ES2796865T3 - Hormigón celular compuesto de geopolímero de alta resistencia - Google Patents

Abstract

Un producto que comprende: un aglutinante compuesto de geopolímero que comprende: uno o más materiales de cenizas volantes de clase F, uno o más potenciadores de la gelificación, y uno o más potenciadores del endurecimiento; uno o más activadores alcalinos; uno o más áridos; y uno o más agentes espumantes; en donde cada uno del uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F comprende 15 % en peso o menos de óxido de calcio; en donde el uno o más activadores alcalinos comprenden una solución activadora alcalina que comprende uno o más hidróxidos metálicos, uno o más silicatos metálicos y agua; en donde el uno o más potenciadores de la gelificación se seleccionan del grupo que consiste en metacaolín, metahaloisita, micro y nanopartículas de sílice y alúmina, y materiales de aluminosilicato puzolánico que tienen un bajo contenido de óxido alcalinotérreo y una alta velocidad de disolución en solución alcalina; en donde el uno o más potenciadores del endurecimiento se seleccionan del grupo que consiste en escoria granulada de alto horno molida, cenizas volantes de clase C, aluminosilicato de calcio vítreo, polvo de horno, aluminosilicatos puzolánicos ricos en CaO, y combinaciones de los mismos; en donde el uno o más agentes espumantes comprenden polvo de aluminio o un agente espumante basado en peróxido; en donde el aglutinante compuesto de geopolímero es un aglutinante sin cemento Portland; en donde el producto es un hormigón celular compuesto de geopolímero (GCCC); en donde una cantidad del uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F es de 1 a 50 % en peso del producto, una cantidad del uno o más potenciadores de la gelificación es de 1 a 50 % en peso del producto, y una cantidad del uno o más potenciadores del endurecimiento es de 1 a 50 % en peso del producto; y en donde el producto tiene una densidad aparente de 1200 kg/m3 a 1800 kg/m3 y una resistencia a la compresión a los 28 días de al menos 17 MPa o 2500 psi.

Description

DESCRIPCIÓN

Hormigón celular compuesto de geopolímero de alta resistencia

Antecedentes

Campo de la invención

Esta invención se refiere, en general, a métodos de composiciones de hormigón celular compuesto de geopolímero de baja densidad y alta resistencia (GCCC).

Técnica relacionada

Hay una creciente necesidad de desarrollar, procesos sin autoclave, ecológicos y de bajo coste, para fabricar hormigón celular ligero de alta resistencia para aplicaciones tanto para aislamiento térmico como estructurales.

Sumario

De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención también proporciona un producto que comprende: un aglutinante compuesto que comprende:

uno o más materiales de cenizas volantes de clase F,

uno o más potenciadores de la gelificación,

uno o más potenciadores del endurecimiento,

uno o más activadores alcalinos,

uno o más áridos, y

uno o más agentes espumantes;

en donde cada uno de los uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F comprende 15 % en peso o menos de óxido de calcio,

en donde el uno o más activadores alcalinos comprenden una solución activadora alcalina que comprende uno o más hidróxidos metálicos, uno o más silicatos metálicos y agua,

en donde el uno o más potenciadores de la gelificación se seleccionan del grupo que consiste en metacaolín, metahaloisita, micro y nanopartículas de sílice y alúmina, y materiales de aluminosilicato puzolánico que tienen un bajo contenido de óxido alcalinotérreo y una alta velocidad de disolución en solución alcalina,

en donde el uno o más potenciadores del endurecimiento se seleccionan del grupo que consiste en escoria granulada de alto horno molida, cenizas volantes de clase C, aluminosilicato de calcio vítreo, polvo de horno, aluminosilicatos puzolánicos ricos en CaO, y combinaciones de los mismos,

en donde el uno o más agentes espumantes comprenden polvo de aluminio o un agente espumante basado en peróxido,

en donde el aglutinante compuesto de geopolímero es un aglutinante sin cemento Portland,

en donde el producto es un hormigón celular compuesto de geopolímero (GCCC);

en donde una cantidad del uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F es de 1 a 50 % en peso del producto, una cantidad del uno o más potenciadores de la gelificación es de 1 a 50 % en peso del producto, y una cantidad del uno o más potenciadores del endurecimiento es de 1 a 50 % en peso del producto; y

en donde el producto tiene una densidad aparente de 1200 kg/m3 a 1800 kg/m3 y una resistencia a la compresión a los 28 días de al menos 17 MPa o 2500 psi.

Se divulga pero no se reivindica un método que comprende las siguientes etapas:

(a) mezclar entre sí uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F, uno o más potenciadores de la gelificación y uno o más potenciadores del endurecimiento para formar de este modo un aglutinante compuesto,

(b) mezclar el aglutinante compuesto con uno o más activadores alcalinos para formar de este modo una mezcla activada,

(c) mezclar la mezcla activada con uno o más áridos para formar de este modo una mezcla de hormigón,

(d) mezclar la mezcla de hormigón con uno o más agentes espumantes para formar de ese modo una mezcla de hormigón celular compuesto de geopolímero,

(e) verter la mezcla de hormigón celular compuesto de geopolímero en un molde, y (f) mantener la mezcla de hormigón celular compuesto de geopolímero en el molde a una temperatura de al menos temperatura ambiente para permitir que la mezcla de hormigón celular compuesto de geopolímero forme espuma, se expanda, fragüe, se endurezca y cure y formar así un producto de hormigón celular compuesto de geopolímero, en donde cada uno de los uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F comprende 15 % en peso o menos de óxido de calcio.

También se divulga pero no se reivindica un método que comprende las siguientes etapas:

(a) mezclar entre sí uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F, uno o más potenciadores de la gelificación y/o uno o más potenciadores del endurecimiento para formar de este modo un aglutinante compuesto, (b) mezclar el aglutinante compuesto con uno o más activadores alcalinos para formar de este modo una mezcla activada,

(c) mezclar la mezcla activada con uno o más agentes espumantes para formar de este modo una mezcla de hormigón celular compuesto de geopolímero,

(d) verter la mezcla de hormigón celular compuesto de geopolímero en un molde, y

(e) mantener la mezcla de hormigón celular compuesto de geopolímero en el molde a una temperatura de al menos temperatura ambiente para permitir que la mezcla de hormigón celular compuesto de geopolímero forme espuma, se expanda, fragüe, se endurezca y cure y formar así un producto de hormigón celular compuesto de geopolímero,

en donde cada uno de los uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F comprende 15 % en peso o menos de óxido de calcio, y

en donde el producto de hormigón celular compuesto de geopolímero tiene una densidad aparente de aproximadamente 400 kg/m3 a aproximadamente 1200 kg/m3 y una resistencia a la compresión a los 28 días de aproximadamente 3 a aproximadamente 17 MPa.

De acuerdo con un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para la fabricación de un hormigón celular compuesto de geopolímero, que comprende las siguientes etapas:

(a) mezclar entre sí uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F, uno o más potenciadores de la gelificación y uno o más potenciadores del endurecimiento para producir de este modo una mezcla de componentes aglutinantes compuestos,

(b) mezclar la mezcla de componentes aglutinantes compuestos con uno o más activadores alcalinos para producir de este modo una mezcla activada,

(c) mezclar la mezcla activada con uno o más áridos, uno o más agentes espumantes para producir de este modo una pasta de hormigón celular compuesto de geopolímero (GCCC),

(d) verter la pasta de hormigón celular compuesto de geopolímero en un molde, y permitir que la pasta de hormigón celular compuesto de geopolímero forme espuma, se expanda, fragüe y se endurezca a temperatura ambiente, produciendo de este modo un cuerpo de GCCc endurecido;

(e) retirar el cuerpo de GCCC endurecido del molde y curar el cuerpo de GCCC endurecido a temperatura ambiente, produciendo de este modo un producto de hormigón celular compuesto de geopolímero, en donde cada uno de los uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F comprende 15 % en peso o menos de óxido de calcio,

en donde el uno o más activadores alcalinos comprenden una solución activadora alcalina que comprende uno o más hidróxidos metálicos, uno o más silicatos metálicos y agua;

en donde el uno o más potenciadores de la gelificación se seleccionan del grupo que consiste en metacaolín, metahaloisita, micro y nanopartículas de sílice y alúmina, y materiales de aluminosilicato puzolánico que tienen un bajo contenido de óxido alcalinotérreo y una alta velocidad de disolución en solución alcalina;

en donde el uno o más potenciadores del endurecimiento se seleccionan del grupo que consiste en escoria granulada de alto horno molida, cenizas volantes de clase C, aluminosilicato de calcio vítreo, polvo de horno, aluminosilicatos puzolánicos ricos en CaO, y combinaciones de los mismos;

en donde el uno o más agentes espumantes comprenden polvo de aluminio o un agente espumante basado en peróxido;

en donde una cantidad del uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F es de 1 a 50 % en peso de la pasta de GCCC, una cantidad del uno o más potenciadores de la gelificación es de 1 a 50 % en peso de la pasta de GCCC, y una cantidad del uno o más potenciadores del endurecimiento es de 1 a 50 % en peso de la pasta de GCCC; y en donde el producto de hormigón celular compuesto de geopolímero tiene una densidad aparente de aproximadamente 1200 kg/m3 a aproximadamente 1800 kg/m3 y una resistencia a la compresión a los 28 días de al menos 17 MPa.

Breve descripción de los dibujos

La FIG. 1 es una foto de un hormigón celular compuesto de geopolímero para aplicación estructural que muestra una estructura celular homogénea.

La FIG. 2 es una foto de un hormigón celular compuesto de geopolímero para aislamiento térmico que muestra una estructura celular homogénea, divulgado pero no reivindicado.

La FIG. 3 muestra un diagrama de composición ternaria de aglomerantes compuestos de geopolímero para hormigón celular.

La FIG. 4 es un gráfico que muestra la resistencia a la compresión de un producto de hormigón celular compuesto de geopolímero para aplicaciones estructurales en función de la densidad aparente del producto de acuerdo con una realización de la presente invención.

La FIG. 5 es un gráfico que muestra la resistencia a la compresión de un producto de hormigón celular compuesto de geopolímero para aislamiento térmico en función de la densidad aparente de los productos de acuerdo con una divulgación no reivindicada.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Definiciones

Cuando la definición de los términos parte del significado comúnmente usado del término, el solicitante tiene la intención de utilizar las definiciones proporcionadas a continuación, a menos que se indique específicamente.

A efectos de la presente invención, la expresión "bajo contenido de óxido alcalinotérreo" se refiere a puzolanas con menos del 15 % en peso de CaO+MgO.

A efectos de la presente invención, la expresión "alta velocidad de disolución en solución alcalina" se refiere a ciertos materiales puzolánicos que tienen una alta reactividad en una solución alcalina, p. ej., a una velocidad aparente constante de más de 10-2 a 10-3 hora-1 a temperatura ambiente.

A efectos de la presente invención, la expresión "aglutinante para hormigón" se refiere a un material aglutinante o material cementoso (cemento no Portland) que puede mezclarse con un material árido sólido ligero o gaseoso para formar un material endurecido.

A efectos de la presente invención, la expresión "cenizas volantes de clase C" se refiere a "cenizas volantes de clase C" según lo definido por la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (ASTM C618).

A efectos de la presente invención, la expresión "cenizas volantes de clase F" se refiere a "cenizas volantes de clase F" según lo definido por la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (ASTM C618).

A efectos de la presente invención, la expresión "árido grueso" y la expresión "material de árido grueso" se refieren a un árido grueso según lo definido por la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (ASTM C33). Los ejemplos de áridos gruesos incluyen: granito, rocas metamórficas, caliza, etc.

A efectos de la presente invención, la expresión "árido ligero grueso" se refiere a un árido ligero según lo definido por la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (ASTM C332 y C330 para hormigones aislantes y estructurales, respectivamente).

A efectos de la presente invención, la expresión "árido fino" se refiere a un árido según lo definido por la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (ASTM C33). Los ejemplos de áridos finos incluyen arena de mampostería y arena de bauxita calcinada. Un árido fino y ligero es un árido fino que también es ligero según lo definido por la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (ASTM C332 y C330 para hormigones aislantes y estructurales, respectivamente).

A efectos de la presente invención, la expresión "agente espumante" se refiere a materiales que pueden usarse para introducir o generar espuma en hormigón fresco. Ejemplos de agentes espumantes incluyen polvo de aluminio, peróxido de hidrógeno, peróxidos alcalinos, perborato alcalino, etc.

A efectos de la presente invención, la expresión "aluminosilicatos altamente reactivos" se refiere a materiales puzolánicos, que son bajos en óxido alcalinotérreo (p. ej., menos del 5 % en peso) y pueden disolverse muy rápidamente en solución alcalina a temperatura ambiente, p. ej., a una velocidad aparente constante de más de 10-2 hora-1._. Un ejemplo de un aluminosilicato altamente reactivo es el metacaolín.

A efectos de la presente invención, la expresión "escoria granulada de alto horno molida" se refiere al material según lo definido por la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (ASTM C989). La escoria del horno generalmente se produce enfriando la escoria de hierro fundido de un alto horno en agua o vapor para formar un producto granular vítreo y luego secando y moliendo el producto vítreo en un polvo fino.

A efectos de la presente invención, la expresión "árido ligero" se refiere a cualquier árido que tenga una densidad de 50 kg/m3 a aproximadamente 1000 kg/m3.

A efectos de la presente invención, la expresión "cenizas volantes de Clase F bajas en calcio" se refiere a cenizas volantes de Clase F que tienen un contenido de calcio de menos de 8 % en peso o menos de 15 % en peso.

A efectos de la presente invención, la expresión "aglutinante sin cemento Portland" se refiere a una composición aglutinante que no contiene cemento Portland.

A efectos de la presente invención, la expresión "aluminosilicato alcalinotérreo amorfo reactivo" se refiere a los materiales puzolánicos que contienen óxidos alcalinotérreo (CaO+MgO) en más del 15 % en peso. Los ejemplos de los aluminosilicatos alcalinotérreo amorfos reactivos incluyen escoria granulada de alto horno molida, silicato de calcio vítreo, cenizas volantes de clase C, etc.

A efectos de la presente invención, la expresión "humo de sílice" y "microsílice" se refiere al significado convencional, es decir, una forma amorfa (no cristalina) de sílice (dióxido de silicio) con un tamaño de partícula inferior a 0,1 pm.

A efectos de la presente invención, el término "submicrométrico" se refiere a partículas que tienen menos de 1 pm de diámetro.

A efectos de la presente invención, la expresión "ultrafino" se refiere a partículas que son menores o iguales a aproximadamente 15 pm de diámetro.

Descripción

El hormigón celular convencional es un material de construcción versátil y ligero. Otros nombres frecuentemente utilizados en la bibliografía son hormigón aerocluso, hormigón de densidad reducida y hormigón espumado. El hormigón celular puede fabricarse con una amplia gama de densidades y resistencia a la compresión y se utiliza para muchas aplicaciones diferentes. En muchos casos, el hormigón celular puede proporcionar beneficios de coste y rendimiento en comparación con los materiales de construcción tradicionales. Esencialmente, la definición básica del hormigón celular es que "es un mortero o material similar a un mortero con burbujas de aire discretas en su interior". El contenido de aire del hormigón celular convencional puede ser de hasta el 85 % en volumen. Puede tener un intervalo de densidades en seco típicamente de 400 kg/m3 (25 libras/pie3) a 1600 kg/m3 (100 libras/pie3) con una resistencia a la compresión entre 1 y 15 MPa. En general, el hormigón celular ofrece una serie de beneficios, como un coste generalmente más bajo que los materiales de reducción de carga alternativos, una resistencia a la compresión relativamente alta en relación con su peso, absorción de ondas de choque, alto aislamiento térmico debido al contenido de hasta 85 % en volumen de aire y alta resistencia al fuego (el hormigón celular es aproximadamente dos veces más resistente al fuego que el hormigón denso).

Se utiliza una gran cantidad de métodos y agentes patentados para fabricar hormigón celular, pero esencialmente se pueden dividir en dos grupos: los que usan una reacción química y los que confían en la mezcla de espuma para arrastrar el aire hacia el hormigón. El hormigón ligero preparado por gasificación a partir de una reacción química se llama en esta solicitud de patente hormigón aerocluso u hormigón celular aerocluso (ACC). Como este proceso generalmente emplea un autoclave, también se llama hormigón celular curado en autoclave (ACC). El hormigón ligero preparado mediante el uso de espumas acuosas se llama hormigón espumado u hormigón de densidad reducida. El hormigón espumado derivado de espumas acuosas generalmente se dosifica para lograr solo bajas resistencias a la compresión en comparación con ACC y solo es adecuado para su uso en el relleno de huecos y la reinstalación de zanjas, y por lo tanto, el material se descarta en gran medida para su uso en aplicaciones estructurales y de soporte de peso.

En un proceso de fabricación de ACC típico, se mezclan entre sí arena de cuarzo o cenizas volantes, cal, cemento, polvo de aluminio y agua. Durante el mezclado, la cal reacciona con el agua para formar hidróxido de calcio y se genera calor. Cuando la mezcla se cuela en formas, el polvo de aluminio, al reaccionar con hidróxido de calcio y agua genera hidrógeno, se expande o espuma la mezcla de hormigón a aproximadamente el doble de su volumen original o más. Después de que se ha producido la expansión, la masa porosa se corta al tamaño y forma deseados y se pone en un autoclave lleno de vapor a presión. El proceso de curado en autoclave dura típicamente 10-12 horas con una temperatura de 180-200 °C y la presión alcanza los 12 bares. El proceso ACC es más adecuado para plantas prefabricadas que para su uso en el campo. La producción está asociada con una inversión de capital inicial relativamente grande en equipos y costes de instalación y operación. Ha habido un aumento mundial en el uso de materiales de AAC y se están construyendo nuevas plantas de producción en Europa del Este, Israel, China, Bahrein, India y Australia. La mayoría de los intentos en las últimas décadas para introducir AAC en Estados Unidos apenas tuvieron un impacto significativo sobre la industria de la construcción. Las decenas de millones de dólares de inversión de capital inicial necesarios para fabricar AAC en comparación con una planta prefabricada convencional es solo una razón importante para el fracaso, como se informa en la bibliografía. La abundancia de productos de madera de bajo coste en Estados Unidos explica la falta de incentivos para el desarrollo de nuevas tecnologías de construcción.

El hormigón celular curado en autoclave utiliza cantidades significativas de cemento Portland y cal (hidróxido de calcio). Es bien sabido que la producción de cemento Portland y cal emite dióxido de carbono, lo que contribuye al calentamiento global. El curado en autoclave de alta temperatura/presión es un proceso que requiere mucha energía.

Los grupos de prospectiva de todo el mundo han identificado la necesidad futura de materiales de construcción que sean ligeros, duraderos y sencillos de usar, económicos, aunque ecológicos y ambientalmente sostenibles. Es deseable un proceso a baja temperatura para fabricar hormigón celular de alta resistencia.

En las últimas décadas, se ha explorado el potencial de los geopolímeros como sustitutos del cemento Portland. Geopolímero es un término utilizado para describir polímeros inorgánicos basados en aluminosilicato, que pueden producirse haciendo reaccionar compuestos puzolánicos, es decir, materiales fuente de aluminosilicato, con soluciones altamente alcalinas. Los geopolímeros consisten en átomos de silicio y aluminio unidos a través de átomos de oxígeno en una red de polímeros. El equilibrio de carga lo proporcionan los iones alcalinos. Los geopolímeros se preparan por disolución y posteriores reacciones de policondensación entre un material de aluminosilicato reactivo y una solución de silicato alcalino, tal como una mezcla de un silicato de metal alcalino e hidróxido metálico. Son ejemplos de un material de aluminosilicato reactivo los subproductos industriales tales como las cenizas volantes de clase F (FFA), cenizas volantes de clase C (CFA) y escoria granulada de alto horno molida (BFS). La fuente de aluminosilicato reactivo también puede ser un mineral natural tal como caolinita, arcilla, zeolita y cenizas volcánicas. Por lo tanto, los geopolímeros son esencialmente 'ecológicos y sostenibles'.

La Patente de EE. UU. N.° 5.605.570 (Referencia 5) describe un material de geopolímero espumado hecho de escoria de alto horno. El peróxido de sodio actúa como agente espumante y activador alcalino. El peróxido de sodio reacciona con el agua para producir una solución de hidróxido de sodio que activa la escoria para formar el geopolímero y desprende gas oxígeno para inducir la expansión del volumen. El peróxido de sodio es costoso y, por lo tanto, el proceso no es económicamente viable.

Esmaily y Nuranian (2012) (Referencia 1) han utilizado polvo de aluminio y/o un agente espumante orgánico para preparar materiales ligeros a partir de la escoria del horno activada por una solución de silicato de sodio.

Vlcek et al. (2010) (Referencia 2) han estudiado el efecto de la adición de cenizas volantes sobre las propiedades de los materiales de geopolímero ligeros basados en escorias de hierro y acero activadas con álcali utilizando polvo de aluminio como agente espumante.

Augilar et al. (2010) (Referencia 3) reportaron un hormigón ligero hecho de aglutinante de metacaolín-cenizas volantes activado con álcali. Se usó polvo de aluminio como agente espumante. Se usaron arenas de escoria de alto horno como áridos.

Henon et al. (2013) (Referencia 4) han publicado un método para preparar espumas de geopolímero basado en metacaolín hechas con humo de sílice como agente formador de poros. El humo de sílice, un producto de desecho de la metalurgia Si-Fe, contiene generalmente menos del 1 % en peso de silicio. El silicio es un agente espumante cuando reacciona con una solución de hidróxido alcalino que emite hidrógeno. Se necesitan grandes cantidades de humo de sílice y el proceso de espumación requiere estimulación a temperatura elevada. El documento WO 2012/069024 (Referencia 8) divulga compuestos de cemento ácidos y resistentes a altas temperaturas que comprenden cenizas volantes de clase F y/o escorias molidas y un activador alcalino.

Las cenizas volantes son un subproducto de polvo fino formado durante la combustión de carbón pulverizado en centrales eléctricas. La norma c 618 de la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (ASTM) reconoce dos clases principales de cenizas volantes para su uso en hormigón: Clase C y Clase F. El límite inferior de SiO² + AbO3 Fe2O3 para cenizas volantes de clase F es del 70 % y para cenizas volantes de clase C es del 50 %. Las cenizas volantes de clase F generalmente tienen un contenido de óxido de calcio de aproximadamente 15 % en peso o menos, mientras que las cenizas volantes de Clase C generalmente tienen un mayor contenido de óxido de calcio (p. ej., de 20 a 40 % en peso). El alto contenido de óxido de calcio hace que las cenizas volantes de Clase C posean propiedades cementosas que conducen a la formación de hidratos de silicato de calcio y aluminato de calcio cuando se mezclan con agua. La escoria granulada de alto horno molida (GGBFS) es un material granular vítreo que varía, de una estructura gruesa, friable, similar a las palomitas de maíz, a granos del tamaño de arena de mayor densidad. La molienda reduce el tamaño de partícula a la finura de cemento, permitiendo su uso como material cementoso suplementario en hormigón basado en cemento Portland. La escoria granulada de alto horno molida típica incluye 27­ 38 % de SiO², 7-12 % de AbO3, 34-43 % de CaO, 7-15 % de MgO, 0,2-1,6 % de Fe2O3, 0.15-0.76 % de MnO y 1,0­ 1,9 % en peso. Como la GGBFS es casi 100 % vítrea (amorfa), es mucho más reactiva que las cenizas volantes de clase F. La mayor proporción del hidrato de silicato de calcio (CSH) que mejora la resistencia que en el cemento Portland da como resultado una mayor resistencia final que el hormigón hecho solo con cemento Portland.

Los desafíos asociados con el uso de escoria de horno granulada molida y cenizas volantes de Clase C en geopolímeros incluyen el difícil control del fraguado durante la activación alcalina y la gran contracción de los productos finales.

Un desafío particular es que la pasta de geopolímero hecha con cenizas volantes de Clase F fragua y se endurece muy lentamente y generalmente tiene una baja resistencia final, particularmente cuando se cura a bajas temperaturas (p. ej., temperatura ambiente).

Para superar este y otros desafíos, los presentes inventores han desarrollado nuevos hormigones celulares compuestos de geopolímero (GCCC) que alcanzan una alta resistencia final, incluso cuando se curan a temperatura ambiente. Al mismo tiempo, estos compuestos de geopolímero exhiben propiedades reológicas óptimas para estabilizar la estructura celular y exhiben un tiempo de fraguado suficientemente largo para permitir una expansión volumétrica deseable. Estas composiciones y métodos de hormigón celular compuesto de geopolímero de alta resistencia (GCCC), pueden utilizarse ampliamente en aplicaciones estructurales en la industria de la construcción.

Se divulgan, pero no se reivindican, composiciones de compuestos de geopolímeros y métodos para fabricar hormigón celular para aplicaciones de aislamiento térmico no estructural, que incluyen: (i) cenizas volantes de clase F; (ii) al menos un potenciador del endurecimiento, p. ej., escoria granulada de alto horno molida o aluminosilicato de calcio vítreo, o cenizas volantes de Clase C; (iii) al menos un potenciador de la gelificación, p. ej., polvo de metacaolín o piedra pómez molida o partículas micro- o submicrométricas de humo de sílice e hidróxido de aluminio; (iii) uno o más activadores alcalinos; y iv) al menos un agente espumante tal como polvo de aluminio, polvo de Fe-Si, peróxido de hidrógeno, peróxidos alcalinos, perboratos alcalinos, percloruros alcalinos. Los componentes (i), (ii) y (iii) constituyen un aglutinante compuesto de geopolímero ternario para hormigón celular.

Una realización de acuerdo con la invención proporciona composiciones compuestas de geopolímeros y métodos para fabricar un hormigón celular de alta resistencia para aplicaciones estructurales. Los métodos comprenden el mezclado de: (i) al menos un potenciador del endurecimiento, p. ej., escoria granulada de horno de molida, silicato de calcio vítreo, polvo de horno, cenizas volantes de clase C; (ii) al menos un potenciador de la gelificación, p. ej., metacaolín; (iii) cenizas volantes de clase F; (iv) al menos un árido, p. ej., arena de río, árido ligero (LWA), piedra pómez, cenosfera, vidrio hueco o partículas cerámicas; (v) al menos un activador de silicato alcalino; y (vi) al menos un agente espumante. Los componentes de i) a iii) constituyen un aglutinante compuesto de geopolímero ternario para hormigón celular.

En algunas realizaciones, un GCCC de la presente invención puede contener uno o más aceleradores, p. ej., fluoruro alcalino, sales de calcio tales como CaCh, oxalato alcalino y sulfato alcalino. La adición de estos aditivos puede mejorar la resistencia inicial y final de los productos de hormigón celular. Opcionalmente, una composición de GCCC puede contener yeso, óxido de magnesio reactivo (MgO) o ciertos aditivos reductores de la contracción disponibles en el mercado para reducir la contracción del hormigón celular. Para variar el tiempo de fraguado, una composición de GCCC también puede contener uno o más retardadores del fraguado, tales como metafosfato de sodio, bórax, ácido bórico, citratos alcalinos tales como citrato de sodio, hidróxido de bario, y nitrato de bario y cloruro de bario, nitrato y cloruro de cinc, compuestos de fosfato alcalino tales como metafosfato de sodio. En algunas realizaciones, una composición de GCCC puede contener una o más fibras troceadas, p. ej., fibra orgánica, fibra de vidrio, fibra de basalto, fibra mineral para refuerzo. En algunas realizaciones, una composición de GCCC puede contener uno o más superplastificantes para reducir aún más la demanda de agua y mejorar las propiedades reológicas de la pasta para una expansión volumétrica óptima y una estructura celular estable.

El GCCC tiene una resistencia a la compresión a los 28 días de al menos 2500 psi (17 MPa) con una densidad de 1200 a 1800 kg/m3. En algunas realizaciones, el GCCC tiene una resistencia a la compresión a los 28 días de al menos 3000 psi (aproximadamente 21 MPa) con una densidad de 1200 kg/m3. En una realización, el GCCC tiene una resistencia a la compresión a los 28 días de al menos 8000 psi (aproximadamente 56 MPa) con una densidad de 1500 kg/m3. En algunas realizaciones, el GCCC se cura a temperatura ambiente, p. ej., 20 °C.

En una realización, el GCCC se cura a temperaturas elevadas, tales como entre 30 °C y aproximadamente 90 °C. Los productos de GCCC exhiben una porosidad inducida por gasificación de aproximadamente 10 % a aproximadamente 90 %.

Se divulgan pero no se reivindican composiciones y métodos de preparación de hormigón celular compuesto de geopolímero para aislamiento térmico. La mezcla de GCCC puede incluir: i) cenizas volantes de clase F; y ii) al menos un potenciador del endurecimiento tal como escoria granulada de alto horno molida, cenizas volantes de clase C, aluminosilicato de calcio vítreo y polvo de horno; iii) al menos un potenciador de la gelificación tal como el metacaolín, ciertas arcillas deshidratadas, zeolita deshidratada, partículas micrométricas de sílice (incluyendo humo de sílice, sílice coloidal, etc.) y alúmina en proporciones apropiadas, y cenizas volcánicas (piedra pómez); iv) uno o más activadores de silicato alcalino; y v) al menos un agente espumante, p. ej., polvo de aluminio, polvo de Fe-Si, peróxido de hidrógeno, peróxidos alcalinos y perboratos alcalinos.

En una realización, la presente invención proporciona métodos para fabricar un GCCC de alta resistencia para aplicaciones estructurales. Los métodos comprenden mezclar: (i) al menos un potenciador del endurecimiento, p. ej., escoria granulada de horno de molida, aluminosilicato de calcio vítreo, cenizas volantes de clase C y polvo de horno; (ii) al menos un potenciador de la gelificación, p. ej., metacaolín; (iii) cenizas volantes de clase F; (iv) al menos un árido, p. ej., arena de río, árido ligero (LWA), piedra pómez, cenosfera y partículas de vidrio huecas; (v) al menos un activador alcalino; y (vi) al menos un agente espumante.

En algunas realizaciones, uno o más retardadores del fraguado, tales como ácido bórico, bórax, citrato alcalino, hidróxido de bario, cloruro de bario, nitrato de bario, nitrato de cinc, compuestos de fosfato alcalino tales como metafosfato de sodio, se pueden añadir a una composición de GCCC para ampliar los tiempos de fraguado, en particular cuando el aumento de temperatura en la pasta es significativo debido al calor liberado por las reacciones del agente espumante y el agua y cuando la escoria de alto horno es un ingrediente principal en una composición compuesta de geopolímero. En algunas realizaciones, se puede añadir uno o más aceleradores, tales como fluoruro alcalino, sales de calcio, oxalato alcalino, para mejorar la resistencia temprana y/o final. Tanto el retardador como el acelerador del fraguado pueden usarse para regular los tiempos de fraguado para una expansión volumétrica óptima.

En algunas realizaciones de la presente invención, se puede incluir uno o más tipos de fibras troceadas, p. ej., fibra orgánica, fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de basalto, fibra mineral, para refuerzo.

En algunas realizaciones de la presente invención, se pueden incluir uno o más superplastificantes para reducir aún más la demanda de agua y mejorar las propiedades reológicas de la pasta para una formación óptima de burbujas y una expansión volumétrica estable.

En algunas realizaciones de la presente invención, se pueden incluir uno o más tipos de partículas de carga ultrafinas y/o submicrométricas tales como humo de sílice, cenizas volantes ultrafinas, escorias de horno ultrafinas y polvo de carbonato de calcio submicrométrico, para disminuir la demanda de agua de una mezcla de hormigón celular y mejorar las propiedades reológicas de la pasta, y para mejorar la resistencia del producto mediante la producción de geles de aluminosilicato alcalino y/o CSH adicionales.

Los productos de GCCC tienen una densidad de aproximadamente 1200 a 1800 kg/m3 con una resistencia a la compresión a los 28 días de aproximadamente 17 MPa a aproximadamente 100 MPa. En algunas realizaciones, la composición de GCCC se cura a temperatura ambiente, p. ej., 20 °C. En algunas realizaciones, la composición de GCCc se cura a temperaturas elevadas, tal como entre 30 °C y aproximadamente 90 °C o más. Los productos de GCCC comprenden una porosidad inducida por gasificación de aproximadamente 10 % a aproximadamente 90 %. En algunas realizaciones, los productos de GCCC comprenden una porosidad de aproximadamente 10 % a aproximadamente 50 % introducida por áridos ligeros.

Los factores importantes en la fabricación exitosa de hormigones celulares compuestos de geopolímero de la presente invención para aplicaciones estructurales incluyen, (i) uso de composiciones aglutinantes compuestas de geopolímero; (ii) optimización de la composición del activador alcalino; (iii) control de las propiedades de la pasta para una expansión volumétrica eficiente y estabilización de la estructura celular; y (iv) uso de agentes espumantes químicos y/o áridos ligeros de bajo coste para lograr productos de baja densidad y alta resistencia.

El rendimiento de los productos de geopolímero depende tanto de la reactividad de las puzolanas como de la masa de gel formada durante la activación del álcali. Los inventores han descubierto que la activación alcalina de materiales de aluminosilicato reactivos, tales como metacaolín, genera grandes cantidades de gel de aluminosilicato alcalino (gel de AAS). Sin embargo, la reactividad de las cenizas volantes de clase F en solución alcalina es muy lenta a temperatura ambiente y la pasta generalmente no desarrolla suficiente resistencia ni siquiera después de curarse durante 7 días. Se forma poco gel de aluminosilicato alcalino (AAS) para aumentar la resistencia.

En la técnica anterior, se usó una solución de silicato alcalino para proporcionar sílice disuelta adicional. Los presentes inventores han encontrado que la sílice y/o la alúmina disueltas pueden provenir de fuentes distintas de la solución de silicato alcalino. Por ejemplo, se puede usar un grupo de materiales de aluminosilicato como fuentes adicionales de sílice disuelta y/o alúmina en geopolímeros basados en cenizas volantes de Clase F. Las puzolanas deberían disolverse deseablemente en una solución alcalina a una velocidad mucho más rápida que las cenizas volantes de clase F. Este grupo de materiales se denomina en el presente documento "potenciador de la gelificación". Son ejemplos de este grupo de materiales metacaolín, fases zeolíticas y partículas micro/submicrométricas de humo de sílice y alúmina en una proporción apropiada. La adición de estos potenciadores de la gelificación no afecta sustancialmente a la reactividad de las cenizas volantes, mientras que aumenta la cantidad de gel de AAS, lo que da como resultado una mejora sustancial de la resistencia a la compresión de los productos.

Una gran cantidad de bibliografía muestra que el gel de AAS puede coexistir con el silicato de calcio hidrato (CSH) y/o geles relacionados (p. ej., gel de aluminosilicato de calcio, CASH) y/o fases de aluminosilicato de calcio cristalino en materiales de escoria de horno activados por álcali. Como se divulga en la solicitud de patente de EE. UU. N.° 20120024196, los presentes inventores han encontrado la coexistencia de gel de AAS y CSH en los productos compuestos de geopolímero que contienen principalmente cenizas volantes de clase F. Las escorias adicionales de metacaolín y alto horno ayudan a lograr una mayor tasa de ganancia de resistencia, así como una alta resistencia final de los productos de mortero y hormigón incluso cuando se curan a temperatura ambiente. Como se divulga en la solicitud de patente de EE. UU. N.° 2012/0152153 A1, los presentes inventores han encontrado que pueden obtenerse proporciones óptimas de geles de AAS y CSH mediante la dosificación apropiada de composiciones compuestas de geopolímeros, lo que dará como resultado un rendimiento ultra alto de productos de mortero y hormigón. Los materiales puzolánicos que producen más CSH y/o geles relacionados durante el proceso de activación alcalina se denominan "potenciadores del endurecimiento", y se describen con más detalle a continuación. Son ejemplos de estos potenciadores del endurecimiento, en general, aluminosilicatos alcalinotérreos reactivos, incluidas cenizas volantes de clase C, escoria de alto horno, polvo de horno y aluminosilicato de calcio vítreo (VCAS).

Los aglutinantes compuestos de geopolímero ofrecen una gran flexibilidad para formular composiciones de hormigón celular y las propiedades de sus pastas (p. ej., tiempos de fraguado, viscosidad, trabajabilidad) se pueden adaptar para la producción de excelentes estructuras celulares. La densidad y la resistencia del producto se pueden controlar para cumplir con los requisitos específicos de diseño estructural y no estructural. Un aglutinante compuesto de geopolímero ternario típico consiste en cenizas volantes de clase F, al menos un potenciador del endurecimiento tal como escoria granulada de alto horno triturada, y al menos un potenciador de la gelificación tal como metacaolín. En particular, la presente invención proporciona composiciones y métodos para usar principalmente cenizas volantes de clase F o escoria de alto horno para producir hormigón celular de alto rendimiento, de bajo coste, fabricado a temperatura ambiente o ligeramente elevada, pero sin aplicar presión.

Cenizas volantes de clase F

El primer ingrediente de la composición de GCCC son cenizas volantes de clase F, que se considera el ingrediente principal en un hormigón celular compuesto de geopolímero típico. Las cenizas volantes de clase F son un producto de desecho de bajo coste y de fácil acceso en todo el mundo. La clasificación de las cenizas volantes se basa en la norma ASTM C618, que se conoce generalmente en la técnica. Una realización del aglutinante compuesto de geopolímero de la presente invención comprende cenizas volantes de clase F en la cantidad de, al menos aproximadamente 10 % en peso, tal como al menos aproximadamente 40 % en peso, tal como al menos aproximadamente 60 % en peso de la mezcla seca de un aglutinante compuesto de geopolímero, por ejemplo de 10 a 90 % en peso de la mezcla seca, tal como de 50 a 80 % en peso. En una realización, la mezcla seca contiene un máximo de aproximadamente 90 % en peso de cenizas volantes de clase F.

Una parte de las cenizas volantes es una fase de aluminosilicato amorfo (es decir, un material vítreo), que es reactivo en soluciones fuertemente alcalinas. La magnitud de la parte puede variar, dependiendo del origen del material de cenizas volantes. La reactividad de las cenizas volantes de clase F puede depender de la cantidad de fase amorfa contenida en ellas y del tamaño de partícula de las cenizas volantes. En una realización, las cenizas volantes deben contener al menos 75 % en peso de fase de aluminosilicato amorfo y tener un diámetro de partícula de 60 pm o menos, tal como 50 pm o menos, tal como 45 pm o menos, tal como 30 pm o menos. En una realización, se utilizan cenizas volantes de clase F con hasta 12 % en peso de pérdida por ignición (LOI). En una realización, las cenizas volantes de clase F tienen un contenido de CaO (y, por tanto, de Ca) de menos de 8 % en peso. En una realización, las cenizas volantes de clase F tienen un contenido de CaO de aproximadamente 8 a 15 % en peso.

Potenciador del endurecimiento

El segundo ingrediente en la composición de GCCC es el potenciador del endurecimiento, que puede ser menos de aproximadamente 80 % en peso, tal como menos de aproximadamente 50 % en peso, tal como menos de aproximadamente 25 % en peso, del aglutinante compuesto de geopolímero. En una realización, el potenciador del endurecimiento puede ser al menos aproximadamente 5 % en peso de la mezcla seca de un aglutinante compuesto de geopolímero, por ejemplo de 5 a 80 % en peso, tal como de 10 a 25 % en peso de la mezcla seca. Se selecciona un potenciador del endurecimiento del grupo que consiste en: escoria granulada de horno de molida, cenizas volantes de clase C, polvo de horno, aluminosilicatos puzolánicos ricos en CaO, aluminosilicato de calcio vítreo (VCAS) y combinaciones de los mismos. Estas puzolanas de aluminosilicato alcalinotérreo son mucho más reactivas que las cenizas volantes de Clase F: se disuelven más fácilmente en soluciones alcalinas porque la mayoría de estos materiales son vítreos. La mayor reactividad de estos componentes produce una mayor concentración de iones, tales como silicato, aluminato, hidróxido de calcio, que a su vez reaccionan para producir una red más densa de cadenas de polímeros (aluminosilicato alcalino o alcalinotérreo) y/o CSH cementoso y/o fases de gel/CASH relacionadas, y, como resultado, una resistencia superior. Los presentes inventores usan escoria granulada de alto horno molida cubierta por la norma ASTM C989 en hormigón celular compuesto de geopolímero con calidades de al menos 80, tal como la calidad 100, tal como la calidad 120.

La escoria de horno ultrafina es más reactiva que la escoria de horno de calidad 120. La escoria de horno ultrafina generalmente tiene tamaños de partículas menores de aproximadamente 15 pm y un área superficial específica de más de 800 m2/kg. Un ejemplo de escoria ultrafina disponible en el mercado es el cemento micro-fino MC-300 de De Neef Construction Chemicals. La escoria de horno ultrafina mejora la trabajabilidad y reduce la demanda de agua. Reduce el agrietamiento debido a la contracción autógena y plástica y asegura una excelente durabilidad de los productos.

Son ejemplos de materiales puzolánicos ricos en calcio polvo de horno, cenizas de fondo y aluminosilicato de calcio vítreo (VCAS). El VCAS es un producto de desecho de la producción de fibra de vidrio. En una instalación típica de fabricación de fibra de vidrio, aproximadamente un 10-20 % en peso del material de vidrio procesado no se convierte en un producto final y se rechaza como un subproducto o desecho y se envía para su eliminación a un vertedero. El VCAS es 100 % amorfo y su composición es bastante constante, conteniendo principalmente 50-55 % en peso de SiO², 15-20 % en peso de AbOay 20-25 % en peso de CaO. El VCAS molido exhibe actividad puzolánica comparable al humo de sílice y al metacaolín cuando se ensaya de conformidad con la norma ASTM C618 y C1240. Por lo tanto, puede ser un potenciador del endurecimiento muy efectivo al formar compuestos cementosos adicionales como los geles CSH y CASH. El polvo del horno de cemento (CKD) es un subproducto de la fabricación de cemento Portland, por lo tanto un desecho industrial. Anualmente se producen más de 30 millones de toneladas de CKD en todo el mundo. En la actualidad, se están depositando cantidades importantes de CKD en vertederos. El CKD típico contiene 38-64 % en peso de CaO, 9-16 % en peso de SiO² , 2,6-6,0 % en peso de AbO3, 1,0-4,0 % en peso de Fe2O3, 0, 3,2 % en peso de MgO, 2,4-13 % en peso de K²O, 0,2,0 % en peso de Na²O, 1,6-18 % en peso de SO³, 0, -5.3 % en peso de Cl y 5,0-25 % en peso de LOI. El CKD es generalmente un polvo muy fino (4600-14000 cm2/g de área superficial específica) y es un buen potenciador del endurecimiento. Cuando se usa CKD en un aglutinante compuesto de geopolímero para hormigón celular, concentraciones elevadas de los óxidos alcalinos contenidos en el mismo mejoran la geopolimerización. La formación adicional de gel de CSH, ettringita (3CaOAhO3-3CaSO4-32H2O), y/o singenita (un sulfato mixto de álcali y calcio) puede ayudar a desarrollar una alta resistencia temprana de un hormigón celular compuesto de geopolímero cuando se cura a temperatura ambiente.

Potenciador de la gelificación

El tercer ingrediente en una composición de GCCC de la presente invención es el potenciador de la gelificación, que es menos de 85 % en peso, tal como menos de 50 % en peso, tal como menos de 25 % en peso, tal como menos de 15 % en peso de la mezcla seca de aglutinantes compuestos de geopolímero. En una realización, el potenciador de la gelificación es al menos aproximadamente 5 % en peso de la mezcla seca de un aglutinante compuesto de geopolímero, por ejemplo de 3 a 80 % en peso, tal como de 10 a 25 % en peso de la mezcla de aglutinante compuesto seco. El potenciador de la gelificación se selecciona del grupo que consiste en: metacaolín, metahaloisita, partículas micrométricas/submicrómetros de sílice amorfa, tales como humo de sílice y alúmina y materiales de aluminosilicato puzolánico que tienen un bajo contenido de óxido alcalinotérreo y una alta velocidad de disolución en solución alcalina.

Los ejemplos de otros potenciadores de la gelificación incluyen tierra de diatomeas, micro-sílice, que es una puzolana altamente reactiva procesada a partir de material silíceo a partir de depósitos naturales, minerales arcillosos deshidratados y diversas fases de zeolita. Los materiales puzolánicos deben ser mucho más reactivos que las cenizas volantes de Clase F en soluciones alcalinas y, por lo tanto, producir abundante gel de AAS para apoyar el desarrollo de la resistencia.

Un potenciador de la gelificación que puede usarse en diversas realizaciones de la presente invención es el metacaolín, ya que está fácilmente disponible y tiene un tamaño de partícula pequeño (~5 pm). Las velocidades de disolución y polimerización de metacaolín en una solución alcalina pueden ser altas (es decir, de minutos a horas), y el agua expulsada durante la geopolimerización puede ayudar a mejorar la trabajabilidad de la pasta y mejorar el proceso de hidratación de un potenciador del endurecimiento, tal como la escoria granulada de alto horno molida.

La mezcla seca de aglomerante compuesto de geopolímero se mezcla con una solución activadora alcalina para formar una pasta para hormigón celular. Los presentes inventores han descubierto que el metacaolín aumenta o disminuye el tiempo de fraguado de la pasta de GCCC dependiendo de las composiciones de aglutinantes compuestos de geopolímero para hormigón celular. El metacaolín prolonga favorablemente el tiempo de fraguado generalmente corto de una composición de GCCC que contiene una cantidad significativa de escoria de horno o cenizas volantes de clase C o VCAS o polvo de horno. En cambio, el metacaolín también acorta los tiempos de fraguado generalmente largos de las composiciones de GCCC con alto contenido de cenizas volantes de Clase F en el aglutinante compuesto de geopolímero. Además, mezclar metacaolín primero con un potenciador del endurecimiento como la escoria del horno durante al menos 3 minutos puede prolongar los tiempos de fraguado de los sistemas de aglutinantes compuestos. En general, al incluir metacaolín en la composición de aglutinante compuesta, el fraguado inicial de la pasta para hormigón celular puede prolongarse hasta 1 hora o más en comparación con la pasta sin metacaolín.

Los tres ingredientes descritos anteriormente, es decir, las cenizas volantes de clase F, el potenciador del endurecimiento y el potenciador de la gelificación, constituyen la mezcla seca de una composición ternaria de aglutinante compuesto de geopolímero para hormigón celular, haciendo un total de 100 % en peso.

Activador alcalino

El cuarto ingrediente en una composición de GCCC de la presente invención es un activador alcalino. Además de los componentes aglutinantes compuestos de geopolímero mencionados anteriormente, se debe añadir una solución de activación alcalina ("activador alcalino") a la mezcla seca de un aglutinante compuesto de geopolímero para formar una composición de GCCC completa. El activador alcalino es, en efecto, una solución de hidróxido metálico y silicato metálico. En una realización, El hidróxido metálico utilizado en el proceso puede ser un hidróxido de metal alcalino. El metal en el hidróxido metálico puede ser un metal alcalino tal como sodio o potasio o ambos.

El silicato metálico puede ser un silicato de metal alcalino y/o silicato de metal alcalinotérreo. Los metales alcalinos incluyen potasio y sodio. Los silicatos de metales alcalinos, particularmente una solución de silicato de sodio, son deseables debido a su coste relativamente bajo, aunque el silicato de potasio tiene un mejor rendimiento, tal como una disminución significativa de la demanda de agua en la composición de GCCC. El humo de sílice, un producto de desecho de la industria del ferrosilicio, se usa generalmente para preparar la solución de activación, disolviéndolo en una solución de hidróxido alcalino. El vidrio soluble disponible en el mercado también se puede usar para preparar una solución activadora alcalina disolviéndolo en una solución de hidróxido alcalino. En una realización, se puede usar silicato de sodio con una relación en masa de SiO²/Na²O (módulo) igual a aproximadamente 2 a 3,2. En una realización, la solución de silicato de sodio puede comprender de aproximadamente 38 a 55 % en peso de sólidos de silicato alcalino y de aproximadamente 45 a 62 % en peso de agua. Como alternativa, los polvos de vidrio de silicato alcalino se pueden disolver en una solución de hidróxido alcalino para preparar un activador alcalino. Son ejemplos de vidrio de silicato alcalino soluble disponible en el mercado el silicato de sodio SS® y el silicato de potasio Kasolv® de PQ Corporation.

Agentes espumantes

El quinto ingrediente en una composición de GCCC de la presente invención es un agente espumante. Las burbujas se crean añadiendo al menos un agente espumante a la suspensión de GCCC, generalmente cerca del final del proceso de mezclado. El al menos un agente espumante comprende polvo de aluminio o un agente espumante basado en peróxido. La reacción química de un agente espumante con la solución activadora alcalina genera gas que forma burbujas (células) y, por lo tanto, la estructura celular dentro de la pasta de geopolímero. Ejemplos de agentes espumantes incluyen polvo de aluminio, polvos de Fe-Si, cinc, peróxido de hidrógeno, peróxidos alcalinos tales como peróxido de sodio, perboratos alcalinos e hipocloritos alcalinos y alcalinotérreos tales como hipoclorito de sodio o calcio.

El polvo de aluminio se utiliza debido a su eficiencia en la expansión volumétrica y su bajo coste. El polvo de aluminio tiene un tamaño de partícula entre 1 y 75 pm. La reacción del polvo de aluminio con una solución alcalina en la composición de GCCC emite hidrógeno que expande la pasta hasta alcanzar un volumen deseable. El hidrógeno es un gas volátil y se reemplaza rápidamente por aire. La adición de polvo de aluminio puede ser de aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,5 % en peso de una composición de GCCC para producir hormigón celular compuesto de geopolímero con una densidad que varía de aproximadamente 500 a aproximadamente 1800 kg/m3

Los agentes espumantes basados en peróxido generalmente liberan burbujas de oxígeno cuando se exponen a la solución alcalina en una pasta de GCCC. Los ejemplos de peróxidos incluyen peróxido de hidrógeno, peróxido de sodio, peróxido de calcio, perborato alcalino tal como perborato de sodio, y similares. En una realización de la presente invención, la solución de peróxido de hidrógeno se puede usar debido a su bajo coste y fácil uso. Las concentraciones de peróxido de hidrógeno pueden ser de aproximadamente 5 % en peso a 40 % en peso y de 20 a 35 % en peso. La solución de peróxido de hidrógeno se añade en un intervalo de aproximadamente 0,01 % en peso a aproximadamente 1,25 % en peso (calculado como peróxido de hidrógeno) a una composición de GCCC para producir hormigón celular compuesto de geopolímero con una densidad que varía de aproximadamente 400 a aproximadamente 1800 kg/m3.

Árido

Se añaden uno o más áridos para mejorar la resistencia final del hormigón celular compuesto de geopolímero, para aplicaciones estructurales. El hormigón estructural ligero generalmente tiene una densidad in situ de 1440 a 1840 kg/m3 en comparación con un hormigón de peso normal con una densidad de 2240 a 2400 kg/m3. Para aplicaciones estructurales, la resistencia del hormigón debe ser mayor de 2500 psi (17 MPa). El uso principal del hormigón estructural ligero es reducir la carga muerta de una estructura de hormigón y permitir así reducir el tamaño de las columnas, zapatas y otros elementos de soporte de carga. El hormigón estructural ligero debe exhibir una durabilidad mecánica y química comparable o mejor que el hormigón normal. El hormigón estructural ligero proporciona una mayor relación resistencia/peso, lo que da como resultado menores costes generales, en particular cuando se usan aglutinantes compuestos de geopolímero como en la presente invención. Los ejemplos de áridos incluyen áridos finos de peso normal, tal como arena de río o arena de mampostería, áridos ligeros gruesos y finos (que cumplen con la especificación ASTM C330). Los ejemplos de áridos ligeros (LWA) incluyen escoria expandida, pizarra expandida, lutita expandida, arcilla expandida, perlita expandida, piedra pómez, escoria y cenizas volantes granuladas expandidas. En una realización de la presente invención, se pueden utilizar áridos ligeros con una densidad de aproximadamente 50 kg/m3 a aproximadamente 1000 kg/m3. Se añade arena fina de río para mejorar la resistencia de un hormigón celular compuesto de geopolímero. La adición de áridos ligeros en lugar de arena fina de río podría disminuir aún más la densidad del producto sin disminuir el rendimiento del producto final. El hormigón celular compuesto de geopolímero de alto rendimiento para aplicaciones estructurales se puede preparar simplemente añadiendo árido ligero grueso y/o fino sin usar un agente espumante.

Se puede lograr una baja densidad de aproximadamente 1200 a aproximadamente 1800 kg/m3 incorporando áridos ligeros sin introducir burbujas de aire adicionales.

Se añadiría arena de río o áridos ligeros a la composición de GCCC en el intervalo de aproximadamente cero a aproximadamente 60 % en peso, tal como de aproximadamente 0 a aproximadamente 40 % en peso, tal como de aproximadamente 20 a 50 % en peso.

Si bien la arena de río o el árido ligero generalmente no se usan para una composición de GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico con una densidad de aproximadamente 400 a aproximadamente 1000 kg/m3, se podrían añadir algunas cargas ligeras si también se producen burbujas, p. ej., por reacción química de un agente espumante con la solución alcalina. El uso de estas partículas finas y ligeras como cargas en una composición de GCCC puede mejorar significativamente la resistencia mientras se mantiene baja la densidad del producto. Los ejemplos de partículas de carga ligeras incluyen perlita fina expandida, cenosfera y partículas de vidrio huecas y ciertas partículas orgánicas tales como poliestireno expandido. El uso de estas partículas ligeras mejorará aún más el rendimiento de un hormigón celular compuesto de geopolímero.

La perlita es un vidrio volcánico que muestra una absorción de agua relativamente alta y generalmente se forma por hidratación de obsidiana. Cuando el material alcanza temperaturas de 850-900 °C, el agua atrapada en la estructura del material se vaporiza y escapa. Esto provoca la expansión del material a 7-16 veces su volumen original. La perlita en bruto sin expandir tiene una densidad aparente de aproximadamente 1100 kg/m3 mientras que la perlita expandida tiene una densidad aparente de aproximadamente 30-150 kg/m3.

La cenosfera es una esfera hueca, inerte, de peso ligero, hecha principalmente de sílice y alúmina y llena de aire o gas inerte, típicamente producida como un subproducto de la combustión de carbón en plantas de energía. El color de las cenosferas varía de gris a casi blanco y su densidad es de aproximadamente 0,4-0,8 g/cm3.

En algunas realizaciones, se añaden uno o más áridos a la mezcla seca compuesta de geopolímero. En algunas realizaciones, se añaden uno o más áridos un poco antes del final del mezclado, cuando se obtiene una consistencia de pasta homogénea.

Modificadores de pasta

En algunas realizaciones, se pueden necesitar modificadores de pasta. La viscosidad y el tiempo de fraguado inicial son dos propiedades muy importantes de las pastas producidas para fabricar estructuras celulares. En el mejor de los casos, una pasta de GCCC debe tener una viscosidad que no solo evite que las burbujas individuales se unan (desestabilización de la estructura celular) sino que también no se eleven. El tiempo de fraguado inicial debe ser lo suficientemente largo para que la pasta alcance la expansión volumétrica deseada. Establecer tiempos más largos de lo necesario puede alterar y deteriorar la estructura celular. La pasta debe endurecerse cuando se completa la expansión. En algunas realizaciones, se pueden añadir uno o más modificadores de pasta a una composición de GCCC para regular las propiedades de la pasta para una expansión volumétrica y estabilización de la estructura celular óptimas.

En algunas realizaciones con una proporción adecuada de una composición aglutinante ternaria y una optimización de una solución activadora alcalina, se puede obtener una pasta de GCCC con propiedades de pasta apropiadas para la expansión volumétrica prevista y la estabilización de la estructura celular sin el uso de modificadores de pasta. Sin embargo, en algunas realizaciones que tienen un alto contenido de un potenciador del endurecimiento, tal como escoria granulada de horno molida, pueden ser necesarios uno o más retardadores del fraguado para prolongar los tiempos de fraguado. El calor generado por la reacción entre un agente espumante químico y la solución alcalina puede acortar el tiempo de fraguado de una pasta de GCCC más que aceptable. Si la pasta se vuelve demasiado espesa demasiado pronto, la expansión volumétrica prevista será incompleta y se debe utilizar un retardador del fraguado. Los ejemplos de retardadores del fraguado incluyen ciertos compuestos de fosfato tales como metafosfato alcalino, ácido fosfórico, bórax, ácido bórico, citratos alcalinos tales como citrato de sodio, hidróxido de bario, nitrato de bario, cloruro de bario, nitrato de cinc y yeso. En una realización de la presente invención, se pueden añadir uno o más retardadores del fraguado en una cantidad de menos de aproximadamente 5 % en peso. En una realización de la presente invención, se pueden añadir uno o más retardadores del fraguado en una cantidad de 0,1 a 2 % en peso de una composición de GCCC. En una realización de la presente invención, se puede usar metafosfato sódico, bórax y cloruro de bario como retardadores del fraguado. Aunque algunos retardadores del fraguado, tales como cloruro de bario, se pueden añadir a la solución activadora alcalina junto con una mezcla seca de aglomerantes compuestos de geopolímero, los presentes inventores han encontrado que el efecto retardador mejora si el metafosfato de sodio o el bórax se disuelven en la solución de activador alcalino antes de añadir el aglutinante compuesto.

En una realización donde las cenizas volantes de clase F se usan como ingrediente principal en una composición de aglutinante compuesta, la pasta de GCCC puede endurecerse muy lentamente, lo que da como resultado una desestabilización de la estructura celular y baja resistencia. Se pueden incluir uno o más aceleradores en la mezcla de hormigón celular para obtener una pasta de GCCC con el tiempo de fraguado y la viscosidad apropiados para obtener una estructura celular estable con alta resistencia del producto. Los ejemplos de aceleradores incluyen, entre otros, fluoruros alcalinos tales como fluoruro de sodio, sales de calcio tales como cloruro de calcio, oxalatos alcalinos tales como oxalato de sodio y sulfatos alcalinos tales como sulfato de sodio. En una realización de la presente invención, se pueden añadir uno o más aceleradores en un intervalo de aproximadamente 0 a 5 % en peso. En una realización de la presente invención, se pueden añadir uno o más aceleradores en un intervalo de aproximadamente 0,5 a 2,5 % en peso de la mezcla seca compuesta de geopolímero.

En algunas realizaciones con alto contenido de potenciadores del endurecimiento tales como cenizas volantes de clase C, los productos de hormigón celular pueden tener una contracción inaceptablemente grande. En una realización de la presente invención, se pueden añadir uno o más reductores de la contracción en una cantidad de aproximadamente 0 a aproximadamente 20 % en peso de la composición de GCCC, En una realización de la presente invención, se pueden añadir uno o más reductores de la contracción en una cantidad de 0 % en peso a aproximadamente 10 % en peso de una composición de GCCC. Los ejemplos de reductores de la contracción incluyen MgO reactivo, yeso y aditivos reductores de la contracción disponibles en el mercado. Los reductores de la contracción generalmente se mezclan con los componentes aglutinantes compuestos de geopolímero.

En algunas realizaciones, se pueden usar reductores de agua o sólidos superplastificantes no solo para disminuir la cantidad de agua necesaria para preparar una solución activadora alcalina para una composición de GCCC, sino también para modificar la viscosidad de la pasta. Los sólidos superplastificantes pertenecen a una clase de reductores de agua capaces de reducir el contenido de agua en aproximadamente un 30 % para los hormigones basado en cemento Portland. Los superplastificantes más recientes incluyen compuestos policarboxílicos, tales como poliacrilatos, aunque en el proceso GCCC puede usarse cualquier superplastificante conocido en la técnica.

En una realización de la presente invención, los sólidos superplastificantes pueden comprender de aproximadamente 0,0 a aproximadamente 1 % en peso de una composición de GCCC. En una realización de la presente invención, los sólidos superplastificantes pueden comprender de aproximadamente 0,0 a aproximadamente 0,5 % en peso de una composición de GCCC. En una realización de la presente invención, los sólidos superplastificantes pueden comprender de aproximadamente 0,0 a aproximadamente 0,25 % en peso de una composición de GCCC.

Cargas ultrafinas y submicrométricas

En algunas realizaciones, se pueden usar cargas ultrafinas y/o submicrométricas con un tamaño de partícula que varía de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 10 pm para mejorar significativamente las propiedades reológicas de una pasta de GCCC cuando se usa poca agua. Los presentes inventores han encontrado que una composición de GCCC con una relación óptima o casi óptima de agua a sólidos de geopolímero exhibe una progresión característica de etapas, es decir, características visuales, mientras no se interrumpa el mezclado. La mezcla inicialmente adopta una estructura similar a arena o gránulos, sugiriendo deficiencia en agua. Después de haber añadido partículas de carga ultrafinas o submicrométricas, la mezcla adopta una estructura similar a una masa, que se convierte en una pasta homogénea, sin grumos, mientras se añaden uno o más agentes espumantes. Después de verter la pasta en un molde, la pasta experimenta expansión volumétrica, adoptando finalmente una estructura celular homogénea.

Los ejemplos de cargas ultrafinas o submicrométricas incluyen humo de sílice, sílice precipitada, cenizas volantes ultrafinas (UFFA), escoria ultrafina de alto horno (UBFS) y carbonato de calcio submicrométrico con humo de sílice como un material que puede usarse. Las UFFA son un producto procesado separando mecánicamente una fracción ultrafina con un tamaño medio de partícula de aproximadamente 1 a 10 pm de las cenizas volantes principales. El humo de sílice es el material submicrométrico más fácilmente disponible, que es un subproducto de la metalurgia de Fe-Si. Parece de color gris debido a un pequeño porcentaje de carbono no quemado. El humo de sílice blanco casi no contiene carbono, sino silicio, p. ej., de Elkon Products Inc. Los ensayos preliminares realizados por los presentes inventores muestran que la adición de solo un pequeño porcentaje en peso de humo de sílice blanco a una composición de GCCC puede dar como resultado una expansión volumétrica de hasta el 50 %. Por lo tanto, Aunque el humo de sílice blanco funciona como carga submicrométrica, también es un agente espumante eficiente. Las cenizas volantes de gasificación de carbón se descargan de las centrales eléctricas respectivas. Estas cenizas volantes suelen ser un material rico en Si02 que consiste principalmente en partículas esféricas con un tamaño máximo de partícula de aproximadamente 5 a 10 pm. Por tanto, las cenizas volantes de gasificación de carbón también son una carga adecuada.

En una realización, la carga ultrafina y submicrométrica puede comprender de 1 a aproximadamente 12 % en peso de una composición de GCCC. En una realización, la carga ultrafina y submicrométrica puede comprender de aproximadamente 1 a aproximadamente 5 % en peso de una composición de GCCC.

Fibras para refuerzo

Opcionalmente, se puede añadir fibra a una composición de GCCC hasta aproximadamente 5 % en peso, tal como hasta aproximadamente 2,5 % en peso, tal como hasta aproximadamente 1 % en peso, tal como hasta 0,5 para mejorar la resistencia a la flexión de los productos de hormigón celular. La adición de fibras cortas también puede mejorar la estabilización de la estructura celular durante la expansión volumétrica. Las fibras incluyen fibras orgánicas (p. ej., fibras de alcohol polivinílico y fibras de poliacrilonitrilo); fibras de vidrio (p. ej., fibras de basalto); y fibras de carbono.

Un proceso para la fabricación de hormigón celular compuesto de geopolímero comprende las siguientes etapas:

a. Premezclar componentes aglutinantes compuestos de geopolímero ternario, reductores de la contracción, si los hay, arena de río si la hay, fibras si las hay y áridos ligeros si los hay

b. Mezclar la combinación de componentes aglutinantes compuestos con al menos una solución activadora alcalina, que comprende agua, hidróxido alcalino, silicato alcalino, retardador del fraguado si lo hay, acelerador si lo hay y superplastificante si lo hay.

c. Añadir partículas ultrafinas y/o submicrométricas, si las hay, durante el mezclado

d. Añadir al menos un agente espumante cerca del final del mezclado

e. Verter la mezcla de la etapa (d) en un molde y dejar que forme espuma, se expanda, fragüe y se endurezca f. Retirar el cuerpo endurecido del molde

g. Opcionalmente, cortar y dar forma al cuerpo endurecido

h. Curar los productos de hormigón celular compuesto de geopolímero a temperatura ambiente o a temperaturas más altas

Los componentes secos descritos anteriormente, excepto la carga micro/submicrométrica, se premezclan en un mezclador apropiado, tal como un mezclador intensivo. Después, la solución de activación alcalina, junto con el superplastificante (si lo hay) y/o el acelerador (si lo hay), se vierten en la mezcla seca y se mezclan. En algunas realizaciones, compuestos retardantes tales como cloruro de bario, bórax y metafosfato de sodio, se disuelven en la solución activadora alcalina antes del mezclado con la mezcla seca compuesta de geopolímero. El agente espumante se añade cerca del final del proceso de mezclado. La expansión volumétrica disminuye la densidad del producto no espumado de aproximadamente 1,25 a aproximadamente 4,0 veces.

Parámetros de restricción

Los parámetros de restricción se definen como relaciones molares o fracciones en masa y sus intervalos. Los parámetros de restricción pueden usarse para definir ciertas formulaciones no limitantes de la composición de hormigón celular compuesto de geopolímero para aplicaciones de aislamiento térmico y estructurales. Los parámetros de restricción se establecen para los ingredientes específicos utilizados en las composiciones aglutinantes compuestas de geopolímero.

Los parámetros de restricción para el metacaolín como potenciador de la gelificación incluyen un conjunto de relaciones molares de SiO2/AbO3, IVhO/AbOa y H²O/M²O, donde M representa metales alcalinos (Na, K, Li) o metales alcalinotérreos (Ca, Mg). La relación molar SiO2/AbO3 en el metacaolín es de aproximadamente 2. Se añaden hidróxido alcalino y silicato alcalino a la solución para obtener los valores requeridos para las relaciones molares características de un gel de AAS basado en metacaolín. Por ejemplo, la relación molar SiO2/AbO3 en el gel de AAS varía de aproximadamente 2,5 a 6,0, tal como de 3,0 a 4,0; M2O/AbO3 varía de aproximadamente 0,7 a 1,5, tal como de 0,9 a 1,25; y H²O/M²O varía de aproximadamente 5 a 18, tal como de aproximadamente 6 a 10.

Los parámetros de restricción para las cenizas volantes de clase F (como ingrediente principal), cenizas volantes de clase C, VCAS, polvo de horno o escoria de alto horno (como potenciador del endurecimiento) requieren un conjunto de fracciones en masa de M²O, SiO², H²O y relación molar SiO²/M²O que se utilizan para formular una solución de activación. Las fracciones en masa de M²O o SiO² de los materiales puzolánicos, ya sea como ingrediente principal o como potenciador del endurecimiento, pueden variar de aproximadamente 0,01 a 0,15, tal como de aproximadamente 0,04 a 0,075. La relación molar SiO²/M²O varía de aproximadamente 0,2 a 2,5, tal como de aproximadamente 0,5 a 1,8, tal como de 1,0 a 1,8. La fracción en masa de H²O del ingrediente principal o un potenciador del endurecimiento puede variar de aproximadamente 0,20 a 0,50, tal como de aproximadamente 0,25 a 0,30. Los metales alcalinos pueden ser Na, K, o Li, y se puede usar Na en particular para ahorrar costes. Las cantidades de hidróxido alcalino, silicato alcalino y agua necesarias para cada componente aglutinante compuesto de geopolímero se resumen para formular una composición de solución de activación de GCCC.

La relación en masa de agua a sólidos de geopolímero (w/c) es un parámetro clave para una composición de GCCC. Como se usa en el presente documento, la expresión "sólidos de geopolímero" se define como la suma de las masas de constituyentes reactivos en el aglutinante compuesto (es decir, cenizas volantes de clase F, potenciador del endurecimiento y potenciador de la gelificación) y masas de óxido alcalino y dióxido de silicio disuelto en la solución activadora alcalina. La relación w/c está determinada por un conjunto de parámetros de restricción, tal como la relación molar H²O/M²O para metacaolín, la fracción en masa de H²O para cenizas volantes de clase F y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo como potenciador del endurecimiento, y si se aplica y qué cantidad de superplastificante y/o carga ultrafina y/o submicrométrica se aplica. En algunas realizaciones para aplicaciones estructurales, se usa arena de mampostería con absorción de humedad de aproximadamente 2,5 % en peso como árido fino. Si el contenido de humedad del árido fino se desvía de aproximadamente 2,5 % en peso, la composición de GCCC debe corregirse para cumplir con una w/c prescrita. En algunas realizaciones donde el peróxido de hidrógeno se aplica como agente espumante, la mezcla debe corregirse teniendo en cuenta H²O en H²O² (p. ej., 35 % en peso de H²O² en H²O). Típicamente, las relaciones w/c en las composiciones de GCCC varían de aproximadamente 0,20 a 0,55, tal como de aproximadamente 0,30 a 0,45.

La relación en masa de agua a sólidos de geopolímero (w/c) determina casi exclusivamente la viscosidad de una pasta de GCCC. Una buena pasta de GCCC no debe ser tan delgada como para que las burbujas se unan y suban a la superficie y no tan gruesa que la expansión volumétrica no sea óptima. Un superplastificante reduce la demanda de agua y disminuye la viscosidad del plástico, de modo que puede tener lugar una expansión volumétrica. La adición de una carga ultrafina y/o submicrométrica tiende a disminuir la viscosidad del plástico y a reducir el estrés mientras reduce la demanda de agua. Sin embargo, la adición de un acelerador puede hacer que la pasta sea más gruesa. Otra propiedad importante de una pasta de GCCC son los tiempos de fraguado. Los presentes inventores han encontrado que una pasta de GCCC correcta debería tener un tiempo de fraguado inicial de aproximadamente 30 a aproximadamente 90 min. La flexibilidad de las composiciones aglutinantes compuestas de geopolímeros de acuerdo con una realización de la presente invención ofrece una gran oportunidad para diseñar mezclas de hormigón celular con propiedades de pasta ideales. Las adiciones de retardadores del fraguado y otras mezclas, tales como un acelerador, un superplastificante, una carga ultrafina y/o submicrométrica también ayudan a obtener una pasta óptima para el hormigón celular.

Los presentes inventores han desarrollado un procedimiento, que usan para determinar si una composición de GCCC tiene una pasta adecuada para hormigón celular de alta resistencia. Una composición de GCCC con una relación w/c óptima o casi óptima exhibe una progresión característica a través de varias etapas bajo un mezclado intensivo continuo. La mezcla inicialmente desarrolla una consistencia similar a arena o gránulos. Con un mezclado continuo después de añadir partículas de carga ultrafinas o submicrométricas, la mezcla de arena o gránulos adquiere una consistencia similar a una masa, que se convierte en una pasta homogénea cuando se añade polvo metálico un poco antes del final del mezclado. Las partículas de arena o gránulos tienen un espesor de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2 cm. Como alternativa, si se usa una solución de peróxido de hidrógeno al 35 % como agente espumante, entonces este generalmente se añade un poco antes del final del mezclado. En una realización de la presente invención, el tamaño de partícula ideal debería ser inferior a 1 cm. En una realización de la presente invención, el tamaño de partícula ideal debería ser inferior a aproximadamente 0,5 cm. El agua contenida en la solución de peróxido de hidrógeno hará que la consistencia similar a arena o gránulos se convierta en una pasta homogénea con la viscosidad adecuada para una formación óptima de burbujas y una estructura celular estable. Cuando la solución de peróxido de hidrógeno se usa como agente espumante, es posible que no se necesite carga ultrafina y/o submicrométrica.

La Tabla 1 a continuación muestra los parámetros de restricción utilizados para formular soluciones activadoras alcalinas para composiciones de GCCC.

Tabla 1

La Tabla 2 muestra los componentes y sus proporciones para las recetas de GCCC para preparar productos para aislamiento térmico, divulgados pero no reivindicados.

Tabla 2

continuación

La Tabla 3 muestra los constituyentes y sus proporciones para las recetas de GCCC para preparar productos para aplicaciones estructurales de acuerdo con la presente invención.

Tabla 3

En una realización de la presente invención, las concentraciones molares de hidróxido alcalino (p. ej., KOH y NaOH) en soluciones activadoras alcalinas están en el intervalo de aproximadamente 3 a 15 M. En una realización de la presente invención, las concentraciones molares de hidróxido alcalino en soluciones activadoras alcalinas están en el intervalo de aproximadamente 5 a 10 M. La humedad presente en el árido (si existe) y el agua en un agente espumante (es decir, en una solución de peróxido de hidrógeno al 35 % en peso) están incluidas en los cálculos anteriores.

Se proporciona en el presente documento un enfoque general para obtener una formulación aplicable para una composición de GCCC. En una realización, la mezcla seca de un compuesto de geopolímero comprende tres ingredientes, como se ha descrito anteriormente. La suma de estos tres ingredientes es 100 % en peso. Después, las masas de los ingredientes del aglutinante compuesto se ajustan en las proporciones deseadas. La composición de una solución de activación se formula en base a un conjunto de parámetros de restricción y sus intervalos respectivos para cada componente aglutinante compuesto de geopolímero (p. ej., cenizas volantes de clase F, potenciador de la gelificación y potenciador del endurecimiento) recapitulando las cantidades necesarias de hidróxido alcalino, sílice disuelta y agua. Cuando los porcentajes en peso de agente espumante, retardador del fraguado si lo hay, acelerador si lo hay, carga ultrafina y/o submicrométrica, si la hay, árido, si lo hay, y fibra si se determina alguna, respectivamente, en una composición de GCCC, las composiciones del aglutinante seco y la solución de activación se vuelven a normalizar de modo que el total del aglutinante seco, la solución de activación y los componentes adicionales ascienden a 100 % en peso.

La manipulación de las proporciones constituyentes compuestas dentro de sus intervalos (véanse, p. ej., las Tablas 1­ 3) y los ensayos posteriores permiten la optimización de una composición de GCCC en términos de propiedades de pasta para una expansión de volumen óptima, una estructura celular estable, un crecimiento rápido de la resistencia y una alta resistencia final después del curado a temperatura ambiente. Las composiciones de GCCC de acuerdo con una realización de la presente invención pueden curarse a temperaturas elevadas.

Los tiempos de fraguado iniciales para las composiciones de GCCC de acuerdo con una realización de la presente invención varían entre aproximadamente 0,25 y aproximadamente 3 horas, tal como de aproximadamente 0,5 a 1 hora. Después de que fragüe la composición, se cura durante 24 horas, tal como de 24 horas a una semana o más, a una temperatura de curado entre aproximadamente 20 °C y aproximadamente 75 °C. Se pueden obtener tiempos de fraguado específicos ajustando las composiciones de aglutinante y carga, p. ej., seleccionando composiciones de aglutinante y de carga con diferente reactividad en soluciones alcalinas, o por otros métodos conocidos en la técnica, tales como la adición de un compuesto retardante.

En una realización de una composición de GCCC de la presente invención que incluye uno o más áridos, el uno o más áridos pueden tener un tamaño de partícula de aproximadamente 0,025 a aproximadamente 10 mm, y en donde el uno o más áridos comprenden de aproximadamente 5 a 70 % en peso de la composición de GCCC. En una realización de una composición de GCCC de la presente invención que incluye uno o más áridos ligeros, el uno o más áridos ligeros pueden tener un tamaño de partícula de aproximadamente 0,025 y 20 mm, y en donde el uno o más áridos ligeros comprenden de aproximadamente 5 a 50 % en peso de la composición de GCCC.

En una realización de una composición de GCCC de la presente invención que incluye uno o más áridos finos y ligeros que comprenden de aproximadamente 1 a aproximadamente 25 % en peso de la composición de GCCC.

En una realización de una composición de GCCC de la presente invención que incluye uno o más retardadores del fraguado, el uno o más retardadores del fraguado pueden comprender de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 5 % en peso de la composición de GCCC. En una realización de una composición de GCCC de la presente invención que incluye retardadores del fraguado, el uno o más retardadores del fraguado pueden comprender aproximadamente 0,5 a 2 % en peso de la composición de GCCC.

En una realización de una composición de GCCC de la presente invención que incluye uno o más materiales de fibra, el uno o más materiales de fibra pueden comprender de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 5 % en peso de la composición de GCCC. En una realización de una composición de GCCC de la presente invención que incluye uno o más materiales de fibra, el uno o más materiales de fibra pueden comprender aproximadamente 0,25 a aproximadamente 2,5 % en peso de la composición de GCCC.

En una realización de una composición de GCCC de la presente invención que incluye una o más cargas submicrométricas, la una o más cargas submicrométricas pueden comprender de aproximadamente 2 a aproximadamente 5 % en peso de la composición de GCCC. En una realización de una composición de GCCC de la presente invención que incluye una o más cargas submicrométricas, la una o más cargas submicrométricas pueden comprender de aproximadamente 2 a aproximadamente 5 % en peso de la composición de GCCC.

En una realización de una composición de GCCC de la presente invención que incluye uno o más sólidos superplastificantes, el uno o más sólidos superplastificantes pueden comprender de 0,01 a aproximadamente 1 % en peso de la composición de GCCC.

La descripción anterior de las realizaciones de la invención se ha presentado con fines ilustrativos y descriptivos. No pretende ser exhaustivo o limitar la invención a la forma precisa divulgada, y las modificaciones y variaciones son posibles a la luz de las enseñanzas anteriores o pueden adquirirse de la práctica de la invención. Las realizaciones se han elegido y descrito para explicar los principios de la invención y como una aplicación práctica para permitir a un experto en la materia utilizar la invención en diversas realizaciones y con diversas modificaciones adecuadas para el uso particular contemplado. Se pretende que el alcance de la invención se defina por las reivindicaciones adjuntas a la misma.

Ejemplos

En los siguientes ejemplos, todas las pastas de GCCC se curaron a temperatura ambiente, p. ej., a aproximadamente 20 °C, excepto cuando se especifiquen otras temperaturas de curado.

Se utilizó arena de mampostería de Aggregates Industries como árido fino, que tiene un tamaño de partícula entre 50 y 600 |jm con un tamaño medio de aproximadamente 250 jm . La humedad en el árido fino era de aproximadamente 2,5 % en peso a temperatura ambiente. Se incluyó la humedad en el árido fino para calcular las concentraciones molares de hidróxido alcalino y la relación de agua a sólidos geopoliméricos, como % en peso

El metacaolín (Kaorock) era de Thiele Kaolin Company, Sandersville, GA. El metacaolín tenía un tamaño de partícula entre 0,5 y 50 jm con un 50 % en volumen inferior a 4 jm .

La escoria granulada de alto horno molida de calidad 120 (cemento de escoria NewCem) era de Lafarge, North America Inc. (Terminal de Baltimore). La escoria del horno tenía un tamaño de partícula entre 0,5 y 60 jm , con un 50 % en volumen inferior a 7 jm .

El humo de sílice, un producto de desecho industrial de aleación de Fe-Si, era de Norchem Inc. El humo de sílice contenía 2,42 % en peso de carbono. El humo de sílice se usó para preparar soluciones de activador alcalino disolviendo el humo de sílice en solución de hidróxido alcalino, o se añadió como carga submicrométrica.

Se usó una solución de silicato de sodio disponible en el mercado (solución de silicato de sodio Ru™, PQ Corp) para preparar una solución activadora alcalina. La solución de silicato de sodio contenía aproximadamente 14 % en peso de Na²O, 33 % en peso de SiO² y 53 % en peso de agua.

Unas cenizas volantes de clase F de la central eléctrica de Brandon Shores, Baltimore, MD, era de Separation Technologies LLC. Las cenizas volantes de Brandon Shores tenían menos CaO (0,9 % en peso) y una baja pérdida por ignición (<1,5 % en peso) y se comercializaron con el nombre de ProAsh. Las cenizas volantes de Brandon Shores tenían un tamaño de partícula entre 0,6 y 300 jm con un 50 % en volumen por debajo de 26 jm . Otras cenizas volantes de Clase F del Grupo SEFA (Carolina del Sur, EE. UU.) se produjeron mediante un proceso de beneficiado térmico. Las cenizas volantes contenían aproximadamente 1,5 % en peso de CaO y tenían un tamaño de partícula entre 0,5 y 300 jm con 50 % en volumen por debajo de 15 jm . Otras cenizas volantes eran las cenizas volantes Orland de Headwaters Incorporation. Las cenizas volantes tenían una pérdida muy alta por ignición, p. ej., de 7 a 9 % en peso.

Se utilizaron fibras de polipropileno sintético (20 mm de longitud) de Grace Construction Products para refuerzo.

La resistencia a la compresión se midió en una máquina de compresión Test Mark CM-4000-SD. Durante el ensayo, todas las muestras cilíndricas se taparon con tapas de compresión de Delauriers, Inc.

El agente espumante, el acelerador, el retardador del fraguado, la fibra troceada y los sólidos superplastificantes, si los hay, no están incluidos en una formulación de GCCC dada en los ejemplos a continuación. Estos componentes se pesaron en la cantidad de % en peso de una formulación de GCCC. Añadirlos a los otros sólidos produjo la composición final de GCCC (no mostrada en los ejemplos). El agua en la solución de peróxido de hidrógeno es parte de una formulación de GCCC.

Ejemplo 1

Se disolvieron KOH (ensayo 90 %) y NaOH (ensayo 99 %) en agua corriente para hacer una solución alcalina usando un agitador mecánico. El humo de sílice de Norchem Inc. se disolvió después en la solución de KOH y/o NaOH con agitación. La solución activadora alcalina era negra debido al carbono no disuelto. La solución activadora alcalina se envejeció hasta 7 días antes de la preparación de la muestra.

Para preparar el GCCC para aplicaciones estructurales, se mezclaron en seco los siguientes componentes:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (10,00 % en peso)

Metacaolín como potenciador de la gelificación (5,64 % en peso),

Escoria granulada de alto horno molida como potenciador del endurecimiento (14,55 % en peso),

Arena de mampostería como árido fino (50,00 % en peso) y

Fibra sintética de polipropileno (0,5 % en peso).

Después, la solución activadora alcalina se preparó mezclando:

Na²O (1,36 % en peso) como NaOH,

K²O (3,08 % en peso) como KOH,

SiO² (3,92 % en peso) como humo de sílice, y

H²O (9,45 % en peso).

La solución activadora alcalina se mezcló con los componentes secos premezclados durante 3 minutos en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products). Después, se añadió humo de sílice (2 % en peso) como carga submicrométrica con mezclado continuo durante otros 3 minutos. 1 minuto antes del final del mezclado, se añadió polvo de aluminio (tamaño medio de 20 pm, 0,05 % en peso de la composición de GCCC) como agente espumante. La pasta se vertió en moldes cilindricos de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 1403 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 3637 psi o 25,08 MPa (Muestra n.° 1, Tabla 4). Se prepararon muestras de GCCC adicionales con la misma composición en % en peso y procedimiento descritos en el Ejemplo 1, pero variando la cantidad de polvo de aluminio (tamaño medio de 20 pm). La concentración en % en peso del polvo de aluminio, la densidad aparente y la resistencia a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4

Ejemplo 2

Para preparar el GCCC para aplicaciones estructurales, se mezclaron primero en seco los siguientes constituyentes: Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (16,00 % en peso)

Metacaolín como potenciador de la gelificación (9,92 % en peso),

Escoria granulada molida de alto horno como potenciador del endurecimiento (25,60 % en peso),

Arena de mampostería como árido fino (20,00 % en peso) y

Fibra sintética de polipropileno (0,5 % en peso)

Después, la solución activadora alcalina se preparó mezclando:

Na²O (1,94 % en peso) como NaOH,

K²O (3,90 % en peso) como KOH,

SÍO² (6.63 % en peso) como humo de sílice, y

H²O (14,00 % en peso)

La solución activadora alcalina se mezcló con los componentes secos premezclados durante 3 minutos en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products). Después, se añadió humo de sílice (2 % en peso) como carga submicrométrica con mezclado continuo durante otros 3 minutos. 1 minuto hacia el final del mezclado, se añadió polvo de aluminio (tamaño medio de 20 pm, 0,08 % en peso de la composición de GCCC). La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 1202 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 3159 psi o 21,78 MPa (Muestra n.° 6).

Ejemplo 3 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se mezclaron primero en seco los siguientes constituyentes:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (16,00 % en peso)

Metacaolín como potenciador de la gelificación (9,92 % en peso),

Escoria granulada molida de alto horno como potenciador del endurecimiento (25,60 % en peso),

Arena de mampostería como árido fino (20,00 % en peso) y

Fibra sintética de polipropileno (0,3 % en peso).

Después, la solución activadora alcalina se preparó mezclando:

Na²O (1,94 % en peso) como NaOH,

K²O (3,90 % en peso) como KOH,

SiO² (6.63 % en peso) como humo de sílice, y

H²O (14,00 % en peso).

La solución activadora alcalina se mezcló con los componentes secos premezclados durante 3 minutos en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products). Después, se añadió humo de sílice (2 % en peso) como carga submicrométrica con mezclado continuo durante otros 3 minutos. 1 minuto hacia el final del mezclado, Se añadió polvo de aluminio (tamaño medio de 20 pm, 0,15 % en peso de la composición de GCCC). La pasta se vertió en un molde cilíndrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 880 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 1282 psi u 8,84 MPa (Muestra n.° 7, Tabla 5).

Se prepararon muestras de GCCC adicionales con la misma composición y procedimiento que para la Muestra 7 pero con diferentes cantidades en % en peso de polvo de aluminio, así como diferentes tamaños medios de partícula. La concentración en % en peso del polvo de aluminio, el tamaño de partícula de Al, la densidad aparente y la resistencia a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5

continuación

Ejemplo 4 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se mezclaron primero en seco los siguientes constituyentes:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (10,00 % en peso)

Metacaolín como potenciador de la gelificación (5,64 % en peso),

Escoria granulada molida de alto horno como potenciador del endurecimiento (14,55 % en peso), y

Arena de mampostería como árido fino (50,00 % en peso).

Después, la solución activadora alcalina se preparó mezclando:

Na²O (1,36 % en peso) como NaOH,

K²O (3,08 % en peso) como KOH,

SiO² (3,92 % en peso) como humo de sílice, y

H²O (9,45 % en peso).

La solución activadora alcalina se mezcló con los componentes secos premezclados durante 3 minutos en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products). Después, se añadió humo de sílice (2 % en peso) como carga submicrométrica y se continuó mezclando durante otros 3 minutos. 1 minuto antes del final del mezclado, se añadió polvo de aluminio (tamaño medio de 20 pm, 0,08 % en peso de la composición de GCCC). La pasta se vertió en un molde cilíndrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, Se determinó que la densidad aparente era de 1098,35 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 1537 psi o 10,64 MPa (Muestra n.° 14).

Ejemplo 5 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se mezclaron primero en seco los siguientes constituyentes:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (12,50 % en peso)

Metacaolín como potenciador de la gelificación (11,58 % en peso),

Escoria granulada de alto horno molida como potenciador del endurecimiento (12,50 % en peso),

Arena de mampostería como árido fino (12,50 % en peso) y

Fibra sintética de polipropileno (0,3 % en peso).

Después, la solución activadora alcalina se preparó mezclando:

Na²O (5,42 % en peso) como NaOH,

K²O (0,47 % en peso) como KOH,

SÍO² (7,79 % en peso) como humo de sílice, y

H²O (17,85 % en peso).

La solución activadora alcalina se mezcló con los componentes secos premezclados durante 3 minutos en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products). Después, se añadió humo de sílice como carga submicrométrica (2 % en peso) con mezclado continuo durante otros 3 minutos. 1 minuto antes del final del mezclado, se añadió polvo de aluminio (tamaño medio de 20 pm, 0,05 % en peso de la composición de GCCC). La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 910 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 1712 psi u 11,80 MPa (Muestra n.° 15).

Ejemplo 6 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se mezclaron primero en seco los siguientes constituyentes:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (19,00 % en peso)

Metacaolín como potenciador de la gelificación (13,13 % en peso),

Escoria granulada de alto horno molida como potenciador del endurecimiento (33,89 % en peso), y

Fibra sintética de polipropileno (0,3 % en peso).

Después, la solución activadora alcalina se preparó mezclando:

Na²O (5,37 % en peso) como NaOH,

K²O (1,00 % en peso) como KOH,

SiO² (8,76 % en peso) como humo de sílice, y

H²O (16,85 % en peso).

La solución activadora alcalina se mezcló con los componentes secos premezclados durante 3 minutos en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products). Después, se añadió humo de sílice (2 % en peso) como carga submicrométrica con mezclado continuo durante otros 3 minutos. 1 minuto antes del final del mezclado, se añadió polvo de aluminio (tamaño medio de 20 pm, 0,25 % en peso de la composición de GCCC). La pasta se vertió en un molde cilíndrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 730 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 831 psi u 5,73 MPa (Muestra n.° 16).

Ejemplo 7 (Comparativo)

Para preparar el GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se mezclaron primero en seco los siguientes constituyentes:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (18,66 % en peso)

Metacaolín como potenciador de la gelificación (12,89 % en peso),

Escoria granulada molida de alto horno como potenciador del endurecimiento (33,27 % en peso), y

Fibra sintética de polipropileno (0,03 % en peso).

Después, la solución activadora alcalina se preparó mezclando:

Na²O (5,28 % en peso) como NaOH,

K²O (0,98 % en peso) como KOH,

SiO² (8,60 % en peso) como humo de sílice, y

H²O (18,35 % en peso).

La solución activadora alcalina se mezcló con los componentes secos premezclados durante 3 minutos en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products). Después, se añadió humo de sílice (1,96 % en peso) como carga submicrométrica con mezclado continuo durante otros 3 minutos. 1 minuto antes del final del mezclado, Se añadió polvo de aluminio (tamaño medio de 20 pm, 0,15 % en peso de la composición de GCCC). La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 790 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 1132 psi u 7,80 MPa (Muestra n.° 17).

Ejemplo 8 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se mezclaron primero en seco los siguientes constituyentes:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (11,90 % en peso) y

Escoria granulada molida de alto horno como potenciador del endurecimiento (54,21 % en peso).

La solución activadora alcalina (módulo ~ 1,65) se preparó mezclando solución de hidróxido de sodio y solución de silicato de sodio Ru™ (PQ Inc) de manera que se obtuvieron las siguientes concentraciones en la composición de GCCC:

Na²O (4,96 % en peso)

SiO² (7,93 % en peso), y

H²O (20,00 % en peso).

La solución activadora alcalina se mezcló con los componentes secos premezclados durante 3 minutos en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products). Después, se añadió humo de sílice como carga submicrométrica con mezclado continuo durante otros 3 minutos. 1 minuto antes del final del mezclado, se añadió polvo de aluminio (tamaño medio de 20 pm, 0,25 % en peso de la composición de GCCC). La pasta se vertió en moldes cilindricos de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6") y se dejó expandir y llenar el molde y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 597,3 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 870 psi o 6,0 MPa (Muestra n.° 18, Tablas 6 y 7).

Se prepararon muestras adicionales de la misma manera, pero la pasta se vertió en moldes de viga de 10,16 cm x 10,16 cm x 40,64 cm (4"x 4" x 16") y se dejó expandir, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 7 días, las muestras se desmoldaron y se aserraron en húmedo en cubos de 10,16 cm (4"). Después del secado durante 3 días al aire, se midieron la densidad aparente y la resistencia a la compresión (Muestras n.° 19-21, Tablas 6 y 7 a continuación).

Tabla 6

Tabla 7

Ejemplo 9 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se mezclaron primero en seco los siguientes constituyentes en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products):

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (13,69 % en peso)

Escoria granulada de alto horno molida como potenciador del endurecimiento (54,75 % en peso), y

Fibra sintética adicional de polipropileno (0,3 % en peso de la mezcla de CCG).

Después, se preparó una solución activadora alcalina (módulo ~ 1,6) mezclando polvo de solución de hidróxido de sodio en solución de silicato de sodio Ru™ (PQ Inc) de modo que se obtuvieron las siguientes concentraciones en la composición de GCCC:

Na²O (5,13 % en peso) como NaOH,

SiO² (8,21 % en peso) como humo de sílice, y

H²O (17,19 % en peso).

El bórax como retardador del fraguado se disolvió en la solución de activador alcalino en la cantidad de 1,00 % en peso de la composición de GCCC. La solución activadora alcalina con bórax se mezcló con la mezcla seca premezclada en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products) durante 3 minutos.

Después, se añadió humo de sílice (1,03 % en peso) como carga submicrométrica con mezclado continuo durante otros 3 minutos. 45 segundos antes del final del mezclado, se añadió una solución de peróxido de hidrógeno al 35 % como agente espumante a la mezcla en la cantidad de 1,75 % en peso de la composición de GCCC. La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 777 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 1595 psi u 11,00 MPa (Muestra n.° 22, Tablas 8 y 9).

Se prepararon muestras de GCCC adicionales con composiciones y procedimientos de preparación similares a los utilizados en la Muestra n.° 22. Las composiciones, las densidades aparentes y la resistencia a la compresión de las muestras adicionales (n.° 22 a n.° 25) se dan en las Tablas 8 y 9.

Tabla 8

Tabla 9

Ejemplo 10 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se preparó una solución activadora alcalina (módulo ~ 1,6) mezclando solución de hidróxido de sodio y solución de silicato de sodio Ru™ (PQ Inc) de manera que se obtuvieron las siguientes concentraciones en la composición de GCCC:

Na²O (5,04 % en peso)

SiO² (7,78 % en peso), y

H²O (19,73 % en peso).

La mezcla de la siguiente combinación de tres constituyentes se añadió a la solución activadora alcalina con hexametafosfato de sodio (SHMP) disuelto en ella:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (13,29 % en peso)

Escoria granulada molida de alto horno como potenciador del endurecimiento (43,19 % en peso), y

Fibra sintética de polipropileno (0,03 % en peso de la composición de GCCC).

El mezclado duró 3 minutos.

Después, se añadió humo de sílice (0,99 % en peso) como carga submicrométrica con mezclado continuo durante otros 3 minutos. 1 minuto antes del final del mezclado, se añadió solución de peróxido de hidrógeno (concentración de 37 % en peso) como agente espumante a la mezcla en la cantidad de 2,25 % en peso de la composición de GCCC. La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Se determinó que el tiempo de fraguado inicial era de 43 minutos. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 574 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 649 psi u 4,47 MPa (Muestra n.° 26, Tablas 10 y 11).

Se prepararon muestras adicionales de GCCC con composiciones similares, la misma cantidad de SHMP como retardador del fraguado y el mismo procedimiento de preparación descrito para la Muestra n.° 26. Las composiciones, las densidades aparentes y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales (n.° 27 a n.° 30) se dan en las Tablas 10 y 11.

Tabla 10

Tabla 11

Ejemplo 11 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se preparó una solución activadora alcalina (módulo ~ 1,56) mezclando solución de hidróxido de sodio y solución de silicato de sodio Ru™ (PQ Inc) de manera que se obtuvieron las siguientes concentraciones en la composición de GCCC:

Na²O (4,92 % en peso)

SiO² (7,66 % en peso), y

H²O (19,07 % en peso).

El hexametafosfato de sodio (SHMP) como retardador del fraguado se disolvió en la solución de activador alcalino en la cantidad de 1,00 % en peso de la composición de GCCC. La solución activadora alcalina con hexametafosfato de sodio se mezcló con metacaolín (6,73 % en peso) en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products) durante 12 minutos.

Posteriormente, se añadieron los siguientes componentes y se mezclaron durante 3 minutos:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (13,47 % en peso)

Escoria granulada molida de alto horno como potenciador del endurecimiento (47,14 % en peso), y

Fibra sintética de polipropileno (0,2 % en peso de la composición de GCCC).

Después, se añadió humo de sílice (1,00 % en peso) como carga submicrométrica con mezclado continuo durante otros 3 minutos. 30 segundos antes del final del mezclado, se añadió una solución de peróxido de hidrógeno al 35 % como agente espumante a la mezcla en la cantidad de 2,00 % en peso de la composición de GCCC. La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 658 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 704 psi u 4,85 MPa (Muestra n.° 31, Tablas 12 y 13).

Se prepararon muestras de GCCC adicionales con la misma composición de compuesto de geopolímero y procedimiento que en la Muestra n.° 31 pero la pasta se vertió en un molde de viga de 10,16 cm x 10,16 cm x 40,64 cm (4"x 4" x 16"). Las composiciones, las densidades aparentes y la resistencia a la compresión de las muestras adicionales se dan en las Tablas 12 y 13.

Tabla 12

Tabla 13

Ejemplo 12 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se preparó una solución activadora alcalina (módulo ~ 1,39) mezclando solución de hidróxido de sodio y solución de silicato de sodio Ru™ (PQ Inc) de manera que se obtuvieron las siguientes concentraciones en la composición de GCCC:

Na²O (5,02 % en peso)

SiO² (6,97 % en peso), y

H²O (19,25 % en peso).

El hexametafosfato de sodio (SHMP) como retardador del fraguado se disolvió en la solución de activador alcalino en la cantidad de 0,90 % en peso de la composición de GCCC. La solución activadora alcalina con hexametafosfato de sodio se mezcló primero con metacaolín (6,88 % en peso) en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products) durante 12 minutos.

Posteriormente, se añadieron los siguientes componentes secos y se mezclaron durante 6 minutos:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (20,63 % en peso)

Escoria granulada de alto horno molida como potenciador del endurecimiento (41,25 % en peso), y

Fibra sintética de polipropileno (0,3 % en peso de la composición de GCCC).

1 minuto antes del final del mezclado, se añadió una solución de peróxido de hidrógeno al 35 % como agente espumante a la mezcla en la cantidad de 2,50 % en peso de la composición de GCCC. La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 502 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 445 psi o 3,07 MPa (Muestra n.° 35, Tablas 14 y 15).

Se prepararon muestras de GCCC adicionales con la misma composición de aglutinante compuesto y procedimiento que en la Muestra n.° 35. Las composiciones, las densidades aparentes y la resistencia a la compresión de las muestras adicionales se dan en las Tablas 14 y 15.

Tabla 14

Tabla 15

Ejemplo 13 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se preparó una solución activadora alcalina (módulo ~ 1,39) mezclando solución de hidróxido de sodio y solución de silicato de sodio Ru™ (PQ Inc) de manera que se obtuvieron las siguientes concentraciones en la composición de GCCC:

Na²O (5,73 % en peso)

SiO² (7,98 % en peso), y

H²O (19,28 % en peso).

El hexametafosfato de sodio (SHMP) como retardador del fraguado se disolvió en la solución de activador alcalino en la cantidad de 0,85 % en peso de la composición de GCCC. La solución activadora alcalina con hexametafosfato de sodio se mezcló con metacaolín (10,05 % en peso) en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products) durante 12 minutos.

Posteriormente, se añadieron los siguientes componentes y se mezclaron durante 6 minutos:

Cenizas volantes de clase F SEFA (20,10 % en peso)

Escoria granulada molida de alto horno como potenciador del endurecimiento (36,86 % en peso), y

Fibra sintética de polipropileno (0,03 % en peso de la composición de GCCC).

30 segundos antes del final del mezclado, Se añadió una solución de peróxido de hidrógeno al 35 % como agente espumante a la mezcla en la cantidad de 1,85 % en peso de la composición de GCCC. La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir y llenar el molde, y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 566 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 619 psi u 4,27 MPa (Muestra n.° 39, Tablas 16 y 17).

Se prepararon muestras de GCCC adicionales con la misma composición de aglutinante compuesto y procedimiento que en la Muestra n.° 39, excepto que la pasta se vertió en un molde de viga de 10,16 cm x 10,16 cm x 40,64 cm (4"x 4" x 16"). Se usaron cenizas volantes de Clase F Brandon Shore para preparar muestras adicionales de GCCC. Se observaron aumentos volumétricos de hasta 3 veces en todas las muestras adicionales. Las composiciones, las densidades aparentes y la resistencia a la compresión de las muestras adicionales se dan en las Tablas 16 y 17.

Tabla 16

continuación

Tabla 17

Se prepararon muestras de GCCC adicionales con la misma composición de aglutinante compuesto y procedimiento descritos en la Muestra n.° 39, excepto que no se usó ningún retardador del fraguado. Se usaron cenizas volantes de Clase F Brandon Shore o SEFA para preparar muestras adicionales de GCCC. Las características de la mezcla, la densidad aparente y la resistencia a la compresión de las muestras adicionales se muestran en las Tablas 18 y 19.

Tabla 18

Tabla 19

Ejemplo 14 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, Se preparó una solución activadora alcalina (Módulo = 1,39) mezclando solución de hidróxido de sodio y solución de silicato de sodio Ru™ (PQ Inc) para obtener porcentajes en peso de los siguientes componentes en la composición de GCCC: Na²O (5,72 % en peso)

SiO² (7,97 % en peso), y

H²O (19,39 % en peso).

El bórax como retardador del fraguado se disolvió en la solución de activador alcalino en la cantidad de 0,85 % en peso de la composición de GCCC. La solución activadora alcalina disuelta con bórax se mezcló primero con metacaolín (10,04 % en peso) en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products) durante 12 minutos. Posteriormente, se añadieron los siguientes componentes y se mezclaron durante 3 minutos:

Cenizas volantes de Clase F Brandon Shore (20,08 % en peso)

Escoria granulada de alto horno molida como potenciador del endurecimiento (36,81 % en peso), y

Fibra sintética de polipropileno (0,03 % en peso de la composición de GCCC).

75 segundos antes del final del mezclado, Se añadió una solución de peróxido de hidrógeno al 35 % como agente espumante a la mezcla en la cantidad de 1,85 % en peso de la composición de GCCC. La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir para llenar el molde y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 561 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 687 psi o 4,74 MPa (Muestra n.° 50, Tablas 20 y 21).

Se prepararon muestras de GCCC adicionales con la misma composición de aglutinante compuesto y procedimiento descritos en la Muestra n.° 50. Se usó bórax como retardador del fraguado en todas las muestras adicionales. Se usaron cenizas volantes de Clase F Brandon Shore o SEFA para preparar muestras adicionales de GCCC. Se estimó que las muestras n.° 54 y 55 tenían una expansión volumétrica de aproximadamente 3 a 4 veces. Las características de la mezcla, la densidad aparente y la resistencia a la compresión de las muestras adicionales se muestran en las Tablas 20 y 21.

Tabla 20

Tabla 21

Ejemplo 15 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, Se preparó una solución activadora alcalina (Módulo = 1,39) mezclando solución de hidróxido de sodio y solución de silicato de sodio Ru™ (PQ Inc) para obtener porcentajes en peso de los siguientes componentes en la composición de GCCC: Na²O (5,60 % en peso) SiO² (7,80 % en peso) y H²O (17,71 % en peso).

La solución activadora alcalina (no se usó retardador) se mezcló primero con metacaolín (20,36 % en peso) en un mezclador intensivo (mezclador K-Lab de 20 l de Lancaster Products) durante 10 minutos.

Posteriormente, se añadieron los siguientes componentes y se mezclaron durante 6 minutos: cenizas volantes de clase F SEFA (40,72 % en peso), escoria granulada de alto horno molida como potenciador del endurecimiento (6,79 % en peso) y fibra sintética de polipropileno (0,03 % en peso de la composición de GCCC)

Unos 45 segundos hacia el final del mezclado, se añadió polvo metálico de aluminio (tamaño medio 20 pm) como agente espumante a la mezcla en la cantidad de 1,85 % en peso de la composición de GCCC. La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (3"* 6"), se dejó expandir para llenar el molde y posteriormente se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era 689 kg/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 751 psi o 5,18MPa (Muestra n.° 56, Tablas 22 y 23).

La muestra n.° 57 se preparó con el mismo procedimiento descrito en la muestra n.° 58 pero con un compuesto aglutinante compuesto diferente y no se añadió retardador. Las muestras n.° 58 y 59 se prepararon con el mismo procedimiento descrito en la muestra n.° 56, excepto que se utilizó bórax como retardador del fraguado. Las características de la mezcla, la densidad aparente y la resistencia a la compresión de todas las muestras se muestran en las Tablas 22 y 23.

Tabla 22

Tabla 23

Ejemplo 16 (Comparativo)

Para preparar un GCCC para aplicaciones de aislamiento térmico, divulgadas pero no reivindicadas, se mezclaron primero los siguientes ingredientes secos:

Cenizas volantes de Clase F Orlando (54,77 % en peso)

Escoria granulada molida de alto horno como potenciador del endurecimiento (5,00 % en peso), y Metacaolín (5,00 % en peso)

Después se preparó una solución activadora alcalina (Módulo ~ 1,05) mezclando solución de hidróxido de sodio y solución de silicato de sodio Ru™ (PQ Inc) para obtener porcentajes en peso de los siguientes componentes en la composición de GCCC:

Na²O (5,58 % en peso)

SÍO² (5,88 % en peso), y

H²O (20,77 % en peso).

La solución activadora se mezcló en un mezclador planetario de 7 cuartos durante 3 minutos. Después se añadió humo de sílice (3 % en peso) como carga submicrométrica y se continuó mezclando durante 3 minutos. Se añadió polvo de aluminio metálico (0,08 % en peso de la composición de GCCC) y se continuó mezclando durante otros 3 minutos. La pasta se vertió en un molde cilindrico de 7,62 cm x 15,24 cm (2"* 4"), se dejó expandir para llenar el molde y se curó a 70 °C durante 24 horas. Después de 24 horas, la muestra se desmoldó y se almacenó a temperatura ambiente. Después de curarla durante 28 días, se determinó que la densidad aparente era de 923 g/m3 y se midió que la resistencia a la compresión era de 881 psi o 6,07 MPa (Muestra n.° 60, Tablas 24 y 25).

Se prepararon más muestras de GCCC con composición similar con el mismo procedimiento descrito en la Muestra n.° 60. Las características de la mezcla, la densidad aparente y la resistencia a la compresión de las muestras adicionales se muestran en las Tablas 24 y 25.

Tabla 24

Tabla 25

Las composiciones seleccionadas de los aglutinantes compuestos de geopolímero ternario ejemplificados por los Ejemplos 1 a 16 se muestran en la FIG. 3.

Referencias

Las siguientes referencias se han mencionado anteriormente:

1. Esmaily, H. and H. Nuranian, Non-autoclaved high strength cellular concrete from alkali activated slag, Construction and Building Materials, 26 (1), 200-206 (2012).

2. Vlcek, J., H. Elekova, V. Tomkova, V. Matekja, y F. Ovcacik, Lightweight materials based on slag from production of iron and steel (publicado en línea) (2010).

3. Aguilar, R.A., O.B. Diaz, J.I. Escalante Garcia, Lightweight concretes of activated metakaolin-fly ash binders, with blast furnace slag aggregates, Construction and Building Materials, 24 (7), 1166-1175 (2010). Para producir este hormigón activado alcalino ligero, se usa Al en polvo como agente espumante.

4. Joseph Henon, J., A. Alzina, J. Absi, D.S. Smith, y S. Rossignol, Potassium geopolymer foams made with silica fume pore forming agent for thermal insulation, Journal of Porous Materials, 20(1), 37-46 (2013).

5. Patente de EE.UU. N.° 5.605.570, Alkali-activated glassy silicate foamed concrete (1997).

6. Solicitud de patente de EE. UU.: 2012/0024196, Tailored geopolymer composite binders for cement and concrete applications (2012).

7. Solicitud de Patente de EE. UU.: 2012/0152153, Geopolymer composite for ultra high performance concrete (2012).

8. Solicitud de patente WO 2012/069024, Acid and high temperature resistant cement composites.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un producto que comprende:

un aglutinante compuesto de geopolímero que comprende:

uno o más materiales de cenizas volantes de clase F,

uno o más potenciadores de la gelificación, y

uno o más potenciadores del endurecimiento;

uno o más activadores alcalinos;

uno o más áridos; y

uno o más agentes espumantes;

en donde cada uno del uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F comprende 15 % en peso o menos de óxido de calcio;

en donde el uno o más activadores alcalinos comprenden una solución activadora alcalina que comprende uno o más hidróxidos metálicos, uno o más silicatos metálicos y agua;

en donde el uno o más potenciadores de la gelificación se seleccionan del grupo que consiste en metacaolín, metahaloisita, micro y nanopartículas de sílice y alúmina, y materiales de aluminosilicato puzolánico que tienen un bajo contenido de óxido alcalinotérreo y una alta velocidad de disolución en solución alcalina;

en donde el uno o más potenciadores del endurecimiento se seleccionan del grupo que consiste en escoria granulada de alto horno molida, cenizas volantes de clase C, aluminosilicato de calcio vítreo, polvo de horno, aluminosilicatos puzolánicos ricos en CaO, y combinaciones de los mismos;

en donde el uno o más agentes espumantes comprenden polvo de aluminio o un agente espumante basado en peróxido;

en donde el aglutinante compuesto de geopolímero es un aglutinante sin cemento Portland;

en donde el producto es un hormigón celular compuesto de geopolímero (GCCC);

en donde una cantidad del uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F es de 1 a 50 % en peso del producto, una cantidad del uno o más potenciadores de la gelificación es de 1 a 50 % en peso del producto, y una cantidad del uno o más potenciadores del endurecimiento es de 1 a 50 % en peso del producto; y

en donde el producto tiene una densidad aparente de 1200 kg/m3 a 1800 kg/m3 y una resistencia a la compresión a los 28 días de al menos 17 MPa o 2500 psi.

2. El producto de la reivindicación 1, en donde el uno o más hidróxidos metálicos comprenden óxidos de metales alcalinos que incluyen hidróxido de sodio y/o hidróxido de potasio; en donde una cantidad del uno o más hidróxidos metálicos, como óxidos de metales alcalinos, es de 2 a 12 % en peso del producto; en donde el uno o más silicatos metálicos comprenden uno o ambos miembros del grupo que consiste en silicato de sodio y silicato de potasio y en donde una cantidad del uno o más silicatos metálicos, como sílice soluble, es de 2 a 15 % en peso del producto.

3. El producto de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el agente espumante basado en peróxido se selecciona del grupo que consiste en solución de peróxido de hidrógeno, peróxido de sodio, peróxido de calcio y perborato alcalino.

4. El producto de la reivindicación 3, en donde la concentración de la solución de peróxido de hidrógeno es 35 % en peso; y en donde el peróxido de hidrógeno comprende de 0,01 % en peso a 2,00 % en peso del producto.

5. El producto de una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en donde el polvo de aluminio tiene un tamaño de partícula de entre 1 y 75 micrómetros; en donde el polvo de aluminio comprende de 0,01 a 0,5 % en peso del producto.

6. El producto de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde una relación en masa de agua a sólido varía de 0,20 a 0,55.

7. El producto de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes,

en donde el producto comprende uno o más áridos que incluyen arena de río y/o uno o más áridos ligeros;

en donde el uno o más áridos ligeros comprenden uno o más áridos ligeros finos o gruesos que comprenden escoria expandida, pizarra expandida, lutita expandida, arcilla expandida, perlita expandida, piedra pómez, escoria, o cenizas volantes granuladas expandidas; en donde cada uno de los áridos ligeros tiene una densidad de 50 kg/m3 a 1000 kg/m3;

en donde una cantidad del uno o más áridos ligeros es 40 % en peso o menos del producto; y

en donde una cantidad de arena de río es 60 % en peso o menos del producto.

8. El producto de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes,

en donde el producto comprende, además, una o más cargas ultrafinas y/o submicrométricas;

en donde la una o más cargas ultrafinas y/o submicrométricas tienen un tamaño de partícula que varía de 0,05 a 10 |jm, y

en donde la una o más cargas ultrafinas y/o submicrométricas es de 12 % en peso o menos del producto.

9. El producto de la reivindicación 3, en donde el producto comprende, además, uno o más retardadores del fraguado seleccionados del grupo que consiste en metafosfato de sodio, ácido fosfórico, bórax, ácido bórico, citratos alcalinos, hidróxido de bario, nitrato de bario, cloruro de bario, nitrato de cinc y yeso; y en donde el uno o más retardadores del fraguado es 5 % en peso o menos del producto.

10. El producto de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el producto comprende, además, uno o más materiales de fibra seleccionados del grupo que consiste en fibra orgánica, fibra de vidrio, fibra mineral, fibra de basalto y fibra de carbono; en donde el uno o más materiales de fibra es 5 % en peso o menos del producto.

11. El producto de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes,

en donde el producto comprende, además, uno o más aceleradores seleccionados del grupo que consiste en sulfato de sodio, oxalato de sodio, fluoruro de sodio,

en donde el uno o más aceleradores es 5 % en peso o menos del producto.

12. Un método para la fabricación de un hormigón celular compuesto de geopolímero (GCCC) que comprende:

(a) mezclar entre sí uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F, uno o más potenciadores de la gelificación y uno o más potenciadores del endurecimiento, produciendo de este modo una mezcla de componentes aglutinantes compuestos;

(b) mezclar la mezcla de componentes aglutinantes compuestos con uno o más activadores alcalinos, produciendo de este modo una mezcla activada;

(c) mezclar la mezcla activada con uno o más áridos, uno o más agentes espumantes, produciendo de este modo una pasta de hormigón celular compuesto de geopolímero (GCCC);

(d) verter la pasta de GCCC en un molde y dejar que la pasta de GCCC forme espuma, se expanda, fragüe y se endurezca a temperatura ambiente, produciendo de este modo un cuerpo de GCCC endurecido;

(e) retirar el cuerpo de GCCC endurecido del molde y curar el cuerpo de GCCC endurecido a temperatura ambiente, produciendo de este modo un producto de GCCC;

en donde cada uno del uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F comprende 15 % en peso o menos de óxido de calcio;

en donde el uno o más activadores alcalinos comprenden una solución activadora alcalina que comprende uno o más hidróxidos metálicos, uno o más silicatos metálicos y agua; en donde el uno o más potenciadores de la gelificación se seleccionan del grupo que consiste en metacaolín, metahaloisita, micro y nanopartículas de sílice y alúmina, y materiales de aluminosilicato puzolánico que tienen un bajo contenido de óxido alcalinotérreo y una alta velocidad de disolución en solución alcalina;

en donde el uno o más potenciadores del endurecimiento se seleccionan del grupo que consiste en escoria granulada de alto horno molida, cenizas volantes de clase C, aluminosilicato de calcio vítreo, polvo de horno, aluminosilicatos puzolánicos ricos en CaO, y combinaciones de los mismos;

en donde el uno o más agentes espumantes comprenden polvo de aluminio o un agente espumante basado en peróxido;

en donde el aglutinante compuesto es un aglutinante sin cemento Portland;

en donde una cantidad del uno o más materiales de cenizas volantes de Clase F es de 1 a 50 % en peso de la pasta de GCCC, una cantidad del uno o más potenciadores de la gelificación es de 1 a 50 % en peso de la pasta de GCCC, y una cantidad del uno o más potenciadores del endurecimiento es de 1 a 50 % en peso de la pasta de GCCC; y en donde el producto de GCCc tiene una densidad aparente de 1200 kg/m3 a 1800 kg/m3 y una resistencia a la compresión a los 28 días de al menos 17 MPa o 2500 psi.

13. El método de la reivindicación 12,

en donde una cantidad del uno o más hidróxidos metálicos, como óxidos de metales alcalinos, es de 2 a 12 % en peso de la pasta de GCCC;

en donde una cantidad del uno o más silicatos metálicos, como sílice soluble, es de 2 a 15 % en peso de la pasta de GCCC; y

en donde una relación en masa de agua a componentes sólidos en la pasta de GCCC varía de 0,20 a 0,55.

14. El método de la reivindicación 13,

en donde la etapa (b) comprende mezclar la mezcla de componentes aglutinantes compuestos con uno o más miembros del grupo que consiste en un retardador del fraguado, un acelerador, un árido, una carga ultrafina y/o submicrométrica, y un material de fibra;

en donde el retardador del fraguado asciende a 5 % en peso o menos de la pasta de GCCC y se selecciona del grupo que consiste en metafosfato de sodio, ácido fosfórico, bórax, ácido bórico, citratos alcalinos, hidróxido de bario, nitrato de bario, cloruro de bario, nitrato de cinc y yeso;

en donde el acelerador asciende a 5 % en peso o menos de la pasta de GCCC y se selecciona del grupo que consiste en sulfato de sodio, oxalato de sodio, fluoruro de sodio;

en donde el árido comprende arena de río que es 60 % en peso o menos de la pasta de GCCC o un árido ligero que es 40 % en peso o menos de la pasta de GCCC; en donde el uno o más áridos ligeros comprenden uno o más áridos ligeros finos o gruesos que comprenden escoria expandida, pizarra expandida, lutita expandida, arcilla expandida, perlita expandida, piedra pómez, escoria, o cenizas volantes granuladas expandidas;

en donde cada uno de los áridos ligeros tiene una densidad de 50 kg/m3 a 1000 kg/m3;

en donde la carga ultrafina y/o submicrométrica tiene un tamaño de partícula que varía de 0,05 a 10 |jm, y asciende a 12 % en peso o menos de la pasta de GCCC; y

en donde el material de fibra asciende a 5 % en peso o menos de la pasta de GCCC y se selecciona del grupo que consiste en fibra orgánica, fibra de vidrio, fibra mineral, fibra de basalto y fibra de carbono.