ES2220971T3 - Material cementoso con cenizas volantes. - Google Patents
Material cementoso con cenizas volantes.Info
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Abstract
SE PROPORCIONAN MEZCLAS AGLUTINANTES CEMENTOSAS DE ELEVADA RESISTENCIA Y CURADO RAPIDO, QUE CONTIENEN CENIZAS VOLATILES Y UN AGLUTINANTE DE SILICATO ALCALINO CON UNA RELACION EN PESO DE SIO{SUB,2}:M{SUB,2}O DE APROX. ENTRE 0,20:1 Y 0,75:1, SIENDO SELECCIONADO M ENTRE EL GRUPO FORMADO POR LI, NA, K, CA Y MG. LAS MEZCLAS AGLUTINANTES CEMENTOSAS PUEDEN MEZCLARSE CON AGREGADOS PARA OBTENER MEZCLAS DE MORTERO Y HORMIGON. CUALQUIER MEZCLA AGLUTINANTE DE CEMENTO, MORTERO Y HORMIGON PUEDE CURARSE A TEMPERATURAS ELEVADAS PARA PRODUCIR PRODUCTOS DE ELEVADA RESISTENCIA.
Description
Material cementoso con cenizas volantes.
La presente invención se refiere en general a
materiales cementosos. Más particularmente, la invención se refiere
a materiales cementosos con cenizas volantes activadas
químicamente.
El hormigón de cemento pórtland, aunque útil en
la construcción de edificios, está limitado en cuanto a su
aplicación debido a su largo tiempo de curado para obtener una alta
resistencia a la compresión. Los aditivos químicos, tales como
superplastificantes y aceleradores del curado, añadidos al cemento
pórtland producen una pronta y alta resistencia a la compresión
aunque son caros.
Las cenizas volantes que se entierran en
vertederos o se almacenan en represamientos de agua superficiales
presentan preocupaciones medioambientales asociadas a una potencial
contaminación de la tierra y de las aguas subterráneas. La técnica
ha intentado ocuparse de estas preocupaciones mezclando cenizas
volantes con cemento pórtland durante la producción de hormigón como
medios para deshacerse de las cenizas volantes.
La publicación Concrete Structure, Properties
and Materials, páginas 269 a 271, (1986), de P. Kumar Mehta
et al., da a conocer que las cenizas volantes se pueden
mezclar con cemento pórtland para mejorar la resistencia mecánica y
la resistencia química del hormigón de cemento pórtland. No
obstante, la mezcla de cenizas volantes tales como cenizas volantes
de Clase F y Clase C con cemento pórtland ha ganado una aceptación
limitada, ya que la baja reactividad puzolánica de las cenizas
volantes tiende a aumentar el tiempo de endurecimiento del hormigón
de cemento pórtland.
No obstante, el tiempo de endurecimiento de las
mezclas de cemento pórtland con cenizas volantes se puede acortar
con silicatos alcalinos. Por ejemplo, la publicación "Effect of
Curing Conditions on Alkali-Activated Slags",
Fly Ash, Silica Fume, Slag, and Natural Pozzolans in
Concrete, de Tailing, B., editada por V. M. Malhotra, páginas
1485 a 1500, (1989), indica que el silicato de sodio aumenta la
velocidad del desarrollo de la resistencia en escorias de alto
horno.
La publicación "Mineral Polymer Based on Fly
Ash" de J. Wastiels et al., Proceedings of the 9^{th}
International Conference on Solid Waste Management, Universidad
Widener, Filadelfia, PA (1993), muestra la mezcla de cenizas
volantes y silicato de sodio acuoso en la que la relación de
SiO_{2}:Na_{2}O en la disolución de silicato es por lo menos
aproximadamente 0,80:1. Aunque estas composiciones se pueden curar
en caliente, la necesidad de cantidades muy grandes de disoluciones
acuosas de silicato de sodio que tienen relaciones de
SiO_{2}:Na_{2}O muy altas hace que se produzca un curado
lento.
El documento
WO-A-92/22514 da a conocer una
mezcla de aglomerante cementoso que puede contener cantidades
considerables (hasta un 95%) de cenizas volantes. Las cenizas
volantes se mezclan con una mezcla de aglomerante que comprende
óxido de hierro, un silicato que puede ser un silicato de sodio, y
un hidróxido alcalino que puede ser hidróxido de sodio. No se da a
conocer ninguna relación de SiO_{2}:M_{2}O en la mezcla de
aglomerante. La resistencia a la compresión de piezas formadas a
partir de dicha mezcla no supera aproximadamente los 44 MPa.
El documento
US-A-4642137 describe un aglomerante
mineral para ser utilizado conjuntamente con cemento pórtland. El
aglomerante se prepara a partir de seis componentes esenciales
diferentes, a saber, meta-caolín, escoria, otro
material que puede ser o puede comprender cenizas volantes, humo de
sílice (sílice amorfa), y silicato de potasio e hidróxido de
potasio. La utilización del componente de sílice amorfa se considera
como la característica más esencial, y no se da a conocer ninguna
relación específica de SiO_{2}:M_{2}O.
Por esta razón, continúa existiendo una demanda
de materiales cementosos que puedan conseguir rápidamente una alta
resistencia a la compresión en periodos de tiempo acortados.
La invención proporciona mezclas cementosas de
alta resistencia, de curado rápido, que comprenden cenizas volantes
y un aglomerante de silicato alcalino, al que en lo sucesivo se hace
referencia como mezcla de aglomerante CAFA, según la reivindicación
1.
Las mezclas de aglomerante CAFA se pueden mezclar
con áridos finos para proporcionar mezclas de mortero CAFA. Las
mezclas de mortero CAFA se pueden combinar con áridos gruesos,
opcionalmente con fibras, para proporcionar mezclas de hormigón
CAFA. Cualquiera de entre las mezclas de aglomerante, mortero y
hormigón CAFA se puede curar a temperaturas elevadas de entre
aproximadamente 40ºC y aproximadamente 120ºC para generar productos
de alta resistencia.
A continuación, tras haber resumido brevemente la
invención, la misma se describirá detalladamente haciendo referencia
a la siguiente memoria y a ejemplos no limitativos. A no ser que se
especifique lo contrario, todos los porcentajes son en peso y todas
las temperaturas son en grados centígrados.
El sumario anterior, así como la siguiente
descripción detallada de la invención, se entenderá mejor cuando se
lea conjuntamente con los dibujos adjuntos. Con el fin de ilustrar
la invención, en los dibujos se muestran realizaciones actualmente
preferidas. No obstante, debería entenderse que la invención no se
limita estrictamente a las disposiciones y medios mostrados.
La Figura 1 muestra la resistencia a la
compresión de mezclas de hormigón CAFA de la invención en relación
con la resistencia a la compresión obtenida con el hormigón de
cemento pórtland de Tipo III curado en caliente a 55ºC.
La Figura 2 muestra la relación entre la cantidad
combinada de disoluciones de silicato de sodio y disoluciones de
hidróxido de sodio en mezclas de mortero CAFA curadas y la
resistencia a la compresión.
La Figura 3 muestra la relación entre el
contenido de carbono de las cenizas volantes y la resistencia a la
compresión para mezclas de mortero CAFA curadas a 80ºC.
La invención proporciona materiales cementosos
novedosos que comprenden cenizas volantes mezcladas con un
aglomerante de silicato alcalino. La mezcla resultante de
aglomerante CAFA se puede utilizar sola. Como alternativa, la mezcla
de aglomerante CAFA se puede mezclar con áridos finos para
proporcionar mezclas de mortero CAFA. De forma similar, las mezclas
de mortero CAFA se pueden utilizar solas, o se pueden mezclar
adicionalmente con un árido grueso así como con fibras opcionales
para proporcionar mezclas de hormigón CAFA. En lo sucesivo, a las
mezclas de aglomerante CAFA, así como a las mezclas de mortero CAFA
y a las mezclas de hormigón CAFA, se les hace referencia en conjunto
como composiciones CAFA.
Las composiciones CAFA de la invención utilizan
cenizas volantes con un bajo contenido de carbono, es decir, cenizas
volantes de Clase F que tienen menos que aproximadamente un 6% de
carbono. Las cenizas volantes de Clase F se definen en la ASTM
C-618. Las cenizas volantes de Clase F se pueden
obtener a partir de la combustión de carbones bituminosos y de
antracita.
Típicamente, las cenizas volantes de Clase F
pueden estar presentes en las mezclas de aglomerante CAFA en
cantidades de entre aproximadamente un 10% y aproximadamente un 90%.
Preferentemente, las cenizas volantes de Clase F están presentes en
una cantidad de entre aproximadamente el 60% y aproximadamente el
80% en peso basándose en el peso total de la mezcla de aglomerante
CAFA. Típicamente, aproximadamente el 90% de las cenizas volantes de
Clase F tienen un tamaño de las partículas que presenta una
dimensión principal de las partículas menor que aproximadamente 100
\mum.
El aglomerante de silicato alcalino utilizado en
las mezclas de aglomerante CAFA es una mezcla de un componente de
silicato alcalino y un componente de hidróxido alcalino. El
componente de silicato alcalino comprende preferentemente silicato
de sodio.
El componente de silicato alcalino se utiliza
típicamente en forma de una disolución acuosa. El componente de
silicato alcalino comprende de forma preferente entre
aproximadamente un 38% y aproximadamente un 55%, de forma más
preferente entre aproximadamente un 38 y aproximadamente un 39% de
sólidos de silicato alcalino, y entre aproximadamente un 45% y
aproximadamente un 62%, de forma más preferente entre
aproximadamente un 61 y aproximadamente un 62% de agua basándose en
el peso de la disolución. Como componente de silicato alcalino se
pueden utilizar disoluciones de silicato de sodio disponibles
comercialmente que tienen una relación de SiO_{2}:Na_{2}O de
entre aproximadamente 2:1 y aproximadamente 3,22:1. En PQ
Corporation, Valley Forge, PA, hay disponibles disoluciones de
silicato de sodio que tienen relaciones de SiO_{2}:Na_{2}O
dentro de este intervalo.
El componente de hidróxido alcalino comprende
preferentemente hidróxido de sodio. El componente de hidróxido
alcalino puede comprender entre aproximadamente un 25% y
aproximadamente un 100%, de forma preferente entre aproximadamente
un 25% y aproximadamente un 75% de hidróxido de sodio, y hasta
aproximadamente un 75%, de forma preferente entre aproximadamente un
25% y aproximadamente un 75% de agua basándose en el peso del
componente de hidróxido de sodio.
Preferentemente, el aglomerante de silicato
alcalino se forma a partir de entre aproximadamente el 25% y
aproximadamente el 75% del componente de silicato alcalino y entre
aproximadamente el 25% y aproximadamente el 75% del componente de
hidróxido alcalino, basándose en el peso del aglomerante de silicato
alcalino. Las cantidades respectivas de cada componente pueden
variar siempre que el aglomerante de silicato alcalino tenga una
relación de pesos de SiO_{2}:Na_{2}O de entre aproximadamente
0,20:1 y aproximadamente 0,75:1. Preferentemente, el aglomerante de
silicato alcalino tiene una preponderancia de iones de silicato
monomérico en disolución. Típicamente, el aglomerante de silicato
alcalino tiene un pH de entre aproximadamente 10 y aproximadamente
14,6, prefiriéndose los valores de pH del intervalo que son
mayores.
Las mezclas de aglomerante CAFA se pueden
realizar mezclando el aglomerante de silicato alcalino, cenizas
volantes y agua adicional opcional. Tal como se utiliza en lo
sucesivo, se entiende que la expresión agua adicional significa agua
que se añade a una composición CAFA además del agua presente en el
aglomerante de silicato alcalino. No se requieren procedimientos
especiales de mezcla para mezclar el aglomerante de silicato
alcalino, las cenizas y el agua adicional. Las cantidades de cenizas
volantes, agua adicional, áridos finos y áridos gruesos, componente
de hidróxido alcalino y componente de silicato alcalino utilizadas
para producir mezclas de aglomerante CAFA, mezclas de mortero CAFA,
y mezclas de hormigón CAFA se expresan posteriormente basándose en
el peso total de dichas mezclas, respectivamente. Además, la
cantidad de componente de silicato alcalino incluido en dichas
composiciones se expresa posteriormente basándose en la utilización
de un componente acuoso de silicato alcalino que se presenta en
forma de disolución acuosa de silicato alcalino que contiene
aproximadamente un 38% de sólidos de silicato de sodio. Además, la
cantidad de componente de hidróxido alcalino en dichas composiciones
se expresa posteriormente basándose en la utilización de un
componente de hidróxido alcalino que se presenta en forma de una
disolución acuosa de hidróxido alcalino del 50% que tiene
aproximadamente un 50% de sólidos de NaOH.
Las mezclas de aglomerante CAFA se pueden
preparar tal como se ha descrito anteriormente con entre
aproximadamente un 1% y aproximadamente un 50%, de forma preferente
entre aproximadamente un 2% y aproximadamente un 20%, de forma más
preferente entre aproximadamente un 10% y aproximadamente un 15% del
componente de silicato alcalino; entre aproximadamente un 2% y
aproximadamente un 20%, de forma más preferente entre
aproximadamente un 10% y aproximadamente un 15% de componente de
hidróxido alcalino; hasta aproximadamente un 10%, de forma más
preferentemente hasta aproximadamente un 4% de agua adicional, y
entre aproximadamente un 15% y aproximadamente un 90%, de forma más
preferente entre aproximadamente un 60% y aproximadamente un 80% de
las cenizas volantes de Clase F. No obstante, los porcentajes de
estos componentes pueden variar según el contenido de sólidos de los
componentes de silicato alcalino y de hidróxido alcalino.
En la mezcla de aglomerante CAFA se pueden
incluir varios aditivos para proporcionar unas propiedades estéticas
deseadas así como para mejorar el desarrollo de la resistencia.
Entre los ejemplos de estos aditivos se incluyen, aunque sin
limitarse a los mismos, agentes de coloración tales como colorantes.
Entre los aditivos útiles para el desarrollo de la resistencia se
incluyen polvos finos y disoluciones acuosas de componentes
multivalentes tales como aluminatos, ferritas, y calcio. Estos
aditivos proporcionan cationes metálicos multivalentes que funcionan
de manera que reducen la solubilidad de las estructuras de silicato
presentes en la mezcla de aglomerante CAFA para mejorar la
durabilidad y la resistencia al medio ambiente. Aunque en la mezcla
de aglomerante CAFA pueden existir cal apagada y productos calizos,
su presencia no es necesaria.
El cemento pórtland se puede incluir en las
mezclas de aglomerante CAFA en cantidades de hasta aproximadamente
el 15% en peso de la mezcla de aglomerante CAFA, tal como se utiliza
en el presente documento, se entiende que la expresión cemento
pórtland significa composiciones disponibles comercialmente de un
material basado en calcio que se endurece a través de hidratación
exotérmica en la que el agua reacciona con los componentes del
cemento. Las composiciones típicas de cemento pórtland incluyen
entre aproximadamente el 55% y aproximadamente el 65% de CaO, entre
aproximadamente el 17% y aproximadamente el 25% de SiO_{2}, entre
aproximadamente el 5% y aproximadamente el 10% de Al_{2}O_{3},
siendo el resto Fe_{2}O_{3}, Na_{2}O, K_{2}O, carbón, y
materiales insolubles.
Las mezclas de mortero CAFA se pueden preparar
mezclando mezclas de aglomerante CAFA con áridos finos. Se entiende
que los áridos finos tienen un intervalo del tamaño de las
partículas de entre aproximadamente 0,25 mm y aproximadamente 4 mm,
y una variación del tamaño de las partículas comprendida dentro de
ese intervalo de acuerdo con la ASTM C-33. Las
mezclas de mortero CAFA se pueden preparar mezclando entre
aproximadamente un 30% y aproximadamente un 99%, de forma preferente
entre aproximadamente un 40% y aproximadamente un 60% de mezcla de
aglomerante CAFA y entre aproximadamente un 1% y aproximadamente un
70%, de forma más preferente entre aproximadamente un 40% y
aproximadamente un 60% de áridos finos. Todavía más preferentemente,
las mezclas de mortero CAFA se pueden preparar mezclando entre
aproximadamente un 45% y aproximadamente un 55% de mezcla de
aglomerante CAFA y entre aproximadamente un 45% y aproximadamente un
55% de áridos finos.
De este modo, las mezclas de mortero CAFA se
pueden mezclar de manera que incluyan un intervalo amplio de
cantidades de cenizas volantes, agua adicional, componente de
silicato alcalino, componente de hidróxido alcalino, y áridos finos.
Las mezclas de mortero CAFA se pueden preparar con entre
aproximadamente un 15% y aproximadamente un 60%, de forma preferente
entre aproximadamente un 25% y aproximadamente un 50%, de forma más
preferente entre aproximadamente un 30% y aproximadamente un 50% de
cenizas volantes de clase F; hasta aproximadamente un 10%, de forma
preferente hasta aproximadamente un 5%, de forma más preferente
hasta aproximadamente un 3% de agua adicional; entre aproximadamente
el 1% y aproximadamente un 20%, de forma preferente entre
aproximadamente un 2% y aproximadamente un 10% de componente de
silicato alcalino; entre aproximadamente un 1% y aproximadamente un
20%, de forma preferente entre aproximadamente un 2% y
aproximadamente un 10% de componente de hidróxido alcalino; y entre
aproximadamente un 0,1% y aproximadamente un 60%, de forma
preferente entre aproximadamente un 30% y aproximadamente un 60%, de
forma más preferente entre aproximadamente un 40% y aproximadamente
un 60% de áridos finos. Todos los porcentajes se basan en el peso
total de la mezcla de mortero CAFA.
Las mezclas del hormigón CAFA se pueden preparar
mezclando un intervalo amplio de mezclas de mortero CAFA, áridos
gruesos y agua adicional. La cantidad de áridos gruesos en la mezcla
de hormigón CAFA es similar a la cantidad de áridos gruesos
utilizada en el hormigón de cemento pórtland. Los áridos gruesos
útiles incluyen cantos rodados y piedras comunes de tamaños
comparables a los utilizados en la fabricación de hormigón de
cemento pórtland. Unos áridos gruesos especialmente útiles son
aquellos que cumplen la ASTM C-33.
Las mezclas de hormigón CAFA se pueden preparar
con entre aproximadamente un 25% y aproximadamente un 99,9%, de
forma preferente entre aproximadamente un 40% y aproximadamente un
80%, de forma más preferente entre aproximadamente un 45% y
aproximadamente un 65% de mezcla de mortero CAFA; entre
aproximadamente un 0,1% y aproximadamente un 75%, de forma
preferente entre aproximadamente un 20% y aproximadamente un 60%, de
forma más preferente entre aproximadamente un 35% y aproximadamente
un 55% de áridos gruesos; y hasta aproximadamente un 15%, de forma
preferente hasta aproximadamente un 10%, de forma más preferente
hasta aproximadamente un 5% de agua adicional.
De este modo, las mezclas de hormigón CAFA se
pueden preparar con un amplio intervalo de cantidades de cenizas
volantes, agua adicional, componente de silicato alcalino,
componente de hidróxido alcalino, áridos finos, y áridos gruesos.
Las mezclas de hormigón CAFA se pueden preparar con entre
aproximadamente un 10% y aproximadamente un 90%, de forma preferente
entre aproximadamente un 15% y aproximadamente un 90%, de forma más
preferente entre aproximadamente un 15% y aproximadamente un 30%,
todavía de forma más preferente entre aproximadamente un 15% y
aproximadamente un 25% de cenizas volantes de Clase F. Se puede
utilizar agua adicional en una cantidad de hasta aproximadamente un
10%, de forma preferente aproximadamente un 3%. El componente de
silicato alcalino utilizado en la mezcla de aglomerante CAFA se
puede utilizar en una cantidad de entre aproximadamente un 1% y
aproximadamente un 20%, de forma preferente entre aproximadamente un
2% y aproximadamente un 4%. El componente de hidróxido alcalino
utilizado en la mezcla de aglomerante CAFA se puede utilizar en una
cantidad de entre aproximadamente un 1% y aproximadamente un 20%, de
forma preferente entre aproximadamente un 2% y aproximadamente un
4%. Los áridos finos se pueden utilizar en una cantidad de hasta
aproximadamente el 85%, de forma preferente entre aproximadamente el
20% y aproximadamente el 70%, de forma más preferente entre
aproximadamente el 25% y aproximadamente el 35%. Los áridos gruesos
se pueden utilizar en una cantidad de entre aproximadamente un 1% y
aproximadamente un 85%, de forma preferente entre aproximadamente un
40% y aproximadamente un 60%, de forma más preferente entre
aproximadamente un 40% y aproximadamente un 50%. Todos los
porcentajes se basan en el peso total de la mezcla de hormigón
CAFA.
Las mezclas de hormigón CAFA pueden utilizar
refuerzos de fibras. Entre los refuerzos de fibras útiles se
incluyen fibras tales como el acero, el vidrio, el polipropileno, el
grafito, el carbono, polietileno de alta densidad tal como
Spectra^{TM} de E.I. DuPont de Nemours & Co., y fibras de
aramida tales como Kevlar^{TM} también disponible en E.I. DuPont
de Nemours & Co. El tipo de fibras de refuerzo utilizadas
depende de las propiedades deseadas en el producto de hormigón
final. Por ejemplo, se pueden utilizar fibras de acero para
proporcionar productos de hormigón con un aumento de la tenacidad a
la fractura.
La mezcla de composiciones CAFA se realiza para
producir una viscosidad que sea suficientemente baja como para
permitir el transporte y el conformado por vertido de las
composiciones CAFA aunque suficientemente alta como para evitar la
segregación de partículas en su interior. La viscosidad de las
composiciones CAFA se puede controlar variando la cantidad y el tipo
de cenizas volantes, las cantidades de componente de silicato
alcalino y el componente de hidróxido alcalino en el aglomerante de
silicato alcalino, así como la temperatura del aglomerante de
silicato alcalino. Por ejemplo, el aumento de la cantidad de
aglomerante de silicato alcalino en la mezcla de aglomerante CAFA
reduce la viscosidad de la mezcla de aglomerante CAFA. Además, el
aumento de la temperatura del aglomerante de silicato alcalino
reduce la viscosidad en la mezcla de aglomerante CAFA.
Cualquiera de las composiciones CAFA se puede
verter para adoptar una variedad de formas. Durante el conformado
por vertido, las composiciones CAFA se pueden vibrar y compactar
para eliminar burbujas de aire. A continuación, cualquiera de las
composiciones CAFA conformadas por vertido se pueden curar en
caliente para producir productos que tienen una resistencia superior
y unas propiedades estéticas agradables.
Las composiciones CAFA conformadas por vertido se
pueden curar in situ por medio de lámparas de calor, mantas
aislantes, y similares, así como por medio de un calentamiento por
microondas. No obstante, el curado en caliente de las composiciones
CAFA se realiza típicamente en un horno a entre aproximadamente 40ºC
y aproximadamente 120ºC, de forma preferente entre aproximadamente
50ºC y aproximadamente 100ºC, durante un tiempo de curado suficiente
como para generar productos con una resistencia a la compresión
elevada. Tal como se utiliza en el presente documento, se entiende
que la expresión tiempo de curado significa el tiempo requerido para
expulsar una cantidad de agua suficiente como para generar un
producto autoportante. Típicamente el tiempo de curado está
comprendido entre aproximadamente 1,5 horas y aproximadamente 60
horas. El curado en caliente se puede realizar con una amplia gama
de presiones que varían desde aproximadamente 0,3 atmósferas hasta
aproximadamente 100 atmósferas, preferentemente, el curado en
caliente se realiza a presión atmosférica.
Las composiciones CAFA conformadas por vertido,
después del curado en caliente a temperaturas elevadas para
proporcionar una composición CAFA endurecida, se desmoldean y se
mantienen preferentemente a temperatura ambiente a entre
aproximadamente un 20% y aproximadamente un 30% de humedad relativa
durante un periodo de entre aproximadamente una hora y
aproximadamente 31 días, de forma preferente, entre aproximadamente
una hora y aproximadamente siete días. No obstante, las
composiciones CAFA se pueden curar en caliente a temperaturas
elevadas de entre aproximadamente 40ºC y aproximadamente 120ºC, se
pueden desmoldear, y adicionalmente curar en caliente a temperaturas
menos elevadas de entre aproximadamente 40ºC y aproximadamente 70ºC.
Un curado en caliente adicional a las temperaturas menos elevadas
puede ser útil para curar selladores u otro tratamiento superficial
que pueda haberse aplicado sobre la composición CAFA endurecida.
Las composiciones CAFA curadas de la invención,
tal como se identifica con la difracción de rayos-X,
son diferentes con respecto a las cenizas volantes que no han
reaccionado. Aunque sin desear limitarse a ninguna teoría
específica, los solicitantes creen que la mezcla de cenizas volantes
con aglomerante de silicato alcalino, y el curado en caliente del
material resultante según la invención, reduce la cristalinidad del
cuarzo, la mullita y otros componentes cristalinos de las cenizas
volantes para proporcionar una composición nueva.
La invención se ilustra adicionalmente por medio
de los siguientes ejemplos no limitativos:
Ejemplos 1 y
2
El aglomerante de silicato de sodio se prepara
mezclando un componente de hidróxido de sodio y un componente de
silicato de sodio. El componente de hidróxido de sodio es un
hidróxido de sodio acuoso al 50% que tiene un contenido de sólidos
de NaOH del 50%. El componente de silicato de sodio tiene un 37,6%
de sólidos de silicato de sodio que tiene una relación de
SiO_{2}:Na_{2}O de 3,22:1, y un 62,4% de agua. Este silicato de
sodio está disponible comercialmente como silicato de sodio de Tipo
N en PQ Corporation, Valley Forge, Pennsylvania. El aglomerante
resultante de silicato de sodio tiene un 24,44% de Na_{2}O, un
13,96% de SiO_{2}, una relación de SiO_{2}:Na_{2}O de 0,57:1,
y un 61,6% de H_{2}O. El aglomerante de silicato de sodio se
mezcla con cenizas volantes para producir la mezcla de aglomerante
CAFA de la Tabla 1. Las cantidades de componente de hidróxido de
sodio y de componente de silicato de sodio utilizadas para formar el
aglomerante de silicato de sodio, así como la cantidad de cenizas
volantes en la mezcla de aglomerante CAFA, se proporcionan en la
Tabla 1 en la que los porcentajes se basan en el peso total de la
mezcla de aglomerante CAFA.
| Componente | Cantidad | % en peso |
| (gramos) | ||
| Componente de Hidróxido de Sodio | 741 | 14,82 |
| Componente de Silicato de Sodio | 702 | 14,03 |
| Cenizas Volantes de Clase F^{1} | 3557 | 71,15 |
| Agua Adicional | 0 | 0,0 |
| ^{1}Contenido de carbono = 2,3% |
Dos muestras de la mezcla de aglomerante CAFA de
la Tabla 1 se curan en caliente a 90ºC durante 18 horas, y a
continuación se extraen para dejarlas en condiciones ambientales. A
los 2 días después del conformado por vertido, los especímenes se
preparan según la ASTM C-192 y la ASTM
C-617 de cara a la medición de la resistencia a la
compresión. Los especímenes se someten a prueba en relación con la
resistencia a la compresión según la ASTM C-39, 2
días después del conformado por vertido. Las resistencias a la
compresión se proporcionan en la Tabla 1A.
| Ejemplo | Temperatura de curado | Tiempo de curado en | Resistencia a la compresión |
| Nº | en caliente | caliente | (libras por pulgada |
| (ºC) | (hrs) | cuadrada/MPa) | |
| 1 | 90 | 18 | 12588/86,79 |
| 2 | 90 | 18 | 11174/77,04 |
Ejemplos 3 a
7
El aglomerante de silicato de sodio se prepara
tal como en los Ejemplos 1 y 2 excepto que se utilizan las
cantidades de componente de hidróxido de sodio y de componente de
silicato de sodio de la Tabla 2. El aglomerante resultante de
silicato de sodio tiene un 22,96% de Na_{2}O, un 13,74% de
SiO_{2}, un 63,3% de H_{2}O, y una relación de
SiO_{2}:Na_{2}O de 0,60:1. El aglomerante de silicato de sodio
se mezcla con cenizas volantes de Clase F, agua adicional, y áridos
finos en cantidades suficientes para proporcionar la mezcla de
mortero CAFA mostrada en la Tabla 2.
| Componente | Cantidad | % en peso |
| (gramos) | ||
| Componente de Silicato de Sodio | 358 | 7,15 |
| Componente de Hidróxido de Sodio | 358 | 7,15 |
| Cenizas Volantes Clase F^{1} | 1817 | 36,35 |
| Áridos Finos | 2436 | 48,71 |
| Agua Adicional | 32 | 0,64 |
| ^{1}Contenido de Carbono = 2,3% |
Las muestras de la mezcla de mortero CAFA de la
Tabla 2 se conforman por vertido, se curan en caliente a 80ºC
durante varios periodos de tiempo, y se extraen para dejarlas en
condiciones ambientales. Los especímenes para la medición de la
resistencia a la compresión se preparan tal como en los Ejemplos 1 y
2 aunque a los 12 días después del conformado por vertido. La
resistencia a la compresión se mide tal como se ha descrito en los
Ejemplos 1 y 2 a los 12 días después del conformado por vertido. Los
resultados se muestran en la Tabla 2A.
| Ejemplo | Temperatura de caliente | Tiempo de curado en caliente | Resistencia a la comprensión |
| Nº | (ºC) | (hrs) | (libras por pulgada cuadrada/MPa) |
| 3 | 80 | 2 | 5287/36,45 |
| 4 | 80 | 3 | 7484/51,60 |
| 5 | 80 | 4 | 11624/80,14 |
| 6 | 80 | 8 | 13217/91,13 |
| 7 | 80 | 24 | 15764/108,69 |
El aglomerante de silicato de sodio se prepara
tal como en los Ejemplos 1 y 2 excepto que se utilizan las
cantidades del componente de hidróxido de sodio y del componente de
silicato de sodio de la Tabla 3. El aglomerante resultante de
silicato de sodio tiene un 18,94% de Na_{2}O, un 10,7% de
SiO_{2}, un 70,4% de H_{2}O, y una relación de
SiO_{2}:Na_{2}O de 0,57:1. El aglomerante de silicato de sodio
se mezcla con cenizas volantes, agua adicional, así como áridos
finos y gruesos en cantidades suficientes como para proporcionar una
mezcla de hormigón CAFA que tiene la composición mostrada en la
Tabla 3.
| Componente | Cantidad | % en peso |
| (gramos) | ||
| Componente de Hidróxido de Sodio | 185 | 3,69 |
| Componente de Silicato de Sodio: | 172 | 3,45 |
| H_{2}O Adicional | 106 | 2,11 |
| Cenizas Volantes de Clase F^{1} | 1055 | 21,10 |
| Áridos Finos | 1324 | 26,48 |
| Áridos Gruesos | 2158 | 43,17 |
| ^{1}Contenido de Carbono = 2,3% |
La mezcla de hormigón CAFA se conforma por
vertido, se cura en caliente a 50ºC durante 18 horas, y a
continuación se extrae para dejarla en condiciones ambientales. A
los 31 días después del conformado por vertido, se prepara un
espécimen para la medición de la resistencia a la compresión tal
como en los Ejemplos 1 y 2. La resistencia a la compresión se mide
tal como se ha descrito en los Ejemplos 1 y 2 excepto que dicha
resistencia a la compresión se mide a los 31 días después del
conformado por vertido. El resultado se muestra en la Tabla 3A.
| Temperatura de curado | Tiempo de curado | Resistencia a la compresión |
| en caliente | en caliente | (libras por pulgada cuadrada/MPa) |
| (ºC) | (hrs) | |
| 50 | 18 | 9119/62,87 |
La Figura 1 muestra las resistencias a la
compresión obtenidas a los 7 días sobre las muestras de una mezcla
de mortero CAFA que tiene la misma composición que el Ejemplo 3 como
función del tiempo de curado a 80ºC con respecto al hormigón de
cemento pórtland de Tipo III curado en caliente. Las muestras de las
mezclas de mortero CAFA se curan a 80ºC durante los periodos de
tiempo indicados en la Fig. 1, y a continuación se extraen para
dejarlas en condiciones ambientales durante el resto del periodo de
7 días. Tal como se muestra en la Fig. 1, las muestras curadas a
80ºC durante 24 horas consiguen una resistencia a la compresión a
los 7 días de aproximadamente 89,6 MPa (13.000 libras por pulgada
cuadrada), y las muestras curadas a 80ºC durante 4 horas consiguen
una resistencia a la compresión a los 7 días de aproximadamente 82,7
MPa (12.000 libras por pulgada cuadrada). Por comparación, la
resistencia a la compresión correspondiente al hormigón de cemento
pórtland curado a 55ºC durante entre 10 y 24 horas es
aproximadamente 34,5 MPa (5000 libras por pulgada cuadrada) a los 7
días después del conformado por vertido. De este modo, la
resistencia a la compresión obtenida en mezclas de mortero CAFA es
aproximadamente entre dos y aproximadamente tres veces mayor que la
correspondiente al hormigón de cemento pórtland. Al final de los 28
días se observan aumentos de resistencia similares con respecto al
hormigón de cemento pórtland.
La descripción anterior muestra que la invención
proporciona mezclas CAFA que desarrollan una resistencia a la
compresión mucho más rápidamente que los materiales de cemento
pórtland. Los productos de la construcción que anteriormente habían
requerido 24 horas para el desmoldeo cuando se utilizaba cemento
pórtland, ahora se pueden desmoldear en entre aproximadamente 1,5 y
aproximadamente 60 horas. Este rápido desarrollo de la resistencia
posibilita un aumento sustancial del rendimiento en las
instalaciones de producción.
Las resistencias a la compresión de las
composiciones CAFA curadas de la invención varían con las cantidades
de los sólidos de hidróxido de sodio y los sólidos de silicato de
sodio proporcionados, respectivamente, por los componentes de
hidróxido de sodio y de silicato de sodio, en la composición CAFA,
tal como se muestra en la Fig. 2. Las mezclas de mortero CAFA de la
Fig. 2 se forman con un componente de silicato de sodio que es
silicato de sodio de tipo N de la PQ Corporation, Valley Forge, PA,
que tiene aproximadamente un 37,6% de sólido y un hidróxido de sodio
acuoso al 50% que tiene aproximadamente un 50% de sólido de NaOH.
Las mezclas de mortero CAFA se conforman por vertido y se curan en
caliente a 80ºC durante 18 horas. A continuación, las muestras de
mortero CAFA curadas se extraen para dejarlas en condiciones
ambientales y se someten a prueba a los 7 días después del
conformado por vertido. Tal como se muestra en la Fig. 2, la
resistencia a la compresión aumenta cuando aumenta la cantidad
combinada de componente de silicato de sodio y componente de
hidróxido de sodio en la mezcla de mortero CAFA.
La resistencia a la compresión de las
composiciones CAFA curadas de la invención también es sensible a la
cantidad de carbono contenido en las cenizas volantes utilizadas.
Tal como se muestra en la Fig. 3, las resistencias a la compresión
de las composiciones CAFA se reducen cuando aumenta el porcentaje de
carbono. Por consiguiente, el contenido de carbono en las cenizas
volantes utilizadas es preferentemente menor que aproximadamente el
6%, más preferentemente menor que aproximadamente el 3%. La cantidad
del contenido de sólidos de silicato alcalino e hidróxido alcalino
en las composiciones CAFA se puede aumentar para compensar la
pérdida de la resistencia a la compresión debida a la presencia de
carbono en las cenizas volantes.
Sin desear limitarse a ninguna teoría, se cree
que el rápido aumento de la resistencia a la compresión durante el
curado en caliente de las composiciones CAFA de la invención es
debido a la activación química y a la disolución parcial de las
cenizas volantes dentro de un entorno alcalino acuoso, así como a la
activación de los óxidos superficiales de todas las partículas de
los áridos presentes. Cuando una composición CAFA se cura en
caliente, se cree que la composición CAFA crea un gel de silicato
que libera agua. Se cree que el agua liberada provoca la
polimerización de los silicatos en el gel de silicato para producir
una matriz de tipo piedra en la que se unen integralmente partículas
de los áridos. Se cree también que la resistencia a la compresión
superior de las composiciones CAFA curadas es debida a las grandes
cantidades de vidrio de aluminosilicato. De este modo, en
contraposición al cemento pórtland, no se cree que el desarrollo de
la resistencia dependa de la cal apagada o de productos calizos.
Además de una alta resistencia a la compresión,
las composiciones CAFA de la invención tienen también una baja
permeabilidad. La permeabilidad es una indicación de la facilidad
relativa con la que un material puede llegar a saturarse con agua,
así como de la velocidad a la que el agua puede fluir a través de
dicho material. Para determinar la permeabilidad de composiciones
CAFA curadas, la mezcla de hormigón CAFA curado del Ejemplo 8 se
sometió a prueba en relación con la permeabilidad según la ASTM
C-5084-90. A los 31 días después del
conformado por vertido, se observó que el hormigón CAFA curado del
Ejemplo 8 tenía una permeabilidad de 9,54 x 10^{-11}m/s.
Las mezclas CAFA de la invención se pueden
utilizar en una variedad de aplicaciones que incluyen productos de
construcción conformados por vertido tales como paredes, suelos,
carreteras, y similares. Otros usos incluyen forros y recubrimientos
sobre objetos tales como tuberías, barras de refuerzo, paredes, así
como recubrimientos sobre componentes electrónicos. Otros usos
adicionales incluyen, por ejemplo, abrasivos.
Aquellos expertos en la técnica apreciarán que en
las realizaciones descritas anteriormente se pueden realizar cambios
sin desviarse con respecto al concepto amplio de la invención de
dichas realizaciones. Por esta razón, se entiende que la presente
invención no se limita a las realizaciones específicas dadas a
conocer, si no que está destinada a abarcar modificaciones dentro
del espíritu y el ámbito de la presente invención según se define
por medio de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (15)
1. Mezcla de aglomerante cementoso de alta
resistencia, de curado rápido, que comprende
cenizas volantes de clase F que tienen menos de
un 6% de carbono y
un aglomerante de silicato alcalino,
comprendiendo dicho aglomerante de silicato alcalino
- -
- un componente de silicato alcalino, el cual comprende entre un 38% y un 55% de contenido de sólidos de silicato de sodio, una relación de SiO_{2}:Na_{2}O de entre 2:1 y 3,22:1, y entre un 45% y un 62% de agua basándose en el peso del componente de silicato alcalino, y
- -
- un componente de hidróxido alcalino, el cual comprende entre un 25% y un 100% de hidróxido de sodio y hasta un 75% de agua basándose en el peso del componente de hidróxido alcalino,
en la que el aglomerante de silicato alcalino
tiene una relación de pesos de SiO_{2}:Na_{2}O de entre 0,20:1
y 0,75:1.
2. Mezcla de aglomerante cementoso según la
reivindicación 1 en la que las cenizas volantes de Clase F están
presentes en una cantidad de entre un 15% y un 80% basándose en el
peso de la mezcla de aglomerante.
3. Mezcla de aglomerante cementoso según la
reivindicación 2 en la que las cenizas volantes de Clase F están
presentes en una cantidad de entre un 60% y un 80%.
4. Mezcla de aglomerante cementoso según la
reivindicación 1 en la que el componente de silicato alcalino
comprende entre un 2% y un 20% en peso de la mezcla de aglomerante
cementoso y el componente de hidróxido alcalino comprende entre un
2% y un 20% en peso de la mezcla de aglomerante cementoso.
5. Mezcla de aglomerante cementoso según la
reivindicación 4 en la que la relación de SiO_{2}:Na_{2}O está
entre 0,5:1 y 0,6:1.
6. Mezcla de aglomerante cementoso según la
reivindicación 1 que comprende además cemento pórtland en una
cantidad de hasta el 15% en peso de la mezcla aglomerante.
7. Mezcla de mortero cementoso que comprende la
mezcla de aglomerante cementoso de la reivindicación 1 y áridos
finos.
8. Mezcla de hormigón cementoso que comprende la
mezcla de hormigón cementoso según la reivindicación 7 y un refuerzo
seleccionado de entre el grupo que comprende áridos gruesos y
fibras.
9. Mezcla de hormigón cementoso según la
reivindicación 8 que comprende entre un 10% y un 90% de cenizas
volantes de Clase F, entre un 1% y un 20% de componente de hidróxido
de sodio, entre un 1% y un 20% de componente de silicato de sodio,
hasta un 10% de agua adicional, entre un 1% y un 85% de áridos
gruesos, y de un 1% hasta un 85% de áridos finos basándose en el
peso de la mezcla de hormigón.
10. Mezcla de hormigón cementoso según la
reivindicación 8 en la que dicha fibra se selecciona del grupo que
comprende acero, vidrio, polipropileno, grafito, carbono, y
polietileno de alta densidad.
11. Método de fabricación de un producto
cementoso curado de alta resistencia que comprende
formación de una mezcla que comprende una mezcla
de aglomerante cementoso según la reivindicación 1, y
tratamiento en caliente de la mezcla a una
temperatura elevada para obtener un producto cementoso curado de
alta resistencia.
12. Método según la reivindicación 11 en el que
las cenizas volantes de Clase F están presentes en la composición en
una cantidad de entre un 10% y un 90% basándose en el peso de la
mezcla.
13. Método según la reivindicación 11 en el que
el tratamiento en caliente se realiza a entre 40ºC y 120ºC durante
entre 1,5 y 60 horas.
14. Método según la reivindicación 11 en la que
la relación de SiO_{2}:Na_{2}O está entre 0,5:1 y 0,6:1.
15. Material cementoso según la reivindicación 1
el cual está curado en caliente.
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