ES2323747T3 - Composiciones basadas en cemento mejoradas. - Google Patents
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Abstract
Una composición basada en cemento que comprende al menos un material cementoso y metacaolín altamente reactivo, en la que el metacaolín altamente reactivo se caracteriza porque comprende perlas aglomeradas de micropartículas, teniendo las perlas aglomeradas una mediana del diámetro de al menos 10 micrómetros y teniendo las micropartículas una mediana del diámetro de 5 micrómetros o menor.
Description
Composiciones basadas en cemento mejoradas.
Esta invención se refiere a novedosas
composiciones basadas en cemento que contienen metacaolín.
Se conoce el uso de metacaolín en el cemento.
Por ejemplo, la patente de EE.UU. 4.793.861 describe un producto
basado en cemento que está reforzado con fibras de vidrio que tiene
buena resistencia a entornos alcalinos. El producto contiene, por
cada 100 partes en peso de cemento, aproximadamente 10 a 40 partes
en peso de metacaolín, presentando este último una reactividad al
ensayo de Chapelle modificado superior a 500 mg de CaO por gramo de
metacaolín.
La patente de EE.UU. 4.842.649 describe una
composición de cemento hidráulico mezclado compuesto por cemento
Pórtland, escoria, puzolanas que incluyen metacaolín, y mezclas que
incluyen carbonato de potasio y composiciones reductoras del
agua.
La patente de EE.UU. 4.975.396 describe un
procedimiento para producir composiciones cementosas reforzadas en
las que los siguientes constituyentes se mezclan en la fase acuosa
en el siguiente orden: aproximadamente 35-55 partes
en peso de agua mezclada con aproximadamente 3-12
partes de un polímero, en peso del polímero seco; hasta
aproximadamente 5 partes de un agente auxiliar reductor del agua y/o
un agente de licuación; de aproximadamente 15-30
partes de metacaolín; de aproximadamente 50-120
partes de arena de sílice y aproximadamente 100 partes de cemento.
El mezclado continuo se mantiene hasta que se obtiene una pasta
tixotrópica homogénea. Entonces, en la pasta se introduce entre el
2 y el 15% en peso de fibras de vidrio resistentes a álcalis, con
respecto al peso de la pasta.
La patente de EE.UU. 4.994.114 describe un
procedimiento para seleccionar una puzolana (por ejemplo,
metacaolín) para la incorporación en un material compuesto que
comprende cemento y vidrio.
El documento GB 2294259 desvela una mezcla de
hormigón que comprende metacaolín de < 2 micrómetros
y 2-50% en peso de un medio acuoso que comprende un agente dispersante.
y 2-50% en peso de un medio acuoso que comprende un agente dispersante.
La patente de EE.UU. 5.167.710 describe un
procedimiento para preparar una mezcla de cemento que contiene
fibras en la que una pasta se forma mezclando cemento y, por 100
partes en peso de cemento, aproximadamente 5 a 20 partes en peso de
un primer material pulverizado del que los granos tienen un diámetro
promedio de entre 1/5 y 1/10 el diámetro promedio de los granos del
cemento y aproximadamente 20 a 35 partes en peso de agua. Entonces,
la pasta se mezcla con fibras de refuerzo. La pasta también puede
incluir un segundo material pulverizado cuyo diámetro de grano
promedio es entre 1/5 y 1/10 el diámetro promedio del primer
material pulverizado.
La patente de EE.UU. 5.372.640 describe
productos basados en cemento reforzados con fibras de vidrio
resistentes a álcalis que se vuelven casi insensibles al
envejecimiento cuando se añaden 30 a 40 partes en peso de una
composición de metacaolín por cada 100 partes de cemento.
La patente de EE.UU. 5.624.489 describe un
aditivo que previene la conversión para composiciones basadas en
cemento con alto contenido en alúmina, comprendiendo el aditivo:
polvo puzolánico silíceo, por ejemplo zeolita, escoria de alto
horno granulada, ceniza volante, humo de sílice, cascarillas de
arroz, metacaolín; sales inorgánicas que contienen cationes sodio o
potasio y sulfato, carbonato, nitrato, silicato, fosfato, aniones
cloruro o bromuro, y opcionalmente otras mezclas químicas, por
ejemplo superplastificantes.
La patente de EE.UU. 5.626.665 describe sistemas
cementosos que comprenden yeso, arcilla calcinada y clínker.
Las puzolanas son materiales finamente divididos
que pueden reaccionar con álcali para formar productos cementosos.
Sin embargo, el fino tamaño de partícula de las puzolanas puede
llevar a un aumento en la demanda de agua. En los sistemas basados
en cemento, la adición de agua adicional puede reducir el
rendimiento del sistema mediante la reducción de la resistencia y
aumentar la permeabilidad de las estructuras basadas en cemento
resultantes. No se desea la reducción de la resistencia por varias
razones. Inicialmente, un retraso en el desarrollo temprano de la
resistencia da como resultado un agrietamiento de la superficie
debido a la evaporación. En segundo lugar, los trabajos duran más
porque el encofrado del hormigón debe permanecer en su lugar
sustancialmente más, y se retrasa la finalización.
El fino tamaño de partícula de las puzolanas
puede llevar adicionalmente a una escasa fluidez de sistemas
basados en cemento antes del fraguado. Por tanto, todavía existe la
necesidad de puzolanas mejoradas que tengan menor demanda de agua
para producir una mayor resistencia a la compresión, a la vez que se
mantiene la actividad puzolánica en sistemas basados en cemento.
Debido a que la actividad puzolánica está asociada al tamaño de
partícula, un material que tiene un tamaño de partícula más fino
produce una reacción puzolánica más rápida. Como resultado, la
mayoría de las puzolanas altamente reactivas son, en forma
producida, polvos finos con baja densidad aparente. Sin embargo,
todavía existe también una necesidad de puzolanas que tengan una
fluidez mejorada como polvo seco con una mayor densidad aparente
para reducir los costes de transporte y almacenamiento.
La presente invención se refiere a una
composición basada en cemento que contiene al menos un material
cementoso y al menos un metacaolín altamente reactivo, en la que el
metacaolín altamente reactivo se caracteriza porque comprende
perlas aglomeradas de micropartículas, teniendo las perlas
aglomeradas una mediana del diámetro de al menos 10 micrómetros y
teniendo las micropartículas una mediana del diámetro de 5
micrómetro o menos.
En una realización, la composición basada en
cemento también comprende un dispersante.
Las composiciones basadas en cemento de esta
invención están previstas para uso en aplicaciones basadas en
cemento tales como yesos para piscinas, lechadas, morteros y
hormigón. Las composiciones de la presente invención contienen al
menos un material cementoso, al menos una puzolana altamente
reactiva como se especifica en la reivindicación 1, y opcionalmente
al menos un dispersante. La composición basada en cemento es la
mezcla seca combinada total de la composición cementosa y
materiales de puzolana altamente reactiva que reacciona con agua
para formar el aglutinante en hormigón u otro material. El hormigón
es un material de construcción que comprende la composición basada
en cemento, agua, mezclas opcionales y conglomerados.
Los materiales cementosos incluyen aquellos
materiales normalmente requeridos para preparar cemento. En términos
generales, los materiales cementosos son materiales aglutinantes
que endurecen para formar un medio de conexión entre sólidos. Los
materiales cementosos incluyen cementos, que son cualquier mezcla de
cal finamente molida, alúmina y sílice que fraguará para dar un
producto duro que se combina con otros componentes para formar un
hidrato tal como cemento Pórtland, cementos hidráulicos, cemento
mezclado y cemento de albañilería, mortero, y conglomerado
relacionado, mezclas y/o aditivos que incluyen cal hidratada,
caliza, tiza, concha calcárea, talco, escoria o arcilla.
El cemento Pórtland ordinario es un cemento
hidráulico producido mediante pulverización de clínker de cemento
Pórtland. Los cementos Pórtland se clasifican bajo las normas ASTM ©
150-95 en ocho tipos, que incluyen: Tipo I para uso
en construcción general en hormigón en la que no se requieren las
propiedades especiales especificadas para los Tipos II, III, IV y
V; Tipo II para uso en construcción general en hormigón expuesto a
una acción moderada del sulfato, o en la que se requiere calor de
hidratación moderado; Tipo III para uso cuando se requiere alta
resistencia temprana; Tipo IV para uso cuando se requiere bajo calor
de hidratación; Tipo V para uso cuando se requiere alta resistencia
al sulfato; y Tipos IA, IIA y IIIA, que son los mismos que los Tipos
I, II, y III, respectivamente, excepto que tienen añadido un agente
incorporador de aire. El "cemento Pórtland ordinario" en el
contexto de esta invención incluye todos los tipos
(I-V y IA-IIIA) de cemento Pórtland
que se citan en ASTM C 150-95.
En una realización, las composiciones basadas en
cemento de la presente invención contienen de aproximadamente el
50% a aproximadamente el 99,5% en peso de un material cementoso. En
otra realización, las composiciones basadas en cemento de la
presente invención contienen de aproximadamente el 75% a
aproximadamente el 99% en peso de un material cementoso.
Las composiciones basadas en cemento contienen
al menos una puzolana altamente reactiva, que es metacaolín. Las
composiciones basadas en cemento según la presente invención tienen
al menos una de menor demanda de agua, mayor resistencia a la
compresión y mayor fluidez en comparación con las composiciones
basadas en cemento que no contienen una puzolana altamente
reactiva. En una realización, las composiciones basadas en cemento
de la presente invención contienen de aproximadamente el 0,5% a
aproximadamente el 50% en peso de la puzolana altamente reactiva.
En otra realización, las composiciones basadas en cemento de la
presente invención contienen de aproximadamente el 1% a
aproximadamente el 25% en peso del metacaolín altamente reactivo. En
todavía otra realización, las composiciones basadas en cemento de
la presente invención contienen de aproximadamente el 2% a
aproximadamente el 20% en peso del metacaolín altamente
reactivo.
El metacaolín altamente reactivo es altamente
reactivo porque los materiales compuestos que tienen altas
resistencias a la compresión pueden obtenerse como resultado de la
presente invención. Es decir, los componentes de las composiciones
basadas en cemento de la presente invención que contienen el
metacaolín altamente reactivo reaccionan y fraguan de tal manera
que los materiales compuestos que tienen altas resistencias a la
compresión se obtienen en comparación con composiciones basadas en
cemento que no contienen el metacaolín altamente reactivo que se
describe en este documento. Aunque el metacaolín altamente reactivo
posee poco o ningún valor cementoso, en presencia de humedad
reacciona químicamente con hidróxido cálcico a temperaturas
ordinarias para formar compuestos que poseen propiedades
cementosas.
El metacaolín altamente reactivo está
constituido por perlas aglomeradas de micropartículas. En una
realización, las perlas aglomeradas tienen una mediana del tamaño
de partícula de 10 micrómetros a 100 micrómetros (superior a 10
micrómetros). En otra realización, las perlas aglomeradas tienen una
mediana del tamaño de partícula de 15 micrómetros a 50 micrómetros
(superior a 15 micrómetros). En todavía otra realización, las perlas
aglomeradas tienen un tamaño de partícula promedio de 20
micrómetros a 40 micrómetros (superior a 20 micrómetros).
En una realización, las micropartículas tienen
una mediana del tamaño de partícula de 0,1 micrómetros a 5
micrómetros (5 micrómetros o menos). En otra realización, las
micropartículas tienen una mediana del tamaño de partícula de 0,2
micrómetros a 2 micrómetros (2 micrómetros o menos). En todavía otra
realización, las micropartículas tienen una mediana del tamaño de
partícula de 0,25 micrómetros a 0,75 micrómetros (0,75 micrómetros
o menos).
En una realización preferida, la distribución
del tamaño de partícula de las micropartículas es aproximadamente
el 95% de las micropartículas tienen de 0,2 micrómetros a 5
micrómetros. En otra realización preferida, la distribución del
tamaño de partícula de las perlas aglomeradas es aproximadamente el
95% de las perlas aglomeradas tienen de 15 micrómetros a 30
micrómetros. En otra realización, las perlas aglomeradas de las
partículas de metacaolín tienen una mediana del diámetro de
partícula de al menos cinco veces la de las micropartículas de
metacaolín constituyentes. Las micropartículas inferiores a
aproximadamente 0,1 micrómetros normalmente no afectan
negativamente el rendimiento de las perlas aglomeradas, pero las
micropartículas superiores a aproximadamente 10 micrómetros deben
minimizarse ya que pueden reducir la integridad física de las perlas
aglomeradas de esta invención.
Hay varios procedimientos y dispositivos para
medir los tamaños de partícula en este intervalo. Para los fines de
esta invención, el tamaño de partícula se determina mediante
técnicas de sedimentación convencionales usando el analizador de
tamaño de partícula SEDIGRAPH® 5100 de Micromeretics, Inc. Las
partículas se suspenden en agua con un dispersante y se bombean por
el detector con agitación para dispersar los aglomerados
sueltos.
El metacaolín altamente reactivo adecuado para
uso en la presente invención puede prepararse mediante un
procedimiento que comprende aglomerar una suspensión líquida que
comprende al menos un metacaolín. En una realización preferida, el
metacaolín combinado con el agua tiene un tamaño de partícula de 0,1
micrómetros a 5 micrómetros. Las distribuciones de tamaño de
partícula deseadas del metacaolín pueden obtenerse moliendo o
pulverizando partículas grandes de metacaolín y/o mediante
tamizado, centrifugado, clasificación por aire, u otros medios de
separación para eliminar partículas mayores a aproximadamente 10
micrómetros.
El metacaolín es conocido para aquellos expertos
en la materia y puede prepararse mediante calcinación de caolín
hidratado, que se representa generalmente por la fórmula
Al_{2}O_{3}\cdot2SiO_{2}\cdot2H_{2}O, en el que el agua
está presente como agua intersticial. El metacaolín de esta
invención se prepara normalmente mediante calcinación a
temperaturas de aproximadamente 350ºC a aproximadamente 1000ºC, más
normalmente de aproximadamente 500º a aproximadamente 900ºC. Los
términos "metacaolín" y "metacaolinita" se usan en este
documento para indicar un producto activado de caolinita producido
térmicamente o mediante cualquier otro medio. La formula abreviada
para el metacaolín puede escribirse usando los símbolos estándar A y
S (A=Al_{2}O y S=SiO_{2}) como AS_{2}.
En una realización, el metacaolín se combina con
un líquido para formar una suspensión. El líquido es normalmente
agua, pero también puede incluir líquidos orgánicos y mezclas de
agua-líquido orgánico. Opcionalmente, una cantidad
eficaz de al menos un dispersante se incluye en la suspensión para
facilitar la dispersión del metacaolín. Estos dispersantes pueden
formarse previamente y añadirse a la suspensión o formarse dentro de
la suspensión.
La suspensión es normalmente neutra teniendo,
por ejemplo, un pH de aproximadamente 6 a aproximadamente 8, y
preferentemente de aproximadamente 6,5 a aproximadamente 7,5. El pH
de la suspensión puede ajustarse, si es necesario, mediante la
adición de un ácido o base de manera que el pH final de la
suspensión sea aproximadamente neutro. La formación de la
suspensión se realiza normalmente a temperatura ambiente y a presión
atmosférica. Pueden usarse temperaturas y presiones más altas o más
bajas, pero no son necesarias.
Los dispersantes adecuados para uso en la
presente invención incluyen dispersantes orgánicos y dispersantes
inorgánicos. Los dispersantes incluyen generalmente dispersantes
basados en amoniaco y dispersantes basados en fosfato. Los
dispersantes incluyen adicionalmente dispersantes de sulfonato,
dispersantes de ácido carboxílico y dispersantes poliméricos, tales
como dispersantes de poliacrilato.
En una realización, a la suspensión se añade de
aproximadamente el 0,1% a aproximadamente el 20% en peso del
metacaolín de uno o más dispersantes. En otra realización, a la
suspensión se añade de aproximadamente el 0,5% a aproximadamente el
10% en peso del metacaolín de uno o más dispersantes. En todavía
otra realización, a la suspensión se añade de aproximadamente el 1%
a aproximadamente el 8% en peso del metacaolín de uno o más
dispersantes.
Los dispersantes inorgánicos basados en fosfato
incluyen fosfato de diamonio, fosfato de dipotasio, fosfato de
disodio, fosfato de monoamonio, fosfato de monopotasio, fosfato de
monosodio, tripolifosfato de potasio, pirofosfato ácido de sodio,
hexametafosfato de sodio, tripolifosfato de sodio, pirofosfato de
tetrapotasio, pirofosfato de tetrasodio, fosfato de tripotasio,
fosfato de trisodio, fosfato de urea y mezclas de los mismos.
Los dispersantes de sulfonato incluyen
naftalensulfonatos, alquilnaftalensulfonatos, alquilfenolsulfonatos
etoxilados, sulfonatos de petróleo, sulfonatos de ácido graso,
lignosulfonatos, olefinsulfonatos, aminasulfonatos y
alquilarilsulfonatos. Los ejemplos específicos incluyen aquellos
bajo la denominación comercial Morwet® disponible de Witco Corp.,
aquellos bajo la denominación comercial Sellogen disponible de
Henkel Corp. y aquellos bajo la denominación comercial Emkapon
disponible de Emkay Chemical Co.
Los ácidos carboxílicos incluyen normalmente
ácidos orgánicos y sus sales correspondientes que contienen de
aproximadamente 6 a aproximadamente 25 átomos de carbono. En otra
realización, los ácidos carboxílicos incluyen normalmente ácidos
orgánicos y sus sales correspondientes que contienen de
aproximadamente 8 a aproximadamente 20 átomos de carbono.
Los poliacrilatos incluyen poli(ácido acrílico),
sales de copolímeros acrílicos, copolímeros de ácido acrílico (por
ejemplo, con ácido maleico) y poliacrilatos de amonio o metal
alcalino y sales de policarboxilato. Los ejemplos específicos
incluyen aquellos bajo las denominaciones comerciales Acumer® y
Acusol disponibles de Rohm & Haas Co., aquellos bajo la
denominación comercial Colloid disponible de
Rhone-Poulenc Corp. y aquellos bajo la denominación
comercial Mayosperse disponible de Mayo Chemical.
En una realización, las composiciones basadas en
cemento y/o la composición de puzolana también contienen al menos
uno de reductores del agua y superplastificantes. Una cantidad menor
de un agente floculante también puede incorporarse en la mezcla
para facilitar la dispersión/suspensión de las partículas en el
medio líquido. Además, en la mezcla pueden incorporarse materiales
distintos de metacaolín. Por ejemplo, en la mezcla puede
incorporarse una cantidad menor de sorbentes especiales solubles en
agua o dispersables en agua (por ejemplo, sílices, alúminas u otras
arcillas) para adsorber selectivamente azufre, jabones, compuestos
fosforosos u otros compuestos perjudiciales y acabar en las perlas
aglomeradas. Los materiales de aditivos adicionales incluyen yeso,
sales alcalinas, polvo de horno hidratado, cal hidratada, ceniza
volante, agentes plastificantes, etc.
En una realización, las composiciones basadas en
cemento y/o las puzolanas altamente reactivas contienen un
aglutinante tal como carboximetilcelulosa, poli(alcohol
vinílico) y/o polivinilpirrolidona. En otra realización, las
composiciones basadas en cemento y/o las puzolanas altamente
reactivas no contienen un aglutinante tal como
carboximetilcelulosa, poli(alcohol vinílico) y/o
polivinilpirrolidona. En una realización preferida, la composición
de puzolana altamente reactiva no contiene un aglutinante tal como
carboximetilcelulosa, poli(alcohol vinílico) y/o
polivinilpirrolidona.
En otra realización, las composiciones basadas
en cemento y/o las puzolanas altamente reactivas contienen una
cantidad menor de al menos un material aglutinante, preferentemente
un aglutinante dispersable en agua. Como se usa en este documento,
un "aglutinante dispersable en agua" debe significar que bajo
las condiciones de procedimiento normales, el aglutinante es
soluble en agua u otro medio líquido o se dispersa suficientemente
o se suspende en él. Los aglutinantes adecuados para uso dentro del
contexto de la presente invención incluyen alginatos, dextrina,
glucosa, gomas, almidón, ceras, colas; compuestos poliméricos tales
como poli(acetato de vinilo); ácidos minerales tales como
ácido sulfúrico y ácido fosfórico; fosfatos tales como fosfato de
amonio; compuestos de sílice tales como silicatos alcalinos e
hidrosol de sílice; y arcillas coloidales tales como atapulgita.
Estos materiales aglutinantes están normalmente presentes en una
cantidad de hasta aproximadamente el 10% en peso de la puzolana
altamente reactiva en una base libre de humedad, preferentemente de
aproximadamente el 1% a aproximadamente el 5% en peso. Normalmente,
el compuesto polimérico, si está presente como el único
aglutinante, está presente en una cantidad de hasta aproximadamente
el 3% en peso de la puzolana altamente reactiva en una base libre
de humedad; y la arcilla coloidal, si está presente como el único
aglutinante, está presente en una cantidad de hasta aproximadamente
el 5% en peso de la puzolana altamente reactiva en una base libre
de humedad (como se usa en este documento, en este contexto
significa el peso alcanzado después de calentar hasta un peso
constante a aproximadamente 250ºF (121ºC).
La aglomeración del metacaolín; es decir, la
formación de las perlas aglomeradas, puede llevarse a cabo mediante
secado por pulverización de la suspensión, secado por evaporación
rápida de la suspensión, secado rotatorio, mezclado de la
suspensión u otras técnicas de conglomeración. Las técnicas de
secado por evaporación rápida son conocidas en la industria de las
arcillas. Las técnicas de secado por pulverización son conocidas en
la industria de las arcillas. Como referencia consúltese, por
ejemplo, "Atomization and Spray Drying" por W. R. Marshall
(Chemical Engineering Monograph Series, nº 2, vol. 50 (1954)).
En el secado por pulverización, la mezcla de
metacaolín, líquido (preferentemente agua) y aditivos o componentes
opcionales se ajusta, si es necesario, mediante la adición de
líquido de manera que la suspensión de metacaolín pueda bombearse y
pulverizarse. En una realización, la concentración de metacaolín en
la suspensión es al menos el 40% en peso de la suspensión. En otra
realización, la concentración de metacaolín en la suspensión es al
menos el 50% en peso de la suspensión. En todavía otra realización,
la concentración de metacaolín en la suspensión es al menos el 60%
en peso de la suspensión. Se observa que, debido a las
consideraciones reológicas, las partículas interactivas más
pequeñas tienden a proporcionar una mezcla viscosa, por lo que las
propiedades de transporte dependen tanto del tamaño de las
partículas como de su concentración. Entonces, la mezcla o
suspensión se pulveriza en una atmósfera de gases calientes inertes
(para este producto).
Pueden usarse secadores por pulverización de
diversos diseños. Estos secadores pueden ser de tipo flujo en
paralelo, contracorriente o mixto. Pueden usarse boquillas, discos o
similares para dispersar la suspensión en gotitas. Por supuesto, la
temperatura del aire de entrada y salida del secador por
pulverización dependerá del diseño del secador. La temperatura
interna real de las perlas aglomeradas en la cámara de secado debe
ser inferior a 107ºC (225ºF), por ejemplo de aproximadamente 82ºC a
93ºC (180ºF a 200ºF). A estas temperaturas, hay poco cambio o
ninguno en la estructura cristalina de la arcilla (el agua libre se
elimina, pero el agua intersticial no se elimina). Por tanto, las
gotitas se vuelven perlas aglomeradas porosas de metacaolín y se
recogen aguas abajo de la cámara de secado mediante los
procedimientos usuales. Usando un secador en paralelo, la
temperatura del aire de entrada y la velocidad de alimentación de la
suspensión de arcilla se ajustan para producir una temperatura de
salida del aire dentro del intervalo de aproximadamente 121ºC
(250ºF) a aproximadamente 149ºC (300ºF).
En otra realización, la mezcla de metacaolín,
líquido (preferentemente agua) y componentes opcionales puede
aglomerarse en una mezcladora mecánica. El mezclado normalmente
implica usar una mezcladora de alto cizallamiento. Un tipo
preferido de mezcladora emplea palas o paletas montadas radialmente
sobre un árbol giratorio de manera que la punta de la pala o
paleta, que se desplaza a alta velocidad, produce que las partículas
sólidas, el aglutinante y el agua incidan o se pongan en contacto
entre sí de tal manera que se forma un aglomerado. Con el tiempo,
las partículas nominalmente esféricas tienden a crecer cada vez más.
Este fenómeno se potencia por las puntas de las palas o paletas
acercándose mucho a una pared estacionaria o a un objeto sólido (por
ejemplo, otra paleta o pala) que se mueve a diferente velocidad
relativa. Los vórtices configurados por este movimiento de
cizallamiento tienden a potenciar la esfericidad de las perlas en
crecimiento.
Otros procedimientos de contacto mecánicos que
requieren menos energía son conocidos para aquellos expertos en la
materia, incluyendo el uso de granuladores de tambor o platos,
granuladores de lecho fluidizado o en surtidor, o granuladores por
volteo, rotatorios, vibratorios o giratorios. Para las descripciones
de estos procedimientos véanse, por ejemplo, Sherrington, P. J.
Granulation, Heyden & Son, Ltd. (1981). Estos dispositivos y
similares pueden usarse para producir gránulos, aunque no todos son
óptimos para hacer la presente invención.
La presente invención proporciona perlas
aglomeradas porosas fuertes de metacaolín en el intervalo de tamaño
de partícula relativamente pequeño de aproximadamente 10 a
aproximadamente 100 micrómetros. La "resistencia" puede
definirse por cualquier número de ensayos de desgaste. Por ejemplo,
el agitar el producto en aceite y luego medir el tamaño de
partícula o la velocidad de filtración dará una medida relativa de
la resistencia. Alternativamente, si el producto se transporta
reumáticamente en un bucle durante un periodo de tiempo, esto puede
separar partículas fuertes de formulaciones más débiles.
Las perlas aglomeradas contienen de
aproximadamente el 70% a aproximadamente el 100% en peso de
micropartículas de metacaolín y de aproximadamente el 0% a
aproximadamente el 30% de uno o más dispersantes y aditivos. En
otra realización, las perlas aglomeradas contienen de
aproximadamente el 80% a aproximadamente el 99% en peso de
micropartículas de metacaolín y de aproximadamente el 1% a
aproximadamente el 20% de uno o más dispersantes y aditivos. En
todavía otra realización, las perlas aglomeradas contienen de
aproximadamente el 90% a aproximadamente el 98% en peso de
micropartículas de metacaolín y de aproximadamente el 2% a
aproximadamente el 10% de uno o más dispersantes y aditivos.
Las perlas aglomeradas se combinan con el
material cementoso para formar una composición basada en cemento.
La pasta de cemento se prepara añadiendo agua a la composición
basada en cemento. El yeso para piscinas, las lechadas, el hormigón
y el mortero se preparan combinando agua, la composición basada en
cemento y cualquier conglomerado, mezcla o aditivo deseados.
En los sistemas de cemento de la técnica
anterior, las arcillas calcinadas convencionales de un tamaño de
partícula suficientemente fino producen un aumento en la demanda de
agua respecto a la demanda de agua del cemento Pórtland ordinario.
El aumento de la demanda de agua se correlaciona directamente con la
espectacular disminución en las resistencias tempranas a la
compresión de los sistemas cementosos de la técnica anterior que
contienen arcillas calcinadas convencionales con respecto al cemento
Pórtland ordinario. El aparente aumento en la demanda de agua puede
compensarse por mezclas químicas llamadas reductores del agua o
superplastificantes (reductores del agua de alto intervalo). Para
los morteros, la demanda de agua puede correlacionarse con la
aptitud para ser trabajado usando un aparato de la tabla de flujo
como se describe en ASTM C230-90. El flujo se mide
según el procedimiento en la sección 10 de ASTM
C109/109M-95. El número tras el procedimiento de
ensayo de ASTM indica que es el procedimiento de ensayo de ASTM
vigente durante ese año específico, tal como 1995 en el caso en el
que 95 siga al procedimiento de ensayo de ASTM.
La ASTM C 109/109M-95 cuantifica
la fluidez y la resistencia a la compresión de morteros de cemento
hidráulico. La resistencia a la compresión es la resistencia máxima
medida de un espécimen a la carga de compresión axial normalmente
expresada como fuerza por unidad de área de la sección transversal.
Aunque los procedimientos de ensayo de ASTM se explican
específicamente, aquellos expertos en la materia pueden darse cuenta
de que podrían usarse procedimientos alternativos para ensayar las
cualidades o los resultados citados. La única diferencia es que los
resultados o las cualidades pueden presentarse de una manera
diferente en la que podría usarse un sistema de conversión para dar
resultados comparables. Por consiguiente, la invención no debe
limitarse por los procedimientos de ensayo citados y los resultados
de los mismos, sino sólo a las reivindicaciones que se exponen más
adelante que tienen en cuenta procedimientos en ensayo y resultados
equivalentes.
Los ejemplos de esta invención se incluyen en
este documento a continuación. Por supuesto, los ejemplos no
pretenden limitar esta invención ya que la modificación de los
ejemplos por un recurso ordinario será rápidamente evidente para
aquellos expertos en la materia. A menos que se indique lo contrario
en los siguientes ejemplos y en cualquier lugar en la memoria
descriptiva y las reivindicaciones, todas las partes y porcentajes
son en peso, las temperaturas son en grados Celsius, las presiones
son a presión atmosférica o casi atmosférica.
Se preparan dos composiciones de mortero, una
composición según la presente invención y la otra composición no
según la invención, y se comparan. En la primera composición (según
la presente invención), una composición basada en cemento del 93%
en peso de cemento de mortero y el 7% en peso de un metacaolín
secado por pulverización en forma de perlas aglomeradas se combina
con agua con una relación de agua respecto a cemento de 0,48. En la
segunda composición (no según la presente invención), una
composición basada en cemento del 93% en peso de cemento de mortero
y el 7% en peso de metacaolín convencional se combina con agua con
una relación de agua respecto a cemento de 0,48.
En primer lugar se examina la fluidez. Los
resultados indican la menor demanda de agua del material compuesto
preparado según la presente invención. Con el fin de obtener la
misma fluidez o aptitud para ser trabajado, a la primera
composición se añade el 1,2% en peso de una mezcla química de
superplastificante, mientras que a la segunda composición se añade
el 3,2% en peso de la misma mezcla química de superplastificante (se
añade más mezcla química de superplastificante a la segunda
composición de manera que la segunda composición tiene la misma
fluidez que la primera composición). Esto indica una reducción en la
demanda de agua de la primera composición que contiene metacaolín
secado por pulverización.
En segundo lugar se examina la resistencia a la
compresión con el tiempo. Cada composición de mortero se forma en
un cubo de 5 cm (2 pulgadas) y se prueba la resistencia a la
compresión. Las resistencias a la compresión presentadas
representan el promedio de dos cubos de ensayo (para cada
composición a cada edad de ensayo). Cuando no están ensayándose,
los cubos de mortero se almacenan en agua con cal. Los resultados se
presentan en la tabla 1.
\vskip1.000000\baselineskip
En una realización, la cantidad de agua
combinada con las composiciones basadas en cemento según la presente
invención es aproximadamente el 5% menos de la requerida para
obtener la misma fluidez en comparación con composiciones basadas
en cemento convencionales tales como aquellas preparadas con
puzolanas convencionales que incluyen metacaolín convencional
(aparte del agua, las cantidades de otros componentes, tales como
aditivos opcionales, son las mismas). En otra realización, la
cantidad de agua combinada con las composiciones basadas en cemento
según la presente invención es aproximadamente el 10% menos de la
requerida para obtener la misma fluidez en comparación con
composiciones basadas en cemento convencionales tales como aquellas
preparadas con puzolanas convencionales que incluyen metacaolín
convencional (aparte del agua, las cantidades de otros componentes,
tales como aditivos opcionales, son las mismas). En todavía otra
realización, la cantidad de agua combinada con las composiciones
basadas en cemento según la presente invención es aproximadamente el
20% menos de la requerida para obtener la misma fluidez en
comparación con composiciones basadas en cemento convencionales
tales como aquellas preparadas con puzolanas convencionales que
incluyen metacaolín convencional (aparte del agua, las cantidades
de otros componentes, tales como aditivos opcionales, son las
mismas). Esto es una mejora notable ya que una menor demanda de
agua está asociada a un aumento en la densidad y a un aumento en la
resistencia.
Las composiciones basadas en cemento
convencionales (aquellas preparadas con puzolanas convencionales que
incluyen metacaolín convencional) tienen una densidad aparente a
granel de 240 kg/m^{3} (15 lb/ft^{3}) y una densidad aparente
compactada de 449 kg/m^{3} (28 lb/ft^{3}). En una realización,
la densidad aparente a granel de las composiciones basadas en
cemento según la presente invención es al menos aproximadamente 400
kg/m^{3} (25 lb/ft^{3}) (según ASTM D716-86). En
otra realización, la densidad aparente a granel de las
composiciones basadas en cemento según la presente invención es al
menos aproximadamente 481 kg/m^{3} (30 lb/ft^{3}) (según ASTM
D716-86). En todavía otra realización, la densidad
aparente a granel de las composiciones basadas en cemento según la
presente invención es al menos aproximadamente 529 kg/m^{3} (33
lb/ft^{3}) (según ASTM D716-86).
En una realización, la densidad aparente
compactada de las composiciones basadas en cemento según la presente
invención es al menos aproximadamente 561 kg/m^{3} (35
lb/ft^{3}). En otra realización, la densidad aparente compactada
de las composiciones basadas en cemento según la presente invención
es al menos aproximadamente 641/m^{3} (40 lb/ft^{3}). En
todavía otra realización, la densidad aparente compactada de las
composiciones basadas en cemento según la presente invención es al
menos aproximadamente 721 kg/m^{3} (45 lb/ft^{3}).
Las composiciones de mortero preparadas según la
presente invención no sólo presentaron una aptitud para ser
trabajadas superior, sino también una resistencia a la compresión
superior. Es difícil mejorar simultáneamente tanto la aptitud para
ser trabajadas como la resistencia a la compresión, sin embargo la
presente invención proporciona composiciones basadas en cemento que
presentan tanto aptitud para ser trabajadas como resistencia a la
compresión mejoradas. La presente invención también proporciona
composiciones basadas en cemento que tienen densidades aparentes
relativamente altas (a granel y/o compactadas).
Aunque la invención se ha explicado en relación
a sus realizaciones preferidas, debe entenderse que diversas
modificaciones de las mismas serán evidentes para aquellos expertos
en la materia al leer la memoria descriptiva. Por tanto, debe
entenderse que la invención desvelada en este documento pretende
cubrir tales modificaciones ya que se encuentran dentro del alcance
de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (17)
1. Una composición basada en cemento que
comprende al menos un material cementoso y metacaolín altamente
reactivo, en la que el metacaolín altamente reactivo se
caracteriza porque comprende perlas aglomeradas de
micropartículas, teniendo las perlas aglomeradas una mediana del
diámetro de al menos 10 micrómetros y teniendo las micropartículas
una mediana del diámetro de 5 micrómetros o menor.
2. La composición basada en cemento según la
reivindicación 1, en la que las micropartículas tienen una mediana
del diámetro de 0,75 micrómetros o menor.
3. La composición basada en cemento según la
reivindicación 1, en la que las perlas aglomeradas tienen una
mediana del diámetro de al menos 15 micrómetros.
4. La composición basada en cemento según la
reivindicación 1, en la que las perlas aglomeradas tienen una
mediana del diámetro de al menos 20 micrómetros.
5. La composición basada en cemento según la
reivindicación 1, en la que el metacaolín aglomerado se forma
mediante secado por pulverización de una suspensión líquida de
metacaolín.
6. La composición basada en cemento según la
reivindicación 1, en la que el metacaolín aglomerado se forma
mediante tratamiento térmico de caolín hidratado, combinación del
caolín hidratado tratado térmicamente con agua formando una
suspensión de metacaolín y secado por pulverización de la suspensión
de metacaolín.
7. La composición basada en cemento según la
reivindicación 6, en la que la suspensión comprende al menos el 40%
en peso de metacaolín.
8. La composición basada en cemento según la
reivindicación 5, en la que la suspensión comprende además un
dispersante.
9. La composición basada en cemento según la
reivindicación 8, en la que el dispersante comprende al menos uno
de un dispersante basado en amoniaco, un dispersante basado en
fosfato, un dispersante de sulfonato, un dispersante de ácido
carboxílico y un dispersante polimérico.
10. La composición basada en cemento según la
reivindicación 9, en la que el dispersante comprende un dispersante
de poliacrilato.
11. La composición basada en cemento según la
reivindicación 9, en la que la suspensión comprende el dispersante
en una cantidad del 0,1% al 20% en peso de metacaolín.
12. La composición basada en cemento según la
reivindicación 1, en la que el metacaolín aglomerado comprende un
metacaolín mezclado a alto cizallamiento.
13. La composición basada en cemento según la
reivindicación 1, que comprende del 50% al 99,5% del material
cementoso y del 0,5% al 50% del metacaolín altamente reactivo.
14. La composición basada en cemento según la
reivindicación 1, en la que el material cementoso comprende cemento
Pórtland.
15. La composición basada en cemento según la
reivindicación 8, que comprende del 50% al 99% en peso del material
cementoso y del 1% al 50% en peso del metacaolín altamente reactivo,
comprendiendo el metacaolín altamente reactivo del 80% al 99% del
metacaolín aglomerado y del 1% al 20% del dispersante.
16. La composición basada en cemento según la
reivindicación 1 que tiene una densidad aparente a granel de al
menos 480 kg/m^{3} (30 lb/ft^{3}).
17. La composición basada en cemento según la
reivindicación 1 que tiene una densidad aparente compactada de al
menos 640 kg/m^{3} (40 lb/ft^{3}).
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