EP0507895A1 - Method for preparing a spherosilicate-type cement and cement thereby obtained - Google Patents

Method for preparing a spherosilicate-type cement and cement thereby obtained

Info

Publication number
EP0507895A1
EP0507895A1 EP91914369A EP91914369A EP0507895A1 EP 0507895 A1 EP0507895 A1 EP 0507895A1 EP 91914369 A EP91914369 A EP 91914369A EP 91914369 A EP91914369 A EP 91914369A EP 0507895 A1 EP0507895 A1 EP 0507895A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sio
parts
spherosilicate
silicate
equal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP91914369A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
André LERAT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Holcim Ltd
Original Assignee
Holderbank Financiere Glarus AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Holderbank Financiere Glarus AG filed Critical Holderbank Financiere Glarus AG
Publication of EP0507895A1 publication Critical patent/EP0507895A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B12/00Cements not provided for in groups C04B7/00 - C04B11/00
    • C04B12/005Geopolymer cements, e.g. reaction products of aluminosilicates with alkali metal hydroxides or silicates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/006Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mineral polymers, e.g. geopolymers of the Davidovits type
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/10Production of cement, e.g. improving or optimising the production methods; Cement grinding
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the present invention relates to a process for preparing a cement of the spherosilicate type which hardens quickly at room temperature, as well as the cement obtained by this process. More specifically, the mineral compositions described in the invention make it possible to obtain a cement of the spherosilicate type having a setting time equal to or greater than 30 minutes at the temperature of 20 ° C. and a curing speed making it possible to obtain resistances at compression (Rc) equal to or greater than 15 MPa, after only U hours at 20 C, when tested according to the standard standard applied to hydraulic binder mortars with a binder / sand ratio equal to 0.38 and a ratio water / binder between 0.22 and 0.27.
  • Rc resistances at compression
  • the mineral compositions of the spherosilicate type according to the present invention making it possible to obtain a cement of the spherosilicate type with rapid hardening, (Rc)> 15 MPa at 4 h - 20 C, essentially comprise three reactive elements.
  • the first reagent is an aluminum silicate oxide (2SiO_, ALO_) having the cation Al in coordination (IV-V) as determined by the analysis spectrum of Nuclear Magnetic Resonance MASS-NMR
  • this alumino-silicate oxide (2Si0 2 , ALO-) is obtained by heat treatment, in an oxidizing medium, of natural hydrated alumino-silicates, in which the cation Al is in coordination (VI) as determined by the spectrum Resonance analysis
  • the second reagent is a sodium and / or potassium disilicate, soluble in water, (Na 2 , K_) (H_SiO ⁇ ) 2 ; potassium disilicate K 2 (H 3 SiO 2 ) 2 will preferably be used although the sodium disilicate Na- (H, SiO 2 ) 2 also makes it possible to produce mineral compositions of the spherosilicate type according to the invention. It is also possible to use a mixture of the two alkaline disilicates.
  • the third reagent is a basic calcium silicate, that is to say with a Ca / Si atomic ratio equal to or greater than 1. It will be essentially characterized by its ability to generate, under the action of an alkaline attack, the formation of weakly basic calcium silicate, that is to say having a Ca / Si atomic ratio of less than 1, preferably close to 0 , 5. This characterization will be established using X-ray Photoelectron Spectrometry (X.p. s.) And by analysis of the Ca_ / Si- relationships as indicated by M. Regourd, Phil. Trans. Royal Society London, A.310, pages 85-92 (1983).
  • the mineral compositions of the invention are also called mineral compositions of the spherosilicate type, since the cement of the spherosilicate type obtained results from a mineral polycondensation reaction as opposed to traditional hydraulic binders in which hardening is the result of hydration of calcium aluminates and calcium silicates.
  • the means of investigation used is the Magnetic Resonance spectrum
  • the fast-curing mineral binder, (Rc) 15 MPa at 4h - 20 ° C corresponds to a material of the spherosilicate type of the type (Ca, K) -poIy (sialate-siIoxo) of formula varying between
  • Binders and cements having rapid hardening and based on reactions of the mineral polycondensation type involving the three reagents used in the present invention have been proposed in the past.
  • This composition comprises 840 g of a so-called "standard" reaction mixture to which has been added, in addition to inert fillers, 220 g of ground blast furnace slag.
  • the reaction components of the spherosilicate type are characterized by the molar ratios of the oxides:
  • composition of the spherosilicate type comprising 1 mole of the oxide alumino-silicate (2SiO 2 , ALO 3 ), i.e. 222 g, 1.12 moles of potassium disilicate K 2 (H 3 SiO _, or 300 g, 0.21 moles K 2 0 corresponding to 28 g of anhydrous KOH at 90 I, and 290 g of water and 220 g of slag.
  • the mineral compositions of the spherosilicate type are characterized by the molar ratios between the three reactive elements which are equal or between
  • the amount of alkaline disilicate is reduced from 200% to 300% compared to the prior state of the art. It was not enough, for this, to simply lower the amount of this alkaline disilicate. Indeed, it was surprising to note that it was essentially necessary to change the physical state of the constituents.
  • the aforementioned known compositions are in the liquid phase.
  • the slag is added to an aqueous reaction mixture containing the aluminum silicate oxide (2SiO 2 , ALO 2 ), the alkalis, the water and the potassium polysilicate in solution.
  • the mineral compositions of the spherosilicate type are in the solid phase, in particular the second reagent, the sodium and / or potassium disilicate (Na 2 , K 2 ) (f-SiO. is a finely divided powder, water being added only in the final phase of mixing the mortar or binder.
  • mineral powder compositions for example mineral compositions comprising:
  • amorphous silica In this latter composition, the role of amorphous silica is essentially to replace part of the potassium silicate necessary for mineral polycondensation, that is to say that the amorphous silica reacts with potassium hydroxide to produce, in the mortar, the quantity of potassium silicate desired.
  • potassium silicate means industrial potassium silicate, in powder form, corresponding to the formula K 2 O, 3SiO 2 , 3H 2 O, soluble in water and making it possible to produce binders and adhesives having the same properties as "soluble glasses” or alkali silicate in solution.
  • the compressive strength Rc at 4 h - 23 C is only around 6.9 MPa, which is much lower than (Rc)> 15 MPa at 4 h - 20 ° C, as claimed in the present invention.
  • Rc at 4 h - 23 C is only about 4.6 MPa, while in still other examples, only Rc at around 65 C are given, Rc at 4 - 23 C being too weak to be mentioned.
  • the powdered alkaline disilicate makes it possible to obtain a cement of the spherosilicate type having a rapid hardening, at 20 ° C., in a few hours, i.e. (Rc)> 15 MPa at 4h - 20 ° C.
  • the mineral composition of the spherosilicate type comprises for 52 parts of metakaolin, 24 to 28 parts of potassium hydroxide, 73 to 120 parts of silica smoke, 18 to 29 parts of slag.
  • Silica smoke reacts with potassium hydroxide to produce potassium silicate in the mixture, which is a way of lowering the cost price of this very expensive reagent.
  • K 2 (H 3 SiO) 2 from 0.215 to 0.25 moles which gives a ratio K j on (2SiO 2 , ALO_) between 0.93 and 1.08, again practically the ratios discussed above.
  • mixture A oxide (2Si0 2 , AL0 3 ) 400 g micronized mica 100 g
  • mixture B oxide (2Si0 2 A! 2 0 3 ) 400 g silica smoke 100 g
  • liquid 1 40% potassium silicate solution 520 g
  • liquid 2 40% sodium silicate solution 1040 g
  • the mixture between the powder and the liquid is carried out according to the pro ⁇ portions indicated in the table, and the mineral polycondensation is followed by Differential Thermal Analysis.
  • the values of the J / g ratio are compared, that is to say the amount of energy measured in Joules on the weight of the sample in grams.
  • the mineral polycondensation temperature is 60 C.
  • test No. 2 (with silica smoke) is divided by 5 compared to that of test No. 1 (without silica smoke), and that of test No. 3 is divided by 2.
  • amorphous silica such as silica fume or other silicas which it is known that they can easily transform into potassium or sodium silicate, at moderate or even ambient temperature, will be added in such a quantity that it will not disturb the natural exothermicity of the mixture of the spherosilicate type.
  • Amorphous silica such as, for example, silica smoke, rice ash, diatomaceous earth, silicic smectites, certain strongly silicic pozzolans (with a high percentage of allophane and glass of volcanic origin) are considered as finely divided, reactive loads.
  • the third reagent of the invention is weakly basic calcium silicate with the Ca / Si atomic ratio of less than 1.
  • This third reagent is linked to the preceding ones by the molar ratios between the three reactive elements equal to or comprised between
  • the sum of the number of moles of calcium disilicate, Ca (H, SiO y ) _, and the number of moles of potassium disilicate, K_ (H, SiO y ) _, is equal to the number of moles of the aluminum silicate oxide (2SiO_, ALO_).
  • This alumino-silicate oxide (2Si0 2 , AL0 3 ) determines all the reaction conditions of the mineral compositions of the spherosilicate type. It will react with an alkaline or alkaline earth disilicate to form, after mineral polycondensation, a compound (Si 2 O_, ALO 2 , Si 2 O 5 , (K 2 O, CaO)), i.e. (K, Ca) -poly (sialate-siloxo) of formula between
  • the oxide (2Si0 2 , AL0 3 ) reacts first with the most soluble disilicate which is always the alkaline disilicate (Na 2 , K 2 ) (H 3 SiO.) 2 .
  • the amount of calcium dislicate involved in the mineral polycondensation reaction is essentially determined by the amount of alkaline disilicate. If the sum of the moles of these disilicates is greater than 1, the non-reacting part will be that which is the least soluble, that is to say the calcium disilicate.
  • Calcium disilicate Ca (H_SiO i .) 2 can be produced separately, for example by hydrothermal reaction between lime and silica.
  • the starting material is a basic calcium silicate, that is to say with the Ca / Si atomic ratio greater than or equal to 1.
  • This will be for example wollastonite Ca (Si0 3 ), gehlenite (2CaO .AI 2 0 3. Si0 2 ), bicalcium silicate C 2 S (2CaO.Si0 2 ), tricalcium silicate CS (3CaO .Si0 2 ), Akermanite (2CaO.SiO 2 ).
  • Blast furnace slag essentially contains the basic silicates gehlenite, akermanite, wollastonite and is therefore very suitable.
  • This process is very regular and can be completed in 30 minutes, at room temperature.
  • C 2 S there occurs in a few seconds a high concentration of weakly basic silicate Ca / Si less than 1; then the attack is stopped, and then continues more regularly. This is called the "flash-set" or formation of a gel creating a false catch.
  • setting retarders like those commonly used in cement mixtures portiand.
  • the mineral polycondensation reaction used in the present invention should not be confused with the simple alkaline activation of hydraulic binders, or with the action of alkali setting accelerator on portland cements and other hydraulic binders. Indeed, the simple action of alkalis, NaOH or KOH, on portland cements or blast furnace slag, results in the production of hydrated calcium silicates, as mentioned above. In contrast to what happens in the present invention, these hydrated silicates crystallize to form CSH, the main constituent of hydraulic calcium cements.
  • the CSH is a monosilicate and / or a bisilicate, that is to say that the SiO 2 tetrahedra which constitute it belong to the category (QO), (Ql) and possibly (Q2).
  • the mineral polycondensation leads to the formation of SiO tetraera of type (Q4, as determined by the analysis spectrum in Nuclear Magnetic Resonance MASS-NMR for 29 Si.
  • alkalis, NaOH and KOH are setting accelerators, they do not constitute hardening accelerators capable of achieving the object of the invention, that is to say (Rc) 15 MPa at 4 h - 20 ° C .
  • the hardening accelerator is usually temperature or the addition of portiand cement. It is for example known to use a cement based on slag, portian cement or lime, and an alkaline accelerator such as NaOH and sodium and or potassium carbonates.
  • a mixture comprising alumino-silicate oxide (2Si0 2 , AL0 3 ), slag (or cement) and alkalies KOH, NaOH, does not constitute a mineral binder of mineral polycondensation according to the present invention. It is known that a mortar made with this mixture and water does not harden at 20 C for 24 hours. Thus it is known that if the oxide (2Si0 2 , ALO_) is not masked by a polysilicate solution against the attack of strong bases KOH, NaOH, a simple poly (sialate) of the type is formed. hydroxysodalite and which precipitates without binding function. It is known that hydroxysodalite constitutes a binder only in ceramic pastes, with very little water and when the material is compressed.
  • the third reagent of the mineral polycondensation composition is calcium silicate. It can be accompanied by complex calcium aluminates and silicates.
  • blast furnace slag is partly formed of a glass composed inter alia of gehlenite 2CaO.AL0 3 .Si0 2 , of akermanite 2Ca0.Mg0.2Si0 2 , of wollastonite.
  • AI (V1) equal to or greater than 1.
  • SiO j (Q) is 4 to 6 times greater than the sum of the concentrations of SiO tetrahedrons ask(QO) + (Q1) + (Q2), and depending on the nature of the charges we will have
  • Blast furnace slag is a cheap source of wollastonite, gehlenite and ackermanite.
  • the mineral polycondensation compositions of the invention containing blast furnace slag make it possible to produce a mineral polycondensation binder, in powder form, containing: a) 100 parts by weight of aluminum silicate oxide (2SiO-, ALO,) having the cation Al in coordination
  • the mortar obtained by adding a quantity of water such that the water / binder ratio is between 0.20 and 0.27 and a quantity of standardized sand such that the binder / sand ratio 0.38 hardens cold and develops after 4 hours at 20 ° C a compressive strength greater than or equal to 15 MPa.
  • setting is considered to be slow, since it takes place after a time of more than 30 minutes without the addition of retarder, which allows use in industry, with traditional mixers .
  • retarder which allows use in industry, with traditional mixers .
  • the table groups the setting times for different milk / water weight ratios, compositions involving alkali silicate solutions and inorganic polycondensation compositions containing powdered alkaline disilicates, according to the present invention.
  • start of setting (at 20 ° C.) for the present invention 30 min 60 min 90 min 3 hours
  • potassium disilicate K 2 H., SiO 2
  • sodium disilicate Na 2 H, SiO tt _
  • sources of impure alkalis containing both potassium and sodium This is often the case for industrial waste very rich in alkalis such as filter dust from portain cement calcining furnaces or alkaline detergents from the mining industry or chemical.
  • the advantage of the present invention also lies in the fact that the use of alkaline disilicate (Na 2 , K 2 ) (H 3 SiO 2 ) 2 in powder makes it possible to use inexpensive raw materials coming from industrial waste.
  • An interesting source of amorphous silica is the silica smoke recovered in the filters above the melting furnaces of ferro-silicone steels. These silica fumes contain 90-95% Si0 2 , carbon, and 0.5-1% finely dispersed metallic silicon. These silica fumes make it possible to manufacture the alkaline disilicate at very low temperatures, even at ordinary temperature.
  • silica sands it is generally necessary to work in an autoclave when reacting alkali hydroxides, or in fusion when using alkali carbonates. It is also possible to use amorphous silica of natural origin such as diatomaceous earth, very siliceous smectics and gaizes, very siliceous volcanic glasses and pozzolans. Ash rich in silica, obtained by calcining plants (rice for example), can also be used for this purpose.
  • the manufacture of aluminum silicate oxide (2SiO 2 , ALO,) is carried out by treating between 650 ° C and 800 ° C kaolinitic clays.
  • Kaolinitic sands can be used as raw material, as well as certain clays containing at the same time kaolinite, montmorillonite and illite; likewise lateritic soils and laterites containing both kaolinite. Tests carried out on pyrophillites show that these materials are suitable for mineral polycondensation.
  • the heat treatment temperatures of the raw materials must be adjusted so that they allow optimum production of aluminum silicate oxide (2SiO 2 , AO 3 ) having the highest concentration of Al coordinating Al (IV-V) as
  • the alkalis are generally the sodium and / or potassium hydroxides produced industrially by electrolysis. They are also the result of the chemical reaction between an alkaline salt and calcium hydroxide or a material producing it in situ.
  • the alkaline salts are selected from sodium and potassium carbonates, potassium sulfates, potassium sulfites. It is thus possible to use the dust collected on the filters of portiand cement kilns which are very rich in sulfites and sulfates. potassium, convert them to carbonates using the Leblanc process, or react them with clinker to produce potassium hydroxide in situ.
  • the powdered alkaline disilicates obtained in this case during the reaction between the amorphous silicas and the alkalis as in Example 1 below are rather double potassium and calcium disilicates. They also allow the present invention to be carried out.
  • the molar ratio K 2 (H 3 SiO.) 2 / (2Si0 2 , AL0 3 ) is equal to 0.43.
  • the dairy / alkaline disilicate weight ratio is equal to
  • a mortar is made as in example 2.
  • the molar ratio K 2 (H 3 SiO 2 / (2Si0 2 , ALO,) is equal to 0.56.
  • the milk / alkaline disilicate weight ratio is equal to
  • Example 2 22 parts of (2Si0 2 , AL0 3 ), 15 parts of slag, 20 parts of silica smoke and 11 parts of KOH are mixed dry, then the sand is added and then 25 parts of water. A mortar is thus obtained as in Example 2. There is no setting, even at 24 hours at 20 ° C.
  • a mixture containing 27 parts of (2SiO 2 , ALO_), 21 parts of slag, 15 parts of fumed silica and 19 parts of potassium disilicate K 2 (H 3 SiO 2 prepared according to Example 1) is prepared dry. 215 parts of standardized sand and then 21.5 parts of water.
  • the starts after 35 minutes, and the resistance Rc after 4 hours at 20 ° C is 16 MPa, with a water / binder ratio 0.26.
  • the molar ratio K 2 (H 3 SiO 2 is equal to 0.58.

Abstract

On prépare un ciment du type sphérosilicate en poudre, durcissant à froid et développant au bout de 4 heures à 20 °C une résistance à la compression supérieure ou égale à 15 MPa avec un rapport eau/liant compris entre 0,20 et 0,27, en utilisant les trois éléments réactifs suivants: a) un oxyde alumino-silicate (2SiO2, Al2O3) ayant le cation Al en coordination (IV-V) comme déterminé par le spectre d'analyse en Résonance Magnétique Nucléaire MASS-NMR pour 27Al; b) un disilicate alcalin de sodium et/ou de potassium, (Na2, K2)(H3SiO4); c) un silicate de calcium caractérisé en ce que les rapports molaires entre les trois éléments réactifs sont égaux ou compris entre (Na2, K2)(H3SiO4)2/(2SiO2, Al2O3) 0,40 et 0,60; Ca++/(2SiO2, Al2O3) 0,60 et 0,40; de telle sorte que (Na2, K2)(H3SiO4)2 + Ca++/(2SiO2, Al2O3) = 1,0 avec Ca++ désignant l'ion calcium appartenant à un silicate de calcium faiblement basique dont le rapport atomique Ca/Si est inférieur à 1.A cement of the powdered spherosilicate type is prepared, cold hardening and developing after 4 hours at 20 ° C. a compressive strength greater than or equal to 15 MPa with a water / binder ratio of between 0.20 and 0.27 , using the following three reactive elements: a) an alumino-silicate oxide (2SiO2, Al2O3) having the cation Al in coordination (IV-V) as determined by the spectrum of analysis in Nuclear Magnetic Resonance MASS-NMR for 27Al; b) an alkaline disilicate of sodium and / or potassium, (Na2, K2) (H3SiO4); c) a calcium silicate characterized in that the molar ratios between the three reactive elements are equal or between (Na2, K2) (H3SiO4) 2 / (2SiO2, Al2O3) 0.40 and 0.60; Ca ++ / (2SiO2, Al2O3) 0.60 and 0.40; so that (Na2, K2) (H3SiO4) 2 + Ca ++ / (2SiO2, Al2O3) = 1.0 with Ca ++ denoting the calcium ion belonging to a weakly basic calcium silicate whose atomic ratio Ca / Si is less than 1.

Description

Procédé de préparation d'un ciment du type sphérosilicate et ciment ainsi obtenu Process for preparing a cement of the spherosilicate type and cement thus obtained
La présente invention concerne un procédé de préparation d'un ciment du type sphérosilicate à durcissement rapide à température ambiante, ainsi que le ciment obtenu par ce procédé. Plus précisément, les compositions minérales décrites dans l'invention permettent l'obtention d'un ciment du type sphérosilicate possédant un temps de prise égal ou supérieur à 30 minutes à la température de 20 C et une vitesse de durcissement permettant d'obtenir des résistances à la compression (Rc) égales ou supérieures à 15 MPa, après seulement U heures à 20 C, lorsqu'elles sont testées selon la norme standard appliquée aux mortiers de liants hydrauliques avec un rapport liant/sable égal à 0,38 et un rapport eau/liant compris entre 0,22 et 0,27.The present invention relates to a process for preparing a cement of the spherosilicate type which hardens quickly at room temperature, as well as the cement obtained by this process. More specifically, the mineral compositions described in the invention make it possible to obtain a cement of the spherosilicate type having a setting time equal to or greater than 30 minutes at the temperature of 20 ° C. and a curing speed making it possible to obtain resistances at compression (Rc) equal to or greater than 15 MPa, after only U hours at 20 C, when tested according to the standard standard applied to hydraulic binder mortars with a binder / sand ratio equal to 0.38 and a ratio water / binder between 0.22 and 0.27.
Les compositions minérales du type sphérosilicate selon la présente invention, permettant l'obtention d'un ciment du type sphérosilicate à durcissement rapide, (Rc) > 15 MPa à 4h - 20 C, comprennent essentiellement trois éléments réactifs.The mineral compositions of the spherosilicate type according to the present invention, making it possible to obtain a cement of the spherosilicate type with rapid hardening, (Rc)> 15 MPa at 4 h - 20 C, essentially comprise three reactive elements.
Le premier réactif est un oxyde alumino-silicate (2SiO_,ALO_) ayant le cation Al en coordination (IV-V) comme déterminé par le spectre d'analyse en Résonance Magnétique Nucléaire MASS-NMRThe first reagent is an aluminum silicate oxide (2SiO_, ALO_) having the cation Al in coordination (IV-V) as determined by the analysis spectrum of Nuclear Magnetic Resonance MASS-NMR
27 pour Al; cet oxyde alumino-silicate (2Si02,ALO-) est obtenu par traitement thermique, en milieu oxydant, d'alumino-sili- cates hydratés naturels, dans lesquels le cation Al est en coordina¬ tion (VI) comme déterminé par le spectre d'analyse en Résonance27 for Al; this alumino-silicate oxide (2Si0 2 , ALO-) is obtained by heat treatment, in an oxidizing medium, of natural hydrated alumino-silicates, in which the cation Al is in coordination (VI) as determined by the spectrum Resonance analysis
27 Magnétique Nucléaire MASS-MNR pour Al. Dans certaines publica¬ tions antérieures l'oxyde alumino-silicate (2SiO2,A O_) était seulement défini par le cation Al en coordination (IV), ce qui représentait l'état de la recherche scientifique antérieure. De nos jours, l'emploi de la Résonance Magnétique Nucléaire, MASS-NMR, a permis de déceler une coordination de type AI (V) . En effet le spectre MASS-NMR pour AI présente deux pics, l'un autour de 50-65 ppm caractéristique de la coordination AI ( IV) et l'autre autour de 25-35 ppm que certains auteurs scientifiques définissent comme indiquant la coordination AI (V) , alors que d'autres préfèrent la considérer comme une coordination Ai ( IV) déformée (voir pour cela MacKenzie et al . Journal of the American Ceramic Society, Volume 68 , pages 293-297, 1985) . Nous adopterons, dans ce qui suit, la notion de coordination mixte Al ( IV-V) pour cet oxyde (2SiO2 ,AI2O3) .27 Nuclear Magnetic MASS-MNR for Al. In some previous publications alumino-silicate oxide (2SiO 2 , A O_) was only defined by the cation Al in coordination (IV), which represented the state of research previous scientist. Today, the use of Nuclear Magnetic Resonance, MASS-NMR, has allowed to detect coordination of type AI (V). Indeed, the MASS-NMR spectrum for AI presents two peaks, one around 50-65 ppm characteristic of AI (IV) coordination and the other around 25-35 ppm that some scientific authors define as indicating AI coordination. (V), while others prefer to consider it as a distorted Ai (IV) coordination (see for this MacKenzie et al. Journal of the American Ceramic Society, Volume 68, pages 293-297, 1985). We will adopt, in what follows, the notion of mixed coordination Al (IV-V) for this oxide (2SiO 2 , AI 2 O 3 ).
Le second réactif est un disilicate de sodium et/ou de potassium, soluble dans l'eau, (Na2, K_ ) (H_SiO^)2 ; on utilisera de préférence le disilicate de potassium K2 ( H3SiO„ ) 2 bien que le disilicate de sodium Na- (H,SiO„ )2 permette également de réaliser les compositions minérales du type sphérosilicate selon l'invention . On pourra aussi employer un mélange des deux disilicates alcalins.The second reagent is a sodium and / or potassium disilicate, soluble in water, (Na 2 , K_) (H_SiO ^) 2 ; potassium disilicate K 2 (H 3 SiO 2 ) 2 will preferably be used although the sodium disilicate Na- (H, SiO 2 ) 2 also makes it possible to produce mineral compositions of the spherosilicate type according to the invention. It is also possible to use a mixture of the two alkaline disilicates.
Le troisième réactif est un silicate de calcium basique c'est à dire avec un rapport atomique Ca/Si égal ou supérieur à 1 . Il sera essentiellement caractérisé par son aptitude à générer, sous l'action d'une attaque alcaline, la formation de silicate de calcium faiblement basique, c'est à dire ayant un rapport atomique Ca/Si inférieur à 1 , de préférence proche de 0 ,5. Cette caractérisation sera établie en utilisant la Spectrométrie Photoélectronique aux Rayons X (X.p. s. ) et par l'analyse des rapports Ca_ /Si- comme il est indiqué par M. Regourd , Phil . Trans. Royal Society London, A.310 , pages 85-92 (1983) .The third reagent is a basic calcium silicate, that is to say with a Ca / Si atomic ratio equal to or greater than 1. It will be essentially characterized by its ability to generate, under the action of an alkaline attack, the formation of weakly basic calcium silicate, that is to say having a Ca / Si atomic ratio of less than 1, preferably close to 0 , 5. This characterization will be established using X-ray Photoelectron Spectrometry (X.p. s.) And by analysis of the Ca_ / Si- relationships as indicated by M. Regourd, Phil. Trans. Royal Society London, A.310, pages 85-92 (1983).
Les compositions minérales de l'invention sont également appelées compositions minérales du type sphérosilicate, car le ciment du type sphérosilicate obtenu résulte d'une réaction de polycondensation minérale par opposition aux liants traditionnels hydrauliques dans lesquels le durcissement est le résultat d'une hydratation des aluminates de calcium et des silicates de calcium . Ici aussi , le moyen d'investigation utilisé est le spectre de Résonance MagnétiqueThe mineral compositions of the invention are also called mineral compositions of the spherosilicate type, since the cement of the spherosilicate type obtained results from a mineral polycondensation reaction as opposed to traditional hydraulic binders in which hardening is the result of hydration of calcium aluminates and calcium silicates. Here too, the means of investigation used is the Magnetic Resonance spectrum
27 Nucléaire, MASS-NMR pour Al . Les produits résultant de la réaction de polycondensation minérale, comme préconisé dans la présente invention , possèdent un pic unique à 55 ppm, caractéristique de la coordination AI ( IV) , alors que les composés d'hydratation obtenus dans les liants hydrauliques traditionnels ont eux un pic à 0 ppm , caractéristique de la coordination Al ( IV) , c'est à dire de l'hydroxy-aluminate de calcium.27 Nuclear, MASS-NMR for Al. The products resulting from the mineral polycondensation reaction, as recommended in the present invention, have a single peak at 55 ppm, characteristic of coordination AI (IV), while the hydration compounds obtained in traditional hydraulic binders have a peak at 0 ppm, characteristic of Al (IV) coordination, ie of calcium hydroxyaluminate.
29 Le spectre MASS-NMR de Si permet également de faire une différenciation très nette entre les matériaux du type sphérosilicate et les liants hydrauliques . Si on représente le degré de polymérisation du tétraèdre SiO„ par Qn ( n=O, l ,2 , 3 ,4) , on peut faire la distinction entre les monosilicates (QO) , les disilicates (Q1 ) , les groupes de silicate (Q2) , les silicates greffés (Q3) et les silicates faisant partie d'un réseau tridimensionnel (Q4) . Ces degrés de polymérisation sont caractérisés29 The MASS-NMR spectrum of Si also makes it possible to make a very clear differentiation between materials of the spherosilicate type and hydraulic binders. If we represent the degree of polymerization of the tetrahedron SiO „by Qn (n = O, 1,2,3,4), we can distinguish between monosilicates (QO), disilicates (Q1), silicate groups ( Q2), the grafted silicates (Q3) and the silicates forming part of a three-dimensional network (Q4). These degrees of polymerization are characterized
29 en MASS-NMR du Si par les pics suivants : (QO) de -68 à -76 ppm; (Ql ) de -76 à -80 ppm; (Q2 ) de -80 à -85 ppm; (Q3 ) de -85 à -90 ppm ; (Q4) de -91 à -130 ppm . Les pics caractérisant les matériaux du type sphérosilicate se trouvent dans la zone -85 à -100 ppm et correspondent au réseau tridimensionnel (Q4) caractéristique des poly(sialates) et poly(sialate-siloxo) . Au contraire, les résultats de l'hydratation des liants hydrauliques conduisant au silicate de calcium hydraté C-S-H (selon la terminologie employée dans la chimie des ciments) produisent des pics se situant dans la zone -68 à -85 ppm , soit le monosilicate (Q0) ou le disilicate (Q1 ) (Q2 ) ; (voir par exemple J . Hjorth , Cernent and Concrète Re¬ search , Vol . 18 , No. , 1988) .29 in MASS-NMR of Si by the following peaks: (QO) from -68 to -76 ppm; (Ql) from -76 to -80 ppm; (Q2) from -80 to -85 ppm; (Q3) from -85 to -90 ppm; (Q4) from -91 to -130 ppm. The peaks characterizing the materials of the spherosilicate type are found in the range -85 to -100 ppm and correspond to the three-dimensional network (Q4) characteristic of poly (sialates) and poly (sialate-siloxo). On the contrary, the results of the hydration of the hydraulic binders leading to the hydrated calcium silicate CSH (according to the terminology used in the chemistry of cements) produce peaks lying in the range -68 to -85 ppm, namely the monosilicate (Q0 ) or disilicate (Q1) (Q2); (see for example J. Hjorth, Cernent and Concrete Research, Vol. 18, No., 1988).
Selon la terminologie en vigueur pour les matériaux du type sphérosilicate le liant minéral à durcissement rapide , ( Rc) 15 MPa à 4h - 20°C , correspond à un matériau du type sphérosilicate du type (Ca, K )-poIy (sialate-siIoxo) de formule variant entreAccording to the terminology in force for materials of the spherosilicate type, the fast-curing mineral binder, (Rc) 15 MPa at 4h - 20 ° C, corresponds to a material of the spherosilicate type of the type (Ca, K) -poIy (sialate-siIoxo) of formula varying between
(0,6K+0,2Ca) (-Si-O-AI-O-Si-O-) , H2O et(0.6K + 0.2Ca) (-Si-O-AI-O-Si-O-), H 2 O and
(0 ,4K+0 , 3Ca) (-Si-O-AI-O-Si-O-) , H2O .(0, 4K + 0, 3Ca) (-Si-O-AI-O-Si-O-), H 2 O.
On a proposé dans le passé des liants et ciments possédant un durcissement rapide et basés sur des réactions du type polycondensation minérale mettant en jeu les trois réactifs employés dans la présente invention . On connaît ainsi des compositions du type sphérosilicate permettant la réalisation de mortier à durcissement rapide, développant une résistance à la compression Rc = 6 ,89 MPa après 1 heure à 65°C et Rc = 41 ,34 MPa après 4 heures à 65 C . On connaît également une composition du type sphérosilicate développant une résistance à la compression Rc = 24 MPa au bout de 4 heures à 23-25 C. D'après l'expérience acquise par l'homme de l'art, une résistance à la compression Rc = 15 MPa au bout de 4 heures à 20°C est équivalente à Rc = 22 ,5 MPa au bout de 4 heures à 25°C. Cette composition comprend 840 g d'un mélange réactionnel dit "standard" auquel a été ajouté, outre des charges inertes, 220 g de laitier de haut fourneau broyé. Les compo¬ sants réactionnels du type sphérosilicate sont caractérisés par les rapports molaires des oxydes :Binders and cements having rapid hardening and based on reactions of the mineral polycondensation type involving the three reagents used in the present invention have been proposed in the past. There are thus known compositions of the spherosilicate type allowing the production of fast-hardening mortar, developing a compressive strength Rc = 6.89 MPa after 1 hour at 65 ° C and Rc = 41.34 MPa after 4 hours at 65 C. A composition of the spherosilicate type is also known which develops a resistance to compression Rc = 24 MPa after 4 hours at 23-25 C. According to the experience acquired by a person skilled in the art, a resistance to compression Rc = 15 MPa after 4 hours at 20 ° C is equivalent to Rc = 22.5 MPa after 4 hours at 25 ° C. This composition comprises 840 g of a so-called "standard" reaction mixture to which has been added, in addition to inert fillers, 220 g of ground blast furnace slag. The reaction components of the spherosilicate type are characterized by the molar ratios of the oxides:
ce qui correspond , pour permettre la comparaison avec les composi¬ tions minérales du type sphérosilicate selon l'invention , à une composition du type sphérosilicate comprenant 1 mole de l'oxyde alumino-silicate (2SiO2,ALO3) , soit 222 g, 1,12 moles de disilicate de potassium K2(H3SiO _, soit 300 g, 0,21 moles K20 correspondant à 28 g de KOH anhydre à 90 I, et 290 g d'eau et 220 g de laitier.which corresponds, to allow comparison with the mineral compositions of the spherosilicate type according to the invention, to a composition of the spherosilicate type comprising 1 mole of the oxide alumino-silicate (2SiO 2 , ALO 3 ), i.e. 222 g, 1.12 moles of potassium disilicate K 2 (H 3 SiO _, or 300 g, 0.21 moles K 2 0 corresponding to 28 g of anhydrous KOH at 90 I, and 290 g of water and 220 g of slag.
Comme on le constate aisément, par rapport à l'oxyde alumino-sili¬ cate (2Si02,ALO_) le rapport molaire entre K2(H3SiOZ})2 et (2SiO2,AI2O3) est égal à 1,12. Il était donc très important de pouvoir diminuer très sensiblement la quantité de ce produit très onéreux. C'est le principal objectif de la présente invention.As can easily be seen, with respect to the aluminum silicate oxide (2Si0 2 , ALO_) the molar ratio between K 2 (H 3 SiO Z} ) 2 and (2SiO 2 , AI 2 O 3 ) is equal to 1.12. It was therefore very important to be able to very significantly reduce the quantity of this very expensive product. This is the main objective of the present invention.
Dans le cadre de l'invention, les compositions minérales du type sphérosilicate sont caractérisées par les rapports molaires entre les trois éléments réactifs qui sont égaux ou compris entreIn the context of the invention, the mineral compositions of the spherosilicate type are characterized by the molar ratios between the three reactive elements which are equal or between
(Na2,K2)(H2SiO,1): 0,40 et 0,60 (2Si02,AI203)(Na 2 , K 2 ) (H 2 SiO, 1 ) : 0.40 and 0.60 (2Si0 2 , AI 2 0 3 )
Caττ 0,60 et 0,40 (2Si02,AI203)Ca ττ 0.60 and 0.40 (2Si0 2 , AI 2 0 3 )
de telle sorte queso that
= 1,0 = 1.0
avec Ca désignant ion calcium appartenant à an silicate de calcium faiblement basique.with Ca denoting calcium ion belonging to a weakly basic calcium silicate.
Comme on le constate, la quantité de disilicate alcalin se trouve réduite de 200 % à 300 % par rapport à l'état antérieur de la tech¬ nique. I l ne suffisait pas , pour cela , de simplement baisser la quantité de ce disilicate alcalin . En effet, il a été surprenant de constater qu'il fallait essentiellement changer l'état physique des constituants .As can be seen, the amount of alkaline disilicate is reduced from 200% to 300% compared to the prior state of the art. It was not enough, for this, to simply lower the amount of this alkaline disilicate. Indeed, it was surprising to note that it was essentially necessary to change the physical state of the constituents.
Ainsi, les compositions connues susmentionnées sont en phase liquide. Le laitier est ajouté à un mélange réactionnel aqueux contenant l'oxyde alumino-silicate (2SiO2 ,ALO_ ) , les alcalis, l'eau et le polysilicate de potassium en solution .Thus, the aforementioned known compositions are in the liquid phase. The slag is added to an aqueous reaction mixture containing the aluminum silicate oxide (2SiO 2 , ALO 2 ), the alkalis, the water and the potassium polysilicate in solution.
Tout au contraire, dans ie cadre de l'invention , les compositions minérales du type sphérosilicate sont en phase solide, en particulier le second réactif, le disilicate de sodium et/ou de potassium (Na2 , K2) ( f- SiO. est en poudre finement divisée , l'eau n'étant ajoutée que dans la phase finale de mélange du mortier ou du liant.On the contrary, in the context of the invention, the mineral compositions of the spherosilicate type are in the solid phase, in particular the second reagent, the sodium and / or potassium disilicate (Na 2 , K 2 ) (f-SiO. is a finely divided powder, water being added only in the final phase of mixing the mortar or binder.
On trouve également dans l'état antérieur de la technique des compo¬ sitions minérales en poudre, par exemple des compositions minérales comprenant:Also found in the prior art are mineral powder compositions, for example mineral compositions comprising:
100 parties de métakaolin 20 à 70 parties de laitier 85 à 130 parties de charges fines (cendres volantes, argiles calcinées) 70 à 215 parties de silice amorphe100 parts of metakaolin 20 to 70 parts of slag 85 to 130 parts of fine fillers (fly ash, calcined clays) 70 to 215 parts of amorphous silica
55 à 145 parties d'un mélange contenant du silicate de potassium et de l'hydroxyde de potassium, avec au minimum 55 parties de silicate de potassium seul .55 to 145 parts of a mixture containing potassium silicate and potassium hydroxide, with at least 55 parts of potassium silicate alone.
Dans cette dernière composition la silice amorphe a essentiellement pour rôle de remplacer une partie du silicate de potassium nécessaire à la polycondensation minérale, c'est à dire que la silice amorphe réagit avec l'hydroxyde de potassium pour produire , dans le mortier, la quantité de silicate de potassium souhaitée. Pour l'homme de l'art, le terme "silicate de potassium" signifie le silicate de potassium industriel , en poudre, correspondant à la formule K2O,3SiO2 ,3H2O, soluble dans l'eau et permettant de réaliser des liants et colles ayant les mêmes propriétés que les "verres solubles" ou silicate alcalins en solution .In this latter composition, the role of amorphous silica is essentially to replace part of the potassium silicate necessary for mineral polycondensation, that is to say that the amorphous silica reacts with potassium hydroxide to produce, in the mortar, the quantity of potassium silicate desired. For those skilled in the art, the term "potassium silicate" means industrial potassium silicate, in powder form, corresponding to the formula K 2 O, 3SiO 2 , 3H 2 O, soluble in water and making it possible to produce binders and adhesives having the same properties as "soluble glasses" or alkali silicate in solution.
Cependant, une composition ayant une formulation de ce type ne durcit pas à la température ambiante, puisque pour obtenir ce durcissement rapide, il est absolument nécessaire d'ajouter du ciment portiand . Mais , même avec l'addition de ciment portiand , ces compositions ne permettent pas d'obtenir ( Rc) > 15 MPa à 4h - 20 C. Ainsi on a par exemple préconisé le mélange suivant:However, a composition having a formulation of this type does not harden at room temperature, since to obtain this rapid hardening, it is absolutely necessary to add portiand cement. But, even with the addition of portiand cement, these compositions do not make it possible to obtain (Rc)> 15 MPa at 4 h - 20 C. Thus, for example, the following mixture was recommended:
68 parties de métakaolin68 parts of metakaolin
36 parties de laitier36 parts of slag
60 parties de cendres volantes 103 parties de fumée de silice60 parts of fly ash 103 parts of silica smoke
44 parties de silicate de potasse44 parts of potassium silicate
22 parties d'hydroxyde de potassium et22 parts of potassium hydroxide and
423 parties de ciment portiand .423 parts of portian cement.
Pour le mortier obtenu , la résistance à la compression Rc à 4 h - 23 C est seulement d'environ 6,9 MPa , ce qui est bien inférieur à (Rc) > 15 MPa à 4h - 20°C, tel que revendiqué dans la présente invention . Dans un autre exemple connu , Rc à 4 h - 23 C n'est que d'environ 4 , 6 MPa , alors que dans d'autres exemples encore, seules les Rc à environ 65 C sont données , les Rc à 4 - 23 C étant trop faibles pour être mentionées .For the mortar obtained, the compressive strength Rc at 4 h - 23 C is only around 6.9 MPa, which is much lower than (Rc)> 15 MPa at 4 h - 20 ° C, as claimed in the present invention. In another known example, Rc at 4 h - 23 C is only about 4.6 MPa, while in still other examples, only Rc at around 65 C are given, Rc at 4 - 23 C being too weak to be mentioned.
En supposant que le métakaolin corresponde à notre oxyde alumino- silicate (2SiO_ ,ALO3 ) et que l'hydroxyde de potassium ait permis de transformer le silicate de potassium K2O .3Si02.3r O en disilicate K_ ( H,SiOy )2 , nous obtenons les compositions exprimées en mole suivantes : (2SiO2 ,AI203 ) 0 ,30 moles K2 (H3Si04)2 0 ,20 moles soit un rapport K^l-^SiO^ sur (2Si02 ,AI203) égal à 0 , 66. En fait ce rapport est plus élevé puisque, l'excès d'hydroxyde de potassium étant de 0,13 moles de K-O, comme cette potasse a réagi avec la fumée de silice pour produire également 0, 13 moles de K2 (H3SiO. )2 , on aboutit ainsi à un total de K2 ( H3SiO 2 égal à 0 ,33 conduisant au rapport K2 (H3SiO4)2 sur (2SiO2 ,AI2O3) égal à 1 ,10 c'est à dire exactement celui des compositions connues citées en premier lieu .Assuming that metakaolin corresponds to our aluminum silicate oxide (2SiO_, ALO 3 ) and that potassium hydroxide has made it possible to transform potassium silicate K 2 O .3Si0 2 .3r O into disilicate K_ (H, SiO y ) 2 , we obtain the following compositions expressed in moles: (2SiO 2 , AI 2 0 3 ) 0.30 moles K 2 (H 3 Si0 4 ) 2 0, 20 moles i.e. a ratio K ^ l- ^ SiO ^ on (2Si0 2 , AI 2 0 3 ) equal to 0, 66. In fact this ratio is higher since, the excess of potassium hydroxide being 0.13 moles of KO, as this potash reacted with the silica smoke to also produce 0.13 moles of K 2 (H 3 SiO.) 2 , we thus arrive at a total of K 2 (H 3 SiO 2 equal to 0.33 leading to the ratio K 2 (H 3 SiO 4 ) 2 on (2SiO 2 , AI 2 O 3 ) equal to 1 , That is to say exactly that of the known compositions cited first.
Ces exemples montrent bien que le simple remplacement du silicate en solution par du silicate en poudre provoque un ralentissement très marqué du durcissement puisqu'avec ces compositions connues une activation thermique est nécessaire lorsque l'on veut obtenir un durcissement rapide, en quelques heures .These examples clearly show that the simple replacement of the silicate in solution by powdered silicate causes a very marked slowing down of the curing since with these known compositions thermal activation is necessary when it is desired to obtain a rapid curing in a few hours.
Or, précisément, dans le cadre de la présente invention , à l' inverse de l'état antérieur de la technique, le disilicate alcalin en poudre permet l'obtention d'un ciment du type sphérosilicate ayant un durcissement rapide , à 20 C , en quelques heures, soit ( Rc) > 15 MPa à 4h - 20°C.Now, precisely, in the context of the present invention, unlike the prior art, the powdered alkaline disilicate makes it possible to obtain a cement of the spherosilicate type having a rapid hardening, at 20 ° C., in a few hours, i.e. (Rc)> 15 MPa at 4h - 20 ° C.
I l est également connu de remplacer la totalité du silicate de potas¬ sium en solution par un mélange de silice amorphe (fumée de silice) et d'hydroxyde de potassium. Ici aussi , le durcissement rapide nécessite l'addition de ciment portiand , et dans le meilleur des cas la résistance à la compression Rc à 4 h - 23 C vaut environ 7,5 MPa , ce qui est bien inférieur à ( Rc) > 15 MPa à 4h - 20°C comme revendiqué dans la présente invention . Toujours dans ce dernier exemple connu la composition minérale du type sphérosilicate comprend pour 52 parties de métakaolin , 24 à 28 parties d'hydroxyde de potassium , 73 à 120 parties de fumée de silice, 18 à 29 parties de laitier. La fumée de silice réagit avec l'hydroxyde de potassium pour produire, dans le mélange, le silicate de potassium, de qui est une manière de baisser le prix de revient de ce réactif très onéreux. Nous obtenons donc en mole, selon le même raisonnement que précédemment:I t is also known to replace all of the potassium silicate in solution with a mixture of amorphous silica (silica fume) and potassium hydroxide. Here too, rapid hardening requires the addition of portiand cement, and in the best of cases the compressive strength Rc at 4 h - 23 C is around 7.5 MPa, which is much lower than (Rc)> 15 MPa at 4h - 20 ° C as claimed in the present invention. Still in this last known example, the mineral composition of the spherosilicate type comprises for 52 parts of metakaolin, 24 to 28 parts of potassium hydroxide, 73 to 120 parts of silica smoke, 18 to 29 parts of slag. Silica smoke reacts with potassium hydroxide to produce potassium silicate in the mixture, which is a way of lowering the cost price of this very expensive reagent. We thus obtain in mole, according to the same reasoning as previously:
(2Si02 ,AI2O- ) 0, 23 moles(2Si0 2 , AI 2 O-) 0.23 moles
K2 (H3SiO )2 de 0,215 à 0, 25 moles ce qui donne un rapport Kj sur (2SiO2 ,ALO_) compris entre 0,93 et 1 ,08 soit à nouveau pratiquement les rapports discutés précédemment.K 2 (H 3 SiO) 2 from 0.215 to 0.25 moles which gives a ratio K j on (2SiO 2 , ALO_) between 0.93 and 1.08, again practically the ratios discussed above.
Ces exemples de l'état antérieur de la technique montrent bien que le simple remplacement du silicate en solution par un mélange de fumée de silice et d'hydroxyde de potassium provoque un ralentissement très marqué du durcissement puisqu'une activation thermique est nécessaire lorque l'on veut obtenir un durcissement rapide, en quelques heures.These examples of the prior art clearly show that the simple replacement of the silicate in solution with a mixture of silica smoke and potassium hydroxide causes a very marked slowing down of the hardening since thermal activation is necessary when the we want to get a quick hardening, in a few hours.
Les exemples connus décrits précédemment démontrent que le durcissement rapide nécessite une température de 40 à 60°C. En d'autres terπ.es, les mélanges revendiqués sont endothermiques; ils absorbent des calories .The known examples described above demonstrate that rapid hardening requires a temperature of 40 to 60 ° C. In other terms, the claimed mixtures are endothermic; they absorb calories.
Les essais suivants montrent bien que dans l'état antérieur de la technique, l'endothermicité des mélanges était trop importante pour permettre l'obtention d'un durcissement rapide à température ambiante. On sait que la réaction de polycondensation minérale est exothermique, cette exothermicité est très bien mise en évidence lorsque le durcissement s'effectue à 40-60 C. On a mesuré l'exothermicité des mélanges contenant ou non de la silice amorphe, comme de la fumée de silice. Le moyen d'analyse est l'Analyse Thermi¬ que Différentielle.The following tests clearly show that in the prior art, the endothermicity of the mixtures was too great to allow rapid hardening to be obtained at room temperature. We know that the mineral polycondensation reaction is exothermic, this exothermicity is very well demonstrated when the curing takes place at 40-60 C. The exothermicity of the mixtures containing or not containing amorphous silica, such as silica smoke. The means of analysis is Differential Thermal Analysis.
On a préparé deux mélanges en poudre : mélange A: oxyde (2Si02 , AL03 ) 400 g mica micronisé 100 gTwo powder mixes were prepared: mixture A: oxide (2Si0 2 , AL0 3 ) 400 g micronized mica 100 g
mélange B : oxyde (2Si02 A!203 ) 400 g fumée de silice 100 gmixture B: oxide (2Si0 2 A! 2 0 3 ) 400 g silica smoke 100 g
et 2 mélanges liquides :and 2 liquid mixtures:
liquide 1 : solution de silicate de potassium 40% 520 gliquid 1: 40% potassium silicate solution 520 g
KOH à 90 % 82 g90% KOH 82 g
liquide 2 : solution de silicate de sodium 40% 1040 gliquid 2: 40% sodium silicate solution 1040 g
NaOH poudre 120 gNaOH powder 120 g
On effectue le mélange entre la poudre et le liquide selon les pro¬ portions indiquées dans le tableau , et la polycondensation minérale est suivie par Analyse Thermique Différentielle. On compare les valeurs du rapport J/g, c'est à dire la quantité d'énergie mesurée en Joules sur le poids de l'échantillon en grammes . La température de polycondensation minérale est de 60 C .The mixture between the powder and the liquid is carried out according to the pro¬ portions indicated in the table, and the mineral polycondensation is followed by Differential Thermal Analysis. The values of the J / g ratio are compared, that is to say the amount of energy measured in Joules on the weight of the sample in grams. The mineral polycondensation temperature is 60 C.
No. d'essai Mélange J /gTest No. Mixture J / g
247247
5353
116 116
On voit bien que l'ajout de fumée de silice, c'est à dire la forma¬ tion de silicate de potassium dans le mélange , absorbe des calories . L'exothermicité de l'essai No. 2 (avec fumée de silice) est divisée par 5 par rapport à celle de l'essai No. 1 (sans fumée de silice) , et celle de l'essai No. 3 est divisée par 2.It is clear that the addition of silica smoke, that is to say the formation of potassium silicate in the mixture, absorbs calories. The exothermicity of test No. 2 (with silica smoke) is divided by 5 compared to that of test No. 1 (without silica smoke), and that of test No. 3 is divided by 2.
On s'explique ainsi pourquoi les mélanges connus dans l'état antérieur de la technique n'ont pas de durcissement rapide à température ambiante.This explains why the mixtures known in the prior art have no rapid hardening at room temperature.
Au contraire, dans le cas de l'invention , la silice amorphe comme la fumée de silice ou d'autres silices dont on sait qu'elles peuvent facilement se transformer en silicate de potassium ou de sodium , à température modérée voir même ambiante, sera ajoutée en quantité telle qu'elle ne perturbera pas l'exothermicité naturelle du mélange du type sphérosilicate. La silice amorphe, comme par exemple la fumée de silice, les cendres de riz , les terres de diatomées , les smectites siliciques, certaines pouzzolanes fortement siliciques (avec un fort pourcentage d'allophane et de verre d'origine volcanique) sont considérées comme des charges finement divisées , réactives . La réactivité de ces charges les fait réagir en surface avec le milieu réactionnel du type sphérosilicate , augmentant ainsi la résistance mécanique du liant minéral poly (sialate-siloxo) . Ces matériaux siliciques ne sont pas dissous , dans un premier temps , à température ordinaire, c'est à dire dans le cadre de l'invention . Cependant, comme dans le cas des liants hydrauliques les contenant, on pourra , au bout de 28 jours ou plus tard, constater leur diges¬ tion par la matrice du type sphérosilicate ou par les silicates basiques présents encore dans la matrice.On the contrary, in the case of the invention, amorphous silica such as silica fume or other silicas which it is known that they can easily transform into potassium or sodium silicate, at moderate or even ambient temperature, will be added in such a quantity that it will not disturb the natural exothermicity of the mixture of the spherosilicate type. Amorphous silica, such as, for example, silica smoke, rice ash, diatomaceous earth, silicic smectites, certain strongly silicic pozzolans (with a high percentage of allophane and glass of volcanic origin) are considered as finely divided, reactive loads. The reactivity of these charges causes them to react on the surface with the reaction medium of the spherosilicate type, thus increasing the mechanical resistance of the mineral binder poly (sialate-siloxo). These silicic materials are not dissolved, at first, at ordinary temperature, that is to say within the framework of the invention. However, as in the case of the hydraulic binders containing them, it will be possible, after 28 days or later, to note their digestion by the matrix of the spherosilicate type or by the basic silicates still present in the matrix.
Le troisième réactif de l'invention est le silicate de calcium faiblement basique avec le rapport atomique Ca/Si inférieur à 1 .The third reagent of the invention is weakly basic calcium silicate with the Ca / Si atomic ratio of less than 1.
Ce sera par exemple le disilicate de calcium Ca f H-SiO^ ou la tobermorite Ca^SL -O,.. ) (OH )β , 8H2O . Ce troisième réactif est lié aux précédents par les rapports molaires entre les trois éléments réactifs égaux ou compris entreThis will be for example calcium disilicate Ca f H-SiO ^ or tobermorite Ca ^ SL -O, ..) (OH) β , 8H 2 O. This third reagent is linked to the preceding ones by the molar ratios between the three reactive elements equal to or comprised between
(Na2,K:)(H,SiO,1) 0,40 et 0,60(Na 2, K:) (H, SiO, 1) 0.40 and 0.60
(2Si02,AI203)(2Si0 2 , AI 2 0 3 )
Ca"1"*" 0,60 et 0,40Ca "1" * " 0.60 and 0.40
(2Si02,AI203)(2Si0 2 , AI 2 0 3 )
Dans le cas du disilicate de calcium Ca(H,SiOj _ et du disilicate de potassium K2(H,SiO„)2 nous avons les rapports suivants:In the case of calcium disilicate Ca (H, SiO j _ and potassium disilicate K 2 (H, SiO „) 2 we have the following reports:
K2(H3SiO})2/(2Si02,AI203) compris entre 0,40 et 0,60K 2 (H 3 SiO } ) 2 / (2Si0 2 , AI 2 0 3 ) between 0.40 and 0.60
Ca(H3SiO/J)2/(2Si02,Ai203) compris entre 0,60 et 0,40.Ca (H 3 SiO / J ) 2 / (2Si0 2 , Ai 2 0 3 ) between 0.60 and 0.40.
En d'autres termes, la somme du nombre de moles de disilicate de calcium, Ca(H,SiOy)_, et du nombre de moles de disilicate de potassium, K_(H,SiOy)_, est égale au nombre de moles de l'oxyde alumino-silicate (2SiO_,ALO_). Cet oxyde alumino-sili¬ cate (2Si02,AL03) détermine toutes les conditions réactionnelles des compositions minérales du type sphérosilicate. Il réagira avec un disilicate alcalin ou alcalino-terreux pour former, après polycondensation minérale, un composé (Si2O_,ALO2,Si2O5,(K2O,CaO)), soit le (K,Ca)-poly(sialate-siloxo) de formule comprise entreIn other words, the sum of the number of moles of calcium disilicate, Ca (H, SiO y ) _, and the number of moles of potassium disilicate, K_ (H, SiO y ) _, is equal to the number of moles of the aluminum silicate oxide (2SiO_, ALO_). This alumino-silicate oxide (2Si0 2 , AL0 3 ) determines all the reaction conditions of the mineral compositions of the spherosilicate type. It will react with an alkaline or alkaline earth disilicate to form, after mineral polycondensation, a compound (Si 2 O_, ALO 2 , Si 2 O 5 , (K 2 O, CaO)), i.e. (K, Ca) -poly (sialate-siloxo) of formula between
(0,6K + 0,2Ca)(-Si-O-AI-O-Si-O-) et(0.6K + 0.2Ca) (- Si-O-AI-O-Si-O-) and
(0,4K + 0,3Ca)(-Si-O-AI-O-Si-O-).(0.4K + 0.3Ca) (- Si-O-AI-O-Si-O-).
L'oxyde (2Si02,AL03) réagit tout d'abord avec le disilicate le plus soluble qui est toujours le disilicate alcalin ( Na2 , K2 ) ( H3SiO. )2 . La quantité de disi licate de calcium intervenant dans la réaction de polycondensation minérale est déterminée essentiellement par la quantité de disilicate alcalin . Si la somme des moles de ces disilicates est supérieure à 1 , la partie non réagissante sera celle qui est la moins soluble, c'est à dire le disilicate de calcium.The oxide (2Si0 2 , AL0 3 ) reacts first with the most soluble disilicate which is always the alkaline disilicate (Na 2 , K 2 ) (H 3 SiO.) 2 . The amount of calcium dislicate involved in the mineral polycondensation reaction is essentially determined by the amount of alkaline disilicate. If the sum of the moles of these disilicates is greater than 1, the non-reacting part will be that which is the least soluble, that is to say the calcium disilicate.
Cependant, ce sont les ions calcium Ca qui déterminent la vitesse de durcissement en rendant moins solubles les gels de polycondensation minérale alcalins , la vitesse de durcissement optimale étant atteinte lorsque ces ions Ca sont intégrés dans la structure du type sphérosilicate. Si la quantité d'alcalin NaHowever, it is the calcium ions Ca which determine the rate of hardening by making alkaline inorganic polycondensation gels less soluble, the optimal speed of hardening being reached when these Ca ions are integrated into the structure of the spherosilicate type. If the amount of alkaline Na
-j. et/ou K est importante il faudra une plus grande quantité d'ion-j. and / or K is important it will require a larger amount of ion
Ca pour aboutir à la même vitesse de durcissement. Par contre, si la quantité de disilicate alcalin ( Na2 , K2 ) ( H_SiO. )2 est trop faible, la dissolution du disilicate de calciumThis leads to the same curing speed. On the other hand, if the amount of alkaline disilicate (Na 2 , K 2 ) (H_SiO.) 2 is too low, the dissolution of the calcium disilicate
Ca ( H3SiO 2 sera réduite, et le durcissement rapide à 20°C ne s'effectuera pas non plus , et les résistances mécaniques seront plus faibles .Ca (H 3 SiO 2 will be reduced, and the rapid hardening at 20 ° C will not take place either, and the mechanical strengths will be weaker.
On s'explique ainsi pourquoi dans certaines compositions selon l'état antérieur de la technique, pour lesquelles le rapport K2 (H3Si04)2/ (2Si02 ,AI2O3 ) était proche ou supérieur à 1 , la solubilité trop forte du milieu réactionnel ralentissait l'action précipitante des ions Ca provenant par exemple du laitier ou du ciment portiand .This explains why in certain compositions according to the prior art, for which the ratio K 2 (H 3 Si0 4 ) 2 / (2Si0 2 , AI 2 O 3 ) was close to or greater than 1, the solubility too strong of the reaction medium slowed down the precipitating action of Ca ions originating for example from slag or portian cement.
On peut fabriquer séparément le disilicate de calcium Ca (H_SiOi. )2 , par exemple par réaction hydrothermale entre la chaux et la silice.Calcium disilicate Ca (H_SiO i .) 2 can be produced separately, for example by hydrothermal reaction between lime and silica.
Cependant, selon une méthode préférée de l'invention , il sera produit , à l'état naissant, dans le liant, après l'addition de l'eau nécessaire à la solubilisation des différents réactifs en poudre. La matière de départ est un silicate de calcium basique, c'est à dire avec le rapport atomique Ca/Si supérieur ou égal à 1 . Ce sera par exemple la wollastonite Ca (Si03) , la gehlenite (2CaO .AI203. Si02 ) , le silicate bicalcique C2S (2CaO.Si02) , le silicate tricalcique C.S (3CaO .Si02) , l'akermanite (2CaO.SiO2) . Lorsque les grains de ces matières sont mis en con¬ tact avec une solution alcaline (NaOH ou KOH ) il se produit très rapidement une désorption de CaO de- telle sorte que le rapport atomique Ca/Si devient inférieur à 1 et tend vers 0 ,5 pour les sili¬ cates basiques initialement de rapport Ca/Si égal ou inférieur à 2 , comme la wollastonite, le C2S , la gehlenite, l'akermanite.However, according to a preferred method of the invention, it will be produced, in the nascent state, in the binder, after the addition of the water necessary for the solubilization of the various powdered reagents. The starting material is a basic calcium silicate, that is to say with the Ca / Si atomic ratio greater than or equal to 1. This will be for example wollastonite Ca (Si0 3 ), gehlenite (2CaO .AI 2 0 3. Si0 2 ), bicalcium silicate C 2 S (2CaO.Si0 2 ), tricalcium silicate CS (3CaO .Si0 2 ), Akermanite (2CaO.SiO 2 ). When the grains of these materials are brought into contact with an alkaline solution (NaOH or KOH) a desorption of CaO takes place very quickly so that the Ca / Si atomic ratio becomes less than 1 and tends towards 0, 5 for basic silicates initially with a Ca / Si ratio equal to or less than 2, such as wollastonite, C 2 S, gehlenite, akermanite.
Le laitier de haut fourneau contient essentiellement les silicates basiques gehlenite , akermanite, wollastonite et convient donc très bien . De plus, comme on peut le suivre par la spectrométrie photoélectronique aux rayons X (X . p.s. ) comme indiqué plus haut, cette attaque alcaline du silicate basique produit un silicate faiblement basique de rapport atomique Ca/Si = 0 ,5 , soit précisément le disilicate de calcium Cal H-.SiO^ . Ce processus est très régulier et peut être complet en 30 minutes , à la température ambiante. Au contraire, dans le cas du C2S , il se produit en quelques secondes une forte concentration en silicate faiblement basique Ca/Si inférieur à 1 ; puis l'attaque est stoppée, pour ensuite continuer plus régulièrement. C'est ce que l'on appelle le "flash-set" ou formation d'un gel créant une fausse prise. Pour éviter la formation brutale du disilicate de calcium, dans le cas du C2S , il est nécessaire d'employer des retardateurs de prise comme ceux couramment en usage dans les mélanges de ciment portiand .Blast furnace slag essentially contains the basic silicates gehlenite, akermanite, wollastonite and is therefore very suitable. In addition, as can be seen by X-ray photoelectron spectrometry (X. Ps) as indicated above, this alkaline attack on the basic silicate produces a weakly basic silicate with an atomic ratio Ca / Si = 0.5, which is precisely the calcium disilicate Cal H-.SiO ^ . This process is very regular and can be completed in 30 minutes, at room temperature. On the contrary, in the case of C 2 S, there occurs in a few seconds a high concentration of weakly basic silicate Ca / Si less than 1; then the attack is stopped, and then continues more regularly. This is called the "flash-set" or formation of a gel creating a false catch. To avoid the sudden formation of calcium disilicate, in the case of C 2 S, it is necessary to use setting retarders like those commonly used in cement mixtures portiand.
La réaction de polycondensation minérale utilisée dans la présente invention ne doit pas être confondue avec la simple activation alcaline des liants hydrauliques, ou avec l'action d'accélérateur de prise des alcalis sur les ciments portlands et autres liants hydrauliques . En effet, la simple action des alcalis , NaOH ou KOH , sur les ciments portlands ou le laitier de haut fourneau , se traduit par la produc¬ tion des silicates de calcium hydratés , comme mentionné plus haut. Au contraire de ce qui se passe dans la présente invention , ces silicates hydratés cristallisent pour former le C-S-H , constituant principal des ciments calciques hydrauliques. Le C-S-H est un monosilicate et/ou un bisilicate, c'est à dire que les tétraèdres SiO„ qui le constituent appartiennent à la catégorie (QO) , (Ql ) et éventuellement (Q2) . Au contraire, la polycondensation minérale conduit à la formation de tétraères SiO.de type (Q4 , comme déterminé par le spectre d'analyse en Résonance Magnétique Nucléaire MASS-NMR pour 29Si .The mineral polycondensation reaction used in the present invention should not be confused with the simple alkaline activation of hydraulic binders, or with the action of alkali setting accelerator on portland cements and other hydraulic binders. Indeed, the simple action of alkalis, NaOH or KOH, on portland cements or blast furnace slag, results in the production of hydrated calcium silicates, as mentioned above. In contrast to what happens in the present invention, these hydrated silicates crystallize to form CSH, the main constituent of hydraulic calcium cements. The CSH is a monosilicate and / or a bisilicate, that is to say that the SiO 2 tetrahedra which constitute it belong to the category (QO), (Ql) and possibly (Q2). On the contrary, the mineral polycondensation leads to the formation of SiO tetraera of type (Q4, as determined by the analysis spectrum in Nuclear Magnetic Resonance MASS-NMR for 29 Si.
Bien que les alcalis, NaOH et KOH , soient des accélérateurs de prise, ils ne constituent pas des accélérateurs de durcissement capables de réaliser l'objet de l'invention , c'est à dire ( Rc) 15 MPa à 4h - 20°C .Although the alkalis, NaOH and KOH, are setting accelerators, they do not constitute hardening accelerators capable of achieving the object of the invention, that is to say (Rc) 15 MPa at 4 h - 20 ° C .
Dans le cas des laitiers de haut- fourneau , les alcalis ne sont pas des accélérateurs de prise, mais développent l'hydraulicité latente des laitiers. L'accélérateur de durcissement est en général la température ou l'addition de ciment portiand. Il est par exemple connu d'utiliser un ciment à base de laitier , de ciment portiand ou de chaux, et d'un accélérateur alcalin comme NaOH et les carbonates de sodium et ou de potassium. Les résistances à la compress.on sont toutes obtenues après chauffage à 50 C ou 70 C. Avec cette technique connue on obtient une Rc moyenne de 10 à 30 MPa après 6 heures à 70°C . L'expérience de l'homme de l'art indique que ces résistances de 30 MPa obtenues après 6 heures à 70 C correspon¬ dent à Rc = 1 à 3 MPa maximum après 4 heures à 20°C.In the case of blast furnace slag, the alkalis are not setting accelerators, but develop the latent hydraulicity of slag. The hardening accelerator is usually temperature or the addition of portiand cement. It is for example known to use a cement based on slag, portian cement or lime, and an alkaline accelerator such as NaOH and sodium and or potassium carbonates. The compressive strengths are all obtained after heating to 50 ° C. or 70 ° C. With this known technique, an average Rc of 10 to 30 MPa is obtained after 6 hours at 70 ° C. The experience of a person skilled in the art indicates that these resistances of 30 MPa obtained after 6 hours at 70 C correspond to Rc = 1 to 3 MPa maximum after 4 hours at 20 ° C.
L'analyse scientifique à l'aide de la Résonance Magnétique NucléaireScientific analysis using Nuclear Magnetic Resonance
27 MASS-NMR pour Al montre que les ciments hydrauliques au laitier résultent de l'hydratation des aluminates , silicates et silico-aluminates de calcium, avec formation soit de gehlenite hydratée, 2CaO,ALO3,SiO2,8H20 ou d'aluminate de calcium hydraté 4CaO.ALO,,10H,O dans lesquels le cation Al est en27 MASS-NMR for Al shows that hydraulic slag cements result from the hydration of aluminates, silicates and calcium silico-aluminates, with the formation of either hydrated gehlenite, 2CaO, ALO 3 , SiO 2 , 8H 2 0 or hydrated calcium aluminate 4CaO.ALO ,, 10H, O in which the cation Al is in
29 coordination Al (VI). Les spectres MASS-NMR pour Si montrent que les tétraèdres SiO„ sont en majorité du type (QO), (Q1),29 Al coordination (VI). The MASS-NMR spectra for Si show that the SiO 2 tetrahedra are mostly of the type (QO), (Q1),
(Q2), caractérisant le C-S-H.(Q2), characterizing C-S-H.
De même un mélange comprenant l'oxyde alumino-silicate (2Si02,AL03), du laitier (ou du ciment) et des alcalis KOH, NaOH, ne constitue pas un liant minéral de polycondensation minérale selon la présente invention. Il est connu qu'un mortier réalisé avec ce mélange et de l'eau ne durcit pas à 20 C avant 24 heures. Ainsi il est connu que si l'oxyde (2Si02,ALO_) n'est pas masqué par une solution de polysilicate contre l'attaque des bases fortes KOH, NaOH, il se forme un poly(sialate) simple du type de l'hydroxysodalite et qui précipite sans fonction liante. Il est connu que l'hydroxysodalite ne constitue un liant que dans les pâtes céramiques, avec très peu d'eau et lorsque le matériau est comprimé.Likewise, a mixture comprising alumino-silicate oxide (2Si0 2 , AL0 3 ), slag (or cement) and alkalies KOH, NaOH, does not constitute a mineral binder of mineral polycondensation according to the present invention. It is known that a mortar made with this mixture and water does not harden at 20 C for 24 hours. Thus it is known that if the oxide (2Si0 2 , ALO_) is not masked by a polysilicate solution against the attack of strong bases KOH, NaOH, a simple poly (sialate) of the type is formed. hydroxysodalite and which precipitates without binding function. It is known that hydroxysodalite constitutes a binder only in ceramic pastes, with very little water and when the material is compressed.
Dans le cadre de l'invention, le troisième réactif de la composition de polycondensation minérale est le silicate de calcium. II peut être accompagné d'aluminates et silicates complexes de calcium.In the context of the invention, the third reagent of the mineral polycondensation composition is calcium silicate. It can be accompanied by complex calcium aluminates and silicates.
Ainsi le laitier de haut fourneau est en partie formé d'un verre composé entre autre de gehlenite 2CaO.AL03.Si02, d'akermanite 2Ca0.Mg0.2Si02, de wollastonite.Thus the blast furnace slag is partly formed of a glass composed inter alia of gehlenite 2CaO.AL0 3 .Si0 2 , of akermanite 2Ca0.Mg0.2Si0 2 , of wollastonite.
Dans le cadre de l'invention, la partie de ces silicates non transformés en silicate de calcium faiblement basique lors de l'attaque alcaline, ou celle qui n'a pas pu participer à la réaction de polycondensation minérale une fois que le rapport K2(H3Si04)2 + Ca(H3SiOZ{)2 sur 2(Si02,AI203) a atteint la valeur de 1, ces silicates et alumino-silicates s'hydrateront selon le mécanisme connu en vigueur pour les silicates de calcium constituant les ciments hydrauliques. On obtient alors, en plus du matériau du type sphérosilicate (K,Ca) (-Si-O-AI-Si-O-) la formation de gehlenite hydratée, de C-S-H, d'aluminate de calcium hydraté, et d'autres silicates de magnésium.In the context of the invention, the part of these silicates not transformed into weakly basic calcium silicate during the alkaline attack, or that which could not participate in the mineral polycondensation reaction once the ratio K 2 (H 3 Si0 4 ) 2 + Ca (H 3 SiO Z { ) 2 of 2 (Si0 2 , AI 2 0 3 ) has reached the value of 1, these silicates and alumino-silicates will hydrate according to the known mechanism in force for silicates of calcium constituting hydraulic cements. Then, in addition to the material of the spherosilicate type (K, Ca) (-Si-O-AI-Si-O-), the formation of hydrated gehlenite, CSH, hydrated calcium aluminate, and other silicates is obtained. magnesium.
L'analyse par spectrométrie en Résonance Magnétique NucléaireNuclear Magnetic Resonance spectrometry analysis
27 indique pour MASS-NMR de Al la préstnce à la fois de pics correspondant à la coordination Al (IV) et λl(VI). En général, dans le cadre de la présente invention la concentration en Al (IV) est 4 à27 indicates for MASS-NMR of Al the presence of both peaks corresponding to the coordination Al (IV) and λl (VI). In general, in the context of the present invention the concentration of Al (IV) is 4 to
6 fois supérieure à celle de Al (VI). Elle pourra diminuer si dans le mélange on ajoute d'autres charges silico-alumineuses, ou alumineuses, mais même dans ce cas le rapport entre la concentration en AI(IV) sur la concentration en AI(VI) sera6 times that of Al (VI). It may decrease if other silico-aluminous or aluminous fillers are added to the mixture, but even in this case the ratio between the concentration of AI (IV) on the concentration of AI (VI) will be
AI(V1) égal ou supérieur à 1.AI (V1) equal to or greater than 1.
AI(VI)AI (VI)
29 Dans le spectre MASS-NMR de Si, ces mêmes silicates de calcium basiques conduiront à la présence à la fois de tétraèdres SiO^29 In the MASS-NMR spectrum of Si, these same basic calcium silicates will lead to the presence of both SiO ^ tetrahedra
(Q ), (QO), (Q1), (Q2). En général, la concentration en tétraèdres(Q), (QO), (Q1), (Q2). In general, the concentration of tetrahedra
SiOj, (Q ) est 4 à 6 fois supérieure à la somme des concentrations en tétraèdres SiO„ (QO) + (Q1) + (Q2), et selon la nature des charges nous auronsSiO j , (Q) is 4 to 6 times greater than the sum of the concentrations of SiO tetrahedrons „(QO) + (Q1) + (Q2), and depending on the nature of the charges we will have
(Q4) égal ou supérieur à 1(Q4) equal to or greater than 1
(QO) + (Q1) + (Q2)(QO) + (Q1) + (Q2)
Le laitier de haut fourneau est une source bon marché de wollastonite, gehlenite et ackermanite. Les compositions de polycondensation minérale de l'invention contenant du laitier de haut fourneau permettent de réaliser un liant de polycondensation minérale, en poudre, contenant: a) 100 parties en poids d'oxyde alumino-silicate (2SiO- ,ALO,) ayant le cation Al en coordinationBlast furnace slag is a cheap source of wollastonite, gehlenite and ackermanite. The mineral polycondensation compositions of the invention containing blast furnace slag make it possible to produce a mineral polycondensation binder, in powder form, containing: a) 100 parts by weight of aluminum silicate oxide (2SiO-, ALO,) having the cation Al in coordination
( IV-V) comme déterminé par le spectre d'analyse en(IV-V) as determined by the analysis spectrum in
27 Résonance Magnétique Nucléaire MASS-NMR pour Al , et b) -48-72 parties de disilicate de potassium K2(H3SiO.)2 et c) 50-70 parties de laitier de haut fourneau de granujométrie moyenne 10 microns, composé en partie de gehlenite, d'akermanite, de wollastonite.27 Nuclear Magnetic Resonance MASS-NMR for Al, and b) -48-72 parts of potassium disilicate K 2 (H 3 SiO.) 2 and c) 50-70 parts of blast furnace slag of average particle size 10 microns, compound partly gehlenite, akermanite, wollastonite.
Le mortier obtenu en ajoutant une quantité d'eau telle que le rap¬ port eau/liant est compris entre 0,20 et 0,27 et une quantité de sable normalisé telle que le rapport liant/sable = 0 ,38 durcit à froid et développe au bout de 4 heures à 20°C une résistance à la compression supérieure ou égale à 15 MPa .The mortar obtained by adding a quantity of water such that the water / binder ratio is between 0.20 and 0.27 and a quantity of standardized sand such that the binder / sand ratio = 0.38 hardens cold and develops after 4 hours at 20 ° C a compressive strength greater than or equal to 15 MPa.
Lorsque les conditions de fabrication ne permettent pas d'obtenir directement le disilicate alcalin Kj t h SiO^), les 48 à 72 parties de disilicate de potassium K2 ( H3SiOy)2 sont remplacées par un mélange en poudre contenantWhen the manufacturing conditions do not allow the alkaline disilicate K j th SiO ^) to be obtained directly, the 48 to 72 parts of potassium disilicate K 2 (H 3 SiO y ) 2 are replaced by a powder mixture containing
35-40 parties de silicate de potassium K2O,3SiO2,3H2O35-40 parts of potassium silicate K 2 O, 3SiO 2 , 3H 2 O
7-15 parties d'hydroxyde de potasse KOH anhydre à 90 %7-15 parts of 90% anhydrous KOH potassium hydroxide
0-65 parties de silice amorphe.0-65 parts of amorphous silica.
La comparaison entre le rapport pondéral laitier/eau permet de bien mettre en évidence les différences essentielles entre les composi¬ tions de polycondensation minérales selon la présente invention et l'art antérieur. On connaît les valeurs limites de ce rapport au delà desquelles il n'est plus possible d'utiliser les liants ainsi produits, car le mélange prend immédiatement dans le mélangeur, la prise étant pratiquement instantanée. I l faut également noter que certaines formulation connues qui utilisent le maximum de laitier contiennent également du fluorure de calcium, F_Ca . Or , on sait que les fluorures ont une action retardatrice sur la formation du silicate de calcium faiblement basique et donc sur l'action précipitante des io^s Ca , favorisant ainsi un temps de prise plus long , en évitant l'effet de fausse prise.The comparison between the milk / water weight ratio makes it possible to clearly highlight the essential differences between the mineral polycondensation compositions according to the present invention and the prior art. The limit values of this ratio are known, beyond which it is no longer possible to use the binders thus produced, because the mixture immediately sets in the mixer, setting being practically instantaneous. It should also be noted that certain known formulations which use the maximum amount of slag also contain calcium fluoride, F_Ca. We know that fluorides have a delaying action on the formation of weakly basic calcium silicate and therefore on the precipitating action of io ^ s Ca, thus promoting a longer setting time, avoiding the effect of false setting.
Au contraire, dans le cadre de la présente invention , la prise est considérée comme lente , puisqu'elle a lieu après un temps supérieur à 30 minutes sans ajout de retardateur, ce qui permet l'utilisation dans l'industrie, avec des mélangeurs traditionnels . Tout homme de l'art comprendra l'intérêt de cette caractéristique de prise à t > 30 minutes à 20°C .On the contrary, in the context of the present invention, setting is considered to be slow, since it takes place after a time of more than 30 minutes without the addition of retarder, which allows use in industry, with traditional mixers . Anyone skilled in the art will understand the advantage of this setting characteristic at t> 30 minutes at 20 ° C.
Le tableau regroupe les temps de prise pour différents rapports pondéreaux laitier/eau , des compositions impliquant des solutions de silicate alcalin et des compositions de polycondensation minérale contenant des disilicates alcalins en poudre, selon la présente invention .The table groups the setting times for different milk / water weight ratios, compositions involving alkali silicate solutions and inorganic polycondensation compositions containing powdered alkaline disilicates, according to the present invention.
rapport laitier/eau 1 , 0 0 , 85 0 ,70 0 , 55 0 ,42milk / water ratio 1, 0 0, 85 0, 70 0, 55 0, 42
début de prise (à environ 23 C) pour une composition connue 0 0 12 min 30 min 60 minstart of setting (at around 23 C) for a known composition 0 0 12 min 30 min 60 min
début de prise (à 20°C) pour la présente invention 30 min 60 min 90 min 3 heuresstart of setting (at 20 ° C.) for the present invention 30 min 60 min 90 min 3 hours
L'homme de l'art sait que plus la quantité d'eau contenue dans le ciment est basse, plus les résistances mécaniques sont élevées . Dans l'état antérieur de la technique , le rapport maximum latier/eau est de 0 ,70. L'ouvrabilité des mortiers et bétons exige en général des temps de prise de 30 minutes au minimum , ce qui oblige par exemple dans une composition connue à choisir un rapport laitier/eau de 0.55. Cependant, cette quantité élevée en eau fait chuter la résistance à la compression Rc d'environ 30 % . Au contraire, dans la présente invention , l'ouvrabilite du mortier est bonne même avec un rapport laitier/eau de 1 ,0. On obtient donc de fortes résistances mécaniques, avec en plus toutes les autres caractéristiques phy¬ siques accompagnant la faible quantité d'eau, comme par . exemple une forte densification et une faible porosité, tout en ayant diminué de plus de 200 % à 300 % la quantité de disilicate (Na2 , K2) (H3SiO 2, le plus onéreux de tous le réactifs .Those skilled in the art know that the lower the amount of water contained in the cement, the higher the mechanical strengths. In the prior art, the maximum lateral / water ratio is 0.70. The workability of mortars and concretes generally requires setting times of at least 30 minutes, which requires for example in a known composition to choose a milk / water ratio of 0.55. However, this high amount of water lowers the compressive strength Rc by about 30%. On the contrary, in the present invention, the workability of the mortar is good even with a milk / water ratio of 1.0. Strong mechanical resistance is therefore obtained, with in addition all the other physical characteristics accompanying the small amount of water, as in. example a high densification and a low porosity, while having decreased from more than 200% to 300% the amount of disilicate (Na 2 , K 2 ) (H 3 SiO 2 , the most expensive of all the reagents.
Au lieu du disilicate de potassium K2 (H.,SiO 2 on peut aussi employer de 42 à 64 parties de disilicate de sodium Na2 (H,SiOtt)_ , ou le mélange de deux silicates . Ceci permet d'utliliser des sources d'alcalis impures contenant à la fois du potassium ou du sodium. C'est souvent le cas pour des déchets industriels très riches en alcalis comme les poussières de filtres des fours de calcination de ciment portiand ou des lessives alcalines de l' industrie minière ou chimique.Instead of potassium disilicate K 2 (H., SiO 2, it is also possible to use 42 to 64 parts of sodium disilicate Na 2 (H, SiO tt ) _, or the mixture of two silicates. This makes it possible to use sources of impure alkalis containing both potassium and sodium. This is often the case for industrial waste very rich in alkalis such as filter dust from portain cement calcining furnaces or alkaline detergents from the mining industry or chemical.
L'intérêt de la présente invention réside également dans le fait que l'utilisation de disilicate alcalin ( Na2 , K2) (H3SiO„ )2 en poudre permet d'utlilser des matières premières bon marché provenant de déchets industriels. Une source înéressante de silice amorphe est la fumée de silice récupérée dans les filtres au-dessus des fours de fusion des aciers ferro-silicones. Ces fumées de silice contiennent 90-95 % de Si02 , du carbone, et 0 ,5-1 % de silicium métallique finement dispersé . Ces fumées de silice permettent de fabriquer le disilicate alcalin à des températures très basses, voire à la température ordinaire. Au contraire avec les sables siliceux , il faut en général travailler en autoclave lorsque l'on fait réagir les hydroxydes alcalins , ou en fusion lorsque l'on emploie les carbonates alcalins . On peut également utiliser de la silice amorphe d'origine naturelle comme les terres de diatomées , les smectiques et gaizes très siliceuses , les verres volcaniques et pouzzolanes très siliceuses . Les cendres riches en silice, obtenues par calcination de plantes (riz par exemple) , peuvent également être employées à cet effet.The advantage of the present invention also lies in the fact that the use of alkaline disilicate (Na 2 , K 2 ) (H 3 SiO 2 ) 2 in powder makes it possible to use inexpensive raw materials coming from industrial waste. An interesting source of amorphous silica is the silica smoke recovered in the filters above the melting furnaces of ferro-silicone steels. These silica fumes contain 90-95% Si0 2 , carbon, and 0.5-1% finely dispersed metallic silicon. These silica fumes make it possible to manufacture the alkaline disilicate at very low temperatures, even at ordinary temperature. On the contrary with silica sands, it is generally necessary to work in an autoclave when reacting alkali hydroxides, or in fusion when using alkali carbonates. It is also possible to use amorphous silica of natural origin such as diatomaceous earth, very siliceous smectics and gaizes, very siliceous volcanic glasses and pozzolans. Ash rich in silica, obtained by calcining plants (rice for example), can also be used for this purpose.
La fabrication de l'oxyde alumino-silicate (2SiO2 ,ALO, ) est réalisée en traitant entre 650°C et 800°C des argiles kaolinitiques. Les sables kaolinitiques peuvent servir de matière première, ainsi que certaines argiles contenant à la fois de la kaolinite, de la montmorillonite et de l'illite; de même les sols latéritiques et les latérites contenant à la fois de la kaolinite. Des tests effectués sur des pyrophillites montrent que ces matériaux sont aptes à la polycondensation minérale.The manufacture of aluminum silicate oxide (2SiO 2 , ALO,) is carried out by treating between 650 ° C and 800 ° C kaolinitic clays. Kaolinitic sands can be used as raw material, as well as certain clays containing at the same time kaolinite, montmorillonite and illite; likewise lateritic soils and laterites containing both kaolinite. Tests carried out on pyrophillites show that these materials are suitable for mineral polycondensation.
Les températures de traitement thermique des matières premières doivent être réglées de telle sorte qu'elles permettent la produc¬ tion optimale en oxyde alumino silicate (2SiO2 ,A O3) ayant la plus forte concentration en AI d coordination Al ( IV-V) commeThe heat treatment temperatures of the raw materials must be adjusted so that they allow optimum production of aluminum silicate oxide (2SiO 2 , AO 3 ) having the highest concentration of Al coordinating Al (IV-V) as
27 déterminé par le spectre MASS-NMR pour Al . Les matériaux siliceux qui pour des raisons technologiques doivent également subir un grillage seront traités à des températures inférieures au point de transformation des silices arrc-phes en cristobalite lorsque l'on voudra les utiliser comme matièr ≤ première dans la fabrication du disilicate alcalin en poudre (Na2 , K2 ) ( H-SiO^ . En général cette température est voisine de 700°C.27 determined by the MASS-NMR spectrum for Al. Siliceous materials which, for technological reasons, must also be roasted, will be treated at temperatures below the point of transformation of silica arrc-phes into cristobalite when it is desired to use them as a raw material ≤ in the manufacture of alkaline disilicate powder ( Na 2 , K 2 ) (H-SiO ^ . In general this temperature is close to 700 ° C.
Les alcalis sont généralement les hydroxydes de sodium et/ou de potassium fabriqués industriellement par électrolyse . Elles sont également le résultat de la réaction chimique entre un sel alcalin et l'hydroxyde de calcium ou un matériau le produisant in situ . Les sels alcalins sont sélectionnés parmi les carbonates de sodium et de potassium, les sulfates de potassium , les sulfites de potassium . On peut ainsi utiliser les poussières recueillies sur les filtres des fours à ciment portiand qui sont très riches en sulfites et sulfatts de potassium , les transfomer en carbonates selon le procédé Leblanc, ou les faire réagir avec du clinker pour produire in situ de l'hydroxyde de potassium . Les disilicates alcalins en poudre obtenus dans ce cas lors de la réaction entre les silices amorphes et les alcalis comme dans l'exemple 1 ci-dessous sont plutôt des disilicates doubles de potassium et de calcium. I ls permettent également de réaliser la présente invention .The alkalis are generally the sodium and / or potassium hydroxides produced industrially by electrolysis. They are also the result of the chemical reaction between an alkaline salt and calcium hydroxide or a material producing it in situ. The alkaline salts are selected from sodium and potassium carbonates, potassium sulfates, potassium sulfites. It is thus possible to use the dust collected on the filters of portiand cement kilns which are very rich in sulfites and sulfates. potassium, convert them to carbonates using the Leblanc process, or react them with clinker to produce potassium hydroxide in situ. The powdered alkaline disilicates obtained in this case during the reaction between the amorphous silicas and the alkalis as in Example 1 below are rather double potassium and calcium disilicates. They also allow the present invention to be carried out.
Les exemples suivants permettent d'illustrer la présente invention . Ils n'ont pas de caractère limitatif sur la portée globale de l'invention telle que présentée dans les revendications. Toutes les parties indiquées sont en poids.The following examples illustrate the present invention. They are not limiting on the overall scope of the invention as presented in the claims. All parts shown are by weight.
Exemple 1Example 1
Fabrication du disilicate alcalin K2 (H_SiO 2 en poudre.Manufacture of alkaline disilicate K 2 (H_SiO 2 powder.
On mélange 130 parties en poids de fumée de silice avec 125 parties de KOH à 90 % puis on ajoute 30 parties d'eau . Le mélange devient exothermique au bout d'un certain temps et commence à mousser pat suite de l'action du KOH sur le silicium métallique. Le mélange acquiert la consistance d'une pâte qui se refroidit et durcit en un matériau moussé très friable. On obtient un produit très soluble dans l'eau à froid, contenant 86 % d'extrait sec et 14 % d'eau correspondant au disilicate de potassium K2 (H3SiO„ )2 tech¬ nique avec 3 à 5 % d'impuretés sous forme de carbone et de silico- aiuminate de potassium insolubles . Exemple 2130 parts by weight of silica smoke are mixed with 125 parts of 90% KOH and then 30 parts of water are added. The mixture becomes exothermic after a certain time and begins to foam due to the action of KOH on metallic silicon. The mixture acquires the consistency of a paste which cools and hardens into a very brittle foamed material. A product is obtained which is very soluble in cold water, containing 86% of dry extract and 14% of water corresponding to potassium disilicate K 2 (H 3 SiO „) 2 technical with 3 to 5% of impurities in the form of insoluble potassium carbon and silicon aiuminate. Example 2
On mélange 222 g d'oxyde (2SiO2 ,AI2O3) et 28 g de KOH à 90 % et on ajoute à ce mélange un mélange liquide préalablement préparé contenant 310 g du disilicate en poudre de l'exemple 1 et 290 g d'eau, puis 220 g de laitier de haut fourneau.222 g of oxide (2SiO 2 , AI 2 O 3 ) and 28 g of 90% KOH are mixed and a previously prepared liquid mixture containing 310 g of powdered disilicate from Example 1 and 290 g is added to this mixture of water, then 220 g of blast furnace slag.
Le liant ainsi obtenu est utilisé pour confectionner un mortier normalisé ayant un rapport liant/sable = 0,38 et dans lequel le rapport eau/liant est 0,27.The binder thus obtained is used to make a standardized mortar having a binder / sand ratio = 0.38 and in which the water / binder ratio is 0.27.
Le mortier à une prise au bout de 15 minutes et une résistance à la compression Rc = 16 MPa à 20°C après 4 heures .The mortar sets after 15 minutes and has a compressive strength Rc = 16 MPa at 20 ° C after 4 hours.
Le rapport molaire K^ H^iO^/ SiO^A!^) est égal à 1 , 12 et le «"apport pondéral laitier/disilicate alcalin est égal àThe molar ratio K ^ H ^ iO ^ / SiO ^ A! ^) Is equal to 1.12 and the " " milk weight contribution / alkaline disilicate is equal to
0 ,73 pour L rapport pondéral laitier/eau = 0,75.0.73 for L milk / water weight ratio = 0.75.
Exemple 3Example 3
On mélange 22 parties d'oxyde (2Si02 ,ALO3) , 13 parties de laitier, 18 parties de fumée de silice, et 36 parties d'un mélange liquide préalablement préparé contenant 12 parties du disilicate préparé selon l'exemple 1 , 4 parties de KOH et 20 parties d'eau .22 parts of oxide (2Si0 2 , ALO 3 ), 13 parts of slag, 18 parts of silica smoke, and 36 parts of a previously prepared liquid mixture containing 12 parts of the disilicate prepared according to Example 1, 4 are mixed parts of KOH and 20 parts of water.
On réalise un mortier comme dans l'exemple 2. La prise a lieu au bout de 3 heures et Rc = 2 MPa à 20°C après 4 heures .A mortar is produced as in Example 2. The setting takes place after 3 hours and Rc = 2 MPa at 20 ° C after 4 hours.
Le rapport molaire K2 (H3SiO. )2/ (2Si02 ,AL03 ) est égal à 0 ,43. Le rapport pondéral laitier/disilicate alcalin est égal àThe molar ratio K 2 (H 3 SiO.) 2 / (2Si0 2 , AL0 3 ) is equal to 0.43. The dairy / alkaline disilicate weight ratio is equal to
1 , 08 et le rapport pondéral laitier/eau = 0,65 . Exemple 41.08 and the milk / water weight ratio = 0.65. Example 4
On mélange 22 parties d'oxyde (2SiO2 #AI203) , 15 parties de laitier, 18 parties de fumée de silice et 40 parties d'un mélange liquide préalablement préparé, contenant 15 parties du disilicate préparé selon l'exemple 1 , 4 parties de KOH et 22 parties d'eau .22 parts of oxide (2SiO 2 # AI 2 0 3 ), 15 parts of slag, 18 parts of silica smoke and 40 parts of a previously prepared liquid mixture containing 15 parts of the disilicate prepared according to Example 1 are mixed , 4 parts of KOH and 22 parts of water.
On réalise un mortier comme dans l'exemple 2. La prise a lieu au bboouutt ddee 22 hheeuurreess 3300 mmiinnuutteess eett F Rc = 4 MPa à 20°C après 4 heures, avec un rapport eau/liant = 0 ,29.A mortar is made as in example 2. The setting takes place at the bobo ddee 22 hheeuurreess 3300 mmiinnuutteess eett F Rc = 4 MPa at 20 ° C after 4 hours, with a water / binder ratio = 0.29.
Le rapport molaire K2 (H3SiO 2/ (2Si02 ,ALO,) est égal à 0,56. Le rapport pondéral laitier/disilicate alcalin est égal àThe molar ratio K 2 (H 3 SiO 2 / (2Si0 2 , ALO,) is equal to 0.56. The milk / alkaline disilicate weight ratio is equal to
1 , 0 et le rapport pondéral laitier/eau = 0 ,68.1.0 and the milk / water weight ratio = 0.68.
Exemple 5Example 5
On mélange à sec 22 parties de (2Si02 ,AL03) , 15 parties de laitier, 20 parties de fumée de silice et 11 parties de KOH , puis on ajoute le sable et ensuite 25 parties d'eau . On obtient ainsi un mortier comme dans l'exemple 2. I l n'y a aucune prise, même à 24 heures à 20°C.22 parts of (2Si0 2 , AL0 3 ), 15 parts of slag, 20 parts of silica smoke and 11 parts of KOH are mixed dry, then the sand is added and then 25 parts of water. A mortar is thus obtained as in Example 2. There is no setting, even at 24 hours at 20 ° C.
Exemple 6Example 6
On prépare à sec un mélange contenant 27 parties de (2SiO2 ,ALO_ ) , 21 parties de laitier, 15 parties de fumée de silice et 19 parties de disilicate de potassium K2 ( H3SiO 2 préparé selon exemple 1 , puis on ajoute 215 parties de sable normalisé et ensuite puis 21 ,5 parties d'eau .A mixture containing 27 parts of (2SiO 2 , ALO_), 21 parts of slag, 15 parts of fumed silica and 19 parts of potassium disilicate K 2 (H 3 SiO 2 prepared according to Example 1) is prepared dry. 215 parts of standardized sand and then 21.5 parts of water.
La commence au bout de 35 minutes, et la résistance Rc au bout de 4 heures à 20°C est de 16 MPa , avec un rapport eau/liant = 0 ,26. Le rapport molaire K2(H3SiO 2 est égal à 0,58. Le rapport pondéral laitier/disilicate alcalin est égal à 1,10 et le rapport pondéral laitier/eau = 1,023.The starts after 35 minutes, and the resistance Rc after 4 hours at 20 ° C is 16 MPa, with a water / binder ratio = 0.26. The molar ratio K 2 (H 3 SiO 2 is equal to 0.58. The milk / alkaline disilicate weight ratio is equal to 1.10 and the milk / water weight ratio = 1.023.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux ciments de polycondensation minérales et au procédé qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple, sans sortir du cadre de l'invention. Of course, various modifications can be made by those skilled in the art to mineral polycondensation cements and to the process which have just been described only by way of example, without departing from the scope of the invention.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé de préparation d'un ciment du type sphérosilicate en poudre, durcissant à froid et développant au bout de 4 heures à 20°C une résistance à la compression supérieure ou égale à 15 MPa avec un rapport eau/liant compris entre 0,20 et 0,27, ledit ciment contenant les trois éléments réactifs suivants:1) Process for preparing a cement of the spherosilicate powder type, cold hardening and developing after 4 hours at 20°C a compressive strength greater than or equal to 15 MPa with a water/binder ratio of between 0, 20 and 0.27, said cement containing the following three reactive elements:
a) un oxyde alumino-silicate (2SiO2,ALO_) ayant le cation Al en coordination (IV-V) comme déterminé par le spectre d'analyse en Résonance Magnétique Nucléaire MASS-NMR poura) an alumino-silicate oxide (2SiO 2 , ALO_) having the Al cation in coordination (IV-V) as determined by the MASS-NMR Nuclear Magnetic Resonance analysis spectrum for
"Al;“Al;
b) un disilicate alcalin de sodium et/ou de potassium, (Na2,K2)(H3SiOi});b) an alkaline disilicate of sodium and/or potassium, (Na 2 ,K 2 )(H 3 SiO i} );
c) un silicate de calcium caractérisé en ce que les rapports molaires entre les trois éléments réactifs sont égaux ou compris entrec) a calcium silicate characterized in that the molar ratios between the three reactive elements are equal to or between
(Na2,K )(H3SiO,1): 0,40 et 0,60(Na 2 ,K )(H 3 SiO, 1 ) : 0.40 and 0.60
(2Si02,Ai203)(2Si0 2 ,Ai 2 0 3 )
Ca++ 0,60 et 0,40Ca ++ 0.60 and 0.40
(2Si02,Al203)(2Si0 2 ,Al 2 0 3 )
de telle sorte quein such a way that
++++
(Na„ CT K 2)(H,SiO,1). + Ca = 1,0(Na„ CT K 2 )(H,SiO, 1 ). + Ca = 1.0
(2SiO2,AI203)(2SiO 2 ,AI 2 0 3 )
++ avec Ca désignant l'ion calcium appartenant à un silicate de calcium faiblement basique dont le rapport atomique Ca/Si est inférieur à 1. ++ with Ca designating the calcium ion belonging to a weakly basic calcium silicate whose Ca/Si atomic ratio is less than 1.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit silicate de calcium faiblement basique dont le rapport atomique Ca/Si est inférieur à 1 est obtenu à l'état naissant par l'attaque alcaline d'un silicate de calcium basique anhydre dont le rapport atomique Ca/Si est égal ou supérieur à 1 et aboutit à la formation in-situ de silicate de calcium hydraté dont le rapport atomique Ca/Si est égal à 0,5 comme le disilicate Ca(H,SiO.)2 ou compris entre 0,5 et 1 comme la tobermorite Ca1Q(Si12O3.) (OH)β,8H2O, comme déterminé par le rapport Ca2 /SL en X.p.s. (spectrométrie photoélectronique aux Ray¬ ons X).2) Method according to claim 1, characterized in that said weakly basic calcium silicate whose Ca/Si atomic ratio is less than 1 is obtained in the nascent state by the alkaline attack of an anhydrous basic calcium silicate of which the Ca/Si atomic ratio is equal to or greater than 1 and results in the in-situ formation of hydrated calcium silicate whose Ca/Si atomic ratio is equal to 0.5 such as the disilicate Ca(H,SiO.) 2 or between 0.5 and 1 like tobermorite Ca 1Q (Si 12 O 3 .) (OH) β .8H 2 O, as determined by the Ca 2 /SL ratio in Xps (X-ray photoelectron spectrometry).
3) Ciment du type sohérosilicate préparé suivant le procédé selon l'une des revendicatic. s i ou 2, caractérisé en ce que le dit disilicate alcalin est le disilicate de potassium3) Soherosilicate type cement prepared following the process according to one of the claims. s i or 2, characterized in that said alkaline disilicate is potassium disilicate
K2(HgSiOy)2; le ciment du type sphérosilicate correspond à la formation d'un matériau de polycondensation minérale du typeK 2 (H g SiO y ) 2 ; spherosilicate type cement corresponds to the formation of a mineral polycondensation material of the type
(Ca,K)-poly(sialate-siloxo) de formule variant entre(Ca,K)-poly(sialate-siloxo) of formula varying between
(0,6K + 0,2Ca)(-Si-0-AL-0-Si-0-),H2O et(0.6K + 0.2Ca)(-Si-0-AL-0-Si-0-),H 2 O and
(0,4K + 0,3Ca)(-Si-0-AL-0-Si-0-),H2O.(0.4K + 0.3Ca)(-Si-0-AL-0-Si-0-),H 2 O.
4) Ciment du type sphérosilicate préparé suivant le procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, après durcissement, le cation Al est entièrement en coordination (IV) comme déterminé par le spectre d'analyse en Résonance Magnétique4) Spherosilicate type cement prepared according to the process according to one of claims 1 or 2, characterized in that, after hardening, the Al cation is entirely in coordination (IV) as determined by the Magnetic Resonance analysis spectrum
27 Nucléaire MASS-NMR pour Al, et le degré de polymérisation du tétraèdre SiO. est (Q4) comme déterminé par le spectre MASS-NMR27 Nuclear MASS-NMR for Al, and the degree of polymerization of the SiO tetrahedron. is (Q4) as determined by the MASS-NMR spectrum
29 pour Si. 5) Ciment du type sphérosilicate préparé suivant le procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 , dans lequel ledit silicate de calci¬ um basique anhydre est en solution solide avec un aluminate de calci¬ um ou un alumino-silicate de calcium dont le cation Al est en coordi¬ nation ( IV) , et ledit oxyde alumino-silicate (2SiO_ ,ALO_) ayant AI en coordination ( IV-V) est mélangé avec des poudres alumineuses (ALO_ ) ou silico-alumineuses (nSiO2 ,AIO,) naturels ou artificiels dont le cation Al est en coordination (VI ) , caractérisé en ce que, après durcissement, le rapport entre la con¬ centration en cation Al de coordination ( IV) et la concentration en cation Al de coordination (VI ) est:29 for Si. 5) Cement of the spherosilicate type prepared according to the process according to one of claims 1 or 2, in which said anhydrous basic calcium silicate is in solid solution with a calcium aluminate or a calcium alumino-silicate whose cation Al is in coordination (IV), and said alumino-silicate oxide (2SiO_, ALO_) having AI in coordination (IV-V) is mixed with aluminous (ALO_) or silico-aluminous powders (nSiO 2 , AIO, ) natural or artificial whose Al cation is in coordination (VI), characterized in that, after hardening, the ratio between the concentration of coordination Al cation (IV) and the concentration of coordination Al cation (VI) is :
Al ( lV) égal ou supérieur à 1Al (lV) equal to or greater than 1
AI (VI )AI (VI)
comme déterminé par le spectre d'analyse en Résonance Magnétiqueas determined by the Magnetic Resonance analysis spectrum
27 Nucléaire MASS-NMR pour Al , et le rapport entre la concentra¬ tion en tétraèdre SiO„ (Q4) et la concentration en tétraèdre SiO^' (Qo) + (Q1 ) + (Q2) est:27 Nuclear MASS-NMR for Al, and the ratio between the concentration in SiO„ tetrahedron (Q4) and the concentration in SiO^ ' tetrahedron (Qo) + (Q1) + (Q2) is:
(Q4) égal ou supérieur à 1 :(Q4) equal to or greater than 1:
(QO) + (Q1 ) +( Q2 )(QO) + (Q1) +(Q2)
comme déterminé par le spectre d'analyse en Résonance Magnétique Nucléaire MASS-NMR pour 29Si .as determined by the MASS-NMR Nuclear Magnetic Resonance analysis spectrum for 29 Si.
6) Procédé selon la revendication 2 , caractérisé en ce que ledit silicate de calcium basique dont le rapport atomique Ca/Si est égal ou supérieur à 1 est sélectionné parmi la wollastonite Ca(SiO^) , la gehlenite (2CaO ,MgO,2Si02 ) , le silicate bicalcique C2S (2CaO,SiO) , le silicate tricalcique C3S (3CaO, Si02) , l'akermanite (2CaO ,MgO ,2SiO2) .6) Method according to claim 2, characterized in that said basic calcium silicate whose Ca/Si atomic ratio is equal to or greater than 1 is selected from wollastonite Ca(SiO^), gehlenite (2CaO, MgO, 2Si0 2 ), dicalcium silicate C 2 S (2CaO,SiO), tricalcium silicate C 3 S (3CaO, Si0 2 ), akermanite (2CaO,MgO,2SiO 2 ).
7) Ciment du type sphérosilicate , en poudre, contenant: a) 100 parties en poids d'oxyde alumino-silicate (2Si02 ,AL03 ) ayant le cation AI en coordination ( IV-V) comme déterminé par le spectre d'analyse en Résonance Magnétique Nucléaire MASS-NMR pour 27AI ,7) Spherosilicate type cement, powder, containing: a) 100 parts by weight of alumino-silicate oxide (2Si0 2 , AL0 3 ) having the AI cation in coordination (IV-V) as determined by the MASS-NMR Nuclear Magnetic Resonance analysis spectrum for 27 AI,
b) 48-72 parties de disilicate de potassium K2 (H3SiO. )2 , etb) 48-72 parts of potassium disilicate K 2 (H 3 SiO. ) 2 , and
c) 50-70 parties de laitier de haut founeau de granulométrie moyenne 10 microns, composé en partie de gehlenite, d'akermanite et de wollastonite,c) 50-70 parts of blast furnace slag with an average particle size of 10 microns, composed in part of gehlenite, akermanite and wollastonite,
le mortier obtenu en ajoutant une quantité d'eau telle que le rap¬ port eau/liant est compris entre 0 ,20 et 0, 27 et une quantité de sable normalisé telle que le rapport liant/sable = 0 ,38 durcissant à froid et développant au bout de 4 heures à 20 C une résistance à la compression supérieure ou égale à 15 MPa .the mortar obtained by adding a quantity of water such that the water/binder ratio is between 0.20 and 0.27 and a quantity of standardized sand such that the binder/sand ratio = 0.38 hardens when cold and developing after 4 hours at 20 C a compressive strength greater than or equal to 15 MPa.
8) Ciment du type sphérosilicate selon la revendication 7 , caractérisé en ce que les 48 à 72 parties de disilicate de potassium K2 ( H,Si02 ) sont remplacées par un mélange contenant8) Spherosilicate type cement according to claim 7, characterized in that the 48 to 72 parts of potassium disilicate K 2 (H,Si0 2 ) are replaced by a mixture containing
35-40 parties de silicate de potassium K20, 3Si0H2 ,3H2035-40 parts of potassium silicate K 2 0.3Si0H 2.3H 2 0
7-15 parties d'hydroxyde de potassium KOH anhydre à 90 %, et7-15 parts of 90% anhydrous KOH potassium hydroxide, and
0-65 parties de silice amorphe.0-65 parts of amorphous silica.
9) Ciment du type sphérosilicate, en poudre, contenant:9) Spherosilicate type cement, powder, containing:
a) 100 parties en poids d'oxyde alumino-silicate (2Si02 , ALO, ) ayant le cation Al en coordination ( IV-V) comme déterminé par le spectre d'analyse en Résonance Magnétiquea) 100 parts by weight of aluminosilicate oxide (2Si0 2 , ALO, ) having the Al cation in coordination (IV-V) as determined by the Magnetic Resonance analysis spectrum
97A I97A I
Nucléaire MASS-NMR pour ^ ,Nuclear MASS-NMR for ^,
b) 42-64 parties de disilicate de sodium N^ Mç-nù) ? ' et c) 50-70 parties de laitier de haut founeau de granulométrie moyenne 10 microns, composé en partie de gehlenite et d'akermanite,b) 42-64 parts of sodium disilicate N^ Mç-n ù )? ' And c) 50-70 parts of blast furnace slag with an average particle size of 10 microns, composed partly of gehlenite and akermanite,
le mortier obtenu en ajoutant une quantité d'eau telle que le rap¬ port eau/liant est compris entre 0,20 et 0,27 et une quantité de sable normalisé telle que le rapport liant/sable = 0 , 38 durcissant à froid et développant au bout de 4 heures à 20 C une résistance à la compression supérieure ou égale à 15 MPa .the mortar obtained by adding a quantity of water such that the water/binder ratio is between 0.20 and 0.27 and a quantity of standardized sand such that the binder/sand ratio = 0.38 hardens when cold and developing after 4 hours at 20 C a compressive strength greater than or equal to 15 MPa.
10) Ciment du type sphérosilicate, durcissant à froid et développant au bout de 4 heures à 20 C une résistance à la compression supérieure ou égale à 15 MPa , obtenu en ajoutant à 100 parties en poids du liant minéral du type sphérosilicate selon l'une des revendication 7 à 9 , 10 à 30 parties en poids de charge fine ou filler sélectionnée parmi le carbonate de calcium, les cendres volantes, les argiles calcinées , les schistes calcinés, les smectites calcinées . 10) Cement of the spherosilicate type, cold hardening and developing after 4 hours at 20 C a compressive strength greater than or equal to 15 MPa, obtained by adding to 100 parts by weight of the mineral binder of the spherosilicate type according to one of claims 7 to 9, 10 to 30 parts by weight of fine filler or filler selected from calcium carbonate, fly ash, calcined clays, calcined shales, calcined smectites.
EP91914369A 1990-09-03 1991-08-24 Method for preparing a spherosilicate-type cement and cement thereby obtained Withdrawn EP0507895A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH285090 1990-09-03
CH2850/90 1990-09-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0507895A1 true EP0507895A1 (en) 1992-10-14

Family

ID=4242985

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP91914369A Withdrawn EP0507895A1 (en) 1990-09-03 1991-08-24 Method for preparing a spherosilicate-type cement and cement thereby obtained

Country Status (8)

Country Link
EP (1) EP0507895A1 (en)
AU (1) AU8422591A (en)
CS (1) CS270091A3 (en)
EC (1) ECSP910776A (en)
ES (1) ES2033584B1 (en)
GB (1) GB2247453A (en)
MX (1) MX9100897A (en)
WO (2) WO1992004295A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH682561A5 (en) * 1990-09-03 1993-10-15 Holderbank Financ Glarus Tectoaluminosilicate cement, obtained therefrom binder matrix, and concrete with this binder matrix.
WO2002028794A2 (en) * 2000-10-05 2002-04-11 Ko Suz Chung Slag cement
FR2882276A1 (en) * 2005-02-21 2006-08-25 Philippe Pichat Solid material preparation, used for package construction works and for storage of solid wastes, comprises mixing alkaline hydroxide with calcium compound and silicon oxide in presence of water
EP2010460A4 (en) * 2006-03-29 2011-09-14 Zeobond Res Pty Ltd Dry mix cement composition, methods and systems involving same
FR2904972B1 (en) * 2006-08-21 2009-12-18 Philippe Pichat COMPOSITION WITH HYDRAULIC RECEPTACLE.

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3071695D1 (en) * 1979-09-04 1986-09-18 Joseph Davidovits Synthetic inorganic polymer of the silicoaluminate family and process for the preparation thereof; moulded articles containing this polymer, and process for their preparation
US4509985A (en) * 1984-02-22 1985-04-09 Pyrament Inc. Early high-strength mineral polymer
US4642137A (en) * 1985-03-06 1987-02-10 Lone Star Industries, Inc. Mineral binder and compositions employing the same
US4640715A (en) * 1985-03-06 1987-02-03 Lone Star Industries, Inc. Mineral binder and compositions employing the same
EP0288502B1 (en) * 1986-10-14 1991-07-24 DAVIDOVITS, Nicolas Ceramic-ceramic composite material and production method
FR2657867B1 (en) * 1990-02-05 1994-01-14 Joseph Davidovits RAPID GEOPOLYMERIC CEMENT BASED ON PORTLAND CEMENT AND PROCESS FOR OBTAINING SAME.

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO9204295A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
CS270091A3 (en) 1992-03-18
WO1992004294A1 (en) 1992-03-19
MX9100897A (en) 1992-05-04
GB9118639D0 (en) 1991-10-16
AU8422591A (en) 1992-03-30
ECSP910776A (en) 1992-05-25
WO1992004295A1 (en) 1992-03-19
ES2033584B1 (en) 1994-04-01
ES2033584A1 (en) 1993-03-16
GB2247453A (en) 1992-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0500845B1 (en) Method for obtaining a geopolymer binder allowing to stabilize, solidify and consolidate toxic or waste materials
Reddy et al. Mix design development of fly ash and ground granulated blast furnace slag based geopolymer concrete
Van Jaarsveld et al. The effect of composition and temperature on the properties of fly ash-and kaolinite-based geopolymers
KR101621024B1 (en) Single-phase hydraulic binder, methods for the production thereof and structural material produced therewith
TWI760829B (en) Method for obtaining powdered sodium silicate from sandy tailings produced in iron ore beneficiation process
CA2170626A1 (en) Use of alumina clay with cement fly ash mixtures
CA1218387A (en) Cementitious composite material
Sivasakthi et al. Effect of change in the silica modulus of sodium silicate solution on the microstructure of fly ash geopolymers
FR2758323A1 (en) METHODS OF MANUFACTURING GEOPOLYMERIC CEMENTS AND CEMENTS OBTAINED BY THESE METHODS
EP0513060B1 (en) Method for eliminating the alkali-aggregate reaction in concret and cement thereby obtained
CN112851264A (en) High-temperature-resistant concrete based on iron tailings and steel slag powder
FR2669918A1 (en) Process for obtaining a geopolymer cement without emission of carbon dioxide CO2 and products obtained by this process
Mahmoud et al. Resistance of alkali-activated slag to sulphate attack and elevated temperatures
WO1992004295A1 (en) Method for preparing a spherosilicate-type cement and cement thereby obtained
Esparham Synthesis of environmentally friendly activated alkali concrete (geopolymer) based on bentonite
Riyap et al. Compressive strengths and microstructural properties of geopolymeric materials arising from the addition of semi-crystalline alumina to silica-rich aluminosilicate sources
CN113667061B (en) Water-absorbent resin and preparation method and application thereof
FR2666328A1 (en) Process for obtaining a geopolymer matrix with rapid curing for impregnating composite materials and products obtained
WO1995013995A1 (en) Geopolymeric cement and methods for preparing same
WO1999007650A1 (en) Alkaline sulfoaluminosilicate hydraulic cement and process for its manufacture
CN114988771B (en) Modified calcium bentonite low-density well cementation cement slurry and preparation method thereof
EP3914565B1 (en) Composition for forming a geopolymer with improved fireproof and mechanical properties, method for manufacturing this geopolymer and the uses thereof
JPH046131A (en) Production of slag-alkali cement
SU833745A1 (en) Raw mixture for producing light-weght concretes
JP3488974B2 (en) Composition for soil stabilization treatment

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 19920523

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IT LI LU NL SE

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): BE CH DE ES FR GB GR IT LI NL SE

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 19940301