PROCESO PARA FABRICAR AGREGADOS LIVIANOS A B JA PROCESS TO MANUFACTURE LIGHTWEIGHT AGGREGATES A B JA
TEMPERATURATEMPERATURE
1. INTRODUCCIÓN1. INTRODUCTION
Este invento consiste en un método de fabricación de agregados livianos a bajas temperaturas, los cuales pueden ser utilizados para la fabricación de concretos livianos, mezclando silicatos de sodio o potasio líquidos con materiales en polvo, tales como arenas, arcillas, caolín, cenizas de carbón vegetal o mineral u otros, y sometiendo esta mezcla a un proceso de calentamiento por temperatura que se incrementa despacio y continuamente desde nivel ambiente hasta un máximo de 250°C al final del ciclo.This invention consists of a method of manufacturing lightweight aggregates at low temperatures, which can be used to manufacture lightweight concrete, mixing liquid sodium or potassium silicates with powdered materials, such as sands, clays, kaolin, coal ash vegetable or mineral or others, and subjecting this mixture to a temperature heating process that increases slowly and continuously from room level to a maximum of 250 ° C at the end of the cycle.
2. RESUMEN HISTÓRICO DE TOS AGREGADOS LIVIANOS PARA EL CEMENTO2. HISTORICAL SUMMARY OF LIGHT AGGREGATE COUGH FOR CEMENT
En la industria de la construcción se usan concretos que están formados por cemento y agregados. Estos agregados ayudan a conformar la resistencia a la compresión y otras características del concreto. Los agregados más comunes por su dureza, bajo costo y fácil consecución son piedras de río, triturados de canteras y arenas. Pero todos estos materiales son de alto peso, del orden de 2 toneladas por metro cúbico, por lo cual se obtienen concretos pesados que necesitan estructuras más fuertes y costosas. Los agregados representan un alto porcentaje del peso total del concreto y este porcentaje puede ser de más del 50%. De manera que sí se puede hacer un concreto liviano, el diseño de la estructura puede cambiar y bajarse el costo.In the construction industry, concrete is used that consists of cement and aggregates. These aggregates help shape the compressive strength and other characteristics of the concrete. The most common aggregates due to their hardness, low cost and easy achievement are river stones, crushed quarries and sands. But all these materials are high weight, in the order of 2 tons per cubic meter, which is why heavy concretes are obtained that need stronger and more expensive structures. The aggregates represent a high percentage of the total weight of the concrete and this percentage can be more than 50%. So, if you can make lightweight concrete, the design of the structure can change and lower the cost.
Estamos considerando como agregados livianos cualquier material que pueda ser mezclado con cemento para formar concretos de más baja densidad que eϊ normal sin pérdida significativa de sus propiedades de dureza y resistencia y que si hay alguna pérdida el material pueda desempeñarse bien en algún uso específico.We are considering as lightweight aggregates any material that can be mixed with cement to form concrete of lower density than normal ϊ without significant loss of its hardness and strength properties and that if there is any loss the material can perform well in some specific use.
Los agregados livianos pueden ser naturales o artificiales, En la naturaleza se encuentran algunos como vermiculita, esquisto, pizarra, bentonitas y piedra pómez, entre otros. Pero se hizo obvio que si se pudieran hacer agregados livianos usando materiales de desecho como las cenizas de los procesos energéticos a base de la combustión del carbón mineral, por ejemplo, se podría ayudar a la ecología y a la industria de la construcción.Light aggregates can be natural or artificial. In nature there are some such as vermiculite, shale, slate, bentonites and pumice, among others. But it became obvious that if light aggregates could be made using waste materials such as ash from energy processes based on the combustion of mineral coal, for example, it could help ecology and the construction industry.
Por otra parte, hace algún tiempo se desarrollaron procesos para producir agregados livianos expandiendo arcillas, materiales a base de resinas plásticas y escorias expandidas. Generalmente estos procesos son de altas temperaturas, 1000°C o más, y por lo tanto requieren equipos de alto costo.On the other hand, some time ago, processes were developed to produce light aggregates by expanding clays, materials based on plastic resins and expanded slags. Generally these processes are of high temperatures, 1000 ° C or more, and therefore require high cost equipment.
3. RESUMEN T CNICO3. TECHNICAL SUMMARY
A diferencia de los procesos, actualmente en uso, que usan temperaturas del orden de 120Q°C, el sistema objeto de esta patente obtiene los mismos resultados con temperaturas máximas de 250°C. No se necesitan mayores temperaturas pero el producto final no sufre deterioro si así se hace.Unlike the processes, currently in use, that use temperatures of the order of 120Q ° C, the system object of this patent obtains the same results with maximum temperatures of 250 ° C. No higher temperatures are needed but the final product does not suffer deterioration if it is done.
Este es un proceso para la fabricación de agregados livianos similares a los ya conocidos, pero sigue un método diferente que utiliza silicatos líquidos de sodio o potasio, usados separadamente
o mezclados en cualquier proporción, como aglutinantes y espumantes, que dan la consistencia a la mezcla inicial y las características, o propiedades físicas, al producto final.This is a process for the manufacture of light aggregates similar to those already known, but it follows a different method that uses liquid sodium or potassium silicates, used separately or mixed in any proportion, such as binders and foaming agents, which give the consistency to the initial mix and the characteristics or physical properties of the final product.
Esta invención no intenta registrar la idea de "agregados livianos artificiales" sino un método diferente para su fabricación, aún si los productos así fabricados puedan tener iguales o diferentes características, o propiedades físicas, con los ya conocidos en el mercado y hechos por los métodos tradicionales.This invention does not attempt to register the idea of "artificial light aggregates" but a different method for their manufacture, even if the products thus manufactured may have the same or different characteristics, or physical properties, with those already known in the market and made by the methods traditional.
4. DESCRIPCI N DEL PROCESO 4.1.MATERIALES A USAR.-4. DESCRIPTION OF THE PROCESS 4.1.MATERIALS TO USE.-
4.1.1. AGLUTINANTES ( líquidos).- Los silicatos alcalinos de sodio y potasio pueden ser de las calidades comerciales en forma líquida que se encuentran en el mercado. La concentración de estos materiales no cambia en forma esencial los resultados finales pero es necesario hacer ajustes a la formulación dependiendo de esa concentración. Silicatos alcalinos sólidos de sodio y potasio, o una mezcla de los dos en cualquier proporción, pueden ser usados, pero deben ser disueltos previamente en agua para poder hacer una mezcla homogénea con el material de relleno. Líquidos o soluciones con densidades entre 20° Bé y 60° Bé son apropiadas pero un rango más recomendado sería entre 45 ° Bé y 55° Bé. La proporción SíO2:Na2O ó SíO2:K2O en estos aglutinantes es también importante porque la parte silícea da las propiedades de resistencia mientras que las partes sódica (como carbonato) o potásica (como carbonato) proveen la parte gaseosa para la expansión de la mezcla. Esta proporción SiO2:Na2O o SÍO2.K2O debe ser del orden de 1.5:2.5 a 3:3.5 y recomendable 1.8:2.5.4.1.1. BINDERS (liquids) .- The alkaline sodium and potassium silicates can be of the commercial qualities in liquid form that are on the market. The concentration of these materials does not fundamentally change the final results, but adjustments to the formulation are necessary depending on that concentration. Solid alkaline sodium and potassium silicates, or a mixture of the two in any proportion, can be used, but must be previously dissolved in water in order to make a homogeneous mixture with the filler material. Liquids or solutions with densities between 20 ° Bé and 60 ° Bé are appropriate but a more recommended range would be between 45 ° Bé and 55 ° Bé. The SiO2: Na2O or SiO2: K2O ratio in these binders is also important because the siliceous part gives the resistance properties while the sodium (as carbonate) or potassium (as carbonate) parts provide the gaseous part for the expansion of the mixture. This SiO2: Na2O or SÍO2.K2O ratio should be of the order of 1.5: 2.5 to 3: 3.5 and recommended 1.8: 2.5.
4.1.2. MATERIAL DE RELLENO o SOLIDOS.- Estos materiales pueden ser cenizas de cualquier clase, caolín, arenas, cementos, carbonates de calcio, arcillas, bentonitas, cales, cascarillas de arroz molidas, papel molido y, en fin, cualquier material que se desee aglutinar, fino o grueso, preferiblemente con malla superior a 50, dependiendo del material escogido y las propiedades deseadas. La formulación debe ser ajustada de acuerdo al tipo de relleno y su malla, También hay que tener en cuenta las propiedades físicas y químicas del relleno porque puede ser del tipo absorbente de agua o no inerte, y esto puede cambiar las propiedades de la mezcla. Con materiales más livianos, como cenizas, se producirán agregados más livianos.4.1.2. FILLING MATERIAL or SOLIDS.- These materials can be ash of any kind, kaolin, sand, cement, calcium carbonates, clays, bentonites, limes, ground rice husks, ground paper and, in short, any material that you want to bind , fine or thick, preferably with a mesh size greater than 50, depending on the material chosen and the desired properties. The formulation must be adjusted according to the type of filler and its mesh. The physical and chemical properties of the filler must also be taken into account because it can be of the water-absorbing or non-inert type, and this can change the properties of the mixture. With lighter materials, such as ash, lighter aggregates will be produced.
4.1.3. OTROS ADIUVOS.-Es aconsejable verificar la compatibilidad de cualquier aditivo con el aglomerante para evitar reacciones indeseables. Aditivos que producen gases pueden ser usados si se desea un efecto mayor de espumado y expansión pero esto rara vez es necesario. Colores minerales u orgánicos también se pueden usar para obtener una apariencia específica deseada en el producto final. Un 2% por peso de cemento llamado Sorel (oxicloruro mangnésico) incrementará la resistencia a la compresión en el producto final sin importar el tipo de relleno usado, sea éste arcilla, cenizas, etc.4.1.3. OTHER ADDITIVES.-It is advisable to check the compatibility of any additive with the binder to avoid undesirable reactions. Gas producing additives can be used if a greater foaming and expansion effect is desired but this is seldom necessary. Mineral or organic colors can also be used to obtain a specific desired appearance in the final product. A 2% by weight of cement called Sorel (magnesium oxychloride) will increase the compressive strength in the final product regardless of the type of filler used, be it clay, ashes, etc.
4.2. FORMULACION.-4.2. FORMULATION.-
Las mezclas de silicatos de sodio y de potasio pueden ser de cualquier proporción o pueden usarse sin mezclarlos dependiendo de las cualidades deseadas en el producto final. Sin embargo, para agregados de concretos el silicato de sodio sirve por sí solo y en muchos casos es de menor costo. Las proporciones entre AGLOMERANTE y SOLIDOS pueden ir de 10%:90%, para producto final más pesado a 90%: 10%, para producto final muy liviano. Para un agregado para
concreto con propiedades físicas similares a las Arcillas Expandidas encontradas en el mercado las mejores proporciones van de 25%:75% a 35%:ó5%.The mixtures of sodium and potassium silicates can be of any proportion or can be used without mixing depending on the qualities desired in the final product. However, for concrete aggregates, sodium silicate works on its own and in many cases is less expensive. The proportions between AGLOMERANTE and SOLIDOS can go from 10%: 90%, for heavier final product to 90%: 10%, for very light final product. For an aggregate for concrete with physical properties similar to Expanded Clays found in the market, the best proportions range from 25%: 75% to 35%: or 5%.
4.3. EL PROCESO.-4.3. THE PROCESS.-
4.3.1. Primer Paso.- Mezcla del Aglutinante con el Relleno. Esta mezcla se hace con el equipo apropiado, el cual depende del tipo de mezcla que se desee la cual a su vez depende de la formulación. La mezcla se puede hacer en un simple mezclador de paletas, un mezclador de giro doble u otros, cualquiera que rinda la mezcla más homogénea correspondiente a una formulación específica.4.3.1. First Step.- Mix the Binder with the Filling. This mixture is made with the appropriate equipment, which depends on the type of mixture desired, which in turn depends on the formulation. Mixing can be done in a simple paddle mixer, a double turn mixer or others, whichever gives the most homogeneous mix corresponding to a specific formulation.
4.3.2. «Segundo Paso." Extrusión de la mezcla.- La mezcla se extruye para formar pelotillas o granulos ("pellets")de un tamaño y forma convenientes. Podría inclusive ser una cinta continua para ser triturada al final del ciclo de secado. Para este paso la maquinaria usada puede ser también de la que se encuentra normalmente en el mercado. No hay una especificación especial para el extrusor o extendedor.4.3.2. "Second Step." Extrusion of the mixture.- The mixture is extruded to form pellets or granules ("pellets") of a convenient size and shape. It could even be a continuous tape to be crushed at the end of the drying cycle. The used machinery may also be the one normally found on the market.There is no special specification for the extruder or extender.
4.3.3. -Tercer paso.. Expansión .- La expansión tiene lugar cuando la temperatura se va elevando desde temperatura ambiente (asumida como no más de 50°C) hasta los 100°C. Este paso debe hacerse despacio para permitir que el calor se difunda por la mezcla uniformemente y cuando la mezcla adquiera una temperatura de entre 60°C y 100°C el aglomerante se expande y la mezcla incrementa su tamaño. Esta expansión ocurre por la composición química del aglomerante que produce gases, principalmente bióxido de carbono, debido al calor. Algunos rellenos pueden también producir gases al descomponerse con el calor. Dependiendo del tamaño de los granulos o "pellets", esta expansión puede demorarse entre 3 y 20 minutos. Es importante tener en cuenta que la temperatura debe subir paulatinamente, pues si sube demasiado rápidamente la expansión puede producir defectos como una burbuja de vacío en el centro de la pieza expandida, lo cual se traduce en baja de la resistencia a la presión por haberse formado una cascara vacía.4.3.3. -Third step .. Expansion .- The expansion takes place when the temperature rises from room temperature (assumed to be no more than 50 ° C) to 100 ° C. This step should be done slowly to allow heat to spread through the mix evenly, and when the mix reaches a temperature between 60 ° C and 100 ° C the binder expands and the mix increases in size. This expansion occurs due to the chemical composition of the binder that produces gases, mainly carbon dioxide, due to heat. Some fillers can also produce gases when decomposed by heat. Depending on the size of the granules or "pellets", this expansion can take between 3 and 20 minutes. It is important to keep in mind that the temperature must rise gradually, since if it rises too quickly, the expansion can produce defects such as a vacuum bubble in the center of the expanded part, which translates into a decrease in pressure resistance as it has formed an empty shell.
Este tercer paso, de expansión, puede hacerse en cualquier horno con temperatura controlada, pero un horno tipo túnel con correa transportadora sinfín es recomendable porque puede ser lo más práctico. La temperatura a lo largo del horno debe controlarse para que la cantidad de calor vaya incrementándose uniformemente a medida que la mezcla avanza. La correa transportadora debe estar hecha de, o cubierta con, una materia anti-adherente, como caucho de sílicona o tefϊón, dado que la mezcla se puede pegar a la correa. Esta etapa de expansión para un granulo o "pellet" de un centímetro de diámetro, por ejemplo, puede demorar 10 minutos.This third expansion step can be done in any temperature controlled furnace, but a tunnel type furnace with endless conveyor belt is recommended because it can be most practical. The temperature throughout the oven must be controlled so that the amount of heat increases evenly as the mixture progresses. The conveyor belt must be made of, or covered with, a non-stick material, such as silicone rubber or tefϊon, since the mixture may stick to the belt. This expansion stage for a centimeter diameter pellet or pellet, for example, can take 10 minutes.
Un sistema con horno de microhondas también puede ser usado siempre y cuando se controlen bien las temperaturas. En este caso los tiempos requeridos para cada paso o etapa del proceso pueden disminuir, pero el costo del consumo de energía debe tomarse en cuenta en comparación con otras fuentes de energía como el gas natural, calor proveniente de otras operaciones en donde se despidan gases calientes cuya energía se pueda recuperar, etc. Pero para operaciones relativamente pequeñas, el sistema de horno de microhondas puede ser ideal. Una combinación de diferentes fuentes de energía también puede ser considerada conveniente para bajar costos, o tiempo, en cada paso o etapa del proceso.A microwave oven system can also be used as long as temperatures are well controlled. In this case, the times required for each step or stage of the process may decrease, but the cost of energy consumption must be taken into account compared to other energy sources such as natural gas, heat from other operations where hot gases are released. whose energy can be recovered, etc. But for relatively small operations, the microwave oven system may be ideal. A combination of different energy sources can also be considered convenient to lower costs, or time, in each step or stage of the process.
4.3.4. Cuarto Paso.- Secado Final.- Una vez la expansión de la mezcla a ocurrido completamente, el material debe ser secado también completamente. A partir de este punto, en adelante, la temperatura puede ser incrementada rápidamente hasta el nivel de 250°C. En esta etapa, nuevamente, el tiempo de secado dependerá del tamaño de las piezas y la cantidad de las
mismas, pero un granulo o "pellet" de 1 centímetro de diámetro se puede secar en 10 minutos. Un tiempo de secado mayor o una temperatura más alta no dañarán el producto final, pero es importante que el producto esté completamente seco al final de esta etapa.4.3.4. Step Four.- Final Drying.- Once the expansion of the mixture has completely occurred, the material must also be completely dried. From this point onward, the temperature can be rapidly increased to the 250 ° C level. At this stage, again, the drying time will depend on the size of the pieces and the quantity of the same, but a granule or "pellet" of 1 centimeter in diameter can dry in 10 minutes. A longer drying time or a higher temperature will not harm the final product, but it is important that the product is completely dry at the end of this stage.
Por lo tanto, el tiempo total del proceso de horneado, para piezas de 1 centímetro de diámetro, no debe exceder los 20 minutos. Sin embargo, pueden ocurrir variaciones debido a las diferentes formulaciones posibles. Esto se debe a que la cantidad total de agua en la mezcla puede ser del 10% al 50% del peso total y es humedad que hay que evaporar.
Therefore, the total time of the baking process, for pieces of 1 centimeter in diameter, should not exceed 20 minutes. However, variations may occur due to different possible formulations. This is because the total amount of water in the mixture can be from 10% to 50% of the total weight and it is moisture that must be evaporated.