ES2227207T3 - Pprocedimiento de tratamiento oxidante de las escorias de acereria y escorias ld obtenidas. - Google Patents
Pprocedimiento de tratamiento oxidante de las escorias de acereria y escorias ld obtenidas.Info
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Abstract
Procedimiento de tratamiento de una escoria de acerería que comprende: - la inyección en la escoria líquida de oxígeno o de una mezcla de gas que contiene oxígeno para remover y oxidar la escoria; - la adición y la disolución en la escoria líquida removida de una fuente de alúmina y de una fuente de cal y facultativamente de una fuente de sílice y/o de hierro; y - el enfriamiento de la escoria hasta su solidificación; siendo las cantidades añadidas de fuente de alúmina y de cal, y eventualmente de sílice y de hierro, y la velocidad de enfriamiento tales que la escoria tratada obtenida tiene una composición mineralógica con una de las siguientes constituciones: (a) una fase vítrea amorfa; (b) un primer ensamblado de fases (1) constiuido, en porcentaje en peso, por 10 a 40 CA, por 20 a 50 C2AS, por 30 a 50 C6AF2 y por 10 a 30 C2S; (c) un segundo ensamblado de fases (2) constituido por, en porcentaje en peso, de 20 a 40 C2F, de 10 a 30 C2AS, de 20 a 50 C6AF2 y de 10 a 40 C2S; y (d) una mezcla de una fase vítrea amorfa y del primer o segundo ensamblado de fases.
Description
Procedimiento de tratamiento oxidante de las
escorias de acerería y escorias LD obtenidas.
La presente invención se refiere de forma general
a unas escorias LD tratadas que tienen las propiedades de un
aglomerante hidráulico y a un procedimiento de obtención de tales
escorias LD por tratamiento de unas escorias de acererías.
Más particularmente, la invención se refiere a un
tratamiento de las escorias de acerería que producen unas escorias
LD tratadas cuya composición mineralógica las convierte en unos
materiales sintéticos que tienen unas prestaciones acrecentadas en
el momento de su utilización para la construcción (granulados para
hormigón o firmes de carreteras, aglomerantes hidráulicos o de
potencial hidráulico).
La obtención de productos hidráulicos o de
potenciales hidráulicos partiendo de unas materias primas sin
emisión de CO_{2} se enfrenta a unas dificultades inherentes a su
química y su mineralogía que son desfavorables para la obtención de
un aglomerante.
Por desfavorable, se entiende que el producto
obtenido no se podrá utilizar, ni solo, ni eventualmente mezclado
con cemento Portland puesto que no proporcionará las prestaciones
en cuanto a las resistencias deseadas por las normas o porque
provocará problemas de hinchamiento y destrucción de las
estructuras. Este es el caso para las escorias LD (escorias
provenientes de unas escorias de acererías solidificadas y
trituradas).
Las escorias LD son unos subproductos del afinado
de las fundiciones hematíticas (fundiciones pobres en fósforo)
mediante el procedimiento de soplado con oxígeno. Se trata de un
material rico en hierro y cal que posee una composición
mineralógica media que se sitúa en el ensamblado formado por
silicatos dicálcicos, ferrita de calcio y óxidos metálicos y cuya
composición química media de sus compuestos principales es la
siguiente:
Compuesto | % en peso |
CaO | 50 |
SiO_{2} | 13 |
Al_{2}O_{3} | 3 |
MgO | 6 |
Óxidos de hierro | 28 |
Hierro libre | Hasta 20 |
CaO libre | Hasta 10 |
La utilización de las escorias LD en forma de
granulados para el hormigón, o para la construcción de carreteras
para la elaboración de las capas superiores bituminosas y la de las
capas de fundación está limitada por la presencia de cal libre
porque dicha cal crea unas expansiones de la calzada o del
hormigón.
La transformación de las escorias LD en un
aglomerante hidráulico suscita también mucho interés.
La patente FR-2.546.530 describe
el tratamiento de unas escorias de acerería con vistas a su
utilización cementaria.
El tratamiento descrito en esta patente consiste
en añadir a la escoria líquida al menos un compuesto susceptible de
formar alúmina, en aportar la cantidad de calor necesaria para
disolver el compuesto en la escoria y en someter la escoria a un
removido con oxígeno.
La cantidad del o de los compuestos susceptibles
de formar la alúmina añadida a la escoria líquida es tal que la
escoria tratada contiene de 5 a 25% en peso de alúmina.
Aunque la patente FR-2.546.530
indica que la escoria tratada de esta forma puede ser utilizada
como aglomerante hidráulico, en particular para la fabricación de
cemento, este tratamiento no permite la obtención de un aglomerante
hidráulico en sí mismo, susceptible de reemplazar el cemento
Portland en su totalidad.
Se ha comprobado ahora que es posible tratar una
escoria de acerería de manera que se le confiera una composición
mineralógica que entre dentro de una gama de composiciones
mineralógicas específicas tales, que la escoria de acerería tratada
de esta forma constituya un aglomerante hidráulico en sí misma,
susceptible de reemplazar el cemento Portland en su totalidad.
La presente invención tiene por lo tanto como
objeto un procedimiento de tratamiento de unas escorias de acerería
que llevan a unas escorias de acerería tratadas (escorias LD) que
tienen una composición mineralógica específica gracias a la que
estas escorias tratadas constituyen en sí mismas unos aglomerantes
hidráulicos.
El procedimiento de tratamiento de una escoria de
acerería según la invención comprende:
- -
- la inyección en la escoria líquida de oxígeno gaseoso o de una mezcla que contiene gas oxígeno;
- -
- la adición a la escoria líquida y la disolución en esta última de una fuente de alúmina y de una fuente de cal y eventualmente de una fuente de sílice y/o de hierro;
- -
- el enfriamiento de la escoria hasta su solidificación, caracterizado porque las cantidades añadidas de fuente de alúmina y de cal, y de las eventuales fuentes de sílice y de hierro, y la velocidad de enfriamiento son tales que la escoria de acerería tratada y solidificada tiene una composición mineralógica con una de las siguientes constituciones;
- (a)
- fase vítrea amorfa;
- (b)
- un primer ensamblado de fases (1) constituido, en porcentaje en peso, de 10 a 40 CA, de 20 a 50 C2AS, de 30 a 50 C6AF2 y de 10 a 30 C2S;
- (c)
- un segundo ensamblado de fases (2) constituido por, en porcentaje en peso, de 20 a 40 C2F, de 10 a 30 C2AS, de 20 a 50 C6AF2 y de 10 a 40 C2S; y
- (d)
- un mezcla de una fase vítrea amorfa y del primer o segundo ensamblado de fases.
Se ha de recordar que según la notación clásica
de los fabricantes de cemento que:
C=CaO
A=Al_{2}O_{3}
S=SiO_{2}
F=Fe_{2}O_{3}
P=PO_{4}
Las fases mencionadas anteriormente no son unos
compuestos puros sino que pueden contener en solución sólida unas
impurezas como el hierro, la magnesia (MgO), el fósforo
(P_{2}O_{5}), azufre, etc.
Las escorias LD tratadas según la invención se
caracterizan por el hecho de que poseen una composición
mineralógica tal como se ha definido más arriba.
Según un modo de realización de la invención, la
escoria de acerería líquida es vertida en una cuba o cuchara, y el
baño de la escoria es llevado o mantenido a una temperatura de
1350ºC a 1550ºC, preferentemente de 1350ºC a 1500ºC, y generalmente
a 1450ºC, sometida en la cuba a un removido con oxígeno mediante la
inyección de oxígeno gaseoso o de una mezcla de gases que contenga
oxígeno gaseoso, tal como una mezcla de aire y de oxígeno, mediante,
por ejemplo, una antorcha como se describe el la patente
FR-2.546.530.
Como ya es conocido, esta inyección de oxígeno no
sólo asegura el removido del baño de escoria sino que también
asegura la oxidación del hierro y del óxido ferroso (FeO) presentes
en la escoria en óxido férrico (Fe_{2}O_{3}). La inyección de
oxígeno puede llevarse a cabo inyectando oxígeno puro, aire o una
mezcla de oxígeno y aire. La inyección se realiza en general de
manera que se obtenga una presión de oxígeno o de la mezcla de
gases en equilibrio con el baño de la escoria de 10^{2} a
5.10^{5} Pa, preferentemente de 10^{5} a 5.10^{5} Pa.
Esta inyección de oxígeno o mezcla de gases que
contiene oxígeno gaseoso dura por lo general aproximadamente 30
minutos.
En función de la composición química de la
escoria de acerería a tratar y de la utilización final deseada para
la escoria tratada, se procede durante el removido a la adición y a
la disolución en la escoria líquida de una cantidad determinada de
una fuente de alúmina, por ejemplo alúmina pura o bauxita, y de una
cantidad determinada de una fuente de cal, por ejemplo cal o caliza
(carbonato de calcio), y si es necesario de unas cantidades
determinadas de una fuente de sílice, por ejemplo sílice, de una
fuente de hierro, por ejemplo la hematites.
Las adiciones pueden realizarse fácilmente
mediante unas tolvas apropiadas.
Por lo general, la disolución de los aditivos en
la escoria líquida no precisa aporte exterior de calor.
En efecto, la temperatura de la colada de la
escoria, es generalmente superior o igual a 1600ºC y, puesto que
para el tratamiento se mantiene la temperatura de la escoria a
1350-1500ºC, se puede utilizar el diferencial de
calor para la disolución de al menos una parte de los aditivos.
Por otra parte, como ya es conocido, la oxidación
del hierro metal y del óxido de hierro ferroso (FeO) a óxido
férrico (Fe_{2}O_{3}) es exotérmica y también se puede utilizar
el calor desprendido durante esta reacción para disolver los
aditivos.
Preferentemente, los aditivos son introducidos en
la cuchara antes de la colada de la escoria líquida proveniente del
convertidor, para asegurar una protección de los refractarios de la
cuchara.
Por lo general, la cantidad de fuente de alúmina
añadida es tal que la proporción de alúmina en la escoria LD
tratada obtenida es superior al 25% en peso, preferentemente del
orden de 30% en peso o incluso mayor y que la cantidad de fuente de
cal añadida es tal que la proporción de cal obtenida en la escoria
LD tratada es igual o superior al 40% en peso.
Las escorias LD tratadas obtenidas contienen un
1% en peso o menos, y preferentemente no contienen cal libre en
cantidades detectables.
Teniendo en cuenta las composiciones de unas
escorias de acerería, las cantidades de alúmina y de cal añadidas
varían generalmente de 700 a 1100 kg y de 400 a 800 kg,
respectivamente, para 1000 kg de escoria tratada.
Tras la disolución de los aditivos, el baño de
escoria es seguidamente enfriado a una velocidad de enfriamiento
lenta o rápida hasta su solidificación, es decir generalmente hasta
una temperatura del orden de 1100 a 1200ºC, apropiada para la
obtención de una de las composiciones mineralógicas según la
invención.
Con un enfriamiento lento, la escoria tratada
tiene una composición mineralógica que puede variar de una
composición constituida únicamente por un primer ensamblado de
fases (1) o de un segundo ensamblado de fases (2) a una composición
constituida por una mezcla de una fase vítrea y del primer o del
segundo ensamblado de fases, preferentemente del segundo ensamblado
de fases. Cuando la composición mineralógica de la escoria tratada
comprende a la vez una fase vítrea y el primer o segundo ensamblado
de fases, la fase vítrea puede representar hasta 95% en peso de la
escoria tratada. Preferentemente, la fase vítrea representa hasta
de 5 a 15% en peso y mejor de 5 a 10% en peso de la escoria
tratada.
Con el enfriamiento rápido, se obtiene una
escoria tratada constituida en su totalidad por una fase vítrea
amorfa.
En el marco de la presente invención, se entiende
por enfriamiento rápido las velocidades de enfriamiento que
conducen a unas escorias LD tratadas constituidas por 100% de una
fase vítrea y por enfriamiento lento a las velocidades de
enfriamiento que conducen a unas escorias LD tratadas constituidas
o bien por un primer o un segundo ensamblado de fases (1) y (2), o
bien por una mezcla de uno de estos ensamblados con una fase
vítrea.
Estas velocidades de enfriamiento dependen
principalmente de las proporciones de SiO_{2} y Al_{2}O_{3}
deseadas para la escoria LD tratada.
La tabla siguiente proporciona a título
indicativo las gamas de velocidades de enfriamiento a utilizar, en
función de las proporciones de SiO_{2} y Al_{2}O_{3} deseadas
para la escoria LD tratada, para obtener o bien 100% de fase vítrea
o bien 5% en peso o menos de fase vítrea.
Utilizando unas velocidades de enfriamiento entre
los dos límites, se obtienen unas mezclas, en proporciones
variables, de los ensamblados de fases (1) o (2) y de fase
vítrea.
Utilizando unas velocidades de enfriamiento
situadas entre las velocidades indicadas en la tabla, se obtienen
unas proporciones variables de las mezclas de ensamblado (1) o (2)
y de fase vítrea.
El enfriamiento puede llevarse a cabo mediante
cualquier medio apropiado, tal como un enfriamiento por aire o por
agua, preferentemente por aire.
Este enfriamiento prosigue hasta la
solidificación de la escoria, de forma clásica hasta una
temperatura de 1100 a 1200ºC.
Las escorias LD tratadas obtenidas pueden ser
trituradas para formar unos granulados. Estos granulados pueden ser
utilizados solos como aglomerantes hidráulicos o incluso mezclados
con unos cementos para reemplazar en parte o totalmente las arenas
utilizadas clásicamente.
Los ejemplos siguientes ilustran la presente
invención.
Se trata por el procedimiento de la invención una
escoria de acerería que tiene las siguientes características:
(C_{2}S/C_{3}P)ss= solución sólida de
silicato dicálcico y de fosfato tricálcico.
La escoria de acerería en estado líquido, colada
en una cuchara es removida y oxidada a 1350ºC por insuflado de
oxígeno mediante una antorcha. El caudal de oxígeno es regulado
para obtener una presión de oxígeno en equilibrio con el baño de
escoria de 5.10^{5} Pa.
Antes de la colada de la escoria, se han
introducido en la cuchara los siguientes aditivos:
Tras la disolución de los aditivos, se para el
insuflado de oxígeno y se enfría la escoria con aire a una
velocidad de 5ºC/segundo hasta una temperatura de 1100ºC.
La escoria LD tratada obtenida tiene la siguiente
composición mineralógica:
\vskip1.000000\baselineskip
La escoria tratada obtenida es triturada y
tamizada de manera que presente el reparto granulométrico de una
arena normalizada. El reparto granulométrico está indicado en la
siguiente tabla:
Se confecciona, en condiciones normales, un
mortero con cemento Portland (1 parte en peso) y una arena
constituida por una mitad de arena normalizada y por una mitad de
escoria tratada (3 partes en peso). A título comparativo, se ha
confeccionado también en condiciones estándar un mortero constituido
por cemento Portland (1 parte en peso) y arena normalizada (3
partes en peso).
Se forman, a partir de estos morteros, unas
probetas prismáticas 4 cm x 4 cm x 16 cm, por amasado con una
proporción de agua/cemento (E/C) de 0,5.
Se determina mediante las probetas las
resistencias a la flexión y a la compresión. Los resultados
obtenidos son los siguientes:
Se puede ver que utilizando una arena constituida
por un 50% en peso de arena normalizada y 50% en peso de escoria
tratada según la invención, se obtiene un aumento significativo de
la resistencia.
Ciertas probetas que no han sido sometidas a los
test mecánicos, han sido utilizadas para el test de hinchamiento
ASTM C151 y AASHTO T107. El test ha sido negativo (no hay
hinchamiento).
Se han repetido los ensayos anteriores
reemplazando el cemento Portland por cemento Fundido (cemento a
base de aluminato de calcio). Los siguientes resultados muestran un
aumento significativo de la resistencia cuando tiene lugar el
empleo de la escoria tratada según la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
El test de hinchamiento ASTMC 151 y AASHTO T107
ha resultado también negativo.
Este ejemplo muestra que el granulado obtenido a
partir de unas escorias LD tratadas de la invención es mejor que la
arena, es decir un granulado utilizado habitualmente en la
formulación de morteros.
Se han tratado, por el procedimiento de la
invención, diferentes escorias de acerería que tiene las siguientes
características:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Estas escorias de acerería (tabla anterior) en
estado líquido, coladas en una cuchara, son removidas y oxidadas
como en el ejemplo 1, en las condiciones indicadas
seguidamente.
Como en el ejemplo 1, con anterioridad a la
colada de la escoria, se han introducido en la cuchara los
siguientes aditivos:
Tras disolución de los aditivos, se para el
insuflado de aire y oxígeno y se enfrían las escorias en las
siguientes condiciones:
Las escorias LD tratadas obtenidas están
constituidas al 100% por una fase vítrea amorfa.
Las escorias obtenidas por el tratamiento son
trituras a 3500 cm^{2}/g.
Mezcladas con agua se obtienen los siguientes
desprendimientos de calor:
Se utilizan las escorias tratadas anteriormente
como cemento en unas condiciones normalizadas (E/C = 0,5; probetas
prismáticas 4 cm x 4 cm x 16 cm) y se determina el tiempo de
fraguado y la resistencia a la compresión (R_{c}). los resultados
son indicados en la siguiente tabla:
Los ejemplos anteriores muestran que el
tratamiento de la invención permite obtener una escoria LD tratada
que tiene en sí misma las cualidades de un aglomerante
hidráulico.
Se añade al cemento Portland (1 parte) una arena
constituida por una mitad de arena normalizada y una mitad de
escoria nº 2 triturada. Se forman, a partir de esta mezcla, unas
probetas prísmáticas en unas condiciones normalizadas (E/C=0,5;
probetas prismáticas 4 cm x 4 cm x 16 cm) y se determina el tiempo
de fraguado y la resistencia a la compresión. Los resultados están
indicados seguidamente:
Se tratan por el procedimiento de la invención
unas escorias de acerería que tienen las siguientes
características:
Estas escorias de acerería (tabla anterior) en
estado líquido, coladas en una cuchara, son removidas y oxidadas en
las condiciones indicadas a continuación.
\vskip1.000000\baselineskip
Como en el ejemplo 1 se habían introducido en la
cuchara, con anterioridad a la colada, de las escorias, los
siguientes aditivos:
\vskip1.000000\baselineskip
Tras disolución de los aditivos, se para el
insuflado de aire y oxígeno y se enfrían las escorias en las
siguientes condiciones:
\vskip1.000000\baselineskip
Las escorias LD obtenidas tienen las condiciones
mineralógicas siguientes:
\vskip1.000000\baselineskip
Las escorias obtenidas por el tratamiento son
trituradas a 3500 cm^{2}/g.
Mezcladas con agua, se obtienen los siguientes
desprendimientos de calor:
Se utilizan las escorias tratadas anteriormente
como cemento en unas condiciones normalizadas (E/C = 0,5; probetas
prismáticas 4 cm x 4 cm x 16 cm) y se determina el tiempo de
fraguado y la resistencia a la compresión (R_{c}).
Los resultados están indicados en la siguiente
tabla:
Los ensayos mencionados más arriba muestran que
las escorias LD tratadas según la invención que tienen como
composición minerológica el primer o el segundo ensamblado de fases
presentan en sí mismas unas propiedades de aglomerante
hidráulico.
En todos los ejemplos las resistencias a la
flexión (R_{f}) y a la compresión (R_{c}) han sido determinadas
según las normas NF EN 196-1.
Claims (18)
1. Procedimiento de tratamiento de una escoria de
acerería que comprende:
- -
- la inyección en la escoria líquida de oxígeno o de una mezcla de gas que contiene oxígeno para remover y oxidar la escoria;
- -
- la adición y la disolución en la escoria líquida removida de una fuente de alúmina y de una fuente de cal y facultativamente de una fuente de sílice y/o de hierro; y
- -
- el enfriamiento de la escoria hasta su solidificación; siendo las cantidades añadidas de fuente de alúmina y de cal, y eventualmente de sílice y de hierro, y la velocidad de enfriamiento tales que la escoria tratada obtenida tiene una composición mineralógica con una de las siguientes constituciones:
- (a)
- una fase vítrea amorfa;
- (b)
- un primer ensamblado de fases (1) constituido, en porcentaje en peso, por 10 a 40 CA, por 20 a 50 C2AS, por 30 a 50 C6AF2 y por 10 a 30 C2S;
- (c)
- un segundo ensamblado de fases (2) constituido por, en porcentaje en peso, de 20 a 40 C2F, de 10 a 30 C2AS, de 20 a 50 C6AF2 y de 10 a 40 C2S; y
- (d)
- una mezcla de una fase vítrea amorfa y del primer o segundo ensamblado de fases.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la escoria líquida está a una
temperatura de 1350ºC a 1550ºC, preferentemente 1350 a 1500ºC.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la inyección de oxígeno o de mezcla de
gases que contenga oxígeno gaseoso es regulada para obtener una
presión de oxígeno o de mezcla de gases en equilibrio con la
escoria líquida de 10^{2} a 5.10^{5} Pa, preferentemente
10^{5} a 5.10^{5} Pa.
4. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
velocidad de enfriamiento es una velocidad de enfriamiento rápida y
la escoria tratada obtenida está constituida en su totalidad por
una fase vítrea amorfa (a).
5. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la velocidad de
enfriamiento es una velocidad de enfriamiento lenta y la escoria
obtenida está constituida (b) por un primer ensamblado de fases (1)
o (c) del segundo ensamblado de fases (2) o (d) por una mezcla de
una fase vítrea y de un primer o un segundo ensamblado de fases.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque en la mezcla (d), la fase vítrea
representa del 5 al 95% en peso de la escoria tratada.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fuente
de alúmina es la alúmina o la bauxita, la fuente de cal es la cal o
la piedra caliza, la fuente de sílice es la sílice y la fuente del
hierro la hematites.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
cantidad de alúmina añadida es tal que la proporción de alúmina en
la escoria tratada representa más del 25% en peso, preferentemente
al menos el 30% en peso de la escoria tratada.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
cantidad de cal añadida es tal que la proporción de cal en la
escoria tratada representa al menos el 40% en peso de la escoria
tratada.
10. Escoria LD tratada (escoria de acerería
solidificada y triturada, tratada), caracterizada porque
posee una composición mienralógica que tiene una de las siguientes
constituciones:
- (a)
- una fase vítrea amorfa;
- (b)
- un primer ensamblado de fases (1) constituido, en porcentaje en peso, por 10 a 40 CA, por 20 a 50 C2AS, por 30 a 50 C6AF2 y por 10 a 30 C2S;
- (c)
- un segundo ensamblado de fases (2) constituido por, en porcentaje en peso, por 20 a 40 C2F, por 10 a 30 C2AS, por 20 a 50 C6AF2 y por 10 a 40 C2S; y
- (d)
- un ensamblado de una fase vítrea amorfa y del primer o segundo ensamblado de fases.
11. Escoria LD tratada según la reivindicación
10, caracterizada porque está constituida en su totalidad de
una fase vítrea amorfa.
12. Escoria LD tratada según la reivindicación
10, caracterizada porque está constituida por un primer
ensamblado de fases (I) o por un segundo ensamblado de fases
(2).
13. Escoria LD tratada según la reivindicación
10, caracterizada porque está constituida por una mezcla de
una fase vítrea y de un segundo ensamblado de fases (2).
14. Escoria LD tratada según la reivindicación
13, caracterizada porque la fase vítrea representa del 5 a
95% en peso, preferentemente del 5 a 15% en peso de la escoria LD
tratada.
15. Escoria LD tratada según cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 14, caracterizada porque la proporción
de alúmina presente en la escoria tratada representa más del 25% en
peso, preferentemente al menos el 30% en peso de la escoria.
16. Escoria LD tratada según cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 15, caracterizada porque la proporción
de cal presente en la escoria tratada representa al menos el 40% en
peso de la escoria.
17. Escoria LD tratada según cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 16 en forma de granulado.
18. Material que comprende una mezcla de un
cemento y del granulado según la reivindicación 17.
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