ES2732809T3 - Composiciones cementosas ligeras y productos de construcción y métodos para fabricarlos - Google Patents
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Abstract
Método para proporcionar una lechada cementosa ligera, comprendiendo: formar una mezcla de: un 30 a un 60 % en peso, en una base húmeda, de polvo reactivo cementoso comprendiendo cemento Pórtland, un 2 a un 10 % en peso, en una base húmeda, de relleno de perlita expandida revestida químicamente impermeable e hidrófuga, un 20 a 40 % en peso de agua, un 0 a 25 % en peso, en una base húmeda, de relleno secundario; un 10 a 50 % en volumen, en una base húmeda, de aire incorporado; y un agente de incorporación de aire y/o agente espumante; un aditivo opcional seleccionado de al menos un elemento del grupo que consiste en agentes reductores de agua, aceleradores de fraguado químicos, retardadores de fraguado químicos; en condiciones que proporcionen una temperatura de lechada inicial de al menos aproximadamente 40 ºF (4,4 ºC), donde el relleno de perlita tiene un diámetro de partícula medio de entre 20-60 micras.
Description
DESCRPCIÓN
Composiciones cementosas ligeras y productos de construcción y métodos para fabricarlos
CAMPO DE LA INVENCIÓN
[0001] Esta invención se refiere a composiciones cementosas ligeras para la fabricación de productos de construcción y paneles a base de cemento. En concreto, los productos y composiciones cementosas presentan una densidad en el intervalo de aproximadamente 40 a 80 libras por pie cúbico (0,64 a 1,28 g/cc), preferiblemente de aproximadamente 45 a 65 libras por pie cúbico (0,75 a 1,04 g/cc).
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
[0002] En la patente estadounidense n.° 6,869,474 de Perez-Pena et al. se describe un fraguado rápido de composiciones cementosas para producir productos a base de cemento, como placas de cemento, que se consigue mediante la adición de una alcanolamina a un cemento hidráulico, como un cemento Pórtland, y que forma una lechada con agua en condiciones que proporcionan una temperatura de lechada inicial de al menos 90 °F (36 °C). Se pueden incluir materiales reactivos adicionales, tales como cemento con alto contenido de alúmina, sulfato de calcio y un material puzolánico, tal como ceniza volante. El fraguado extremadamente rápido permite una producción rápida de productos cementosos. Se ha descubierto que las adiciones de trietanolamina son un acelerador muy potente capaz de producir formulaciones con tiempos de fraguado final relativamente cortos y con mayores niveles de ceniza volante y yeso y sin que se necesiten cementos de aluminato de calcio. No obstante, las formulaciones con trietanolamina también tienen una resistencia a la compresión inicial relativamente más baja en comparación con formulaciones de placas de cemento previas que contienen los cementos de aluminato de calcio.
[0003] La patente estadounidense n.° 6,641,658 de Dubay describe una composición cementosa de fraguado rápido útil para fabricar placas de cemento que contienen como polvos reactivos cemento Pórtland, puzolana, cemento con alto contenido de alúmina y sulfato de calcio anhidro insoluble, que proporcionan tiempos de fraguado reducidos en comparación con las composiciones cementosas de la técnica anterior. Preferiblemente, la composición comprende como una mezcla de polvo reactivo de un 35 % a un 90 % en peso de cemento Pórtland, de un 0 a un 55 % en peso de puzolana, de un 5 a un 15 % en peso de cemento con alto contenido de alúmina, y de un 1 a un 8 % en peso de sulfato de calcio anhidro insoluble. La sustitución del sulfato de calcio anhidro insoluble por yeso soluble convencional (un dihidrato) incrementa la liberación de calor y reduce los tiempos de fraguado, a pesar del uso de cantidades muy altas de materiales puzolánicos, preferiblemente ceniza volante. La composición cementosa también puede incluir rellenos y agregados ligeros, más aditivos para impartir otras propiedades útiles según se desee, como superplastificantes, retardadores de fraguado, y aceleradores de fraguado.
[0004] La patente estadounidense n.° 4,488,909 de Galer et al. describe composiciones cementosas capaces de fraguar rápidamente. Las composiciones permiten una producción de alta velocidad de placas de cemento resistentes al dióxido de carbono al formar esencialmente toda la etringita potencial en aproximadamente 20 minutos después de que la composición se mezcle con agua. Los componentes esenciales de la composición cementosa son cemento Pórtland, cemento con alto contenido en alúmina, sulfato de calcio y cal. Pueden añadirse puzolanas, como ceniza volante, arcilla montmorillonita, tierra de diatomeas y piedra pómez hasta aproximadamente un 25 %. La composición de cemento incluye aproximadamente un 14 a 21 % en peso de cemento con alto contenido en alúmina, que junto con los otros componentes hace posible la formación temprana de etringita y otros hidratos de aluminato de calcio responsables de un fraguado temprano de la mezcla cementosa. En su invención, Galer et al. proporcionaron aluminatos que utilizan cemento con alto contenido en alúmina (HAC, por sus siglas en inglés) e iones de sulfato para formar etringita y conseguir un fraguado rápido de su mezcla cementosa.
[0005] La etringita es un compuesto de sulfoaluminato de calcio que posee la fórmula Ca6Ah(SO4)3 • 32 H2O o, de manera alternativa, 3 CaO^AhO3^3 CaS04^32 H2O. La etringita se forma como cristales similares a una aguja larga, y proporciona una rápida resistencia inicial a las placas de cemento, de modo que pueden manipularse poco después de haberse vertido en un molde o sobre una cinta continua de colado y moldeado.
[0006] El documento WO90/14319 describe una composición de hormigón comprendiendo en peso aproximadamente del 8 al 65 por ciento de cemento, del 0,5 al 20 por ciento en peso de perlita expandida vesicular con una superficie lisa, al menos aproximadamente un 78 por ciento en peso del que está por debajo de 0,6 mm y al menos un 45 por ciento en peso del que está sobre 0,3 mm, del 5 al 30 por ciento de agua, del 0 al 12 por ciento de puzolana finamente dividida, del 0 al 70 por ciento de agregado fino, y del 0 al 60 por ciento de agregado grueso.
[0007] La invención está definida por las reivindicaciones.
[0008] Esta invención se refiere generalmente a composiciones cementosas ligeras de fraguado rápido para la construcción de paneles o placas.
[0009] La composición cementosa incluye un 35-60 % en peso de polvo reactivo cementoso (también llamado aglutinante a base de cemento Pórtland), un 2-10% en peso de relleno de perlita expandida y revestida químicamente, un 20-40 % en peso de agua, un 10-50 % en volumen de aire incorporado, en una base húmeda, y aditivos opcionales como agentes reductores de agua, aceleradores del fraguado químicos, y retardadores de fraguado químicos. Las composiciones cementosas ligeras también contienen un 0-25 % en peso de rellenos secundarios, por ejemplo, un 10-20 % en peso de rellenos secundarios. Un relleno habitual incluye uno o más de entre una arcilla expandida, agregados de esquisto (shale) y piedra pómez. El relleno de perlita tiene un diámetro de partícula medio de entre 20-60 micras.
[0010] El polvo reactivo cementoso utilizado en la presente invención normalmente se compone de cemento Pórtland puro o una mezcla de cemento Pórtland y un material puzolánico adecuado como ceniza volante o escoria de alto horno. El polvo reactivo cementoso también puede contener de forma opcional uno o más de yeso (yeso natural) y cemento con alto contenido de alúmina (HAC, por sus siglas en inglés) añadidos en pequeñas dosis para influir en las características de hidratación y fraguado del aglutinante.
[0011] La obtención de la densidad ligera está fomentada por el empleo de (i) perlita expandida que emplea atributos especiales y (ii) la incorporación de aire.
[0012] El relleno de perlita expandida ocupa preferiblemente 7,5-40 % del volumen del compuesto, presenta una densidad de partículas de menos de 0,30 g/cc, y está revestido con silano, siloxano, silicona o una mezcla de los mismos. Este relleno de perlita expandida es único en lo que se refiere a que está revestido químicamente para que sea impermeable e hidrófugo. Asimismo, el relleno de perlita expandida revestida tiene un tamaño de partículas en un intervalo que permite la formación de una estructura de partícula de celda cerrada impermeable eficaz con la aplicación del revestimiento químico. El uso del relleno de perlita expandida revestida seleccionada es importante para permitir la preparación de lechadas cementosas procesables y trabajables a ritmos bajos de consumo de agua. Bajas cantidades de agua en la composición dan como resultado un producto que presenta propiedades mecánicas y características físicas superiores.
[0013] El aire incorporado representa un 10-50% de volumen del compuesto en una base húmeda. La incorporación de aire en las composiciones de la invención se proporciona mediante tensioactivos adecuados que forman una estructura estable y uniforme de vacíos de aire en el producto acabado.
[0014] Las composiciones cementosas de la presente invención pueden utilizarse para fabricar productos prefabricados de hormigón, tales como placas de cemento con una excelente resistencia a la humedad para su uso en ubicaciones húmedas y secas de edificios. Los productos prefabricados de hormigón tales como las placas de cemento se fabrican en condiciones que proporcionan un fraguado rápido de la mezcla cementosa, de manera que las placas se puedan manipular poco después de que se vierta la mezcla cementosa en una forma estática o móvil o sobre una cinta en continuo movimiento.
[0015] Los productos y composiciones cementosas ligeras normalmente tienen una o más de las siguientes ventajas:
baja demanda de agua
lechadas trabajables y fluidas obtenidas con bajas dosis de agua
densidad ligera
alta resistencia a la compresión
excelente resistencia al agua
excelente estabilidad dimensional en condiciones ambientales cambiantes
excelente resistencia a la penetración de agua a través del espesor del producto
excelente fuerza de adhesión para acabar superficies como azulejos cerámicos y morteros de cemento comportamiento de fraguado rápido
estética y apariencia superior.
[0016] Normalmente, una placa de cemento fabricada al curar la composición descrita anteriormente presenta un espesor de aproximadamente 1/4 a 1 pulgada (6,3 a 25,4 mm).
[0017] Todos los porcentajes, relaciones y proporciones expuestos en el presente documento son en peso, a menos que se especifique lo contrario. Además, cualquier peso molecular medio es un peso molecular de peso medio a menos que se especifique lo contrario.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURA
[0018] La FIG. 1 muestra la respuesta del aumento de temperatura de la lechada para las mezclas analizadas en el Ejemplo 11.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Composición cementosa
[0019] La Tabla 1 describe mezclas utilizadas para formar las composiciones cementosas ligeras de la presente invención. El volumen ocupado por la perlita revestida químicamente está en el intervalo del 7,5 a 40 % y el volumen ocupado por el aire incorporado está en el intervalo del 10 a 50 % del volumen total de la composición. Esto ayuda de manera significativa a producir productos de cemento que presenten la baja densidad deseada de aproximadamente 40 a 80 libras por pie cúbico (0,64 a 1,28 g/cc), preferiblemente de aproximadamente 45 a 65 libras por pie cúbico (0,72 a 1,04 g/cc).
[0020] La composición cementosa incluye preferiblemente:
polvo reactivo cementoso comprendiendo cemento Pórtland y opcionalmente un material puzolánico (35 60 % en peso) (una mezcla habitual incluía 100 partes de cemento Pórtland; 30 partes de ceniza volante; 3 partes de yeso natural; relleno de perlita expandida revestida químicamente (2-10 % en peso),
aire incorporado (10-50 % en peso del volumen del compuesto, siendo el % del volumen del compuesto el % en volumen de la lechada en una base húmeda),
agua (20-40 % en peso),
aditivos adicionales como agentes reductores de agua, aceleradores retardantes, y
rellenos secundarios opcionales (10-25 % en peso), por ejemplo, arcilla expandida, agregados de esquisto y piedra pómez;
donde el total del relleno de perlita expandida y revestida químicamente y rellenos secundarios, por ejemplo, arcilla expandida, agregados de esquisto y/o piedra pómez, es de al menos un 20 % en peso.
Relleno de perlita expandida revestida químicamente
[0021] El relleno de perlita expandida constituye un 2-10 % en peso, un 7,5-40 % en volumen de la composición cementosa. El relleno de perlita expandida está compuesto de partículas que presentan un diámetro de partícula medio de entre 20-60 micras, una densidad de partículas eficaz preferiblemente de menos de 0,50 g/cc, más preferiblemente de menos de 0,40 g/cc, y más preferiblemente de menos de 0,30 g/cc, y está tratado químicamente con revestimientos de silicona, siloxano, silano o una mezcla de los mismos. Este relleno de perlita expandida es único en lo que se refiere a que está revestido químicamente para que sea impermeable e hidrófugo.
[0022] Asimismo, el tamaño de las partículas del relleno de perlita expandida revestida permite la formación de una estructura de partícula de celda cerrada impermeable eficaz con la aplicación del revestimiento químico. El uso del relleno de perlita expandida revestida seleccionado es importante para permitir la preparación de lechadas cementosas procesables y trabajables a ritmos bajos de consumo de agua. Bajas cantidades de agua en la composición dan como resultado un producto que presenta propiedades mecánicas y características físicas superiores. Los compuestos de recubrimiento químico más preferidos para fabricar partículas de perlitas impermeables e hidrófobas son alquilalcoxisilanos. El octiltrietoxisilano representa el alquilalcoxisilano más preferido para recubrir perlita para su utilización con composiciones cementosas de esta invención.
[0023] Uno de los rellenos de perlita revestida químicamente disponible en el mercado más preferido es SIL-CELL 35-23 disponible de Silbrico Corporation. Las partículas de perlita SIL-CELL 35-23 están revestidas químicamente con un compuesto de alquilalcoxisilano. Otro relleno de perlita revestida químicamente preferido es SIL-CELL 35-34 disponible de Silibrico Corporation. Las partículas de perlita SIL-CELL 35-34 también son útiles en las composiciones cementosas de la invención y están revestidas con compuesto de silicona. DICAPERL 210 y DICAPERL 220 son otros dos productos de relleno de perlita revestida comerciales producidos por Grefco Minerals Inc. que se prefieren en esta invención. La perlita DICAPERL 210, con compuesto de
alquilalcoxisilano, se prefiere particularmente en las composiciones cementosas de la invención. La perlita DlCAPERL 220, revestida con compuesto de silicona, también es útil en las composiciones de esta invención.
[0024] Otra propiedad muy útil de los rellenos de perlita de la invención es que muestran propiedades puzolánicas debido a su pequeño tamaño de partículas y naturaleza química a base de sílice. Debido a su comportamiento puzolánico, los rellenos de perlita seleccionados de la invención mejoran la durabilidad química de las composiciones cementosas a la vez que desarrollan interfaces mejoradas y una adherencia aumentada con los aglutinantes cementosos y otros ingredientes presentes en la mezcla.
[0025] Otro beneficio adicional extremadamente importante es resultado del pequeño tamaño de las partículas del relleno de perlita de la invención. Esta mejora pertenece a las características de rendimiento y fabricabilidad de productos de placas de cemento reforzados con mallas producidos utilizando las composiciones de perlita de la invención. Los rellenos de perlita seleccionados de la invención mejoran la cantidad total de partículas muy finas (menos de 75 micras) presentes en la composición. La presencia de un alto contenido de partículas finas en la composición es extremadamente útil en el procesamiento rápido de placas de cemento reforzadas con mallas dado que ayuda a mejorar la adhesión entre la lechada cementosa y la malla de refuerzo. La adhesión mejorada entre la lechada cementosa y la malla de refuerzo da lugar a una reducción de incidentes de delaminación de la malla, velocidades de procesamiento de placas de cemento más rápidas, y una mejora de la recuperación de la producción.
Polvo reactivo cementoso (aglutinante a base de cemento Pórtland)
[0026] El polvo reactivo cementoso (también llamado aglutinante a base de cemento Pórtland) utilizado en la presente invención normalmente se compone de cemento Pórtland puro o una mezcla de cemento Pórtland y un material puzolánico adecuado como ceniza volante o escoria de alto horno.
[0027] El polvo reactivo cementoso incluye cemento Pórtland, y también puede incluir cemento con alto contenido de alúmina, sulfato de calcio, y un aditivo mineral, preferiblemente ceniza volante, para formar una lechada con agua. El polvo reactivo cementoso no incluye inertes tales como agregados.
[0028] Cuando el polvo reactivo cementoso de la invención incluye solo cemento Pórtland y ceniza volante, el polvo reactivo cementoso contiene preferiblemente un 40-90 % en peso de cemento Pórtland y un 10-60 % en peso de ceniza volante, o un 40-80 % de cemento Pórtland y un 20-60 % en peso de ceniza volante, donde el % en peso varía en función del total de cemento Pórtland y ceniza volante.
[0029] El polvo reactivo cementoso también puede contener de forma opcional uno u otros ingredientes como yeso (yeso natural) o cemento con alto contenido de alúmina añadidos en pequeñas dosis para influir en las características de hidratación y fraguado del aglutinante. Cuando estos otros ingredientes estén presentes, el polvo reactivo cementoso puede contener un 40-80 % en peso de cemento Pórtland, de un 0 a un 20 % en peso de cemento con alto contenido de alúmina, de un 0 a un 7 % en peso de sulfato de calcio, y de un 0 a un 55 % en peso ceniza volante, en función del total de estos componentes.
[0030] Por tanto, la mezcla de polvo reactivo cementoso de la composición cementosa puede contener concentraciones muy altas de aditivos minerales, como materiales puzolánicos, hasta un 55 % en peso de la mezcla de polvo reactivo. Aumentar el contenido de aditivos minerales, por ejemplo, ceniza volante, ayudaría a reducir de manera sustancial el coste del producto. Asimismo, la utilización de materiales puzolánicos en la composición ayuda a mejorar la durabilidad a largo plazo del producto como consecuencia de las reacciones puzolánicas.
[0031] La mezcla de polvo reactivo de la composición cementosa podría no contener cal añadida de manera externa. Un contenido reducido de cal ayuda a disminuir la alcalinidad de la matriz cementosa y a incrementar de este modo la durabilidad del producto a largo plazo.
Cemento hidráulico
[0032] Los cementos hidráulicos, en concreto el cemento Pórtland, constituyen una cantidad significativa de las composiciones de la invención. Debe entenderse que, tal como se utiliza en el presente documento, el "cemento hidráulico" no incluye yeso, que no adquiere resistencia bajo el agua, aunque normalmente se incluye algo de yeso en el cemento Pórtland.
[0033] La especificación estándar ASTM C 150 para el cemento Pórtland define el cemento Pórtland como un cemento hidráulico producido al pulverizar clínker, que consiste fundamentalmente en silicatos de calcio hidráulicos, que contienen habitualmente una o más de las formas de sulfato de calcio como adición molida conjuntamente. En términos más generales, otros cementos hidráulicos pueden sustituirse por cemento Pórtland; por ejemplo, cementos a base de sulfoaluminato de calcio. Para fabricar cemento Pórtland, se prende una mezcla íntima de caliza y arcilla en un horno para formar clínker de cemento Pórtland. Las siguientes cuatro fases principales del cemento Pórtland están presentes en el clínker - silicato tricálcico (3CaO^SiO2, al que también se le hace referencia como C3S), silicato bicálcico (2CaO^SiO2, llamado C2S), aluminato tricálcico (3CaO^AhO3 o C3A), y aluminoferrito tetracálcico (4CaO^AhO3^Fe2O3 o C4AF). El clínker resultante que contiene
los compuestos mencionados anteriormente se muele junto con sulfatos de calcio hasta una finura deseada para producir el cemento Pórtland.
[0034] Los otros compuestos presentes en menores cantidades en el cemento Pórtland incluyen sales dobles de sulfatos alcalinos, óxido de calcio y óxido de magnesio. Cuando se vayan a fabricar placas de cemento, el cemento Pórtland se encontrará normalmente en forma de partículas muy finas, de manera que el área de superficie de la partícula sea de más de 4000 cm2/gramo y normalmente de entre 5000 y 6000 cm2/gramo, medida según el método de área de superficie de Blaine (ASTM C 204). De entre los diversos tipos reconocidos de cemento Pórtland, el cemento Pórtland ASTM de tipo III es el que se más se prefiere en el polvo reactivo cementoso de las composiciones cementosas de la invención. Esto se debe a su reactividad relativamente más rápida y al elevado desarrollo de resistencia inicial.
[0035] En la presente invención, la necesidad del uso de cemento Pórtland de Tipo III se minimiza, y puede obtenerse un desarrollo de resistencia inicial relativamente rápido al utilizar otros cementos en lugar de cemento Pórtland de Tipo III. Los otros tipos reconocidos de cementos que pueden utilizarse para reemplazar o complementar el cemento Pórtland de tipo III en la composición de la invención incluyen cemento Pórtland de tipo I u otros cementos hidráulicos incluyendo cemento blanco, cementos de escorias, como el cemento de escoria de alto horno, cementos mezclados con puzolanas, cementos expansivos, cementos de sulfoaluminato, y cementos petroleros.
Aditivos minerales
[0036] La mezcla de aditivos minerales cementosos de la composición cementosa puede contener altas concentraciones de aditivos minerales, como materiales puzolánicos y/o agregados no puzolánicos, por ejemplo, carbonato de calcio, mica, talco, etc.
[0037] El ASTM C618-97 define los materiales puzolánicos como "materiales silíceos o silíceos y aluminosos que, en sí mismos, poseen un valor cementoso escaso o nulo, pero que, en forma finamente dividida y en presencia de humedad, reaccionarán químicamente con hidróxido de calcio a temperaturas normales para formar compuestos que poseen propiedades cementosas". Se ha hecho referencia a diversos materiales naturales y artificiales como materiales puzolánicos que poseen propiedades puzolánicas. Algunos ejemplos de materiales puzolánicos incluyen piedra pómez, tierra de diatomeas, humo de sílice, toba, tierra de trass, cascarilla de arroz, metacaolín, escorias granuladas molidas de horno alto, y ceniza volante. Todos estos materiales puzolánicos pueden utilizarse o bien solos o bien en forma combinada como parte del polvo reactivo cementoso de la invención.
[0038] La ceniza volante es la puzolana preferida para la mezcla de polvo reactivo cementoso de la invención. Las cenizas volantes que contienen un alto contenido de óxido de calcio y aluminato de calcio (tales como cenizas volantes de clase C del estándar ASTM C618) se prefieren tal como se explica a continuación. También pueden incluirse otros aditivos minerales como carbonato de calcio, arcillas, y mica triturada.
[0039] La ceniza volante es un subproducto en polvo fino formado a partir de la combustión de carbón. Las calderas de las centrales eléctricas que queman carbón pulverizado producen la mayor parte de las cenizas volantes disponibles en el mercado. Estas cenizas volantes consisten principalmente en partículas esféricas cristalinas así como residuos de hematita y magnetita, residuos de carbón, y algunas fases cristalinas formadas durante el enfriamiento. La estructura, composición y propiedades de las partículas de ceniza volante dependen de la estructura y composición del carbón y los procesos de combustión por el que se forma la ceniza volante. El estándar ASTM C618 reconoce dos clases principales de cenizas volantes para su uso en hormigón: la de Clase C y la de Clase F. Estas dos clases de cenizas volantes se derivan de distintas clases de carbones que son resultado de diferencias en los procesos de formación de carbón que ocurren a lo largo de periodos de tiempo geológicos. La ceniza volante de clase F se produce normalmente quemando antracita o carbón bituminoso, mientras que la ceniza volante de clase C se produce normalmente a partir de lignito o carbón subbituminoso.
[0040] El estándar ASTM C618 diferencia las cenizas volantes de clase C y de clase F principalmente según sus propiedades puzolánicas. Por consiguiente, en el estándar ASTM C618, la principal diferencia en las especificaciones entre la ceniza volante de clase F y la ceniza volante de clase C es el límite mínimo de SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 en la composición. El límite mínimo de SiO2 + A^O3 + Fe2O3 para la ceniza volante de clase F es del 70 % y para la ceniza volante de clase C es del 50 %. En consecuencia, las cenizas volantes de clase F son más puzolánicas que las cenizas volantes de clase C. Aunque no se reconoce explícitamente en el estándar ASTM C618, las cenizas volantes de clase C normalmente tienen un alto contenido en óxido de calcio. La presencia de un alto contenido en óxido de calcio hace que las cenizas volantes de clase C posean propiedades cementosas que provocan la formación del silicato de calcio e hidratos de aluminato de calcio cuando se mezclan con agua. Tal como se verá en los siguientes ejemplos, se ha descubierto que las cenizas volantes de clase C proporcionan resultados superiores, en particular en las formulaciones preferidas en las que no se utiliza cemento con alto contenido de alúmina y yeso.
[0041] La proporción de peso entre el material puzolánico del cemento Pórtland en la mezcla de polvo reactivo cementoso utilizada en la composición cementosa de la invención puede ser de aproximadamente 0/100 a
150/100, preferiblemente de 25/100 a 125/100. Por ejemplo, una mezcla de polvo reactivo cementoso habitual presenta aproximadamente de un 10 a un 60 % en peso de ceniza volante y de un 40 a un 90 % en peso de cemento Pórtland.
Cemento con alto contenido de alúmina
[0042] El cemento con alto contenido de alúmina (HAC, por sus siglas en inglés) es otro tipo de cemento hidráulico que puede formar un componente de la mezcla de polvo reactivo de algunos modos de realización de la invención.
[0043] Al cemento con alto contenido de alúmina se le suele hacer referencia como cemento aluminoso o cemento de aluminato de calcio. Tal como implica el nombre, los cementos con alto contenido de alúmina tienen un alto contenido de alúmina, es habitual aproximadamente un 35-42 % en peso. Los cementos con alto contenido de alúmina con una pureza más alta también están disponibles comercialmente en los que el contenido de alúmina puede variar hasta alcanzar un 80 %. Estos cementos con alto contenido de alúmina de pureza más alta suelen ser muy caros en comparación con otros cementos. Los cementos con alto contenido de alúmina utilizados en las composiciones de algunos modos de realización de la invención están finamente molidos para facilitar la entrada de aluminatos en la fase acuosa de manera que pueda producirse una formación rápida de etringita y otros hidratos de aluminato de calcio. El área de superficie del cemento con alto contenido de alúmina que puede utilizarse en algunos modos de realización de la composición de la invención será de más de 3000 cm2/gramo, y habitualmente de aproximadamente 4000 a 6000 cm2/gramo, medida según el método de área de superficie de Blaine (ASTM C 204).
[0044] Han surgido varios métodos de fabricación de cemento con alto contenido de alúmina. Normalmente, las materias primas principales para fabricar cemento con alto contenido de alúmina son bauxita y piedra caliza. Un método de fabricación utilizado en EE.UU. para producir cemento con alto contenido de alúmina se describe a continuación. Primero se tritura y se seca la bauxita, luego se muele junto con la piedra caliza. Después, el polvo seco que comprende bauxita y piedra caliza se introduce en un horno rotatorio. Se utiliza un carbón con bajo contenido en ceniza pulverizado como combustible en el horno. La reacción entre la bauxita y la piedra caliza sucede en el horno y el producto fundido se recoge en el extremo inferior del horno y se vierte en un canal colocado en el fondo. El clínker fundido se enfría con agua para formar granulados del clínker, que después se transporta a una reserva. El granulado después se muele hasta una finura deseada para producir el cemento final.
[0045] Se forman varios compuestos de aluminato de calcio durante el proceso de fabricación del cemento con alto contenido de alúmina. El compuesto predominante formado es aluminato de monocalcio (CA). Los otros compuestos de aluminato de calcio y silicato de calcio que se forman incluyen C12A7, CA2, C2S, C2AS. También se forman varios otros compuestos que contienen una proporción relativamente alta de óxidos de hierro. Estos incluyen ferritas de calcio, como CF y C2F, y alumino-ferritos de calcio como C4AF, C6AF2 y C6A2F. Otros constituyentes menores presentes en el cemento con alto contenido de alúmina incluyen magnesia (MgO), dióxido de titanio (TO2), sulfatos y alcalinos. Debería señalarse que el aluminato tricálcico (C3A) que se observa en el cemento Pórtland ordinario no se encuentra en los cementos con alto contenido de alúmina.
Sulfato de calcio
[0046] Se pueden utilizar diversas formas de sulfato de calcio en la invención, tal como se muestra más adelante, para proporcionar iones de sulfato para formar etringita y otros compuestos de hidrato de sulfoaluminato de calcio:
Dihidrato - CaSO4.2 H2O (conocido normalmente como yeso)
Hemihidrato - CaSO4. A H2O (conocido normalmente como estuco)
Anhidrita - CaSO4 (también denominado sulfato de calcio anhidro)
[0047] El yeso natural es un yeso de pureza relativamente baja, y resulta preferible debido a motivos económicos, aunque se podría utilizar yeso con grados de pureza más elevados. El yeso natural se elabora a partir de yeso extraído y molido en partículas relativamente pequeñas, de manera que el área de superficie específica sea de más de 2000 cm2/gramo y normalmente de alrededor de 4000 a 6000 cm2/gramo, medida según el método de área de superficie de Blaine (ASTM C 204). Las partículas finas se disuelven fácilmente y suministran el yeso necesario para formar etringita. El yeso sintético obtenido como subproducto de diversas industrias manufactureras también puede utilizarse en la presente invención. Las otras dos formas de sulfato de calcio, a saber, hemihidrato y anhidrita, se pueden utilizar también en la presente invención en lugar del yeso, es decir, la forma dihidratada de sulfato de calcio.
Agentes de incorporación de aire (agentes espumantes)
[0048] Para producir los presentes productos ligeros como las placas de cemento ligeras, se añaden agentes de incorporación de aire (agentes espumantes) a la composición para aligerar el producto. Los agentes de
incorporación de aire suelen ser tensioactivos adecuados que forman una estructura estable y uniforme de vacíos de aire en el producto acabado. Por consiguiente, la lechada contiene un agente espumante o de incorporación de aire en cantidades tales para producir el grado deseado de incorporación de aire.
[0049] Normalmente, los agentes de incorporación de aire o agentes espumantes son tensioactivos, proporcionados en una cantidad de aproximadamente 0,0015 a 0,03 % en peso, en función del peso total de la lechada. Más preferiblemente, el peso de estos tensioactivos varía entre 0,002 a 0,02 % en peso, en función del peso total de la lechada. Por ejemplo, el alquiletersulfato de sodio, alquiletersulfato de amonio, sulfonato de alfaolefina de sodio (AOS), deceth sulfato de sodio, deceth sulfato de amonio, lauril éter sulfato de sodio, o dodecilbencenosulfonato de sodio son tensioactivos espumantes y de incorporación de aire que puedan utilizarse en las composiciones cementosas de la invención.
[0050] En las composiciones cementosas de la invención, la espuma producida externamente se utiliza preferiblemente para reducir la lechada y la densidad del producto. La espuma se prepara utilizando tensioactivos adecuados (agentes espumantes) junto con agua y aire en proporciones adecuadas combinados en un equipo de generación de espuma. La espuma producida de este modo se introduce después directamente en la mezcla húmeda durante la operación de mezclado mientras se prepara la lechada cementosa.
Alcanolaminas
[0051] En la presente invención, pueden utilizarse distintas variedades de alcanolaminas juntas o por separado para acelerar las características de fraguado de la composición cementosa de la invención. Las alcanolaminas son aminoalcoholes que son fuertemente alcalinas y catiónicas. La trietanolamina [N(CH2-CH2OH)3] es la alcanolamina preferida. No obstante, otras alcanolaminas, como la monoetanolamina [NH2(CH2-CH2OH)], dietanolamina [NH(CH2-CH2OH)2] pueden sustituirse por trietanolamina (TEA) o utilizarse en conjunto con TEA.
[0052] La adición de alcanolaminas por sí solas, o junto con fosfatos (descritos a continuación), ejerce una influencia significativa en las características de fraguado rápido de las composiciones cementosas de la invención cuando se inicia a temperaturas elevadas, por ejemplo una temperatura de lechada de más de 90 °F (32 °C). Normalmente, la lechada tiene una temperatura inicial de aproximadamente 90-150 °F (32-66 °C).
[0053] Si se utiliza sin fosfato la dosis de alcanolamina, preferiblemente trietanolamina, empleada como un acelerador en la lechada suele ser de aproximadamente 0,025 a 4,0 % en peso, 0,05 a 2 % en peso, 0,05 a 1 % en peso, 0,05 a 0,40 % en peso, 0,05 a 0,20 % en peso, o 0,05 a 0,10 % en peso, en función del peso del polvo reactivo cementoso.
[0054] De este modo, por ejemplo, por cada 100 libras (45,35 kg) de polvo reactivo cementoso, hay aproximadamente de 0,025 a 4,0 libras (de 0,023 a 0,68 kg) de alcanolamina en la mezcla.
Fosfatos
[0055] Si se desea, los fosfatos pueden utilizarse de manera opcional junto con la alcanolamina, por ejemplo, la trietanolamina, como un acelerador. Dichos fosfatos pueden ser uno o más de entre trimetafosfato de sodio (STMP), tripolifosfato de potasio (KTPP) y tripolifosfato de sodio (STPP).
[0056] La dosis de fosfato es de aproximadamente un 0 a 1,5 % en peso, o de 0,15 a 1,5 % en peso, o aproximadamente de 0,3 a 1,0 % en peso, o aproximadamente 0,5 a 0,75 % en peso en función de los componentes reactivos cementosos de la invención. Así, por ejemplo, por cada 100 libras (45,35 kg) de polvo reactivo cementoso, podría haber aproximadamente de 0,05 a 1,5 libras (de 0,023 a 0,68 kg) de fosfato.
[0057] El grado de fraguado rápido obtenido con la adición de una dosis apropiada de fosfato en condiciones que producen una temperatura de lechada superior a 90 °F (32 °C) permite una reducción significativa de alcanolamina en ausencia de cemento con alto contenido de alúmina.
Retardantes
[0058] La utilización de retardantes o retardadores de fraguado como un componente de las composiciones de la invención es particularmente útil en situaciones en las que las temperaturas iniciales de la lechada utilizadas para formar los productos a base de cemento son particularmente altas, normalmente de más de 100 °F (38 °C). A estas temperaturas de lechada relativamente altas, los retardadores de fraguado como el citrato de sodio o el ácido cítrico provocan una reacción química y una interacción física sinérgica entre distintos componentes reactivos en las composiciones que dan como resultado una respuesta favorable al aumento de la temperatura de la lechada y un comportamiento de fraguado rápido. Sin la adición de retardantes, el endurecimiento de la mezcla de polvo reactivo de la invención puede suceder muy rápido, poco después de que se añada agua a la mezcla. El endurecimiento rápido de la mezcla, al que también se le hace referencia como "falso fraguado" no es recomendable, dado que interfiere en la formación completa y adecuada de etringita, dificulta la formación normal de hidratos de silicato de calcio en etapas posteriores, y da lugar al desarrollo de una microestructura extremadamente pobre y débil del mortero cementoso endurecido.
[0059] La función principal de un retardante en la composición es evitar que la mezcla de la lechada se endurezca demasiado rápido, provocando por tanto una reacción química y una interacción física sinérgica entre los distintos componentes reactivos. Otros beneficios secundarios derivados de la adición de retardantes en la composición incluyen una reducción de la cantidad de superplastificante y/o agua requerida para conseguir una mezcla de lechada con una consistencia trabajable. Todos los beneficios mencionados anteriormente se consiguen debido a la supresión del falso fraguado. Entre los ejemplos de algunos retardadores de fraguado útiles se incluyen citrato de sodio, ácido cítrico, tartrato de potasio, tartrato de sodio, y similares. En las composiciones de la invención, el citrato de sodio es el retardador de fraguado preferido. Además, como los retardadores de fraguado evitan que la mezcla de lechada se endurezca demasiado rápido, su adición desempeña un papel importante y es fundamental para la formación de buenos bordes durante el proceso de fabricación de la placa de cemento. La proporción de peso entre el retardador de fraguado y de la mezcla de polvo reactivo cementoso es en general de menos de un 1,0 % en peso, preferiblemente aproximadamente un 0,04-0,3 % en peso.
Aceleradores de fraguado inorgánicos secundarios
[0060] Junto con las alcanolaminas y los fosfatos opcionales expuestos anteriormente, pueden añadirse otros aceleradores de fraguado inorgánicos como aceleradores de fraguado inorgánicos secundarios en la composición cementosa de la invención.
[0061] Se espera que la adición de estos aceleradores de fraguado secundarios inorgánicos imparta solo una pequeña reducción en el tiempo de fraguado en comparación con la reducción conseguida debido a la adición de la combinación de alcanolaminas y fosfatos opcionales. Entre los ejemplos de tales aceleradores de fraguado inorgánicos secundarios se incluye carbonato de sodio, carbonato de potasio, nitrato de calcio, nitrito de calcio, formiato de calcio, acetato de calcio, cloruro de calcio, carbonato de litio, nitrato de litio, nitrito de litio, sulfato de aluminio, y similares. Debería evitarse el uso de cloruro de calcio cuando la corrosión de las sujeciones de la placa de cemento sea motivo de preocupación.
[0062] La proporción de peso entre el retardador de fraguado inorgánico secundario y la mezcla de polvo reactivo cementoso será en general de menos de un 2 % en peso, preferiblemente aproximadamente un 0,0-1 % en peso. Dicho de otro modo, por 100 libras (45,3592 kg) de polvo reactivo cementoso normalmente hay menos de 2 libras, preferiblemente de aproximadamente 0,0 a 1 libra (de 0,0 a 0,45 kg), de acelerador de fraguado inorgánico secundario. Estos aceleradores de fraguado secundarios pueden utilizarse juntos o por separado. Otros ingredientes y aditivos químicos
[0063] Pueden incluirse otros aditivos que incluyen agentes de reducción de agua, tales como superplastificantes, agentes de control de la contracción, agentes modificadores de la viscosidad de la lechada (espesantes), agentes colorantes y agentes de curado interno, según se desee, en función de la procesabilidad y de la aplicación de la composición cementosa de la invención.
[0064] Se pueden incluir aditivos químicos, tales como agentes reductores de agua (superplastificantes), en las composiciones de la invención y añadirse en forma seca o en forma de solución. Los superplastificantes ayudan a reducir la demanda de agua de la mezcla. Entre los ejemplos de superplastificantes se incluyen sulfonatos de polinaftaleno, poliacrilatos, policarboxilatos, lignosulfonatos, sulfonatos de melamina, y similares.
[0065] Dependiendo del tipo de superplastificante utilizado, la proporción de peso entre el superplastificante (en una base seca en polvo) y del polvo reactivo cementoso normalmente será de aproximadamente un 2 % en peso o menos, preferiblemente de aproximadamente un 0,1 % a un 1 % en peso, más preferiblemente de aproximadamente un 0 a un 0,50 % en peso, y más preferiblemente de aproximadamente un 0,0 a un 0,2 % en peso. En consecuencia, por ejemplo, cuando el superplastificante está presente en el intervalo del 0,1 al 1,0 % en peso por cada 100 libras (45,3592 kg) de polvo reactivo cementoso de la mezcla, puede haber aproximadamente de un 0,1 a 1 libra (de 0,0 a 0,45 kg) de superplastificante.
[0066] Si se desea, se pueden añadir también otros aditivos químicos, tales como agentes de control de la contracción, colorantes, agentes modificadores de la viscosidad (espesantes) y agentes de curado interno en las composiciones de la invención.
Agregados, rellenos y mallas
[0067] Aunque la mezcla de polvo reactivo cementoso descrita define el componente de fraguado rápido de la composición cementosa de la invención, los expertos en la materia comprenderán que pueden incluirse otros materiales en la composición en función de su uso y aplicación previstos.
[0068] Por ejemplo, para aplicaciones de placas de cemento, resulta deseable producir placas ligeras sin comprometer innecesariamente las propiedades mecánicas deseadas del producto. Este objetivo se logra añadiendo agregados ligeros y rellenos ligeros. Entre los ejemplos de agregados y rellenos útiles y ligeros se incluye escoria de alto horno, toba volcánica, piedra pómez, formas expandidas de arcilla, esquisto (shale), esferas huecas de cerámica, esferas huecas de plástico, perlas de plástico expandido, etc. Para producir placas
de cemento, resultan especialmente útiles los agregados de esquisto y arcilla expandida. Las perlas de plástico expandido y las esferas huecas de plástico, al utilizarse en la composición, se emplean en cantidades muy pequeñas en cuanto al peso, debido a su densidad aparente extremadamente baja.
[0069] La piedra pómez utilizada como un agregado ligero es un agregado hidratado (relleno) y no cemento. En cambio, la piedra pómez utilizada como un aditivo mineral puzolánico (descrito en la sección anterior titulada "aditivos minerales") es una forma no hidratada y se incluye en la definición del ASTM C618-97 de materiales puzolánicos como "materiales silíceos o silíceos y aluminosos que, en sí mismos, poseen un valor cementoso escaso o nulo, pero que, en forma finamente dividida y en presencia de humedad, reaccionarán químicamente con hidróxido de calcio a temperaturas normales para formar compuestos que poseen propiedades cementosas".
[0070] En función de la elección de relleno o agregado ligero seleccionado, la proporción de peso entre el relleno o agregado ligero y la mezcla de polvo reactivo puede ser de aproximadamente 1/100 a 200/100, preferiblemente de aproximadamente 2/100 a 125/100. Por ejemplo, para fabricar placas de cemento ligeras, la proporción de peso entre el agregado o relleno ligero y la mezcla de polvo reactivo cementoso puede ser preferiblemente de aproximadamente 2/100 a 125/100.
[0071] No obstante, tal como se ha mencionado anteriormente, preferiblemente, el total del relleno de perlita expandida revestida químicamente y rellenos secundarios, por ejemplo, arcilla expandida, agregados de esquisto y/o piedra pómez, es de al menos un 20 % en peso.
[0072] El contenido de humedad de los agregados afecta de manera adversa al tiempo de fraguado de las mezclas cementosas. De este modo, en la presente invención se prefieren los agregados y rellenos que presentan un contenido bajo de agua.
[0073] También pueden incluirse fibras de refuerzo discretas de distintos tipos en las composiciones cementosas de la invención. Las mallas fabricadas con materiales como fibras de vidrio revestidas con polímeros y materiales poliméricos como polipropileno, polietileno y nailon pueden utilizarse para reforzar el producto a base de cemento dependiendo de su función y aplicación. Las placas de cemento, producidas conforme a la presente invención, normalmente están reforzadas con mallas hechas de fibras de vidrio revestidas con polímeros.
Fabricación de productos prefabricados de hormigón, tales como placas de cemento
[0074] Los productos prefabricados de hormigón, tales como placas de cemento, se fabrican de manera más eficiente en un proceso continuo en el que la mezcla de polvo reactivo se mezcla con agregados, rellenos y otros ingredientes, y posteriormente se añade agua y otros aditivos químicos justo antes de colocar la mezcla en un molde o sobre una cinta continua de colado y moldeado.
[0075] Debido a las características de fraguado rápido de la mezcla cementosa, el hecho de mezclar componentes secos de la mezcla cementosa con agua se llevará a cabo habitualmente justo antes de la operación de moldeado. Como consecuencia de la formación de hidratos de compuestos de aluminato de calcio y del consumo de agua asociado en cantidades considerables, el producto a base de cemento se vuelve rígido, y listo para ser cortado, manipulado y apilado para su posterior curado.
[0076] Por consiguiente, la composición reactiva cementosa de la invención se combina con una cantidad adecuada de agua para hidratar el polvo reactivo cementoso y para formar rápidamente etringita y otros hidratos de compuestos de aluminato de calcio. Normalmente, la cantidad de agua añadida será mayor que la que en teoría se necesita para la hidratación del polvo reactivo cementoso. Esta mayor demanda de agua se permite para facilitar la trabajabilidad de la lechada cementosa. Habitualmente, la proporción de peso entre el agua y de la mezcla de polvo reactivo cementoso es de aproximadamente 0,20/1 a 0,80/1, preferiblemente de aproximadamente 0,45/1 a 0,65/1. La cantidad de agua depende de las necesidades de los distintos materiales presentes en la composición cementosa.
[0077] La etringita y otros hidratos de compuestos de aluminato de calcio se forman muy rápidamente en el proceso de hidratación, aportando de este modo un fraguado rápido y rigidez a las mezclas fabricadas con la mezcla de polvo reactivo cementoso de la composición cementosa de la invención. En la fabricación de productos a base de cemento, tales como placas de cemento, es principalmente la formación de etringita y otros hidratos de aluminato de calcio lo que posibilita la manipulación de las placas de cemento a los pocos minutos de que la composición cementosa de la invención se haya mezclado con una cantidad adecuada de agua.
[0078] El fraguado de la composición se caracteriza por tiempos de fraguado inicial y final, medidos empleando agujas de Gillmore especificadas en el procedimiento de ensayo ASTM C266, así como una alta resistencia a la compresión inicial. El tiempo de fraguado final también se corresponde con el momento en el que un producto a base de cemento, p. ej., una placa de cemento, se ha endurecido lo suficiente como para ser manipulado. Los expertos en la materia comprenderán que las reacciones de curado prosiguen durante largos períodos después de haber alcanzado el tiempo de fraguado final.
[0079] La lechada normalmente se forma en condiciones que proporcionan una temperatura de lechada inicialmente alta. La temperatura de lechada inicial debería ser de al menos aproximadamente 40 °F (4,4 °C). Por
ejemplo, la temperatura de lechada inicial podría ser de al menos aproximadamente 90 °F (32 °C). Las temperaturas de lechada comprendidas en el intervalo de 90 °F a 150 °F (de 32 °C a 66 °C) producen tiempos de fraguado muy cortos. Por lo general, en este intervalo, el aumento la temperatura inicial de la lechada incrementa la velocidad de aumento de temperatura según transcurren las reacciones y reduce el tiempo de fraguado. Por tanto, una temperatura de lechada inicial de 95 °F (35 °C) se prefiere a una temperatura de lechada inicial de 90 °F (32 °C), una temperatura de 100 °F (38 °C) se prefiere a una de 95 °F (35 °C), una temperatura de 105 °F (41 °C) se prefiere a una de 100 °F (38 °C), una temperatura de 110 °F (43 °C) se prefiere a una de 105 °F (41 °C), etc. Se cree que las ventajas de incrementar la temperatura de lechada inicial disminuyen conforme se alcanza la parte superior del amplio intervalo de temperatura.
[0080] Como comprenderán los expertos en la materia, el hecho de alcanzar una temperatura de lechada inicial puede conseguirse mediante más de un método. Probablemente, el método más conveniente sea calentar uno o varios de los componentes de la lechada. En los ejemplos, los presentes inventores suministraron agua calentada hasta una temperatura de manera que, cuando se añada a los polvos reactivos secos y sólidos no reactivos, la lechada resultante se encuentre a la temperatura deseada. De manera alternativa, si se desea, los sólidos podrían proporcionarse a temperaturas superiores a la temperatura ambiente. La utilización de vapor para proporcionar calor a la lechada es otro método posible que podría adoptarse. Aunque no se prefiere, podría prepararse una lechada a temperatura ambiente y calentarse rápidamente hasta alcanzar una temperatura de 90 °F (32 °C) o más, a la que pueden conseguirse los beneficios de la invención. La temperatura de lechada inicial es preferiblemente de aproximadamente 120 °F a 130 °F (de 49 °C a 54 °C).
EJEMPLO 1
[0081] Los siguientes ejemplos ilustran la producción de placas de cemento ligeras en un proceso de fabricación comercial utilizando las composiciones cementosas de la invención. Las materias primas utilizadas incluían un polvo reactivo cementoso de cemento Pórtland de Tipo III, ceniza volante de clase F, y sulfato de calcio dihidratado (yeso natural), perlita revestida químicamente, agregados de esquisto y arcilla expandida y líquidos añadidos. Los líquidos, por ejemplo, la trietanolamina, eran aditivos añadidos como soluciones acuosas. Además, se añadió superplastificante de naftaleno sulfonado y citrato de sodio para controlar la fluidez de las mezclas. Estos aditivos se añadieron como un porcentaje de peso del polvo reactivo total.
[0082] La Tabla 2 muestra una composición específica utilizada para producir paneles de cemento ligeros de 0,5 pulgadas (1,27 cm) de grosor con una densidad de aproximadamente 56 libras por pie cúbico (pcf) (0,9 g/cc).
[0083] La perlita revestida químicamente era perlita de marca SILBRICO, modelo SIL-CELL 35-23 con un diámetro de partícula medio de 40 micras y un revestimiento de alquilalcoxisilano.
[0084] El aire incorporado en la placa se introdujo mediante una espuma tensioactiva que se preparó por separado y se añadió directamente a la lechada cementosa húmeda en la mezcladora del lechada. Se utilizó tensioactivo de sulfonato de alfa-olefina de sodio (AOS) en una solución a base de agua para preparar la espuma. La concentración de tensioactivo en la solución a base de agua era del 0,90 % en peso. Debería
tenerse en cuenta que una combinación de aire incorporado, perlita, y agregado de arcilla expandida en la composición era la responsable de conseguir la baja densidad de lechada fijada como objetivo.
[0085] Las placas de cemento fabricadas se reforzaron con revestimiento utilizando una malla de fibra de vidrio revestida con policloruro de vinilo (PVC) resistente a los álcalis incrustada en la lechada cementosa. La malla de refuerzo fue fabricada por Saint-Gobain Technical Fabrics.
[0086] La composición incluida en el ejemplo se combinó utilizando una proporción de peso de agua y cemento (polvo reactivo cementoso) de 0,54:1 y una proporción de peso de agregado de esquisto expandido y polvo reactivo cementoso de 0,45:1. Los ingredientes de polvo reactivo seco, perlita, y agregado empleados se mezclaron con agua en condiciones que proporcionaban una temperatura de lechada inicial superior a la temperatura ambiente. Se utilizó agua caliente a una temperatura que produjo una lechada con una temperatura inicial comprendida en el intervalo de 125° a 140 °F (51,7° a 60,0 °C).
[0087] Las dosis de varios aditivos químicos (trietanolamina, citrato de sodio, sulfato de aluminio, y superplastificante de naftalensulfonato) se ajustó para conseguir el comportamiento de flujo deseado y las características de fraguado rápido.
[0088] Las placas de cemento fabricadas eran duras y podían manipularse en los 10 minutos siguientes a la preparación de la lechada y la formación de la placa.
[0089] Se llevaron a cabo ensayos mecánicos para caracterizar las propiedades físicas de las placas de cemento ligeras fabricadas.
[0090] La resistencia a la flexión se midió conforme al ensayo según el ASTM C 947.
[0091] La desviación máxima se midió utilizando la carga de flexión frente a un gráfico de desviación obtenido para un espécimen sometido a un ensayo de flexión según el ASTM C 947. La desviación máxima representa el desplazamiento del espécimen en los puntos de carga del tercio medio que se corresponden con la carga máxima.
[0092] La resistencia a la extracción de clavos se midió conforme al ensayo según el ASTM D1037.
[0093] Dos días tras la fabricación, se midió la caracterización del rendimiento de la flexión de las placas según el ASTM C947. La Tabla 3 muestra el rendimiento de la flexión de las placas sometidas a ensayo. Los resultados mostrados en la tabla muestran que los paneles desarrollaron una resistencia a la flexión y una ductilidad de flexión excelentes.
[0094] La Tabla 4 muestra el rendimiento a la extracción de clavos de los paneles fabricados. Se midió la resistencia a la extracción de clavos de los paneles de conformidad con el Método de ensayo D 1037 utilizando un clavo para techos con una cabeza con un diámetro de 0,375 pulgadas (10 mm) y un diámetro de rosca de 0,121 pulgadas (3 mm). Los datos mostrados en la Tabla 4 demuestran un rendimiento a la extracción de clavos satisfactorio de los paneles de la invención.
EJEMPLO 2
[0095] El siguiente ejemplo ilustra la producción de placas de cemento ligeras en un proceso de fabricación comercial utilizando las composiciones cementosas de la invención. Las materias primas utilizadas incluían un polvo reactivo cementoso de cemento Pórtland de Tipo III, ceniza volante de clase F, y sulfato de calcio dihidratado (yeso natural), perlita revestida químicamente, agregados de esquisto y arcilla expandida y líquidos añadidos. Los líquidos, por ejemplo, la trietanolamina, eran aditivos añadidos como soluciones acuosas.
Además, se añadió superplastificante de naftaleno sulfonado y citrato de sodio para controlar la fluidez de las mezclas. Estos aditivos se añadieron como un porcentaje de peso del polvo reactivo total.
[0096] La Tabla 4 muestra una composición específica utilizada para producir paneles de cemento ligeros de 0,5 pulgadas (1,27 cm) de grosor con una densidad de aproximadamente 60 libras por pie cúbico (pcf) (0,96 g/cc).
[0097] La perlita revestida químicamente era perlita de marca SILBRICO, modelo SIL-CELL 35-23 con un diámetro de partícula medio de 40 micras y un revestimiento de alquilalcoxisilano. El aire incorporado en la placa se introdujo mediante una espuma tensioactiva que se preparó por separado y se añadió directamente a la lechada cementosa húmeda en la mezcladora del lechada. Se utilizó tensioactivo de sulfonato de alfa-olefina de sodio (AOS) en una solución a base de agua para preparar la espuma. La concentración de tensioactivo en la solución a base de agua era de 0,90 % en peso. Debería tenerse en cuenta que una combinación de aire incorporado, perlita, y agregado de arcilla expandida en la composición era la responsable de conseguir la baja densidad de lechada fijada como objetivo.
[0098] Las placas de cemento fabricadas se reforzaron con revestimiento utilizando una malla de fibra de vidrio revestida con PVC resistente a los álcalis incrustada en la lechada cementosa. La malla de refuerzo fue fabricada por Saint-Gobain Technical Fabrics.
[0099] La composición incluida en el ejemplo se combinó utilizando una proporción de peso de agua y cemento (polvo reactivo cementoso) de 0,62:1 y una proporción de peso de agregado de esquisto expandido y polvo reactivo cementoso de 0,35:1. Los ingredientes de polvo reactivo seco, perlita, y agregado empleados se mezclaron con agua en condiciones que proporcionaban una temperatura de lechada inicial superior a la temperatura ambiente. Se utilizó agua caliente a una temperatura que produjo una lechada con una temperatura inicial comprendida en el intervalo de 125° a 140 °F (51,7° a 60,0° C). Las dosis de aditivos químicos (trietanolamina, citrato de sodio, sulfato de aluminio, y superplastificante de naftalensulfonato) se ajustaron para conseguir el comportamiento de flujo deseado y las características de fraguado rápido.
[0100] Las placas de cemento fabricadas eran duras y podían manipularse en los 10 minutos siguientes a la preparación de la lechada y la formación de la placa.
[0101] Se llevaron a cabo ensayos mecánicos para caracterizar las propiedades físicas de las placas de cemento ligeras fabricadas. La resistencia a la flexión se midió conforme al ensayo según el ASTM C 947. La desviación máxima se midió utilizando la carga de flexión frente al gráfico de desviación obtenido para un espécimen sometido a un ensayo de flexión según el ASTM C 947. La desviación máxima representa el desplazamiento del espécimen en los puntos de carga del tercio medio que se corresponden con la carga máxima. La resistencia a la extracción de clavos se midió conforme al ensayo según el ASTM D1037.
[0102] Dos días tras la fabricación, se midió la caracterización del rendimiento de la flexión de las placas según el ASTM C947. La Tabla 5 muestra el rendimiento de la flexión de las placas sometidas a ensayo. Los resultados mostrados en la tabla muestran que los paneles desarrollaron una resistencia a la flexión y una ductilidad de flexión excelentes.
[0103] La Tabla 6 muestra el rendimiento de la extracción de clavos de los paneles fabricados. Se midió la resistencia a la extracción de clavos de los paneles de conformidad con el Método de ensayo D 1037 utilizando un clavo para techos con una cabeza con un diámetro de 0,375 pulgadas (9,5 mm) y un diámetro de rosca de 0,121 pulgadas (3 mm). Los datos mostrados en la Tabla 6 demuestran un rendimiento de la extracción de clavos satisfactorio de los paneles de la invención.
EJEMPLO 3
[0104] Se probó la idoneidad de los paneles cementosos reforzados con mallas del Ejemplo 2 para servir de sustrato para unir azulejos de cerámica. Se unieron baldosas sin vitrificar a los paneles de cemento del Ejemplo 2 utilizando un mortero cola cementoso modificado con látex de conformidad con el estándar ANSI A118.4 Se mezcló LATICRETE® 317 Floor N' Wall Thin Set Mortar con LATICRETE® 333 Super Flexible Additive para preparar el mortero cola para unir las baldosas a la placa de cemento. Los especímenes preparados se curaron durante 28 días y se evaluaron según el estándar ANSI A118.10 para caracterizar su resistencia de adhesión al cizallamiento. La Tabla 7 muestra la resistencia de adhesión al cizallamiento del espécimen examinado. De estos datos, se puede observar que el espécimen desarrolló una resistencia de adhesión al cizallamiento de 241 psi (1,66 MPa), que sobrepasa enormemente el mínimo requisito de resistencia de adhesión al cizallamiento de 50 psi (0,34 MPa) según el estándar ANSI A118.10. Estos ensayos muestran que los productos y las formulaciones cementosas de la invención desarrollan una resistencia de adhesión al cizallamiento extremadamente buena con azulejos de cerámica y mortero de cemento.
EJEMPLO 4
[0105] Se evaluó la impermeabilidad de los paneles cementosos reforzados con malla del Ejemplo 2 al caracterizar su habilidad de resistir la penetración de agua a través del grosor del panel cuando la superficie superior del panel se sometió a una presión hidrostática de 24 pulgadas (61 cm). Un tubo de plástico hueco, de 24 pulgadas (61 cm) de largo y con un diámetro interno de 2 pulgadas (5,1 cm) se montó de manera adhesiva en la parte superior del panel. El tubo se llenó de agua hasta una altura de 24 pulgadas (61 cm). Al cabo de 48 horas, la superficie inferior del panel se supervisó para comprobar la humedad o la formación de gotas de agua. No se observó ninguna humedad ni gotas de agua en la superficie inferior del panel al cabo de 48 horas. Por tanto, este resultado demuestra las características de impermeabilidad del panel según el estándar ANSI A118.10. Cabe destacar que los paneles de la invención muestran características de impermeabilidad a pesar de tener una porosidad extremadamente alta. De hecho, es el revestimiento químico de silano de las partículas de SIL-CELL 35-23 el que proporciona esta repelencia al agua al núcleo cementoso y resiste la penetración de agua a través del grosor del producto.
EJEMPLO 5
[0106] Se evaluó la estabilidad y durabilidad de los paneles cementosos reforzados con mallas del Ejemplo 2 en una exposición continuada a la congelación y descongelación. Los paneles se sometieron a múltiples ciclos
de congelación y descongelación según el estándar ASTM C1185. Un ciclo de congelación y descongelación comprendía lo siguiente: i. mantener las muestras a 4°C durante 1 hora, ii. enfriar las muestras hasta una temperatura de -17 °C en la siguiente 1 hora, iii. mantener las muestras a -17 °C durante otra 1 hora, y finalmente, iv. descongelar las muestras hasta una temperatura de 4 °C en la siguiente una hora. Los paneles se sometieron a un total de 300 ciclos de congelación y descongelación. Los paneles examinados no desarrollaron agrietamientos, delaminación, ni cualquier otro tipo de daño cuando se completaron los 300 ciclos de congelación y descongelación. Este ensayo mostró por tanto un rendimiento de durabilidad y estabilidad a la congelación y la descongelación excelente de los paneles de la invención.
EJEMPLO 6
[0107] Se evaluó la resistencia al crecimiento de moho de los paneles cementosos reforzados con mallas del Ejemplo 2 según el ASTM D3273, al crecimiento de hongos según el ASTM G21, y al crecimiento de bacterias según el ASTM G22. La Tabla 8 resume los resultados obtenidos de la investigación. De los resultados mostrados en la Tabla 8, puede observarse claramente que las formulaciones de cemento y los productos de la invención poseen intrínsecamente una resistencia extremadamente buena al moho, bacterias y crecimiento de hongos.
EJEMPLO 7
[0108] El siguiente ejemplo ilustra la producción de placas de cemento ligeras con una densidad de aproximadamente 50 libras por pie cúbico (pcf) (0,8 g/cc) en un proceso de fabricación comercial utilizando la composición cementosa de la invención. Las materias primas utilizadas incluían un polvo reactivo cementoso de cemento Pórtland de Tipo III, ceniza volante de clase F, y sulfato de calcio dihidratado (yeso natural), perlita revestida químicamente, agregados de esquisto y arcilla expandida y líquidos añadidos. Los líquidos, por ejemplo, la trietanolamina, eran aditivos añadidos como soluciones acuosas. Además, se añadió superplastificante de naftaleno sulfonado y citrato de sodio para controlar la fluidez de las mezclas. Estos aditivos se añadieron como porcentaje de peso del polvo reactivo total.
[0109] La Tabla 9 muestra una composición específica utilizada para producir paneles de cemento ligeros de 0,5 pulgadas (1,27 cm) de grosor con una densidad de aproximadamente 50 pcf (0,8 g/cc).
[0110] La perlita revestida químicamente era perlita de marca SILBRICO, modelo SIL-CELL 35-23 con un diámetro de partícula medio de 40 micras y un revestimiento de alquilalcoxisilano. El aire incorporado en la placa se introdujo mediante una espuma tensioactiva que se preparó por separado y se añadió directamente a la lechada cementosa húmeda en la mezcladora del lechada. Se utilizó tensioactivo de sulfonato de alfa-olefina de sodio (AOS) en una solución a base de agua para preparar la espuma. La concentración de tensioactivo en la solución a base de agua era de 0,90 % en peso. Debería tenerse en cuenta que una combinación de aire incorporado, perlita, y agregado de arcilla expandida en la composición era la responsable de conseguir la baja densidad de lechada fijada como objetivo.
[0111] Las placas de cemento fabricadas se reforzaron con revestimiento utilizando una malla de fibra de vidrio revestida con PVC resistente a los álcalis incrustada en la lechada cementosa. La malla de refuerzo fue fabricada por Saint-Gobain Technical Fabrics.
[0112] La composición incluida en el ejemplo se combinó utilizando una proporción de peso de agua y cemento (polvo reactivo cementoso) de 0,62:1 y una proporción de peso de agregado de esquisto expandido y polvo reactivo cementoso de 0,35:1. Los ingredientes de polvo reactivo seco, perlita, y agregado empleados se mezclaron con agua en condiciones que proporcionaban una temperatura de lechada inicial superior a la temperatura ambiente. Se utilizó agua caliente a una temperatura que produjo una lechada con una temperatura inicial comprendida en el intervalo de 125° a 140 °F (51,7° a 60,0 °C). Las dosis de aditivos químicos (trietanolamina, citrato de sodio, sulfato de aluminio, y superplastificante de naftalensulfonato) se ajustó para conseguir el comportamiento de flujo deseado y las características de fraguado rápido.
[0113] Las placas de cemento fabricadas eran duras y podrían manipularse a los 10 minutos siguientes de la preparación de la lechada y la formulación de la placa.
[0114] Se llevaron a cabo ensayos mecánicos para caracterizar las propiedades físicas de las placas de cemento ligeras fabricadas. La resistencia a la flexión se midió conforme al ensayo según el ASTM C 947. La desviación máxima se midió utilizando la carga de flexión frente al gráfico de desviación obtenido para un espécimen sometido a un ensayo de flexión según el ASTM C 947. La desviación máxima representa el desplazamiento del espécimen en los puntos de carga del tercio medio que se corresponden con la carga máxima. La resistencia a la extracción de clavos se midió conforme al ensayo por ASTM D1037.
[0115] Dos días tras la fabricación, se midió la caracterización del rendimiento de la flexión de las placas según el ASTM C947. La Tabla 10 muestra el rendimiento de la flexión de las placas sometidas a ensayo. Los resultados mostrados en la tabla muestran que los paneles desarrollaron una resistencia a la flexión y una ductilidad de flexión excelentes.
[0116] La Tabla 11 muestra el rendimiento de la extracción de clavos de los paneles fabricados. Se midió la resistencia a la extracción de clavos de los paneles de conformidad con el Método de ensayo D 1037 utilizando un clavo para techos con una cabeza con un diámetro de 0,375 pulgadas (9,5 mm) y un diámetro de rosca de 0,121 pulgadas (3 mm). Los datos mostrados en la Tabla 6 demuestran un rendimiento de la extracción de clavos satisfactorio de los paneles de la invención.
EJEMPLO 8
[0117] Se midió el rendimiento de la durabilidad de los paneles de 1/2 pulgada (1,27 cm) de espesor del Ejemplo 7 utilizando la prueba Robinson para suelos del ASTM C627, incorporados por referencia al presente documento. El suelo de muestra para el ensayo se preparó en paneles de madera contrachapada de 23/32 pulgadas (1,83 cm) de grosor colocados sobre vigas de madera situadas a 16 pulgadas (40,64 cm) del centro.
Los paneles de cemento de 1/2 pulgada (1,27 cm) de grosor se unieron a la madera contrachapada utilizando mortero cola modificado con látex y elementos de fijación mecánicos (tomillos para madera de 1-5/8 pulgadas (4,13 cm) de largo) situados a 8 pulgadas (20 cm) del centro. Después, se colocaron azulejos de cerámica de dos pulgadas (5,08 cm) de ancho en la placa de cemento utilizando mortero cola modificado con látex seguido de enlechar las juntas de azulejos 24 horas después de la instalación de azulejos de cerámica. Se dejó que la muestra de suelo se curara durante 28 días desde la fecha de fabricación antes de que se llevase a cabo el ensayo.
[0118] Durante el Test Robinson para suelos, se movieron de manera secuencial ruedas de diferentes durezas y que llevaban distintas cargas sobre la superficie de baldosas terminada durante 900 revoluciones cada una. Después de la finalización de cada ciclo, se estudiaron los azulejos para determinar si algunos de ellos estaban sueltos, rotos o agrietados. Se examinó la lechada para establecer si se salió, se agrietó o se pulverizó.
[0119] El suelo examinado no mostró defectos en el azulejo o lechada durante el 11° ciclo del ensayo. El suelo falló en el 12° ciclo, alcanzando por tanto una clasificación de "Comercial Moderado" según el Manual del TCA de 2008 para la Colocación de Recubrimientos Cerámicos (TCA 2007 Handbook for Ceramic Tile Installation), publicado por el Consejo Cerámico de Norteamérica (Tile Council of North America, TCNA).
EJEMPLO 9
[0120] Este ejemplo demuestra la efectividad y la influencia de un revestimiento químico aplicado en los rellenos de perlita de la invención. El ejemplo no es acorde a la invención, pero es útil para entenderla.
[0121] Se analizaron tres tipos de rellenos de perlita:
1. Perlita SIL-CELL 35-BC: Este relleno de perlita tiene una densidad aparente de aproximadamente 8 pcf (0,13 g/cc), un tamaño de partícula medio de 40 micras, y no tiene revestimiento aplicado en la superficie de las partículas.
2. Perlita SIL-CELL 35-23: Este relleno de perlita tiene una densidad aparente de aproximadamente 8 pcf (0,13 g/cc), un tamaño de partícula medio de 40 micras, y tiene un revestimiento de silano aplicado en la superficie de las partículas. En lo esencial, la perlita SIL-CELL 35-23 es la misma que la SIL-CELL 35-BC pero con un revestimiento de silano adicional aplicado en la superficie de la partícula.
3. Perlita SIL-CELL 35-34: Este relleno de perlita tiene una densidad aparente de aproximadamente 8 pcf (0,13 g/cc), un tamaño de partícula medio de 40 micras, y tiene un revestimiento de silicona aplicado en la superficie de las partículas. En lo esencial, la perlita SIL-CELL 35-34 es la misma que la SIL-CELL 35-BC pero con un revestimiento de silicona adicional aplicado en la superficie de la partícula.
[0122] Estos tres rellenos de perlita analizados fueron producidos por Silbrico Corporation. La Tabla 12 muestra las composiciones de las mezclas investigadas que contienen los rellenos de perlita mencionados anteriormente.
[0123] No se utilizó ningún aditivo líquido ni aire de incorporación en este estudio. Todos los materiales se mezclaron en condiciones ambientales a una temperatura ambiente de 70 °F (21 °C). La Tabla 13 resume los resultados de la investigación. Los resultados y conclusiones más importantes se analizan a continuación:
• La mezcla n.° 1 con perlita sin revestimiento (SIL-CELL 35-BC) dio lugar a una lechada con una consistencia extremadamente dura. Por otro lado, las mezclas n.° 2 y n.° 3 con perlita revestida dieron lugar a mezclas con consistencias fluidas. El relleno de SIL-CELL 35-Bc sin revestimiento absorbió grandes cantidades de agua de la mezcla, reduciendo por tanto la cantidad de agua disponible para la pasta de cemento. Esto hace que la lechada sea extremadamente dura y menos trabajable. Por otro lado, las partículas de perlita de SIL-CELL 35-23 y SIL-CELL 35-34 tienen un químico hidrófobo en la superficie de
las partículas. Estos revestimientos reducen en gran medida la cantidad absorbida por las propias partículas. Por consiguiente, las lechadas (Mezclas n.° 2 y n.° 3) con estos dos rellenos de perlita revestidos que presentan una consistencia bastante mejor y poseen características de flujo superiores debido a una mayor cantidad de disponibilidad de agua en la pasta de cemento.
• La mezcla n.° 1 con perlita sin revestimiento (SIL-CELL 35-BC) dio lugar a una lechada que tenía la mayor densidad de lechada. Por otro lado, las mezclas n.° 2 y n.° 3 con rellenos de perlita revestidos dieron lugar a lechadas con densidades de lechada considerablemente más bajas que la de la mezcla n.° 1 con perlita sin revestimiento. Cabe destacar que todas estas tres mezclas investigadas en este ejemplo tenían la misma cantidad de relleno de perlita, aunque las lechadas resultantes de las tres mezclas acabaron con densidades muy diferentes. La absorción de agua por parte del relleno de perlita sin revestimiento (SIL-CELL 35-BC) de la mezcla n.° 1 aumentó el peso y la densidad del relleno de perlita durante la mezcla. El aumento de la densidad del relleno de perlita SIL-CELL 35-BC debido a la absorción de agua provocó por tanto una densidad de lechada relativamente alta para la mezcla n.° 1. Por otro lado, la absorción de agua de los rellenos de perlita revestidos (SIL-CELL 35-23 y SIL-CELL 35-34) fue mínima, por tanto, el peso y la densidad de los rellenos de perlita revestidos no aumentó de forma significativa al mezclarla. Por tanto, la absorción de agua extremadamente baja de los rellenos de perlita SIL-CELL 35-23 y SIL-CELL 35-34 y su consecuente densidad efectiva más baja dio lugar a densidades de lechada más bajas para las mezclas n.° 2 y 3.
• La densidad de partículas efectiva del relleno de perlitas sin revestimiento, es decir, la perlita SIL-CELL 35-BC, resultó ser de 0,45 g/cc. En comparación, los rellenos de perlita revestida resultaron tener una densidad de partículas efectiva considerablemente más baja. Por ejemplo, el relleno de perlitas SIL-CELL 35-23 revestido con silano resultó tener una densidad de partículas efectiva de 0,25 g/cc.
• Comparando los resultados de la densidad de lechada de las tres mezclas y los tres rellenos de perlitas analizados en este ejemplo, puede verse fácilmente que la cantidad de relleno de perlita requerido para conseguir cualquier densidad de lechada fijada como objetivo sería la más alta para las composiciones que utilizan el relleno de perlita sin revestimiento (es decir, la perlita SIL-CELL 35-BC).
EJEMPLO 10
[0124] El ejemplo no es acorde a la invención, pero es útil para entenderla. Este ejemplo muestra la influencia del tamaño de las partículas de perlita revestidas en las propiedades de la mezcla. Se analizaron dos tipos distintos de rellenos de perlita:
1. Perlita SIL-CELL 35-23: Este relleno de perlita tiene una densidad aparente de aproximadamente 8 pcf (0.13 glee), un tamaño de partícula medio de 40 micras, y un revestimiento de silano aplicado en la superficie de las partículas.
2. Perlita de relleno para albañilería tratada con silicona Ryolex: Este relleno de perlita tiene una densidad aparente de aproximadamente 7 pcf (0.11 glee), un tamaño de partícula medio de 1180 micras, y un revestimiento de silicona aplicado en la superficie de las partículas.
[0125] Ambos rellenos de perlita analizados fueron producidos por Silbrico Corporation. La Tabla 14 muestra las composiciones de las mezclas analizadas que contienen los rellenos de perlita mencionados anteriormente.
[0126] No se utilizó ningún aditivo líquido ni aire de incorporación en este estudio.
[0127] Todos los materiales se mezclaron en condiciones ambientales a una temperatura ambiente de 70 °F (21 °C). La Tabla 15 resume los resultados de la investigación. Los resultados y conclusiones más importantes se analizan a continuación:
• La mezcla n.° 2 con relleno de perlita revestida que presenta un tamaño de partícula más grande (relleno para albañilería tratado con silicona Ryolex) dio lugar a una lechada con una consistencia extremadamente dura. Por otro lado, la mezcla n.° 1 con relleno de perlita revestida que presenta un tamaño de partícula más pequeño (SIL-CELL 35-23) dio lugar a una lechada con una consistencia fluida. Se cree que las partículas de perlita más grandes tienden a ser débiles y propensas a quebrarse durante la mezcla. La rotura de partículas de perlita durante la mezcla aumenta la absorción de agua de las partículas, reduciendo por tanto el agua disponible para la pasta de cemento. Esto hace que la lechada sea extremadamente dura y menos trabajable. Por otro lado, las partículas de perlita SIL-CELL 35-23 son significativamente más fuertes en comparación debido a su pequeño tamaño y a su estructura de panal de celdas cerradas. Las partículas de perlita con un tamaño más pequeño son por tanto más tolerantes al daño provocado al mezclar y por la agitación mecánica. Este comportamiento mantiene la absorción de agua de las partículas de perlita baja y aumenta la cantidad de agua disponible para la pasta de cemento. Por consiguiente, la lechada con un relleno de perlitas de menor tamaño (SIL-CELL 35-23) presenta una consistencia bastante mejor y posee características de flujo superiores debido a una mayor cantidad de disponibilidad de agua en la pasta de cemento.
• La mezcla n.° 2 con relleno de perlita revestida que presenta un tamaño de partícula más grande (relleno para albañilería tratado con silicona Ryolex) da lugar a una mezcla con una densidad de lechada muy alta. En comparación, la mezcla n.° 1 con relleno de perlita revestido que presenta un tamaño de partícula más pequeño (SIL-CELL 35-23) dio lugar a una mezcla con una densidad de lechada considerablemente más baja. Cabe destacar que las dos mezclas analizadas en este ejemplo tenían la misma cantidad de relleno de perlita en peso, aunque las mezclas resultantes de las dos mezclas acabaron con densidades de lechada muy diferentes. Se cree que la rotura de partículas y la alta absorción de agua de las partículas de perlita de mayor tamaño (relleno para albañilería tratado con silicona Ryolex) son las principales razones que dieron lugar a una densidad de lechada más alta para la mezcla n.° 2.
• La densidad de partículas efectiva del relleno de perlitas de menor tamaño (es decir, de la perlita SIL-CELL 35-BC), resultó ser de 0,25 g/cc. En comparación, el relleno de perlita de mayor tamaño (relleno para albañilería tratado con silicona Ryolex) resultó tener una densidad de partículas efectiva significativamente mayor igualando 0,80 glee. Se cree que la rotura de partículas y una mayor absorción de agua del relleno de perlitas de mayor tamaño utilizado en la mezcla n.° 2 dieron lugar a una densidad de partículas efectiva significativamente mayor para la perlita del relleno para albañilería tratado con silicona Ryolex.
• Comparando los resultados de la densidad de lechada de las dos mezclas analizadas en este ejemplo, puede verse fácilmente que la cantidad de relleno de perlita requerido para conseguir cualquier densidad de lechada fijada como objetivo sería la más alta para las composiciones que utilizan el relleno de perlita de mayor tamaño (es decir, perlita del Relleno para albañilería tratado con silicona Ryolex).
EJEMPLO 11
[0128] El ejemplo no es acorde a la invención, pero es útil para entenderla. Este ejemplo demuestra las características de fraguado rápido de las composiciones cementosas de la invención. Se analizaron mezclas que contienen distintos tipos rellenos de perlita:
1. Perlita SIL-CELL 35-BC: Este relleno de perlita tiene una densidad aparente de aproximadamente 8 pcf (0,13 g/cc), un tamaño de partícula medio de 40 micras, y no tiene revestimiento aplicado en la superficie de las partículas.
2. Perlita SIL-CELL 35-23: Este relleno de perlita tiene una densidad aparente de aproximadamente 8 pcf (0,13 g/cc), un tamaño de partícula medio de 40 micras, y tiene un revestimiento de silano aplicado en la superficie de las partículas. Fundamentalmente, la perlita SIL-CELL 35-23 es la misma que la SIL-CELL 35-BC pero con un revestimiento de silano adicional aplicado en la superficie de la partícula.
3. Perlita SIL-CELL 35-34: Este relleno de perlita tiene una densidad aparente de aproximadamente 8 pcf (0,13 g/cc), un tamaño de partícula medio de 40 micras, y tiene un revestimiento de silicona aplicado en la superficie de las partículas. En lo esencial, la perlita SIL-CELL 35-34 es la misma que la SIL-CELL 35-BC pero con un revestimiento de silicona adicional aplicado en la superficie de la partícula.
[0129] Estos tres rellenos de perlita analizados fueron producidos por Silbrico Corporation. La Tabla 16 muestra las composiciones de las mezclas investigadas que contienen los rellenos de perlita mencionados anteriormente. Cabe señalar que la cantidad de perlita y de líquidos totales añadidos a las varias mezclas se ajustaron para conseguir una densidad de lechada constante y un asentamiento de lechada constante entre las mezclas analizadas.
[0130] Todos los materiales se mezclaron en condiciones para obtener una temperatura de lechada inicial de aproximadamente 125 °F (52 °C). Se registró la respuesta del aumento de la temperatura de lechada para las mezclas analizadas y se muestra en la FIG. 1. La Tabla 17 resume los resultados de la investigación. Los tiempos de fraguado final se determinaron con agujas de Gilmore, de acuerdo con el ASTM C266.
[0131] Los resultados y conclusiones más importantes de la investigación se analizan a continuación:
[0132] La respuesta de aumento de temperatura para las mezclas que contienen rellenos de perlita revestidos (mezcla 2 y mezcla 3) era superior a la de la mezcla con relleno de perlita sin revestimiento (mezcla 1).
[0133] Las mezclas que contienen rellenos de perlita revestida (mezcla 2 y mezcla 3) produjeron un comportamiento de fraguado muy corto y rápido. Los tiempos de fraguado finales para estas dos mezclas variaron entre 6 y 7 minutos. Por el contrario, la mezcla con perlita sin revestimiento (mezcla 1) presenta un comportamiento de fraguado extremadamente lento. El tiempo de fraguado final para esta mezcla no se alcanzó ni siquiera 2 horas después de vaciar la lechada.
[0134] Desde una perspectiva de fabricación comercial, se prefieren las mezclas que contienen rellenos de perlita revestidos (SIL-CELL 35-23 y SIL-CELL 35-34) dado que estas mezclas proporcionarían un procesamiento rápido de los productos y una durabilidad y resistencia del producto superior debido al uso reducido de agua en la composición.
EJEMPLO 12
[0135] Este ejemplo demuestra la influencia de la adición de relleno secundaria, tales como, agregado de esquisto/arcilla expandida en las propiedades físicas del producto terminado. Las dos mezclas analizadas se muestran en la Tabla 18.
[0136] Las materias primas utilizadas incluían un polvo reactivo cementoso de cemento Pórtland de Tipo III, perlita revestida químicamente, agregados de esquisto expandido y líquidos añadidos. Los líquidos, por ejemplo, el citrato de sodio, eran aditivos añadidos como soluciones acuosas. Además, en algunas formas de realización, se añadió superplastificante de naftaleno sulfonado y carbonato de sodio para controlar la fluidez de las mezclas. Estos aditivos se añadieron como porcentaje de peso del polvo reactivo total.
[0137] En la Tabla 18, cabe destacar que la mezcla n.° 1 no contenía agregado de esquisto expandido. Por su parte, la mezcla n.° 2 contenía agregado de esquisto expandido incluido además de relleno de perlita revestida.
[0138] Utilizando las composiciones mostradas en la Tabla 18, se fabricaron paneles de cemento ligeros de 1/2 pulgada (1,3 cm) de grosor con una densidad de aproximadamente 60 libras por pie cúbico (pcf) (0,96 g/cc).
[0139] La perlita revestida químicamente era perlita de marca SILBRICO, modelo SIL-CELL 35-23, con un diámetro de partícula medio de 40 micras y un revestimiento de alquilalcoxisilano. El aire incorporado en la placa se introdujo mediante una espuma tensioactiva que se preparó por separado y se añadió directamente a la lechada cementosa húmeda en la mezcladora del lechada. Se utilizó tensioactivo de alquiletersulfato en una solución a base de agua para preparar la espuma. La concentración de tensioactivo en la solución a base de agua era de 1,00% en peso. Debería tenerse en cuenta que una combinación de aire incorporado, perlita, y agregado de arcilla expandida en la composición era la responsable de conseguir la baja densidad de lechada fijada como objetivo.
[0140] Las placas de cemento fabricadas se reforzaron con revestimiento utilizando una malla de fibra de vidrio revestida con PVC resistente a los álcalis incrustada en la lechada cementosa. La malla de refuerzo fue fabricada por CCX Inc.
[0141] La composición incluida en el ejemplo se combinó utilizando una proporción de peso de agua y cemento (polvo reactivo cementoso) de 0,60:1. En la mezcla n.° 2, se utilizó una proporción de peso de agregado de esquisto expandido y polvo reactivo cementoso de 0,35:1. La mezcla n.° 1 no contenía agregado de esquisto expandido. Los ingredientes de polvo reactivo seco, perlita y agregado, cuando se utilizaron, se mezclaron con agua en condiciones ambientales. Todas las materias primas incluyendo agua se utilizaron a temperatura ambiente para conseguir una temperatura de lechada de aproximadamente 70 °F (21 °C). Las dosis de aditivos químicos (citrato de sodio, carbonato de sodio, y superplastificante de naftalensulfonato) se ajustaron para conseguir el comportamiento de flujo deseado y las características de fraguado rápido.
[0142] Se llevaron a cabo ensayos mecánicos para caracterizar las propiedades físicas de las placas de cemento ligeras fabricadas. La resistencia a la flexión se midió conforme al ensayo según el ASTM C 947. La desviación máxima se midió utilizando la carga de flexión frente a un gráfico de desviación obtenido para un espécimen sometido a un ensayo de flexión por ASTM C 947. La desviación máxima representa el desplazamiento del espécimen en los puntos de carga del tercio medio que se corresponden con la carga máxima.
[0143] Diecisiete días tras la fabricación, se midió la caracterización del rendimiento de la flexión de las placas según el ASTM C947. La Tabla 19 muestra el rendimiento de flexión de las placas examinadas en bases húmedas y secas. Los resultados mostrados en la tabla muestran que los paneles desarrollaron una resistencia a la flexión y una ductilidad de flexión satisfactorias. Además, los paneles en un estado de remojo mostraron un rendimiento mecánico satisfactorio.
[0144] La Tabla 20 muestra la estabilidad de los paneles en estado de remojo. Los paneles se sumergieron en agua durante 48 horas. El espesor de los paneles se midió antes y después de sumergirlos. En la Tabla 20, puede observarse que el panel sin agregado de esquisto expandido (mezcla n.° 1) se expandió algo más que el panel que contenía agregado (mezcla n.° 2). El aumento del grosor del panel que no contenía agregado (mezcla n.° 1) fue de un 0,27 %, por otro lado, este aumento para el panel que contenía agregado de esquisto expandido fue del 0,12 %. Este resultado mostró una mejora en la estabilidad dimensional de los paneles proporcionada por la inclusión del agregado de esquisto expandido en las composiciones cementosas ligeras de la invención que contienen perlita revestida.
Claims (8)
1. Método para proporcionar una lechada cementosa ligera, comprendiendo:
formar una mezcla de:
un 30 a un 60 % en peso, en una base húmeda, de polvo reactivo cementoso comprendiendo cemento Pórtland,
un 2 a un 10 % en peso, en una base húmeda, de relleno de perlita expandida revestida químicamente impermeable e hidrófuga,
un 20 a 40 % en peso de agua,
un 0 a 25 % en peso, en una base húmeda, de relleno secundario;
un 10 a 50 % en volumen, en una base húmeda, de aire incorporado; y
un agente de incorporación de aire y/o agente espumante;
un aditivo opcional seleccionado de al menos un elemento del grupo que consiste en agentes reductores de agua, aceleradores de fraguado químicos, retardadores de fraguado químicos;
en condiciones que proporcionen una temperatura de lechada inicial de al menos aproximadamente 40 °F (4,4 °C),
donde el relleno de perlita tiene un diámetro de partícula medio de entre 20-60 micras.
2. Método de conformidad con la Reivindicación 1, donde el relleno de perlita está revestido con un elemento del grupo que consiste en silano, siloxano, silicona y mezclas de los mismos.
3. Método de conformidad con la Reivindicación 1, donde el relleno de perlita está revestido con un alquilalcoxisilano.
4. Método de conformidad con la Reivindicación 1, donde la lechada tiene una temperatura inicial de aproximadamente 90-150 °F (32-66 °C).
5. Método de conformidad con la Reivindicación 1, donde el polvo reactivo cementoso comprende, en una base seca, aproximadamente de un 40 a un 90 % en peso de cemento Pórtland y de un 10 a un 60 % en peso de ceniza volante en función de la suma del cemento Pórtland y la ceniza volante.
6. Método de conformidad con la Reivindicación 1, donde la lechada cementosa comprende:
un 35-60 % en peso, en una base húmeda, de polvo reactivo cementoso comprendiendo cemento Pórtland y un material puzolánico,
un 2-10% en peso, en una base húmeda, de relleno de perlita expandida revestido químicamente impermeable e hidrófuga,
un 20-40 % en peso de agua,
un 10-50 % en volumen, en una base húmeda, de aire incorporado,
un aditivo seleccionado de al menos un elemento del grupo que consiste en agentes reductores de agua, aceleradores de fraguado químicos, retardadores de fraguado químicos, agentes de incorporación de aire, y agentes espumantes;
un 10-25% en peso de rellenos secundarios seleccionados de al menos un elemento del grupo que consiste en arcilla expandida, agregados de esquisto y piedra pómez;
donde el total del relleno de perlita expandida y revestida químicamente y los rellenos secundarios es de al menos un 20 % en peso.
7. Composición para preparar una placa de cemento comprendiendo una lechada comprendiendo una mezcla de los siguientes componentes:
de un 35 a un 60 % en peso de polvo reactivo cementoso comprendiendo cemento Pórtland,
de un 2 a un 10 % en peso, en una base húmeda, de relleno de perlita expandida revestida químicamente impermeable e hidrófuga,
de un 20 a un 40 % en peso de agua,
de un 0 a un 25 % en peso, en una base húmeda, de un relleno secundario;
de un 10 a 50 % en volumen, en una base húmeda, de aire incorporado; y
un agente de incorporación de aire y/o agente espumante;
un aditivo opcional seleccionado de al menos un elemento del grupo que consiste en agentes reductores de agua, aceleradores de fraguado químicos, y retardadores de fraguado químicos;
estando la lechada a una temperatura de al menos aproximadamente 40 °F (4,4 °C) cuando los componentes se mezclan para formar la composición,
donde el relleno de perlita tiene un diámetro de partícula medio de entre 20-60 micras.
8. Placa de cemento fabricada a partir de la composición de conformidad con la Reivindicación 7 presentando una densidad de aproximadamente 45 a 85 libras por pie cúbico (0,72 a 1,36 g/cc) y presentando una fase continua que resulta del curado de una mezcla acuosa comprendiendo: 35-60 partes en peso de aglutinante a base de cemento Pórtland,
2-10 partes en peso de relleno de perlita expandida y revestida químicamente, un 10-50 % en volumen de aire incorporado, y
aditivos opcionales seleccionado de uno más elementos del grupo que consiste en agentes reductores de agua, aceleradores de fraguado químicos, retardadores de fraguado químicos; y
0-25 partes en peso de uno o más elementos del grupo que consiste en arcilla expandida, agregado de esquisto y piedra pómez como rellenos secundarios.
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