BRPI1010848B1 - Material expansível e seu processo de preparação - Google Patents

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carbon dioxide
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Takayuki Higuchi
Taiichiro Mori
Hideaki Ishida
Ryoetsu Yoshino
Minoru Morioka
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Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha
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Abstract

material expansível e seu processo de preparação a invenção provê um material expansível que permite uma expansão grande do concreto a urna idade de material de 2 a 7 dias após o derramamento e perrni te que o concreto apresente resistência à compressão inicial mais alta e torna a estabilidade ao armazenamento boa o suficiente, e a um processo para a preparação deste material expansível. a invenção provê um material expansível e um processo para a preparação deste material expansível, caracterizados pelo fato do clínquer ou clínquer pulverizado contendo cal livre, um composto hidráulico e sulfato de cálcio anidro é tratado terrnicarnente em uma atmosfera de dióxido de carbono gasoso para formar carbonato de cálcio. preferivelrnente, o material expansível contém urna partícula na qual a cal livre, composto hidráulico, sulfato de cálcio anidro e carbonato de cálcio estão todos presentes; o teor de carbonato de cálcio é de 0,5 a 10% em massa; e o material expansível apresenta uma área de superfície específica de blaine de 1500 a 9000 crn2/g~ o material expansível é misturado com cimento em uma composição de cimento. as condições de preparação são preferivelrnente uma taxa de fluxo de dióxido de carbono gasoso de 0,01 a 0,1 1/min e a uma temperatura de 200 a 800ºc, condições sob a quais é formado o carbonato de cálcio.

Description

Algumas proposições foram feitas quanto a um de concreto capaz de desenvolver boa capacidade de expansão em pequenas quantidades (publicação de patente 1), e a um material expansível para cimento no qual a superfície de cal viva é revestida com carbonato de cálcio (publicação de patente 2). Foi também proposto carbonatar a superfície de cal extinta ou hidratada branda para uso como material de pulverização para cimento de concreto assentado (publicação de patente 3).
No campo do aço, existe uma técnica de carbonatação de cal proposta para manter a higroscopicidade da cal utilizada como agente dessulfurizante.
LISTA DAS PUBLICAÇÕES DO ESTADO DA TÉCNICA
PUBLICAÇÃO DE PATENTE
Publicação de Patente 1: patente n° 4244261
Publicação de Patente 2: JP (A) 54-93020
Publicação de Patente 3: JP (A) 58-154779
PUBLICAÇÕES NÃO PATENTÁRIAS
Publicação não patantéria 1:
Regarding the inhibition of the hygroscopicity of quicklime by partial carbonation”, Iron and Steel, 1978, vol. 64, n° 2, páginas 56-65
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SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Um material expansível típico convencional apresenta uma característica de se expandir rapidamente por um ou dois dias após ser derramado no concreto, e então lentamente até uma idade do material de 7 dias. Com uma idade do material de dois dias, no entanto, a reação de hidratação do cimento no concreto não ocorreu suficientemente, fazendo com que a matriz se torne grosseira e apresente grandes deformações, freqüentemente resultando com grandes possibilidades na eliminação do préesforço introduzido pelo material expansível no aço de reforço. Desta forma, há ainda uma grande demanda por um material expansível que, embora sendo em pequenas quantidades, se expande menos com uma idade de material de um ou dois dias e mais com uma idade de material de 2 a 7 dias, especialmente de 5 a 7 dias. Um problema com o material expansível do estado da técnica é que quando armazenado por um período de tempo prolongado em atmosferas de alta temperatura e umidade, a capacidade de expansão se torna pior e, especialmente quando pré-misturado com cimento, a capacidade de expansão se torna muito pior. Mantendo à mão cimento expansível contendo cimento misturado com um material expansível tem o mérito de não apenas evitar o derramamento problemático em uma planta de concreto líquido, mas também de evitar o fenômeno de “popout” causado pela coagulação do material expansível resultante de um baixo amassamento. No entanto, tais problemas conforme mencionados acima estão em vias de superar os méritos.
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Por esta razão, o objetivo da invenção é o de prover um material expansível que permita uma boa expansão do concreto em de 2 a 7 dias após o derramamento, permitindo ao concreto apresentar resistência à compressão inicial alta, e apresentar estabilidade no armazenamento aumentada, e de prover seu processo de preparação. Este objetivo é alcançado com as características das reivindicações.
VANTAGENS DA INVENÇÃO
De acordo com a presente invenção, pode ser obtido um material expansível que permite uma grande expansão do concreto com uma idade de material de 2 a 7 dias após o derramamento, permitindo que o concreto apresente uma alta resistência à compressão com uma idade de material de 7 dias, que é mantida em termos de uma redução da capacidade de expansão mesmo quando armazenado por um período de tempo prolongado.
FORMAS DE REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO
A não ser que afirmado diferentemente, os termos parte e % utilizados aqui são dados em massa.
O termo concreto utilizado aqui é um termo geral para pastas de cimento, argamassa de cimento, e concretos de cimento.
O material expansível da invenção é obtido por tratamento de clínquer ou clínquer na forma não pulverizada ou pulverizada com dióxido de carbono gasoso, o dito clínquer sendo obtido por tratamento térmico de uma mistura apropriada de matéria prima de Cão, matéria prima de Al2O3, matéria prima de Fe2O3, matéria prima de SiO2, e matéria prima de CaSO4.
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O termo “cal livre” aqui refere-se ao que usualmente é chamado de f-CaO.
O termo composto hidráulico” referido aqui, por exemplo, inclui Hauyne representado por 3CaO.3Al2O3.CaSO4, silicato de cálcio representado por 3CaO.SiO2 (chamado de
C3S para abreviar) ou 2CaO.SiO2 (chamado de C2S para
abreviar), aluminoferrita de cálcio representada por
4CaO.Al2O3. Fe2O3 (chamada de C4AF para abreviar) ou
6CaO.2Al2O2 .Fe2O3 (chamada de C6A2F para abreviar) ou
6CaO.Al2O2. Fe2O3 (chamada de c6af para abreviar), e ferrita
de cálcio representada por 2CaO Fe2O3 (chamada de C2F para
abreviar). Preferivelmente estes compostos são utilizados separadamente ou em combinações de dois ou mais. Não há qualquer limitação particular imposta à morfologia do carbonato de cálcio contido no material expansível da invenção.
A matéria prima de CaO inclui calcário e cal extinta ou hidratada; a matéria prima de Al2O3 inclui bauxita, cinzas de alumínio, etc.; a matéria prima de Fe2O3 inclui escória de cobre ou óxido de ferro comercialmente disponível; a matéria prima de SiO2 inclui fluorita ou semelhante; e a matéria prima de CaSO4 inclui sulfato de cálcio dihidrato, sulfato de cálcio hemi-hidrato, e sulfato de cálcio anidro.
Estas matérias primas freqüentemente contêm impurezas, no entanto não oferecem quaisquer problemas práticos em tal faixa, que sejam negativos nas vantagens da invenção. Impurezas típicas incluem MgO, TiO2, ZrO2, MnO, P2O5, Na2O, K2O, Li2O, enxofre, flúor, e cloro.
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Embora não exista qualquer limitação em como tratar termicamente o clínquer utilizado no material expansível da invenção, ainda assim é preferível se queimar o clínquer a uma temperatura de 1100 a 1600°C, especialmente 1200 a 1500°C em um forno elétrico, fornalha ou semelhante. A menos de 1100°C, a capacidade de expansão é menor que a satisfatória, e a temperaturas acima de 1600°C, o sulfato de cálcio anidro pode se decompor.
Os teores dos respectivos minerais contidos no clínquer utilizado no material expansível da invenção, ficam preferivelmente nas seguintes faixas. O teor de cal livre é preferivelmente de 10 a 70 partes, mais preferivelmente de 40 a 60 partes por 100 partes de clínquer. O teor de composto hidráulico é preferivelmente de 10 a 50 partes, mais preferivelmente 20 a 30 partes por 100 partes de clínquer. O teor de sulfato de cálcio anidro é preferivelmente de 1 a 50 partes, mais preferivelmente de 20 a 30 partes por 100 partes de clínquer. Quando o teor de sulfato de cálcio anidro no clínquer é menor, é preferível se utilizar sulfato de cálcio anidro novo para a preparação do material expansível da invenção. Qualquer desvio de tais faixas podem freqüentemente produzir uma expansão muito alta resultando em uma menor resistência à compressão, ou uma redução da quantidade de expansão a uma idade de material de 2 a 7 dias, especialmente 5 a 7 dias.
Os teores dos minerais podem ser confirmados por métodos de análise convencionais normais. Por exemplo, uma amostra pulverizada é colocada em um sistema de difração de raio-X de pó para verificar os ditos minerais e os dados de análise pelo método de Rietveld, identificando desta forma
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6/29 as quantidades dos minerais. As quantidades dos minerais podem ser também obtidas por cálculo com base nos ingredientes químicos e nos resultados da identificação da difração de raio-X de pó.
As condições para o tratamento com dióxido de carbono gasoso para o propósito de preparação do material expansível da invenção preferivelmente ficam nas seguintes faixas.
Preferivelmente, a taxa de fluxo de dióxido de carbono gasoso para o vaso de carbonatação é de 0,01 a 0,1 l/min por litro do vaso de carbonatação. A uma taxa de fluxo de 0,1 l/min, freqüentemente muito tempo é gasto para a carbonatação do clínquer, e o aumento da taxa de fluxo para além de 0,1 l/min não resulta em um aumento maior na taxa de carbonatação: não é econômico. Note-se que esta condição de taxa de fluxo se mantém verdadeira para o caso em que um cadinho utilizado como o vaso de carbonatação é colocado em um forno elétrico através do qual o dióxido de carbono prevalece para a reação com o clínquer, isto é, não é verdadeira para outros casos em que o dióxido de carbono gasoso é deixado reagir com o clínquer de outras formas. Utilizando-se gases que saem do forno de queima da cal em vez de dióxido de carbono gasoso para a carbonatação é preferível para aperfeiçoamentos na capacidade de expansão.
O vaso de carbonatação é preferivelmente colocado a uma temperatura de 200 a 800°C. A menos de 200°C, a reação de carbonatação do clínquer freqüentemente não mais ocorre, e temperaturas acima de 800°C freqüentemente resultam na incapacidade de formação de carbonato de cálcio, porque
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7/29 mesmo embora o clínquer seja transformado em carbonato de cálcio, a reação de carbonatação ocorre novamente.
Cabe ser observado aqui que o clínquer em uma forma não pulverizada pode ser carbonatado como tal, ou alternativamente, o clínquer pode ser pulverizado antes da carbonatação. Não há qualquer limitação particular quanto ao vaso de carbonatação a que se faz referência aqui, em outras palavras, qualquer tipo de vaso pode ser utilizado desde que o contato e reação do clínquer com dióxido de carbono gasoso ocorra. Por exemplo, pode-se fazer uso de um forno elétrico, um forno de aquecimento do tipo leito fluidizado, e um moinho para pulverizar o clínquer.
A proporção de carbonato de cálcio é preferivelmente de 0,5 a 10 partes, mais preferivelmente de 1 a 5 partes por 100 partes de clínquer. A não ser que a proporção na composição de cada mineral fique dentro da faixa mencionada acima, nem será obtida uma boa capacidade de expansão, nem será obtida uma resistência à compressão inicial alta e estabilidade ao armazenamento.
O teor de carbonato de cálcio pode ser quantificado a partir das alterações de peso em associação com a descarbonatação do carbonato de cálcio por análise térmica diferencial (TG-DTA) ou calorimetria de varredura diferencial (DSC).
Preferivelmente, no material expansível da invenção, a cal livre, o composto hidráulico, o sulfato de cálcio anidro e o carbonato de cálcio estão todos presentes na mesma partícula.
Se ou não a cal livre, o composto hidráulico, o sulfato de cálcio anidro e o carbonato de cálcio estão
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8/29 todos presentes na mesma partícula pode ser confirmado por um microscópio eletrônico ou semelhante.
Mais especificamente, o material expansível é envolto e incorporado em uma resina, e tratado de superfície com um feixe de íon argônio para se observar a estrutura em seção da partícula e implementar a análise, desta forma confirmar se ou não o carbonato de cálcio está presente na mesma partícula.
A finura do pó do material expansível da invenção varia de preferivelmente 1500 a 9000 cm2/ g, mais preferivelmente de 2000 a 4000 cm2/g como representando em termos da área de superfície específica de Blaine. A menos de 1500 cm2/g o material expansível irá se expandir durante um período de tempo estendido, freqüentemente resultando na quebra da estrutura do concreto, e acima de 9000 cm2/g a capacidade de expansão irá freqüentemente se reduzir.
Não há qualquer limitação particular quanto a quantidade do material expansível da invenção utilizado, porque varia com a quantidade de concreto misturado; entretanto, usualmente é preferível que seja de 3 a 12 partes, especialmente 5 a 9 partes por 100 partes da composição do cimento compreendendo cimento e o material expansível. Uma quantidade menor que 3 partes irá freqüentemente resultar na impossibilidade de se obter capacidade de expansão suficiente, e uma quantidade maior que 12 partes irá freqüentemente produzir uma sobreexpansão, levando a rachaduras por expansão no concreto.
O cimento utilizado com a composição de cimento da invenção, por exemplo, inclui cimento Portland tal como cimento Portland normal, de alta resistência inicial, de
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9/29 resistência inicial ultra alta, baixo calor (“low heat”) e calor moderado (“moderate heat”), cimentos mistos compreendendo aqueles cimentos misturados com escória de alto-forno, cinzas volantes, e sílica, e cimento de carga misturado com pós de calcário.
O material expansível da invenção pode ser utilizado em combinação com areia, cascalho, agente redutor de água, agentes redutores de água de alta performance, agentes de redução de água AE, agentes redutores de água AE de alta performance, agentes fluidizantes, agentes anti-espumantes, espessantes, agentes anti-ferrugem, anti-congelantes, redutores de encolhimento, emulsões poliméricas e reguladores de sedimentação, bem como bentonita, trocadores iônicos tais como zeólito, pós de sílica finamente divididos, carbonato de cálcio, hidróxido de cálcio, sulfatos de cálcio, silicato de cálcio, e materiais fibrosos tais como fibras de Vinylon, fibras acrílicas, e fibras de carbono. Especialmente quando o material expansível da invenção é utilizado em combinação com redutores de encolhimento, permite uma maior expansão do concreto. Não há qualquer limitação específica quanto ao tipo de redutor de encolhimento; entretanto, particular preferência é dada a copolímeros de óxido de alquileno de baixo peso molecular, derivados de glicol amino-álcool, e produtos de óxido de alquileno de alcoóis inferiores. Podem haver produtos comercialmente disponíveis tais como SK Guard produzido pela DENKA, HIBIGUARD produzido pela FBK, HIBIDAN produzido pela TAKEMOTO OIL & FAT CO., LTD, e TETRAGUARD produzido pela TAIHEIKO CEMENT CORPORATION.
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A presente invenção será agora explicada com mais detalhes com referência aos exemplos.
Exemplo 1
A matéria prima de CaO , matéria prima de Al2O3, matéria prima de Fe2O3, matéria prima de SiO2, matéria prima de CaSO4 foram misturadas de forma a prover as proporções minerais mostradas na Tabela 1, e a mistura foi obtida e pulverizada e tratada a quente a 1300°C para a síntese de clínquer que foi por sua vez pulverizado em um moinho de bola para uma área de superfície específica de Blaine de 3000 cm2/g. Vinte e cinco (25) gramas do clínquer pulverizado foram colocados em um cadinho de alumínio que foi então colocado em um forno elétrico. Com uma taxa de fluxo de dióxido de carbono gasoso ajustada para 0,05 l/min por litro de volume interno do forno elétrico e uma temperatura de queima ajustada para 600°C, o clínquer foi submetido a uma hora de reação para um material expansível, no qual o carbonato de cálcio subseqüente foi quantificado.
O material expansível foi utilizado em uma quantidade de 4 partes ou 7 partes por 100 partes de uma composição de cimento compreendendo cimento e o material expansível para preparar argamassas apresentando uma proporção água/cimento de 50% e proporção composição de cimento/areia de 1/3 em um ambiente a 20°C. Então, cada argamassa foi medida em termos de alterações percentuais no comprimento e resistência à compressão.
Para comparação, experimento similar foi conduzido utilizando-se clínquer pulverizado livre de substância hidráulica e sulfato de cálcio anidro, materiais expansíveis obtidos apenas por tratamento deste clínquer
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11/29 com dióxido de carbono gasoso (Experimentos nos 1-8, 1-9, ΙΙΟ, 1-11), materiais expansíveis deste clínquer sem ser submetido a tratamento com dióxido de carbono gasoso (Experimentos nos 1-12, 1-13, 1-14), e um material expansível contendo pós de carbonato de cálcio misturados com um material expansível submetido apenas à pulverização sem ser tratado com dióxido de carbono gasoso (Experimento n° 1-15). Testes de armazenamento acelerado foram também realizados nos respectivos materiais expansíveis e composições de cimento expansível.
Matérias Primas
Matéria prima de CaO: Calcário
Matéria prima de AlgOa: : Baixita
Matéria prima de FegOa: : Óxido de Ferro
Matéria prima de SiOg: Pedra de Sílica
Matéria prima de CaSO4 : Sulfato de Cálcio Dihidrato
Dióxido de Carbono Gasoso: Produto Gasoso Comercial
Areia: Areia Padrão JIS
Cimento: Cimento Comercial: Cimento Portland Normal
Pós de Carbonato de Cálcio: Produto Comercial de mesh 2ΟΟ
Métodos de Teste
As composições dos minerais foram determinadas por cálculo com base nas composições químicas e os resultados de identificação por difração de raio-X de pó.
O carbonato de cálcio formado foi quantificado a partir de uma alteração no peso em associação com a descarbonatação em uma balança térmica diferencial (TG-DTA) a 500 a 750°C.
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Para a distribuição dos minerais na partícula de material expansível, o material expansível foi colocado em um recipiente de silício, no qual uma resina epóxi foi moldada e curada. Então, a resina curada foi processada em seção por um equipamento de processamento de feixe iônico (SM-09010 produzido pela JEOL Ltd.) para se determinar a distribuição mineral em um analisador SEM-EDS.
As alterações percentuais de comprimento até a idade de material de 7 dias (d) foram medidas seguindo-se o método de teste de expansão de argamassa de acordo com o JIS A 6202, Anexo 1.
A resistência à compressão foi determinada preparando-se uma peça de teste de 4x4x16 cm e determinando-se sua resistência à compressão na idade de material de 7 dias de acordo com o JIS R 5201.
Para o teste de armazenamento acelerado (para o material expansível), 100 gramas de cada material expansível foram espalhados em uma bandeja de aço inoxidável de 10x10 cm quadrados, e deixados em repouso em um ambiente a 20°C/60% de UR por 10 dias com nada sobre. Após o período de 10 dias, as amostras foram tomadas e medidas quanto as alterações percentuais de comprimento da argamassa.
Para o teste de armazenamento acelerado (para o material expansível), cada composição de cimento expansível foi embalada em uma bolsa de papel que foi vedada a quente para armazenamento de um mês em um ambiente a 35°C/90% de UR para se determinar as alterações percentuais de comprimento da argamassa.
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Tabela 1
Ex. n° Composição Mineral do Clínquer (%) Tratamento Quantidade de
f-CaO Hauyne C4AF C2S CaSO4 dióxido de carbono gasoso carbonato de cálcio formado (%)
1-1 10 30 5 10 45 realizado 2,0
1-2 20 30 2 3 45 realizado 3,0
1-3 40 20 5 5 30 realizado 4,5
1-4 50 10 5 5 30 realizado 5,0
1-5 50 5 0 25 20 realizado 5.0
1-6 60 5 0 5 30 realizado 6,0
1-7 70 10 5 5 10 realizado 7,0
1-8 100 0 0 0 0 não realizado 0,0
1-9 100 0 0 0 0 não realizado 0,0
1-10 100 0 0 0 0 realizado 8,0
1-11 100 0 0 0 0 realizado 8,0
1-12 10 30 5 10 45 não realizado 0,0
1-13 50 10 5 5 30 não realizado 0,0
1-14 70 10 5 5 10 não realizado 0,0
1-15 50 10 5 5 30 não realizado 5,0
Ex. n° Presença de Partículas Contendo Todos os Proporção dos Materiais Expansíveis
Minerais Essenciais
Adicionados (partes
1-1 encontrado 7
1-2 encontrado 7
1-3 encontrado 7
1-4 encontrado 7
1-5 encontrado 7
1-6 encontrado 7
1-7 encontrado 7
1-8 não encontrado 4
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14/29
1-9 não encontrado 7
1-10 não encontrado 4
1-11 não encontrado 7
1-12 não encontrado 7
1-13 não encontrado 7
1-14 não encontrado 7
1-15 não encontrado
Ex. n°
Alterações Percentuais de Comprimento (%)
0 1d 2d 3d 5d 7d 2-7d 5-7d (A)* (B)* (C)* (D)*
1-1 0 20 50 130 150 185 135 35 180 97 180 97
1-2 0 15 100 200 230 250 150 20 250 100 250 100
1-3 0 10 130 280 380 430 240 50 420 98 440 102
1-4 0 15 200 290 390 450 250 60 440 98 460 102
1-5 0 20 160 200 380 420 260 40 415 99 420 100
1-6 0 20 300 375 490 520 220 30 510 98 540 104
1-7 0 60 830 1200 1250 1270 440 20 1200 94 1130 89
1-8 0 400 430 440 450 450 20 0 50 11 200 44
1-9 0 1050 2060 2090 2100 2100 40 0 700 33 900 43
1-10 0 10 20 450 470 480 460 10 400 83 390 81
1-11 0 120 1879 2720 2800 2810 940 10 2200 78 2300 82
1-12 0 50 85 110 160 180 95 20 120 67 150 83
1-13 0 190 380 415 450 455 75 5 220 48 330 73
1-14 0 400 440 480 490 500 60 10 200 40 340 68
1-15 0 180 430 460 480 490 60 10 230 47 350 71
(A) * Material Expansível Armazenado 7d (B) * Taxa de Expansão Residual (Material Armazenado 7d/7d) (C)* Material de Cimento Expansível Armazenado 7d (D)* Taxa de Expansão Residual (Material Armazenado 7d/7d)
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15/29
Ex. n° Resistência à Compressão (N/mm2) 7d Observações
1-1 37,5 Inventivo
1-2 37,4 Inventivo
1-3 36,0 Inventivo
1-4 35,0 Inventivo
1-5 32,6 Inventivo
1-6 32,4 Inventivo
1-7 28,1 Inventivo
1-8 25,3 Comparativo
1-9 20,5 Comparativo
1-10 17,9 Comparativo
1-11 10,3 Comparativo
1-12 37,4 Comparativo
1-13 33,0 Comparativo
1-14 26,7 Comparativo
1-15 33,3 Comparativo
Como pode ser observado na Tabela 1, foi encontrado que os materiais expansíveis da invenção (Experimentos nos
1-1 a 1-7), nos quais o clínquer pulverizado contendo cal 5 livre (f-CaO), composto hidráulico (Hauyne, C4AF, C2S) e sulfato de cálcio anidro (CaSO4) foi tratado termicamente em uma atmosfera de dióxido de carbono gasoso para formar carbonato de cálcio, apresentam alterações percentuais de comprimento maiores para 2-7d e 5-7d, permitindo que as 10 composições de cimento (concretos) se expandam muito mais nas idades de material de 2 dias a 7 dias e que os concretos apresentem resistência à compressão nas idades de material de 7 dias, e permitindo que a capacidade de
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16/29 expansão se reduza menos mesmo com armazenamento durante um período de tempo prolongado.
Em contraste, foi observado que os materiais expansíveis comparativos (Experimentos nos 1-8 a 1-15), nos quais o clínquer pulverizado contendo apenas cal livre (fCaO) na ausência do composto hidráulico e do sulfato de cálcio anidro não é submetido a um tratamento térmico em uma atmosfera de dióxido de carbono gasoso, apresentam alterações percentuais de comprimento menores e resistência à compressão maia baixa para 2-7d e 5-7d, e fazem com que a capacidade de expansão se reduza significativamente quando sob armazenamento por um período de tempo prolongado. Foi observado que os materiais expansíveis comparativos (Experimentos 1-10 e 1-11), nos quais o clínquer foi tratado termicamente em uma atmosfera de dióxido de carbono gasoso, apresentam alterações percentuais de comprimento grandes para 2-7d, mas alterações percentuais de comprimento pequenas e baixa resistência à compressão para 5-7d, e fazem com que a capacidade de expansão se reduza um pouco. Com um teor aumentado de dióxido de carbono gasoso, foi observado que a quantidade de expansão aumenta extremamente, levando a uma redução ainda maior na resistência à compressão.
Observou-se que os materiais expansíveis comparativos (Experimentos nos 1-12, 1-13 e 1-14) nos quais o clínquer foi apenas pulverizado na ausência de tratamento com dióxido de carbono gasoso, e o material expansível comparativo (Experimento n° 1-15) no qual o clínquer apenas submetido à pulverização na ausência de tratamento com dióxido de carbono gasoso foi misturado com pós de
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17/29 carbonato de cálcio, apresentam pequenas alterações percentuais de comprimento para 2-7d e 5-7d, e fazem com que a capacidade de expansão se reduza no armazenamento por um período de tempo prolongado.
Exemplo Experimental 2
O Exemplo Experimental 1 foi repetido com a exceção de que os teores por 100 partes de clínquer livre de cal, Hauyne, aluminoferrita de cálcio (4CaO.Al2O3.Fe2O3: C4AF), silicato de cálcio (2CaO.SiO2) e sulfato de cálcio anidro, 10 foram mantidos fixos em 50 partes, 10 partes, 5 partes, 5 partes e 30 partes, respectivamente, e a taxa de fluxo de dióxido de carbono gasoso, o tratamento térmico e o tempo de reação variaram como mostrado na Tabela 2.
Tabela 2
Ex. n° Condições para o tratamento com dióxido de carbono gasoso Quantidade de Carbonato
Taxa de Fluxo (l/min) Temp. (°C)Tempo (h)de Cálcio formado (5)
2-1 0,01 600 1 0,5
1-4 0,05 600 1 5,0
2-2 0,1 600 1 5,2
2-3 0,05 600 0,1 1,0
2-4 0,05 600 0,25 1,6
2-5 0,05 600 10 9,8
2-6 0,05 600 20 12,0
2-7 0,05 400 1 1,5
2-8 0,05 200 1 0,5
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2-9
0,05
800
3,9
2-10
0,05
1000
0,0
Ex. n° Presença de partículas contendo todos os Minerais Essenciais Proporção de Materiais Expansíveis Adicionados (partes)
2-1 Encontrado 7,0
1-4 Encontrado 7,0
2-2 Encontrado 7,0
2-3 Encontrado 7,0
2-4 Encontrado 7,0
2-5 Encontrado 7,0
2-6 Encontrado 7,0
2-7 Encontrado 7,0
2-8 Encontrado 7,0
2-9 Encontrado 7,0
2-10 Não encontrado 7,0
Ex. n°
Alterações Percentuais de Comprimento (%)
0 1d 2d 3d 5d 7d 2-7d 5-7d (A)* (B)* (C)* (D)*
2-1 0 180 360 420 450 490 130 40 370 76 460 94
1-4 0 15 200 290 390 450 250 60 440 98 460 102
2-2 0 5 180 265 330 380 200 50 380 100 390 103
2-3 0 80 300 440 500 550 250 50 530 96 540 98
2-4 0 140 390 470 430 590 200 160 590 100 580 98
2-5 0 0 80 130 160 220 140 60 220 100 220 100
2-6 0 0 10 60 100 150 140 50 150 100 140 93
2-7 0 150 330 380 440 480 150 40 460 96 490 102
2-8 0 170 360 400 440 470 110 30 350 74 400 85
2-9 0 100 290 350 420 475 185 55 420 83 450 95
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2-10 0 190 390 410 450 480 90 30 200 42 350 73 (A) * Material Expansível Armazenado 7d (B) * Taxa de Expansão Residual (Material Armazenado 7d/7d) (C) * Material de Cimento Expansível Armazenado 7d (D) * Taxa de Expansão Residual (Material Armazenado 7d/7d)
Ex. n° Resistência à Compressão (N/mm2) 7d Observações
2-1 34,9 Inventivo
1-4 34,0 Inventivo
2-2 35,7 Inventivo
2-3 38,8 Inventivo
2-4 39,0 Inventivo
2-5 36,8 Inventivo
2-6 28,0 Comparativo
2-7 36,0 Inventivo
2-8 37,0 Inventivo
2-9 36,3 Inventivo
2-10 36,0 Comparativo
Como pode ser observado na Tabela 2, os materiais expansíveis da invenção (Experimentos n° 1-4 e Experimentos nos 2-1 a 2-9) obtidos utilizando-se o processo de preparação da invenção no qual carbonato de cálcio foi 10 formado sob condições de tratamento com dióxido de carbono gasoso: foi observado que taxa de fluxo de 0,01 a 0,1 l/min e a temperatura de 200 a 800°C apresentam alterações percentuais de comprimento maiores para 2-7d e 5-7d, permitindo que as composições de cimento (concretos) se 15 expandam muito mais na idade de material de 2 a 7 dias e os concretos apresentem resistência à compressão mais alta na idade de material de 7 dias, e fazem com que a capacidade
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20/29 de expansão se reduza menos mesmo quando armazenados por um período de tempo prolongado.
Em contraste, foi observado que o material expansível comparativo (Experimento n° 2-10) obtido utilizando-se o processo de preparação comparativo no qual o tratamento com dióxido de carbono gasoso foi conduzido a 1000°C sem se recorrer à formação de carbonato de cálcio, apresenta alterações percentuais de comprimento menores para 2-7d e 5-7d, e faz com que a capacidade de expansão se reduza quando armazenado por um período de tempo prolongado.
Exemplo Experimental 3
O Exemplo 1 foi substancialmente repetido exceto pelo fato de que os materiais expansíveis comercialmente disponíveis foram tratados. Os resultados são apresentados na Tabela 3.
Material expansível comercial A:
partes de cal livre, 12 partes de Hauyne, 5 partes de aluminoferrita de cálcio (4CaO.Al2O3.Fe2O3), 3 partes de silicato de cálcio (2CaO.SiO2), e 30 partes de sulfato de cálcio anidro.
Material expansível comercial B:
partes de cal livre, 4 partes de aluminoferrita de cálcio (4CaO.Al2O3.Fe2O3), 10 partes de silicato de cálcio (2CaO.SiO2), 12 partes de silicato de cálcio (3CaO.SiO2) e 20 partes de sulfato de cálcio anidro.
Tabela 3
Ex. n°Tipo do Material Expansível
Tratamento com dióxido de carbono gasoso
3-1 Material expansível A tratado com CaO2
Realizado
3-2 Material expansível A tratado com CaO2
Realizado
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3-3
Material expansível A
Não realizado
3-4 Material expansível B tratado com CaO2 Realizado
3-5 Material expansível B tratado com CaO2 Realizado
3-6
Material expansível B
Não realizado
Ex. n° Condições para o tratamento com dióxido de carbono gasoso Quantidade de Carbonato
Taxa de Fluxo (l/min) Temp. (°C)Tempo (h)de Cálcio formado (5)
3-1 0,05 600 0,25 1,7
3-2 0,05 600 1,0 5,0
3-3 - - - 0,0
2-4 0,05 600 0,25 1,9
3-5 0,05 600 1,0 5,6
3-6 - - - 0,0
Ex. n° Presença de partículas contendo todos os Minerais Essenciais Proporção de Materiais Expansíveis Adicionados (partes)
3-1 Encontrado 7,0
3-2 Encontrado 7,0
3-3 Não encontrado 7,0
3-4 Encontrado 7,0
3-5 Encontrado 7,0
3-6 Não encontrado 7,0
Ex. n° Alterações Percentuais de Comprimento (%)
0 1d 2d 3d 5d 7d 2-7d 5-7d (A)* (B)* (C)* (D)*
3-1 0 120 370 460 500 520 150 20 510 98 520 100
3-2 0 10 190 280 390 440 250 50 440 100 450 102
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3-3 0 200 380 420 450 460 80 10 230 50 330 72
3-4 0 100 250 370 420 490 240 70 490 100 480 98
3-5 0 5 130 230 300 390 260 90 390 100 400 103
3-6 0 160 370 380 390 400 30 10 180 45 285 71
(A) * Material Expansível Armazenado 7d (B) * Taxa de Expansão Residual (Material Armazenado 7d/7d) (C) * Material de Cimento Expansível Armazenado 7d (D) * Taxa de Expansão Residual (Material Armazenado 7d/7d)
Ex. n°Resistência à Compressão (N/mm2) 7d Observações
3-1 38,5 Inventivo
3-2 38,0 Inventivo
3-3 34,0 Comparativo
3-4 34,2 Inventivo
3-5 33,5 Inventivo
3-6 30,0 Comparativo
Como pode ser observado na Tabela 3, foi observado que os materiais expansíveis (Experimentos nos 3-1, 3-2, 3-4 e 3-5), nos quais os materiais expansíveis comercialmente 10 disponíveis feitos de clínquer pulverizado, contendo cal livre, composto hidráulico e sulfato de cálcio anidro, foi tratado termicamente em uma atmosfera de dióxido de carbono gasoso para formar carbonato de cálcio, apresentam alterações percentuais de comprimento maiores para 2-7d e 15 5-7d, permitindo que as composições de cimento apresentem resistência à compressão mais alta na idade de material de 7 dias, e fazem com que a capacidade de expansão se reduza durante um período de tempo prolongado em comparação com os
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23/29 materiais expansíveis comparativos (Experimentos nos 3-3 e 3-6) nos quais não houve formação de carbonato de cálcio.
Exemplo Experimental 4
O Exemplo 1 foi substancialmente repetido exceto pelo fato do material expansível comercial A foi tratado com gases efluentes de um forno de queima de cal em vez de com dióxido de carbono gasoso. Os gases efluentes do forno de queima de cal eram compostos de 40% de CO2, 7% de O2, 3% de
CO e 50% de N2. Os resultados são mostrados na Tabela 4.
Tabela 4
Ex. n° Tipo de gás Quantidade de Presença de Partículas Propriedades do
carbonato de cálcio Contendo todos os Material Expansível
formado (%) Minerais Essenciais Adicionado (partes
3-2 Dióxido de carbono 5,0 Encontrado 7,0
4-1 Gases efluentes 3,6 Encontrado 7,0
Ex. n°
Alterações Percentuais de Comprimento (%)
0 1d 2d 3d 5d 7d 2-7d 5-7d (A)* (B)* (C)* (D)*
3-2 0 10 190 280 390 440 250 50 440 100 435 99
4-1 0 60 240 330 450 530 290 80 520 98 520 98
(A) * Material Expansível Armazenado 7d (B) * Taxa de Expansão Residual (Material Armazenado 7d/7d) (C) * Material de Cimento Expansível Armazenado 7d (D)* Taxa de Expansão Residual (Material Armazenado 7d/7d)
Ex. n°Resistência à Compressão (N/mm2) 7d
Observações
3-2 38,0
Inventivo
4-1 38,5
Inventivo
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24/29
Como pode ser observado na Tabela 4, foi encontrado que o material expansível (Experimento n° 4-1) carbonatado com os gases efluentes do forno de queima de cal, é mais aperfeiçoado em termos da capacidade de expansão que o material expansível (Experimento n° 3-2) carbonatado com o dióxido de carbono gasoso.
Exemplo Experimental 5
O clínquer apresentando a composição mostrada na Tabela 5 foi preparado utilizando-se calcário e cimento Portland normal como matérias primas, e então submetido à carbonatação. Apesar disto, 80 partes de clínquer não submetido a carbonatação e 20 partes de sulfato de cálcio anidro foram formulados em um material expansível. O
Exemplo 1 foi substancialmente repetido exceto pelo fato do material expansível estar contido em uma quantidade de 7 partes da composição de cimento compreendendo cimento e material expansível. Os resultados estão tabulados na
Tabela 5.
Materiais Utilizados
Matéria prima de CaO: Calcário
Cimento: Cimento Portland Normal, produto comercial
Matéria prima de CaSO4: Sulfato de Cálcio Anidro apresentando uma área de superfície específica de Blaine de 3000 cm2/g.
Tabela 5
Ex. n'
Composição Mineral do Clínquer (%)
Tratamento Dióxido de
Quantidade Carbonato
5-1 f-CaO Hauyne C4AF C2S C3S CaSO4
Carbono Gasoso de Cálcio formado (%)
18
Realizado
5,2
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25/29
5-2 60 4 5 12 18 1
Não Realizado
0,0
Ex. n'
Presença de partículas contendo todos os
Proporção de Materiais
Minerais Essenciais
Expansíveis Adicionados (partes)
5-1 5-2 Encontrado 7,0 7,0
Não E ncontrado
Ex. n° Alterações Percentuais de Comprimento (%)
0 1d 2d 3d 5d 7d 2-7d 5-7d (A)* (B)* (C)* (D)*
5-1 0 10 120 130 300 420 300 120 420 100 420 100
5-2 0 300 370 400 420 430 60 10 100 23 290 67
(A)* Material Expansível Armazenado 7d (B) * Taxa de Expansão Residual (Material Armazenado 7d/7d) (C) * Material de Cimento Expansível Armazenado 7d (D)* Taxa de Expansão Residual (Material Armazenado 7d/7d)
Ex. n°Resistência à Compressão (N/mm2) 7d
5-1 35,2
Observações
Inventivo
5-2
30,0
Comparativo
Como pode ser observado na Tabela 5, o material expansível da invenção (Experimento n° 5-1), no qual clínquer pulverizado contendo cal livre (f-CaO), composto hidráulico (Hauyne, C4AF, C2S, C3S) e sulfato de cálcio anidro (CaSO4) foi tratado termicamente em uma atmosfera de dióxido de carbono gasoso para formar carbonato de cálcio, com a adição de sulfato de cálcio anidro, foi observado como apresentando alterações percentuais de comprimento maiores para 2-7d e 5-7d, permitindo que a composição de
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26/29 cimento apresente resistência à compressão maia alta na idade de material de 7 dias, e se reduza menos em termos da capacidade de expansão mesmo quando armazenado por um período de tempo prolongado, em comparação com o material expansível comparativo (Experimento n° 5-2), no qual não há formação de carbonato de cálcio.
Exemplo Experimental 6
Experimento quanto ao fenômeno de coagulação (“popout”) foi conduzido com cimento expansível utilizando-se o material expansível preparado no Experimento n° 3-2. Argamassa composta de 7 partes de material expansível por 100 partes de uma composição de cimento expansível consistindo em cimento e o material expansível com uma composição água-para-cimento de 50% e uma composição de cimento-para-areia de 1/3 foi misturada em um ambiente a 20°C, e o tempo de mistura após a carga dos materiais variou como mostrado na Tabela 6. Em um outro experimento, o cimento e o material expansível comercial A utilizado no Experimento n° 3-3 foram carregados separadamente como em uma placa de concreto líquido normal. Os resultados estão tabulados na Tabela 6.
Método de Teste de Coagulação
A argamassa misturada foi moldada em uma folha plana de 20x20x50 cm, a qual foi alisada em sua superfície. Após envelhecimento em um ambiente a 20°C e 60% de UR, a superfície da argamassa foi observada para se saber se ocorreram protuberâncias.
Tabela 6
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Ex. n° Material Tempo Mistura Se ocorreram coágulos ou não Observações
6-1 Cimento expansível utilizando material expansível comercial A tratado com CaO2 15 segundos Não encontrados Inventivo
6-2 Cimento expansível utilizando material expansível comercial A tratado com CaO2 60 segundos Não encontrados Inventivo
6-3 Carga simultânea de material expansível comercial A e cimento 15 segundos Encontrados Comparativo
6-4 Carga simultânea de material expansível comercial A e cimento 60 segundos Não encontrados Comparativo
Como pode ser observado na Tabela 6, os cimentos expansíveis (Experimentos nos 6-1 e 6-2) utilizando o material expansível do Exemplo 6, onde o clínquer 5 pulverizado foi termicamente tratado em uma atmosfera de dióxido de carbono gasoso para formar carbonato de cálcio, não deu origem a coágulos, mesmo quando o tempo de mistura foi curto, no entanto as amostras (experimentos nos 6-3 e 64) obtidas pela carga simultânea de cimento e material 10 expansível comparativo sem formação de carbonato de cálcio, deram origem a coágulos quando o tempo de mistura foi curto.
Exemplo 7
As propriedades físicas da argamassa foram estimadas 15 utilizando-se o material expansível preparado no Experimento n° 2-3 e um redutor de encolhimento. Por 100 partes de uma composição de cimento expansível composta de cimento e um material expansível, o material expansível foi misturado em uma quantidade de 7 partes e o redutor de
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28/29 encolhimento foi misturado em uma quantidade de 2 partes e na forma substituída por água. A argamassa com proporção de (água mais redutor de encolhimento)-para-composição de cimento de 50% e uma proporção composição de cimento-paraareia de 1/3 foi misturada em um ambiente a 20°C para se investigar as propriedades de expansão. Um teste similar foi realizado com o material expansível A comercial também utilizado no Experimento n° 3-3.
Materiais Utilizados
Redutor de Encolhimento: produto comercial SK Guard produzido pela DENKA
Tabela 7
Ex. n° Material expansível Redutor de Encolhimento 0 1d 2d 3d 5d 7d 2-7d 5-7d Observações
2-3 Tratado com CO2 0 0 80 300 440 500 550 250 50 Inventivo
7-1 Tratado com CO2 2 0 70 390 680 810 880 490 70 Inventivo
3-3 Material expansível A comercial 0 0 200 380 420 450 460 80 10 Comparativo
7-2 Material expansível A comercial 2 0 190 490 550 580 600 110 20 Comparativo
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29/29
Como pode ser observado na Tabela 7, foi encontrado que o material expansível (Experimento n° 7-1) do Exemplo 7, no qual o clínquer pulverizado foi tratado termicamente em uma atmosfera de dióxido de carbono gasoso para formar carbonato de cálcio, com uma adição de redutor de encolhimento, é muito mais aperfeiçoado em termos de alterações percentuais de comprimento para 2-7d e 5-7d quando em comparação com o material expansível comparativo (Experimento n° 7-2), no qual o clínquer pulverizado era livre de carbonato de cálcio, com uma adição do redutor de encolhimento.
APLICABILIDADE NA INDÚSTRIA
O material expansível da invenção e o processo para a preparação deste material expansível puderam ser amplamente utilizados em engenharia civil e construções, porque o material expansível da invenção permite uma expansão maior do concreto a uma idade de material de 2 a 7 dias, possibilitando um aumento da resistência à compressão inicial e um aumento da estabilidade ao armazenamento, e produz uma comunicação fluida boa o suficiente com cimento expansível, sem coágulos mesmo quando o tempo de mistura é curto.

Claims (8)

1. Material expansível caracterizado pelo fato de ser obtido por tratamento térmico de clínquer ou clínquer pulverizado contendo cal livre, um composto hidráulico e sulfato de cálcio anidro em uma atmosfera de dióxido de carbono gasoso para formar carbonato de cálcio em uma quantidade de 0,5 a 10 partes por 100 partes de clínquer.
2. Material expansível de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de conter uma partícula na qual a cal livre, composto hidráulico, sulfato de cálcio anidro e carbonato de cálcio estão todos presentes.
3. Material expansível de acordo com a reivindicação
1, caracterizado pelo fato de apresentar uma área de superfície específica de Blaine de 1500 a 9000 cm2/g
4. Material expansível de acordo com a reivindicação
1, caracterizado pelo fato do sulfato de cálcio anidro ser também adicionado ao clínquer ou clínquer pulverizado tratado termicamente em uma atmosfera de dióxido de carbono gasoso para formar carbonato de cálcio.
5. Material expansível de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser adicionado também um redutor de encolhimento ao clínquer ou clínquer pulverizado tratado termicamente em uma atmosfera de atmosfera de dióxido de carbono gasoso para formar carbonato de cálcio em seu interior.
6. Composição de cimento caracterizada pelo fato de um material expansível conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5 ser misturado com cimento.
Petição 870190022619, de 08/03/2019, pág. 6/67
2/2
7. Processo para a preparação de um material expansível conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato do clínquer ou clínquer pulverizado contendo cal livre em uma
5 quantidade de 10 a 70 partes por 100 partes de clínquer, um composto hidráulico em uma quantidade de 10 a 50 partes por
100 partes de clinquer e sulfato de cálcio anidro em uma quantidade de 1 a 50 partes por 100 partes de clínquer ser tratado termicamente em uma atmosfera de dióxido de carbono
10 gasoso para formar carbonato de cálcio para formar carbonato de cálcio.
8. Processo para a preparação de um material expansível de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do clínquer ou clínquer pulverizado ser colocado
15 em um vaso de carbonatação, enquanto uma taxa de fluxo de dióxido de carbono gasoso ser ajustada para 0,01 a 0,1 l/min por litro do vaso e a uma temperatura prevalecendo dentro do vaso sendo ajustada para 200 a 800°C para formar carbonato de cálcio.
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