AGLUTINANTE SUPERSULFATADQ ACTIVADO POR ÁLCALI
La invención trata de un aglutinante de aluminosilicato supersulfatado activado que contiene aluminosilicatos, sulfato de calcio y un activador que contiene sales de metales alcalinos . La composición y elaboración del cemento metalúrgico supersulfatado tiene como base la adición del sulfato de calcio al cemento. De acuerdo con la Organización de Normas Internacionales (ISO, por sus siglas en inglés) , el cemento supersulfatado se define como una mezcla de por lo menos 75% por peso de escoria de alto horno granulada triturada, grandes adiciones de sulfato de calcio (> 5% por peso de S03) y un máximo de 5% por peso de cal apagada, ladrillo vitrificado de cemento portland o cemento portland. A fin de producir un cemento supersulfatado, la escoria granulada debe contener por lo menos 13% por peso de
A1203 y responder a la fórmula (CaO + MgO + Al203) /Si02 > 1.6 de acuerdo con las Normas Alemanas. De acuerdo con Keil, se prefiere una cantidad de 15 a 20% de escoria de albúmina en un módulo mínimo de (CaO + CaS + 0.5 MgO + Al203)/(Si02 + MnO) >
1.8. De acuerdo con Blondiau, la relación de CaO/Si02 debe estar entre 1.45 y 1.54 y la relación de Al203/Si02 debe estar
' entre 1.8 y 1.9. Se agrega cal, ladrillo vitrificado o cemento a fin de elevar el pH en la pasta de cemento y facilitar la solubilización de la albúmina en la fase liquida durante la hidratación del cemento. El endurecimiento del cemento metalúrgico supersulfatado se puede conseguir sin cualesquiera aditivos químicos o tratamiento formativo especial. En cementos portland ordinarios y cementos metalúrgicos, en los que la hidratación se efectúa en una fase liquida con excepción a la albúmina en solución, el contenido de sulfato de calcio se limita a un bajo porcentaje a fin de evitar posible desintegración interna debido a la formación de sulfoaluminato de calcio (Candlot bacilli) como resultado de que la albúmina no entró en la solución. En estos cementos, la influencia predominante del sulfato de calcio es el efecto retardante que éste ejerce sobre el tiempo de fraguado. La basicidad de los albuminatos de calcio hidratados así como la insolubilización de la albúmina contenida en los albuminatos depende de la concentración de cal en la fase liquida del cemento durante la hidratación independientemente de si los albuminatos de calcio hidratados están presentes en el cemento endurecido en la forma cristalina o en la forma amorfa. La concentración de cal en la fase líquida determina el tipo de influencia del sulfato de calcio en el tiempo de fraguado en el cemento y la cantidad máxima de sulfato de calcio que el cemento puede contener sin dar origen a los fenómenos de desintegración interna mediante formación diferida de etringita. En el cemento metalúrgico supersulfatado, la concentración de cal en la fase líquida es inferior al límite de insolubilización de la albúmina. Grandes adiciones de sulfato de calcio dirigidas a la activación de reacciones de escoria de alto horno determinan la formación de sulfoaluminato de tricalcio de gran actividad hidráulica, con base en la cal y la albúmina en solución, sin dar origen a posible desintegración. La adición del sulfato de calcio a la escoria de alto horno granulada no producirá un cemento expansivo sino que actuará como un agente acelerador en la formación de componentes hidratados . En el cemento supersulfatado grandes porcentajes de sulfato de calcio no deben considerarse como un perjuicio. Los sulfoaluminatos de calcio a los que éstos dan origen más bien contribuyen a elevar la actividad hidráulica en lugar de ocasionar desintegración como' en el caso del cemento portland y el cemento metalúrgico normal . El fraguado inicial y endurecimiento del cemento supersulfatado se asocia con la formación de la forma de sulfato elevado de sulfoaluminato de calcio de los componentes de escoria y el sulfato de calcio agregado. La adición de cemento portland al cemento se requiere para ajustar la alcalinidad correcta a fin de permitir la formación de etringita. Los principales productos hidratados son la tobermorita - de fase similar de mono- y trisulfoaluminato y la albúmina . El cemento supersulfatado combina con más agua en la hidratación que el cemento portland. Esto cumple con todas las especificaciones del cemento normal en términos de idoneidad de molido. Es considerado como un cemento de poco calor. Se puede usar en la forma de concreto, mortero para albañilería o lechada como cualquier otro cemento portland o cemento metalúrgico. Las condiciones que deben observarse en el uso del cemento supersulfatado son idénticas a aquéllas que regulan la elección, mezcla y lugar de otros cementos. A fin de mejorar los aglutinantes de aluminosilicato, ya se ha sugerido activarlos con álcali y, en particular, con sosa cáustica o solución de potasa cáustica. Los aglutinantes de aluminosilicatos activados con álcalis (AAAS) son materiales cementantes formados por sólidos reaccionantes finos de sílice y albúmina con una solución de álcali o sales de álcali a fin de producir geles y compuestos cristalinos. La tecnología de activación con álcalis originalmente se desarrolló en 1930 a 1940 por Purdon, quien descubrió que la adición de álcali a las escorias produce un aglutinante de endurecimiento rápido. Contrario al cemento supersulfatado, se puede usar una gran variedad de materiales (arcilla natural o calcinada, escoria, ceniza volante, lodos de benita, roca molida, etc.) como una fuente de materiales de aluminosilicato. Diferentes soluciones de álcali pueden usarse para producir reacciones de endurecimiento (hidróxido de álcali, silicato, sulfato y carbonato, etc.) . Esto significa que las fuentes de aglutinantes AAAS son casi ilimitadas. Durante la activación por álcali, los aluminosilicatos son afectados por una gran concentración de iones de OH en la mezcla. Mientras un pH > 12 en la pasta de cemento portland o cemento supersulfatado es proporcionado por la solubilidad de hidróxido de calcio, el pH en el sistema AAAS supera 13.5. La cantidad de álcali, que en general es 2 a 25% por peso de álcali (> 3% Na20) , depende de la alcalinidad del aluminosilicato. La reactividad del aglutinante AAAS depende de su composición química y mineral, el grado de vitrificación y finura de molido. En general, los aglutinantes AAAS pueden empezar a curar dentro de 15 minutos y tienen endurecimiento rápido y gran ganancia de concentración a largo plazo. La reacción de fraguado y el proceso de endurecimiento siguen sin entenderse por completo. Continúan con el deslavado inicial de álcali y la formación de hidrosilicatos de calcio cristalinos débiles del grupo tobermorita. Los aluminosilicatos de calcio empiezan a cristalizar para formar productos semejantes a la zeolita y, posteriormente, zeolitas de álcali. Los valores de concentración en el sistema AAAS han sido atribuidos a los fuertes contactos de cristalización entre las zeolitas y los hidrosilicatos de calcio. La actividad hidráulica se mejora aumentando las dosis de álcalis. La relación entre la actividad hidráulica y la cantidad de álcalis así como la presencia de zeolita en los productos hidratados ha comprobado que los álcalis no actúan solamente como simples catalizadores, participan en reacciones de la misma manera como la cal y el yeso, y son relativamente fuertes debido a una fuerte influencia catiónica. Muchos estudios en la activación de materiales de silicoaluminato con álcalis y sus sales han sido reportados. Es objeto de la presente invención activar un aglutinante de aluminosilicato supertensioactivado evitando en gran medida el uso de químicos caros tales como la sosa cáustica o la solución de potasa cáustica, mientras se obtienen valores de concentración de aglutinantes normales al mismo tiempo. Al reducir los iones de OH en la mezcla, el pH debe bajar a valores que correspondan con los valores del cemento supersulfatado común. Al mismo tiempo, debe poderse usar una gran cantidad de diferentes productos de inicio de aluminosilicatos de manera que los aluminosilicatos puedan producirse de fuentes industriales baratas mediante mezcla, sinterización o fundición de diferentes materiales y, en particular, substancias de desecho. Para solucionar este objetivo, el aglutinante de aluminosilicato supersulfatado activado esencialmente se caracterizaba en que los aluminosilicatos se seleccionan del grupo que consiste de escorias de alto horno, arcilla, arcilla calcárea y productos derivados industriales tales como la ceniza volátil con la condición de que el contenido de Al203 sea mayor que 5% por peso, en donde la escoria de alto horno está presente en una cantidad que excede 35% por peso y la arcilla, arcilla calcárea y/o la ceniza volátil están presentes en una cantidad que excede 5% por peso y en que el polvo de horno de cemento en una cantidad de 3 a 10% por peso se agrega a la mezcla como un activador y el sulfato de calcio se usa en una cantidad que excede 5% por peso. Al usar el polvo de horno de cemento como activador, se pueden eliminar los iones de OH y en consecuencia se puede reducir el pH. Sorprendentemente se ha demostrado que la activación mediante polvo de horno de cemento es en gran medida insensible a la elección de los productos de inicio. Sorprendentemente, es posible usar cualquier escoria de alto horno granulada para producir nuevos aglutinantes supertensioactivados, sin ser ya necesario observar el módulo o la relación de las substancias químicas. Además, la activación de escoria por ladrillo vitrificado o cemento portland ya no es necesaria a fin de empezar las reacciones de hidratación. Finalmente, la activación de sulfato produce etringita con materiales de silicoaluminato distintos a la escoria granulada. El silicoaluminato se puede producir en un proceso industrial al mezclar, sinterizar o fundir diferentes materiales (arcilla, arcilla calcárea, zeolita, metacaolín, lodos rojos, escorias, ceniza volátil, lodos de belita, roca molida, etc.) y agregar una cantidad que excede 3% por peso puede reducir las microgrietas en el concreto. De acuerdo con la invención, los aluminosilicatos se seleccionan del grupo que consiste de escoria de alto horno y/o arcilla y/o arcilla calcárea y/o derivados industriales con la condición de que el contenido de Al203 sea mayor que 5% por peso. Otros componentes útiles son la zeolita y/o basalto y/o piedra caliza. Es de particular ventaja si la arcilla o la arcilla calcárea se usa después de activación térmica mediante tratamiento térmico a temperaturas de 600°C a 850°C. En principio, el aglutinante de aluminosilicato supersulfatado activado debe comprender 75% por peso de aluminosilicato, en donde la porción principal puede sustituirse por escorias de alto horno convencionales u otros materiales y, en particular, substancias de desecho. Un aglutinante preferido, por lo tanto, se caracteriza en que la suma de los contenidos de escoria de alto horno, arcilla, arcilla calcárea, zeolita y ceniza volátil varía entre 75 y 90% por peso de la mezcla. La escoria de alto horno siempre está presente en una cantidad que excede 35% por peso. Como ya se mencionó al principio, se puede suprimir el uso de iones de OH para la activación. Cuando la activación por álcalis es para mostrar las ventajas adicionales, se requieren cantidades substancialmente más pequeñas de hidróxido de álcali, y como resultado, se agrega hidróxido de álcali como un activador álcali en una cantidad de menos de 1% por peso y, de preferencia, menos de 0.5% por peso. Las propiedades de fraguado y curado del aglutinante conforme a la invención pueden tener influencia de manera convencional. De ese modo, de acuerdo a otro desarrollo preferido de la invención, plastificantes y/o superplastificantes tales como naftaleno-sulfonato o ácido cítrico y/o agentes reductores de agua se agregan a la mezcla en una cantidad de 0.2 a 2% por peso. El aglutinante conforme a la invención parece ser de particular utilidad si está molido a una finura de Blaine que exceda 3500 cm /g. La activación para mejora de concentración inicial se puede lograr si Li2S04 ó ZrOCl2 se agrega en una cantidad de 0.1 a 0.5% por peso. Con base a la totalidad, grandes adiciones de sulfato de calcio y cantidades relativamente ligeras de activador se pueden aplicar, en donde se obtiene un cemento que es muy similar al cemento metalúrgico supersulfatado y cumple con todas las especificaciones del cemento normal en términos de finura de molido. Éste se considera como un cemento de poco calor. Se puede usar en la forma de concreto, mortero para albañilería o lechada similar a cualquier otro cemento portland o cemento metalúrgico. Las condiciones que deben observarse en el uso de los aglutinantes de silicoaluminato supersulfatado activados por álcali son idénticas a aquellas que regulan la elección, mezcla y colocación de otros cementos portland y cementos mezclados . A fin de moler el nuevo aglutinante a una finura de
Blaine de por lo menos 3500 cm /g, se puede aplicar molido conjunto, mezcla o una combinación de molido y mezcla de componentes en proporciones recomendadas. Los diferentes componentes se pueden mezclar juntos durante la molienda del silicoaluminato o durante la preparación del concreto. Las características de facilidad de trabajo, colocación, compactación y acabado, con base en requerimientos de agua normal sin pérdida excesiva de asentamiento, son iguales a la del concreto portland normal o el concreto de cemento de escoria. La incorporación de aditivos durante la mezcla de la lechada, el mortero o el concreto puede resultar muy benéfica. Mayor impermeabilidad y valores de concentración se obtendrán en el concreto final con menos agua en una plasticidad determinada. El uso de plastificantes, superplastificantes, agentes reductores de agua reduce en gran medida la relación de A/A mientras se mantiene una buena facilidad de trabajo. En la totalidad, ha sido muy sorprendente que la adición de polvo de horno de cemento a los aglutinantes de aluminosilicatos sulfatados produce excelentes resultados de activación mientras permite simultáneamente la eliminación de substancias derivadas baratas disponibles en suficientes cantidades. Las pruebas han demostrado que incluso ligeras cantidades de polvo de cemento de horno inducen la activación, en donde los mecanismos exactos de esta activación no han sido aclarados todavía. La fabricación de cemento supersulfatado activado por álcali no requiere componentes especiales pero usa materias primas comunes o secundarias. De ese modo, es posible usar una gran variedad de materias primas tales como, por ejemplo, productos naturales, productos derivados y desperdicios industriales tales como los silicoalbuminatos
(A1203 > 6% por peso) . Para la activación se usa, productos de desecho, en particular, polvo de horno de cemento. Se puede usar cualquier tipo de sulfato de calcio tal como, por ejemplo, yeso residual natural e industrial o materiales anhidro o dihidrato o de anhidrita para preparar el sulfato en el nuevo aglutinante. En la siguiente Tabla, se ilustran formas de realización de ejemplo y un ejemplo comparativo por medio de diferentes aglutinantes de aluminosilicato supertensioactivados, indicándose las respectivas composiciones,
Tabla
28D CS (MPa) 67.7 66.2 59.9 71.4 53.9 66.1 58.
1) Arcilla opalina, activada térmicamente 2 horas a 750°C
2) Para producir flujo 190-210 cm CKD = Polvo de Horno de Cemento BFS = Escoria de alto horno LS = Piedra caliza FA = Ceniza volátil