MX2008010830A - Aglutinante hidraulico universal basado en ceniza volatil tipo f. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere al desarrollo de una formulación aglutinante ecológica y segura, de bajo costo, de usos múltiples, simple y un proceso relacionado, con base en volúmenes elevados de un residuo de ceniza volátil de clase F, activado, alcalino (>760%) sin cemento Portland normal y productos relacionados, que ofrecen un amplio alcance de aplicaciones. Más específicamente, el aglutinante universal se basa en un número muy limitado de componentes (ceniza volátil de tipo F, Escoria de Alto Horno y una mezcla de silicatos y carbonatos de álcali). El aglutinante permite desarrollar considerable resistencia en la etapa temprana (a temperatura ambiente) y resistencias muy elevadas en 28 días. El aglutinante se aplica a pastas, morteros, hormigones y pre-colado con la misma flexibilidad de un Cemento Portland Normal.

Description

AGLUTINANTE HIDRÁULICO UNIVERSAL BASADO EN CENIZA VOLÁTIL TIPO F CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un aglutinante ecológico y seguro, de bajo costo, de uso múltiple, simple que contiene un alto contenido de ceniza volátil de clase F, activada, alcalina (>60% en peso) sin cemento Portland normal. La invención también se refiere a un proceso relacionado y un producto relacionado, ofreciendo un amplio alcance de aplicaciones.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La ceniza volátil es un subproducto de carbón de llama, típicamente generado durante la producción de electricidad en centrales de carbono. Las cenizas volátiles se componen principalmente por aluminosilicatos parcialmente vitrificados, así como fases minerales tales como cuarzo, hematita, magemita, anhidrita, etc., las cuales han estado presentes como impurezas en el carbón original . La ASTM C 618-85 ("Especificación estándar para ceniza volátil y puzolana natural calcinada pura para su uso como una mezcla mineral en hormigón de cemento Portland") ha clasificado la ceniza volátil en dos clases, la Clase C y la Clase F, dependiendo de la suma total de sílice, alúmina y óxido férrico presente. La Clase F contiene más del 70% de los óxidos anteriores y la Clase C contiene menos del 70%, pero más del 50%. La ceniza volátil de Clase F es típicamente baja en óxido de calcio (<8%) mientras que la Clase C tiene un contenido más elevado siendo sub-clasificada en dos categorías: Clase CI (8-20% de CaO) y la Clase CH (>20% de CaO) . Por lo tanto, la ceniza volátil de Clase F no se considera usualmente como un material cementoso por sí mismo, porque, debido a su bajo contenido de óxido de calcio, no puede aglomerarse después de la hidratación para producir fuerza de adhesión en el producto final, contrario a la ceniza volátil de Clase F. La ceniza volátil es un subproducto que tiene que utilizarse y consumirse para reducir su impacto ambiental. Actualmente, se ha utilizado principalmente como un sustituto parcial en Cemento Portland Normal debido a su reactividad puzolánica. Sin embargo, existe una limitación en la cantidad reemplazada debido a que el ritmo de reacción puzolánico es muy bajo a temperatura ambiente causando resistencia baja inicial y neutralización rápida. Recientemente, se han llevado a cabo pruebas para incrementar el ritmo de reacción puzolánico utilizando activadores tales como compuestos alcalino y alcalinotérreo (ROH, R(OH)22), sales de ácidos débiles (R2C03, R2S, RF) y sales silícicas tipo R20(n)Si02, en donde R es un ión alcalino de Na, K o Li. Sin embargo, tampoco la eficiencia de activación es suficiente o existen algunas interacciones indeseadas entre el cemento Portland normal y los activadores, lo cual causa problemas reológicos y/o mecánicos. Este hecho promueve el uso de componentes adicionales, principalmente mezclas, lo cual incrementa la complejidad de la formulación y empeora el desarrollo tecnológico de estos productos. La cantidad elevada de CaO de cal en ceniza volátil de tipo C proporciona el producto residual con propiedades cementosas intrínsecas. Por otro lado, la ceniza volátil de tipo F no desarrolla por sí misma ninguna resistencia en la hidratación, y se requiere una activación del producto para asegurar que el desarrollo de resistencia tendrá lugar en la hidratación. Una ventaja mayor para preferir ceniza volátil de tipo F en lugar de la ceniza volátil de tipo C es la alta disponibilidad en grandes cantidades de ceniza volátil de tipo F y su precio de mercado inferior. Ya que los costos de transportación de los desechos industriales podrían ser un problema clave para la rentabilidad del producto final o aglutinante, la selección de la ceniza volátil tipo F se guía por su disponibilidad en grandes cantidades y su densa distribución geográfica. Durante muchos años, se han propuesto muchas formulaciones y procesos para activar la ceniza volátil o desechos industriales con el fin de utilizarlos como un material cementoso. Las Patentes Norteamericanas 5435843 y 5565028 describen la activación de la ceniza volátil de Clase C a temperatura ambiente con álcali fuerte (pH>14.69) para producir propiedades cementosas. Aun cuando no existe ninguna mención expresa del uso de la ceniza volátil de Clase F en estas patentes, el cemento que contiene una ceniza volátil de Clase C de acuerdo con estas patentes ha limitado la aplicación debido a las propiedades corrosivas (pH>14.6) de los activadores utilizados. La Patente EP0858978 describe que los volúmenes elevados de la ceniza volátil de Clase F activada (>90%) puede utilizarse como un aglutinante cementoso. El aglutinante contiene una mezcla de cenizas volátiles de Clase C y de Clase F en donde la dosis de la ceniza volátil de Clase F tiene que limitarse hasta 60%, debido a su baja reactividad. En este caso, se menciona la ceniza volátil de Clase F, pero se utiliza junto con clinker y mezclas como ácido cítrico, bórax, ácido Bórico, los cuales son muy caros, y KOH, el cual es corrosivo (pH>13) . Además, las formulaciones se vuelven complejas debido a su número elevado (>6) de los componentes presentados. En una forma similar, la patente Norteamericana 5482549 describe una mezcla de cemento que contiene por lo menos 2% en peso de cemento clinker Portland, 2-12% en peso de silicato de sodio, ceniza volátil y escoria de alto horno. La patente especifica que la ceniza volátil tiene que molerse en una superficie especifica de más de 500 metros cuadrados por kg lo cual es muy importante y produce costos de fabricación elevados (consumo de energía, manejo, etc.) . Además, este documento no menciona el uso de ceniza volátil de Clase F. Xu et al. "The activation of Class C-, Class F-Fly Ash and Blast Furnace Slag Using Geopolymerisation" , 8th CAN ET/ACI International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and natural Pozzolans in Concrete, Las Vegas, CA, USA (2004), muestra que la ceniza volátil de Clase F puede únicamente activarse apropiadamente cuando se utiliza una solución de silicato soluble altamente alcalino. Después de esta frase, la patente Norteamericana 5601643 propone una invención relacionada con materiales cementosos de ceniza volátil químicamente activada, de preferencia ceniza volátil de Clase F, en donde el contenido elevado de silicato de metal álcali y/o metal alcalinotérreo se utilizan para obtener mezclas cementosas de resistencia elevada. Sin embargo, esta invención tiene una aplicación limitada debido: 1) a que se necesita una temperatura de curado elevada, 2) se requiere un pH elevado (>14, productos corrosivos) y por lo tanto, son necesarias condiciones de seguridad para manejar la mezcla y 3) el costo de la mezcla es alto debido a las cantidades elevadas de silicatos solubles y álcalis utilizados. Además, esta patente propone utilizar hidróxidos de álcali como activadores, los cuales no pueden emplearse en un estado sólido debido a su afinidad a la humedad, la carbonatación y al enorme calor liberado durante la disolución. Por lo tanto, el material cementoso de acuerdo con esta invención no puede transportarse en una forma de polvo. Además, las formulaciones relacionadas con un contenido elevado de álcalis y un pH elevado provocan problemas de lixiviación de álcali y eflorescencia debido a la sobredosis de activadores. La sobredosis de activadores se debe a la ceniza volátil de Clase F que se considera como un aglutinante y no como un relleno activo, el cual requiere menos dosis alcalina para ser activada. Las Patentes US6572698 y EP 1091913 se relacionan a un aglutinante de aluminosilicato super sulfatado activado que contienen aluminosilicatos , sulfato de calcio y un activador, el cual contiene sales de metal álcali. Se menciona la ceniza volátil como aluminosilicato, pero no se especifica la Clase de ceniza volátil utilizada. Los aglutinantes con más del 90% de ceniza volátil se activaron a temperatura ambiente utilizando polvo de horno para cemento (CKD) y mezclas tales como plastificantes y aceleradores. Shah et Wang. "Development of "Green cement" for sustainable concrete using Cement Kiln Dust (CKD) and Fly Ash", International Workshop on Sustainable Development and Concrete Technology, (Beijing, China, May 20-21, 2004), muestra que la ceniza volátil de Clase F activada con CKD a temperatura ambiente proporciona aglutinantes con resistencia mecánica inicial y final baja. Por lo tanto, la ceniza volátil de las patentes USUS6572698 y EP1091913 tiene que ser cualquiera de la clase C o una mezcla de la mencionada y la Clase F. De este modo, no es posible activar volúmenes elevados de ceniza Volátil de Clase F con CKD. Además, los aglutinantes hechos de CKD no son totalmente ecológicos debido a que el CKD es un subproducto de la industria del cemento. Además, las formulaciones aglutinantes fueron complejas debido a un número elevado de componentes. De este modo, estos productos son caros y su desarrollo tecnológico es deficiente. Un ejemplo de este hecho es el aglutinante propuesto por estas patentes hechas de ceniza volátil, escoria de alto horno, anhidrita, CKD, aceleradores y plastificantes . En este caso, la proporción de la ceniza volátil no excede 40%. Además, el CKD es un subproducto de la industria del cemento cuya calidad, medida principalmente a partir de la cantidad de álcalis, depende de las variaciones de materias primas de la producción del cemento . La Patente W09831644 se refiere a un método para fabricar cemento geopolimérico barato utilizando aluminosilicatos alcalinos de origen geológico. En este caso, el endurecedor se hace de escoria de alto horno y metacaolín. Sin embargo, aunque el inventor puede lograr una reducción de costo de los activadores, el aglutinante ha limitado la aplicación debido al costo elevado del metacaolín el cual es un producto que se origina del caolín calcinado, el cual no es un residuo. Además, el metacaolín es un producto con densidad pequeña y demanda elevada de agua debido a su superficie específica elevada. Este hecho puede producir una demanda más elevada de agua del aglutinante, el cual es contraproducente para las propiedades mecánicas. Puede observarse así que una formulación basada en volúmenes elevados de un residuo de ceniza volátil de clase F activada, alcalina (>60%), que cumple los requerimientos industriales, implicando un número limitado de componentes podría ser de considerable ventaja para la industria de la construcción para proporcionar un aglutinante de múltiples propósitos comparada con las soluciones descritas anteriormente. El propósito de la invención es remediar la desventaja anterior proporcionando un aglutinante, el cual tiene la siguiente característica: - es ecológico, facilidad de formular implicando un número limitado de componentes, seguridad y facilidad para manejar y para preparar con un equipo convencional, - múltiple propósito, versatilidad que se utiliza en bolsas, a granel, como una mezcla preparada, para todo tipo de aplicaciones de morteros y hormigón, - rentabilidad, capacidad de almacenarse durante un largo periodo de tiempo, - capacidad para prepararse en el sitio de la construcción, - sin condiciones específicas de curado. Típicamente, la invención no pretende utilizar ningún cemento o compuestos relacionados con el cemento (como polvos de horno para cemento por ejemplo) . La ventaja de no utilizar cemento en la formulación del aglutinante se basa principalmente en el propósito de simplicidad y polivalencia de la invención. El cemento o las adiciones similares en la formulación conducirán a problemas adicionales de interacciones con los activadores químicos que necesitan eludirse por químicos específicos adicionales, etc., las condiciones especiales de curado, el pH elevado, etc. El propósito de un desarrollo de resistencia temprana, así como la propiedad universal del aglutinante será muy difícil de conseguir. Finalmente, las ventajas ecológicas del producto de acuerdo con la invención se reducirán ya que las adiciones de cemento, clinker o polvo de horno para cemento se correlacionan con emisiones de CO2 adicionales. Se observará en la siguiente descripción que nada de la técnica anterior presenta las características técnicas y nada de la técnica anterior tiene todas las ventajas provistas por la presente invención.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN El aglutinante de múltiples propósitos descrito se refiere a un material cementoso hecho de una simple formulación de máximo 4 componentes, sin tomar en cuenta mezclas convencionales utilizadas para Cemento Portland Normal (por ejemplo, super-plastificantes ) , que es fácil de producir a temperatura ambiente y de operar sin condiciones de seguridad especiales (activadores irritantes con pH<13) , después de un proceso de consistencia, con similares o mejores propiedades (reología, resistencia mecánica, durabilidad, etc.) que el cemento Portland normal (OPC) , y cubriendo un amplio alcance de aplicaciones en varios campos, de preferencia para morteros y hormigón de mezcla preparada . Por lo tanto, el propósito de la invención es proporcionar un aglutinante industrial de múltiples propósitos de bajo costo y simple hecho de residuos activados: volúmenes altos de ceniza volátil de Clase F (>60%), pequeñas cantidades de Escorias de Alto Horno (>28%) y cantidades muy pequeñas de carbonato alcalino industrialmente disponible (R2C03) y silicato alcalino R20 (n)Si02, en donde R es un ión alcalino de Na, K o Li . Un propósito adicional de la invención es proporcionar un aglutinante cementoso industrial que desarrolla resistencia con el tiempo (por ejemplo, después de 2, 7 ó 28 días) en una forma similar que el Cemento Portland Normal a temperatura ambiente (EN 32.5, 42.5 y EN 52.5) . Un propósito adicional de la invención es proporcionar un aglutinante, cuyos costos de fabricación se optimizan, y cumpliendo con los requerimientos industriales de un aglutinante cementoso estándar. Una ventaja importante de la invención es que proporciona un producto y proceso muy consistente, el cual no es sensible sobre las variaciones de la composición química de los desechos industriales (ceniza volátil tipo F y Escoria de Alto Horno) . De este modo, se consiguen siempre los requerimientos de resistencia mecánica esperados . Otra ventaja de la invención es que el precio de fabricación del aglutinante y los costos de producción de los morteros u hormigones basados en el aglutinante son similares a aquellos obtenidos con OPC. Se presentan ventajas ecológicas con esta invención debido a que es un aglutinante cementoso favorable hecho de residuos, con emisiones de CO2 indirectas limitadas y con un consumo bajo de energía durante su producción. Además, la capacidad de lixiviación del álcali se controla por una dosis correcta de activadores asegurando su combinación en los productos de hidratación . Ventajas de seguridad pueden también aparecer ya que el aglutinante y el proceso relacionado no implican el almacenamiento y la manipulación de componentes peligrosos o agresivos. Además, el aglutinante, de acuerdo con la invención, debe tener una durabilidad mejorada y una resistencia mejorada al ataque de sulfato, congelación-descongelación, agua de mar y ácidos. Otras ventajas aparecerán en la siguiente descripción detallada, en donde la invención se entenderá mejor con base en las modalidades ejemplares y los ejemplos comparativos por medio de las siguientes tablas y figuras.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 exhibe la composición mineralógica obtenida por difracción de rayos X de la ceniza Volátil de Clase F y de la Escoria de Alto Horno para elaborar la composición aglutinante de acuerdo con la presente invención; La Figura 2a exhibe una muestra de hormigón cilindrica, típica preparada con un aglutinante de acuerdo con la presente invención; y La Figura 2b exhibe detalles adicionales de la microestructura obtenida.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La Tabla 1 muestra una composición química típica de ceniza volátil de clase F respectivamente, y de escoria de alto horno utilizada para elaborar el aglutinante de acuerdo con la presente invención; La Tabla 2 muestra algunas propiedades típicas representativas de la ceniza volátil de clase F respectivamente, y una escoria de alto horno utilizada para elaborar el aglutinante de acuerdo con la presente invención ; La Tabla 3 muestra algunos ejemplos de la composición de aglutinante presentada en esta invención con valores de resistencia mecánica obtenidos después de 2, 7 y 28 dias a temperatura ambiente. El aglutinante de acuerdo con la invención se fabrica de ceniza volátil, escoria de alto horno y activadores químicos. El aglutinante hidráulico de acuerdo con la invención comprende: - Ceniza volátil que contiene menos de 8% p/p de CaO: 60-85% en peso; - Escoria de alto horno: 8-28% en peso; y - Un activador químico que contiene: o de 1 a 4% en peso de silicatos alcalinos; y o de 7 a 11% en peso de carbonatos alcalinos. Ventajosamente, la ceniza volátil es ceniza volátil de clase F, pura. La ceniza volátil es el componente principal del aglutinante. Las cenizas volátiles se componen principalmente por aluminosilicatos parcialmente vitrificados, así como fases minerales tales como cuarzo, hematita, magnetita, anhidrita, etc., las cuales han estado presentes como impurezas en el carbón original. La ceniza volátil de Clase F contiene más de 70% de sílice, alúmina y óxido férrico y típicamente menos de 8% de óxido de calcio. La Tabla 1 presenta la composición química típica, obtenida por Fluorescencia de rayos X, de la ceniza volátil de clase F (FAF) utilizada en el alcance de esta invención. La Tabla 1 muestra que la composición de ceniza volátil corresponde con los requerimientos de una ceniza volátil de tipo F, con un contenido de CaO de menos de 8%. La composición química presentada en la tabla 1 únicamente representa un ejemplo y la presente invención no se limita a la composición química de la tabla 1. La Tabla 2 también presenta algunas otras propiedades típicas, pero no limitantes de la BFS molida utilizada en el marco de la invención. La ceniza volátil de clase F es principalmente un material finamente dispersado, con una superficie específica de 250 a 350 metros cuadrados por kg . Con el fin de limitar el consumo de energía y reducir el precio de fabricación del aglutinante, la ceniza volátil tipo F no requiere ningún proceso de pre-molienda . La Figura 1 presenta un patrón de Difracción de Rayos X típico realizado en una FAF. Puede observarse que el producto es parcialmente cristalino. Las fases minerales principales encontradas en la FAF se describen con la siguiente nomenclatura: M-Mullita (alumino-silicatos) Q-Cuarzo y MG-Magemita (óxido de hierro) . En la Figura 1, puede también observarse el hecho que el FAF de material a granel también contiene una o más fases amorfas (vitreas), las cuales representan 50-60% en peso. Las fases vitreas, caracterizadas por el halo presentado en el fondo de la Figura 1 (= 19-32 sen20) , están constituidas principalmente por aluminosilicatos . El segundo componente del aglutinante es una escoria de alto horno (BFS) . La BFS es un vidrio de alumino-silicato de calcio altamente impuro que es un sub-producto de la producción de mineral de hierro. La BFS se utiliza típicamente en la industria del cemento como un material puzolánico además del clinker Portland y en la industria del hormigón como una adición a la porción de cemento . La tabla 1 presenta la composición química típica de la BFS utilizada en el alcance de esta invención. La composición típica se obtiene clásicamente por Fluorescencia de Rayos X. La composición química presentada en la tabla 1 únicamente consiste en un ejemplo y la presente invención no se limita a la composición química de la tabla 1. La tabla 2 también presenta algunas otras propiedades típicas, pero no limitantes de la BFS molida utilizada en el marco de la invención. La Figura 1 muestra un patrón de Difracción de Rayos X típico realizado en una BFS. Puede observarse que el producto es principalmente amorfo. El contenido amorfo de la BFS es típicamente más elevado que 90% en peso. La tabla 2 también presenta algunas otras propiedades típicas, pero no limitantes de la BFS molida utilizada en el marco de la invención. La BFS se presenta en la forma de un medio granulado con una superficie específica muy baja. El tamaño de las partículas individuales varía de algunos milímetros a algunos centímetros. Por lo tanto, la BFS tiene que molerse utilizando un molino industrial convencional (molino de barras, molino de bolas) con el fin de obtener una superficie específica de 350 a 600 metros cuadrados por kilogramo. Esta operación es muy convencional en la industria del cemento y el hormigón. De este modo, a diferencia de algunos otros aglutinantes de la técnica anterior, el aglutinante de acuerdo con la presente invención no requiere una operación de pulverización o molienda especial para incrementar la superficie específica a valores muy elevados (sobre 650 metros cuadrados por kg) . Tiene que manifestarse aquí que la energía de molienda varía exponencialmente con la finura. De este modo, los requerimientos para costos de producción de rendimiento enorme de superficie específica elevada en energía y en capacidad de molienda de los molinos industriales ya que la duración de la molienda tiene que ser drástica para alcanzar una finura elevada. La presente invención no requiere operaciones de pulverización de BFS especificas y cumple con los valores que son convencionales para la industria del cemento (350 a 600 metros cuadrados por kg) . Como una consecuencia, la invención hace posible utilizar una BFS molida a partir de una molienda normal terminal, sin producir costos adicionales . La tercera categoría de componentes con respecto a la invención es el activador químico. A diferencia de otros aglutinantes de la técnica anterior, el activador químico únicamente contiene silicatos alcalinos y carbonatos alcalinos. Con el fin de cumplir el objetivo de reducción de costo, el sodio será el álcali seleccionado preferido de acuerdo con una primera modalidad, pero es claro que el litio y/o el potasio pueden reemplazar venta osamente o sustituir parcialmente el sodio para algunas aplicaciones. El carbonato de sodio, también llamado sosa y el silicato de sodio está comercialmente disponible en grandes cantidades industriales y existe en forma sólida (polvos) y en forma líquida. El cuarto componente de acuerdo con el aglutinante es agua. El agua utilizada para la invención no requiere ninguna precaución particular y puede considerarse que cualquier agua que podría utilizarse venta osamente para un Cemento Portland Normal (OPC) puede utilizarse sin restricción con el aglutinante de acuerdo con la presente invención. Aquí, puede observarse que el número de componentes utilizados en la formulación del aglutinante de acuerdo con la invención es muy limitado e industrialmente disponible a bajos costos. Además, ninguno de los componentes requiere algún pre-tratamiento específico y puede utilizarse a partir de los procesos de fabricación convencionales sin producir costos adicionales. Otra ventaja importante de la invención con respecto a los componentes es que no requieren transporte específico, almacenamiento y precaución de riesgo. Como una consecuencia, pueden mezclarse juntos en cualquier lugar, o pre-mezclarse y transportarse, haciendo posible utilizar el aglutinante en el campo como un Cemento Portland Normal. Éste no es el caso para la mayoría de los aglutinantes que requieren una formulación compleja, y requieren valores altos de pH debido a la adición o a las bases tóxicas o corrosivas como hidróxido de sodio concentrado. Con el fin de proporcionar un aglutinante que podría tener la misma flexibilidad y la amplia gama de aplicaciones de un Cemento Portland Normal (OPC) , es importante no sólo enfocar la atención en la resistencia que desarrollará después de 28 días, sino también considerar la resistencia en la etapa temprana. La resistencia después de 2 días es en ese sentido un valor importante para muchas aplicaciones (pre-colado, losas, construcción de edificios, etc.)- Típicamente, un mortero estándar EN (ración de arena a aglutinante de 3) con base en el Cemento Portland Normal, podría producir una resistencia en la compresión a valores de 10-30 MPa después de 48 horas a temperatura ambiente. Es una finalidad de la invención lograr una resistencia temprana similar sin tener que utilizar condiciones de curado especiales a temperatura elevada (curado de vapor, etc.) a fin de respetar la polivalencia, la flexibilidad y el bajo costo del aglutinante. A diferencia de otros aglutinantes descritos en la técnica anterior, el aglutinante de acuerdo con la invención no requiere ningún curado especial para permitir el desarrollo de resistencia aceptable después de 48 horas. Se mostrará que la resistencia de compresión obtenida después de 2 días utilizando condiciones de curado estándares es idéntica a la resistencia de compresión de un Cemento Portland Normal en las mismas condiciones. Los componentes de la invención cementosa novedosa tienen el siguiente papel: La Escoria de Alto Horno es el endurecedor. Reacciona por si misma cuando el pH es bastante elevado (pH>12) y la resistencia puede mejorarse cuando existe un contenido apropiado de álcalis en el sistema. Su papel principal en el aglutinante inventado es implicar y encapsular por su endurecimiento el contenido completo del volumen F de Ceniza Volátil de la clase F. La Ceniza Volátil de Clase F es el relleno activo. Su contenido amorfo superficial puede atacarse cuando el pH es bastante elevado (pH>12) y los productos disueltos pueden proporcionar resistencia cuando existe un contenido apropiado de álcalis en el sistema y durante el desarrollo de resistencia de la Escoria de alto horno. Los carbonatos alcalinos y las sales silícicas de tipo R20 (n)SiC>2 , llamadas silicato alcalino, en donde R es un ión alcalino de Na, K o Li son los activadores. El papel principal de estos productos son: a) incrementar el pH de la solución y b) proporcionar suficientes álcalis y silicatos solubles para reaccionar con la escoria de alto horno y la ceniza volátil de tipo F para el desarrollo de resistencia durante el proceso de curado del aglutinante hidratado. Es deseable remarcar que la activación alcalina que tiene lugar en la presente invención puede llevarse a cabo utilizando activadores no corrosivos (pH debajo de 13) .

Ventajosamente, la relación molar de sílice a álcali del activador se ubica entre 0.1 y 0.4. Aunque los silicatos de álcali presentan la ventaja para proporcionar una fuente de álcali muy concentrada, la selección de carbonatos de álcali como un activador es motivada por razones económicas ya que los carbonatos son baratos, ampliamente disponibles en la forma de material pulverizado. Finalmente, los carbonatos tienen la ventaja para evitar el alto desarrollo de pH, lo cual es una ventaja muy importante con respecto a las cuestiones de seguridad . El mecanismo del aglutinante cementoso novedoso puede explicarse como sigue: Cuando el aglutinante cementoso seco se mezcla con agua, el pH y el contenido de álcalis se incrementan en la mezcla de poro. Este hecho da lugar a las siguientes etapas: a) hidratación superficial de escoria de alto horno, b) ataque superficial de ceniza Volátil de clase F por disolución de silicatos y aluminatos amorfos, c) saturación de iones en la mezcla de solución de poro y la precipitación progresiva de productos amorfos en la BFS y la superficie de partículas de ceniza volátil clase F con el fraguado consecuente de la mezcla hidratada. En las partículas de BFS, los silicatos de calcio hidratado enriquecidos en aluminio y álcalis se forman mientras que en las partículas de ceniza volátil de clase F, se forman los alcalosilicoaluminatos enriquecidos en calcio. La presencia de sílice y álcalis solubles acorta más la hidratación y la formación del gel cementoso, el cual se origina de la BFS que sin su presencia. Este gel encapsula la ceniza volátil de clase F y reacciona con los productos de alcalosilicoaluminato superficial inicial para formar una interfase entre la BFS y las partículas de ceniza volátil de tipo F. Durante la maduración del aglutinante, una difusión de álcalis y iones de OH se lleva a cabo a través de las áreas internas de la BFS y las partículas de FA de tipo F. Al mismo tiempo, la difusión mencionada también ocurre a través de los productos de reacción de BFS-FA de interfase, siendo enriquecida en álcalis y como una consecuencia mejorando el enlace entre el endurecedor y el relleno activo. Este hecho da lugar a una mejora de las propiedades mecánicas y de durabilidad del aglutinante hidratado. El desarrollo de resistencia del aglutinante cementoso novedoso, a temperatura ambiente, depende de la relación de agua/aglutinante, el pH, la concentración de activadores y el contenido amorfo. Es importante observar que, en una modalidad particular de la invención; el activador químico se disuelve en primer lugar en agua para formar una solución del activador, la cual se mezcla entonces con BFS y FAF. Por supuesto, la invención no se limita a los componentes descritos. Se puede por ejemplo, considerar alternativas implicando por ejemplo, la adición de los componentes por residuos industriales y agrícolas que contienen álcalis elevados o sílice amorfa altamente reactiva. Por ejemplo, el humo de sílice, las cenizas de la cascarilla del arroz o los aluminosilicatos naturales como puzolanas volcánicas o zeolitas pueden también agregarse al aglutinante. Se describirán algunas aplicaciones y mezclas. Los diversos componentes se mezclan juntos con el fin de obtener una mezcla en polvo que puede utilizarse y distribuirse en bolsas o a granel y utilizarse como un Cemento Portland Normal. Los diversos componentes se mezclan juntos utilizando un mezclador a granel seco convencional u homogeneizadores giratorios. Este equipo industrial muy simple está disponible en el mercado o puede fabricarse sin dificultad ya que no requiere técnicas de ingeniería avanzadas. De este modo, las mezclas pueden utilizarse como un Cemento Portland Normal común. La TABLA 3 muestra un ejemplo típico del desarrollo de resistencia de morteros preparados con la composición de aglutinante de acuerdo con la invención en 2, 7 y 28 días utilizando la prueba de compresión.

Se prepararon los morteros con un aglutinante de acuerdo con la invención y utilizando arena estándar de acuerdo con EN 196, con una ración de arena-aglutinante de 3. Se realizaron la preparación, el curado y la prueba a temperatura ambiente en condiciones normalizadas. En estos ejemplos, la Escoria de Alto Horno (8-28% en peso) y la ceniza Volátil de Clase F (60-85% en peso) se utilizaron como un endurecedor y un relleno activo respectivamente. El carbonato alcalino industrialmente disponible (R2CO3) y los silicatos alcalinos (R2O (n)SiC>2) se utilizaron como activadores, siendo R ya sea Na o K. El desarrollo de resistencia cumple la expectativa y los morteros presentan una buena resistencia temprana en 2 días y una resistencia mejorada muy alta en 28 días con respecto al Cemento Portland Normal. De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se describirá ahora un método optimizado para usar el aglutinante de acuerdo con la invención con aplicaciones de hormigón, mezcla preparada y pre-colado. El siguiente proceso permite disminuir además el costo global del aglutinante utilizando los métodos más apropiados para incorporar los diferentes componentes del aglutinante y los agregados para constituir un hormigón o un mortero. De acuerdo con una primera modalidad de la invención, el método comprende la siguiente etapa: - la preparación de una solución del activador por disolución del activador químico en agua; (etapa 1) y - mezclar la solución del activador con arena y/o un agregado, ceniza volátil de clase F y escoria de alto horno . De este modo, grandes cantidades de solución del activador pueden prepararse por adelantado. Además, el método es más seguro, debido a que la liberación de calor ocurrirá únicamente durante esta etapa de preparación de solución del activador y no ocurrirá durante la etapa adicional . De acuerdo con una modalidad preferida de la invención, mezclar la solución del activador con arena y/o un agregado, ceniza volátil de clase F y escoria de alto horno comprende las siguientes etapas: a) En un primer mezclador, preparar una mezcla inicial por homogenización de arena y/o un agregado, ceniza volátil de clase F y una pequeña cantidad de agua (etapa 2); b) En un segundo mezclador, preparar la lechada de mezcla de endurecimiento por homogenización de la solución del activador y la escoria de alto horno (etapa 3) ; c) Mezclar la mezcla inicial con la lechada de mezcla de endurecimiento (etapa 4). De este modo, la mezcla final puede lograrse eficientemente ya que la mezcla de endurecimiento obtenida por la etapa 3 es muy fluida. De acuerdo con este método, la duración de mezclado total de las etapas 2 a 4 no excede la duración de mezclado de un proceso normal. En una forma preferida, se proporciona toda el agua requerida durante la etapa 1 y 3 sin la adición de agua durante la etapa 4. De este modo, 100% de la disolución del activador químico se logra durante la etapa 1 ya que durante esta etapa, el agua está disponible. Además, no ocurrirá ninguna liberación de calor relacionada a la disolución de los activadores en agua aunque se mezclen todos los componentes (etapa 4) . Además, la mezcla final se logra más eficientemente ya que la lechada obtenida en la etapa 4 es muy fluida. Finalmente, puede agregarse a la formulación un amplia gama de mezclas orgánicas e inorgánicas si es necesario (en una forma similar al hormigón estándar basado en OPC) para modificar las propiedades del hormigón (un inclusor de aire, superplastificantes , retardantes, aceleradores, etc.).

TABLA 1 SlQ2 AI2Q3 CaO Fe2Q3 K2Q Na2Q gO SQ3 Mn203 TÍQ2 P2QB LOI FA 41.69 25.70 6.15 19.93 1.24 0.00 1.13 0.37 0.10 1.13 0.36 0.66 BFS 34.41 12.28 41.16 0.31 0.31 0.10 5.98 2.58 0.39 1.35 0.00 0.00 TABLA 2 Finura (volumen, %) Color Densidad aparente (kg/m3) densidad (kg/m3) <3 µp 3-32 µ?? >32 um L* a* b* ~~ FA ??5 2~53 &05 42.33 51.62 50.22 1.81 12.65 BFS 0.87 2.96 10.88 78.46 10.65 84.6 0.2 3.58 TABLA 3

Claims (14)

1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo descrito en las siguientes reivindicaciones
2. REIVINDICACIONES 1. Un aglutinante cementoso hidráulico fabricado de ceniza volátil, escoria de alto horno y un activador químico, caracterizado porque comprende: - de 60 a 85% en peso de ceniza volátil que contiene menos de 8% de CaO; - de 8 a 28% en peso de escoria de alto horno; y - un activador químico que contiene: o de 1 a 4% en peso de silicatos alcalinos; y o de 7 a 11% en peso de carbonatos alcalinos. 2. El aglutinante cementoso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la ceniza volátil es ceniza volátil de clase F, pura.
3. 3. El aglutinante cementoso de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la ceniza volátil tiene una superficie específica de 200 a 500 metros cuadrados por kg .
4. 4. El aglutinante cementoso de conformidad con la reivindicación 1 a 3, caracterizado porque la escoria de alto horno tiene una superficie específica de 350 a 600 metros cuadrados por kg.
5. 5. El aglutinante cementoso de conformidad con la reivindicación 1 a 4, caracterizado porque los silicatos alcalinos son silicatos de sodio y/o silicatos de potasio y/o silicatos de litio y los carbonatos alcalinos son carbonatos de sodio y/o carbonatos de potasio y/o carbonatos de litio.
6. 6. El aglutinante cementoso de conformidad con la reivindicación 1 a 5, caracterizado porque los silicatos alcalinos y los carbonatos alcalinos son respectivamente silicatos de sodio y/o de potasio y carbonatos de sodio y/o de potasio.
7. 7. El aglutinante cementoso de conformidad con la reivindicación 1 a 6, caracterizado porque el activador químico tiene una relación molar de sílice a álcali de 0.1 a 0.4.
8. 8. El aglutinante cementoso de conformidad con la reivindicación 1 a 7, caracterizado porque comprende residuos industriales y agrícolas que contienen ya sea un contenido elevado de álcalis (por ejemplo, aluminosilicatos naturales como puzolanas volcánicas o zeolitas) o sílice amorfa altamente reactiva (por ejemplo, humo de sílice o ceniza de cascarilla de arroz) .
9. 9. El mortero, caracterizado porque comprende agua y arena mezclados con un aglutinante de conformidad con la reivindicación 1 a 8.
10. 10. El hormigón, caracterizado porque comprende agua, arena y un agregado mezclados con un aglutinante de conformidad con la reivindicación 1 a 8.
11. 11. Un método para producir mortero u hormigón basado en un aglutinante con la siguiente composición: - de 60 a 85% en peso de ceniza volátil que contiene menos de 8% p/p de CaO; - de 8 a 28% en peso de escoria de alto horno; y - un activador químico, que contiene: - de 1 a 4% en peso de silicatos alcalinos; y - de 7 a 11% en peso de carbonatos alcalinos, caracterizado porque comprende las siguientes etapas : a) Preparar una solución del activador por disolución del activador químico en agua; b) Mezclar la solución del activador con arena y/o un agregado, ceniza volátil de clase F y escoria de alto horno.
12. 12. El método para producir mortero u hormigón de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque se mezcla la solución del activador con arena y/o un agregado, ceniza volátil de clase F y escoria de alto horno, caracterizado porque comprende las siguientes etapas: a) Preparar una mezcla inicial por homogenización de arena y/o un agregado, ceniza volátil de clase F y agua; b) Preparar la mezcla de endurecimiento de lechada por homogenización de la solución del activador y la escoria de alto horno; c) Mezclar la mezcla inicial con la lechada de mezcla de endurecimiento.
13. 13. El método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la mezcla inicial comprende de aproximadamente 1 a aproximadamente 5% en peso de agua.
14. 14. El método de conformidad con la reivindicación 11 a 13, caracterizado porque la ceniza volátil es ceniza volátil de clase F, pura.