MX2013003971A - Cemento a base de fosfato de alta resistencia que tienen baja alcalinidad. - Google Patents

Abstract

La presente invención se relaciona con una mezcla para elaborar un cemento de fosfato de alta resistencia que incluye fosfato monopotásico, un óxido metálico del Grupo IIA en cantidades de aproximadamente 20 a aproximadamente 100 partes por 100 partes del fosfato monopotásico y ortofosfato monocálcico en cantidades de aproximadamente 3 a aproximadamente 30 partes por 100 partes del fosfato monopotásico. Los productos elaborados del cemento de fosfato tienen un pH menor de aproximadamente 9 y el producto desarrolla una resistencia a la compresión mayor de 2000 psi en 24 horas.

Description

CEMENTO A BASE DE FOSFATO DE ALTA RESISTENCIA QUE TIENE BAJA ALCALINIDAD ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los cementos se usan comúnmente como materiales de construcción por muchas razones. Éstos pueden formarse o moldearse en prácticamente cualquier forma. Una suspensión de cemento líquido puede vaciarse mejor en moldes para elaborar productos, tales como bloques de concreto. La suspensión también es útil para formar pisos o paredes de cemento vertido. Las composiciones del piso se conoce que se auto-nivelan y desarrollan una alta resistencia con el tiempo.

Una composición típica para un material de unión cementoso incluye un cemento de silicato, tal como un cemento Portland, arena u otro agregado, agua y aditivos que son específicos para el uso pretendido. Si el uso es, por ejemplo, un piso vertido, los aditivos pueden incluir agentes de fluidización para elaborar la auto-nivelación del piso. Los retardantes de fraguado pueden proporcionarse para dar un tiempo abierto largo para trabajar la superficie para un terminado liso, fuerte. Se adiciona usualmente yeso para mejorar la resistencia en verde de la mezcla fraguada.

La adición de agua a los materiales cementosos inicia las reacciones de hidratación química. En una reacción exotérmica, el agua se enlaza químicamente a los materiales Ref. 240395 cementosos, formando cristales cuya forma es dependiente del material iniciador. A menudo se usa una variedad de materiales cementosos para producir una composición que tiene cristales de una forma particular o que desarrollan algunas características de resistencia. Conforme se forman los cristales hidratados, éstos llegan a ser una matriz cristalina intretejida. La resistencia de la matriz cristalina depende de que tan fácil los cristales se separen entre sí .

Los cementos de secado lento aumentan el costo y el tiempo necesarios para la construcción. Algunos sub-contratantes son incapaces de trabajar después, por ejemplo, de que un poso es vertido, debido a que tiene una resistencia insuficiente para portar el peso de los trabajadores y su equipo. Hay una necesidad en la técnica de una composición cementosa que se endurezca rápidamente y desarrolle una resistencia rápidamente.

Otra desventaja de la mayoría de las composiciones cementosas es que son altamente cáusticas. Las suspensiones de cemento altamente cáusticas son irritantes si se ponen en contacto con la piel. También pueden causar degradación de adhesivos para el azulejo o alfombras.

Hay una necesidad adicional de que una composición cementosa sea de menor pH para que sea más compatible con las personas y los productos que entran en contacto con ésta.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Una mezcla para elaborar un cemento de fosfato de alta resistencia incluye fosfato monopotásico, un óxido de metal del Grupo IIA en cantidades de aproximadamente 20 a aproximadamente 100 partes por 100 partes del fosfato monopotásico, y ortofosfato monocálcico en cantidades de aproximadamente 3 a aproximadamente 30 partes por 100 partes del fosfato monopotásico. Los productos elaborados del cemento de fosfato tienen un pH de por lo menos aproximadamente 9 y el producto tiene una resistencia a la compresión mayor de 13.5 megapascales (2000 psi) en 24 horas.

La mezcla a base de fosfato de esta invención tiene un comportamiento de fraguado extremadamente rápido cuando se mezcla con agua. El tiempo de fraguado del cemento puede variarse desde un fraguado instantáneo hasta varias horas a partir del tiempo de mezclado, variando las proporciones de materia prima. Esta versatilidad en el tiempo de fraguado hace a esta una mezcla muy útil en muchas aplicaciones.

La dureza del cemento también se varía seleccionando las proporciones de materia prima. Se han preparado mezclas de cemento que desarrollan una resistencia a la compresión mayor de (41 megapascales (6000 psi) dentro de 2 horas de mezclado de las materias primas .

Otra ventaja de la presente composición es la capacidad de manipular el pH del material endurecido. El cemento endurecido se prepara opcionalmente para tener un pH en el intervalo de aproximadamente 7.0 a 9.0, de preferencia de aproximadamente 7.0 a aproximadamente 8.0. Un mejor control del pH conduce a menos corrosividad, mejor compatibilidad con otros materiales de construcción y hace al cemento más amigables para el usuario.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 es una gráfica de los datos en la Tabla 1, que muestra la influencia de las cantidades de MCP y MgO sobre el pH del cemento seco; La Figura 2 es una gráfica de los datos de la Tabla 1 que muestran la influencia de las cantidades de MCP y MgO sobre el esfuerzo de compresión de 24 horas; La Figura 3 es una gráfica de los datos de la Tabla 1 que muestran la influencia de las cantidades de MCP y MgO sobre el esfuerzo de compresión húmedo de 7 días; La Figura 4 es una gráfica de los datos de la Tabla 1 que muestran la influencia de las cantidades de MCP y MgO sobre el esfuerzo de compresión de 7 días.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con una mezcla a base de fosfato, seca. Como se describe en la presente, el término "mezcla" se pretende que se refiera a la mezcla seca. La composición aglomerante obtenida mezclando la mezcla con agua se denomina como "cemento" . A menos que se especifique lo contrario, todos los porcentajes, relaciones o cantidades referidas como "partes" se basan en el peso del componente o combinación de componentes. Los componentes básicos de una mezcla a base de fosfato incluyen fosfato monopotásico ( "MKP" ) , un óxido de metal del Grupo IIA y ortofosfato monocálcico ( "MCP" ) .

Un componente básico de la mezcla de cemento a base de fosfato es el fosfato monopotásico. Un ejemplo del MKP apropiado está disponible en ICL Performance Products LP (St. Louis, MO) .

El óxido metálico es preferentemente óxido de magnesio ("MgO" o magnesia). En general, el óxido de magnesio se obtiene quemando los compuestos de magnesio y el MgO se produce en tres formas: calcinado ligero, calcinado fuerte y calcinado a muerte. El MgO de calcinado ligero es el más activo. Se calcina a temperaturas de 700°C a aproximadamente 1000°C. El calcinado fuerte se prepara a temperaturas que oscilan de 1000 °C a aproximadamente 1500 °C. El calcinado a muerte o sobre-calcinado de MgO se prepara bajo las condiciones de proceso más severas y tiene la menor actividad. Esta magnesia de grado refractario se calcina a temperaturas arriba de 1500 °C. Los grados de óxido de magnesio de calcinado fuerte y calcinado a muerte son más útiles en la mezcla de cemento a base de fosfato. Una fuente de MgO sugerida es Martin Marietta Magnesia Specialties (Baltimore, MD) .

En algunas modalidades de la mezcla, el óxido metálico se usa en cantidades de 20 partes a aproximadamente 100 partes de óxido metálico por 100 partes de MKP o en cantidades menores de 80 partes de óxido metálico por 100 partes de MKP. Algunas modalidades usan el óxido metálico en cantidades de aproximadamente 40 partes a aproximadamente 80 partes sobre la misma base. Opcionalmente, el óxido metálico oscila de aproximadamente 50 partes a aproximadamente 70 partes por 100 partes de MKP.

Otro componente de la mezcla es el ortofosfato monocálcico ("MCP") . En algunas modalidades, el MCP se usa en cantidades de aproximadamente 3 a aproximadamente 30 partes por 100 partes de MKP. Algunas otras modalidades usan MCP en cantidades de aproximadamente 7.5 a aproximadamente 30 partes basado en 100 partes de MKP. Algunas otras modalidades usan MCP en cantidades de aproximadamente 20 partes basado en 100 partes de MKP. Un ejemplo de una fuente de MCP es ICL Performance Pruducts LP (St. Louis, MO) .

La mezcla incluye opcionalmente uno o más minerales inorgánicos o aditivos rellenadores , tales como cenizas volantes, humo de sílice, pómez, tierra diatomácea, perlita, metacaolín, escoria, silica triturada, yeso, carbonatos metálicos, talco, mica, arena, microesferas de vidrio huecas, microesferas de cerámicas huecas, microesferas de plástico huecas o combinaciones de los mismos . Se contempla que el mineral o aditivos rellenadores pueden usarse en cualquier forma disponible. A manera de ejemplos, las cenizas volantes pueden usarse como ceniza volante de Clase C o Clase F; el yeso puede estar presente en las formas dihidratada, hemihidratada o anhidra; o la perlita puede estar en su forma natural o expandida. Cuando está presente en las composiciones, los aditivos minerales o rellenadores están presentes en cantidades de hasta aproximadamente 400 partes en peso, con base en 100 partes de MKP más MgO más MCP combinado. Cuando la ceniza volante es el mineral o aditivo de relleno, puede usarse para desplazar cualquiera de los componentes principales de la mezcla de cemento, incluyendo el MKP, el óxido metálico o el MCP, en cantidades hasta cuatro partes de ceniza volante, con base en 100 partes de MKP más MgO más MCP combinado, mientras que se mantiene un desempeño mecánico satisfactorio.

La densidad del cemento fraguado y seco puede variarse de aproximadamente 160 a aproximadamente 2400 kg/cm3 (10 a aproximadamente 150 libras por pie cúbico) . Algunas modalidades del producto tienen densidades de aproximadamente 960 a aproximadamente 1600 kg/m3 (60 a aproximadamente 100 libras por pie cúbico) o de aproximadamente 1120 a aproximadamente 1440 kg/m3 (70 a aproximadamente 90 libras por pie cúbico) . Puede usarse cualquiera de los diferentes métodos para variar la densidad, incluyendo la adición de espuma o el uso de rellenadores de peso ligero. Opcionalmente, los rellenadores de peso ligero incluyen perlita expandida, microesferas huecas y combinaciones de las mismas. Cuando se usa espuma para reducir la densidad, se adiciona opcionalmente un agente de formación de espuma a la mezcla de cemento antes del mezclado, o una espuma pregenerada se combina opcionalmente con la mezcla de cemento combinada .

Se usan opcionalmente materiales de refuerzo sobre la superficie de un producto, tal como un centro de panel, para agregar resistencia. Una opción es agregar fibras discretas al cemento fluido usado para elaborar el centro del panel. Ejemplos de las fibras discretas apropiadas incluyen fibras de vidrio E cortadas, fibras de basalto, fibras de vidrio resistente a álcalis, fibras de cerámica, fibras poliméricas, tal como PVA; polipropileno, polietileno, nailon, fibras de celulosa, fibras metálicas y combinaciones de los mismos. Otra opción es adicionar fibras continuas en el cemento fluido. Ejemplos de los refuerzos continuos incluyen malla de fibra de vidrio, estera de vidrio, fibras de cerámica, fibras Kevlar, polipropileno, polietileno, poliéster, cloruro de polivinilo, fibras de nailon o combinaciones de los mismos. También es útil cualquiera de los refuerzos continuos o discretos sobre la superficie de un panel elaborado con el cemento. También se contempla el uso de cualquier combinación de refuerzos, tales como el uso de fibras discretas en los refuerzos central y continuo sobre la superficie de un panel de construcción.

Otro aspecto de la suspensión de cemento es el pH.

Algunas modalidades del cemento tienen un pH menor de aproximadamente 9. Un número de modalidades preferidas también tienen un pH menor de aproximadamente 8. Otro intervalo de pH útil es de aproximadamente 7.0 a aproximadamente 8.5. Las proporciones de MKP, MgO y MCP se varían para obtener un pH satisfactorio. Para disminuir el pH, la relación de MgO se disminuye con relación a las cantidades de MKP y MCP.

Los productos obtenidos de este producto también son de alta resistencia. En algunas modalidades, el cemento se usa para elaborar un producto de piso autonivelante que tiene una resistencia a la compresión mayor de 10 megapascales (1500 psi) obtenida en 24 horas ó 13.5 megapascales (2000 psi) en 24 horas . En algunas modalidades del producto de piso autonivelante, la resistencia a la compresión mayor de 20 megapascales (3000 psi) se obtiene dentro de dos horas en un número de modalidades. El fraguado rápido y el desarrollo de la resistencia es ventajoso, por ejemplo, en los materiales del piso, de manera que los contratistas pueden continuar si trabajo tan pronto como se vierte el cemento. Como se usa en esta descripción, la "resistencia" es una medida de la resistencia del material como una totalidad. Ésta es para diferenciarla de la dureza superficial, la cual no necesariamente describe una sustancia que es fuerte en todo su recorrido.

La mezcla es un polvo seco que se combina con agua para elaborar una suspensión cementosa fluible. El agua se usa en cantidades suficientes para formar una consistencia apropiada para el uso pretendido. En algunas modalidades, se adiciona agua para hacer una suspensión fluible. Otros usos requieren que una suspensión sea atomizable. Cuando están siendo preparados productos para el piso, a menudo es importante tener una suspensión autonivelante . En general, la suspensión autonivelante requiere más agua que un piso terminado, sin embargo, el aumento en la capacidad de flujo también se logra mediante la adición de dispersantes u otros químicos conocidos para este propósito. En algunas modalidades se usa agua en cantidades de aproximadamente 5 a aproximadamente 45 partes de agua por 100 partes de mezcla. Otra modalidades usan agua en el intervalo de aproximadamente 7.5 a aproximadamente 40 partes por 100 partes de mezcla seca. En aún otras modalidades, el agua se adiciona en cantidades de aproximadamente 10 a aproximadamente 30 partes por 100 partes de mezcla seca.

El agua usada para elaborar el cemento debería ser tan pura como práctica para un mejor control de las propiedades de la suspensión y el producto fraguado. Las sales de compuestos orgánicos son bien conocidas para modificar el tiempo de fraguado del cemento, variando ampliamente desde los aceleradores hasta los inhibidores de fraguado. Algunas impurezas provocan irregularidades en la estructura ya que se forma una matriz ' cristalina de enclavamiento, reduciendo la resistencia del producto fraguado. De esta manera, la resistencia y la consistencia del producto se mejoran mediante el uso de agua, que es un tan libre de contaminantes como práctica.

Los componentes de la suspensión cementosa se combinan de cualquier manera como se conoce en la técnica. En algunas modalidades, todos los componentes secos se combinan entre sí y se embolsan para la venta como la mezcla seca. En un sitio de trabajo, la mezcla seca se combina con agua para formar la suspensión. Otro método para elaborar una suspensión es agregar los componentes secos combinados en un mezclador. Algunos componentes secos también pueden adicionarse al agua separadamente de otros componentes, ya sea secuencial o simultáneamente. Puede obtenerse un endurecimiento muy rápido con algunas modalidades de esta invención. Debe tenerse cuidado en que la combinación y mezclado de los componentes se presenta suficientemente rápido que la suspensión no se fragua antes de ser formada en el producto.

Puede elaborarse una variedad de productos usando el cemento a base de fosfato de esta invención, que incluyen, pero no se limitan a paneles estructurales, base para techos, contrapisos autonivelantes , azulejos para techos, elementos laterales de paredes exteriores, formas estructurales con secciones sólidas o huecas, materiales de reparación, mortero o lechada delgada, recubrimientos o concreto para estabilización de pendiente.

Cuando se usa para elaborar paneles, la suspensión de cemento se vierte opcionalmente en un molde o se elaboran paneles usando un proceso de vaciado continuo mediante cualquier método conocido en la técnica. Los paneles cementosos se usan para las aplicaciones en piso, techo y revestimiento. Los paneles se refuerzan usualmente con fibras discretas, tales como fibras de vidrio E cortadas, fibras de basalto, fibras de cerámica, fibras poliméricas, fibras metálicas, etc. Otra opción es el uso de refuerzos continuos, tales como malla de fibra de vidrio, estera de vidrio, estera de basalto, mallas, cañamazo, mallas no tejidas fabricadas de materiales orgánicos o inorgánicos, tales como fibras de cerámica, fibras Kevlar, polipropileno, polietileno, poliéster, cloruro de polivinilo, nailon y similares. La suspensión de cemento fluye del mezclador para depositarse en una superficie móvil, ya sea directamente sobre la superficie o sobre un revestimiento. La cara opcional es de papel, fibra de vidrio, cañamazo, película de plástico u otros materiales de revestimiento. Cualquiera de los materiales de refuerzo puede estar sobre la superficie del panel, en el centro del panel o ambos. Se contempla que cualquiera de estos materiales de refuerzo sean combinados con cualquier otro de los materiales de refuerzo, que las fibras discretas y las mallas continuas sean usadas juntas o que las fibras discretas estén presentes en el centro del panel y una malla de fibra continua esté presente sobre la superficie del panel.

Otra modalidad de la invención es un panel estructural aislado. Estos paneles son útiles como aplicaciones de placas de base de cemento interiores o exteriores, así como paneles, como paneles de revestimiento exteriores, como bases para techos. Los paneles estructurales aislados de acuerdo con la presente invención pueden elaborarse usando materiales de reforzamiento de revestimiento sobre el cemento. Ejemplos de loa materiales de reforzamiento de revestimiento incluyen, pero no se limitan a, malla de fibra de vidrio, estera de vidrio, estera de basalto y mallas, mallas no tejidas elaboradas de otros materiales inorgánicos y orgánicos, tales como fibras de cerámica, fibras Kevlar, polipropileno, polietileno, cloruro de polivinilo, fibras de cerámica, fibras poliméricas, tales como alcohol polivinílico , polipropileno, polietileno, nailon, fibras de celulosa, fibras metálicas y similares. Estos paneles también son útiles como bases para techos, paneles de armadura, paneles aislantes, azulejos de techos y paneles.

Las bases para pisos se preparan vertiendo el cemento directamente sobre el espacio que será ocupado por el piso. Las bases pueden ser del tipo autonivelante, o pueden verterse y terminarse usando las herramientas de terminado convencionales . Los cementos autonivelantes son frecuentemente menos viscosos que otras bases debido a la adición de dispersantes u otros aditivos que mejoran la capacidad de flujo. También puede usarse agua para elaborar la base fluible, pero el uso de demasiado agua también puede reducir la resistencia del producto. Las composiciones vertibles también son útiles como una base de cubierta sobre losas de concreto y otras sustancias.

Algunas modalidades de esta invención son capaces de formarse, pero no son autonivelantes . Estas modalidades incluyen, pero no se limitan a, materiales de reparación y recubrimiento, tales como para carreteras, morteros de fraguado delgado, materiales de lechada y compuestos de unión para paneles de yeso y cemento y otras aplicaciones. El cemento a base de fosfato también se contempla para el uso como un recubrimiento, que incluye recubrimientos cementosos, recubrimientos atomizables y concreto para estabilización de pendiente y recubrimientos de túneles. Esta composición puede usarse en cualquier aplicación en donde son ventajosos un fraguado fuerte, rápido y una resistencia temprana rápida.

Otras modalidades de esta invención son los azulejos para techos, elementos laterales de paredes exteriores, paneles de paredes, paneles de pisos, paneles de techos, formas estructurales con secciones sólidas o huecas, azulejos de cerámica sintéticos y piedras sintéticas.

EJEMPLO Se prepararon una serie de composiciones para probar las cantidades relativas de la sal de fosfato ácido, óxido metálico y aglomerantes de ortofosfato monocálcico. Se seleccionó el óxido de magnesio calcinado a muerte como el óxido metálico y el fosfato monopotásico es un ejemplo de la sal de fosfato ácido. Además de las cantidades de MKP, MgO y MCP mostradas en la Tabla 1, cada muestra de cemento también incluyó 360 gramos de un rellenador, conocido como FILLITE 500®, 450 gramos de agua y 12 gramos de ácido bórico. En la Tabla 1, la columna marcada "24 Hr" , es la resistencia a la compresión de 24 horas en psi (newtons/centimetro cuadrado), "Húmedo de 7 días" es la resistencia a la compresión húmeda de 7 días en psi (newtons/centimetro cuadrado) y "seco de 7 días" es la resistencia a la compresión de 7 días en psi (newtons/centimetro cuadrado) . El pH reportado es el del material del producto endurecido.

TABLA 1 Las Figuras 1-4 muestran los efectos de la variación de las relaciones de MCP, MKP y MgO en un cemento a base de fosfato. En la Figura 1, se reporta el pH del material endurecido. A relaciones menores de MgO, en general, el pH aumenta con la cantidad de MCP. Sin embargo, entre 70 y 80 partes de MgO, el pH más alto se produce a la dosificación menor de MCP .

La resistencia a la compresión de 24 horas se resume en la Figura 2. A 0 MCP y las dosis más altas de MCP, la resistencia a la compresión fue claramente baja. Las dosificaciones intermedias de MCP, tal como 3.75 a 30 partes de MCP por 100 partes de MKS, produjeron una resistencia mayor a niveles de MgO menores de 60 partes de MgO por 100 partes de MKP .

De manera similar, la resistencia a la compresión seca y húmeda de 7 días es más alta a los valores intermedios de MCP cuando se visualiza sobre el intervalo total de niveles de MgO. De esta manera, los resultados de estos experimentos soportan los intervalos reivindicados de MCP y MgO a niveles constantes de MKP.

Mientras que se ha mostrado y descrito una modalidad particular del cemento a base de fosfato, será apreciador por los experimentados en la técnica que los elementos de las modalidades particulares pueden intercambiarse con las de otras modalidades. Estos y otros cambios y modificaciones pueden hacerse a la misma sin apartarse de la invención en sus aspectos más amplios y como se establece en las siguientes reivindicaciones.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (10)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Mezcla de fosfato para elaborar un cemento de alta resistencia; caracterizada porque comprende: fosfato monocálcico; un óxido metálico del Grupo IIA en cantidades de aproximadamente 20 a aproximadamente 100 partes por 100 partes del fosfato monopotásico ; y ortofosfato monocálcico en cantidades de aproximadamente 3 a aproximadamente 30 partes por 100 partes del fosfato monopotásico ; en donde las proporciones de fosfato monopotásico, óxido metálico del Grupo IIA y ortofosfato monocálcico se seleccionan de manera que el producto fraguado tenga un pH menor de aproximadamente 9 y el producto fraguado tiene una resistencia a la compresión mayor de 13.5 megapascales (2000 psi) en 24 horas.

2. La mezcla de fosfato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el metal del Grupo IIA es magnesio.

3. La mezcla de fosfato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el óxido de magnesio es óxido de magnesio de calcinado duro o calcinado a muerte.

4. La mezcla de fosfato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende un rellenador seleccionado del grupo que consiste de arena, microesferas de vidrio huecas, microesferas de cerámica huecas, microesferas de plástico huecas, pómez, perlita expandida, tierra diatomácea y combinaciones de los mismos.

5. La composición de la mezcla de fosfato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende fibras de refuerzo discretas.

6. La mezcla de fosfato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende un material de refuerzo continuo.

7. Suspensión de cemento a base de fosfato, caracterizada porque comprende: la composición de conformidad con la reivindicación 1; y agua, que se han combinado para elaborar una suspensión fluible.

8. Método para elaborar un producto continuo, caracterizado porque comprende: obtener la suspensión de conformidad con la reivindicación 7 ; formar la suspensión para formar un producto cementoso; y dejar endurecer la suspensión.

9. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la etapa de formación además comprende formar un producto para suelo.

10. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque además comprende formar un producto de panel .