ES2885865T3

ES2885865T3 - Composición para material de construcción a base de metacaolín, procedimiento de fabricación asociado y uso para la realización de elementos de construcción

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Publication number: ES2885865T3
Application number: ES16717425T
Authority: ES
Inventors: David Hoffmann
Original assignee: Hoffmann Green Cement Technologies SA
Current assignee: Hoffmann Green Cement Technologies SA
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: US20180111878A1; EP3274315B1; WO2016156722A1; EP3274315A1; CN107646025A; PT3274315T; FR3034094B1; US10544060B2; EP3936487A1; CN107646025B; FR3034094A1; HK1249892A1

Abstract

Composición para un material de construcción que comprende una matriz que contiene predominantemente un compuesto a base de un metacaolín y una solución de activación alcalina, caracterizada porque contiene una proporción en masa de cemento o clínker inferior al 10%, porque el metacaolín es un metacaolín "flash" obtenido por calcinación instantánea de una arcilla en polvo a una temperatura comprendida entre 600 y 900 °C durante unos segundos, seguida de un enfriamiento rápido, y porque la solución de activación alcalina comprende una fuente de silicato de sodio o de potasio (según la nomenclatura del cemento que contiene SiO2 y M2O), y una base alcalina, tal como NaOH y/o KOH, (denominada M2O según la nomenclatura del cemento, pudiendo M representar sodio o potasio), en donde las proporciones relativas de la solución de activación y de la matriz son tales que la suma total en moles de SiO2 + M2O de la solución de activación esté comprendida entre 3,5 y 5,5 mol/kg de matriz y en donde la solución de activación alcalina presenta una relación molar global SiO2/M2O comprendida entre 1,25 y 1,65.

Description

DESCRIPCIÓN

Composición para material de construcción a base de metacaolín, procedimiento de fabricación asociado y uso para la realización de elementos de construcción

La presente invención se refiere al campo de los materiales de construcción, y más particularmente se refiere a nuevas composiciones para materiales de construcción, sus procedimientos asociados y sus usos para la realización en particular de elementos o módulos de construcción.

Estado de la técnica

El cemento, como el cemento Portland, es un material muy utilizado en la industria de la construcción. Sin embargo, este cemento, aunque eficiente, requiere, para su fabricación, por un lado, el consumo de muchos recursos y, por otro lado, produce una cantidad no despreciable de contaminantes responsables, entre otras cosas, del calentamiento global y la lluvia ácida. Por último, su vida útil, aunque larga, está limitada por las múltiples degradaciones, en particular ligadas a la contaminación atmosférica, que puede sufrir a lo largo del tiempo. Todas estas características significan que el cemento Portland es cada vez menos parte de un enfoque de desarrollo sostenible.

Existen alternativas a los materiales de construcción convencionales, pero solo cumplen parcialmente los requisitos de rendimiento necesarios, además, su elevado coste económico a menudo resulta ser un límite para un uso generalizado.

Por ejemplo, los geopolímeros fueron inventados a finales de los años '70 por el profesor Davidovits. Sus propiedades en términos de durabilidad, rendimiento mecánico y sostenibilidad han puesto recientemente a estos aglutinantes de nueva generación en el centro de atención.

Un geopolímero se forma a partir de una matriz mineral compuesta de sílice y alúmina que presenta sitios de reacción en los que reaccionan agentes reticulantes contenidos en una llamada solución de activación, generalmente alcalina. Esta reacción produce un gel a base de poli(silico-oxo-aluminato) que recubre los agregados y se endurece a medida que avanza la reacción, hasta obtener un bloque monolítico compuesto por un “vidrio” en el que se incluyen los agregados. Sin embargo, los procedimientos para producir estos geopolímeros son poco adaptables industrialmente y/o utilizan productos costosos. Las reacciones se llevan a cabo generalmente con calentamiento de los componentes.

En la patente EP 2061732 B1 de J. Davidovits, se describe un ejemplo de fabricación a temperatura ambiente de cemento geopolimérico a base de cenizas volantes silico-aluminosas (denominadas de clase F). Sin embargo, el material de base, las cenizas volantes silico-aluminosas (denominadas de clase F), de las centrales térmicas de carbón, es un material poco disponible en Francia.

En otra solicitud de patente más reciente FR 2966823 del mismo inventor, se describe un procedimiento de fabricación de un aglutinante o cemento geopolimérico que comprende una primera etapa de tratamiento de elementos geológicos ricos en óxidos de hierro y en ferrocaolinita a una temperatura de 600 a 850 °C durante varias horas, en el curso de la cual la ferro-caolinita se convierte en ferro-metacaolín, luego en una segunda etapa para hacerlas reaccionar con un medio de reacción de tipo Ca-geopolimérico a temperatura ambiente o por debajo de 85 °C. Los ejemplos de este documento indican que el precursor geopolimérico aquí, ferro-metacaolín, se prepara durante un tratamiento térmico prolongado (calcinación a 750 °C durante 3 horas, seguido de trituración) y, por lo tanto, consume mucha energía.

Además, el documento US 2012/0192765 A1 presenta formulaciones de geopolímeros a base de un metacaolín M1200S producido según el procedimiento AGS de horno instantáneo. Este documento describe en particular un cemento geopolimérico que comprende (a) un metacaolín o una mezcla de un metacaolín y una solución de aluminosilicato no activado térmicamente, y (b) una solución de activación de silicato alcalino. Las características de calcinación se indican en la patente como una cámara de temperatura de 900 a 1000 °C que lleva el caolín a 750 a 850 °C durante un tiempo muy corto (no se indica específicamente en este texto).

Este metacaolín M1200S presenta una gran reactividad pero su modo de calcinación instantánea produce un metacaolín muy fino (el párrafo [0024] indica una D50 entre 1 y 2 pm) que presenta en particular una demanda muy alta de agua (1650 g/kg en cono de Marsh, según la ficha técnica). Por lo tanto, la cantidad necesaria de solución de activación es notoriamente alta: en particular, una relación (M²O SiO²)/matriz de 11,3 mol/kg (para la formulación “ex1”) y de 10,6 mol/kg con un alto uso de superplastificante (para la formulación “ex14”) (véanse las tablas comparativas a continuación).

Sin embargo, la solución de activación, que contiene hidróxido de sodio y silicato de sodio, representa una proporción significativa del costo económico y del impacto medioambiental. Así, la producción de una tonelada de hidróxido de sodio requiere más de 20 MJ de energía y 1,3 T eq de CO²de impacto de carbono responsable del calentamiento global. Además, el hidróxido de sodio representa, debido a su alta corrosividad, el componente más peligroso en las formulaciones de geopolímeros. Finalmente, la solución de activación, en virtud de su contenido en elementos salinos, es responsable de los efectos de eflorescencia observados sobre los geopolímeros. Por lo tanto, conviene limitar al mínimo las cantidades de soluciones de activación en las formulaciones.

La presente invención tiene como objetivo superar los inconvenientes de la técnica anterior proponiendo una composición para material de construcción a partir de materiales fácilmente disponibles y reactivos, y de bajo impacto ecológico: en particular, no requieren un tratamiento térmico prolongado y costoso.

Otro objeto de la invención es proponer una composición para material de construcción con una cantidad reducida, o incluso en ausencia de cemento o clínker, que se pueda utilizar para realizar diversos módulos o elementos de construcción, mediante moldeo o extrusión.

Otro objeto de la invención es proponer una composición para material de construcción que pueda usarse en un procedimiento de fabricación de módulos o elementos de construcción mezclados con arcilla cruda, sin requerir cocción.

Descripción de la invención

Para ello, la presente invención propone una composición para material de construcción que comprende una matriz que contiene principalmente un compuesto a base de metacaolín, y una solución de activación alcalina, esta composición se caracteriza porque contiene una proporción másica de cemento o clínker inferior al 10%, preferiblemente inferior al 5%, más preferiblemente, inferior al 1% en peso, y porque el metacaolín es un metacaolín “flash” (es decir, obtenido por calcinación instantánea de una arcilla en polvo a una temperatura comprendida entre 600 y 900 °C durante unos segundos, seguido de un enfriamiento rápido), y porque la solución de activación alcalina comprende una fuente de silicato de sodio o potasio (según la nomenclatura del cemento que contiene SiO²y M²O), y una base alcalina, como NaOH y/o KOH, (denominada M²O según la nomenclatura del cemento, pudiendo M representar sodio o potasio), en donde las proporciones relativas de la solución de activación y de matriz son tales que la suma total en moles de SO ²+ M²O de la solución de activación esté comprendida entre 3,5 y 5,5 mol/kg de matriz y en la que la solución de activación alcalina presente una relación molar global de SO ²/M²O comprendida entre 1,25 y 1,65.

El metacaolín instantáneo (también llamado metacaolín flash) se obtiene mediante la calcinación instantánea de una arcilla en polvo a una temperatura comprendida entre 600 y 900 °C durante unos segundos, seguida de un enfriamiento rápido, a diferencia del “metacaolín convencional” que se obtiene por calcinación en un horno rotativo durante al menos 5 horas. Su fabricación requiere mucha menos energía, es un procedimiento de baja emisión de CO²y es menos complejo que el del metacaolín convencional, ya que el período de calentamiento dura solo unos segundos y no es necesaria una molienda posterior. Además, la preparación de la arcilla antes del tratamiento térmico es mínima. Por lo tanto, su impacto medioambiental es menor y su coste es menos elevado.

Resulta que este metacaolín flash es muy reactivo. Los inventores han observado que la demanda de agua (inferior a 600 g/kg medidos con un cono de Marsh) y de reactivos activadores es mucho menor cuando se usa metacaolín flash, del orden de al menos el 50% en reactivo activador en comparación con los metacaolines convencionales (véase la tabla comparativa N° 2 a continuación).

El metacaolín flash se ha utilizado hasta ahora como aditivo en composiciones cementosas en proporciones menores en masa (inferiores al 20%) con cemento Portland, por ejemplo.

Los inventores han descubierto sorprendentemente que tal metacaolín flash puede reaccionar a temperatura ambiente (inferior a 30 °C) con la solución de activación alcalina, dando materiales con propiedades interesantes, como la que se describe a continuación.

La solución de activación alcalina comprende ventajosamente una fuente de silicato de sodio o potasio (según la nomenclatura del cemento contiene SO ²y M²O), y una base alcalina, como NaOH y/o KOH (según la nomenclatura del cemento de fórmula M²O, en donde M puede representar sodio o potasio).

Según la presente invención, la solución de activación alcalina presenta una relación molar global comprendida entre 1,25 y 1,65. Las soluciones de activación utilizadas en la geopolimerización se definen generalmente por su relación sílice/álcali.

Cuando la presente invención se lleva a cabo con soluciones de activación con relaciones molares sílice/álcali (indicadas SO ²/M²O) comprendidas entre 1,25 y 1,65, se observa una menor propensión al fenómeno de eflorescencia que con las formulaciones con la relación molar inferior a 1,2, o incluso inferior a 1, de los geopolímeros de la técnica anterior. Esta es aquí una ventaja técnica importante. Además, las soluciones de alta proporción son más estables y fáciles de usar.

Según una variante ventajosa de la invención, la base alcalina de la solución de activación alcalina es una solución acuosa de hidróxido de sodio NaOH. Los ejemplos mencionados más adelante en la descripción muestran que no es necesario utilizar una solución de hidróxido de sodio muy concentrada.

En la composición según la invención, la matriz puede comprender, mezclado con el metacaolín instantáneo, un metacaolín no instantáneo, uno o más materiales minerales pulverulentos (es decir, con una granulometría ventajosamente inferior a 200 pm) que se pueden seleccionar de escoria de alto horno, cenizas volantes de clase F, chatarra de fabricación de chamota y/o de metacaolín, wollastonita, polvo de terracota, resultantes, en particular, de chatarra de fabricación de ladrillos, polvos minerales con actividad puzolánica, polvo de vidrio reciclado, vidrio de desecho, cenizas volantes de clase C o cal apagada.

En cuanto a las concentraciones másicas de los materiales pulverulentos mezclados con al menos un 20% de metacaolín en dicha matriz, estas concentraciones son ventajosamente las siguientes:

- inferiores o iguales al 80%, preferiblemente inferiores al 60% y más preferiblemente inferiores al 50% para escoria de alto horno, cenizas volantes de clase F, residuos de la fabricación de chamota y/o de metacaolín, wollastonita y polvo de terracota,

- inferiores o iguales al 40%, preferiblemente inferiores al 25% para polvos minerales que presenten actividad puzolánica, polvo de vidrio reciclado, vidrio de desecho o cenizas volantes de clase C,

- e inferiores o iguales al 15%, preferiblemente inferiores al 10%, más preferiblemente inferiores o iguales al 5% para la cal apagada.

Según una realización ventajosa de la composición de la invención, la matriz comprende metacaolín instantáneo y escoria de alto horno en una concentración másica de escoria inferior o igual al 30% del peso total de la matriz. Preferiblemente, las proporciones relativas de la solución de activación y de la matriz son tales que la suma total en moles de SiO²+ M²O de la solución de activación está comprendida entre 4,5 y 5,5 mol/kg de matriz, preferiblemente entre 4,5 y 5,3 mol/kg de matriz.

La solución de activación puede ser una solución de activación lista para usar, como la solución de activación de la categoría GEOSIL (comercializada por la empresa WOELLNER). La ventaja es una simplificación de la implementación, ya que la solución de activación ya no necesita prepararse en el sitio.

La composición según la invención también puede contener uno o más adyuvantes, tales como un superplastificante (por ejemplo, de tipo poliacrilato o lignosulfonato), un agente hidrófugo (por ejemplo, carboxilatos pesados de calcio, o a base de silicona), un agente retenedor de agua o un agente antiencogimiento. Por adyuvante se entiende una adición, en particular de naturaleza orgánica, con el fin de modificar determinadas propiedades de base, en proporciones inferiores al 5% en peso de la composición. La composición puede comprender, además, colorantes o pigmentos.

La composición de acuerdo con la invención también puede contener uno o más aditivos minerales en polvo, seleccionados de caolín, arcilla cruda en polvo, óxido de zinc, yeso, cemento aluminoso fundido, dióxido de titanio, un aglutinante etringítico, un fluorosilicato como el hexafluorosilicato de sodio, con vistas a modificar ciertas propiedades de base, en una concentración preferiblemente inferior a 20 partes en peso, más preferiblemente entre 0,5 y 10 partes en peso, por 100 partes en peso de la matriz.

La arcilla cruda en polvo puede comprender principalmente caolinita o montmorillonita.

La presente invención también se refiere a diversos procedimientos para fabricar un material de construcción a partir de la composición de base descrita con anterioridad. Más particularmente:

un procedimiento de realización de un material de construcción que comprende la mezcla de dicha composición con: i. agregados seleccionados de rellenos, polvos, arena, gravilla, grava y/o fibras, y opcionalmente pigmentos; o ii. arcilla cruda, preferiblemente en proporciones de hasta el 70% en peso, más preferiblemente hasta el 60% en peso del material, y extrusión en frío o moldeo en frío de dicha mezcla; o

iii. fibras de origen vegetal, tales como aserrín, virutas y fibras de madera, paja, semillas de cáñamo, lino, corcho o perlita; o

iv. un agente de expansión o espumante, tal como polvo de aluminio.

La presente descripción también describe varios procedimientos para fabricar un material de construcción a partir de la composición de base descrita con anterioridad. Más particularmente:

- un procedimiento para producir un material de construcción que comprende la mezcla de dicha composición con arcilla cruda, preferiblemente en proporciones que pueden variar hasta el 70% en peso, más preferiblemente hasta el 60% en peso del material, y extrusión en frío o moldeo en frío de dicha mezcla; la obtención del material se efectúa sin cocción, a diferencia de los materiales convencionales a base de arcilla cruda que requieren cocción a una temperatura del orden de 900 a 1100 °C,

- un procedimiento de fabricación de un material de construcción que comprende la mezcla de dicha composición con “agregados” o fibras de origen vegetal, tales como aserrín, astillas y fibras de madera, paja, semilla de cáñamo, lino, corcho o perlita;

- un procedimiento para fabricar un material de construcción expandido que comprende la mezcla de dicha composición con un agente de expansión o espumante, tal como polvo de aluminio, ventajosamente en presencia de un agente estabilizante.

Todos estos procedimientos se pueden implementar a temperaturas comprendidas entre 0 °C y 30 °C aproximadamente, sin requerir tratamiento térmico.

Más específicamente, la matriz, hecha de los componentes presentados con anterioridad, se mezcla con la solución de activación, preparada ella misma de acuerdo con la fórmula indicada. La combinación de los dos constituye entonces la composición según la invención, que se presenta en forma de un líquido espeso, que luego se mezcla con uno o más compuestos neutros como agregados o fibras, de los que constituirá el aglutinante. Los aditivos o coadyuvantes, añadidos a la mezcla, permiten conferirle determinadas propiedades específicas adicionales. Este aglutinante, que se asemeja a una resina, permite, después de la reacción, formar con los “agregados” y los “aditivos” un conjunto monolítico coherente que presenta nuevas propiedades en comparación con los materiales del estado de la técnica, en particular un tiempo de fraguado breve, una contracción dimensional muy baja, un aspecto de superficie brillante.

La presente invención también se refiere a los múltiples usos posibles de dicha composición según la invención o de los procedimientos descritos con anterioridad, y en particular:

el uso de dicha composición o de dicho procedimiento para:

i. la producción de elementos de revestimiento, en particular revestimientos de pisos, como baldosas, losas, adoquines o cenefas, revestimientos de paredes, tales como elementos de fachada interiores o exteriores, placas de revestimiento, elementos de revestimiento o revestimientos de techos de tipo tejas, para la producción de módulos de construcción extrudidos o moldeados, tales como ladrillos, o para la producción de diversas formas extrudidas; o

ii. la producción de materiales compuestos, tales como paneles de construcción de tipo paneles prefabricados, de bloques prefabricados tales como dinteles de puerta o ventana, elementos de paredes prefabricados o cualquier otro elemento de construcción prefabricado; o

iii. la producción de módulos de aislamiento, tales como paneles divisorios, o módulos de construcción aislantes ligeros (con una densidad inferior a 1,5 kg/L, preferiblemente inferior a 1,2 kg/L, preferiblemente incluso inferior a 1,0 kg/L, más preferiblemente inferior a 0,7 kg/L); o

iv. la producción mediante fabricación aditiva, tal como, por ejemplo, mediante una impresora 3D, elementos de construcción, edificios o casas u objetos decorativos; o

v. la producción en forma de un sistema de dos componentes, por un lado, con los constituyentes en forma sólida y, por otro lado, los constituyentes en forma líquida, o los constituyentes en forma de dos pastas, para la producción de masilla, cola o mortero de sellado.

La presente descripción también describe los múltiples usos posibles de dicha composición según la invención o de los procedimientos descritos con anterioridad, y en particular:

- el uso de dicha composición o de dicho procedimiento para la producción de materiales compuestos, tales como paneles de construcción de tipo paneles prefabricados, de bloques prefabricados como dinteles de puerta o de ventana, elementos de pared prefabricados, o cualquier otro elemento de construcción prefabricado;

- el uso de dicha composición con un agente de expansión o espumante para la producción de módulos de aislamiento, tales como paneles divisorios, o módulos de construcción aislantes ligeros (con una densidad inferior a 1,5 kg/L, de preferencia inferior a 1,2 kg/L, más preferiblemente inferior a 1,0 kg/L, más preferiblemente inferior a 0,7 kg/L);

- el uso de dicha composición para la producción por fabricación aditiva, tal como mediante una impresora 3D, elementos de construcción, edificios o casas, u objetos decorativos; o también

- el uso de dicha composición en forma de un sistema de dos componentes, por un lado, con los constituyentes en forma sólida y, por otro lado, los constituyentes en forma líquida, o los constituyentes en forma de dos pastas, para producir masilla, pegamento o mortero de sellado, por ejemplo, para inyección desde un dispositivo de tipo pistola de cartuchos que contiene cada uno una parte de los componentes de la composición final.

Estos dos últimos usos son muy difíciles de implementar a partir de composiciones a base de cemento debido a la reacción de hidratación de este material tan pronto como se mezcla con el agua, requiriendo sincronización entre la adición de agua, la mezcla y el depósito de la pasta.

La presente invención se describirá ahora con más detalle y se ilustrará mediante los siguientes ejemplos no limitantes.

Ejemplos

En los ejemplos, las abreviaturas de la Tabla 1 se utilizan para la composición de la matriz:

Tabla 1

El metacaolín forma la base a partir de la cual se establece la formulación. Existen varios tipos de metacaolín en el mercado. La Tabla 2 a continuación muestra algunos metacaolines típicos.

Tabla 2

La chamota FX es un subproducto de fabricación, se trata de polvos emitidos durante la fabricación de metacaolín o chamota en un horno rotativo. Estos polvos son capturados por un sistema de filtración y empaquetados. Como “cuasi residuos”, tienen un impacto medioambiental muy bajo y un coste económico competitivo.

Los dos metacaolines Argeco se producen según el procedimiento, de la empresa Argeco Développement, del procedimiento instantáneo descrito con anterioridad. Producidos a partir de una arcilla impura mediante un procedimiento de bajo consumo energético, su impacto medioambiental y sus costes son reducidos.

Los metacaolines Metastar 501 y Argical M1000 se producen a partir de una caolinita muy pura según el procedimiento convencional de calcinación con bolas en un horno rotativo y trituración. Son mucho más caros que los productos anteriores.

Finalmente, Argical M1200S se produce a partir de una caolinita muy pura, secada y molida, en un llamado horno flash según el procedimiento de Imerys. Este procedimiento es diferente del procedimiento de Argeco y no incluye una etapa de enfriamiento rápido (de tipo de temple). El producto final es muy caro debido a su pureza y al procedimiento de fabricación. Sin embargo, la reactividad a la cal es muy alta.

La Tabla 3 a continuación muestra los resultados de las pruebas de reactividad de los diferentes tipos de metacaolín. Esta prueba se lleva a cabo según un protocolo simple: a una cantidad determinada de metacaolín se le añade una cantidad suficiente de solución de activación (silicato de sodio de tipo N e hidróxido de sodio al 32%, con una relación molar SiO²/Na²O de 1,15) y luego una determinada cantidad de agregados finos (arena y relleno). El mortero obtenido debe ser suficientemente líquido y no existe una optimización granular que distinga claramente el rendimiento del metacaolín.

Tabla 3

La Tabla 3 muestra que el metacaolín de tipo MKF N (Argicem) presenta los mejores rendimientos mecánicos para una cantidad de solución de activación inferior.

La granulometría y la demanda de agua particular de los metacaolines Argical M1200S y Metastar 501 tienen por consecuencia requerir una cantidad muy grande de catalizador (es decir, solución de activación alcalina). Para una cantidad equivalente de catalizador, la reología asociada con el uso de M1200S requiere agregar una gran cantidad de agua en relación con MKF N, que diluye el catalizador e inhibe completamente la reacción.

La solución de activación representa una parte no despreciable del precio y del impacto ambiental, las formulaciones a base de metacaolín MKF N y CFX presentan, por lo tanto, costes e impactos ambientales más bajos.

Las formulaciones de los ejemplos siguientes se basan principalmente en MKF N de Argeco y CFX de Imerys.

El metacaolín “flash” utilizado MKF N de la marca ARGICEM® de la empresa Argeco Développement es un producto que presenta una superficie específica BET elevada (entre 5 y 16 m2/g (NF ISO 9277). Su granulometría media es D50 = 20-30 |jm según norma NF P 18-513 y presenta una baja demanda de agua comprendida entre 300 y 500 g/kg (medida según el método del cono de Marsh).

En todos los ejemplos siguientes, el silicato alcalino y la base alcalina están en solución acuosa, sus concentraciones se expresan en % en masa en esta solución. La mayoría de las veces no es necesaria la adición de agua distinta del agua de estas soluciones que constituyen la solución de activación. Por tanto, la cantidad de agua es lo más reducida posible. La relación másica de agua E a materias secas totales MSR de la composición aglutinante (en lo sucesivo denominada “resina” o aglutinante) es preferiblemente inferior a 1, pero variable dependiendo del tipo de matriz. Por ejemplo, E/MSR es ventajosamente inferior a 0,6 para una matriz que consiste en metacaolín instantáneo solo, y una relación E/MSR cercana a 0,8 para una matriz que contiene una mezcla de metacaolín instantáneo y metacaolín no instantáneo.

Ejemplo 1:

La Tabla 4 a continuación muestra varias composiciones según la invención FR01-FR09 y FR11 (el ejemplo FR10 es comparativo), con indicación de la relación molar S O ²/M²O de la solución de activación e indicación de la relación X/M en mol/kg (suma total en moles de SO ²+ M²O de la solución de activación por kg de matriz).

Los rendimientos mecánicos, obtenidos después de mezclar la composición aglutinante (aquí llamada “resina” o aglutinante) con los agregados, luego moldeo y tiempo de maduración a una temperatura de 20 °C se dan en términos de resistencia a la compresión para un cilindro de 40 mm de diámetro por 80 mm de altura. A diferencia de las fórmulas que se dan más adelante en las aplicaciones, los agregados utilizados en estas fórmulas solo tienen un papel de relleno neutro y, por lo tanto, su apilamiento no se optimizó.

Tempo 12 es un agente reductor de agua comercializado por la empresa Sika, de tipo poliacrilato. La arena fina es arena fina de Fontainebleau con una granulometría inferior o igual a 1 mm, el polvo fino de piedra caliza tiene una granulometría inferior a 200 pm.

En este ejemplo, el fraguado (fraguado < 24 h) se estimó visualmente.

Ejemplo 2:

La Tabla 5 a continuación muestra las formulaciones FR-N1 y FR-N2 que exhiben rendimientos menores que las del Ejemplo 1. Se encontró que la composición de resina f R_N1 es muy alcalina y produce eflorescencias, y la composición FR-N2 con una relación X/M superior a 2 presenta una resistencia mecánica baja (Rc a los 28 días < 5 MPa). Este ejemplo muestra la importancia de las relaciones preferidas SO ²/M²O y X/M para mejorar las propiedades de los materiales preparados a partir de la composición según la invención y sus rendimientos.

Tabla 5

Los siguientes ejemplos muestran varias aplicaciones (no limitantes) usando la composición de base según la presente invención.

Ejemplo 3: bloques de construcción

Para producir elementos de construcción tales como, por ejemplo, bloques de hormigón, cantos u otros elementos prefabricados, la composición según la invención se mezcla con agregados de tipo relleno, arenas, virutas y gravas en forma óptima respetando las reglas de formulación típicas para obtener una pila granular con la máxima compacidad.

En la Tabla 6, a continuación se muestran dos formulaciones típicas de mortero (HP2A-B1 y HP2A-B2 fabricadas con arena estandarizada (ISO 679: 2003, según norma EN 196-1), así como una comparación con un mortero a base de cemento Portland (columna izquierda). Se indican los rendimientos mecánicos y los impactos ambientales.

Tabla 6

En los parámetros de impacto ambiental de esta tabla, los significados son: PM materias primas; ADP: potencial de agotamiento abiótico; Sb: antimonio; Toxicidad humana kg DCB eq: toxicidad para los seres humanos expresada en equivalente de diclorobenceno.

Los valores de impacto se calculan aquí utilizando en particular datos de ADEME, la EPA estadounidense, los análisis del ciclo de vida de los proveedores y la Portland Cement Association. No obstante, cierto número de puntos han penalizado la tecnología de la presente invención en los cálculos de esta tabla: no se ha contado el impacto del agua para la fórmula a base de cemento, el método de cálculo por tonelada de hormigón producido favorece la formulación de cemento debido a la adición de agua y los datos de impacto para el reactivo de silicato de sodio datan de antes de 2000 para una planta sin tratamiento de gases de combustión. En la actualidad, en Europa Occidental, las plantas de producción de silicato de sodio se han adaptado a las normas y, sin duda, tienen un impacto mucho menor en el medio ambiente. A pesar de estas penalizaciones, se observa que el impacto medioambiental de un material producido según la invención es mucho menor que el de un material convencional y en particular en términos de CO².

Ejemplo 4:

En este ejemplo, se presentan diferentes formulaciones (HP2A-P01 a HP2A-P08) para producir 1 kg de hormigón según la invención con el fin de crear en particular elementos de construcción de tipo bloque de hormigón utilizando una prensa, o cualquier otra aplicación utilizando una pasta de tipo hormigón. Los rendimientos mecánicos también se indican en la Tabla 7 agrupando estas formulaciones.

LGS 50 es una solución de la marca TEMBEC de lignosulfonato de sodio al 50%.

Entre los rellenos ensayados, la arcilla cruda en polvo (no calcinada), el polvo de piedra caliza o el polvo de roca (pórfido) tienen una granulometría inferior a 200 |jm.

Para las arenas, se utilizaron diferentes colores y granulometrías (fina o media, expresadas en mm).

Además, se ha encontrado, sorprendentemente, que la adición de caolinita o montmorillonita, en una pequeña cantidad con respecto a la matriz, por ejemplo, unas pocas partes (menos de 10 partes) en peso por 100 partes en peso de matriz, en forma de polvo (granulometría inferior a 200 jm ), contribuye en particular a un fuerte aumento de los rendimientos mecánicos. Este es el caso en particular de la resistencia a la compresión que alcanza o supera los 30 MPa a los 5 días y supera los 40 MPa a los 28 días en las composiciones HP2A-P12 y HP2A-P13 (en comparación, respectivamente, con 24 MPa a los 5 días y de 35 MPa a los 28 días para una formulación sin estos aditivos: HP2A-Pl1). Los resultados se recopilan en la Tabla 8.

Tabla 8

Ejemplo 5: fabricación de formas moldeadas

Gracias a su escasa contracción dimensional, la composición según la invención permite realizar molduras muy precisas de todas las formas, posibilitando en particular la fabricación de baldosas de gran formato, baldosas moldeadas o diversas formas decorativas moldeadas. Si aumenta la velocidad de fraguado, la presencia de escoria de alto horno aumenta la contracción dimensional. Este parámetro debe tenerse en cuenta ante la posible utilización de fórmulas que contengan más del 30% de escoria.

El tratamiento de la superficie de los productos obtenidos se puede realizar después del fraguado para obtener, por ejemplo, un efecto hidrófugo o bien aumentar la dureza de los mismos. Asimismo, el color se puede modificar añadiendo pigmentos adecuados. La Tabla 9 a continuación brinda dos ejemplos de formulaciones (HP2A-M01 y HP2A-M02) que se pueden utilizar para aplicaciones de este tipo con los resultados obtenidos en términos de color, dureza de Mohs, efecto perlado y rendimientos mecánicos.

La abreviatura “Pieri H 2000” corresponde al agente hidrófugo de superficie de la marca Grace, Pieri Hydroxi 2000, que brinda excelentes resultados. Para los colores, se pueden utilizar todo tipo de pigmentos minerales: óxidos de hierro, ocres, etc.

Tabla 9

Ejemplo 6: fabricación de elementos extrudidos

La composición según la invención, debido a su compatibilidad con arcillas crudas, permite realizar formas por extrusión en frío. Se debe tener en cuenta la velocidad de fraguado muy rápida a la hora de realizar el procedimiento, especialmente en presencia de componentes aceleradores. Son posibles tanto formas sólidas como huecas, teniendo la pasta por extrudir un comportamiento muy similar a las pastas de arcilla cruda convencionales.

En cuanto a las otras aplicaciones, se pueden añadir pigmentos u otros coadyuvantes para obtener un efecto particular. Además, después del endurecimiento, los productos también pueden someterse a un tratamiento de superficie. La Tabla 10 brinda dos ejemplos de formulaciones (HP2A-X01 y HP2A-X02) aplicables en extrusión, así como los rendimientos mecánicos obtenidos.

Los porcentajes son porcentajes en peso.

Tabla 10

Ejemplo 7: fabricación de bloques expandidos

El procedimiento según la presente invención permite la producción de bloques expandidos añadiendo a la pasta un reactivo tal como polvo de aluminio, un agente espumante y un estabilizador de espuma. El polvo de aluminio se introduce justo antes del final de la mezcla. La ventaja de partir de una composición según la invención está relacionada en particular con la velocidad de fraguado que permite evitar la formación de vapor.

La Tabla 11 brinda tres ejemplos de formulaciones (HP2A-SP01 a HP2A-SP03) con los resultados obtenidos en particular los rendimientos mecánicos y la densidad del producto terminado (antes y después de la maduración). La formulación HP2A-SP03 (columna izquierda) incluye además aserrín (medio: aproximadamente 1-5 mm), lo que permite obtener un material compuesto que contiene “agregados” vegetales.

Tabla 11

Ejemplo 8: aplicación de adhesivos y selladores

La composición de acuerdo con la invención se puede implementar en forma de una formulación de dos componentes para mezclar durante el uso: dos ejemplos (HP2A-COL01 y HP2A-COL02) se brindan en la Tabla 12, con diferentes componentes A y B, así como ejemplos Hp2a -COL03 y HP2A-COL04 en la Tabla 13.

Las aplicaciones de adhesivos, masillas y morteros de sellado son así muy posibles, con una implementación muy práctica para el usuario, que comprende la reacción de mezcla de los dos componentes A y B en forma de pastas listas para usar.

Geosil SB es una solución de activación lista para usar comercializada por la empresa WOELLNER, que contiene el silicato alcalino y la base alcalina.

Piedra caliza: aquí hay un polvo fino de piedra caliza con una granulometría inferior a 200 pm o 315 pm.

Tabla 12

En los dos ejemplos de la Tabla 12, la relación general SO ²/M²O de la solución alcalina es 1,25 y la relación X/M es 5,1 mol/kg de matriz.

Otra formulación de adhesivo según la invención se presenta en la Tabla 13 a continuación a la derecha.

Tabla 13

El aditivo Sika® G-225 es un fluidificante de tipo policarboxilato.

El aditivo Tempo12 es un superplastificante a base de copolímero acrílico.

Tales “colas” 100% minerales presentan la ventaja de no inflamarse y de no contener compuestos orgánicos volátiles, en comparación con las colas que contienen productos y/o disolventes orgánicos. También son compatibles con otros elementos de construcción minerales y permiten llevar a cabo, por ejemplo, por inyección utilizando dos cartuchos que contienen, respectivamente, los componentes A y B, una operación de tipo reparación, de unión de elementos de construcción (sellado) o revestimiento de una superficie.

Ejemplo 9: composición con agregados ligeros

Los materiales de baja densidad como, por ejemplo, cáñamo, fibra de madera, arcilla expandida, puzolana o perlita son porosos. Esto muy a menudo da como resultado un problema de cohesión cuando se unen con un aglutinante hidráulico. De hecho, la migración de agua al interior del agregado reduce el rendimiento de la reacción de fraguado hidráulico, en particular en la interfaz entre el agregado y la fase aglutinante. Sin embargo, la reacción de geopolimerización no consume sino que produce agua. Por tanto, la migración de agua a los agregados no producirá esta falta de cohesión.

Las otras ventajas de los geopolímeros en esta aplicación son, en particular, las buenas propiedades adhesivas, la muy baja contracción al secarse, la inhibición del moho y la repelencia para roedores e insectos (debido a la alcalinidad y la presencia de carbonatos, así como capacidades ignífugas muy elevadas.

Por lo tanto, se probaron varias formulaciones, incluida las virutas de roble (cáñamo) o perlita. La Tabla 14 a continuación muestra algunos ejemplos.

Tabla 14

Por lo tanto, se observa que es posible obtener materiales compuestos que presenten buenos rendimientos con bajos volúmenes de aglutinante, inferiores a los que se practican habitualmente para los aglutinantes convencionales.

Para el material compuesto a base de perlita, la resistencia a la compresión es mayor que la de un bloque de hormigón de clase B80 (8 MPa) y es, en gran medida, suficiente para que el bloque se considere un portador. Por lo tanto, hay un margen de maniobra para insertar espacios vacíos hasta un 50% en un bloque fabricado según la fórmula PERL02. Se obtendría así un bloque portante, de la clase comprendida entre B40 y B60, con una densidad aparente de aproximadamente 400 kg/m3, es decir, más de 2 veces menor que la densidad aparente de un bloque de hormigón B40 (900 kg/m3).

Las densidades de los bloques de virutas de roble son muy satisfactorias, las fibras de virutas de roble son muy integrales con el conjunto y son resistentes al desgarro, incluso en ángulos. Su resistencia es suficiente para construir placas aislantes de gran tamaño para atornillar o pegar.

En resumen, las Tablas 15 y 16 a continuación reagrupan las diversas ventajas observadas por los inventores entre los materiales obtenidos por el procedimiento según la presente invención y respectivamente el procedimiento que utiliza cemento Portland (Tabla 15) y los procedimientos que utilizan terracota (Tabla 16).

Tabla 15

Tabla 16

Claims

REIVINDICACIONES

1. Composición para un material de construcción que comprende una matriz que contiene predominantemente un compuesto a base de un metacaolín y una solución de activación alcalina, caracterizada porque contiene una proporción en masa de cemento o clínker inferior al 10%, porque el metacaolín es un metacaolín “flash” obtenido por calcinación instantánea de una arcilla en polvo a una temperatura comprendida entre 600 y 900 °C durante unos segundos, seguida de un enfriamiento rápido, y porque la solución de activación alcalina comprende una fuente de silicato de sodio o de potasio (según la nomenclatura del cemento que contiene SiO²y M²O), y una base alcalina, tal como NaOH y/o KOH, (denominada M²O según la nomenclatura del cemento, pudiendo M representar sodio o potasio), en donde las proporciones relativas de la solución de activación y de la matriz son tales que la suma total en moles de SO ²+ M²O de la solución de activación esté comprendida entre 3,5 y 5,5 mol/kg de matriz y en donde la solución de activación alcalina presenta una relación molar global SO ²/M²O comprendida entre 1,25 y 1,65.

2. Composición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque contiene una proporción en peso de cemento o clínker inferior al 5%, preferentemente inferior al 1%.

3. Composición de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizada porque la base alcalina de la solución de activación alcalina es una solución acuosa de hidróxido de sodio NaOH.

4. Composición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la matriz comprende mezcla(s) con metacaolín instantáneo, un metacaolín no instantáneo, uno o más materiales minerales pulverulentos, es decir, de granulometría ventajosamente inferior a 200 micrones, seleccionados de escoria de alto horno, cenizas volantes de clase F, residuos de la fabricación de chamota y/o de metacaolín, wollastonita, polvo de terracota, resultantes, en particular, de residuos de la fabricación de ladrillos, polvos minerales con actividad puzolánica, vidrio reciclado en polvo, vidrio de desecho, cenizas volantes de clase C o cal apagada.

5. Composición de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada porque las concentraciones en masa de los materiales pulverulentos en dicha matriz, mezclados con al menos un 20% de metacaolín, son las siguientes:

6. Composición de acuerdo con la reivindicación 4 o la reivindicación 5, caracterizada porque la matriz comprende metacaolín instantáneo y escoria de alto horno en una concentración en masa de escoria inferior o igual al 30% del peso total de la matriz.

7. Composición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque las proporciones relativas de la solución de activación y de la matriz son tales que la suma total en moles de SO ²+ M²O de la solución de activación está comprendida entre 4,5 y 5,5 moles/kg de matriz, preferiblemente entre 4,5 y 5,3 mol/kg de matriz.

8. Composición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque contiene uno o más coadyuvantes, tales como un superplastificante, un agente ignífugo, un retenedor de agua o un agente antiencogimiento.

9. Composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque contiene uno o más aditivos minerales en polvo, seleccionados de caolín, arcilla cruda en polvo, óxido de zinc, yeso, cemento aluminoso fundido, dióxido de titanio, un aglutinante etringítico, un fluorosilicato tal como hexafluorosilicato de sodio, en una concentración de preferiblemente inferior a 20 partes en peso, más preferiblemente entre 0,5 y 10 partes en peso, por 100 partes en peso de la matriz.

10. Composición de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque la arcilla cruda en polvo comprende predominantemente caolinita o montmorillonita.

11. Procedimiento para fabricar un material de construcción que comprende la mezcla de la composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 con:

i. agregados seleccionados de rellenos, polvos, arena, gravilla, grava y/o fibras, y opcionalmente pigmentos; o

ii. arcilla cruda, preferiblemente en proporciones de hasta el 70% en peso, más preferiblemente hasta el 60% en peso del material, y extrusión en frío o moldeo en frío de dicha mezcla; o

iv. un agente de expansión o espumante, tal como polvo de aluminio.

12. Uso de la composición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 para:

i. la producción de elementos de revestimiento, en particular revestimientos de pisos, tales como baldosas, losas, adoquines o cenefas, revestimientos de paredes, tales como elementos de fachada interiores o exteriores, placas de revestimiento, elementos de revestimiento o revestimientos de techos del tipo tejas, para la producción de módulos de construcción extrudidos o moldeados, tales como ladrillos, o para la producción de diversas formas extrudidas; o ii. la producción de materiales compuestos, tales como paneles de construcción del tipo paneles prefabricados, de bloques prefabricados tales como dinteles de puerta o ventana, elementos de pared prefabricados o cualquier otro elemento de construcción prefabricado; o

iii. la producción de módulos de aislamiento, tales como paneles divisorios, o módulos de construcción de aislamiento ligero con una densidad de menos de 1,5 kg/L, preferiblemente menos de 1,2 kg/L, más preferiblemente de menos de 1,0 kg/L, más preferiblemente de menos de 0,7 kg/L; o

iv. la producción por fabricación aditiva tal como, por ejemplo, mediante una impresora 3D, de elementos de construcción, edificios o casas u objetos decorativos; o

v. producción en forma de un sistema de dos componentes, por un lado, con los constituyentes en forma sólida y, por otro lado, los constituyentes en forma líquida, o los constituyentes en forma de dos pastas, para la producción de masilla, cola o mortero de sellado.