ES2208502T3 - Aditivo formados de poros y acelerador de solidificacion para material de construccion aglutinante y procedimiento para la produccion del mismo. - Google Patents

Aditivo formados de poros y acelerador de solidificacion para material de construccion aglutinante y procedimiento para la produccion del mismo.

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Abstract

Aditivo formador de poros y acelerador de solidificación para material de construcción aglutinante, que consiste en: Al2O3 50-90% MgO 4-20% SiO2 0,5-15% AlN 0,1-5% Fe2O3 0,1-5% CaO 0,1-5 % F 0,1-5% Na2O 0,1-5% K2O 0,1-2% y como partículas metálicas Al 0,1-10% Si 0,1-3% Fe 0,1-3% el resto, en total hasta un 5% Pérdida por 0,1-15% calcinación y en componentes principales minerales en forma de corindón (á-Al2O3) y espinela (MgO x Al2O3), estando las partículas de aluminio metálicas revestidas de modificaciones de transición minerales de hidróxido de aluminio (Al2O3 x 3H2O) en á-óxido de aluminio, presentando el polvo un tamaño de partícula de como mínimo un 90 % inferior a 500 ìm, y siendo la superficie BET del polvo de como mínimo 10 m2/g.

Description

Aditivo formador de poros y acelerador de solidificación para material de construcción aglutinante y procedimiento para la producción del mismo.
La invención se refiere a un aditivo formador de poros y acelerador de solidificación para material de construcción aglutinante, que consiste en
Al_{2}O_{3} 50 - 90%
MgO 4 - 20%
SiO_{2} 0,5 - 15%
AlN 0,1 - 5%
Fe_{2}O_{3} 0,1 - 5%
CaO 0,1 - 5%
F 0,1 - 5%
Na_{2}O 0,1 - 5%
K_{2}O 0,1 - 2%
y como partículas metálicas
Al 0,1 - 10%
Si 0,1 - 3%
Fe 0,1 - 3%
el resto, en total hasta un 5%
Pérdida por calcinación 0,1 - 15%
y como mínimo un componente principal mineral en forma de corindón (\alpha-Al_{2}O_{3}) y espinela (MgO x Al_{2}O_{3}). La invención se refiere también a un procedimiento para producir el aditivo para material de construcción aglutinante.
El documento DE 196 44 654 A1 da a conocer una escoria de sal procesada con la siguiente composición (en % en peso)
Al_{2}O_{3} 65,7%
SiO_{2} 7,9%
Fe_{2}O_{3} 1,5%
CaO 3,2%
MgO 10,1%
TiO_{2} 0,9%
MnO 0,3%
Na_{2}O 0,8%
K_{2}O 0,4%
SO_{3} 0,5%
F 1,2%
P_{2}O_{5} 0,1%
H_{2}O 7,3%
Un polvo de este tipo con las fases cristalinas corindón (\alpha-Al_{2}O_{3}), bayerita Al(OH)_{3}, espinela (MgAl_{2}O_{4}) y
\alpha-cuarzo SiO_{2} se procesa junto con harina de piedra caliza a una temperatura de 1.150-1.300ºC para obtener clínker de sulfoaluminato. El documento DE 43 45 368 C2 da a conocer un procedimiento similar para la producción de clínker de cemento de aluminato.
Determinadas aplicaciones requieren materiales de construcción aglutinantes inorgánicos porosos producidos con la ayuda de los siguientes aditivos:
a)
materiales de carga porosos naturales o sintéticos, por ejemplo piedra pómez, perlita, arcilla expansiva, granulado de espuma plástica,
b)
espumantes orgánicos, como por ejemplo agentes tensioactivos o proteínas,
c)
materiales gasógenos, por ejemplo polvo de aluminio.
Para producir hormigón celular se aprovecha la reacción del polvo de aluminio con cal (hidróxido de calcio), que conlleva la formación de gas hidrógeno, con lo que la mezcla endurecedora de arena, cemento, cal y agua produce espuma. El polvo de aluminio se elabora mediante molienda fina de metal de aluminio, pero este proceso entraña el peligro de una posible explosión.
Por el documento DE 43 19 163 se conoce un material sólido con contenido de espinela ligado con cemento, que contiene un material de carga con alto contenido de alúmina. Dicho documento no da a conocer ningún efecto formador de poros de dicho material de carga.
El documento EP 537635 da a conocer un aditivo formador de poros para material cerámico, que se produce a partir de productos de desecho de la fabricación de aluminio.
Para influir en la solidificación se utilizan aditivos como cloruro de calcio, carbonato de sodio, aluminato de calcio, que pueden acelerar la solidificación. También se conocen otros aditivos para retrasar este proceso.
El objetivo de la presente invención consiste en producir un aditivo para material de construcción aglutinante con alto contenido de alúmina, o su correspondiente polvo, y configurarlo en su estructura y composición de tal modo que el aditivo o el polvo actúe como formador de poros o acelerador en materiales de construcción aglutinantes inorgánicos, como mortero ligero, hormigón celular, espuma aislante y materiales insonorizantes.
Este objetivo se resuelve según la invención mediante las características indicadas en las reivindicaciones 1 y 6.
Sorprendentemente se comprobó que un polvo con alto contenido de alúmina, que se puede recuperar a partir de productos residuales con alto contenido de alúmina de la preparación de escorias de aluminio, en particular el reprocesamiento en húmedo, se puede utilizar como aditivo formador de poros para materiales de construcción aglutinantes inorgánicos si el aluminio metálico contenido en el polvo se activa mediante tratamiento térmico (secado y calcinación parcial). La formación de poros se puede controlar mediante el grado de activación térmica. Este aditivo tiene además la ventaja de que el polvo actúa simultáneamente como agente de empobrecimiento y expansionante de volumen. Otra ventaja consiste en que se puede evitar la peligrosa manipulación del polvo de aluminio, explosivo, como expansionante.
El polvo activado con alto contenido de alúmina y formador de poros según la invención se caracteriza porque presenta
a)
como componentes químicos
Al_{2}O_{3} 50-90%
MgO 4-20%
SiO_{2} 0,5-15%
AlN 0,1-5%
Fe_{2}O_{3} 0,1-5%
CaO 0,1-5%
F 0,1-5%
Na_{2}O 0,1-5%
K_{2}O 0,1-2%
y como partículas metálicas
Al 0,1-10%
Si 0,1-3%
Fe 0,1-3%
el resto, en total hasta como máximo un 5%
Pérdida por calcinación 0,1-15%
b)
como componentes minerales principales: corindón (\alpha-Al_{2}O_{3}), espinela (MgO x Al_{2}O_{3}) y productos procedentes de modificaciones de la transición de hidróxido de aluminio (Al_{2}O_{3} x 3H_{2}O) al \alpha-óxido de aluminio, y como componente secundario aluminio metal,
c)
un tamaño de partícula de como mínimo un 90% inferior a 500 \mum, y
d)
una superficie BET específica de como mínimo 10 m^{2}/g.
El polvo activado con alto contenido de alúmina y formador de poros se puede obtener secando y calcinando parcialmente, a temperaturas hasta 1.000ºC, productos residuales que con contienen alúmina procedentes del reprocesamiento en húmedo de escorias de sal de aluminio. El concepto "calcinación parcial" significa que por una parte ya se ha superado la etapa de la eliminación térmica de la humedad residual física únicamente, pero que, por otra parte, todavía hay presentes proporciones de materiales evaporables térmicamente, como flúor procedente de fluoruro de calcio y agua de cristalización de modificaciones de transición de hidróxido de aluminio-óxido de aluminio, así como aluminio metálico.
Es esencial llevar a cabo el secado y la calcinación parcial del producto residual con contenido de alúmina mediante aparatos que permitan una transferencia de calor rápida al producto. Preferentemente, se utilizan secadores de corriente, calcinadores de ciclón o calcinadores de lecho fluidizado. En un horno tubular giratorio, la transferencia de calor tiene lugar de forma considerablemente más lenta e irregular, de modo que el efecto de la "activación" es menor. Además, en el horno giratorio se forman aglomerados que sólo se pueden eliminar mediante trituración. Los siguientes ejemplos aclaran el objeto de la invención.
Ejemplo comparativo 1 (Estado actual de la técnica)
De acuerdo con el documento DE 43 19 163, un producto residual activado con alto contenido de alúmina (denominación: SEROX) del reprocesamiento de escorias de sal de aluminio con un contenido en óxido de aluminio de un 64%, y como componentes principales minerales: corindón (\alpha-Al_{2}O_{3}) y espinela (MgO x Al_{2}O_{3}), así como hidróxido de aluminio (Al_{2}O_{3} x 3H_{2}O), un contenido de aluminio metal de un 3%, una pérdida por calcinación de un 11%, una humedad de un 25% y un tamaño de partícula en un 90% inferior a 500, \mum, se mezcló con cemento de alúmina (Secar 51) en una proporción en peso 1 : 1 (con respecto a la sustancia seca). Para ajustar la elaborabilidad del mortero se requirió un 45% en peso de agua de amasado. La solidificación comenzó aproximadamente 3 horas después. No se detectó ninguna formación de poros.
Ejemplo 2
Un polvo con contenido de alúmina según la reivindicación 1 se secó y sometió a activación parcial mediante un secador de corriente calentado por gas (temperatura de flujo de gas aproximadamente 450ºC, temperatura de aire de salida aproximadamente 150ºC, tiempo de permanencia menos de 10 segundos). El polvo (denominación: SEROX T) presentaba una humedad residual de un 0,8%, una pérdida por calcinación de un 10%, un contenido de aluminio metálico de un 3%, modificaciones de transición de hidróxido de aluminio (Al_{2}O_{3} x 3H_{2}O) en \alpha-óxido de aluminio en forma de AlO(OH) (bohemita) y una superficie BET específica de 27 m^{2}/g.
Ejemplo 3
El polvo parcialmente activado según el Ejemplo 2 se calcinó mediante un ciclón de mezcla de alta temperatura con temperaturas de flujo de gas de 600, 750, 900 y 1.200ºC y tiempos de permanencia de menos de 1 segundo para obtener los siguientes productos:
Producto Temperatura Superficie BET Distribución de poros Al Metal
[ºC] [m^{2}/g] [nm] [%]
SEROX TK600 600 36 20-200 3
SEROX TK750 750 45 20-200 3
SEROX TK900 900 26 20-200 2,5
SEOXT TK1200 1200 5 - 1
\newpage
Se puede observar que la activación total comienza a 600ºC con una superficie BET de 36 m^{2}/g y llega hasta 900ºC. Después comienza una desactivación, que se puede reconocer en el bajo valor de la superficie BET. Las pérdidas por calcinación calculadas fueron inferiores a un 2% en peso en cada caso. Había presencia de modificaciones de transición de hidróxido de aluminio (Al_{2}O_{3}\cdot3H_{2}O) en \alpha-óxido de aluminio en forma de alúminas de transición (denominadas "gamma-Al_{2}O_{3}"), cuya proporción disminuía con el aumento de la temperatura. A 1.200ºC, la transformación en la forma alfa tampoco era completa.
Ejemplo 4
El producto residual con contenido de alúmina según el Ejemplo 1 se calcinó mediante un horno tubular giratorio calentado por gas a temperaturas de producto de 800, 1.000, 1.200 y 1.400ºC y un tiempo de permanencia de 60 minutos. A medida que aumentaba la temperatura, iban apareciendo cada vez más aglomerados con un tamaño de hasta varios centímetros. Después de la calcinación se obtuvieron las siguientes propiedades:
Producto Temperatura [ºC] Superficie BET [m^{2}/g] Al Metal [%]
SEROX K800 800 30 3
SEROX K1000 1.000 8 1,5
SEROX K1200 1.200 2 0,5
SEROX K1400 1.400 0,2 <0,5
Las pérdidas por calcinación calculadas fueron inferiores a un 2% en peso en cada caso. Hasta 1.200ºC todavía había modificaciones de transición de hidróxido de aluminio (Al_{2}O_{3}\cdot3H_{2}O) en \alpha-óxido de aluminio en forma de alúminas de transición (denominadas "gamma-Al_{2}O_{3}"), cuya proporción disminuía con el aumento de la temperatura. A 1.400ºC prácticamente se había completado la transformación en la forma alfa y la oxidación del Al metal.
Ejemplo 5
Los componentes SEROX T (según el Ejemplo 2), SEROX TK750 (según el Ejemplo 3), cal, cemento, silicato alcalino y agua se pesaron a temperatura ambiente, se introdujeron en un recipiente de plástico y se mezclaron para formar una masa mediante una breve agitación con una cuchara (aproximadamente 1 minuto). Unos minutos después comenzó a desarrollarse un gas en la masa, que condujo a una formación de espuma y a un aumento del volumen, junto con un considerable calentamiento y un rápido endurecimiento de la masa. Como resultados se determinaron el aumento de volumen (medido a través de la altura de la masa espumada), la temperatura de reacción, medida mediante un termómetro en la masa), el tiempo de reacción y la densidad aparente de la masa (medida a partir del peso y el volumen de la misma). Tal como se desprende de la tabla siguiente, mediante la activación térmica del polvo con alto contenido de alúmina, el aluminio metálico contenido en él se puede aprovechar como sustancia formadora de gas y formadora de poros para materiales de construcción aglutinantes inorgánicos. Los aumentos de volumen logrados llegan a ser de aproximadamente hasta un 500%. En la mayoría de los casos, la solidificación en un cuerpo mecánicamente estable se produjo ya después de tiempos de reacción de 5 a 10 minutos.
Se puede deducir que los aumentos de volumen y los tiempos de reacción se pueden controlar mediante la combinación de diferentes condiciones de activación del polvo con alto contenido de alúmina. El polvo con alto contenido de alúmina activado presenta ciertas ventajas consistentes en que actúa simultáneamente como componente endurecedor, agente de empobrecimiento y expansionante de volumen, y en que se evita la manipulación de polvo de aluminio explosivo.
También se puede observar que el tiempo de endurecimiento, de varias horas según el Ejemplo 1, se redujo a unos minutos (Ejemplo 5).
(Tabla pasa a página siguiente)
1

Claims (7)

1. Aditivo formador de poros y acelerador de solidificación para material de construcción aglutinante, que consiste en
Al_{2}O_{3} 50-90% MgO 4-20% SiO_{2} 0,5-15% AlN 0,1-5% Fe_{2}O_{3} 0,1-5% CaO 0,1-5% F 0,1-5% Na_{2}O 0,1-5% K_{2}O 0,1-2%
y como partículas metálicas
Al 0,1-10% Si 0,1-3% Fe 0,1-3%
el resto, en total hasta un 5%
Pérdida por calcinación 0,1 - 15%
y en componentes principales minerales en forma de corindón (\alpha-Al_{2}O_{3}) y espinela (MgO x Al_{2}O_{3}),
estando las partículas de aluminio metálicas revestidas de modificaciones de transición minerales de hidróxido de aluminio (Al_{2}O_{3} x 3H_{2}O) en \alpha-óxido de aluminio,
presentando el polvo un tamaño de partícula de como mínimo un 90% inferior a 500 \mum, y
siendo la superficie BET del polvo de como mínimo 10 m^{2}/g.
2. Aditivo formador de poros y acelerador de solidificación para material de construcción aglutinante según la reivindicación 1, caracterizado porque el revestimiento de las modificaciones de transición minerales es permeable a los gases y los líquidos acuosos.
3. Aditivo formador de poros y acelerador de solidificación para material de construcción aglutinante según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el revestimiento de las modificaciones de transición minerales presenta una distribución de poros entre 2 y 200 nanómetros.
4. Aditivo formador de poros y acelerador de solidificación para material de construcción aglutinante según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por una superficie BET específica de 10 - 50 m^{2}/g.
5. Aditivo formador de poros y acelerador de solidificación para material de construcción aglutinante según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por un tamaño de partícula de como mínimo un 90% inferior a 200 \mum.
6. Procedimiento para la producción de un aditivo formador de poros y acelerador de solidificación para material de construcción aglutinante, caracterizado
porque un material con alto contenido de alúmina con la siguiente composición
\newpage
Al_{2}O_{3} 50-90% MgO 4-20% SiO_{2} 0,5-15% AlN 0,1-5% Fe_{2}O_{3} 0,1-5% CaO 0,1-5% F 0,1-5% Na_{2}O 0,1-5% K_{2}O 0,1-2%
y como partículas metálicas
Al 0,1-10% Si 0,1-3% Fe 0,1-3%
el resto, en total hasta como máximo un 5%
Pérdida por calcinación 0,1-15% Humedad 20-40%
componentes principales minerales en forma de corindón (\alpha-Al_{2}O_{3}) y espinela (MgO x Al_{2}O_{3}), así como hidróxido de aluminio,
se tritura mecánicamente a un tamaño de partícula de como mínimo un 90% inferior a 500 \mum,
porque se lleva a cabo un tratamiento térmico del polvo en una corriente de flujo de gas hasta una humedad residual de como máximo un 2% mediante secado ultrarrápido, a temperaturas de flujo de gas de 400 a 500ºC, con un tiempo de secado inferior a 10 segundos, y
porque se realiza una activación térmica mediante calcinación parcial del polvo en un intervalo de temperaturas entre 400 y 1.000ºC, determinándose el tiempo de mantenimiento de tal modo que se obtenga una superficie BET del polvo activado de como mínimo 10 m^{2}/g, y estando las partículas de aluminio metálicas revestidas de modificaciones de transición minerales de hidróxido de aluminio (Al_{2}O_{3} x 3H_{2}O) en \alpha-óxido de aluminio.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el polvo formador de poros se activa mediante una calcinación parcial a temperaturas de como mínimo 600ºC y como máximo 900ºC.
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