MXPA05001828A

MXPA05001828A - Cemento hidraulico de endurecimiento rapido de ceniza voladora subbituminosa y productos del mismo.

Info

Publication number: MXPA05001828A
Application number: MXPA05001828A
Authority: MX
Inventors: Ryan M Scott
Original assignee: Cemex Inc
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2005-09-22
Also published as: US20050241537A1; US7288148B2

Abstract

Se provee un cemento hidraulico de endurecimiento rapido que esta hecho casi exclusivamente de una ceniza voladora subbituminosa sin cemento Portland ni otro auxiliar de refuerzo.

Description

CEMENTO HIDRAULICO DE ENDURECIMIENTO RAPIDO DE CENIZA VOLADORA SUBB1TÜMINOSA Y PRODUCTOS DEL MISMO CAMPO DE LA INVENCION La presente invención está dirigida en general a una composición de cemento hidráulico de endurecimiento rápido y productos relacionados. Más particularmente, la presente invención está dirigida a una composición de cemento hidráulico de endurecimiento rápido que comprende ceniza voladora subbituminosa y que no tiene cemento portland.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Las estaciones de generación eléctrica de todo el mundo queman uno o más tipos de carbón para producir electricidad. Un subproducto de la combustión del carbón es un residuo inorgánico conocido como "ceniza voladora" o "ceniza de combustible pulverizado". Las partículas de ceniza individuales son muy pequeñas (como polvo de maquillar), y son arrastradas hacia arriba y hacia fuera con el flujo de los gases de escape de combustión; de ahí el término de ceniza "voladora". De esta manera, la ceniza voladora se ha definido como el residuo mineral finamente dividido que resulfp de la combustión de carbón molido o pulverizado. La ceniza voladora es una "puzolana", esto es, un material que contiene sílice, alúmina y calcio que, en presencia de agua, se combina químicamente con la cal libre contenida ya sea en la ceniza voladora o en otros componentes, para producir un material con propiedades cementosas. Algunas cenizas voladoras contienen suficientes compuestos de calcio para ser autoendurecibles, mientras que otras requieren la adición de calcio para endurecerse (usualmente en forma de cemento o cal). Hay dos tipos principales de ceniza voladora: la clase F (baja en cal) y la clase C (alta en cal). La ceniza voladora de clase F contiene sílice, aluminio y fierro en combinaciones de más de 70%, y tiene poco o ningún valor cementoso cuando se usa sola; sin embargo, bajo condiciones apropiadas reacciona químicamente con hidróxido de calcio a temperaturas ordinarias para formar compuestos cementosos. La ceniza voladora de clase F está asociada típicamente con los carbones de las regiones este y oeste medio de E.U.A., tales como la antracita o el carbón bituminoso. En comparación, la ceniza voladora de clase C generalmente contiene más calcio y menos fierro que la ceniza voladora de clase F, y tiene un contenido de cal (CaO) en la escala de 15% a 30%. De esta manera, la ceniza voladora de ciase C es cementosa o autoendurecible. La ceniza voladora de clase C usualmente está asociada con los carbones de la región oeste de E.U.A., tales como lignita o cemento subbituminoso. La ceniza voladora es recolectada de los gases de combustión usando una variedad de medios, tales como precipitadores electrostáticos, sistemas FGD o casas de bolsas. No es de sorprender que la ceniza voladora se acumule rápidamente y pueda ocasionar enormes problemas de disposición de desechos. Consecuentemente ha ha¾i&.. un tremendo esfuerzo para encontrar usos de reciclaje adecuados para la ceniza voladora, como alternativa a los rellenos de tierra. Históricamente, la ceniza voladora se ha usado como un aditivo de refuerzo para el cemento portland. El cemento portland requiere grandes cantidades de energía para su fabricación y, hablando en general, por cada tonelada de cemento portland producido se emite una tonelada de dióxido de carbono. Por lo tanto, el uso de ceniza voladora como un reemplazo de todo o parte del cemento portland, conlleva a la utilización adecuada de un material de relleno de tierra, así como a la reducción de la energía y las emisiones de CO2 asociadas con la producción de cemento portland. El uso de la ceniza voladora de esta manera confiere un gran beneficio a la sociedad en la forma de conservación de recursos y protección ambiental. La industria de los materiales de construcción es un líder en la utilización de ceniza voladora en el cemento y concreto. Por ejemplo, en la patente de E.U.A. No. 4,842,649, de Heitzmann y otros, se describe el uso de ceniza voladora en composiciones de cemento. La composición contiene de 50 partes a aproximadamente 80 partes de cemento portland; de 13 partes a aproximadamente 35 partes de ceniza voladora; y de 1 parte a aproximadamente 5 partes de carbonato de potasio. La composición puede incluir adicionalmente hasta aproximadamente 10 partes de metacaolín; hasta aproximadamente 6 partes de escoria; y hasta 4 partes de una mixtura. La patente de E.U.A. No. 4,997,484, de Gravitt y otros, describe un cemento que usa de 80.8 a 99 partes de ceniza voladora de clase C para lograr una alta resistencia en poco tiempo, usualmente menor de treinta minutos, cuando se cura a temperatura ambiente. La patente de E.U.A. No. 5,997,632, presentada por este solicitante, describe cemento hidráulico mezclado que comprende aproximadamente de 85 a 99.7 por ciento en peso de ceniza voladora subbituminosa. La descripción completa de esa patente se incorpora en la presente como referencia para todos los fines como si se expusiera completamente. La solicitud de patente de E.U.A. No. 10/249,935, presentada el 20 de mayo de 2003, describe cemento hidráulico mezclado que comprende ceniza voladora vitrificada mezclada con cemento portíand o cal. La invención descrita y reclamada en la presente mejora y hace avanzar la tecnología arriba descrita en la forma de un cemento hidráulico de endurecimiento rápido hecho de ceniza voladora, que no utiliza cemento portíand.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente invención se puede poner en práctica en una variedad de modalidades como se expone en las reivindicaciones anexas. En un aspecto, la presente invención provee un cemento hidráulico de endurecimiento rápido que contiene casi exclusivamente ceniza voladora subbituminosa, un acelerador como ácido cítrico, carbonato de potasio y citrato de sodio, y un auxiliar de trabajo como caolín y atapulguita. En otro aspecto, el cemento de endurecimiento rápido contiene ceniza voladora de clase C en combinación con una ceniza voladora que no es de clase C, que tiene un contenido de cal y azufre más alto que la ceniza voladora de clase C, tal como ceniza voladora de depurador de caliza. En otro aspecto, la presente invención provee una composición de mortero, lechada de cemento o concreto, en la cual el cemento de endurecimiento rápido se mezcla con agregado.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Otros objetos y ventajas de la invención se harán evidentes tras la lectura de la siguiente descripción detallada y haciendo referencia a los dibujos, en los cuales: La figura 1 es una reimpresión de la primera página de un folleto de precomercialización para una modalidad de la presente invención. La figura 2 es una reimpresión de la segunda página del folleto de precomercialización de la figura . Aunque la invención es susceptible de varias modificaciones y formas alternativas, en los dibujos se muestran modalidades específicas a manera de ejemplo, y se describirán con más detalle en la presente. Se debe entender, sin embargo, que la invención no se considera limitada a las formas particulares descritas. Más bien, se considera que la invención cubre todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que entran dentro del alcance de la invención definida por las reivindicaciones anexas.

DESCRIPCION DETALLADA DE MODALIDADES ILUSTRATIVAS Más abajo se describen en detalle modalidades específicas que incorporan uno o más aspectos de la invención, pero no se indican todas las características de una ejecución real. Las personas con conocimientos medios en esta materia entenderán que en el desarrollo de cualquier modalidad comercial se deben tomar muchas decisiones específicas de la ejecución para alcanzar las metas específicas de los desarrolladores, tales como el cumplimiento de las restricciones comerciales y las relacionadas con el sistema, que variarán de una ejecución a otra. Además, dicho esfuerzo de desarrollo, aunque complejo y tardado, sería una empresa rutinaria para las personas con conocimientos medios en la materia, teniendo el beneficio de esta descripción. Por consiguiente, la invención es susceptible de varias modificaciones y formas alternativas, y se debe entender que la invención no se considera limitada a las formas particulares descritas detalladamente en la presente. Más bien, se considera que la invención cubre todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que entran dentro del alcance de la invención definida por las reivindicaciones anexas. En términos generales, la presente invención provee un cemento hidráulico de endurecimiento rápido hecho sustancialmente de ceniza voladora sin la adición intencional de cemento portland. La ceniza voladora es preferiblemente ceniza voladora de clase C y muy preferiblemente una mezcla de ceniza voladora de clase C y una ceniza voladora subbituminosa que tiene un contenido de cal y azufre mayor al que se encuentra en la ceniza de clase C. El cemento también incluye un acelerador, tal como ácido cítrico, que reacciona con los minerales de la ceniza voladora para efectuar endurecimiento rápido. El cemento fraguará en un lapso de aproximadamente 10 minutos después de mezclarlo con agua, de preferencia en un lapso de 8 minutos después de la adición de agua, o aproximadamente 3 minutos después de la terminación del mezclado. El cemento se puede mezclar con un agregado fino, tal como arena, para formar un mortero o una lechada de cemento, o con un agregado grueso para formar concreto. La mezcla de partes iguales de arena de malla 6- 0 y arena de malla 20 con el cemento de la presente invención, hace un producto preferido de mortero/fechada de cemento. Más abajo se presentan otros aspectos de la presente invención. De acuerdo con la AST C 618, los requerimientos químicos para clasificar la ceniza voladora como clase C o clase F son: Un análisis químico típico de la ceniza voladora de la clase F y de la clase C, en una base de porcentaje en peso, es como sigue: Oxido Clase F Clase C Si02 49.10 53.79 AI203 16.25 15.42 Fe203 22.31 5.00 T1O2 1.09 1.68 CaO 4.48 18.00 MgO 1.00 3.40 Na20 0.05 0.50 K20 1.42 0.50 S03 0.73 1.44 LOI 2.55 0.80 Otros 1.02 0.27 Una composición de acuerdo con la presente invención contiene aproximadamente entre 85% y 100% de ceniza voladora subbituminosa, tal como una ceniza voladora de clase C. Alternativa y preferiblemente la ceniza voladora es una mezcla de ceniza voladora de clase C con una ceniza voladora subbituminosa que tiene un contenido de azufre más alto que el permitido según los parámetros de la ceniza de clase C. Por ejemplo, la ceniza voladora que no es de clase C actualmente preferida se obtiene de una planta de energía donde se quema caliza junto con el carbón subbituminoso, que crea una ceniza voladora que tiene un contenido de azufre y cal más alto que el encontrado típicamente en la ceniza de clase C. Por ejemplo, se puede inyectar caliza pulverizada en los gases calientes conforme salen de la cámara de combustión de la planta y entran al horno. Mediante la calcinación de la ceniza, la caliza es convertida en cal, que reacciona con los compuestos de azufre de los gases de escape para formar sulfato de calcio. Para los fines de esta descripción, esta ceniza voladora que no es de clase C será referida genéricamente como una ceniza voladora de depurador de caliza. Este nombre es únicamente una denominación taquigráfica de conveniencia y no pretende limitar la fuente de la cual se obtiene esta ceniza voladora subbituminosa, ni la forma en que se prepara. A continuación se presenta la composición y las propiedades típicas de la ceniza voladora de depurador de caliza útil con la presente invención.

Se ha encontrado que la proporción de ceniza voladora de clase C a ceniza voladora de depurador de caliza, puede variar de 1:0 (es decir, ceniza voladora completamente de clase C) a aproximadamente 1:1. Preferiblemente, la proporción de la mezcla es de dos partes de ceniza voladora de clase C por una parte de ceniza voladora de depurador de caliza (es decir, 2:1). Si no se usara una ceniza voladora de depurador de caliza, para complementar el contenido de calcio y azufre de la ceniza voladora de clase C se pueden usar otras puzolanas, tales como arcillas.

Se pueden usar uno o más aceleradores con el cemento de la presente invención. El ácido cítrico y el carbonato de potasio, el carbonato de litio y el carbonato de sodio, son aceleradores adecuados, igual que los productos equivalentes tales como sales y otras formas de los aceleradores mencionados. Cuando se usa ácido cítrico, este representará por lo regular de aproximadamente 1 a aproximadamente 3 por ciento en peso de la composición de cemento. Actualmente se prefiere usar el carbonato de potasio en conjunto con ácido cítrico en una proporción de 1:1 a 2:1, aproximadamente; de preferencia en una proporción de aproximadamente 1.4 partes de carbonato de potasio por 1 parte de ácido cítrico. El acelerador usado puede estar en cualquiera de sus grados disponibles, incluyendo cristal fino, líquido o polvo. Se ha encontrado que el citrato de sodio es benéfico como acelerador cuando se usa en combinación con otro acelerador tal como ácido cítrico o ácido cítrico y carbonato de potasio. Se ha encontrado que el uso de citrato de sodio por si solo, sin otro acelerador, no beneficia la presente invención, aunque dicho uso no se excluye de la invención. Cuando se use, el citrato de sodio puede representar de 0.5% a 2% en peso. Se ha encontrado que aproximadamente 1 % de citrato de sodio tiene el mejor efecto sinérgico sobre los otros aceleradores. La presente invención también se puede beneficiar de la adición de un auxiliar de trabajo con alúmina. Dichos auxiliares incluyen virtualmente cualquier arcilla, tal como atapulguita, caolín, metacaolín, novaculita (también disponible como Novacite) y bentonita, y bauxita, cal y cal hidráulica.

La atapulguita es una arcilla de silicato de aluminio y magnesio bien conocida de tamaño de partícula muy fino. También es conocida como paligorskita o tierra Fuller y está estrechamente relacionada con la sepiolita mineral. El área de superficie grande de la atapulguita (y sepiolita) le da la capacidad de absorber grandes cantidades de agua. La atapulguita es llamada así por Atapulgus, Georgia, uno de los pocos lugares en donde ocurre. El caolín es uno de varios tipos de arcilla y es referido comúnmente como arcilla china o arcilla de papel. Es una sílice hidratada de alúmina con una composición de aproximadamente 46% de S1O2, 40% de AI2O3 y 14% de H2O. El metacaolín es caolín que ha sido procesado por deshidroxilación mediante la aplicación de calor durante un período definido. La bentonita es un mineral de tipo arcilla que consiste principalmente de montmorilonita y está caracterizada por su alto poder absorbente y sus propiedades coloidales activas. E! nombre se refiere a su descubrimiento en Benton, Wyoming. La bauxita es un material heterogéneo natural compuesto principalmente de uno o más minerales de hidróxido de aluminio, más varias mezclas de sílice, óxido de fierro, titanio, aluminosilicato, y otras impurezas en cantidades menores o de trazas. El contenido de alúmina adicional de estos auxiliares de trabajo contribuye, entre otras cosas, a la naturaleza de fraguado rápido de la presente invención. El o los auxiliares de trabajo representarían aproximadamente 1- 0%, en base al peso, de la mezcla de cemento, de preferencia de aproximadamente 2% a aproximadamente 7%. En una modalidad actualmente preferida, como auxiliar de trabajo se usa una combinación de caolín y atapulguita. El caolín se usa en primer lugar para suministrar alúmina y en segundo lugar por sus propiedades de manejabilidad. La atapulguita se usa en primer lugar por sus propiedades de manejabilidad y en segundo lugar por su contenido de alúmina. En esa modalidad particular de la presente invención, se usa aproximadamente 0.5% en peso de atapulguita y aproximadamente 2.5% en peso de caolín. Las personas con conocimientos medios en esta materia apreciarán que se pueden usar varios aditivos de cemento con la presente invención para crear propiedades comerciales deseadas. Por ejemplo, se pueden usar exitosamente con la presente invención auxiliares aglutinantes, auxiliares de curado y auxiliares de sellado. Uno dé tales aditivos es un polímero dispersable en agua, tal como el copolímero de vinilacetato EV 2000 comercializado por Elotex AG. También se pueden usar exitosamente aditivos contra la contracción, tal como Metolat P 871 , comercializado por Ulta Additives, Inc., y agentes de mojado como Reax 6SN de Westvaco. Significativamente, las composiciones de la presente invención no se basan en aditivos incrementadores de resistencia tales como cemento portland, clinker de cemento molido ni escoria molida, sino que más bien se basan casi exclusivamente en la ceniza voladora subbituminosa o una mezcla de la misma. Adicionalmente, como las composiciones de la presente invención son cementos hidráulicos de endurecimiento rápido, no emplean agentes reterdadores que extenderían apreciablemente el tiempo de fraguado a más de 10 minutos después de la adición de agua. En ios siguientes cuadros se da un ejemplo de las muchas modalidades de un cemento hidráulico de endurecimiento rápido conforme a la presente invención. Componente Porcentaje en peso Ceniza voladora de clase C 59.65 Ceniza voladora de depurador de caliza 30.77 Total de ceniza voladora 90.42 Carbonato de potasio 2.51 Ácido cítrico 1.75 Citrato de sodio 1.00 Caolín 2.47 Atapulguita 0.50 Elotex EVA 2000 0.10 Metallat P 871 0.25 Reax SN de West aco 0.30 Agente colorante 0.70 Total de cemento 100.00 Se le puede mezclar con agua en proporciones convenientes tales como 0.2 partes de agua por 1 parte de cemento.

Intervalo de la prueba Resistencia a la compresión Kg/cm2 1 hora 332.5 2 horas 406.0 3 horas 437.5 24 horas 560.0 7 días 735.0 28 días 840.0 En las figuras 1 y 2 se presenta un folleto de precomercialización para esta modalidad comercial. Se apreciará que el cemento hidráulico de endurecimiento rápido de ta presente invención se puede combinar con agregado pequeño o agregado grande para crear un mortero, lechada de cemento o concreto. Se ha encontrado sorprendentemente que una mezcla de uso de arena de malla 6-10 con arena de malla 20, en una proporción de aproximadamente 1:1, produce un producto de cemento que tiene propiedades superiores a las del cemento hecho solo de arena de malla 6- 0 o de arena de malla 20. La presente invención se ha descrito por medio de los ejemplos ilustrativos y las modalidades preferidas arriba detalladas. Sin embargo, la extensión de la invención y sus muchas aplicaciones comerciales no se limitan a los ejemplos y modalidades anteriormente expuestas. El significado claro de las siguientes reivindicaciones, junto con todos los equivalentes y modificaciones insubstanciales, dictan el alcance de la protección a ser concedida a la presente invención.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION
REIVINDICACIONES 1- Un cemento que comprende: por lo menos aproximadamente 85% en peso de una ceniza voladora subbituminosa; menos de aproximadamente 5% en peso de un acelerador; y de aproximadamente 1% a aproximadamente 10% en peso de por lo menos un auxiliar de trabajo que tiene alúmina, dicho cemento exhibiendo un tiempo de fraguado de aproximadamente diez minutos o menos después de mezclarlo con agua. 2 - El cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la ceniza voladora comprende una primera ceniza voladora que es una ceniza voladora de clase C.
3.- El cemento de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la ceniza voladora comprende además una segunda ceniza voladora subbituminosa diferente de una ceniza voladora de clase C, dicha segunda ceniza voladora conteniendo una fracción en peso más alta de óxido de calcio y una fracción en peso más alta de trióxido de azufre que dicha primera ceniza voladora.
4.- El cemento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque dicha segunda ceniza voladora contiene más de aproximadamente 18% de óxido de calcio y más de aproximadamente 1.44% de trióxido de azufre.
5.- El cemento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la segunda ceniza voladora comprende más de aproximadamente 5% de trióxido de azufre.
6.- El cemento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la segunda ceniza voladora comprende ceniza voladora de depurador de caliza.
7.- El cemento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la proporción en peso de dicha primera ceniza voladora a dicha segunda ceniza voladora, es mayor de :1.
8. - El cemento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque dicha proporción en peso es de aproximadamente 2:1.
9. - El cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque dicho acelerador se selecciona del grupo que consiste de ácido cítrico, carbonates de metal alcalino, citrato de sodio y mezclas de los mismos.
10.- El cemento de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque dicho acelerador comprende ácido cítrico y carbonato de potasio.
11. - El cemento de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque la proporción en peso de dicho carbonato de potasio a dicho ácido cítrico es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 2:1.
12. - El cemento de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque dicha proporción en peso es de aproximadamente 1.4 a .
13. - El cemento de conformidad con la reivindicación 0, caracterizado además porque comprende de aproximadamente 0.5% en peso a aproximadamente 2% en peso de citrato de sodio.
14. - El cemento de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque comprende aproximadamente 1% en peso de dicho citrato de sodio.
15. - El cemento de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque dicho acelerador se selecciona del grupo que consiste de ácido cítrico, carbonatos de metal alcalino y mezclas de los mismos, y dicho cemento comprendiendo de aproximadamente 0.5% a aproximadamente 2% de citrato de sodio.
16. - El cemento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho auxiliar de trabajo es una arcilla seleccionada del grupo que consiste de atapulguita, caolín, metacaolín, novacuüta, bentonita y mezclas de los mismos.
17. - El cemento de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque dicho auxiliar de trabajo comprende aproximadamente 0.5% en peso de atapulguita y aproximadamente 2.5% en peso de caolín.
18.- El cemento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho auxiliar de trabajo se selecciona del grupo que consiste de bauxita, cal y cal hidráulica.
19.- El cemento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende de aproximadamente 2% en peso a aproximadamente 7% en peso de dicho auxiliar de trabajo (por lo menos uno).
20.- El cemento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende por lo menos un aditivo de cemento seleccionado del grupo que consiste de auxiliares aglutinantes, auxiliares de curado, auxiliares de sellado, aditivos contra la contracción, agentes de mojado y mezclas de los mismos. 21 - Una composición de concreto que comprende un cemento como el que se reclama en la reivindicación 1 en combinación con agregado grueso. 22.- Una composición de mortero o lechada de cemento que comprende un cemento como el que se reclama en la reivindicación 1 en combinación con agregado ftno. 23. - Una composición de mortero o lechada de cemento de conformidad con la reivindicación 22, caracterizada además porque dicho agregado fino comprende partes sustancialmente iguales de arena de malla 20 y arena de malla 6-10. 24. - El cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque dicho tiempo de fraguado es un lapso de aproximadamente ocho minutos después de la adición eje agua a dicho cemento. 25. - El cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque dicho tiempo de fraguado es un lapso de aproximadamente tres minutos después de la terminación de una operación de mezclado en donde dicho cementó se mezcla con agua.