ES2932011T3 - Nueva formulación para un aglutinante de construcción con bajo contenido en carbono, procedimiento de preparación y materiales de construcción - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una formulación para un aglutinante de construcción bajo en carbono que comprende, en forma deshidratada, una matriz de arcilla cruda y un agente defloculante. La invención también se refiere a un aglutinante de construcción, a un método para producir dicho aglutinante de construcción ya un material de construcción que comprende el aglutinante de construcción según la invención. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Nueva formulación para un aglutinante de construcción con bajo contenido en carbono, procedimiento de preparación y materiales de construcción
La invención se refiere al campo de los materiales de construcción, y más particularmente al de los aglutinantes utilizables en la construcción. La invención se refiere a una formulación para un aglutinante de construcción. La invención también se refiere a un procedimiento para preparar un aglutinante de construcción, el aglutinante de construcción como tal y la utilización de tal aglutinante en la producción de materiales de construcción.
[Técnica anterior]
El cemento es el segundo recurso más consumido en el mundo, con más de 4 mil millones de toneladas de materiales producidos cada año en el mundo y este consumo está en constante aumento impulsado por la creciente demanda de viviendas e infraestructuras. El cemento es un aglutinante generalmente hidráulico que, cuando se mezcla con agua, se endurece y solidifica. Después del endurecimiento, el cemento conserva su resistencia y estabilidad incluso cuando se expone al agua. Existe una gran variedad de cementos utilizados en el mundo. Sin embargo, todos los cementos convencionales contienen clínker en un porcentaje desde el 5 % para ciertos cementos de alto horno hasta un mínimo del 95 % para el cemento Portland, que es el cemento más utilizado en el mundo en la actualidad.
El clínker resulta de la cocción de una mezcla compuesta aproximadamente por un 80 % de piedra caliza y un 20 % de aluminosilicatos (como las arcillas). Esta cocción, clinkerización, se hace a una temperatura mayor que 1200 °C, por lo que un procedimiento de preparación de cemento de este tipo implica un elevado consumo energético. Además, la conversión química de piedra caliza en cal también libera dióxido de carbono. Como resultado, la industria del cemento genera aproximadamente el 8 % de las emisiones globales de CO2. Ante este desafío, la industria y los investigadores estudian las posibilidades de reducir el impacto de las emisiones de dióxido de carbono generadas por la industria del cemento.
Una primera solución condujo a la creación de una planta de cemento que operara a partir de una combinación de combustibles alternativos a base de residuos y tecnologías relacionadas con la captura y almacenamiento del carbono emitido durante la producción de cementos, para lograr el estado de cero emisiones. Sin embargo, estas soluciones aún no están disponibles a escala industrial y requieren una fuerte inversión.
La vía preferida se refiere a la investigación de sustitutos del cemento Portland, que consume demasiada energía. De hecho, el desarrollo de aglutinantes de construcción alternativos, que requieran un menor consumo de energía para su producción, permitiría reducir la huella energética de todo el sector de la construcción (Maddalena, et al, «Can Portland cement be replaced by low-carbon alternative materials? A study on the thermal properties and carbon emissions of innovative Cements», Journal of Cleaner Production 186; 2018; 933-942).
Por ejemplo, se ha propuesto un nuevo aglutinante hidráulico similar al cemento Portland, pero que comprende constituyentes secundarios como las cenizas formadas durante la combustión del carbón en las centrales eléctricas. No obstante, los constituyentes secundarios (cenizas, puzolanas, escorias de alto horno) representan generalmente como máximo el 35 % de la mezcla y este compuesto de cemento Portland comprende entonces al menos un 50 % de clínker. Este sigue siendo un contenido de clínker demasiado alto para constituir una alternativa real con bajo contenido en carbono al cemento Portland.
También se han propuesto aglutinantes hidráulicos o cementos a base de metacaolín. El metacaolín es un silicato de aluminio deshidroxilado con una composición general AbSi2O7, constituye un producto de deshidratación en gran parte amorfo de caolinita, con la fórmula general Al2(OH)4Si2O5 que presenta una fuerte actividad puzolánica. En general, la actividad puzolánica de un material se puede definir como la capacidad de un material, que no posee propiedades aglutinantes, pero que en forma finamente dividida y en presencia de humedad, reacciona químicamente con hidróxido de calcio a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades aglutinantes. Las arcillas caoliníticas están ampliamente disponibles en la corteza terrestre y el tratamiento térmico (p. ej., de 600 °C a 800 °C durante un tiempo corto llamado «flasheo») conduce a la deshidroxilación de la estructura cristalina de la caolinita para dar metacaolín. La mezcla de cal o hidróxido de sodio y metacaolín durante la hidratación del cemento inducirá una reacción puzolánica. Esta reacción mejora las propiedades aglutinantes de los cementos a base de metacaolín. Debido a estas propiedades, se han propuesto materiales de construcción a base de metacaolín que comprenden, especialmente, un metacaolín flasheado asociado con hidróxido de sodio, como se describe en el documento FR3034094 o US10315115. Las propiedades reológicas de estos aglutinantes de construcción pueden mejorarse especialmente añadiendo plastificantes o reductores de agua del tipo poliacrilato o lignosulfonato. Sin embargo, este tipo de procedimientos, que requieren elevados aumentos de temperatura, presentan un alto consumo energético y, por tanto, una huella de carbono que hay que mejorar.
Además, se ha propuesto la utilización de caolinita sin calcinar o, más ampliamente, de matriz de arcilla cruda para cementos con huellas de carbono más bajas (N. A. Hadi, «Geo Polymerization of Kaolin and Metakaolin Incorporating NaOH and High Calcium As!h», Earth Science Research, vol. 5, núm., 1; 2016). Sin embargo, estos cementos, tal y como se describe en el documento FR3016376, presentaron propiedades físicas, tales como mejor resistencia mecánica, absorción capilar reducida, o incluso permeabilidad reducida a líquidos, que eran demasiado bajas, o
requirieron la adición de una porción de cemento Portland para poder presentar propiedades mecánicas aceptables.
Además, convencionalmente, se ha propuesto añadir aglutinantes de construcción a la tierra para formar materiales de construcción. Sin embargo, estos materiales de construcción presentan propiedades mecánicas limitadas. De hecho, el trabajo titulado «Construire en terre crue, construction -rénovation- finitions» por Ulrich Rohlen y Christof Ziegert (2013, ediciones Le Moniteur ISBN 978-2-281 -11567-3), indica que la resistencia a la compresión del hormigón de tierra es de desde 0,6 MPa hasta un máximo de 12 MPa, con un valor común del orden de 3 MPa. Además, en el trabajo titulado «Traité de construction en terre» se mide la evolución de la resistencia a la compresión de la tierra estabilizada con cemento y se muestra, especialmente, que el valor de la resistencia a la compresión de un hormigón de tierra que contiene un 7 % de cemento (es decir, un 50 % de cemento en el aglutinante compuesto de cemento y arcilla) nunca supera los 12 MPa. Esto siempre ha disuadido a los constructores de utilizar contenidos excesivamente altos de arcillas brutas en los aglutinantes de construcción y, en general, en los materiales de construcción que requieren altas resistencias a la compresión. De manera similar, la resistencia a la compresión de los ladrillos de arcilla sin cocer (J. E. Oti et al. «Engineering properties of unfired clay masonry briks». Engineering Geology, 2009). Sin embargo, el nivel de rendimiento mecánico de los materiales estudiados no supera los 8 MPa tras 90 días de curado.
Así, existe la necesidad de nuevas formulaciones de aglutinantes para la construcción que presenten una huella de carbono baja y que generen propiedades mecánicas de los hormigones al menos equivalentes o incluso superiores a las propiedades mecánicas de los hormigones derivados de cementos comúnmente utilizados en el campo de la construcción, como los cementos CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV y CEM V definidos por la norma NF EN 197-1.
[Problema técnico]
Por lo tanto, el objeto de la invención es remediar los inconvenientes de la técnica anterior. En particular, el objeto de la invención es proponer una formulación para un aglutinante de construcción que permita, por un lado, obtener un material de construcción con propiedades mecánicas al menos equivalentes a las del cemento Portland, y por otro lado, mejorar el confort de los habitantes en comparación con un hormigón formado a partir de cemento Portland.
La invención también tiene como objeto proporcionar un procedimiento de fabricación de un aglutinante de construcción que permita reducir la emisión de gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono emitido durante la preparación de dicho aglutinante, conservando al mismo tiempo las características mecánicas adecuadas de dicho aglutinante en relación con su utilización en el campo de la construcción. La invención se refiere, además, a la utilización de un aglutinante de construcción para la producción de elementos de construcción, que pueda mejorar el confort de los habitantes en comparación con el hormigón convencional y especialmente las propiedades higrotérmicas de los edificios.
[Breve descripción de la invención]
Con este fin, la invención da a conocer una formulación para aglutinante de construcción que comprende, en forma deshidratada, una matriz de arcilla cruda y un defloculante.
Una formulación deshidratada sustituye, total o parcialmente, cementos convencionales como el cemento Portland, la cal o incluso el cemento de aluminatos de calcio («Calcium Sulfoaluminate Cement» - CSA, en terminología anglosajona). Como se verá a continuación, esta formulación permite obtener rendimientos mecánicos idénticos a los del cemento Portland (clase C 25/30) al mismo tiempo que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero del 30 % al 85 %, y más generalmente aproximadamente el 50 %.
Además, la presencia de una matriz de arcilla cruda permite una mejor transferencia higrotérmica y, por lo tanto, mejores propiedades de enfriamiento de la construcción utilizando un aglutinante de esta formulación.
Según otras características opcionales de la formulación:
• la matriz de arcilla cruda comprende al menos una especie mineral seleccionada entre caolinita, ilita, esmectita, bentonita, clorita, montmorillonita, moscovita, halocita, sepiolita, atapulgita, vermiculita y las llamadas arcillas interestratificadas que son combinaciones complejas de varias arcillas. La presencia de una o más de estas especies minerales en la formulación del aglutinante permite obtener un cemento y, más ampliamente, un material de construcción que presenta buenas propiedades mecánicas, es decir, propiedades mecánicas equivalentes a las propiedades mecánicas de un material de construcción que contiene cemento Portland. Preferiblemente, la matriz de arcilla cruda comprende al menos una especie mineral seleccionada entre caolinita, ilita, esmectita y bentonita;
• comprende al menos un 80 % en peso de matriz de arcilla cruda, preferiblemente entre un 80 % y un 99,5 % en peso, más preferiblemente entre un 90 % y un 99 % en peso. Tal cantidad de matriz de arcilla cruda permite mejorar las propiedades mecánicas de los materiales construidos a partir de esta formulación;
• el defloculante se selecciona entre
o un tensioactivo no iónico como un éter de polioxietileno,
o un agente aniónico tal como un agente aniónico seleccionado entre sulfonatos de alquilarilo, aminoalcoholes, carbonatos, silicatos, ácidos grasos, humatos (por ejemplo, humatos de sodio), ácidos carboxílicos, lignosulfonatos (por ejemplo, lignosulfonatos de sodio), poliacrilatos, fosfatos o polifosfatos tales como hexametafosfato de sodio, tripolifosfato de sodio, ortofosfato de sodio, carboximetilcelulosas y mezclas de estos;
o un poliacrilato tal como un poliacrilato seleccionado entre poliacrilato de sodio o poliacrilato de amonio;
o una amina tal como una amina seleccionada entre 2-amino-2-metil-1-propanol; mono-, di- o trietanolamina;
isopropanolaminas (1-amino-2-propanol, diisopropanolamina y triisopropanolamina) y etanolaminas N-alquiladas; o
o sus mezclas.
Estos defloculantes permiten una buena dispersión de las arcillas y son adecuados para matrices arcillosas que puedan ser utilizadas en la construcción.
• el agente defloculante representa al menos el 0,5 % en peso de la matriz de arcilla cruda, preferiblemente entre el 0,5 % y el 20 % en peso de la matriz de arcilla cruda, más preferiblemente entre el 1 % y el 10 % en peso. Tal concentración permite mejorar las propiedades mecánicas de los materiales construidos a partir de esta formulación;
• ella comprende:
° del 80 % al 99,5 % en peso de matriz de arcilla cruda; y
° del 0,5 % al 20 % en peso de defloculante.
Una formulación de este tipo para aglutinante de construcción permite, en el caso de que se utilice una formulación de este tipo junto con una composición activadora, obtener propiedades mecánicas equivalentes a las del cemento Portland.
La invención se refiere, además, a un aglutinante de construcción que comprende los constituyentes de la formulación para aglutinante de construcción según la invención y una composición activadora.
En particular, la invención se refiere a un aglutinante de construcción que comprende una matriz de arcilla cruda, un defloculante y una composición activadora, caracterizado por que comprende al menos un 30 % en peso de matriz de arcilla cruda y al menos un 2 % en peso de óxidos metálicos, y por que la composición activadora es una composición activadora alcalina que comprende al menos un compuesto que presenta un pKa mayor o igual que 10.
La composición activadora permite conferir al aglutinante de construcción sus propiedades mecánicas de interés y especialmente estructurar las hojas de arcilla.
Según otras características opcionales del aglutinante de construcción:
• el aglutinante de construcción comprende menos del 30 % en peso de metacaolín, preferiblemente menos del 26 % en peso de metacaolín, más preferiblemente menos del 21 % en peso de metacaolín, menos del 17 % en peso de metacaolín, menos del 13 % en peso de metacaolín, aún más preferiblemente menos del 10 % en peso de metacaolín, menos del 5 % en peso de metacaolín. Por ejemplo, puede que no contenga metacaolín;
• la matriz de arcilla cruda comprende al menos una especie mineral seleccionada entre caolinita, ilita, esmectita, bentonita, clorita, montmorillonita, moscovita, halocita, sepiolita, atapulgita, vermiculita y las llamadas arcillas interestratificadas que son combinaciones complejas de varias arcillas;
• la matriz de arcilla cruda contiene al menos una especie mineral seleccionada entre caolinita, ilita, esmectita, bentonita, clorita, montmorillonita, moscovita, halocita, sepiolita, atapulgita, vermiculita y las llamadas arcillas interestratificadas que son combinaciones complejas de varias arcillas;
• comprende al menos un 40 % en peso de matriz de arcilla cruda;
• el defloculante se selecciona entre
o un tensioactivo no iónico tal como un éter de polioxietileno;
o un agente aniónico tal como un agente aniónico seleccionado entre sulfonatos de alquilarilo, aminoalcoholes, carbonatos, silicatos, ácidos grasos, humatos (por ejemplo, humatos de sodio), ácidos carboxílicos, lignosulfonatos (por ejemplo, lignosulfonatos de sodio), poliacrilatos, fosfatos o polifosfatos tales como hexametafosfato de sodio, tripolifosfato de sodio, ortofosfato de sodio, carboximetilcelulosas y
mezclas de estos;
o un poliacrilato tal como un poliacrilato seleccionado entre poliacrilato de sodio o poliacrilato de amonio; o una amina tal como una amina seleccionada entre 2-amino-2-metil-1-propanol; mono-, di- o trietanolamina;
isopropanolaminas (1-amino-2-propanol, diisopropanolamina y triisopropanolamina) y etanolaminas N-alquiladas; o
o sus mezclas.
el defloculante representa al menos el 0,25 % en peso del aglutinante de construcción;
la composición activadora representa al menos el 10 % en peso del aglutinante de construcción;
la matriz de arcilla cruda, el defloculante y la composición activadora forman un sistema de dos componentes o de varios componentes;
comprende:
o del 30 % al 80 % en peso de matriz de arcilla cruda;
o del 0,25 % al 20 % en peso de defloculante; y
o del 10 % al 50 % en peso de una composición activadora.
la composición alcalina puede comprender, por ejemplo, un compuesto que presente un pKa mayor o igual que 12, incluso más preferiblemente sustancialmente igual a 14;
la composición activadora comprende un compuesto organofosforado tal como tripolifosfato de sodio, preferiblemente el compuesto organofosforado representa al menos el 2 % en peso del aglutinante de construcción;
en particular, la composición activadora comprende óxidos metálicos. En particular, los óxidos metálicos están presentes en un contenido de al menos el 2 % en peso de la composición, preferiblemente al menos el 5 % en peso de la composición, aún más preferiblemente al menos el 10 % en peso de la composición. Tal concentración permite mejorar las propiedades mecánicas de los materiales construidos a partir de esta formulación;
los óxidos metálicos se seleccionan entre óxidos de hierro tales como FeO, Fe3Ü4, Fe2Ü3, alúmina Al2Ü3, óxido de manganeso (II) MnO, óxido de titanio (IV) TiO2 y sus mezclas;
la composición activadora contiene cemento, preferiblemente cemento Portland. El cemento puede ser, por ejemplo, un cemento tipo CEM I;
comprende una composición de escorias de alto horno, preferiblemente la composición de escorias de alto horno representa al menos el 5 % en peso del aglutinante de construcción;
comprende:
o del 40 % al 70 % en peso de matriz de arcilla cruda;
o del 0,5 % al 6 % en peso de defloculante;
o del 5 % al 20 % en peso de una composición activadora; y
o del 20 % al 45 % en peso de escorias de alto horno.
comprende:
o del 35 % al 65 % en peso de matriz de arcilla cruda;
o del 0,5 % al 5 % en peso de defloculante;
o del 31 % al 49 % en peso de cemento Portland CEM1.
comprende:
o del 35 % al 65 % en peso de matriz de arcilla cruda;
o del 0,5 % al 5 % en peso de defloculante;
o del 10 % al 30 % en peso de escorias de alto horno; y
o del 15 % al 35 % en peso de cemento Portland CEM1.
• comprende:
o del 45 % al 70 % en peso de matriz de arcilla cruda;
o del 0,5 % al 6 % en peso de defloculante;
o del 10 % al 35 % en peso de una composición activadora; y
o del 15 % al 30 % en peso de metacaolín.
• comprende:
o del 45 % al 70 % en peso de matriz de arcilla cruda;
o del 0,5 % al 5 % en peso de defloculante;
o del 10 % al 25 % en peso de una composición activadora;
o del 5 % al 20 % en peso de escorias de alto horno; y
o del 15 % al 30 % en peso de metacaolín.
Estas cantidades permiten obtener propiedades mecánicas equivalentes a las del cemento Portland con una huella de carbono mucho menor.
La invención se refiere, además, a un procedimiento para la preparación de un aglutinante de construcción.
El procedimiento para preparar un aglutinante de construcción puede comprender una etapa de mezcla de una matriz de arcilla cruda, un defloculante y una composición activadora, comprendiendo dicho aglutinante de construcción al menos el 30 % en peso de matriz de arcilla cruda.
En particular, el procedimiento para preparar un aglutinante de construcción puede comprender, en particular, las siguientes etapas:
• Preparar una suspensión de arcilla que comprenda al menos una matriz de arcilla cruda, un defloculante y agua.
• Añadir una composición activadora a la suspensión de arcilla, siendo dicha composición activadora una composición activadora alcalina que comprende al menos un compuesto que presenta un pKa mayor o igual que 10.
• Mezclar para obtener un aglutinante de construcción, conteniendo dicho aglutinante de construcción preferiblemente al menos un 30 % en peso de matriz de arcilla bruta y al menos un 2 % en peso de óxidos metálicos.
Según otras características opcionales del procedimiento:
• comprende una etapa de mezcla de la suspensión de arcilla para obtener una suspensión de arcilla defloculada y la composición activadora se añade después de la etapa de mezcla;
• el aglutinante de construcción comprende al menos un 50 % en peso de matriz de arcilla cruda, preferiblemente entre un 50 % y un 80 % en peso. También puede comprender al menos un 40 % en peso de matriz arcillosa cruda, preferiblemente entre un 40 % y un 60 % en peso de matriz arcillosa cruda;
• el defloculante representa al menos el 0,25 % en peso de aglutinante de construcción, preferiblemente al menos un 0,5 % en peso de aglutinante de construcción, más preferiblemente entre un 0,5 % y un 10 % en peso del aglutinante de construcción;
• la composición activadora está presente en un contenido de al menos un 10 % en peso de aglutinante. Por ejemplo, los óxidos metálicos están presentes en un contenido de al menos un 10 % en peso de aglutinante. La invención también trata de un material de construcción como un mortero, un revestimiento, un yeso, un aislante, un hormigón ligero, un elemento de prefabricación, que comprende el aglutinante de construcción según la invención. Según otras características opcionales del material de construcción:
• el aglutinante de construcción comprende tierra excavada, comprendiendo dicha tierra excavada la matriz de arcilla cruda. En efecto, a diferencia de los materiales de construcción conocidos, es posible dentro del marco de
la invención producir un aglutinante de construcción, y, por lo tanto, por extensión un material de construcción, directamente a partir de tierra excavada y que presente una resistencia a la compresión satisfactoria. La tierra excavada puede comprender además áridos, tales como, a modo de ejemplos no limitativos, arena y/o grava;
• también comprende una o más cargas, eligiéndose las cargas, por ejemplo, entre cargas minerales o cargas vegetales. Las cargas pueden ser cualquier carga conocida por los expertos en la materia en el campo de los materiales de construcción. En particular, pueden seleccionarse entre áridos, polvos, arena, gravilla, grava y/o fibras reciclados o no reciclados. Las fibras pueden ser, en particular, fibras de origen vegetal tales como aserrín, virutas y fibras de madera, paja, lino, perlita, corcho o incluso cáñamo. Preferiblemente, el material de construcción según la invención también contiene fibras de origen vegetal;
• comprende pigmentos;
• además, comprende un agente expansivo o espumante, tal como polvo de aluminio.
Según otro aspecto, la invención se refiere a la utilización del aglutinante de construcción según la invención, para la producción de elementos de revestimiento, en particular, revestimientos de suelos, tales como baldosas, losas, adoquines o cenefas, revestimientos de paredes, tales como elementos de fachada interior o exterior, plaquetas de paramento, elementos de recubrimiento o revestimientos de techo tipo teja, para la producción de módulos de construcción extruidos o moldeados, como ladrillos, o para la producción de diversas formas extruidas.
La invención se refiere a la utilización del aglutinante de construcción según la invención, para la producción de materiales compuestos, tales como paneles de construcción del tipo de panel prefabricado, bloques prefabricados como dinteles de puertas o ventanas, paredes prefabricadas o cualquier otro elemento de construcción prefabricado.
La invención se refiere a la utilización del aglutinante de construcción según la invención, para la producción de módulos de aislamiento, tales como paneles divisorios o módulos de construcción aislantes ligeros (con una densidad menor que 1,5 kg/L; preferiblemente menor que 1,2 kg/L; más preferiblemente menor que 1,0 kg/L; más preferiblemente menor que 0,7 kg/L).
La invención se refiere a la utilización del aglutinante de construcción según la invención, para la producción mediante fabricación aditiva, como por medio de una impresora 3D, de elementos de construcción, edificios o casas, u objetos decorativos.
La invención se refiere a la utilización del aglutinante de construcción según la invención en forma de un sistema de dos componentes con los constituyentes en forma sólida, por un lado, y en forma líquida, por otro lado, o los constituyentes en forma líquida, en forma de dos pastas, para la producción de masilla, cola o mortero de sellado.
La invención también se refiere a la utilización, para la preparación de un aglutinante de construcción, de un defloculante junto con una matriz de arcilla cruda, representando dicha matriz de arcilla cruda al menos el 30 % en peso del aglutinante de construcción, y una composición activadora que permite obtener un hormigón con una resistencia mínima a la compresión en cilindros después de 28 días medida según la norma NF EN 206-1 mayor o igual que 20 MPa, preferiblemente mayor o igual que 25 MPa, preferiblemente mayor o igual que 40 MPa.
Otras ventajas y características de la invención aparecerán con la lectura de la siguiente descripción dada a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a la figura anexa:
La figura 1 representa un esquema del procedimiento de preparación de un aglutinante de construcción según la invención.
[Descripción de la invención]
En el resto de la descripción, el término «% en peso» en relación con la matriz de arcilla cruda, la formulación, el aglutinante o el material de construcción debe entenderse como una proporción relativa al peso seco de la formulación, del aglutinante o material de construcción. El peso seco corresponde al peso antes de la adición de agua, por ejemplo, necesaria para la formación de un aglutinante de construcción.
El término «deshidratado» en el sentido de la invención corresponde a una formulación que comprende una cantidad reducida de agua y, por ejemplo, un contenido de agua menor que el 20 % en peso, preferiblemente menor que el 10 %, más preferiblemente menor que el 5 % y, por ejemplo, menor que el 1 % en peso. El contenido de agua se puede medir por cualquier método conocido del estado de la técnica. Puede medirse, por ejemplo, según la norma NF P 94050 de septiembre de 1995 «Determination de la tener en eau pondérale des matériax: Méthode par étuvage».
Se entiende por «matriz arcillosa» uno o varios materiales rocosos a base de silicatos o aluminosilicatos hidratados de estructura lamelar, estando compuesta dicha matriz arcillosa por partículas finas procedentes generalmente de la alteración de silicatos con estructura tridimensional, como los feldespatos. Una matriz arcillosa puede comprender, así, una mezcla de tales materiales rocosos que pueden consistir, por ejemplo, en caolinita, ilita, esmectita, bentonita, clorita, vermiculita, metacaolín o mezclas de estos. La expresión «matriz de arcilla cruda» corresponde en el sentido
de la invención a una matriz de arcilla que no ha sufrido una etapa de calcinación. En particular, es decir, que no ha sufrido ningún tratamiento térmico previo. Por ejemplo, esto corresponde a una matriz de arcilla que no ha sufrido un aumento de temperatura mayor que 300 °C, preferiblemente mayor que 200 °C y más preferiblemente una temperatura mayor que 150 °C. De hecho, la matriz de arcilla cruda puede sufrir una etapa de calentamiento que requiera un aumento de temperatura en general sustancialmente menor o igual que 150 °C, pero no una etapa de calcinación. El término «defloculante» o «agente de defloculación» significa cualquier compuesto que, en suspensión acuosa, disociará áridos y coloides. Los defloculantes se han utilizado, por ejemplo, en el contexto de la perforación o la extracción de petróleo para hacer que la arcilla sea más fluida y para facilitar la extracción o la perforación.
El término «composición activadora» significa cualquier composición que tenga la función de acelerar la formación de una estructura compacta, aumentando, así, la resistencia mecánica de los materiales que incorporan tal composición activadora.
El término «sustancialmente igual» en el sentido de la invención corresponde a un valor que es menor que el 20 % con respecto al valor comparado, preferiblemente menor que el 10 %, aún más preferiblemente menor que el 5 %. El autor ha desarrollado una nueva formulación para un aglutinante de construcción que podría utilizarse de forma ventajosa, pero no limitativa, como sustituto del cemento Portland, la cal o el CSA.
Una formulación según la invención y más específicamente un aglutinante de construcción según la invención presentan la ventaja de tener una huella de carbono al menos dos veces más baja que la de la mayoría de los aglutinantes de construcción, o aglutinantes hidráulicos, más utilizados en el mundo hoy en día (es decir, cemento Portland). De hecho, un aglutinante de construcción según la invención consiste principalmente en una matriz de arcilla, también llamada matriz de arcilla cruda, que no ha sufrido una etapa de calcinación, una etapa de gran consumo energético que también genera la emisión de gases de efecto invernadero y más particularmente dióxido de carbono. Además, una formulación o un aglutinante de construcción según la invención presenta un contenido de clínker menor que el de productos equivalentes y permite, con propiedades mecánicas equivalentes, reducir las emisiones de CO2 y los costos de producción.
Ventajosamente, como se presentará en los ejemplos, un aglutinante de construcción según la invención permite fabricar materiales de construcción con propiedades mecánicas al menos equivalentes a las de los hormigones formulados con cemento Portland o materiales «con bajo contenido en carbono», como los descritos anteriormente. Así, según un primer aspecto, la invención se refiere a una formulación para un aglutinante de construcción que comprende, en forma deshidratada, una matriz de arcilla cruda y un defloculante.
Como se mencionó, la utilización de una matriz de arcilla cruda permite reducir el impacto ambiental del aglutinante de construcción.
Ya se han utilizado defloculantes con arcillas. Este es especialmente el caso en alfarería y cerámica, donde la preparación de una barbotina en estado líquido y no deshidratada puede comprender la mezcla de un defloculante con una matriz de arcilla. Esta práctica permite fluidificar la arcilla para recuperar solo las partículas finas y no para la preparación de un aglutinante de construcción.
Aquí, sin estar limitado por la teoría, el agente de defloculación puede llegar a posicionarse en la interfaz de las hojas que constituyen la matriz de arcilla cruda y desestructurarla. Así, la utilización de un defloculante permitirá obtener, a partir de la matriz arcillosa cruda, una formulación que comprenda una matriz arcillosa cruda desestructurada capaz de formar, en presencia de una composición activadora, un aglutinante de construcción más eficaz.
Tal formulación puede ser preparada extemporáneamente o bien preparada en un sitio de producción y luego posiblemente almacenada y luego transportada al sitio de construcción.
Así, la invención se refiere, por ejemplo, a una formulación para un aglutinante de construcción, que comprende una matriz de arcilla cruda y un defloculante, que se almacena y/o transporta a la espera de su mezcla con una composición activadora, permitiendo, así, la formación de un aglutinante de construcción. En particular, la formulación se puede almacenar en recipientes con una capacidad de 0,5 L a 50 L.
Vamos a presentar en detalle las características generales y preferidas de cada uno de los constituyentes de la formulación según la invención.
Matriz de arcilla cruda
La matriz de arcilla cruda puede comprender, por ejemplo, al menos una especie mineral seleccionada entre caolinita, ilita, esmectita, bentonita, clorita y vermiculita.
En la tabla 1 a continuación se presentan las características químicas de estas especies minerales.
[Tabla 1]
Preferiblemente, una formulación según la invención contiene al menos un 80 % en peso de matriz de arcilla cruda, más preferiblemente al menos un 90 % en peso de matriz de arcilla cruda. En efecto, la formulación para aglutinante de construcción según la invención presenta la ventaja de poder comprender una gran cantidad de matriz de arcilla cruda sin que esta altere las propiedades mecánicas de los materiales de construcción, lo que permite producir materiales de construcción con un rendimiento mecánico adecuado.
Además, preferiblemente, una formulación según la invención comprende como máximo el 98 % en peso de matriz de arcilla cruda, más preferiblemente como máximo el 96 % en peso de matriz de arcilla cruda. En efecto, la formulación para aglutinante de construcción según la invención también comprende al menos un defloculante que limita entonces la proporción de matriz de arcilla cruda en la formulación.
Así, en particular, una formulación según la invención puede comprender entre un 80 % y un 99,5 % en peso de matriz arcillosa cruda, preferiblemente entre un 90 % y un 99 % en peso o entre un 80 % y un 98 % en peso de matriz arcillosa cruda, más preferiblemente entre un 85 % y un 97 % en peso de matriz de arcilla cruda, y aún más preferiblemente entre un 90 % y un 96 % en peso de matriz de arcilla cruda.
Agente de defloculación
Muchos compuestos pueden actuar como defloculantes y muchos son generalmente conocidos por los expertos en la técnica.
En el contexto de la invención, el defloculante es, en particular, un tensioactivo no iónico tal como un éter de polioxietileno. El éter de polioxietileno puede seleccionarse, por ejemplo, entre un poli(oxietileno) lauril éter.
El defloculante también puede ser un agente aniónico tal como un tensioactivo aniónico. En particular, el agente aniónico puede seleccionarse entre sulfonatos de alquilarilo, aminoalcoholes, carbonatos, silicatos, ácidos grasos, humatos (por ejemplo, humatos de sodio), ácidos carboxílicos, lignosulfonatos (por ejemplo, lignosulfonatos de sodio), poliacrilatos, fosfatos o polifosfatos como el hexametafosfato de sodio, tripolifosfato de sodio, ortofosfato de sodio, carboximetilcelulosas y mezclas de estos.
El agente de defloculación también puede ser un poliacrilato. Entonces puede seleccionarse, por ejemplo, entre poliacrilato de sodio y poliacrilato de amonio.
El agente de defloculación también puede ser una amina seleccionada, por ejemplo, entre 2-amino-2-metil-1-propanol; mono-, di- o trietanolamina; isopropanolaminas (1-amino-2-propanol, diisopropanolamina y triisopropanolamina) y etanolaminas N-alquiladas. El agente de defloculación también puede ser un silicato tal como silicato de sodio, metasilicato de sodio o trisilicato de sodio.
Alternativamente, el defloculante puede ser una mezcla de compuestos, tal como una mezcla que comprenda al menos dos compuestos seleccionados entre tensioactivo no iónico, agente aniónico, poliacrilato, amina y compuesto organofosforado.
En particular, el agente de defloculación puede ser una mezcla de silicato de sodio y carbonato de sodio.
Preferiblemente, el agente de defloculación se selecciona entre un lignosulfonato (por ejemplo, lignosulfonato de sodio), un poliacrilato, un humato y mezclas de estos.
El agente de defloculación está preferiblemente en forma de sal.
Sin embargo, la invención no puede limitarse a los defloculantes mencionados anteriormente, se puede utilizar cualquier tipo de defloculante conocido por los expertos en la materia en lugar de dichos defloculantes mencionados anteriormente.
En particular, el defloculante representa al menos el 0,5 % en peso de la matriz de arcilla cruda, preferiblemente al menos el 1 % en peso de la matriz de arcilla cruda, más preferiblemente al menos el 2 % en peso de la matriz de arcilla cruda, aún más preferiblemente al menos el 3 % en peso de la matriz de arcilla cruda y, por ejemplo, al menos
el 4 % en peso de la matriz de arcilla cruda. De hecho, con tales concentraciones de agente de defloculación, la formulación aglutinante según la invención se puede usar junto con una composición activadora para formar un material con propiedades mecánicas ventajosas.
Además, el defloculante representa como máximo el 20 % en peso de la matriz arcillosa cruda, preferiblemente como máximo el 10 % en peso de la matriz arcillosa cruda. De hecho, no es necesaria una concentración demasiado alta para formar un material con propiedades mecánicas ventajosas.
En particular, el defloculante representa entre el 0,5 % y el 20 % en peso de la matriz arcillosa cruda, preferiblemente entre el 1 % y el 10 % en peso de la matriz arcillosa cruda, más preferiblemente entre el 3 % y el 10 % en peso de la matriz arcillosa cruda e incluso más preferiblemente entre el 4 % y el 10 % en peso de la matriz de arcilla cruda. Según otro aspecto, la invención se refiere a un aglutinante de construcción que comprende los constituyentes de la formulación para aglutinante de construcción según la invención y una composición activadora.
Es la adición de la composición activadora, en conjunto con la matriz de arcilla cruda y el defloculante, lo que le dará al aglutinante de construcción sus propiedades mecánicas de interés.
El aglutinante de construcción puede presentarse ventajosamente en forma de un sistema multicomponente de dos componentes, es decir, comprender sus constituyentes, a saber, matriz de arcilla cruda, defloculante y composición activadora, en forma yuxtapuesta.
En particular, antes de una etapa de mezcla necesaria para la utilización efectiva del aglutinante de construcción, el aglutinante de construcción se puede preparar de modo que la composición activadora no esté en contacto con la matriz de arcilla cruda y/o el agente de defloculación. Tal característica presenta la ventaja de poder mejorar la estabilidad del aglutinante de construcción antes de su utilización.
Por ejemplo, el aglutinante de construcción puede corresponder a la combinación de una mezcla correspondiente a la formulación para aglutinante según la invención y de una composición activadora puesta en otro recipiente. En un sistema de dos o varios componentes, los constituyentes pueden no estar todos en la misma forma (por ejemplo, líquida, sólida o pasta) o los constituyentes están en forma de pasta o se ponen en diferentes recipientes. Al aglutinante de construcción puede añadirse agua justo antes de su utilización o, más generalmente, una solución acuosa que permita una mezcla íntima de los constituyentes del aglutinante de construcción. Sin embargo, antes de esta adición de agua, podría presentarse en forma de aglutinante de construcción estando al menos parcialmente en forma deshidratada.
Como se describirá a continuación, la composición activadora puede ser una composición líquida. Así, el aglutinante de construcción se puede formar sin la adición de agua o una solución acuosa adicional.
Ventajosamente, y como se detallará, parte de los componentes del aglutinante de construcción (defloculante y matriz arcillosa) pueden mezclarse con agua antes de la adición de la composición activadora.
Sin embargo, el aglutinante de construcción también se puede preparar ventajosamente en forma deshidratada. En este caso, podría, por ejemplo, mezclarse con una solución acuosa justo antes de su utilización. Así, es más fácilmente transportable y se facilita su acondicionamiento.
Sin limitarse a la teoría, la composición activadora permitirá la constitución de una red entre las hojas de arcilla que proporcionará sus propiedades mecánicas al aglutinante de construcción según la invención.
La composición activadora está presente, por ejemplo, en un contenido de al menos el 10 % en peso del aglutinante de construcción, preferiblemente al menos el 15 % en peso del aglutinante de construcción, más preferiblemente al menos el 20 % en peso del aglutinante de construcción, aún más preferiblemente al menos el 25 % en peso del aglutinante de construcción y, por ejemplo, al menos el 30 % en peso del aglutinante de construcción.
Además, la composición activadora puede representar como máximo el 50 % en peso del aglutinante de construcción, más preferiblemente como máximo el 45 % en peso del aglutinante de construcción y más preferiblemente como máximo el 40 % en peso del aglutinante de construcción.
En particular, la composición activadora puede representar entre el 10 % y el 50 % en peso del aglutinante de construcción, preferiblemente entre el 15 % y el 50 % en peso del aglutinante de construcción.
Más preferiblemente, la composición activadora representa entre el 10 % y el 35 % en peso del aglutinante de construcción, incluso más preferiblemente entre el 15 % y el 30 % en peso del aglutinante de construcción.
La composición activadora es una composición activadora alcalina. También puede contener óxidos metálicos. Preferiblemente, los óxidos de metales son óxidos de metales de transición.
Más preferiblemente, los óxidos metálicos se seleccionan entre óxidos de hierro tales como FeO, Fe3O4 , Fe2O3 , alúmina Al2O3, óxido de manganeso (II) MnO, óxido de titanio (IV) TiO2 y sus mezclas.
Los óxidos metálicos pueden provenir preferiblemente de una composición de escorias de alto horno, por ejemplo, formadas durante la producción de hierro fundido a partir de mineral de hierro.
Los óxidos metálicos están presentes en un contenido de al menos el 2 % en peso del aglutinante de construcción, preferiblemente al menos el 5 % en peso del aglutinante de construcción, más preferiblemente al menos el 10 % en peso del aglutinante de construcción.
La composición alcalina comprende un compuesto que presenta un pKa mayor o igual que 10, más preferiblemente mayor o igual que 12, aún más preferiblemente sustancialmente igual a 14. Entonces puede considerarse que es una base fuerte.
En particular, la composición activadora puede comprender una mezcla de hidróxido de sodio y silicato de sodio. La composición activadora se puede utilizar en forma sólida. También se puede utilizar, por ejemplo, en el caso de una composición activadora alcalina, en forma líquida. En este caso el porcentaje indicado para las formulaciones corresponde al peso de la composición líquida. La composición activadora alcalina líquida puede comprender por sí misma entre un 10 % y un 70 % de una mezcla de hidróxido de sodio y silicato de sodio, preferiblemente entre un 20 % y un 60 %, más preferiblemente entre un 30 % y un 50 %, en gramos de producto seco sobre el peso total de la composición.
La composición alcalina, y más generalmente la composición activadora, puede comprender, por ejemplo, un compuesto organofosforado tal como el tripolifosfato de sodio designado por el acrónimo NaTPP.
Ventajosamente, la composición activadora puede ser una composición activadora alcalina que comprenda, además, óxidos metálicos. Como se mostrará en los ejemplos, los aglutinantes de construcción preparados a partir de tal composición activadora presentan buenas propiedades mecánicas. Así, preferiblemente, la composición activadora puede comprender óxidos metálicos y al menos un compuesto que presente un pKa mayor o igual que 10.
La composición activadora puede ser una composición acuosa. Así, puede comprender preferiblemente agua. Como se describirá más adelante, su utilización se puede combinar con la adición de agua durante la formación de un aglutinante de construcción según la presente invención. Sin embargo, alternativamente, la composición activadora se presenta en forma sólida, por ejemplo, en forma de polvo.
Preferiblemente, la matriz de arcilla cruda representa al menos el 30 % en peso del aglutinante de construcción, preferiblemente al menos el 40 % en peso del aglutinante de construcción, preferiblemente entre el 40 % y el 80 % en peso, aún más preferiblemente entre el 45 % y el 65 % en peso, aún más preferiblemente entre el 50 % y el 60 % en peso.
Igualmente, el defloculante puede representar al menos el 0,25 % en peso del aglutinante de construcción, preferiblemente al menos el 0,5 % en peso del aglutinante de construcción, más preferiblemente al menos el 1 % en peso del aglutinante de construcción, aún más preferiblemente al menos el 1,5 % en peso del aglutinante de construcción y, por ejemplo, al menos el 2 % en peso del aglutinante de construcción.
Además, el defloculante puede representar como máximo el 20 % en peso del aglutinante de construcción, más preferiblemente como máximo el 15 % en peso del aglutinante de construcción y más preferiblemente como máximo el 10 % en peso del aglutinante de construcción.
En particular, el defloculante puede representar entre el 0,25 % y el 10 % en peso del aglutinante de construcción, preferiblemente entre el 0,5 % y el 10 % en peso del aglutinante de construcción, más preferiblemente entre el 1 % y el 10 % en peso del aglutinante de construcción, entre el 1 % y el 8 % en peso del aglutinante de construcción, entre el 2 % y el 8 % en peso del aglutinante de construcción, entre el 2 % y el 5 % en peso del aglutinante de construcción. Aún más preferiblemente, el defloculante puede representar entre el 0,5 % y el 6 % en peso del aglutinante de construcción, entre el 1 % y el 4 % en peso del aglutinante de construcción.
En una realización particular, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
• del 30 % al 80 % en peso de matriz de arcilla cruda;
• del 0,25 % al 20 % en peso de defloculante; y
• del 10 % al 50 % en peso de una composición activadora.
Preferiblemente, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
• del 45 % al 60 % en peso de matriz de arcilla cruda;
• del 0,25 % al 5 % en peso de defloculante, preferiblemente del 1 % al 4 %; y
• del 10 % al 50 % en peso de una composición activadora.
Preferiblemente, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
del 30 % al 80 % en peso de matriz de arcilla cruda;
del 1 % al 10 % en peso de defloculante; y
del 10 % al 50 % en peso de una composición activadora.
Preferiblemente, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
del 50 % al 75 % en peso de matriz de arcilla cruda;
del 1 % al 10 % en peso de defloculante; y
del 15 % al 50 % en peso de una composición activadora.
Más preferiblemente, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
del 50 % al 70 % en peso de matriz de arcilla cruda;
del 2 % al 5 % en peso de defloculante; y
del 15 % al 45 % en peso de una composición activadora.
Más preferiblemente, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
del 50 % al 60 % en peso de matriz de arcilla cruda;
del 2 % al 5 % en peso de defloculante; y
del 25 % al 45 % en peso de óxidos metálicos.
Aún más preferiblemente, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
del 30 % al 80 % en peso de matriz de arcilla cruda;
del 1 % al 10 % en peso de defloculante;
del 10 % al 40 % en peso de óxidos metálicos; y
del 2 % al 15 % en peso de una base fuerte.
Además de la matriz de arcilla cruda, el defloculante y la composición activadora, el aglutinante de construcción puede contener metacaolín, cemento, cal y/o yeso flaseados o no. Además, como se ilustrará en los ejemplos, ciertas composiciones de aglutinantes de construcción pueden presentar un rendimiento mecánico equivalente o mayor que el del cemento Portland. Así, incluso más preferiblemente, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
• del 45 % al 70 % en peso de matriz de arcilla cruda;
• del 0,5 % al 6 % en peso de defloculante;
• del 10 % al 35 % en peso de una composición activadora; y
• del 15 % al 30 % en peso de metacaolín.
Aún más preferiblemente, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
• del 35 % al 65 % en peso de matriz de arcilla cruda;
• del 0,5 % al 5 % en peso de defloculante;
• del 10 % al 30 % en peso de escorias de alto horno; y
• del 15 % al 35 % en peso de cemento Portland CEM1.
Aún más preferiblemente, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
del 40 % al 70 % en peso de matriz de arcilla cruda;
del 0,5 % al 6 % en peso de defloculante;
del 5 % al 20 % en peso de una composición activadora; y
del 20 % al 45 % en peso de escorias de alto horno.
Aún más preferiblemente, un aglutinante de construcción de acuerdo con la invención comprende:
del 45 % al 70 % en peso de matriz de arcilla cruda;
del 0,5 % al 5 % en peso de defloculante;
del 10 % al 25 % en peso de una composición activadora;
del 5 % al 20 % en peso de escorias de alto horno; y
del 15 % al 30 % en peso de metacaolín.
Como se mencionó, las formulaciones anteriores son formulaciones abiertas y el aglutinante de construcción puede comprender adicionalmente componentes complementarios tales como plastificantes o reductores de agua.
Además, la relación en masa de agua a materia seca de la composición denominada aquí aglutinante de construcción está controlada y es preferiblemente menor que 1, ventajosamente sustancialmente igual a 0,6.
Según otro aspecto, la invención se refiere a un procedimiento de preparación de un aglutinante de construcción. Tal procedimiento según la invención, ilustrado en la figura 1, presenta la ventaja de ser un procedimiento denominado bajo en carbono, es decir, cuyas emisiones de gases de efecto invernadero, como, especialmente, las emisiones de dióxido de carbono, se reducen con respecto a las emisiones de gases de efecto invernadero de procedimientos conocidos de preparación de aglutinantes de construcción. Estas reducciones de las emisiones de gases de efecto invernadero están vinculadas especialmente a la ausencia de una etapa de calcinación, que es particularmente de alto consumo de energía.
El procedimiento comprende, en particular, la preparación 110 de una suspensión de arcilla que comprende al menos una matriz de arcilla cruda, un defloculante y agua. Como antes, la matriz de arcilla cruda puede comprender al menos una especie mineral seleccionada entre caolinita, ilita, esmectita, bentonita, clorita, montmorillonita, moscovita, halocita, sepiolita, atapulgita, vermiculita y las denominadas arcillas interestratificadas que son combinaciones complejas de varias arcillas. Ventajosamente, la etapa de preparación 110 se inicia a partir de una premezcla deshidratada que comprende una matriz de arcilla cruda y un defloculante.
Durante la etapa de preparación 110 de la suspensión, se puede añadir agua de manera que la relación entre la masa de agua y la masa de aglutinante de construcción sea menor que 1 y, por ejemplo, sea entre 0,4 y 0,8. Además, el agua se puede añadir ventajosamente después de que la matriz de arcilla cruda y el defloculante se hayan mezclado en seco.
Ventajosamente, la matriz de arcilla cruda utilizada durante la etapa 110 de preparación de la suspensión de arcilla puede provenir de tierra excavada cerca del sitio de construcción. Así, el procedimiento para preparar el aglutinante de construcción puede comprender una etapa de excavación de tierra que comprenda una matriz de arcilla cruda antes de la preparación 110 de una suspensión de arcilla. Además, en este caso, el procedimiento puede comprender una etapa de preparación de la tierra excavada, comprendiendo posiblemente dicha preparación, por ejemplo, secado, triturado, tamizado, almacenamiento.
Así, la preparación del aglutinante de construcción según la invención puede permitir la preparación de un hormigón preparado en obra realizado al menos en parte a partir de materia prima procedente de la obra de construcción. Tales características contribuyen aún más a reducir la huella ambiental del hormigón producido.
Preferiblemente, el procedimiento según la invención puede comprender, después de la preparación de la suspensión de arcilla, una etapa 120 de mezcla de la suspensión de arcilla para obtener una suspensión de arcilla dispersa o defloculada.
Esta etapa de mezcla 120 de la suspensión de arcilla puede llevarse a cabo de manera ventajosa, pero no limitativa, en un dispositivo seleccionado entre una amasadora y un camión hormigonera o, más generalmente, dentro de cualquier dispositivo adecuado para mezclar una suspensión de arcilla para la producción de un aglutinante de construcción, se puede utilizar un dispositivo de dispersión ultrasónica.
Esta etapa de mezcla 120 de la suspensión de arcilla, antes de la adición de la composición activadora, se puede realizar durante un periodo de al menos 10 segundos, preferiblemente de al menos 30 segundos, más preferiblemente de al menos 60 segundos.
Además, esta etapa de mezcla 120 de la suspensión de arcilla, antes de añadir la composición activadora, se puede realizar durante un periodo de 24 horas como máximo, preferiblemente de 12 horas como máximo, más preferiblemente de 6 horas como máximo.
El procedimiento también comprende una etapa de adición 130 de una composición activadora a la suspensión de arcilla. Como se detalló anteriormente, la composición activadora es una composición activadora alcalina. También puede comprender óxidos metálicos.
El procedimiento comprende una etapa 140 de homogeneización, o mezcla, para obtener un aglutinante de construcción.
Antes, simultáneamente o después de la adición de la composición activadora, el procedimiento según la invención puede comprender la adición de aditivos o de materiales que permitan modificar las propiedades mecánicas del material de construcción final.
Los materiales añadidos pueden ser, por ejemplo, áridos, reciclados o no, elegidos entre cargas, polvos, arena, gravilla, grava y/o fibras, y opcionalmente pigmentos.
El procedimiento también puede comprender la adición de un plastificante. El plastificante puede ser, por ejemplo, un poliacrilato, un polinaftaleno sulfonato, un policarboxilato o un polifosfonato.
El procedimiento también puede comprender la adición de fibras. Las fibras se seleccionan, por ejemplo, entre fibras vegetales como lino, algodón, cáñamo, celulosa, bambú, miscanto, fibras sintéticas como fibras de metal, vidrio, carbono, polipropileno y sus mezclas. La presencia de fibras puede permitir la formación de un material de construcción con mejores propiedades mecánicas y aislantes.
El procedimiento también puede comprender la adición de áridos. Los áridos se seleccionan, por ejemplo, entre grava, hormigón triturado, reciclado y mezclas de estos.
El procedimiento también puede comprender la adición de aditivo. El aditivo se selecciona, por ejemplo, entre un agente de retención reológico natural o sintético, un agente anticontracción, un agente retenedor de agua, un agente generador de burbujas, una resina sintética y mezclas de estos.
La preparación de un aglutinante de construcción según la invención comprenderá especialmente la adición de arena y agua. Es posible que la arena provenga de escombros, especialmente en el caso de hormigón preparado en «obra». La arena también puede ser arena del desierto.
Los materiales de construcción obtenidos pueden seleccionarse, por ejemplo, entre morteros, revoques o yesos.
Así, en otro aspecto, la invención se refiere a un material de construcción formado a partir del aglutinante de construcción según la invención.
Además, la invención se refiere a un aglutinante de construcción obtenido a partir del procedimiento según la invención. La invención se refiere a un material de construcción obtenido a partir del procedimiento según la invención.
La invención permite, en particular, la fabricación de los siguientes:
• material de construcción aislante (a partir de un aglutinante de construcción según la invención al que se han añadido áridos ligeros de tipo «vegetal o poroso»);
• hormigón ligero (a partir de un aglutinante de construcción según la invención al que se ha añadido un agente espumante del tipo polvo de aluminio. Esto ayudará a atrapar aire en el material y mejorará sus propiedades aislantes);
• elementos de prefabricación (fabricación de bloques o placas de hormigón en fábrica a partir del aglutinante de construcción según la invención); y
• módulos de aislamiento.
Así, la invención también se refiere a la utilización del aglutinante de construcción según la invención, para la producción de elementos de revestimiento, para la producción de módulos de construcción extruidos o moldeados, o más generalmente para la producción de varias formas extruidas.
Los elementos de revestimiento pueden seleccionarse, por ejemplo, entre revestimientos de suelo, como baldosas, losas, adoquines o cenefas, revestimientos de paredes, como elementos de fachada interior o exterior, plaquetas de
paramento, elementos de recubrimiento o revestimientos de tejados tipo teja. Los módulos de construcción extruidos o moldeados, por su parte, son, por ejemplo, ladrillos.
La invención también se refiere a la utilización del aglutinante de construcción según la invención para la producción de materiales compuestos, bloques prefabricados.
Los materiales compuestos son, por ejemplo, paneles de construcción del tipo de panel prefabricado, mientras que los bloques prefabricados son, por ejemplo, dinteles de puertas o ventanas, elementos de pared prefabricados, o cualquier otro elemento de construcción prefabricado.
La invención también se refiere a la utilización del aglutinante de construcción según la invención, para la producción de módulos de aislamiento, tales como paneles divisorios o módulos de construcción aislantes ligeros. Estos módulos de aislamiento presentan, por ejemplo, una densidad menor que 1,5 kg/L; preferiblemente menor que 1,2 kg/L; más preferiblemente menor que 1,0 kg/L e incluso más preferiblemente menor que 0,7 kg/L.
La invención también se refiere a la utilización del aglutinante de construcción según la invención, para la implementación de la fabricación aditiva. En particular, la implementación de una fabricación aditiva puede llevarse a cabo mediante un sistema de construcción 3D automatizado como una impresora 3D. Dicha fabricación aditiva puede permitir la fabricación de elementos de construcción, edificios o casas, o incluso objetos decorativos.
Más generalmente, la invención también se refiere a la utilización, para la preparación de un aglutinante de construcción, de un defloculante en combinación con una matriz de arcilla cruda, representando dicha matriz de arcilla cruda al menos el 30 % en peso del aglutinante de construcción, y una composición activadora que permita obtener un hormigón que presente una resistencia mínima a la compresión a los 28 días medida según la norma ISO 1920-4:2005 (ensayo del hormigón, parte 4: Resistencia del hormigón endurecido) mayor o igual que 20 MPa, preferiblemente mayor o igual que 25 MPa, preferiblemente mayor o igual que 40 MPa.
La invención también se refiere a la utilización, para la preparación de un aglutinante de construcción, de un defloculante en combinación con una matriz de arcilla cruda, representando dicha matriz de arcilla cruda al menos el 30 % en peso del aglutinante de construcción, y una composición activadora que permita obtener un hormigón que presente una resistencia mínima a la compresión después de 28 días medida según la norma NF EN 197-1 mayor o igual que 20 MPa, preferiblemente mayor o igual que 25 MPa, preferiblemente mayor o igual que 40 MPa.
Como ilustran los ejemplos a continuación, la presente invención proporciona una solución basada en una mezcla de matriz de arcilla cruda, defloculante y composición activadora para proporcionar un aglutinante de construcción con propiedades mecánicas similares a las del patrón, pero con una huella de carbono reducida.
Ejemplos
Preparación de un aglutinante de construcción
En todos los ejemplos presentados a continuación, las formulaciones según la invención se preparan según un protocolo idéntico, a saber, que se realiza una premezcla seca entre una matriz de arcilla cruda y un defloculante en cantidades predeterminadas, luego se añade agua y la solución se mezcla a baja velocidad, es decir, sustancialmente a seiscientas revoluciones por minuto durante treinta segundos. A continuación, se añade a la premezcla una composición activadora y luego se mezcla la premezcla a alta velocidad, es decir, a aproximadamente mil quinientas revoluciones por minuto durante tres minutos.
La relación en masa de agua a materia seca de la composición (también llamada aglutinante de construcción) se ajusta a un valor sustancialmente igual a 0,6.
El aglutinante de construcción así formado se vierte luego en un molde y luego se deja madurar a temperatura ambiente, es decir, a unos 20 grados Celsius durante veintiocho días.
Metodología para medir las propiedades mecánicas de los aglutinantes de construcción
Una vez finalizada la maduración, se mide la resistencia mecánica. El término resistencia mecánica de un aglutinante de construcción significa su resistencia a la compresión, siendo dicha compresión medida según la norma NF EN 196-1, para un prisma de 40 milímetros de lado y 160 milímetros de longitud y se expresa en megapascal (MPa).
Comparación de los aglutinantes de construcción según la invención con los aglutinantes de construcción conocidos
En la siguiente tabla 2 se muestran, para diferentes tipos de aglutinantes de construcción, formulaciones conocidas y una formulación según la invención. La masa de los componentes relacionados con cada formulación se expresa como un porcentaje de la masa total del aglutinante de construcción (peso seco).
[Tabla 2]
Así, en la tabla 2 se presentan las resistencias mecánicas de los aglutinantes de construcción conocidos (aglutinante CEM1, HP2A1, CMT) y que no forman parte de la invención, como el aglutinante de construcción del tipo CEM1 más conocido bajo el nombre de cemento «Portland», cuya resistencia a la compresión es del orden de 45 MPa.
La formulación HP2A1 se puede obtener siguiendo las explicaciones en la solicitud de patente FR3034094. El aglutinante de construcción tipo HP2A1 comprende el 35 % en peso de metacaolín obtenido por calcinación de caolín, el 65 % en peso de una composición activadora. Así, la resistencia mecánica relativa a un aglutinante de construcción de este tipo, del orden de 42 MPa, es menor que la resistencia del aglutinante de construcción de tipo Portland.
Finalmente, el aglutinante de construcción CMT, obtenido siguiendo las explicaciones en la solicitud de patente FR3016376, comprende un 75 % en peso de matriz arcillosa cruda, un 10 % en peso de una composición activadora que comprende, en especial, cal y un 15 % en peso de cemento tipo Portland. La resistencia mecánica asociada a un aglutinante de este tipo que comprende una matriz de arcilla cruda en su mayoría es del orden de 25 MPa según la solicitud de patente FR3016376 y, por tanto, presentaría una resistencia a la compresión sensiblemente menor que la de los aglutinantes de construcción del tipo Portland o HP2A1. Sin embargo, una reproducción de estos ensayos por parte de la solicitante no permitió obtener una resistencia mayor o igual que 10 MPa. Así, en presencia de una alta concentración de matriz de arcilla cruda y en ausencia de un defloculante, un aglutinante de construcción no permitirá obtener un hormigón con las propiedades mecánicas adecuadas.
En la tabla 2 también se presenta una formulación de MUP1 según la invención. Es importante señalar que esta formulación que comprende un 3 % de defloculante, aunque comprende una mayoría de matriz de arcilla cruda (55 %), presenta una resistencia mecánica idéntica a la resistencia mecánica del cemento Portland.
Importancia del defloculante
En la tabla 3 siguiente se presenta una formulación conocida, HP2A_X02, y tres formulaciones según la invención MUP2, MUP S9-1 y MUP S10-1.
[Tabla 3]
El aglutinante de construcción de tipo HP2A2 comprende un 54 % en peso de matriz de arcilla cruda, un 23 % en peso de una composición activadora (solución de silicato alcalino y/o NaTPP), un 18 % en peso de metacaolín y un 5 % de EAH. Tal formulación puede derivarse, en particular, de la explicación en la solicitud de patente FR3034094. La
resistencia mecánica asociada a tal aglutinante es del orden de 27 MPa.
Por el contrario, el aglutinante MUP2 obtenido según la invención y que comprende una composición similar excepto por la presencia de un 3 % de defloculante presenta una resistencia mecánica de 43 MPa. Dicha resistencia puede considerarse equivalente a la del cemento Portland.
Asimismo, el aglutinante MUPS9-1 obtenido según la invención y que comprende una composición similar excepto por la presencia de un 1,5 % de defloculante presenta una resistencia mecánica de 46 MPa. Dicha resistencia puede considerarse equivalente a la del cemento Portland.
Estos resultados confirman la relevancia de un aglutinante de construcción según la invención y destacan la ventaja conferida a la resistencia a la compresión por la presencia de óxidos metálicos, por ejemplo, derivados de escorias de alto horno.
En la siguiente tabla 4A se presenta la formulación según la invención MUP1 ya presentada y una formulación equivalente a la que no se ha añadido el defloculante.
[Tabla 4A]
Esta comparación muestra que una formulación según la invención puede alcanzar una resistencia mecánica de 45 MPa mientras que la misma formulación sin defloculante (CMT2) no presenta, según la solicitud de patente FR3016376, más que una resistencia mecánica de 25 MPa. Además, como anteriormente, una reproducción de estos ensayos por parte de la solicitante no permitió obtener una resistencia mayor o igual que 10 MPa para el ensayo CMT2. Así, en presencia de una alta concentración de matriz de arcilla cruda, y en ausencia de defloculante, un aglutinante de construcción no permitirá obtener un hormigón con las propiedades mecánicas adecuadas. Como se ha descrito anteriormente, la presencia de un defloculante en combinación con la matriz de arcilla cruda y la composición activadora permite mejorar la resistencia mecánica de un aglutinante de construcción.
En la siguiente tabla 4B se presentan las formulaciones según la invención MUPS8-1 y MUPS12-1 en comparación con formulaciones de referencia en las que no se añadió el defloculante.
[Tabla 4B]
Esta comparación muestra que una formulación según la invención puede alcanzar una resistencia mecánica mayor o igual que 40 MPa, mientras que la misma formulación sin defloculante (MUPS8-2 o MUPS11-3) no alcanza una resistencia mecánica de 30 MPa. Como se ha descrito en los párrafos anteriores, la presencia de un defloculante en combinación con la matriz de arcilla cruda, la composición activadora y opcionalmente metacaolín permite mejorar la resistencia mecánica de un aglutinante de construcción aquí del orden de más del 30 %.
En la tabla 4C siguiente se detalla la formulación de varios aglutinantes de construcción según la invención en comparación con los aglutinantes de referencia (MUPS2-1 y MUPS2-2). Estos aglutinantes de construcción se diferencian especialmente en que los aglutinantes de construcción según la invención comprenden un defloculante.
[Tabla 4C]
En la tabla 4C se muestra las formulaciones en las que es el cemento el que desempeña la función de composición activadora.
Las formulaciones equivalentes en las que se ha eliminado el defloculante presentan resistencias mecánicas bajas e inadecuadas.
Por el contrario, una combinación de arcilla cruda con un contenido mayor o igual que el 50 % en combinación con cemento y un defloculante permite conseguir resistencias mayores que 20 MPa. Se produce una multiplicación por un factor mayor que tres de las propiedades mecánicas obtenidas.
Utilización de una combinación de óxidos metálicos y una composición activadora alcalina
En la tabla 5 a continuación se detalla la formulación de varios aglutinantes de construcción según la invención. Estos aglutinantes de construcción se diferencian especialmente en que unos comprenden una composición activadora alcalina (una solución con NaTPP en este caso) y otros cemento Portland.
[Tabla 5]
En la tabla 5 se muestra que las formulaciones que comprenden una mezcla de
• escorias de alto horno (EAH) que contienen óxidos metálicos y
• tripolifosfato de sodio
presentan resistencias mecánicas de 45 MPa.
Las formulaciones equivalentes en las que la composición activadora alcalina ha sido reemplazada por cemento CEM1 presentan resistencias mecánicas similares.
Además, la composición de MUPS5-1 que no comprende EAH presenta valores de resistencia a la compresión aceptables, pero más bajos. Esta composición demuestra que, gracias a la presente invención, es posible alcanzar valores de resistencia mecánica mayores que 20 MPa para estos aglutinantes de construcción que comprenden más del 50 % de matriz de arcilla cruda.
Formulación de hormigón a partir de un aglutinante de construcción según la invención
En la tabla 6 a continuación se detalla la formulación de varios hormigones que incluyen un hormigón de referencia formado a partir de cemento Portland (B-Portland) y hormigones formados a partir de aglutinante de construcción según la invención (MUP_BA1, MUP_BA2, MUP_BA3). Estos hormigones se diferencian especialmente por la naturaleza de la matriz de arcilla cruda, por la naturaleza del defloculante y por las composiciones de activación
utilizadas.
[Tabla 6]
Como se muestra en la tabla 6, los hormigones según la invención presentan resistencias a la compresión equivalentes a las resistencias a la compresión obtenidas con un hormigón formado con cemento Portland. Así, la presente invención permite formar un aglutinante de construcción bajo en carbono, a partir de una matriz de arcilla cruda, que presenta suficientes propiedades mecánicas para convertirlo en un material de construcción que satisfaga la mayoría de las necesidades del sector.
Claims (20)
1. Aglutinante de construcción que comprende una matriz de arcilla cruda, un defloculante y una composición activadora, caracterizado por que comprende al menos un 30 % en peso de una matriz de arcilla cruda y al menos un 2 % en peso de óxidos metálicos y porque la composición activadora es una composición activadora alcalina que comprende al menos un compuesto que presenta un pKa mayor o igual que 10.
2. Aglutinante de construcción según la reivindicación 1, caracterizado por que el defloculante se selecciona entre - un tensioactivo no iónico tal como un éter de polioxietileno;
- un agente aniónico tal como un agente aniónico seleccionado entre sulfonatos de alquilarilo, aminoalcoholes, carbonatos, silicatos, ácidos grasos, humatos (por ejemplo, humatos de sodio), ácidos carboxílicos, lignosulfonatos (por ejemplo, lignosulfonatos de sodio), poliacrilatos, fosfatos o polifosfatos tales como hexametafosfato de sodio, tripolifosfato de sodio, ortofosfato de sodio, carboximetilcelulosas y mezclas de estos; - un poliacrilato tal como un poliacrilato seleccionado entre poliacrilato de sodio o poliacrilato de amonio;
- una amina tal como una amina seleccionada entre 2-amino-2-metil-1-propanol; mono-, di- o trietanolamina; isopropanolaminas (1-amino-2-propanol, diisopropanolamina y triisopropanolamina) y etanolaminas N-alquiladas; o
- mezclas de estos.
3. Aglutinante de construcción según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el defloculante representa al menos el 0,25 % en peso del aglutinante de construcción.
4. Aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la matriz de arcilla cruda, el defloculante y la composición activadora forman un sistema de dos componentes o de varios componentes.
5. Aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende - del 30 % al 80 % en peso de una matriz de arcilla cruda;
- del 0,25 % al 20 % en peso de un defloculante; y
- del 10 % al 50 % en peso de una composición activadora.
6. Aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la composición activadora comprende un compuesto organofosforado tal como tripolifosfato de sodio, preferiblemente el compuesto organofosforado representa al menos el 2 % en peso del aglutinante de construcción.
7. Aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que los óxidos metálicos se seleccionan entre óxidos de hierro tales como FeO, Fe3O4, Fe2O3, alúmina Al2O3, óxido de manganeso (II) MnO, óxido de titanio (IV) TiO2 y mezclas de estos.
8. Aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una composición de escorias de alto horno, preferiblemente la composición de escorias de alto horno representa al menos el 5 % en peso del aglutinante de construcción.
9. Aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la composición activadora comprende cemento Portland.
10. Aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la composición activadora comprende metacaolín.
11. Aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que comprende:
- del 40 % al 70 % en peso de una matriz de arcilla cruda;
- del 0,5 % al 6 % en peso de un defloculante;
- del 5 % al 20 % en peso de una composición activadora; y
- del 20 % al 45 % en peso de escorias de alto horno.
12. Procedimiento (100) para preparar un aglutinante de construcción que comprende las siguientes etapas:
- Preparar (110) una suspensión de arcilla que comprenda al menos una matriz de arcilla cruda, un defloculante y agua.
- Añadir (130) una composición activadora a la suspensión de arcilla, siendo dicha composición activadora una composición activadora alcalina que comprenda al menos un compuesto que presente un pKa mayor o igual que 10.
- Mezclar (140) para obtener un aglutinante de construcción, comprendiendo dicho aglutinante de construcción al menos un 30 % en peso de una matriz de arcilla cruda y al menos un 2 % en peso de óxidos metálicos.
13. Procedimiento para preparar un aglutinante de construcción según la reivindicación 12, caracterizado por que comprende una etapa de mezcla (120) de la suspensión de arcilla para obtener una suspensión de arcilla defloculada y porque la composición activadora se añade después de la etapa de mezcla (120).
14. Procedimiento de preparación según cualquiera de las reivindicaciones 12 o 13, caracterizado por que el defloculante representa al menos el 0,25 % en peso del aglutinante de construcción, preferiblemente al menos el 0,5 % en peso del aglutinante de construcción, más preferiblemente entre el 0,5 % y el 10 % en peso del aglutinante de construcción.
15. Procedimiento de preparación según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado por que comprende la adición de áridos, reciclados o no, seleccionados entre cargas, polvos, arenas, gravillas, gravas y/o fibras, y opcionalmente pigmentos.
16. Utilización de un aglutinante de construcción según una de las reivindicaciones 1 a 11, para la producción de elementos de revestimiento, en particular revestimientos de suelos, como baldosas, losas, adoquines o cenefas, revestimientos de paredes, como elementos de fachada interior o exterior, plaquetas de paramento, elementos de recubrimiento o revestimientos de tejados del tipo teja, para la producción de módulos de construcción extruidos o moldeados, como ladrillos, o para la producción de diversas formas extruidas.
17. Utilización de un aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, para la producción de materiales compuestos, tales como paneles de construcción del tipo panel prefabricado, bloques prefabricados como dinteles de puertas o ventanas, elementos de pared prefabricados, o cualquier otro elemento de construcción prefabricado.
18. Utilización de un aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, para la producción de módulos aislantes, tales como paneles divisorios o módulos de construcción aislantes ligeros (con una densidad menor que 1,5 kg/L; preferiblemente menor que 1,2 kg/L; más preferiblemente menor que 1,0 kg/L; más preferiblemente menor que 0,7 kg/L).
19. Utilización de un aglutinante de construcción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, para la producción por fabricación aditiva, como por medio de una impresora 3D, de elementos de construcción, edificios o casas, u objetos decorativos.
20. Utilización, para la preparación de un aglutinante de construcción, de un defloculante en combinación con una matriz de arcilla cruda, representando dicha matriz de arcilla cruda al menos el 30 % en peso del aglutinante de construcción, y comprendiendo una composición activadora alcalina un compuesto que presenta una pKa mayor o igual que 10, comprendiendo dicho aglutinante de construcción al menos un 2 % en peso de óxidos metálicos, permitiendo obtener un hormigón que presenta una resistencia mínima a la compresión en cilindros al día 28, medida por la norma NF EN 206-1, mayor o igual que 20 MPa, preferiblemente mayor o igual que 25 MPa, más preferiblemente mayor o igual que 40 MPa.
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