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Tinte para hormigón basado en un ácido débil
ES2710889T3
Spain
- Other languages
English - Inventor
Sanford Hertz Ed Daraskevich William Tao Jason Netherton Matthew Gebhard - Current Assignee
- Swimc LLC
Worldwide applications
Application ES08754196T events
2008-05-02
2019-04-29
Application granted
2019-04-29
Status
Active
2028-05-02
Anticipated expiration
Description
translated from
DESCRIPCION
Tinte para hormigon basado en un acido debil
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere en general a composiciones y metodos que estan destinados a impartir color a superficies de substratos cementosos o minerales. Espedficamente, la presente invencion se refiere a una composicion y un metodo adaptados para tratar superficies cementosas que tienen la ventaja de usar una solucion a base de acido no corrosivo.
Antecedentes
Las composiciones basadas en cemento gozan de una amplia aplicacion en materiales de construccion, colocacion de tejas, revoques de paredes y piscinas, estuco, compuestos autonivelantes, tejas y parches de cemento. El hormigon y los materiales similares se producen a partir de los metales alcalinoterreos tfpicamente mezclando el cemento portland con arena, grava y agua. La reaccion del cemento con el agua produce, entre otras cosas, carbonatos metalicos tales como carbonato de calcio. El carbonato de calcio en la mezcla es insoluble en agua pero reacciona facilmente con la mayona de los acidos.
Durante un tiempo, ha habido un deseo de producir hormigon coloreado para mejorar la apariencia decorativa del hormigon. Por ejemplo, la patente de EE.UU. No. 3,930,740 describe herramientas para imprimir patrones de piedra no repetitivos en hormigon fresco al que se agrega color. El documento U.S. 5,735,094 describe un proceso para aplicar un revestimiento ornamental compuesto de mortero lfquido que incluye un pigmento de color. La adicion de tintes y pigmentos a los materiales cementosos tambien ha tenido una amplia aplicacion en todos los materiales mencionados anteriormente.
Existen varios procesos para colorear u adornar una superficie de hormigon que se conocen en la tecnica. Estos incluyen cepillar el hormigon parcialmente endurecido para producir una superficie con textura cepillada o agregar un agente colorante que se incorpora a la mezcla de hormigon. Sin embargo, despues, es necesaria una limpieza a fondo del equipo del aplicador, lo que da como resultado mano de obra y gastos considerables. Este metodo es costoso e ineficiente, ya que los agentes colorantes son caros, se mezclan por todas partes del hormigon y solo se necesitan en la superficie donde son visibles. Se conocen tratamientos de superficie mas elaborados, que incluyen incrustar piedras que vanan en tamano o color en areas de hormigon por medio de cemento o resina.
Uno de los procesos mas comunes conocidos en la tecnica para colorear o tenir hormigon implica lavar una superficie de hormigon con una solucion acida que contiene una sal metalica. Despues de la aplicacion de la solucion de tincion acida y el desarrollo del color, comunmente se aplica un agente neutralizante al hormigon tenido y se aplica un revestimiento de sellador polimerico de proteccion transparente.
Un segundo metodo comun en la tecnica de la coloracion del hormigon implica lavar la superficie del hormigon con una solucion acida para raspar o grabar la superficie; neutralizar y enjuagar la solucion de grabado con una mezcla de bicarbonato de sodio comun y agua; colorear la superficie con un tinte o pintura a base de polfmero; y acabar la superficie con un revestimiento transparente.
Otro proceso conocido implica lavar una superficie de hormigon con una solucion acida para limpiar el hormigon, aplicar una capa de polfmeros a la superficie del hormigon, aplicar una primera capa de una solucion acuosa de cemento y polfmeros a la superficie del hormigon revestido, aplicar una plantilla con respaldo adhesivo a las regiones seleccionadas de la primera capa de cemento y polfmeros, aplicar una segunda capa de cemento y polfmero sobre la plantilla y la primera capa de revestimiento, aplicar materiales de color a la segunda capa de cemento y polfmero antes del curado de la segunda capa, y eliminar la plantilla para exponer la superficie de hormigon coloreada. Tambien se puede aplicar un sellador sobre la superficie de hormigon coloreada.
Sin embargo, estos procesos de revestimiento implican el uso de soluciones acidas altamente corrosivas, que son peligrosas de manejar. Si se elimina el uso del acido, la coloracion del hormigon no es permanente y es propensa a la descamacion y la erosion. En consecuencia, existe una necesidad insatisfecha de un proceso de coloracion del hormigon que usa un agente colorante menos corrosivo permanente que de como resultado una superficie de hormigon revestida, duradera y decorativa y.
El documento US 2006/0023042 A1 describe composiciones lfquidas para impresion por chorro de tinta.
El documento US 2006/0063689 A1 describe composiciones de limpieza y preparacion de hormigon.
Compendio de la invencion
Tintes acidos para hormigon tradicional, como se describe en el documento US 2004/0151950 A1, usan acido clorhudrico para descomponer el carbonato de calcio y el oxido de calcio en el hormigon, y para facilitar el intercambio de iones con la sal metalica, que imparte el color a la superficie del material. Sin embargo, el uso de acido clorhudrico implica la produccion de vapores excesivos de cloruro de hidrogeno, que son irritantes para la piel y los ojos y toxicos.
Ademas, la solucion de acido clortudrico es muy corrosiva y, por lo tanto, peligrosa de manejar y usar. Los inventores han descubierto que el uso de un acido y una base debil, como el acido clortudrico y la urea, proporciona un medio eficaz y seguro para tenir sustratos cementosos.
Normalmente, todos los tintes acidos deben enjuagarse despues de la aplicacion para eliminar el exceso de precipitado de sal. Los tintes acidos que usan acido clortudrico deben neutralizarse antes del enjuague, o la escorrentfa del enjuague puede tenir el hormigon adyacente. Los agentes neutralizantes tfpicos usados son amomaco o hidroxido de sodio, o soluciones de bicarbonato de sodio. Una ventaja adicional de combinar un acido con una base debil es que el hormigon tenido se neutraliza a si mismo durante el proceso de tincion. Esto elimina la necesidad de hacerlo pasar por una etapa de neutralizacion antes de enjuagar.
Descripcion detallada de la invencion
La presente invencion se refiere a composiciones y metodos para impartir color a un sustrato cementoso o mineral. La composicion incluye un acido con un pKa menor que 6, una base debil tal que el acido conjugado de la base debil tiene un pKa menor que 7 y mayor que el pKa del acido, y una o mas sales metalicas solubles en agua, seleccionada del grupo que consiste en sales de cloruro, sulfato, nitrato, nitrito, fosfato y fosfonato de titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, mquel, cobre, aluminio, magnesio y bario.
En diversas realizaciónes, las sales metalicas solubles en agua de la composicion pueden incluir sales de los elementos de transicion. En algunas realizaciónes, la base debil se puede descomponer cuando se aplica a los materiales cementosos de manera que los productos de descomposicion son bases mas fuertes.
La fuerza de una base se define por el pKa de su acido conjugado. Cuanto mayor sea el pKa del acido conjugado de las bases, mas fuerte sera la base. Por ejemplo, el acetato es una base debil donde el acido conjugado (acido acetico) tiene un pKa de 4,75. El lactato es una base debil donde el acido conjugado (acido lactico) tiene un pKa de 3,86. Dada esta definicion, el acetato sena considerado una base mas fuerte que el lactato.
Ciertas realizaciónes incluiran una base debil que se puede descomponer en componentes que tienen una presion de vapor mayor que 69 Pa (0,01 psi) a 25 °C al aplicarse al sustrato. En algunas realizaciónes, el acido es un haluro de hidrogeno. En otros, las bases debiles son preferiblemente urea.
Las bases debiles utiles en la presente invencion incluyen:
(1) ureas sustituidas de la siguiente formula.
R1 R2-N-C (O) -N-R3 R4
donde R1, R2, R3 y R4 son grupos de carbono C1-C10 o hidrogeno. Por ejemplo, urea, tetrametilurea, acetilurea, imidazolidinona o imidazolidonas sustituidas, pirimidinona, pirimidindiona y similares;
(2) amidas tales como formamida y dimetilformamida, o acetamidas tales como dimetil acetamida, caprolactama; y, pirolidona;
(3) esteres de acido carbonico, tales como carbonatos de alquilo y arilo, tales como carbonato de dimetilo, carbonato de propileno, bis-(metil carbonato) de etilenglicol, carbonato de etilo M-tolilo;
(4) carbamatos tales como carbamatos de alquilo y arilo, tales como etilcarbamato de etilo, oxazolidinona y oxazolidindiona; y,
(5) aminoacidos tales como glicina, alanina, leucina, valina, fenilalanina, acido aspartico, acido glutamico, cistema, lisina e histidina.
Los ejemplos adicionales de bases debiles incluyen alcanolaminas, incluidas trietanolamina, dietanoamina, monoetanolamina y aminas alcoxiladas de la siguiente fórmula (HO - [(R) O]x -R)y-NH3-y, en donde R es un grupo alquilo C2 a C8, y x puede variar de 1 a 100, e y puede variar de 1 a 3; polfmeros con grupos heterodclicos que contienen nitrogeno (incluidos, entre otros, piridina, pirimidina, imidazol, tetrazol, pirazina, quinolina, isoquinolina, indol, isoindol, bencimidazol, purina, pirrol, isopirazol, quinazolina, piridazina, pirazina, cinolina, ftalazina, quinoxalina, xantina, hipoxantina, y pteridina); polfmeros y copolfmeros de acrilamida y amidas dclicas tales como caprolactama; pirolidona, polivinil pirolidona, copolfmeros de vinil pirolidona, metacrilamida, polimetacrilamida, copolfmeros de metacrilamida, amoniaco, guanidina, hidroxiurea, semicarbazida; mono-, di- o tri(alquil o aril) urea, y en donde, en el caso de di(alquil o aril) urea, los grupos alquil-alarilo pueden estar en el mismo o diferentes atomos de nitrogeno, (metoxilamina) de O-metilhidroxilamina, anilina e hidracina. Las bases preferidas son las bases nitrogenadas. Las preferidas son las ureas sustituidas. La mas preferida es la urea.
Los acidos utiles en la presente invencion pueden incluir acidos carboxflicos tales como acetico, maleico, cftrico, formico y benzoico; fosforico, fosfonico tal como acido etilfosfonico; acidos polifosforicos tales como pirofosforico y hexametafosforico; sulfurico, sulfonico tal como acido bencilsulfonico, acido mtrico o acido nitroso, haluros de hidrogeno tales como fluoruro de hidrogeno, cloruro de hidrogeno, bromuro de hidrogeno y yoduro de hidrogeno. Se
prefieren los acidos fosforico y polifosforico, acido mtrico o nitroso y cloruro de hidrogeno. Mas preferidos son fosforico, pirofosforico y cloruro de hidrogeno. El mas preferido es el cloruro de hidrogeno.
Las sales metalicas en las diversas composiciones de la invencion incluyen sales de cloruro, sulfato, nitrato, nitrito, fosfato o fosfonato de titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, rnquel, cobre, aluminio, magnesio o bario.
Las composiciones de la presente invencion pueden comprender ademas un agente complejante de iones metalicos, tal como EDTA, amino fosfonatos vendidos bajo el nombre comercial Dequest ™, fosfato o polifosfatos. Las composiciones de la presente invencion pueden comprender ademas un tensioactivo, dispersante o disolvente organico capaz de mejorar la humectacion de la composicion.
Dichos disolventes pueden incluir: disolventes miscibles en agua, tales como metanol, etanol, propanol, acetona, eteres alqmlicos de etilenglicol, eteres alqmlicos de propilenglicol y alcohol diacetona; y disolventes inmiscibles en agua tales como acetatos de alquilo, acetato de butilo, metil isoamil cetona, acetato de amilo, diisobutil cetona, xileno, tolueno, butanol y alcoholes minerales. Las composiciones de la presente invencion pueden comprender ademas un desespumante tal como una silicona, petroleo, mineral, aceite natural o un desespumante polimerico.
Los tensioactivos tfpicos pueden incluir tensioactivos anionicos y no ionicos. Los tensioactivos anionicos adecuados incluyen, por ejemplo, los sulfatos de alcoholes grasos superiores, tal como laurilsulfato de sodio; sulfonatos de alquilarilo tales como sulfonatos de isopropilbenceno de sodio o potasio o sulfonatos de naftaleno de isopropilo; sulfosuccinatos de alquilo superior de metal alcalino, tales como octil sulfosuccinato de sodio, N-metil-N-palmitoilaurato de sodio, oleil isotionato de sodio; sales de metales alcalinos y sales de amonio de sulfatos, sulfonatos o fosfatos de alquilarilpolietoxietanol, tales como sulfato de terc-octilfenoxipolietoxietilo sodico que tiene de 1 a 50 unidades de oxietileno; sales de metales alcalinos y sales de amonio de sulfatos, sulfonatos y fosfatos de alquil polietoxietanol; y sales de metales alcalinos y sales de amonio de sulfatos, sulfonatos y fosfatos de aril polietoxietanol.
Los tensioactivos no ionicos adecuados incluyen alquilfenoxipolietoxietanoles que tienen grupos alquilo de aproximadamente 7 a 18 atomos de carbono y de aproximadamente 6 a aproximadamente 60 unidades de oxietileno, tales como heptilfenoxipolietoxietanoles, metiloctilfenoxipolietoxietanol; derivados de polietoxietanol de alquilfenoles unidos a metileno; los agentes que contienen azufre, como los formados por condensacion de aproximadamente 6 a 60 moles de oxido de etileno con nonil mercaptano, dodecil mercaptano, o con alquiltiofenoles en los que los grupos alquilo contienen de 6 a 16 atomos de carbono; derivados de oxido de etileno de acidos carboxflicos de cadena larga, como acido laurico, acido minstico, acido palmftico, acido oleico, o mezclas de acidos como los que se encuentran en aceite alto que contiene de 6 a 60 unidades de oxietileno por molecula; analogos condensados de oxido de etileno de alcoholes de cadena larga tales como octilo, decilo, laurilo o alcoholes cetilos, derivados de oxido de etileno de compuestos polihidroxilados eterificados o esterificados que tienen una cadena hidrocarbonada hidrofobica, tal como monoestearato de sorbitan que contiene de 6 a 60 unidades de oxietileno; los copolfmeros de bloque de la seccion de oxido de etileno combinados con una o mas secciones de oxido de propileno hidrofobicas.
Los dispersantes tfpicos pueden incluir polfmeros y copolfmeros de acidos carboxflicos insaturados etilenicamente tales como acido (met)acnlico, acido fumarico, acido itaconico, acido maleico, anhfdrido maleico y monoesteres de acido fumarico; monomeros de acido de fosforo tales como (met)acrilato de fosfoetilo y acido alilfosfonico; y monomeros de acido sulfurico tales como acido 2-acrilamido-2-metil-1-propanosulfonico, (met)acrilato de sulfoetilo y acido vinilsulfonico. Esto incluina los dispersantes comercializados con el nombre comercial Tamol ™. Tambien se pueden emplear acido cftrico, acido oxalico, acido fosforico, acido pirofosforico y acidos polifosforicos.
La presente invencion tambien proporciona metodos para tenir la superficie de un sustrato cementoso o mineral que comprende aplicar cualquiera de las composiciones descritas en la presente memoria a la superficie de un sustrato cementoso o mineral. Los metodos se pueden hacer en una sola operacion que comprende:
(a) humedecer completamente la superficie con un exceso de la solucion de tinte
(b) permitir que la composicion reaccione con el sustrato y desarrolle color,
(c) permitir que dicho pigmento se seque en el sitio,
(d) opcionalmente aplicar una solucion neutralizante de acido sobre la superficie cementosa o mineral tenida
Las soluciones neutralizantes pueden incluir soluciones acuosas de bases debiles tales como sales de carbonato y bicarbonato tales como bicarbonato de sodio, potasio, litio, cesio, amonio; o sales de fosfato tales como fosfato de disodio, dipotasio, dilitio, dicesio o diamonio; o fuentes de alcalinidad organica tales como alquilaminas y alcanolaminas.
Tambien se proporciona un metodo de la presente invencion para tenir la superficie de un sustrato cementoso o mineral en el que se aplica una cera transparente o revestimiento polimerico al hormigon o sustrato mineral tenido previamente.
Bajo ciertas circunstancias, puede ser deseable aplicar un revestimiento de cera transparente al hormigon previamente tenido. Las ceras tfpicas utiles en la presente invencion incluyen: ceras naturales de plantas o de abejas, parafina,
carnauba y las ceras naturales mencionadas anteriormente modificadas con poUmeros organicos tales como polietileno, polipropileno o politetrafluoroetileno.
Los polfmeros tfpicos utiles en la presente invencion incluyen: acnlico, estireno-acnlico, poliuretano, poliester, alquido, expoxi-ester, silicona y epoxi-amida. Es particularmente ventajoso usar sustancias qmmicas polimericas que se reticulan despues de la aplicacion sobre el hormigon tenido. Ejemplos de poKmeros adecuados que se reticulan senan aquellos que emplean funcionalidad de aceite secante curable al aire, reacciones de epoxi-amida, condensacion de siloxano, reacciones de hidrazida-carbonilo, reacciones de aziridina-acido, reacciones de isocianato-hidroxi, o reacciones de carbodiimida-acido. Se prefieren aquellas sustancias qmmicas que ofrecen un alto grado de resistencia al desgaste. Los mas preferidos son los esteres epoxfdicos de secado al aire, las amidas epoxfdicas de dos componentes, los alquidos curables al aire y los poliuretanos reticulados con aziridina.
El tinte se puede aplicar por cualquier medio convencional conocido por los expertos en la tecnica, por ejemplo, por rociado o cepillado sobre la superficie de hormigon. Normalmente, el metodo de aplicacion afectara el resultado final. Por ejemplo, el rociado sobre el tinte creara un aspecto mas natural, mientras que el cepillado creara un resultado mas uniforme. El uso de multiples revestimientos con diferentes tintes creara una mayor variedad de opciones de color exitosas.
Ejemplos
Los siguientes son ejemplos no limitativos de composiciones de tinte que sirven para ilustrar ademas las ventajas de la invencion descrita.
Ejemplo 1
Material Peso (kg) Vol (gal.)
Agua 24,83 (54,75 lb) 24,87 (6,57 gal)
Monohidrocloruro de urea 4,08 (9 lb) 3,37 (0,89 gal)
Disolucion de FeCh al 32% 17 (37,5 lb) 13,29 (3,51 gal)
Desespumante de silicona 0,04 (0,1 lb) 0,042 (0,011 gal)
Total 45,97 (101,35 lb) 41,56 (10,98 gal)
1 Polfmeros y polisiloxanos destructores de espuma disponibles comercialmente. Este ejemplo proporciona un material tenido de color canela o beis.
Ejemplo 2
Material Peso (lb) Vol (gal.)
Agua 21,89 (48,26 lb) 21,92 (5,79 gal)
Monohidrocloruro de urea 4,08 (9 lb) 3,37 (0,89 gal)
CUCl2-2H2O 6,94 (15,3 lb) 2,72 (0,72 gal)
Agua 8,16 (18 lb) 8,18 (2,16 gal)
Disolucion de FeCh al 32% 4,08 (9 lb) 3,18 (0,84 gal)
Desespumante de silicona1 0,045 (0,1 lb) 0,045 (0,012 gal)
Total 45,20 (99,66 lb) 39,41 (10,41 gal)
1 Polfmeros y polisiloxanos destructores de espuma disponibles comercialmente Este ejemplo proporciona un material de color verde oliva o verde.
Ejemplo 3
Material Peso (lb) Vol (gal.)
Agua 9,02 (19,89 lb) 9 (2,38 gal)
Monohidrocloruro de urea 4,49 (9,89 lb) 3,71 (0,98 gal)
Desespumante de silicona1 0,045 (0,1 lb) 0,042 (0,011 gal)
Disolucion de FeCh, 40% 14,17 (31,25 lb) 10,11 (2,67 gal)
MnCl24 H2O 9,72 (21,43 lb) 4,82 (1,27 gal)
Monohidrocloruro de urea 0,79 (1,75 lb) 0,64 (0,17 gal)
Agua 7,16 (15,78 lb) 7,15 (1,89 gal)
Total 45,40 (100,09 lb) 35,47 (9,37 gal)
1 Polfmeros y polisiloxanos destructores de espuma disponibles en el mercado.
Este ejemplo proporciona un material de color "cafe" o marron. Estas realizaciónes o ejemplos deben considerarse no limitantes y se presentan para ilustrar solo algunas de las posibilidades de las composiciones y metodos de la presente invencion. Si bien los principios de esta invencion se han descrito en relacion con realizaciónes espedficas, debe entenderse claramente que estas descripciones se hacen solo a modo de ejemplo y no pretenden limitar el alcance de la invencion. Como tal, la presente invencion puede realizarse en otras formas espedficas sin apartarse del espiritu o atributos esenciales de la misma, y, en consecuencia, debe hacerse referencia a las reivindicaciones adjuntas, en lugar de a la memoria descriptiva anterior como indicacion del alcance de la invencion.
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1. Una composicion para impartir color a un sustrato cementoso o mineral, comprendiendo la composicion:
a. un acido que tiene un pKa menor que 6;
b. una base debil, en donde el acido conjugado de la base debil tiene un pKa menor que 7 y mayor que el pKa del acido;
c. una o mas sales metalicas solubles en agua seleccionadas del grupo que consiste en sales de cloruro, sulfato, nitrato, nitrito, fosfato y fosfonato de titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, mquel, cobre, aluminio, magnesio y bario, capaz de impartir un color cuando se aplica al sustrato cementoso o mineral.
2. La composicion de la reivindicación 1, en la que el acido tiene un pKa menor que 5.
3. La composicion de la reivindicación 1, en la que el acido tiene un pKa menor que 1.
4. La composicion de la reivindicación 1, en la que la base debil puede descomponerse tras la aplicacion a materiales cementosos en componentes que son bases mas fuertes.
5. La composicion de la reivindicación 1, en la que la base debil puede descomponerse tras la aplicacion a materiales cementosos en componentes que tienen una presion de vapor mayor que 69 Pa (0,01 psi) a 25°C.
6. La composicion de la reivindicación 1, que comprende ademas un agente complejante de iones metalicos.
7. La composicion de la reivindicación 1, que comprende ademas un tensioactivo, dispersante o disolvente organico capaz de mejorar la humectacion de la composicion.
8. La composicion de la reivindicación 1, que comprende ademas una silicona, petroleo, aceite mineral, aceite natural o desespumante polimerico.
9. Un metodo para tenir la superficie de un sustrato cementoso o mineral que comprende aplicar la composicion de la reivindicación 1 a la superficie de un sustrato cementoso o mineral.
10. El metodo para tenir la superficie de un sustrato cementoso o mineral de acuerdo con la reivindicación 9, comprendiendo el metodo en una sola operacion:
(a) mojar completamente la superficie con un exceso de la composicion de la reivindicación 1;
(b) permitir que la composicion reaccione con el sustrato y desarrolle color;
(c) permitir que dicha composicion se seque en el lugar;
(d) aplicar opcionalmente una solucion neutralizante de acido a la superficie cementosa o mineral tenida.
11. El metodo para tenir la superficie de un sustrato cementoso o mineral de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende ademas la aplicacion de un revestimiento polimerico transparente o de un revestimiento de cera al hormigon tenido o al sustrato mineral.
12. La composicion de la reivindicación 1 o el metodo de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la base debil se selecciona de ureas de la fórmula
R1 R2-N-C (O) -N-R3 R4
en donde R1 , R2 , R3 y R4 son grupos de carbono C1-C10 o hidrogeno, y/o
en donde el acido que tiene un pKa menor que 6 se selecciona del grupo que consiste en acidos fosforico y polifosforico, acido mtrico y nitroso y acido clorfndrico.