 SÍO2 não se dissolve e é deixado para trás como uma fase sólida amorfa. Este produto de reação de SÍO2 amorfo, nanoporoso, é um candidato ideal para uso como um MCS pozolânico.
[0110] Em alguns sistemas, 0 mineral de silicato pode dissolver-se completamente e levar à precipitação de um SÍO2 amorfo e algum outro precipitado.
[0111] O que impulsiona a dissolução é 0 deslocamento de cátions de metal do seu hospedeiro mineral por protonação, ou reação com com íons H+(aq> Assim, ela é grandemente aumentada em níveis de pH ácido.
[0112] São possíveis muitas rotas para criar uma pozolana através desse processo de dissolução. Uma rota simples é através da carbonatação de minerais de silicato de cálcio.
[0113] As fases de silicato de cálcio ou de aluminato de cálcio encontradas em minerais naturais, cimento Portland comum, cimento de belita, cimento de sulfo-aluminato de cálcio, cimento de aluminato de cálcio e cimentos de silicato de cálcio carbonatáveis, tal como o Cimento Solidia, podem reagir com CO2(g) para criar um carbonato de cálcio cristalino e um produto de reação de silicato e/ou aluminato amorfo. No caso de carbonatação diretamente a partir da molécula de Cθ2(g), a molécula de CO2 é dissolvida e dissociada conforme mostrado nas Equações 7 a 9. A reação simplificada do CO2 com as fases de silicato de cálcio é mostrada nas Equações 10 a 13. Deve ser entendido que 0 produto de reação de SiO2(s) está presente como uma fase amorfa. Similarmente, a carbonatação de aluminatos de cálcio pode produzir AhO3(s) amorfo.
[0114] A síntese de uma pozolana a partir de fontes minerais de silicato de cálcio sequestra diretamente gás CO2 como um sólido dentro do produto. Isto imediatamente compensa parte da pegada ecológica de CO2 gerada a partir da fabricação de cada mineral. O pó aumenta em massa a partir da precipitação de carbonato de cálcio durante 0 processo de carbonatação. Isto efetivamente aumenta a massa do produto criado (por exemplo: 1 tonelada de cimento Portland triturado pode se tornar 1,4 toneladas de pozolana sintética após um processo de reação de carbonatação). A extensão da carbonatação do composto de silicato de metal pode ser ajustada de maneira a diminuir a pegada ecológica de carbono do concreto formado. Por exemplo, a carbonatação parcial de CPC, que é principalmente uma mistura de compostos de silicato de cálcio, pode levar a uma economia de CO2 sem comprometer 0 desempenho desejado do concreto. O CPC pode ser carbonatado em diferentes graus, tal como a 0,2% em peso, a 0,5% em peso, a 1% em peso, a 5% em peso, a 10% em peso ou mais, para alcançar desempenhos diferentes com diversas magnitudes de economia de CO2. Esse processo de carbonatação pode ser feito de várias maneiras, tal como durante a trituração do clínquer soprando-se gás CO2 úmido através do triturador.
[0115] Além da fase amorfa de SiCh, que pode funcionar como um material amorfo ativável, uma quantidade significativa de CaCCh (calcita, aragonita ou vaterita) é gerada a partir da carbonatação. Adições de CaCCh fino, especialmente a partir de calcário, demonstraram ter um impacto positivo nas propriedades dos concretos de cimento Portland. Isto torna as pozolanas baseadas em minerais de silicato de cálcio carbonatados um produto que pode se beneficiar duplamente pela presença de uma fase amorfa ativável e pela presença de precipitados de CaCCh finos.
[0116] A síntese de tal pozolana a partir de um mineral de silicato de cálcio, especialmente a partir de um cimento de silicato de cálcio carbonatável ou um cimento Portland produzido em forno rotativo, poderia ser realizada diretamente no local de fabricação. Um sistema em que 0 cimento triturado é carbonatado diretamente com 0 CO2 emitido durante sua produção pode ser previsto.
[0117] Outra rota para criar um pozolana é através do uso de um ácido mais forte em comparação com 0 ácido carbônico, tais como os ácidos carboxílicos, mais especifica mente H2C2θ4(aq), o ácido oxálico. Usar um oxalato com um silicato de cálcio apresenta a vantagem adicional de seqüestrar 0 equivalente a 2 moléculas de CO2 para cada cátion lixiviado do mineral precursor de silicato.
[0118] A reação de dissociação de H2C2θ4(aq) é mostrada nas Equações 14 e 15.
[0119] As seguintes reações de minerais do tipo silicato de cálcio com ácido oxálico, conforme se acredita que ocorram, são apresentadas nas Equações 16 a 19. Deve ser entendido que o produto de reação de SiCh® está presente como uma fase amorfa.
[0120] Alguns dos ácidos carboxílicos, tal como o ácido oxálico, é capaz de reagir com espécies minerais que são inertes ou reagem muito lentamente com espécies de CO32'(aq) ou HCO3 (aq). Isto permite que 0 oxalato facilite a dissolução de uma faixa mais ampla de minerais de silicato e de alumino-silicatos do que a que poderia ser tratada com 0 ácido carbônico sozinho. Um exemplo de um mineral de silicato que pode ser facilmente oxalado, mas possui uma reação lenta com ácido carbônico, é a olivina ((Mg,Fe)2SiO4).
[0121] As seguintes reações de minerais do tipo olivina com ácido oxálico, conforme se acredita que ocorram, são apresentadas na Equação 20. Deve ser entendido que 0 produto de reação de SiOzcs) está presente como uma fase amorfa.
[0122] Exemplos de minerais baseados em alumino-silicato que podem reagir com ácido oxálico incluem feldspatos (anortita, albita, ortoclásio) e melilitas (aquermanita, gehlenita). Na reação de oxalação desses minerais de alumino-silicatos, acredita-se que os produtos da reação de Afetas) e SiCk® estejam presentes como uma fase amorfa com componentes baseados em Si e Al.
[0123] As seguintes reações de minerais do tipo feldspato e melilita com ácido oxálico, conforme se acredita que ocorram, são descritas nas Equações 21 a 25.
[0124] Uma implicação interessante da reação de oxalação, ou da reação com ácidos mais fortes do que os ácidos carbônicos, tais como os ácidos carboxílicos, da melilita ou dos minerais de feldspato para produzir um silicato amorfo, é o uso deste processo em MCSs existentes. Cinzas volantes e escória comumente usadas como pozolanas contêm proporções significativas de melilita, feldspato ou outras fases de alumino-silicatos. O processamento desses materiais com ácido oxálico pode torná-los mais reativos ao reagirem com fases inertes. Essa reação poderia gerar SiO∑ ou AI2O3 amorfo, 0 que poderia contribuir para as reações pozolânicas. O efeito líquido deste pré-tratamento seria um aumento da atividade pozolânica do produto tratado. A massa desses materiais também seria estendida proporcionalmente à quantidade de oxalato reagido, aumentando a quantidade de produto utilizável.
[0125] A introdução de produtos químicos de pré-tratamento durante a trituração, mistura, ou como um tratamento com pó distinto, pode ser usada para converter aluminosilicate cristalino inerte ou silicates de cálcio em fases de SiCk ou AI2O3 que poderiam contribuir para as reações pozolânicas. Esses produtos químicos de pré-tratamento incluem, mas não se limitam a, sulfatos, oxalates e compostos orgânicos.
[0126] A síntese de uma pozolana a partir de fontes minerais seqüestra indiretamente 0 gás CO2 Qá que 0 oxalato, C2O4, é sintetizado a partir de 2 moléculas de CO2) como um sólido dentro do produto. Isto compensa imediatamente parte da pegada ecológica de CO2 gerada pela fabricação de cada mineral. O pó aumenta em massa a partir da precipitação de oxalates durante 0 processo de carbonatação. Isto efetivamente aumenta a massa do produto criado (por exemplo: 1 tonelada de cimento Portland triturado pode se transformar em 1,9 toneladas de pozolana sintética após um processo de reação de oxalato).
[0127] As finas partículas de oxalato precipitadas durante 0 processo de reação podem ser benéficas para as propriedades finais ou de fundição de corpos de concreto, servindo como um enchimento fino.
[0128] As fases de silicato de cálcio utilizadas como precursores podem ser provenientes de cimentos comumente disponíveis, tais como cimento Portland comum, cimentos de silicato de cálcio carbonatáveis, cimentos de sulfo-aluminato de cálcio, cimentos de aluminato de cálcio, ou minerais naturais. Como esses materiais, especialmente 0 cimento Portland comum, podem ser produzidos globalmente com razoável uniformidade, eles constituem uma fonte ideal de material para a produção de pozolana sintética através de um método baseado em carbonatação ou oxalação.
[0129] As fases de olivina utilizadas como precursores podem ser obtidas a partir de areias de fundição de metal baseadas em olivina comumente disponíveis, ou a partir de depósitos naturais.
[0130] As fases de feldspato utilizadas como precursores podem ser provenientes de feldspato plagioclásio ou de escórias, cinzas volantes e clínqueres baseados em anortita, ou provenientes de depósitos naturais.
[0131] As fases de melilita utilizadas como precursores podem ser provenientes de escórias, cinzas volantes e clínqueres à base de melilita, ou provenientes de depósitos naturais.
[0132] Os ativadores podem ser um dos seguintes materiais: CPC (1% a 90% em peso), cal livre (1% a 20% em peso), hidróxido de cálcio (1% a 20% em peso), e hidróxidos alcalinos (NaOH, KOH, 1% a 10% em peso), individualmente ou em combinação. Em geral, o ativador pode ser um ativador selecionado do grupo de materiais compreendendo bases orgânicas e inorgânicas.
[0133] Faz-se então com que o ativador reaja com as fases amorfas da pozolana sintética.
[0134] Espera-se que os ativadores reajam com a fase amorfa, resultando na geração de compostos cimentícios.
[0135] Qualquer uma das pozolanas sintéticas descritas nesta invenção pode ser integrada em uma mistura de concreto baseada em cimento hidráulico. As pozolanas são adicionadas como uma substituição do cimento hidráulico a um nível de 1% a 99% de substituição.
[0136] O sistema aglutinante criado pela combinação de um cimento hidráulico e uma pozolana sintética torna-se o componente aglutinante de um corpo de concreto.
[0137] O cimento hidráulico empregado pode ser qualquer um dos cimentos hidráulicos como o cimento Portland comum, o cimento de sulfo-aluminato de cálcio, o cimento de belita, ou outro material hidráulico baseado em cálcio.
[0138] O nível de substituição do componente de cimento hidráulico do sistema aglutinante pode estar a um nível adequado, por exemplo de 10% ou mais, em massa, da massa sólida total do sistema aglutinante (por exemplo, de aproximadamente 10% ou mais, de cerca de 20 % ou mais, de cerca de 30% ou mais, de aproximadamente 40% ou mais, de cerca de 50% ou mais, de cerca de 60% ou mais, de aproximadamente 70% ou mais, de cerca de 80% ou mais, de cerca de 90% ou mais, em massa, dos sólidos totais).
[0139] Um ativador está presente na mistura de concreto. De preferência, o ativador é Ca(OH)2 gerado durante o processo de hidratação natural do componente de cimento hidráulico. Ativadores adicionais podem ser adicionados para melhorar o desempenho da pozolana sintética. O sistema aglutinante usado em um concreto pode ser criado pela co- trituração de clínquer de cimento hidráulico e uma forma consolidada ou em pó de pozolana sintética, em uma proporção determinada no local da fabricação do cimento.
[0140] O sistema aglutinante usado em um concreto pode ser criado, alternativamente, pela mistura de um cimento hidráulico em pó e uma pozolana sintética em pó, no local de produção do concreto.
[0141] O aglutinante pode ser combinado com agregados grossos e finos e água, para produzir um concreto apropriado para aplicações com moldagem no local, tais como fundações, leitos de estradas, calçadas, lajes arquitetônicas, e outras aplicações moldadas no local.
[0142] O aglutinante pode ser combinado com agregados grossos e finos e água, para produzir um concreto apropriado para aplicações pré-moldadas, tais como pavimentos, CMUs {Concrete Masonry Units, Unidades de Alvenaria feitas de Concreto), telhas feitas por moldagem úmida, paredes de retenção segmentadas, lajes alveolares, e outras aplicações pré-moldadas.
[0143] O aglutinante pode ser combinado com agregados finos e água, para produzir uma argamassa apropriada para aplicações de alvenaria.
[0144] Os concretos produzidos utilizando o aglutinante contendo pozolana sintética podem ser produzidos com qualquer combinação dos ativadores descritos.
[0145] Os concretos produzidos usando o aglutinante contendo pozolana sintética podem ser produzidos com aditivos químicos comuns na indústria de concreto, tais como plastificantes, redutores de água, retardadores de cura, aceleradores, aditivos de entrada de ar, inibidores de corrosão, impermeabilizantes, e redutores de eflorescência.
[0146] A eficiência de um sistema aglutinante conforme descrito pode ser determinada pelo cálculo do "índice de atividade" da combinação da pozolana sintética com o ativador. Isto é conseguido medindo-se as propriedades mecânicas (tipicamente a resistência à compressão) de uma série de amostras padrão (tipicamente argamassas) produzidas por várias combinações de pozolanas sintéticas, ativadores de cimento hidráulico e quaisquer ativadores adicionais. A medição das propriedades mecânicas é então correlacionada com o teor de pozolana sintética da mistura para determinar um coeficiente de atividade.
[0147] Um coeficiente de atividade igual a 1 indica uma paridade da pozolana sintética e do cimento hidráulico sendo substituído. Um coeficiente de atividade maior que um indica um desempenho melhorado da pozolana sintética em relação ao cimento hidráulico sendo substituído. Um coeficiente de atividade inferior a um indica que a pozolana sintética contribui para o desempenho do sistema aglutinante, mas a um nível inferior ao do cimento hidráulico sendo substituído. Um coeficiente de atividade igual a 0 (zero) indica que a pozolana sintética não contribui para o desempenho do sistema aglutinante e é essencialmente um enchimento inerte.
[0148] A água usada para formar um corpo de concreto cumpre dois papéis. Primeiramente, a água ativa as, e participa das, várias reações hidráulicas que levam à formação de compostos cimentícios, e gera resistência mecânica. Em segundo lugar, a água umedece as partículas nas misturas, lubrifica o sistema, e permite que a mistura se comporte plasticamente e seja formada com os formatos desejados. A água além do necessário para ativar as reações hidráulicas, algumas vezes chamada de água livre, determina a porosidade do corpo que está sendo formado. Um teor de água mais elevado leva a uma maior porosidade, e um menor teor de água leva a uma porosidade mais baixa.
[0149] A porosidade em materiais quebradiços é prejudicial ao desempenho mecânico. Para criar um corpo de concreto com alto desempenho mecânico, é necessário minimizar a quantidade de porosidade presente em seu estado final. Para este propósito, minimizar a água necessária para formar um corpo de concreto é um aspecto importante da criação de um material de alto desempenho.
[0150] Quando as pozolanas sintéticas são usadas para criarem um sistema aglutinante para um concreto é importante considerar a alteração da trabalhabilidade, que pode ser induzida pela alteração da distribuição das populações de partículas do sistema.
[0151] Uma pozolana sintética tendo uma distribuição de tamanhos de partículas bem graduada ou projetada pode levar a um aumento nas propriedades de fluxo dos pacotes de partículas do sistema de concreto. Isto permite indiretamente que o teor de água da mistura seja reduzido, e pode levar a melhorias nas propriedades mecânicas finais do corpo.
[0152] Uma pozolana sintética tendo uma distribuição de tamanhos de partículas mal graduada, ou uma pozolana incluindo partículas tendo uma alta área específica, pode levar a uma diminuição das propriedades de fluxo do sistema de concreto. Em um sistema não otimizado, é necessário um maior teor de água para manter a fluidez e a trabalhabilidade da mistura. Isto pode ser prejudicial para as propriedades mecânicas finais do corpo.
[0153] Uma distribuição de tamanhos de partículas bem projetada também pode levar ao aumento do desempenho, otimizando os pacotes de partículas do sistema aglutinante durante a consolidação final. Isto faz com que o sistema de partículas se aproxime de um esquema com pacotes de partículas matematicamente ótimo, aumentando a densidade e o desempenho mecânico final do sistema.
[0154] A trabalhabilidade de um sistema aglutinante é comumente estimada pela medição da fluidez de uma mistura de argamassa. Nessa medição, o sistema aglutinante, água e areia padrão são combinados. A mistura de argamassa úmida é então submetida a uma perturbação reproduzível, por exemplo em um dispositivo do tipo mesa de escoamento (flow table, tap table), e o espalhamento da mistura é quantificado.
[0155] Os detalhes da fabricação de uma pozolana sintética podem ser controlados para minimizar a demanda por água dos materiais finais e levar a uma melhoria na trabalhabilidade ou na resistência mecânica de um corpo de concreto, puramente proveniente do efeito da distribuição otimizada dos tamanhos de partículas e da área específica.
[0156] Embora se acredite que a descrição teórica aqui provida esteja correta, a operação dos dispositivos aqui descritos e reivindicados não depende da precisão ou validade da descrição teórica. Ou seja, desenvolvimentos teóricos posteriores que possam explicar os resultados observados em uma base diferente da teoria aqui apresentada não depreciarão as invenções aqui descritas.
[0157] Qualquer patente, pedido de patente, publicação de pedido de patente, artigo de revista, livro, artigo publicado, ou outro material publicamente disponível identificado nesta especificação está aqui incorporado como referência na sua totalidade. Qualquer material, ou parte dele, que é citado como estando incorporado aqui como referência, mas que está em conflito com definições existentes, declarações, ou outro material de divulgação explicitamente definido aqui, somente é incorporado na medida em que não surja nenhum conflito entre esse material incorporado e o material da presente invenção. No caso de um conflito, o conflito deve ser resolvido em favor da presente invenção como sendo a divulgação preferida.
[0158] Embora a presente invenção tenha sido particularmente ilustrada e descrita com referência à sua modalidade preferida conforme ilustrado no desenho, deve ser entendido por um perito na arte que várias alterações nos detalhes podem ser efetuadas sem fugir do espírito e do escopo da invenção, tal como definidos pelas reivindicações.
Claims (7)
1. Pozolana sintética, caracterizada por compreender: pelo menos 10% em massa de uma fase amorfa ativável, compreendendo um ou mais materiais dentre um material silicioso, alumino-silicioso e aluminoso, com a referida fase amorfa ativável estando configurada para ser ativada pela realização de uma reação química para formar um composto cimentíceo; e uma fase cristalina, em que a fase cristalina compreende em sua maioria melilita cristalina, feldspato plagioclásio cristalino, ou feldspato alcalino cristalino.
2. Método para fazer uma pozolana sintética conforme descrita na reivindicação 1, caracterizado por a referida pozolana sintética compreender pelo menos 10% em massa de uma fase amorfa ativável, e uma fase cristalina compreendendo melilita cristalina sintetizada, e o método compreender etapas de: realizar uma reação de estado sólido em um processo a alta temperatura para produzir um clínquer; e utilizar um produto químico de pré-tratamento para melhorar a taxa de reação ou a máxima extensão de reação da dita reação de estado sólido, em comparação com a citada taxa de reação ou a referida máxima extensão de reação que é observada na ausência do mencionado produto químico de pré-tratamento, em que o referido produto químico de pré-tratamento é uma solução de ácido orgânico, contendo pelo menos um ácido dentre ácido acético, ácido cítrico, ácido tartárico, ácido glucônico, e ácido oxálico, em que a referida etapa de realizar uma reação de estado sólido em um processo a alta temperatura compreende as etapas de: selecionar uma ou mais matérias primas precursoras; analisar as composições químicas das citadas uma ou mais matérias primas precursoras; misturar as referidas uma ou mais matérias primas precursoras para obter uma composição precursora misturada, tendo uma proporção molar bruta de Ca em relação à soma de Al, Fe, Mg, Si de 0,5 a 1,0, e uma soma de óxidos de metal de Al, Fe e Mg de pelo menos 14% em peso; e aquecer a composição precursora misturada a uma temperatura entre 800 °C e 1.400 °C durante um tempo suficiente para reagir a composição precursora misturada para produzir um clínquer baseado em melilita.
3. Método para fazer uma pozolana sintética conforme descrita na reivindicação 1, caracterizado por a referida pozolana sintética compreender pelo menos 10% em massa de uma fase amorfa ativável, e uma fase cristalina compreendendo um feldspato plagioclásio cristalino sintetizado, o método compreendendo as etapas de: realizar uma reação de estado sólido em um processo a alta temperatura para produzir um clínquer; e utilizar um produto químico de pré-tratamento para melhorar a taxa de reação ou a máxima extensão de reação da dita reação de estado sólido, em comparação com a citada taxa de reação ou a referida máxima extensão de reação que é observada na ausência do mencionado produto químico de pré-tratamento, em que o referido produto químico de pré-tratamento é uma solução de ácido orgânico, contendo pelo menos um ácido dentre ácido acético, ácido cítrico, ácido tartárico, ácido glucônico, e ácido oxálico, em que a referida etapa de realizar uma reação de estado sólido em um processo a alta temperatura compreende as etapas de: selecionar uma ou mais matérias primas precursoras; analisar as composições químicas das citadas uma ou mais matérias primas precursoras; misturar as citadas uma ou mais matérias primas precursoras para obter uma composição precursora misturada tendo uma química bruta de AlSi2O8 com a adição de um ou mais materiais de CaAl (membro final de anortita), NaSi (membro final de albita) ou KAl (membro final de ortoclásio), tendo uma proporção molar dos componentes CaAl + NaSi + KAl em relação a AlSi2O8 de 0,8 a 1,2 para 1; e aquecer a composição precursora misturada a uma temperatura entre 800 °C e 1.400 °C, durante um tempo suficiente para reagir a composição precursora misturada para produzir um clínquer baseado em feldspato plagioclásio.
4. Método para fazer uma pozolana sintética, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado por compreender uma etapa de introdução do referido produto químico de pré-tratamento durante a trituração dos clínqueres.
5. Método para fazer uma pozolana sintética, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado por compreender uma etapa de introdução do referido produto químico de pré-tratamento em um clínquer triturado.
6. Material compósito, caracterizado por ser produzido pela mistura de uma pozolana sintética conforme descrito na reivindicação 1 com um ativador e água.
7. Material compósito, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o ativador ser selecionado a partir de cimento hidráulico (1% a 70% em peso), cal livre (1% a 20% em peso), hidróxido de cálcio (1% a 20% em peso), e hidróxidos alcalinos (NaOH, KOH, 1% a 10% em peso), individualmente ou em combinação.
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