MX2013006638A - Compuesto geopolímero para hormigón de ultra alto rendimiento. - Google Patents
Compuesto geopolímero para hormigón de ultra alto rendimiento.Info
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Abstract
Un hormigón de compuestos geo polimérico de ultra alto rendimiento (GUHPC), y métodos para hacer el mismo, se proporcionan en la presente descripción, el GUHPC comprende: a) Un aglutinante que comprende uno o mas seleccionados del grupo que consiste de aluminosilicato reactivo y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo b) un activador alcalino que comprende una solución acuosa de hidróxido metálico y silicato metálico y c) uno o mas agregados.
Description
COMPUESTO GEOPOLÍMERO PARA HORMIGÓN DE ULTRA ALTO RENDIMIENTO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a aglutinantes de compuestos geopoliméricos para hormigón de ultra alto rendimiento y métodos de fabricación y uso de los mismos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La siguiente descripción de los antecedentes de la invención se proporciona simplemente como una ayuda en la comprensión de la invención y no se admite para describir o constituir técnica anterior a la invención.
Durante los últimos diez años, se han hecho avances considerables en el desarrollo de hormigones de alto rendimiento, o más recientemente de ultra alto rendimiento, con cemento Portland. El hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC) representa una etapa de desarrollo importante sobre el hormigón de alto rendimiento (HPC), a través del logro de una resistencia muy alta y muy ba a permeabilidad. Típicamente, la resistencia a la compresión de los UHPC varía de aproximadamente 120 a 400 MPa, su resistencia a la tracción varía de aproximadamente 10 a 30 MPa, y su módulo de elasticidad está en el intervalo de aproximadamente 60 a 100 GPa .
El UHPC se beneficia al ser un material de "defecto
mínimo" - un material con una mínima cantidad de defectos tales como micro grietas y poros interconectados con una densidad de empaque máxima. Un método para minimizar los defectos es el método libre de macrodefectos (MDF) , que usa polímeros para rellenar los poros en la matriz de hormigón. El proceso que se requiere para la fabricación de hormigones MDF es muy exigente, e incluye laminación y planchado. Los hormigones MDF .son susceptibles a daños por el agua, tienen una gran cantidad de fluencia, y son muy frágiles. Otro método para minimizar los defectos es el método de Densificado con Partículas Pequeñas (DSP), que usa grandes cantidades de superplasti ficante y humo de sílice en la mezcla de hormigón. Los hormigones DSP deben usar cualquiera de los agregados gruesos extremadamente duros o eliminarlos por completo con el fin de evitar que los agregados sean el componente más débil de la mezcla. Los hormigones DSP no requieren las condiciones de fabricación extremas que requieren los hormigones MDF, pero los hormigones DSP tienen una resistencia a la tracción muy inferior. Se ha considerado añadir fibras de acero para mejorar la ductilidad del hormigón DSP.
Los principios empleados en el UHPC convencional incluyen la mejora de la homogeneidad a través de la eliminación del agregado grueso; densidad de empaque mejorada
por la optimización de la mezcla granular a través de una amplia distribución de las clases de tamaño de polvo; propiedades de la matriz mejoradas por la adición de un preparado puzolánico, tales como humo de sílice; propiedades de la matriz mejoradas por la reducción de la relación agua/aglomerante; ductilidad mejorada por la inclusión de fibras de acero pequeñas; y rendimiento mecánico mejorado a través del tratamiento térmico después de fraguado (90-150 °C) para transformar los hidratos amorfos en productos cristalinos, que hacen posible una microestructura mejorada ( tobermorita, xonotlita) .
Varios tipos de UHPC se han desarrollado en diferentes países y por diferentes fabricantes. La principal diferencia entre los diversos tipos de UHPC es el tipo y la cantidad de fibras usadas. Los cuatro tipos principales de UHPC son Ceracem/BSI, compuestos compactos reforzados (CRC), compuesto de cemento multi-escala (MSCC), y el hormigón en polvo reactivo (RPC) . El RPC es el UHPC más comúnmente disponible y uno de esos productos se comercializa actualmente bajo el nombre Ductual® por Lafarge, Bouygues y Rhodia .
Las mezclas de hormigón RPC por lo general contienen arena fina (150-600 µ?t?) , cemento Portland (<100 µp\) , humo de sílice (0.1-0.2 µp?) , cuarzo triturado (5-30 µ??) , fibras
cortas, superplastificante, y agua. Una mezcla de hormigón RPC típica tiene aproximadamente 38.8 % de arena, 22.7 % de cemento Portland, 10.6 % de humo de sílice, 8.1 % de cuarzo triturado, 2.0 % de fibra de acero o fibra orgánica, 1.4 % de superplastificante, y 16.5 % de agua (todo en por ciento en volumen) .
El cemento Portland es el aglutinante principal que se usa en el UHPC convencional, pero en una proporción mucho más alta en comparación con el hormigón normal o HPC. El cemento con altas proporciones de aluminato tricálcico (C3A) y silicato tricálcico (C3S), y una finura Blaine inferior son deseables para el UHPC convencional, ya que C3A y C3S contribuyen a la alta resistencia inicial y la menor finura Blaine reduce la demanda de agua. La adición de humo de sílice cumple varias funciones, que incluyen el empaque de las partículas, el aumento de la capacidad de flujo debido a la naturaleza esférica, y la reactividad puzolánica (reacción con el producto de hidratacion hidróxido de calcio más débil) que conduce a la producción de silicatos de calcio adicionales. La arena de cuarzo con un diámetro máximo de aproximadamente 600 µp? es el constituyente más grande, aparte de las fibras de acero. Tanto el cuarzo triturado (aproximadamente 10 µ?t?) y la arena de cuarzo contribuyen al empaque optimizado. Al reducir la cantidad de agua necesaria
para producir una mezcla de fluido, y por lo tanto la permeabilidad, el superplastificante de policarboxilato también contribuye a la mejora de la funcionalidad y la durabilidad. Finalmente, la adición de fibras de acero ayuda en la prevención de la propagación de microgrietas y macrogrietas y de ese modo limita el ancho de la grieta y la permeabilidad .
A pesar de las ventajas de rendimiento que ofrece el UHPC, la implementacion ha sido lenta. Existen varias razones posibles para esto, que incluyen la falta de un beneficio financiero claro para los fabricantes. Como era de esperar, los costos de fabricación de los componentes de UHPC son significativamente más altos que los costos de fabricación de los componentes de hormigón convencionales. Además, el mayor costo de los materiales constituyentes en el UHPC significa necesariamente que el UHPC tiene un costo por unidad de volumen mayor que los hormigones convencionales y los de alto rendimiento. Gran parte del costo del UHPC proviene de su fibra de acero, el superplastificante, y la sílice pirogénica de alta pureza. El hormigón reforzado con fibras de ultra alto rendimiento generalmente se cura con calor y/o presión para mejorar sus propiedades y para acelerar la reacción de hidratación del aglutinante, que también incrementa el costo de fabricación.
La presente invención se refiere el uso de aglutinantes de compuestos geopolímeros (GC), a cambio del cemento Portland, para aplicaciones de hormigón de ultra alto rendimiento (GUHPC) .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Un aspecto de la presente invención proporciona una mezcla de hormigón de compuesto geopolimérico de ultra alto rendimiento (GUHPC), que comprende: (a) un aglutinante que comprende uno o más seleccionado del grupo que consiste de aluminosilicato reactivo y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo; y (b) un activador alcalino que comprende una solución acuosa de hidróxido metálico y silicato metálico, y (c) uno o más agregados.
En algunas modalidades, el aglutinante comprende aproximadamente 10 a 50 % en peso de la mezcla GUHPC. En algunas modalidades, el aglutinante comprende uno o más aluminosilicatos reactivos que comprenden aproximadamente 0 a 30 % en peso de la mezcla GUHPC. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más aluminosilicatos reactivos se seleccionan del grupo que consiste de metacaolin, vidrios de aluminosilicato reactivos, y ceniza voladora ultrafina Clase F. En algunas modalidades, el uno o más aluminosilicatos reactivos comprenden metacaolin.
En algunas modalidades, el aglutinante comprende uno
o más aluminosilicatos alcalinotérreos reactivos, que comprenden aproximadamente 2 a 40 % en peso de la mezcla de GUHPC. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más aluminosilicatos alcalinotérreos reactivos se seleccionan del grupo que consiste de escoria granulada de altos hornos, aluminosilicato de calcio vitreo (VCAS), ceniza voladora Clase C, y polvo de horno de hormigón. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más aluminosilicato alcalinotérreo reactivo comprenden escoria granulada de altos hornos molida.
En algunas modalidades, el aglutinante comprende aluminosilicato reactivo y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo. En algunas modalidades relacionadas, la masa del aluminosilicato reactivo es hasta aproximadamente 10 veces, preferentemente hasta aproximadamente 1.5 veces, preferentemente de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.8 veces, la masa del aluminosilicato alcalinotérreo reactivo. En algunas modalidades relacionadas, la masa del aluminosilicato alcalinotérreo reactivo es hasta aproximadamente 20 veces, preferentemente de aproximadamente 2 a aproximadamente 5 veces, la masa del aluminosilicato reactivo. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más aluminosilicato reactivo comprende aproximadamente 2 a aproximadamente 15 % en peso de la mezcla GUHPC. En algunas modalidades relacionadas, el aluminosilicato alcalinotérreo
reactivo comprende aproximadamente 8 a aproximadamente 25 % en peso de la mezcla GUHPC.
En algunas modalidades, la mezcla GUHPC comprende además uno o más rellenadores, que comprende hasta aproximadamente 35 % en peso, preferentemente de aproximadamente 2 a aproximadamente 25 % en peso, de la mezcla GUHPC. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más rellenadores comprenden uno o más rellenador reactivo. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más rellenadores se selecciona del grupo que consiste de polvo de cuarzo triturado, ceniza voladora Clase F, ceniza voladora Clase C, zeolita, desechos de vidrio molidos, humo de silice, ceniza voladora ultrafina, sílice precipitada, y alúmina micrónica. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más rellenadores comprenden humo de sílice. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más rellenadores comprenden . polvo de cuarzo triturado y humo de sílice. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más rellenadores comprende ceniza voladora Clase C. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más rellenadores comprenden ceniza voladora Clase F. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más rellenadores comprende humo de sílice y ceniza voladora Clase F. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más rellenadores comprende humo de sílice y ceniza voladora Clase
C. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más rellenadores tiene un tamaño de partículas de entre 1 y 75 µp?, y se selecciona del grupo que consiste de cuarzo triturado, ceniza voladora Clase F, ceniza voladora Clase C, zeolita, vidrio molido, metacaolín, escoria granulada de altos hornos molida, escoria de horno ultrafina, y ceniza voladora ultrafina. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más rellenadores tiene un tamaño de partículas de entre aproximadamente 0.05 y 1 µ?t?, y se selecciona del grupo que consiste de humo de sílice, sílice precipitada, carbonato de calcio ultrafino, alúmina micrónica, y partículas submicrónicas de óxidos metálicos.
En algunas modalidades, el uno o más agregados comprende aproximadamente 0 a 75 % en peso, preferentemente aproximadamente 30 a 60 % en peso de la mezcla de GUHPC. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más agregado comprenden materia particulada con un tamaño de partícula de aproximadamente 0.075 a 10 mm. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más agregado comprende uno o más agregado grueso que tiene un tamaño de partícula de entre aproximadamente 0.075 y aproximadamente 10 mm que se selecciona del grupo que consiste de arena de cuarzo, granito, basalto, gneis, escoria granulada de altos hornos molida, caliza y arena de bauxita calcinada. En algunas
modalidades relacionadas, el uno o más agregado comprende un agregado fino con un tamaño de partículas de entre aproximadamente 0.075 y 0.75 mm. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más agregado comprenden arena de albañilería, arena fina de río, o ambas.
En algunas modalidades, la solución activadora alcalina comprende aproximadamente 10 a 40 % en peso, con mayor preferencia aproximadamente 15 a aproximadamente 25 % en peso, de la mezcla GUHPC. En algunas modalidades, el hidróxido metálico comprende aproximadamente 2 a 15 % en peso como M20 de la mezcla GUHPC. En algunas modalidades, el hidróxido metálico comprende hidróxido sódico, hidróxido potásico, o ambos. En algunas modalidades, el hidróxido metálico comprende aproximadamente 2 a 10 % en peso como M20 de la mezcla GUHPC. En algunas modalidades, el agua de la solución activadora alcalina comprende aproximadamente 4 a 25 % en peso, con mayor preferencia aproximadamente 5 a 15 % en peso, de la mezcla GUHPC.
En algunas modalidades, el silicato metálico comprende aproximadamente 2 a 10 % en peso como Si02 de la mezcla GUHPC. En algunas modalidades, el silicato metálico comprende un silicato de metal alcalino o un silicato de metal alcalinotérreo . En algunas modalidades, el silicato metálico comprende silicato sódico, silicato potásico, o
ambos .
En algunas modalidades, la mezcla GUHPC comprende además una o más fibras, que comprende aproximadamente 0 a 15 % en peso de la mezcla GUHPC. En algunas modalidades relacionadas, la una o más fibra comprende una o más fibras seleccionas del grupo que consiste de fibra orgánica, fibra de vidrio, fibra de carbono, nano fibra, y fibra metálica. En algunas modalidades relacionadas, la una o más fibra comprende fibra de acero.
En algunas modalidades, la mezcla GUHPC comprende además uno o más potenciadores de resistencia, que comprenden hasta aproximadamente 2 % en peso de la mezcla de GUHPC. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más potenciador de resistencia se seleccionan del grupo que consiste de hidróxido aluminico, carbonato alcalino, fosfato alcalino, sulfato alcalino, oxalato alcalino, y fluoruro alcalino. En algunas modalidades relacionadas, el uno o más potenciadores de resistencia se selecciona del grupo que consiste de hidróxido aluminico, carbonato sódico, fosfato sódico, sulfato de sodio, oxalato sódico, y fluoruro sódico.
En algunas modalidades, la mezcla GUHPC comprende además sólidos superplasti ficantes , que comprenden hasta aproximadamente 5 % en peso de la mezcla GUHPC.
En algunas modalidades, la mezcla GUHPC comprende
además un retardador de fraguado. En algunas modalidades relacionadas, el retardador de fraguado comprende hasta aproximadamente 5 % en peso de la mezcla GUHPC.
En algunas modalidades, la densidad de empaque de todos los componentes sólidos en la mezcla GUHPC al menos 0.5 (v/v) , tal como al menos 0.6 (v/v); tal como al menos 0.75 (v/v) .
En algunas modalidades, la mezcla GUHPC resulta en un producto GUHPC con una resistencia a la compresión el día 28 de al menos aproximadamente 10,000 psi (68.95 MPa), tal como al menos aproximadamente 20,000 psi (137.9 MPa), tal como al menos aproximadamente 25,000 psi (172.4 MPa).
En algunas modalidades, la mezcla GUHPC resulta en un producto GUHPC con un tiempo de fraguado de aproximadamente 30 minutos a 3 horas.
En algunas modalidades, la mezcla GUHPC resulta en un producto GUHPC con una temperatura de fraguado entre aproximadamente 0 y 150 °C, tal como entre aproximadamente 20 y 90 °C.
En otro aspecto, se proporcionan métodos para preparar productos de hormigón de compuesto geopolimérico de ultra alto rendimiento (GUHPC) a partir de mezclas GUHPC descritas en la presente descripción. En algunos métodos, una mezcla seca de GUHPC se mezcla con una solución activadora
para formar una pasta de GUHPC; que se fragua y se cura para formar un producto GUHPC. En estos métodos, la mezcla seca de GUHPC comprende un aglutinante a aproximadamente 10 a 50 % en peso, el aglutinante comprende uno o más seleccionado del grupo que consiste de aluminosilicato reactivo y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo, y la solución activadora comprende una solución acuosa de hidróxido metálico y silicato metálico. La mezcla seca de GUHPC comprende una o más seleccionada del grupo que consiste de agregado, rellenador, y fibra.
En algunas modalidades, el hidróxido alcalino comprende uno o más de hidróxido sódico e hidróxido potásico o ambos.
En algunas modalidades, el mezclado se realiza con un mezclador intensivo.
En algunas modalidades, la pasta de GUHPC comprende además una o más seleccionada del grupo que consiste de potenciador de resistencia, sólidos superplasti ficantes y retardador de fraguado.
En algunas modalidades, el producto GUHPC comprende una o más fibras, las que se añaden a la pasta vertible GUHPC antes del fraguado.
En algunas modalidades, el producto GUHPC comprende uno o más potenciadores de resistencia, los que se añaden a
la solución acuosa de uno o más activadores alcalinos antes de mezclar con la mezcla seca de GUHPC.
En algunas modalidades, la solución activadora tiene una concentración molar de hidróxido alcalino de aproximadamente 5 a aproximadamente 15, preferentemente de aproximadamente 7 a aproximadamente 12.
En otro aspecto, se proporcionan métodos de fabricación de un producto de hormigón de compuesto geopolimérico de ultra alto rendimiento (GUHPC) de una mezcla GUHPC donde los componentes de una mezcla GUHPC se mezclan en un mezclador intensivo hasta que la mezcla progresa a través de una consistencia similar a gránulo y se convierte en una pasta vertible suave con mezclado continuado. En estas modalidades, la mezcla GUHPC comprende una solución activadora y un aglutinante; la solución activadora comprende una solución acuosa de hidróxido metálico y silicato metálico, el aglutinante comprende uno o más seleccionado del grupo que consiste de aluminosilicato reactivo y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo. En algunas modalidades, la mezcla GUHPC tiene una relación agua a geopolimeros sólidos (W/C) de entre aproximadamente 0.12 a 0.65; tal como entre aproximadamente 0.2 a 0.5; tal como entre aproximadamente 0.3 a 0.45.
El término "aproximadamente" tal como se usa en la
presente con referencia a las mediciones cuantitativas no incluye la medición de la masa de un ión, se refiere al valor indicado de más o menos 10%. A menos que especifique de cualquier otra forma, "un" o "uno" significa "uno o más."
El sumario de la invención descrita anteriormente no es limitante y otras características y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la invención, y de las reivindicaciones .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 muestra un gráfico de la resistencia a la compresión de diversas muestras de GUHPC como una función del tiempo de curado. Los detalles se discuten en el Ejemplo 14.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Uno de los aspectos descritos en la presente proporciona una composición de una mezcla de compuesto geopolímero de hormigón de ultra alto rendimiento (GUHPC). Como mínimo, una mezcla GUHPC incluye: i) un aglutinante que comprende al menos un material de aluminosilicato amorfo reactivo, tal como metacaolín, y/o al menos un aluminosilicato alcalinotérreo amorfo reactivo, tal como escoria granulada de altos hornos molida; y ii) una solución acuosa que comprende al menos un activador alcalino.
En algunas modalidades, pueden incluirse constituyentes adicionales en la mezcla GUHPC. Por ejemplo, un rellenador (reactivo y/o no reactivo) con un tamaño de partículas hasta aproximadamente 75 µ??, y/o agregado, tal como arena fina de albañilería de tamaño de partículas entre aproximadamente 75 a 750 µp?, tal como aproximadamente 250 µp\ puede incluirse además en la mezcla. Además, los constituyentes tal como fibras, potenciadores de resistencia, superplasti ficante , y retardadores de fraguado pueden incluirse además para afectar el rendimiento de GUHPC.
Para formar un GUHPC, los constituyentes secos de la composición de la mezcla GUHPC (aglutinante, y la carga y el agregado, si están presente) se combinan con una solución activadora alcalina. Los componentes se mezclan para formar una pasta vertible, que se fragua a un producto GUHPC a medida que los constituyentes forman geopolímeros . Los geopolímeros consisten en silicio y átomos de aluminio unidos por átomos de oxígeno en una red polimérica. El proceso de formación de geopolímeros implica reacciones de disolución/ condensación/poli -condensación/polimerización, que empiezan inmediatamente al exponer algunos materiales de aluminosilicato reactivo a una solución alcalina. El uso de ciertos materiales de aluminosilicato que son altamente reactivos en soluciones alcalinas y la optimización de las
composiciones y propiedades de soluciones activadores alcalinas permiten producir, matrices de geopolimeros duraderas muy densas de muy alta resistencia mecánica.
Mediante el empleo de ciertos principios verdaderos para UHPC convencional, tal como el aumento de la homogeneidad mediante la exclusión de los agregados gruesos y un mayor empaque del agregado por la selección de distribuciones de tamaño de partículas, un UHPC con compuesto geopolímero se puede obtener con resistencia a la compresión por encima de 20,000 psi (137.9 MPa). A diferencia del UHPC convencional, el uso del tratamiento térmico y la adición de gran cantidad de superplasti ficante no son necesarios para lograr un ultra alto rendimiento. Con un mezclador intensivo, el agua para las proporciones de los geopolimeros sólidos (W/C) se puede disminuir sin dopa e significativo con un superplastificante . En contraste, el UHPC convencional usa grandes cantidades de superplastificante para bajar las proporciones W/C. Adicionalmente, el GUHPC no tiene cemento Portland en absoluto, en su mayoría usa los residuos industriales, y no emite dióxido de carbono en la producción. Así, el GUHPC es mucho menos caro que el UHPC convencional, mientras es un hormigón mucho más verde. El GUHPC también muestra resistencia mucho mayor al calor, al fuego, al impacto y a los ácidos que el UHPC convencional .
Principios de GUHPC
Es bien conocido que el rendimiento de los productos geopolimeros depende tanto de la reactividad como de la masa de gel formado. Los Inventores han encontrado que la activación alcalina de materiales de aluminosilicato reactivo, tal como metacaolín, genera grandes cantidades de gel de aluminosilicato alcalino (gel de AAS).
La activación alcalina de materiales de aluminosilicato alcalinotérreo reactivo, tales como escoria granulada de altos hornos molida, aluminosilicato de calcio vitreo, o ceniza voladora Clase C, produce además abundante gel de hidrato de silicato cálcico (CSH) y/o geles relacionados y/o gel de hidrato de aluminosilicato de calcio (CASH), adicionalmente al gel de AAS.
La activación alcalina de aluminosilicato reactivo y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo son muy rápidas con reacciones completadas en unas pocas horas (por ejemplo, metacaolín) a unos pocos días (por ejemplo, escoria granulada de altos hornos molida, ceniza voladora Clase C) a temperatura ambiente. Aumentar la temperatura mejora significativamente la activación alcalina y el proceso de endurecimiento .
Los Inventores encontraron además que un compuesto geopolímero hecho de dos o más materiales de aluminosilicato
reactivo resulta en una matriz híbrida de AAS, CSH y/ o geles relacionados, y/o hidrato de aluminosilicato de calcio (CASH) con una tasa superior de aumento de la resistencia así como una resistencia final superior del producto geopolímero. La optimización de la relación de gel CSH con el gel de AAS en una matriz de compuestos geopolímeros puede rendir un rendimiento de la resistencia máximo.
Los principios básicos para el UHPC convencional son también válidos para el GUHPC, tales como una homogeneidad incrementada al excluir agregados gruesos y un empaque del agregado incrementado mediante la selección de las distribuciones de tamaño de partícula. En algunas modalidades, la arena fina de río o arena de albañilería fácilmente disponible (por ejemplo, tamaño de partículas aproximadamente 75 a 750 µp?) puede usarse como agregado fino para reducir el costo de producción. En otras modalidades, otras arenas, tales como la arena de albañilería, pueden usarse como agregado. En algunas modalidades, uno o más rellenadores reactivos finos y/o ultrafinos pueden usarse con un tamaño de partículas de entre aproximadamente 3 a 75 µ??, eliminando así el polvo de cuarzo triturado (5 a 30 µp) que se encuentra en las mezclas típicas de hormigón en polvo reactivo (RPC). En algunas modalidades, los rellenadores submicrónicos con un tamaño de partículas en el intervalo de
aproximadamente 0.05 a aproximadamente 1 µ?t? pueden usarse. Mientras que los materiales de carga reactivos (fino, ultrafino, y submicrónico ) actúan como relleno de lo vacíos en la siguiente clase más grande granular en la mezcla, los rellenadores también reaccionan con fuentes alcalinas (reacción puzolánica) con el aumento del tiempo de curado y producen gel de AAS adicionales para apoyar el crecimiento a largo plazo de la resistencia.
En algunas modalidades, la inclusión del agregado y materiales de relleno en la mezcla GUHPC resulta en una densidad de empaque de todos los aditivos sólidos (es decir, materiales aglutinantes, agregado (si hay), y rellenador (si hay) ) de al menos 0.5 (v/v); tal como al menos 0.6 (v/v); tal como 0.75 (v/v) .
La relación agua/geopolímeros sólidos (W/C) se ha usado como indicador de la resistencia del hormigón. El término geopolimeros sólidos se define como la suma de los constituyentes aglutinantes y la sílice disuelta y óxidos alcalinos en la solución activadora. La relación W/C afecta la porosidad y la distribución del tamaño de poro de la matriz de geopolimeros. Una relación W/C más pequeña usualmente resulta en un gel geopolímero con poros más pequeños (por e emplo, aproximadamente 20 a 100 nm de tamaño) y a su vez una mayor resistencia a la compresión.
Los inventores han determinado que una mezcla GUHPC con la relación W/C óptima o cerca de lo óptimo exhibe una progresión característica a través de varias etapas bajo mezcla continua intensiva. Con la relación W/C óptima o cerca de lo óptimo, uno observa que la mezcla GUHPC inicialmente desarrolla una arena o consistencia similar a gránulo, lo que sugiere que una cantidad insuficiente de agua está presente. Sin embargo, el mezclado continuado, sin añadir agua adicional, resulta en la arena o mezcla similar a gránulo formando una mezcla con la consistencia como masa, y finalmente una pasta autodispersable, homogénea, factible que está lista para verter. Los inventores han determinado además que los productos GUHPC elaborados a partir de mezclas GUHPC que exhiben esta secuencia son excepcionalmente fuertes, con resistencia a la compresión por encima de 20,000 psi (137.9 MPa) curado por 28 dias a temperatura ambiente.
Los inventores determinaron que el intervalo W/C preferido para las mezclas GUHPC como se describe en la presente descripción está dentro del intervalo de aproximadamente 0.12 a aproximadamente 0.65; tal como aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.5; tal como aproximadamente 0.3 a aproximadamente 0.45.
La siguiente es una descripción más detallada de los diferentes constituyentes que pueden estar presentes en
ciertas mezclas GUHPC de la presente invención. Los constituyentes de los que está hecho el GUHPC incluyen al menos un aglutinante que comprende al menos un aluminosilicato reactivo y/o al menos un aluminosilicato alcalinotérreo reactivo, y una solución activadora acuosa. Los componentes adicionales incluidos en ciertas modalidades discutidas en la presente incluyen rellenador, agregado, fibra, potenciadores de resistencia, superplastificante, retardador de fraguado, y cualquier combinación de estos. Esta lista no pretende ser exhaustiva, y tal como se entiende por un experto en la técnica, otros componentes también pueden ser incluidos.
Materiales de aluminosilicato reactivo
El primer constituyente en una mezcla GUHPC es el aglutinante, que comprende aluminosilicato reactivo y/o aluminosilicato alcalinotérreo reactivo. Los ejemplos de materiales que contienen aluminosilicato reactivos adecuados para su uso en la presente invención incluyen metacaolin
(MK) , escoria granulada de altos hornos molida (GGBFS), aluminosilicato de calcio vitreo (VCAS), ceniza voladora Clase F ( FFA) , y ceniza voladora Clase C (CFA).
El metacaolin es una de las puzolanas de aluminosilicato más reactivos, un material finamente dividido
(por ejemplo, dentro del intervalo de aproximadamente 0.1 a
20 mieras) que reacciona con la cal apagada a temperatura normal y en presencia de humedad para formar cemento fuerte de lento endurecimiento. El metacaolín se forma por calcinación de caolinita purificada, generalmente entre 650-700 °C, en un horno giratorio. La activación alcalina de metacaolín se puede completar en cuestión de varias horas.
En dependencia de la composición química y el método de producción, la escoria granulada de altos hornos molida (GGBFS) es un material granular vitreo que varía de una estructura gruesa, desintegrable como palomitas de maíz con tamaño de partículas mayor que aproximadamente 4.75 mm en diámetro, a granos de tamaño de arena, densa. La molienda reduce el tamaño de las partículas a fineza de cemento, lo que permite su uso como un material de cemento complementario en el hormigón a base de cemento Portland. La escoria granulada típica de altos hornos molida incluye aproximadamente 27-38% Si02, 7-12% A1203, 34-43% CaO, 7-15% MgO, 0.2-1.6% Fe203, 0.15-0.76% MnO y 1.0-1.9% otros en peso. Debido a que la GGBFS es casi 100% vitrea (o "amorfa"), es generalmente más reactiva que la mayoría de las cenizas voladoras. La GGBFS produce una proporción más alta de hidrato de silicato cálcico (CSH) potenciador de resistencia que e-1 cemento Portland, de ese modo resultando en una mayor resistencia final que el hormigón hecho con cemento Portland.
La ceniza voladora es un subproducto de polvo fino formado a partir de la combustión del carbón. Los hornos del servicio público de la planta de energía eléctrica que queman carbón pulverizado producen la mayor parte de las cenizas volantes disponibles comercialmente . Estas cenizas voladoras consisten principalmente en partículas vitreas sustancialmente esféricas, así como hematita, magnetita, carbono no quemado, y algunas fases cristalinas formadas durante el enfriamiento. La norma C618 de la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) reconoce dos clases principales de cenizas voladoras para uso en hormigón: Clase C y Clase F. En la norma ASTM C618, una diferencia de especificación principal entre la ceniza voladora Clase F y ceniza voladora Clase C es el límite inferior de (Si02 + A1203 + Fe203) en la composición. El límite inferior de (Si02 + A1203 + Fe203) para la ceniza voladora Clase F es 70% y para la ceniza voladora Clase C es 50%. En consecuencia, la ceniza voladora Clase F generalmente tiene un contenido de óxido cálcico de aproximadamente 15 % en peso o menos, mientras que la ceniza voladora Clase C generalmente tiene un contenido superior de óxido cálcico (por ejemplo, superior a 15 % en peso, tal como aproximadamente 20 a 40 % en peso). El contenido alto de óxido cálcico hace que la ceniza voladora Clase C posea propiedades cementantes que conducen a la
formación de silicato cálcico e hidratos de aluminato cálcico cuando se mezcla con agua.
Cualquier aluminosilicato reactivo conocido en la técnica se puede usar, pero el metacaolin es el más favorable, ya que está fácilmente disponible y tiene un tamaño de partícula pequeño, tal como de aproximadamente 0.5 a 20 µ??. Las velocidades de disolución de metacaolin y la polimerización en una solución alcalina pueden ser muy altas (es decir, desde minutos a horas), y el agua expelida durante la geopolimerización puede ayudar a mejorar la funcionalidad de la pasta de GUHPC y aumentar la activación por álcali/hidratación de un aluminosilicato alcalinotérreo reactivo.
Ciertos materiales puzolánicos sintéticos son aún más reactivos que el metacaolin. Por ejemplo, los inventores han sintetizado los vidrios de aluminosilicato reactivos con composiciones químicas análogas a las de ceniza voladora Clase F a temperaturas entre aproximadamente 1400 °C y 1500 °C. Las materias primas útiles para la síntesis de los vidrios de aluminosilicato reactivos incluyen ceniza voladora Clase F con la adición de una pequeña cantidad de componentes de flujo (como sosa) u otros productos químicos individuales. Antes de su uso en las mezclas GUHPC, el vidrio sintético puede ser molido pasando por una malla 325. La activación
alcalina de los polvos de vidrio sintéticos generalmente produce resistencia a la compresión por encima de 20,000 psi (137.9 MPa) después de curar durante 28 días.
Generalmente, la ceniza voladora Clase F es menos reactiva que el metacaolín, aunque la ceniza voladora Clase F es prácticamente un vidrio de aluminosilicato . La reactividad de la ceniza voladora Clase F depende de la cantidad de la fase amorfa contenida en la misma, del tamaño de partículas del sólido de la ceniza voladora esférica, y de la temperatura de curado. De acuerdo con las mediciones de los Inventores, la energía de activación de la hidratación puede ser tan alta como aproximadamente 100 kJ/mol para el geopolímero convencional a base de ceniza voladora Clase F en el intervalo de temperatura de aproximadamente 20 a 75 °C. Por comparación, las energías de activación de la hidratación de los cementos Portland y la escoria de hornos abarca de aproximadamente 20 a 50 kJ/mol . Sin tratamiento térmico después de fraguado, como se aplica generalmente para la fabricación de UHPC, la ceniza voladora Clase F convencional puede no ser el aluminosilicato reactivo preferido en un GUHPC en dependencia del tamaño de partículas.
Para ser usado como un aluminosilicato reactivo en una mezcla GUHPC curada a temperatura ambiente, la ceniza voladora Clase F tiene preferentemente un tamaño de
partículas más pequeño que aproximadamente 15 µp?, así como pequeñas cantidades de carbono no quemado, tal como menos que aproximadamente 1 % en peso. Tal ceniza voladora Clase F -preferentemente tiene un tamaño medio de partículas de aproximadamente 3 µp?, y se puede procesar a partir de ceniza voladora en bruto mediante eliminación mecánica de partículas más gruesas. La ceniza voladora ultrafina se puede producir también por un proceso de molienda. Las cenizas voladoras con un tamaño de partículas medio en el intervalo de 6 a 10 µ?? se pueden generar de esta manera.
Aluminosilicato alcalinotérreo reactivo
Como ya se ha discutido, el aglutinante comprende aluminosilicato reactivo y/o aluminosilicato alcalinotérreo reactivo. Ejemplos de materiales de aluminosilicato alcalinotérreo reactivo son la escoria granulada de altos hornos molida (GGBFS), el aluminosilicato de calcio vitreo (VCAS), la ceniza voladora Clase C (CFA), y polvo de cemento de horno (C D) .
La GGBFS es el aluminosilicato alcalinotérreo reactivo más favorable debido a su alta reactividad en solución alcalina y su bajo costo. Aunque todos los tres grados de escoria de horno (es decir 80, 100 y 120 por la norma ASTM C989-92) son adecuados para una mezcla de GUHPC, el grado 120 de la escoria de horno es preferido porque
exhibe una reactividad más alta en solución alcalina. Además, la GGBFS ultrafina es aún más reactiva comparado con el grado 120 de la escoria de horno. Por ejemplo el cemento MC-500® Microfine® (de neef Construction Chemicals) es una escoria de horno ultrafina con tamaño de partículas menor que aproximadamente 10 µt? y el área de superficie especifica de aproximadamente 800 m2/kg que es más reactiva que el grado 120 de la escoria de horno.
El VCAS es un producto de desecho de la producción de fibra de vidrio. En una instalación de fabricación de fibra de vidrio representativa, típicamente aproximadamente 10-20 % en peso del material de vidrio transformado no se convierte en producto final y se rechaza como subproducto o VCAS de desecho y se envía para su eliminación en un vertedero. El VCAS es 100% amorfo y su composición es muy consistente, e incluye principalmente aproximadamente 50-55 % en peso Si02, 15-20 % en peso A1203, y 20-25 % en peso CaO. El VCAS molido exhibe actividad puzolánica comparable a humo de sílice y metacaolín cuando se ensaya de acuerdo con las normas ASTM C618 y C1240. Por lo tanto, puede ser un aluminosilicato alcalinotérreo muy reactivo mediante la formación de compuestos cementosos adicionales, tales como geles CSH y CASH.
El CKD es un subproducto de la fabricación de cemento Portland, y por lo tanto un residuo industrial. Se producen
más de 30 millones de toneladas de CKD en todo el mundo anualmente, con cantidades significativas depositadas en vertederos. El CKD típico contiene aproximadamente 38-64 % en peso CaO, 9-16 % en peso Si02, 2.6-6.0 % en peso A1203, 1.0-4.0 % en peso Fe203, 0.0-3.2 % en peso MgO, 2.4-13 % en peso K20, 0.0-2.0 % en peso Na20. 1.6-18 % en peso S03, 0.0-5.3 % en peso Cl-, y 5.0-25 % en peso LOI . El CKD es generalmente un polvo muy fino (por ejemplo, aproximadamente 4600-14000 cm2/g área de superficie específica) y es un buen aluminosilicato alcalinotérreo reactivo. Cuando CKD se usa en una formulación de GUHPC, concentraciones elevadas de los óxidos alcalinos contenidos en ella mejoran la geopolimeri zación . La formación adicional del gel CSH, etringita ( 3CaO¦ A1203 · 3CaS04¦ 32H20 ) , y/o singenita (un sulfato cálcico mezclado con álcali) puede ayudar a desarrollar la resistencia inicial de GUHPC.
La composición hormigón comprende aproximadamente 2 a 40 ¾ en peso aluminosilicato alcalinotérreo reactivo, y preferentemente aproximadamente 8 a 25 % en peso. La composición hormigón comprende hasta 30 % en peso de aluminosilicato reactivo. Los materiales aglutinantes comprenden aluminosilicato alcalinotérreo reactivo y aluminosilicato reactivo, que contribuyen hasta aproximadamente 50 % en peso, tal como aproximadamente 20 a
40 % en peso> tal como aproximadamente 15 a 30 % en peso, de una mezcla GUHPC.
En el aglutinante, una relación de masa de aluminosilicato reactivo a aluminosilicato alcalinotérreo reactivo está en el intervalo de aproximadamente 0.0 a aproximadamente 10; se prefiere una relación de masa de entre aproximadamente 0.2 y aproximadamente 0.8.
En el aglutinante, se prefiere una relación de masa de aluminosilicato alcalinotérreo reactivo a aluminosilicato reactivo de entre aproximadamente 0.0 a 20; tal como entre aproximadamente 1 a 10; tal como entre aproximadamente 2 a 5.
Solución activadora
El segundo constituyente critico en una mezcla GUHPC es la solución activadora. Adicionalmente del aglutinante descrito anteriormente, una solución activadora alcalina ("solución activadora") debe ser añadida a una mezcla de constituyente de GUHPC seco para formar una mezcla GUHPC completa. El activador es en efecto una solución de uno o más hidróxidos metálicos y uno o más silicatos metálicos.
En una modalidad, el uno o más hidróxidos metálicos comprenden uno o más hidróxidos de metales alcalinos, tales como hidróxido sódico, hidróxido potásico, o ambos.
El uno o más silicatos metálicos pueden comprender uno o más silicatos de metal alcalino y/o uno o más silicato
de metales alcalinos térreos . Los silicatos de metales alcalinos, particularmente una solución mezclada de silicato sódico y potásico, son deseables.
El humo de sílice o microsílice está compuesto de partículas de sílice vitreo muy pequeñas (por ejemplo, aproximadamente 0.1 µt? de tamaño) (Si02) que son sustancialmente esféricas con un área de superficie específica en el orden de 20 m2/g. El humo de sílice es extremadamente reactivo en solución alcalina. Una solución activadora se prepara mediante disolución de humo de sílice en solución de hidróxido alcalino. En algunas modalidades de la presente invención, el humo de sílice se aplica también como un rellenador reactivo. A diferencia del UHPC a base de cemento Portland convencional, el GUHPC es tolerante a carbono no quemado presente en los residuos industriales de humo de sílice hasta aproximadamente 5 % en peso, tal como en humo de sílice de la producción de silicio y aleaciones de ferrosilicio . El GUHPC hecho de tales residuos industriales humos de sílice puede aparecer gris o de color más oscuro. Sin embargo, el GUHPC que comprende humo de sílice blanco, por ejemplo, de la industria de circonio, contiene mucho menos carbono no quemado y aparece de color blanco. Así, ciertos colorantes o pigmentos se pueden añadir a GUHPC hecho de humo de sílice blanco para lograr una variedad de colores
en el producto final.
En algunas modalidades, el humo de sílice se puede usar para hacer la solución activadora disolviéndolo en una solución de hidróxido alcalino, unto con potenciadores de la resistencia (si están presentes). En otras modalidades, los polvos de vidrio de silicato alcalino se pueden disolver en solución de hidróxido alcalino para preparar una solución activadora. La temperatura elevada puede ayudar a aumentar la velocidad de disolución de los polvos de vidrio de silicato alcalino. Los ejemplos de vidrios de silicato alcalino solubles comercialmente disponibles incluyen silicato sódico SS® y silicato potásico asolv® de PQ Corporation. En otras modalidades, las soluciones de silicato alcalino comercialmente disponibles se pueden usar para preparar las soluciones activadoras. Los ejemplos de tales soluciones de silicato alcalino incluyen la solución de silicato sódico Ru™ y la solución de silicato potásico ASIL®6 de PQ Corporation. Cuando se usan estos materiales de silicatos alcalinos solubles comerciales para preparar soluciones activadoras, los productos GUHPC son usualmente de color claro. Si se desea, se pueden añadir ciertos pigmentos para crear varios colores de acabado.
La solución activadora contribuye a la mezcla GUHPC como sigue: hidróxido metálico como M20 (M = Na, K, o ambos)
a aproximadamente 2 a 15 % en peso, silicato como Si02 a aproximadamente 2 a 15 % en peso, y agua a 4 a 25 % en peso.
Preferentemente, el hidróxido metálico se añade como hidróxidos de sodio, potasio, o ambos; con mayor preferencia, aproximadamente 2 a 10 % en peso, Na20 (añadido como NaOH), K20 (añadido como OH ) , o ambos; con mayor preferencia, aproximadamente 2 a 8 % en peso, Na20 (añadido como NaOH), 20 (añadido como KOH), o ambos.
Preferentemente, el Si02 es añadido como humo de sílice. Preferentemente, el Si02 disuelto está presente en la mezcla GUHPC a aproximadamente 2 a 10 % en peso, con mayor preferencia aproximadamente 2 a 8 % en peso
Preferentemente, el agua está presente en la mezcla GUHPC a aproximadamente 4 a 25 % en peso; con mayor
preferencia a aproximadamente 7 a 15 % en peso.
Carga
Un componente opcional en una mezcla GUHPC es el réllenador con un tamaño de partícula de hasta aproximadamente 75 µp?. Dos tipos de rellenadores se pueden clasificar en términos de sus tamaños de partícula y la reactividad en solución alcalina. Un tipo de réllenador comprende principalmente partículas reactivas submicrónicas con un tamaño de partículas de entre aproximadamente 0.05 a 1 ?m. Otro tipo de réllenador comprende partículas finas y
ultrafinas con un tamaño de partículas de entre aproximadamente 1 a 75 µt?.
El rellenador combinado puede comprender hasta aproximadamente 35 % en peso de. una mezcla GUHPC. Preferentemente, el rellenador combinado comprende entre aproximadamente 2 a 35 % en peso. Con mayor preferencia, el rellenador combinado comprende entre aproximadamente 2 y 25 % en peso.
Los rellenadores finos y ultrafinos ilustrativos incluyen zeolitas calcinadas, ceniza voladora Clase F, ceniza voladora Clase C, ceniza voladora de gasificación de hulla, ceniza volcánica, y polvo de desechos de vidrio molidos. Generalmente, estas partículas de relleno también son bastante reactivas ba o la exposición a una solución alcalina. Las cenizas voladoras, que incluyen ceniza voladora Clase C y Clase F, usualmente tienen un tamaño de partículas entre aproximadamente 5 y 75 Dm. Las cenizas voladoras con tamaño de partículas más pequeño son preferidas, tal como la ceniza voladora ultrafina (UFFA) con un tamaño medio de partículas de aproximadamente 1 a 10 Dm. La UFFA es cuidadosamente procesada por separación mecánica de la fracción ultrafina de la ceniza voladora principal. La ceniza voladora de gasificación hulla se descarga de las centrales eléctricas de gasificación hulla, usualmente como Si02 rico
en partículas sustancialmente esféricas que tienen un tamaño de partículas máximo de aproximadamente 5 a 10 µt? . Así, la ceniza voladora de gasificación hulla es también rellenador adecuado .
La ceniza voladora Clase F es prácticamente un vidrio de aluminosilicato que es menos reactivo que el metacaolín en una solución alcalina. La reactividad de la ceniza voladora Clase F depende de la cantidad de la fase amorfa contenida en la misma, en el tamaño de las partículas del sólido de cenizas voladoras, y en la temperatura de curado. De acuerdo con las mediciones de los inventores, la energía de activación de hidratación puede ser tan alta como aproximadamente 100 kJ/mol para el geopolímero a base de ceniza voladora Clase F en el intervalo de temperatura de aproximadamente 20 a 75 DC. Por comparación, las energías de activación de la hidratación de los cementos Portland abarcan de aproximadamente 20 a 50 kJ/mol. La ceniza voladora Clase F se puede usar como rellenador ya que usualmente tiene un tamaño medio de partículas de menos que 75 mieras, lo que permite la eliminación del cuarzo triturado, uno de los componentes clave en el UHPC convencional. Se prefiere ceniza voladora Clase F con carbono sin quemar bajo (por ejemplo, menos de aproximadamente 2 % en peso) .
El metacaolín y la escoria granulada de altos hornos
molida se puede incluir como rellenador reactivo mientras funcionen como aglutinante también. Ambos materiales tienen un tamaño de partícula de entre 0.5 y 75 Dm. Ellos llenan los vacíos para mejorar la densidad de empaque de la mezcla GUHPC y reaccionan con la solución de silicato alcalino para formar AAS adicional y geles de CSH y/o CASH.
Los ejemplos de zeolitas incluyen Zeolita Tipo 5A, Zeolita Tipo 13X, clinoptilolito, y phillipsita. Las fases de zeolita tienen proporción molar de SÍ02/A1203 de aproximadamente 2 a 7, que están dentro del intervalo favorable de formación de composiciones de geopolímeros . El tratamiento térmico de los materiales zeoliticos a temperaturas entre aproximadamente 500 a 800 °C transforma la estructura en amorfa y reactiva tras la exposición a la solución altamente alcalina. Los materiales zeoliticos calcinados tienen típicamente un tamaño de partícula entre aproximadamente 0.5 y 10 µ??.
Los rellenadores submicrónicos ilustrativos útiles en la presente invención incluyen el humo de sílice, sílice precipitada, y alúmina del tamaño de mieras, con humo de sílice como el más preferido. Estos rellenadores submicrónicos típicamente son extremadamente reactivos bajo la exposición a solución alcalina. Pueden usarse además partículas de carbonato de calcio ultrafino con un área de
superficie especifica igual a o mayor que aproximadamente 10 m2/g como rellenador submicrónico, aunque menos reactivos que el humo de sílice. Otros materiales que tienen un tamaño de partículas de menos que aproximadamente 1 µt se puede usar como rellenador submicrónico, aunque pueden no ser necesariamente reactivos. Los ejemplos de esas partículas submicrónicas incluyen Fe203, Zr02, y partículas de SiC de tamaño adecuado.
Como se usa en UHPC convencional, el polvo de cuarzo triturado con un tamaño de partículas entre aproximadamente 1 y 75 µ??, y con mayor preferencia entre aproximadamente 5 y 30 µ??, puede usarse para mejorar la optimización de la distribución del tamaño de partículas y se considera inerte. Sin embargo, el cuarzo triturado puede ser relativamente reactivo en GUHPC ya que las partículas de cuarzo de gran superficie se disuelven en soluciones altamente alcalinas con pH > 14. Por lo tanto, en las mezclas de GUHPC de la presente invención, el polvo de cuarzo triturado puede clasificarse como un rellenador reactivo débil.
En algunas modalidades, un único rellenador, preferentemente un rellenador reactivo único, se incorpora en una mezcla GUHPC. En algunas de esas modalidades, el único rellenador es humo de sílice. En esas modalidades, hasta aproximadamente 5 % en peso de humo de sílice se incorpora en
las mezclas de GUHPC. En otras modalidades, los rellenadores múltiples, que pueden o no incluir uno o más rellenadores reactivos, se incorporan a las mezclas GUHPC. Por ejemplo, dos rellenadores se pueden incorporar en una mezcla GUHPC. En ciertas modalidades, el humo de sílice y la Zeolita calcinada tipo 5A se pueden incorporar en una mezcla GUHPC con cantidades combinadas de hasta aproximadamente 10 % en peso. En otras modalidades, humo de sílice y polvo de cuarzo triturado pueden incorporarse en una mezcla GUHPC con la cantidad de polvo de cuarzo triturado siendo hasta aproximadamente 25 % en peso, tal como hasta aproximadamente 10 % en peso, y la cantidad de humo de sílice hasta aproximadamente 8 % en peso, tal como hasta aproximadamente 5 % en peso. En aún otras modalidades, el humo de sílice y la ceniza voladora Clase C pueden incorporarse en una mezcla GUHPC con la cantidad de humo de sílice hasta aproximadamente 8 % en peso, tal como hasta aproximadamente 5 % en peso, y la cantidad de humo de ceniza voladora Clase C hasta aproximadamente 25 % en peso, tal como hasta aproximadamente 10 % en peso. En aún otras modalidades, el humo de sílice y la ceniza voladora Clase F pueden incorporarse en una mezcla GUHPC con la cantidad de humo de sílice hasta aproximadamente 8 % en peso y la cantidad de ceniza voladora Clase F hasta aproximadamente 25 % en peso. En aún otras modalidades, más
de dos, tal como tres, cuatro, o más, rellenadores se pueden incorporar en una mezcla GUHPC.
En una mezcla GUHPC, los rellenadores con diferente tamaño medio de partículas y reactividades se pueden añadir juntos para lograr la más alta densidad de empaque de una mezcla GUHPC y mejorar la geopolimerización, que puede conducir al mejoramiento del rendimiento del producto. Tanto el humo de silice/ceniza voladora (Clase C y/o Clase F) como el humo de sílice/polvo de cuarzo triturado son ejemplos preferentes de tales combinaciones.
Agregado
Un segundo constituyente opcional en una mezcla GUHPC es un agregado. El agregado confina la matriz de geopolímero para añadir resistencia, y pueden ser finos o gruesos, con agregados finos se entiende que tienen un tamaño de partícula que abarca de aproximadamente 0.075 mm a 1 mm, tal como de aproximadamente 0.15 a 0.60 mm. Si un agregado fino se usa en la mezcla GUHPC, se puede usar cualquier agregado fino conocido en la técnica. Un agregado fino ilustrativo es arena fina de río ordinaria, la que puede añadirse a la mezcla GUHPC hasta aproximadamente 75 % en peso, tal como de aproximadamente 30 a 60 % en peso, tal como de aproximadamente 40 a 60 % en peso, tal como de aproximadamente 25 a 55 % en peso, tal como hasta
aproximadamente 50 % en peso, tal como de aproximadamente 10 a 30%, tal como de aproximadamente 15 a 25 % en peso.
Opcionalmente , el agregado con un tamaño de partículas entre aproximadamente 0.75 y 10 mm, tal como entre aproximadamente 1 y 5 mm, tal como entre aproximadamente 1 y
2 mm, puede añadirse además a una mezcla GUHPC hasta aproximadamente 50 % en peso, preferentemente junto con el agregado fino. Los ejemplos de agregado grueso incluye, pero sin limitarse a, cuarzo triturado, granito, gneis, basalto, caliza, y arenas de bauxita calcinadas.
La escoria granulada de altos hornos molida con un tamaño de partículas entre aproximadamente 0.1 y 10 mm puede usarse además como agregado en una mezcla GUHPC. La unidad más fuerte entre las partículas del agregado y la matriz de geopolímero se puede observar en tales mezclas debido a la alta reactividad de la escoria de horno en solución alcalina.
Potenciadores de resistencia
Opcionalmente, al menos un potenciador de resistencia puede añadirse a la solución activadora a hasta aproximadamente 2 % en peso, tal como de aproximadamente 0 a
3 % en peso, tal como de aproximadamente 0 a 2 % en peso, tal como de aproximadamente 0.5 a 1.5 % en peso, o tal como aproximadamente 0 a 1.5 % en peso, tal como aproximadamente 0 a 0.75 % en peso de la mezcla GUHPC. Cualquier potenciador de
resistencia conocido en la técnica, o combinaciones de los mismos, puede ser usado. Los potenciadores de resistencia ilustrativos incluyen, pero sin limitarse a, fluoruro sódico, fluoruro de potasio, sulfato de sodio, oxalato sódico, fosfato sódico y compuestos relacionados, e hidróxido aluminico .
Fibras para el refuerzo
Opcionalmente , puede añadirse fibras a una mezcla GUHPC hasta aproximadamente 15 % en peso, tal como hasta aproximadamente 10%, tal como hasta aproximadamente 7.5 % en peso, para asegurar un comportamiento dúctil deseable del producto endurecido. Las fibras ilustrativas incluyen fibras cortas tales como: fibra orgánicas (por ejemplo, fibras de alcohol polivinílico y fibras de poliacrilonitrilo ) ; fibras de vidrio (por ejemplo, fibras de basalto); fibras de carbono; y fibras metálicas.
Las fibras metálicas son preferidas debido a su ductilidad sustancial y la ductilidad aumentada que ellos confieren en un producto GUHPC. Las fibras metálicas se seleccionan generalmente a partir de fibras de acero, tales como fibras de acero de alta resistencia y fibras de acero inoxidable. La longitud individual de las fibras metálicas es generalmente de al menos 2 mm y es preferentemente entre aproximadamente 10 y 30 mm. La relación de longitud con el
diámetro de las fibras metálicas usadas para el refuerzo está típicamente dentro del intervalo de aproximadamente 10 a 300, y está preferentemente dentro del intervalo de aproximadamente 30 a 100. Las fibras con una geometría variable (tales como las que son onduladas, corrugadas o encorvadas en el extremo) se pueden usar. La unión de las fibras metálicas en la matriz geopolimérica se puede mejorar mediante el tratamiento de las superficies de las fibras por métodos conocidos en la técnica, tal como ataque ácido o revestimiento de las fibras con capas de cerámica. Las fibras de acero Dramix® (tal como de 13 mm de longitud y 0.20 mm de diámetro) de Bekaert ¦ Corporation son fibras metálicas ilustrativas que fueron usadas por los Inventores para preparar ciertos productos GUHPC ilustrativos.
Reductores de agua / superplastificantes sólidos
Opcionalmente , los reductores de agua o sólidos superplasti ficantes se pueden usar para disminuir la cantidad de agua necesaria para la preparación de una solución de activadora para una mezcla GUHPC. Los superplastificantes sólidos pertenecen a una nueva clase de reductores de agua capaces de reducir el contenido de agua en aproximadamente 30% para los hormigones a base de cemento Portland. Los superplasti ficantes más recientes incluyen compuestos policarboxí lieos , tales como poliacrilatos , aunque cualquier
superplastificante conocido en la técnica puede ser usado.
Si se incluyen, los sólidos superplastificantes se usan preferentemente a hasta aproximadamente 5 % en peso, tal como hasta aproximadamente 2.5 % en peso, tal como hasta aproximadamente 1.5 % en peso.
Retardadores de fraguado
Opcionalmente , uno o más retardadores de fraguado (por ejemplo, ácido bórico, ciertos productos comerciales tal como Daratar 17 de Grace-Constructions , etc.) se pueden incluir para extender los tiempos de fraguado de una pasta GUHPC. Cualquier retardador de fraguado conocido en la técnica se puede incluir en los niveles apropiados.
Método de Preparación Genérica y resumen de los constituyentes
En una modalidad, la solución activadora se prepara mediante la disolución de humo de sílice en la solución de hidróxido alcalino. Opcionalmente, la solución activadora se puede envejecer con agitación intermitente. Los constituyentes secos descritos anteriormente, a excepción del rellenador submicrónicos , se mezclan previamente en un mezclador apropiado, tal como el mezclador intensivo. Después, la solución de activación alcalina, unto con el superplastificante (si lo hay) y/o el potenciador de resistencia (si lo hay), se vierten en la mezcla seca y se
mezclan. Con una relación W/C cerca de lo óptimo, la mezcla seca se convierte en una mezcla similar a gránulos, que se convierte en una mezcla similar a arena bajo mezclado continuado a alta velocidad de cizallamiento, por ejemplo, en aproximadamente 250 revoluciones por minuto o superior. El rellenador submicrónicos , tal como humo de sílice, se añade después y se mezcla, y la mezcla similar a arena, se convierte en una mezcla como masa que finalmente se convierte en una pasta autodispersable, homogénea, factible que está lista para verter. Las fibras cortas (si las hay)' se añaden preferentemente cerca del final del proceso de mezclado, tales como junto con el rellenador submicrónicos o posteriormente .
Los hormigones geopoliméricos de ultra alto rendimiento (GUHPC) de la presente invención se pueden fabricar por métodos conocidos, tales como los métodos conocidos de la mezcla de constituyentes secos con una solución activadora, la conformación y la colocación (moldeo, coladas, inyección, bombeo, extrusión, compactación de rodillos, etc.), el curado y endurecimiento. El proceso de curado GHUPC de acuerdo con la presente invención no está sujeto a ninguna limitación particular. Cualquier proceso de curado ordinario puede ser usado para el enyesado en el lugar y hormigones prefabricados.
Los constituyentes mencionados y sus proporciones en varias mezclas GUHPC se compilan y presentan en las Tablas 1 y 2.
Tabla 1. Constituyentes y sus proporciones en mezclas GUHPC
Tabla 2 Constituyentes y sus proporciones preferidas en mezclas de GUHPC
Parámetros limitantes
Los parámetros limitantes y sus respectivos intervalos pueden ser usados para definir ciertas formulaciones no limitantes de GUHPC. Los parámetros limitantes se fijan para los constituyentes específicos usados en la mezcla GUHPC.
En modalidades donde se usa el metacaolín como un aluminosilicato reactivo, los parámetros limitantes del metacaolín incluyen un conjunto de relaciones molares de SÍ02/A1203, M20/A1203, y H20/M20, donde M representa uno o más metales alcalinos (por ejemplo, Na, K, Li ) o metales alcalinos térreos. La relación molar SÍ02/A1203 en el metacaolín es aproximadamente 2. El hidróxido alcalino y el silicato alcalino se añaden a la solución para obtener los valores requeridos para las relaciones molares características de una solución de activación. Estas relaciones molares características son SÍ02/A1203 de aproximadamente 3.0 a 6.0, tal como de aproximadamente 3.25 a 4.5, tal como de aproximadamente 3.5 a 4.0; M20/A1203 de aproximadamente 0.7 a 1.5, tal como de aproximadamente 0.9 a 1.25, o aproximadamente 1.0 a 1.35; y H20/M20 de aproximadamente 5.0 a 18.0, tal como de aproximadamente 5.0 a 14.0, tal como aproximadamente 6.0 a 10.0.
En modalidades donde el polvo de vidrio de ceniza
voladora sintético se usa como un aluminosilicato reactivo; aluminosilicato de calcio vitreo se usa como un aluminosilicato alcalinotérreo reactivo; la escoria de altos hornos se usa como un aluminosilicato alcalinotérreo reactivo; o alguna combinación de estos, los parámetros limitantes son como sigue. Los parámetros limitantes incluyen un conjunto de fracciones en masa de M20, Si02, H20, y una relación molar SÍ02/M20 que se usan para formular una solución de activación. Tanto el aluminosilicato reactivo como el aluminosilicato alcalinotérreo reactivo son materiales puzolánicos responsables de la formación de una matriz de geopol ímeros . Las fracciones en masa de M20 o Si02 de los materiales puzolánicos pueden estar en el intervalo de aproximadamente 0.03 a 0.15, tal como aproximadamente 0.05 a 0.10. La relación molar de SÍ02/M20 está en el intervalo de aproximadamente 0.2 a 2.5, tal como aproximadamente 0.8 a 1.5. La fracción en masa de H20 está en el intervalo de aproximadamente 0.15 a 0.40, tal como de aproximadamente 0.25 a 0.30. Los metales alcalinos pueden ser cualquiera de Na, K, o Li, o cualquier combinación, con Na particularmente útil para reducir costos. Las cantidades de hidróxido alcalino, silicato alcalino, y el agua necesarios para los componentes reactivos se suman para formular una composición de solución de activación.
Los parámetros limitantes para CKD como un aluminosilicato alcalinotérreo reactivo incluyen las fracciones en masa de Si02 (sílice disuelta o cualquier fuente de material de sílice amorfo - por ejemplo, micro-sílice, humo de sílice, etc.), A1203 (aluminato disuelto, alúmina, hidróxidos de aluminio, etc.), y H20. El CKD es rico en cal libre y yeso, y muestran propiedades puzolánicas hidráulicas fuertes.. Las fracciones en masa de Si02 están en el intervalo de aproximadamente 0.05 a 0.75, tal como aproximadamente 0.25 a 0.5. La fracción en masa de A1203 está en el intervalo de aproximadamente 0.00 a 1.0, y la fracción en masa de agua está en el intervalo de aproximadamente 0.15 a 0.6, preferentemente de aproximadamente 0.25 a 0.35. Las composiciones de gel resultantes incluirán CSH, etringita, CASH, y AAS .
No se requieren parámetros limitantes para el uso de uno o más de humo de sílice, sílice precipitada, alúmina, o zeolita calcinada como rellenadores reactivos si estos rellenadores reactivos se añaden a una mezcla GUHPC en una pequeña cantidad, por ejemplo, menos de aproximadamente 2 % en peso de la mezcla. Sin embargo, si los rellenadores reactivos combinados exceden el 2% en peso de la mezcla, ciertos parámetros limitantes necesitan ser aplicados. Las fracciones en masa de M20 para los rellenadores reactivos
indicados pueden estar en el intervalo de aproximadamente 0.0 a 0.10, tal como aproximadamente 0.025 a 0.05. La fracción en masa de H20 está en el intervalo de aproximadamente 0.0 a 0.15, tal como de aproximadamente 0.025 a 0.05.
En modalidades donde la ceniza voladora se usa como rellenador reactivo, puede añadirse sílice soluble adicional a la solución activadora con fracciones en masa de Si02 de los rellenadores reactivos en el intervalo de aproximadamente 0.0 a 0.10, tal como aproximadamente 0.025 a 0.05. La relación molar de SÍ02/M20 está en el intervalo de aproximadamente 0.2 a 2.5, tal como aproximadamente 0.8 a 1.5.
La relación de masa de agua con los geopolímeros sólidos (W/C) es un parámetro muy importante para una mezcla GUHPC. Como se usa en la presente, el término "geopolímeros sólidos" se define como la suma de las masas de los constituyentes reactivos en el aglomerante (es decir, aluminosilicato reactivo y/o aluminosilicato alcalinotérreo reactivo) y las masas de óxido alcalino y dióxido de silicio disueltos en el activador. La relación W/C se determina por un conjunto de parámetros limitantes tales como la relación molar para H20/metacaolín M20 (si está presente), fracción en masa de H20 para aluminosilicato alcalinotérreo reactivo y otros materiales de aluminosilicato reactivo distintos de
metacaolin (si los hay), fracción en masa de H20 para rellenadores reactivos, asi como si se aplica un superplasti ficante y cuánto. En ciertos ejemplos que se presentan en la presente, la arena de albañileria con humedad de aproximadamente 2.5 % en peso se usa como un agregado fino. Si el contenido de humedad del agregado fino se desvía de aproximadamente 2.5 % en peso, la mezcla se debe corregir para la diferencia de H20. Típicamente, las relaciones W/C en las mezclas GUHPC abarcan desde aproximadamente 0.12 a 0.60, tal como aproximadamente 0.20 a 0.50, tal como aproximadamente 0.30 a 0.45.
La Tabla 3 muestra las limitaciones generales y los valores preferidos usados para formular la solución activadora para una mezcla GUHPC.
Tabla 3. Limitaciones e intervalos preferidos para la solución activadora
*BFS representa aluminosilicato alcalinotérreo reactivo
Formulación de la mezcla GUHPC
El siguiente es un enfoque general para formular una mezcla GUHPC. Primeramente, se prescriben los porcentajes en peso de agregados, rellenadores, fibra (si lo hay), y los sólidos superplastificante (si los hay). En segundo lugar, los porcenta es en peso del aluminosilicato alcalinotérreo reactivo y el aluminosilicato reactivo se establecen con una relación de masa deseada. En tercer lugar, las proporciones de agregado, rellenador, y el aglutinante se pueden optimizar después, en términos de la teoría de la densidad máxima. La composición de una solución de activación se formula sobre la base de un conjunto de parámetros limitantes y sus respectivos intervalos para los constituyentes (es decir, aluminosilicato reactivo, aluminosilicato alcalinotérreo reactivo, y ciertos rellenadores reactivos) mediante la suma de las cantidades necesarias de hidróxido alcalino, sílice disuelta, y/o alúmina disuelta (si los hay), y agua. Finalmente, el aglutinante (aluminosilicato reactivo y/o aluminosilicato alcalinotérreo reactivo), el rellenador (si lo hay), el agregado (si lo hay), la fibra (si la hay), los superplastificantes (si los hay), el retardador de fraguado (si lo hay) y la solución de activación se normalizan después de modo que el total de la composición de la mezcla GUHPC suma 100 % en peso.
En principio, el rendimiento de GUHPC es al menos parcialmente dependiente de la densidad de empaque de todas las partículas de los constituyentes secos, incluyendo el aluminosilicato reactivo, el aluminosilicato alcalinotérreo reactivo, el agregado, y el rellenador. Dado que los productos GUHPC se pueden fabricar con materiales disponibles localmente, es beneficioso determinar las densidades de empaque de las muestras de ensayo con diferentes proporciones de constituyentes mediante el uso de ambos métodos de empaque seco y húmedo. Las composiciones con mayor densidad de empaque de partículas pueden después ser ob eto de procesos de optimización adicionales.
Las relaciones características de una solución de activación incluyen la relación W/C; la relación geopolímeros sólidos con el activador; la relación geopolímeros sólidos con óxido alcalino; la relación geopolímeros sólidos con sílice soluble; y la relación óxido alcalino con sílice soluble, todas en peso. Los intervalos preferidos en estas relaciones características se determinan mediante los parámetros limitantes y sus respectivos intervalos establecidos para cada uno de los componentes GUHPC donde se aplican.
La relación M20 (M = K, Na) a geopolímeros sólidos en peso está generalmente en el intervalo de aproximadamente
0.01 a 0.25, tal como aproximadamente 0.02 a 0.15, tal como aproximadamente 0.05 a 0.10. La relación Si02 a geopolimeros sólidos está generalmente en el intervalo de aproximadamente 0.01 a 0.25, tal como aproximadamente 0.03 a 0.25, tal como aproximadamente 0.02 a 0.20, tal como 0.05 a 0.15. La relación Si02 a Na20 en peso está generalmente en el intervalo de aproximadamente 0.1 a 2.0, tal como aproximadamente 0.5 a 1.5, tal como aproximadamente 0.75 a 1.25. La relación del activador a geopolimeros sólidos en peso está generalmente en el intervalo de aproximadamente 0.20 a 1.25, tal como aproximadamente 0.50 a 1.0. La relación del activador al sólido total está generalmente en el intervalo de aproximadamente 0.05 a 0.70, tal como aproximadamente 0.30 a 0.50. Para una solución de activación, el silicato metálico preferido es una mezcla de silicatos alcalinos, tales como K y Na con relaciones en masa de 20/Na20 de aproximadamente 0 a 5; y el hidróxido alcalino preferido es una mezcla de hidróxido alcalinos, tales como y Na con relaciones en masa de K20/Na20 de aproximadamente 0.1 a 3.
Las concentraciones molares del hidróxido alcalino (por ejemplo, OH y NaOH) en solución activadora están generalmente en el intervalo de aproximadamente 5 a 15 M, preferentemente de aproximadamente 7.5 a 12 M. La humedad
presente en el agregado generalmente se incluye para dichos cálculos .
La solución activadora está en el intervalo de aproximadamente 10 % en peso a aproximadamente 40 % en peso de la mezcla de hormigón.
La manipulación de las proporciones constituyentes dentro de los intervalos dados (ver, por ejemplo, la Tabla 1) permite la optimización de las composiciones de la mezcla GUHPC para lograr un rápido crecimiento de la resistencia y la alta resistencia final. Las mezclas GUHPC descritas en la presente se pueden formular para aplicaciones a temperaturas ambiente, o se formulan específicamente para cualquier aplicación a cualquier otra temperatura comúnmente aplicada en la industria de la construcción, tales como para aplicaciones de pre-enyesado que usualmente requieren curado a temperaturas elevadas para lograr altas tasas de producción. Una de las ventajas de la mezcla GUHPC descrita en la presente es que, además de la alta resistencia a la compresión del producto final, el curado térmico puede no ser necesario. La temperatura de curado puede ser menor que la de UHPC convencional. Por ejemplo, el curado puede llevarse a cabo a menos que o igual a aproximadamente 250 °C, tal como menos que o igual a aproximadamente 100 °C, tal como menos que o igual a aproximadamente 75 °C, tal como menos que o
igual a aproximadamente 50 °C, tal como menos que o igual a aproximadamente 45 °C, tal como menos que o igual a aproximadamente 30 °C, tal como menos que o igual a aproximadamente 25 °C, tal como menos que o igual a aproximadamente 20 °C.
El tiempo inicial de fraguado para las mezclas GUHPC descritas en la presente puede ser de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 3 horas, tal como aproximadamente 0.5 a 1 hora. Después que la composición se establece, se cura durante 24 horas o más, tal como 24 horas a una semana o más, a una temperatura de curado entre aproximadamente 20 °C y aproximadamente 75 °C. El tiempo deseado de fraguado se puede alcanzar por la optimización del aglutinante y la composición del rellenador (por ejemplo, mediante la selección del aglutinante y las composiciones del rellenador con diferentes reactividades en soluciones «¦· alcalinas ) , o por otros métodos con°Cidos en la técnica.
Los siguientes e emplos sirven para ilustrar la invención. Estos ejemplos no pretenden de ninguna manera limitar el alcance de los métodos.
E emplos
En los siguientes ejemplos, todas las pastas GUHPC fueron curadas a temperatura ambiente, por ejemplo, en aproximadamente 25 °C, excepto que fueron otras temperaturas
de curado que se especifican.
La arena de albañilería de Industrias de agregados se usa como agregado fino que tiene un tamaño de partícula entre 50 y 600 µ? con un tamaño medio de aproximadamente 250 ym. La humedad en el agregado fino era de aproximadamente 2.5 % en peso a temperatura ambiente. La humedad en el agregado fino se incluyó para calcular las concentraciones molares de hidróxido alcalino y . la relación de agua con sólidos geopoliméricos . La desviación de la humedad presente de 2.5 % en peso se corrigió.
QROK #4 se usó como arena de cuarzo gruesa que tiene un tamaño de partículas entre 0.6 y 1.7 ram, y Min U-SIL® se usó como polvo de cuarzo triturado que tiene un tamaño de partículas entre 1 a 25 pm con diámetro medio de aproximadamente 5 m. Ambos productos de cuarzo fueron de U.S. Silica.
El metacaolín ( aorock) fue de Thiele Kaolín Company, Sandersville, GA. El metacaolín tenía un tamaño de partículas entre 0.5 y 50 ym con 50 % vol menor que 4 ym.
La escoria granulada de altos hornos molida grado 120 (cemento Ne Cem Slag) fue de Lafarge, North America Inc. (Baltimore Terminal). La escoria del horno tenía un tamaño de partículas entre 0.5 a 60 ym, con 50 % vol menor que 7 ym.
El humo de sílice, un producto de residuos
industriales de aleaciones Fe-Si, fue de Norchem Inc. El humo de sílice contenía 2.42 % en peso de carbono. El humo de sílice se usó para preparar las soluciones activadoras mediante disolución de humo de sílice ' en solución de hidróxido alcalino, o se añade como rellenador submicrónico reactivo .
Una ceniza voladora Clase F (Micron3) fue de Boral · Material Technologies Inc. La ceniza voladora de Boral tenía un tamaño de partículas entre 0.5 y 125 µp\ con 50 % vol por debajo de 15 µp?. Otra ceniza voladora Clase F de la central eléctrica de las costas de Brandon, Baltimore, MD, fue de Separation Technologies LLC. La ceniza voladora de las costas de Brandon tenía más bajo CaO (0.9 % en peso) y una pérdida ba a de ignición (<1.5 % en peso) y fue comercializado bajo ProAsh. La ceniza voladora de las costas de Brandon tenía un tamaño de partículas entre 0.6 y 300 µ?t? con 50 % vol por debajo de 26 m. Otra ceniza voladora Clase F de la central eléctrica Limestone, Jewett, Texas, fue de Head ater Resources. La ceniza voladora de Jewett contenía aproximadamente 12 % en peso de CaO y tenía un tamaño de partículas entre 0.5 y 300 pm con 50 % vol por debajo de 15 µ??. Las fibras de acero Dramix® (13 mm de longitud y 0.20 mm de diámetro) de Bekaert Corporation se usaron para mejorar la ductilidad .
La resistencia a la compresión se midió en una máquina de compresión Test Mark CM-4000-SD, siguiendo el método C39/C 39M de ASTM. Durante la prueba, todas las muestras se taparon con almohadillas de goma porque las superficies superior e inferior no eran suficientemente plano-paralelas para la medición al desnudo.
Ejemplo 1
OH (90%) y NaOH (98%) se disolvieron en agua del grifo para hacer la solución alcalina usando un agitador mecánico, y el humo de sílice se disolvió en la solución de KOH y NaOH. El humo de sílice de Norchem Inc. contenía aproximadamente 2.42 % en peso de carbono. La solución activadora era negra debido al carbono no disuelto. La solución activadora se envejeció durante aproximadamente 2 días antes de la preparación de la muestra.
La arena de albañilería con humedad de aproximadamente 2.5 % en peso se usó como agregado fino.
Para preparar el GUHPC, los siguientes constituyentes fueron primero mezclados en seco:
El metacaolín como aluminosilicato reactivo (12.65 % en peso ) ,
La escoria granulada de altos hornos molida como aluminosilicato alcalinotérreo (32.65 % en peso),
La zeolita calcinada 13X y el humo de sílice como
rellenadores reactivos (total 2 % en peso), y
La arena de albañilería como agregado fino (19.00 % peso ) .
Después, se preparó un activador por mezclado:
Na20 (2.52 por ciento en peso) como NaOH,
K20 (6.18 por ciento en peso) como KOH,
Si02 (8.44 % en peso) como humo de sílice,
H20 (16.55 por ciento en peso), y
potenciadores de resistencia.
Los potenciadores de resistencia usados en la mezcla incluyeron hidróxido alumínico, carbonato sódico, fosfato sódico, sulfato de sodio, oxalato sódico y fluoruro. La adición total fue aproximadamente 1.25 % en peso de la mezcla de hormigón. Estos se disolvieron en agua antes de su uso.
La solución activadora se mezcló con los constituyentes secos premezclados con un mezclador de mano UNITEC EHR23 (velocidad máxima 275 rpm) . Durante la mezcla, las siguientes etapas fueron observadas: mezcla seca, mezcla similar a arena, mezcla similar a gránulo, mezcla similar a masa, y, finalmente, la mezcla similar a masa se convirtió en una pasta fina que podría ser vertida, lo que indica que la mezcla tenía una relación W/C óptima o cerca de lo óptimo. El tiempo factible de la etapa final (la pasta fina) fue de aproximadamente 50 min.
La pasta se rellenó en moldes cilindricos (2 por 4 pulgadas), se agitó mientras se llenaba durante aproximadamente 3 minutos para escapar las burbujas, y después se curó a temperatura ambiente. Después de 24 horas, los cilindros se desmoldan y se almacenaron a temperatura ambiente. Después del curado durante 28 días, la resistencia a la compresión de las muestras se midió para ser 23341 psi (160.9 MPa) .
Ejemplo 2
Un segundo GUHPC ilustrativo se preparó como sigue.
KOH (90%) y NaOH (98%) se disolvieron en agua del grifo para hacer la solución alcalina usando un agitador mecánico, y el humo de sílice de alta pureza (aproximadamente 99.5 % en peso) de Cabot Corporation se disolvió en la solución de KOH y NaOH.
El fluoruro sódico, se usó como un potenciador de resistencia, se disolvió primero en agua del grifo. La adición fue aproximadamente 0.5 % en peso de la mezcla de hormigón .
Los siguientes constituyentes (a menos que se indique lo contrario, obtenidos a partir de las fuentes indicadas anteriormente) se mezclaron en seco:
El metacaolín como aluminosilicato reactivo (12.87 % en peso ) ,
La escoria granulada de altos hornos molida como
aluminosilicato alcalinotérreo (33.20 % en peso),
La zeolita calcinada 13X y el humo de sílice como rellenadores reactivos (total 2 % en peso),
El fluoruro sódico como potenciador de resistencia (aproximadamente 0.6 % en peso del GUHPC seco), y
La arena de albañileria como agregado fino (19.00 % en peso ) .
Después, se preparó un activador por mezclado:
Na20 (2.57 por ciento en peso) como NaOH,
20 (6.28 por ciento en peso) como KOH,
Si02 (8.59 % en peso) como humo de sílice, y
H20 (15.50 % en peso) .
El superplastificante ADVA 140M de Grace Constructions se añadió al activador antes del mezclado con los componentes secos premezclados . La dosis de superplastificante fue aproximadamente 1500 mi por 100 kg de producto seco.
Durante la mezcla de los componentes secos con la solución activadora, se observaron las mismas etapas (mezcla seca, mezcla similar a arena, mezcla similar a gránulos, mezcla similar a pasta, y finalmente una pasta fina). El tiempo viable de la etapa final (la pasta fina) fue aproximadamente 50 min. Como en el Ejemplo 1, las muestras se
vertieron, se curaron a temperatura ambiente, se desmoldaron después del curado de 24 horas, y se almacenaron a temperatura ambiente. Después de curar durante 28 días, la resistencia a la compresión de las muestras se midió para ser 21248 psi (146.5 MPa) .
Ejemplo 3
Usando el mismo procedimiento descrito en el E emplo 1, sin añadir superplastificante, las muestras GUHPC adicionales (Muestras 3-9) se prepararon para probar el efecto de potenciadores de resistencia individuales en la solución activadora. Los potenciadores de resistencia individuales que se evaluaron en las Muestras 2-4 y 6-9 fueron fluoruro de estaño, fluoruro sódico, oxalato sódico, sulfato de sodio, y hidróxido alumínico. Cada adición fue aproximadamente 0.5 % en peso de las mezclas de hormigón. No se incluyó potenciador de resistencia en la Muestra 5. Las resistencias a la compresión se midieron después del curado durante 28 días. Todas las muestras se midieron por encima de 20,000 psi (137.9 MPa) en la resistencia a la compresión. La composición, la W/C, la concentración de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y la resistencia a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 4.
Tabla 4 Composición (%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia
a la compresión (psi) de las muestras GUHPC*
* SFF = rellenador de humo de sílice; ZT = zeolita; Na20 y 2O añadidos como hidróxidos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadoras
E emplo 4
Usando el mismo procedimiento descrito en el Ejemplo 1, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestras 10-16). Sus resistencias a la compresión se midieron después del curado durante 28 días. Se añadió aproximadamente 1.2 % en peso de superplastificantes sólidos (ADVA Cast 575 de Grace Constructions ) para reducir la demanda de agua y para mejorar la fluidez de las pastas. Los potenciadores de resistencia incluyendo fluoruro sódico, oxalato sódico, sulfato de sodio, y hidróxido alumínico se añadieron juntos a aproximadamente 1.15 % en peso. En la Muestra 13, se añadió fibra de acero de Bekaert Corporation en aproximadamente 2 % en peso (no se
muestra en la Tabla 5) en la última etapa de mezclado para mejorar la ductilidad. La composición, la W/C, la concentración de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5. Composición (%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras GUHPC adicionales*
* SFF = humo de sílice rellenador; ZT = zeolita; SP = superplasti ficantes sólidos; Na20 y K20 añadidos como hidróxidos respectivos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadoras.
Ejemplo 5
Usando el mismo procedimiento descrito en el Ejemplo
1, se prepararo 'muestras adicionales de GUHPC (Muestras 17-33) . Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron después del curado durante 28 días. El cuarzo triturado ( QZ ) con un tamaño medio
de partículas de 15 m de U.S. Silica se usó como un rellenador reactivo débil para mejorar la densidad de empaque de los productos. No se añadió superplastificante. En las Muestras 18, 23, 29, y 32, aproximadamente 2 % en peso de fibra de acero de Bekaert Corporation se añadió para mejorar la ductilidad. En las Muestras 20-22, el fluoruro molar (F)/Si en la solución activadora se incrementó de 0.2, a 0.3, y 0.4, respectivamente, para probar el efecto de la concentración de fluoruro en el rendimiento. Correspondientemente, el fluoruro de sodio se aumentó de 0.90, 1.35, a 1.79% en peso de la mezcla de hormigón. La composición, la W/C, la concentración de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 6.
Tabla 6. Composición (%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
* SFF = humo de sílice rellenador; ZT = zeolita; Fibra = fibra de acero; QZ = cuarzo triturado; Na20 y K20 añadido como hidróxidos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadoras
EJEMPLO 6
Usando el mismo procedimiento descrito en el Ejemplo 1, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestras 34-42). Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron después del curado durante 28 días. En estas muestras, la arena de albañilería se usó como el agregado fino, y el humo de sílice y la
zeolita se añadieron juntos como rellenadores reactivos. Los potenciadores de resistencia incluyendo fluoruro sódico, oxalato sódico, sulfato de sodio, y hidróxido aluminico se añadieron juntos en aproximadamente 1.15 % en peso de la mezcla de hormigón en las Muestras 34-40. El fluoruro sódico y el oxalato sódico se añadieron en aproximadamente 0.8 % en peso.de la mezcla- de hormigón en las Muestras 41 y 42. No se añadió superplasti ficante . En la Muestra 40, la fibra de acero de Bekaert Corporation se añadió para mejorar la ductilidad. La composición, la W/C, la concentración de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 7.
Tabla 7. Composición (%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
tífc'fc' = numo de sílice rellenador; ,'?' = zeolita; fibra = fibra de acero; Na20 y 20 añadidos como hidróxidos
respectivos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadoras
Ejemplo 7
Usando el mismo procedimiento descrito en el Ejemplo 1, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestras 43-48). Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron después del curado durante 28 días. En estas muestras, la arena de albañilería se usó como el agregado fino, y el humo de sílice y la zeolita se añadieron juntos como rellenadores reactivos. Los potenciadores de resistencia incluyendo fluoruro sódico, oxalato sódico, sulfato de sodio, y hidróxido alumínico se añadieron juntos en aproximadamente 1.15 % en peso de la mezcla de hormigón en las Muestras 43-45. El fluoruro sódico y/o oxalato sódico se añadieron como potenciadores de resistencia en aproximadamente 0.7 % en peso de la mezcla de hormigón en las Muestras 46-48. No se añadió superplasti ficante . La ceniza voladora Clase F de Boral Material Technologies se usó como rellenador reactivo. La composición, la W/C, la concentración de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales se muestra en la Tabla 8.
Tabla 8 Composición (%p) , w/c, concentración molar de
hidroxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
* SFF = humo de sílice rellenador; ZT = zeolita; FFA = ceniza voladora Clase F; Na20 y 20 añadidos como hidroxidos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, Producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadoras
Ejemplo 8
Usando el mismo procedimiento descrito en el Ejemplo 1, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestras 49-52). Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron después del curado durante 28 días. En estas muestras, la arena de albañilería se usa como agregado fino, y el humo de sílice y/o la zeolita se añadieron como rellenador reactivo. El cuarzo triturado ( QZ ) con un tamaño medio de partículas de 15 µp\ de U.S. Silica se usó como rellenador reactivo débil. Además, arena de cuarzo gruesa ( Q-ROK #4) de U.S. Silica se añadió para mejorar la densidad de empaque. Los potenciadores de
resistencia que se usan en estas muestras incluyen hidróxido alumínico, carbonato sódico, fosfato sódico, sulfato de sodio, oxalato sódico, y fluoruro. La adición total de los potenciadores de resistencia fue aproximadamente 0.85 % en peso de la mezcla de hormigón en las Muestras 49 y 51. El fluoruro sódico solo se añadió como un potenciador de resistencia en aproximadamente 0.25 % en peso de la mezcla de hormigón en las Muestras 50 y 52. No se añadió superplastificante . La composición, la W/C, la concentración de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 9.
Tabla 9. Composición (%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
* SFF = humo de sílice rellenador; CA = agregado grueso; QZ = cuarzo triturado; Fibra = fibra de acero; Na20 y 20 añadidos como hidróxidos respectivos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadoras
Ejemplo 9
Usando el mismo procedimiento descrito en el E emplo 1, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestras 53-56). Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron después del curado durante 28 días. En estas muestras, la arena de albañileria se usó como un agregado fino; y el humo de sílice se añadió como rellenador submicrónicos reactivo. El cuarzo triturado (QZ) de U.S. Silica se usó como rellenador reactivo débil. El fluoruro sódico (NaF) en aproximadamente 0.25 % en peso de la mezcla de hormigón se añadió como un potenciador de resistencia. No se añadió superplastificante . En la Muestra 55, la fibra de acero de Bekaert Corporation se añadió para mejorar la ductilidad. La composición, la W/C, la concentración de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 10.
Tabla 10. Composición (%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
* SFF = humo de sílice rellenador; QZ = cuarzo triturado; Fibra = fibra de acero; Na20 y 20 añadidos como hidróxidos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadoras
Ejemplo 10
Usando el mismo procedimiento descrito en el E emplo 1, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestras 57-64) . Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron después del curado durante 28 días. En estas muestras, la arena de albañilería se usó como un agregado fino; y el humo de sílice y/o zeolita se añadieron como rellenador reactivo. El cuarzo triturado (QZ) de U.S. Silica se usó como rellenador reactivo débil en las Muestras 62 y 64. Las soluciones activadoras se prepararon mediante el uso predominantemente de hidróxido de sodio y humo de sílice de residuos industriales de Norchem Inc. Los potenciadores de resistencia que se usaron en estas muestras incluyeron hidróxido alumínico, carbonato sódico, fosfato sódico, sulfato de sodio, oxalato sódico, y fluoruro. La adición total de los potenciadores de resistencia fue menos que aproximadamente 1.0 % en peso de la mezcla de hormigón. Estos se disolvieron en agua antes de la disolución de hidróxidos alcalinos. No se añadió superplastificante . La
composición, la W/C, la concentración de los hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 11.
Tabla 11. Composición (%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
* SFF = humo de sílice rellenador; QZ = cuarzo triturado; Fibra = fibra de acero; Na20 y K20 añadidos como hidróxidos respectivos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadoras
Ejemplo 11
Usando un procedimiento similar al descrito en el Ejemplo 1, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestras 65-67). Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron
después del curado durante 28 días. En estas muestras, la arena de albañilería se usó como un agregado fino; y el humo de sílice de Norchem Inc. se usó como rellenador reactivo submicrónicos . El cuarzo triturado (QZ) de U.S. Silica se usó como rellenador reactivo débil en las Muestras 65 y 66. La ceniza voladora Clase F de Boral Material Technologies se usó para reemplazar el polvo de cuarzo triturado en la Muestra 67. Las soluciones activadoras se prepararon usando la solución de silicato sódico comercialmente disponible (solución de silicato sódico Ru™, PQ Inc.), en lugar de disolver el humo de sílice en la solución de hidróxido alcalino. El fluoruro sódico (NaF) en aproximadamente 0.25 % en peso de la mezcla de hormigón se añadió como un potenciador de resistencia. No se añadió superplasti ficante . La composición, la W/C, la concentración de los hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 12.
Tabla 12. Composición (%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
* SFF = rellenador de humo de sílice; QZ = cuarzo triturado; FFA = ceniza voladora Clase F
Ejemplo 12
Usando el mismo procedimiento como el descrito en el Ejemplo 1, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestras 68-70) . Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron después del curado durante 28 días. En estas muestras, la arena de albañilería se usó como agregado fino; y el humo de sílice de Norchem Inc. junto con la ceniza voladora Clase F de Boral Material · Technologies se usó como rellenador reactivo en las Muestras 68 y 70. El humo de sílice junto con el cuarzo triturado (QZ) de U.S. silica se usó como rellenador reactivo en la Muestra 69. Las soluciones activadoras se prepararon mediante disolución de humo de sílice de Norchem Inc. en solución de hidróxido alcalino con relaciones de masa de K20/Na20 en aproximadamente 0.8. El fluoruro sódico (NaF) en aproximadamente 0.25 % en peso de la mezcla de hormigón se añadió como un potenciador de resistencia. No se añadió superplastificante . La composición, la W/C, la concentración de los hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 13.
Tabla 13. Composición (%p) , W/C, concentración molar de
hidroxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
* SFF = humo de sílice rellenador; ZT = zeolita; QZ = cuarzo triturado; FAF = ceniza voladora Clase F; Na20 y K20 añadidos como hidroxidos respectivos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones actívadoras
Ejemplo 13
Usando un procedimiento similar al descrito en el Ejemplo 1, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestras 71-88). El mezclado se realizó con un mezclador de alta intensidad (K-Lab Mixer de Lancaster Products). Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron después del curado durante 28 días. En estas muestras, la arena de albañilería se usó como agregado fino; y el humo de sílice de Norchem Inc. unto con el cuarzo triturado (QZ) de U.S. Silica se usó en las Muestras 71-79. El humo de sílice junto con la ceniza voladora Clase F de Boral Material Technologies se. usó como rellenadores reactivos en las Muestras 80 a 86. La zeolita se usó como rellenador reactivo en las Muestras 87 y 88. Las
soluciones activadoras se prepararon mediante disolución de humo de sílice de Norchem Inc. en solución de hidróxido alcalino con relaciones de masa de 20/Na20 en aproximadamente 2 a aproximadamente 3. La fibra de acero de Bekaert Corporation se añadió para mejorar la ductilidad en las Muestras 71, 73, 76, 81, 85, y 87. El fluoruro sódico (NaF) en aproximadamente 0.25 % en peso de la mezcla de hormigón se añadió como un potenciador de resistencia. No se añadió superplastificante . La composición, la W/C, la concentración de los hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y las resistencias a la compresión de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 14.
Tabla 14. Composición (%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
* SFF = humo de sílice rellenador; QZ = cuarzo triturado; FAF = ceniza voladora Clase F; Na20 y K20 añadidos como hidróxidos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadoras
** Zeolita
Ejemplo 14
Usando el mismo procedimiento como el descrito los Ejemplos 71-88, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestra 89-92) . El mezclado se realizó con un mezclador de alta intensidad (K-Lab Mixer from Lancaster Products) . El tiempo de fraguado inicial se determinó usando un sistema Vicat. Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron después del curado por 3 horas, 6 horas, 1 día, 3 días, 7 días, 15 días, 21 días, y 28 días. En estas muestras, la arena de albañilería se usó como un agregado fino; y el humo de sílice de Norchem Inc. junto con la ceniza voladora Clase F de Boral Material Technologies se usó como rellenadores reactivos en el Ejemplo 89. El humo de sílice junto con el cuarzo triturado (QZ) de U.S. Silica se usó como rellenadores reactivos en las Muestras 90-92. Las soluciones activadoras se prepararon mediante disolución de humo de sílice de Norchem Inc. en solución de hidróxido alcalino con relaciones de masa de
K20/Na20 en aproximadamente 2.2. No se añadió superplastificante. El fluoruro sódico (NaF) se añadió como a potenciador de resistencia. La composición, la W/C, y la concentración de los hidróxidos alcalinos en la solución activadora de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 15. Las resistencias a la compresión de las Muestras 89-92 en los tiempos indicados anteriormente se muestran en la Tabla 16. Un gráfico de estas resistencias a la compresión en función del tiempo de curado se muestra en la Figura 1.
Tabla 15. Composición <%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
* SFF = humo de sílice rellenador; QZ = cuarzo triturado; FAF = ceniza voladora Clase F; Na20 y K20 añadidos como hidróxidos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadoras
Tabla 16. Resistencia a la compresión (psi) de las muestras curadas para diferentes tiempos
Ejemplo 15
Usando el mismo procedimiento como el descrito en el Ejemplo 13, se prepararon muestras adicionales de GUHPC (Muestras 93-98) . El mezclado se realizó con un mezclador de alta intensidad (K-Lab Mixer from Lancaster Products) . Las muestras se curaron a temperatura ambiente y sus resistencias a la compresión se midieron después del curado por 3 horas, 6 horas, 1 dia, 3 días, 7 días, 15 días, 21 días, y 28 días. En estas muestras, la arena de mampostería se usó como agregado fino, y el humo de sílice de Norchem Inc. junto con cenizas voladoras Clase F de CaO de las centrales eléctricas de las costas de Brandon, Baltimore, Maryland (Separation Technologies) se usó como rellenador reactivo en las Muestras 93, 95, 97, y 99. El humo de sílice de Norchem Inc. junto con ceniza voladora Clase F de CaO alto de la central eléctrica de Limestone, Jewett, Texas (Head ater Resources) se usó como rellenador reactivo en las Muestras 94, 96, 98, y 100. Las soluciones activadoras se prepararon mediante disolución de humo de sílice de Norchem Inc. en solución de hidróxido
alcalino con relaciones en masa de K20/Na20 en aproximadamente 2.2. No se añadió superplasti ficante . El fluoruro sódico (NaF) en aproximadamente 0.25 % en peso de la mezcla de hormigón se añadió como un potenciador de resistencia. La composición, la W/C, y la concentración de los hidróxidos alcalinos en la solución activadora de las muestras adicionales se muestran en la Tabla 17. Las resistencias a la compresión de las Muestras 93-98 en los tiempos indicados anteriormente se muestran en la Tabla 18.
Tabla 17. Composición (%p) , W/C, concentración molar de hidróxidos alcalinos en la solución activadora, y resistencia a la compresión (psi) de muestras de GUHPC adicionales*
* SFF = humo de sílice rellenador; FAF = ceniza voladora Clase F; Na20 y 20 añadido como hidróxidos respectivos, y Si02 añadido como humo de sílice (por ejemplo, producto de desecho de aleación de Fe-Si) para preparar las soluciones activadores
Tabla 18. Resistencia a la compresión (psi) de las
muestras curadas para diferentes tiempos
ND = No determinado
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Los métodos descritos a modo ilustrativo en este documento pueden ponerse en práctica adecuadamente en ausencia de cualquier elemento o elementos, limitación o limitaciones, que no se describen específicamente en la presente. Así, por ejemplo, los términos "que comprende",
"que incluye", que contiene", etc. se leerán expansivamente y sin limitación. Además, los términos y expresiones empleados en la presente se han usado como términos de la descripción y no de limitación, y no hay intención en el uso de tales términos y expresiones para excluir ningún equivalente de las características mostradas y descritas o porciones de los mismos. Se reconoce que son posibles varias modificaciones dentro del alcance de la invención reivindicada. Así, se debe entender que aunque la presente invención se ha descrito específicamente mediante modalidades preferidas y características opcionales, la modificación y la variación de la invención contenida en ella descrita en la presente, se puede recurrir a los expertos en la técnica, y que tales modificaciones y variaciones se consideran que están dentro del alcance de esta invención.
La invención se ha descrito ampliamente y genéricamente en la presente. Cada una de las especies más estrechas y agrupaciones subgenéricas comprendidas en la descripción genérica también forman parte de los métodos. Esto incluye la descripción genérica de los métodos con una cláusula o limitación negativa eliminando cualquier materia de género, independientemente de si o no el material extirpado se enumera específicamente en la presente.
Otras modalidades están dentro de las siguientes
reivindicaciones. Adicionalmente, donde las características o aspectos de los métodos se describen en términos de grupos Markushr los expertos en la técnica reconocerán que la invención también es así descrita en términos de cualquier miembro individual o subgrupo de miembros del grupo Markush.
Claims (40)
1. Una mezcla de un compuesto geopolimérico de hormigón de ultra alto rendimiento (GUHPC), caracterizada porque comprende : (a) un aglutinante que comprende uno o más seleccionados del grupo que consiste de aluminosilicato reactivo y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo; (b) un activador alcalino que comprende una solución acuosa de hidróxido metálico y silicato metálico; y (c) uno o más agregados.
2. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el aglutinante comprende aproximadamente 10 a 50 % en peso de la mezcla GUHPC.
3. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el aglutinante comprende uno o más aluminosilicatos reactivos que comprenden aproximadamente 0 a 30 % en peso de la mezcla GUHPC.
4. La mezcla GUHPC de la reivindicación 3, caracterizada porque el uno o más del aluminosilicato reactivo se selecciona del grupo que consiste de metacaolin, vidrios de aluminosilicato reactivo, y ceniza voladora ultrafina Clase F.
5. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el aglutinante comprende uno o más aluminosilicatos alcalinotérreos reactivos que comprenden aproximadamente 2 a 40 % en peso de la mezcla GUHPC.
6. La mezcla GUHPC de la reivindicación 5, caracterizada porque el uno o más aluminosilicatos alcalinotérreos reactivos se seleccionan del grupo que consiste de escoria granulada de altos hornos, aluminosilicato de ¦ calcio vitreo (VCAS), ceniza voladora Clase C, y polvo de horno de hormigón.
7. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el aglutinante comprende aluminosilicato reactivo y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo.
8. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque la masa del aluminosilicato reactivo es hasta aproximadamente 10 veces, preferentemente de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.8 veces la masa del aluminosilicato alcalinotérreo reactivo.
9. La mezcla GUHPC de la reivindicación 7, caracterizada porque el aluminosilicato reactivo comprende aproximadamente 2 a 15 % en peso de la mezcla GUHPC.
10. La mezcla GUHPC de la reivindicación 7, caracterizada porque la masa del aluminosilicato alcalinotérreo reactivo es hasta aproximadamente 20 veces, preferentemente de aproximadamente 2 a aproximadamente 5 veces la masa del aluminosilicato reactivo.
11. La mezcla GUHPC de la reivindicación 7, caracterizada porque el aluminosilicato alcalinotérreo reactivo comprende aproximadamente 8 a aproximadamente 25 % en peso de la mezcla GUHPC.
12. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende uno o más rellenadores , que comprenden hasta aproximadamente 35 % en peso, preferentemente de aproximadamente 2 a aproximadamente 25 % en peso de la mezcla GUHPC.
13. La mezcla GUHPC de la reivindicación 12, caracterizada porque el uno o más rellenadores tiene un tamaño de partícula de entre 1 y 75 pm, y se selecciona del grupo que consiste de cuarzo triturado, ceniza voladora Clase F, ceniza voladora Clase C, zeolita, vidrio molido, metacaolín, escoria granulada de altos hornos molida, escoria de horno ultrafina, y ceniza voladora ultrafina.
14. La mezcla GUHPC de la reivindicación 12, caracterizada porque el uno o más rellenadores tiene un tamaño de partículas de entre aproximadamente 0.05 y 1 pm, y se selecciona del grupo que consiste de humo de sílice, sílice precipitada, carbonato de calcio ultrafino, alúmina micrónica, y partículas submicronicas de óxidos de. metal.
15. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el uno o más agregados tiene un tamaño de partículas entre aproximadamente 0.075 y 10 mm, y comprende hasta aproximadamente 75 % en peso, preferentemente aproximadamente 30 a 60 % en peso de la mezcla GUHPC.
16. La mezcla GUHPC de la reivindicación 15, caracterizada porque el uno o más agregados comprende uno o más agregados grueso que tiene un tamaño de partículas de entre aproximadamente 0.075 y 'aproximadamente 10 mm que se selecciona del grupo que consiste de arena de cuarzo, granito, basalto, gneis, escoria granulada de altos hornos triturada, caliza y arena de bauxita calcinada.
17. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el uno o más agregados comprende uno o más agregados finos con un tamaño de partículas de entre aproximadamente 0.075 y 0.75 mm.
18. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque la solución activadora alcalina es aproximadamente 10 a 40 % en peso, con mayor preferencia aproximadamente 15 a aproximadamente 25 % en peso, de la mezcla GUHPC
19. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el hidróxido metálico comprende hidróxido sódico, hidróxido potásico, o ambos.
20. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el hidróxido metálico comprende aproximadamente 2 a 10 % en peso como M20 de la mezcla GUHPC.
21. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el silicato metálico comprende silicato sódico, silicato potásico, o ambos.
22. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el silicato metálico comprende aproximadamente 2 a 10 % en peso como S1O2 de la mezcla GUHPC.
23. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque el activador alcalino comprende agua a aproximadamente 4 a 25 % en peso, con mayor preferencia aproximadamente 5 a 15 % en peso, de la mezcla GUHPC.
24. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque comprende además una o más fibra, que comprende hasta aproximadamente 15 % en peso de la mezcla GUHPC.
25. La mezcla GUHPC de la reivindicación 24, caracterizada porque la una o más fibra se selecciona del grupo que consiste de fibra orgánica, fibra de vidrio, fibra mineral, fibra de basalto, fibra de carbono, nano fibra, y fibra metálica.
26. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende uno o más potenciadores de resistencia, que comprende hasta aproximadamente 2 % en peso de la mezcla GUHPC.
27. La mezcla GUHPC de la reivindicación 26, caracterizada porque el uno o más potenciadores de resistencia se selecciona del grupo que consiste de hidróxido de aluminio, carbonato alcalino, fosfato alcalino, sulfato alcalino, oxalato alcalino, y fluoruro alcalino.
28. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende sólidos superplasti ficantes , que comprenden hasta aproximadamente 5 % en peso de la mezcla GUHPC.
29. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende un retardador de fraguado, que comprende hasta aproximadamente 5 % en peso de la mezcla GUHPC.
30. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque la densidad de empaque de todos los componentes sólidos en la mezcla GUHPC es al menos 0.5 (v/v), preferentemente al menos 0.6 (v/v), con mayor preferencia al menos 0.7 ( v/v ) .
31. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque la mezcla GUHPC resulta en un producto con una resistencia a la compresión el dia 28 de al menos aproximadamente 10,000 psi (68.95 MPa ) .
32. La mezcla · GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque la mezcla GUHPC resulta en un producto con una resistencia a la compresión el dia 28 de al menos aproximadamente 20,000 psi (137.9 MPa) .
33. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque la mezcla GUHPC resulta en un producto con una resistencia a la compresión el dia 28 de al menos aproximadamente 25,000 psi (172.4 MPa) .
34. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque la mezcla GUHPC resulta en un producto con un tiempo de fraguado de aproximadamente 30 minutos a 3 horas .
35. La mezcla GUHPC de la reivindicación 1, caracterizada porque la mezcla GUHPC resulta en un producto con una temperatura de fraguado entre aproximadamente 0 °C y 150 °C.
36. Un método para preparar un producto compuesto geopolimérico de hormigón de ultra alto rendimiento (GUHPC), que comprende: a. mezclar una mezcla seca de GUHPC con una solución activadora para formar una pasta de GUHPC; y b. fraguar y curar la pasta de GUHPC para formar un producto GUHPC; en donde dicha mezcla seca de GUHPC comprende un aglutinante a aproximadamente 10 a 50 % en peso, el aglutinante comprende uno o más seleccionados del grupo que consiste de aluminosilicato reactivo y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo, y la solución activadora comprende una solución acuosa de hidróxido metálico y silicato metálico; la mezcla seca comprende además uno o más seleccionado del grupo que consiste de agregado, rellenador, y fibra.
37. El método de la reivindicación 36, caracterizado porque la pasta de GUHPC comprende además uno o más seleccionado del grupo que consiste de potenciador de resistencia, sólidos superplastificantes y retardador de fraguado .
38. El método de la reivindicación 36, caracterizado porque la solución activadora tiene una concentración molar de hidróxido alcalino de aproximadamente 5 a aproximadamente 15, preferentemente de aproximadamente 7 a aproximadamente 12.
39. Un método para preparar un producto compuesto geopolimérico de hormigón de ultra alto rendimiento (GUHPC) a partir de una mezcla de GUHPC, dicho método comprende mezclar los componentes de una mezcla GUHPC en un mezclador intensivo hasta que la mezcla progrese hasta una consistencia similar a gránulo y se desarrolle en una pasta vertible suave con mezclado continuo; en donde la mezcla GUHPC comprende una solución activadora y un aglutinante; la solución activadora comprende una solución acuosa de hidróxido metálico y silicato metálico, el aglutinante comprende uno o más seleccionado del grupo que consiste de aluminosilicato reactivo y aluminosilicato alcalinotérreo reactivo.
40. El método de la reivindicación 39, caracterizado porque la mezcla GUHPC tiene una relación en masa agua-a-geopolímeros sólidos (W/C) de entre aproximadamente 0.12 y aproximadamente 0.65, preferentemente entre aproximadamente 0.20 y aproximadamente 0.50,' con mayor preferencia entre aproximadamente 0.30 y aproximadamente 0.45.
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