PROCEDIMIENTO PARA LA FABRICACIÓN DE CEMENTOS ALCALINOS A PARTIR DE RESIDUOS VÍTREOS URBANOS E INDUSTRIALES.

Procedimiento para la fabricación de cementos alcalinos a partir de residuos vítreos urbanos e industriales.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de cementos alcalinos caracterizado porque comprende mezclar una disolución alcalina de pH superior a 13, donde dicha disolución es seleccionada entre una disolución de NaOH y una disolución de NaOH y Na2CO3, con al menos un material silico-aluminoso susceptible de ser activado alcalinamente y al menos un residuo vítreo seleccionado entre residuos vítreos urbanos y residuos vítreos industriales, o cualquiera de sus mezclas, donde el porcentaje en peso de residuo vítreo en el cemento alcalino se encuentra comprendido entre 20% y 80%. Es asimismo objeto de la invención el cemento obtenido a partir de dicho procedimiento y su uso en la obtención de hormigón y/o prefabricados.

Procedimiento para la fabricación de cementos alcalinos a partir de residuos vítreos urbanos e industriales.

Campo de la invención La presente invención se refiere al campo de la construcción, y más concretamente, al sector de fabricación de cementos, hormigones y prefabricados. 5

Antecedentes de la invención En el último año (2010) la producción mundial de cemento Portland superó los 2.000 millones de toneladas, lo que supone más de 300 Kg por habitante del planeta; siendo el segundo producto, después del agua, más consumido por el hombre; además de ser el componente esencial del hormigón utilizado en construcción. El desarrollo de estos hormigones de cemento Portland ha sido uno de los pilares fundamentales en el progreso alcanzado en los países occidentales durante el 10 siglo XX.

La fabricación del cemento Portland implica un importante consumo de energía térmica y eléctrica, ya que se precisan temperaturas muy altas (~1500ºC) para que se completen todas las reacciones químicas que conducen a la formación del clínker del cemento Portland; así como los procesos de molienda de las materias primas y de los componentes del cemento final. Debido a las mejoras introducidas en las fábricas, la energía específica requerida se ha visto sensiblemente reducida 15 en los últimos años. Entre 1973 y 1988 la energía específica necesaria para producir clínker disminuyó desde 4750 MJ/t de clínker a 3750 MJ/t. Desde entonces, la energía específica se ha mantenido más o menos constante. Adicionalmente, la industria cementera es también una industria altamente contaminante, ya que explota recursos naturales (canteras) y emite a la atmósfera una gran cantidad de gases contaminantes (CO2, SO2, NOx) . Las emisiones de CO2 están asociadas, fundamentalmente, a la descarbonatación de las calizas, que es el constituyente mayoritario del crudo de cemento 20 (superando el 60% de la emisión total) . Los restantes gases contaminantes son emitidos durante la combustión de los combustibles fósiles utilizados en las plantas cementeras. A nivel mundial, entre el 5-7% de las emisiones de CO2 son debidas al sector cementero. Si el crecimiento de la producción mundial de cemento se mantiene a los ritmos actuales, se estima que en el primer cuarto del siglo XXI las emisiones de CO2 procedentes de la industria cementera podrían alcanzar los 3.500 millones de toneladas, valor similar a la cantidad total que se emite actualmente en Europa (incluyendo transporte, 25 industria de la energía, etc.) .

Por todo ello, el estudio y desarrollo de materiales de construcción alternativos a los cementos Portland tradicionales, en cuya fabricación no se emitan gases contaminantes y se obtenga un apreciable ahorro energético, constituye una línea de investigación de gran interés científico y tecnológico a escala mundial. Dentro de estos materiales alternativos se encuentran aquellos que proceden de la activación alcalina de subproductos industriales tales como las escorias de horno alto y/o las 30 cenizas volantes. Estos cementos se obtienen por la mezcla de dichos residuos y disoluciones alcalinas. Estos nuevos cementos se caracterizan por presentar bajos calores de hidratación, elevadas prestaciones mecánicas, y buena durabilidad frente a diferentes agresivos químicos (medios ácidos, sulfáticos, etc.) , y no requerir en su elaboración los elevados consumos energéticos que son inherentes al proceso de fabricación de los cementos Portland.

Sin embargo, los activadores alcalinos que favorecen la formación de materiales con mayores resistencias mecánicas y 35 mejor comportamiento durable son los silicatos alcalinos hidratados (Me2O•mSiO2•nH2O; Me= Na o K) , denominados “waterglass”, que son materiales sintéticos, obtenidos a través de procesos costosos económicamente y altamente contaminantes. Una vía de mejorar el balance económico y ecológico de los cementos alcalinos sería encontrar sustitutos (totales o parciales) de estos activadores alcalinos, y en esa línea se enmarca la presente invención, en la que se demuestra que residuos vítreos urbanos e industriales pueden ser sustitutos válidos de esas disoluciones alcalinas de “waterglass” 40 como activadores en la preparación de cementos alcalinos. Ello se debe a que los residuos vítreos, debido a su composición química basada fundamentalmente en SiO2 (65-75%) y Na2O (12-15%) , son potenciales activadores alcalinos de la familia de los “waterglass”.

Los residuos vítreos urbanos recogidos en las ciudades españolas y europeas no se reciclan al 100%. No se reutiliza entre el 40-60% de los residuos, bien porque estos aparecen recubiertos de otros materiales de tipo cerámico y/o metálico; bien 45 porque son fracciones granulométricas muy finas; por una inadecuada composición química, o por problemas asociados al color del vidrio, etc. Estos rechazos se producen porque esas anomalías pueden alterar los procesos convencionales de fabricación del vidrio. Sin embargo, estos residuos serían idóneos para su incorporación en la composición final de los nuevos cementos alcalinos; posibilitando su reutilización.

La recolección y gestión de residuos de vidrio es una política medioambiental con una implantación cada vez mayor en los 50 países desarrollados. En los Estados Unidos se generan anualmente 12.5 millones de toneladas de residuos vítreos, de los cuales solo se recicla el 20%. En el año 2008, en España se recogieron alrededor de 1 millón de toneladas de vidrio, de las que se reciclaron el 60%. Sin embargo, aunque se tiende a recolectar y clasificar los residuos vítreos urbanos e industriales según su tipo, lo cierto es que estos residuos contienen vidrios con diversas composiciones químicas (vidrio plano, con y sin color, con recubrimientos cerámicos o metálicos, etc.) , lo que dificulta su reutilización, cuando están mezclados, en los 55

procesos tecnológicos convencionales. En la Unión Europea entre un 2-6% de los residuos vítreos están en esta forma de mezcla, y en Rusia asciende a un 6-10%.

Todas las tecnologías existentes de reciclaje de residuos de vidrios mezclados incluyen una operación de triturado. Los fragmentos obtenidos (fracción 1-8 mm) pueden usarse como componentes adicionales (áridos) en la preparación de morteros y hormigones. Sin embargo, esta práctica está limitada ya que en opinión de algunos autores (C.D. Johnston 5 (2000) , Journal of Testing and Evaluation, 2 (85) , pp. 344-350) se pueden producir procesos de reacción álcali-sílice que pueden disminuir la estabilidad dimensional del hormigón, afectando muy negativamente a su resistencia y durabilidad. Sin embargo, algunos autores (M. Jin, et al. (2000) , ACI Structural Journal, 97 (2) , pp. 208-213) discrepan abiertamente de esta interpretación; e incluso otros investigadores han demostrado que la sustitución de un 20% del cemento por residuos vítreos en la preparación de hormigones induce mejoras en las propiedades mecánicas y en la durabilidad del hormigón 10 (permeabilidad a cloruros y ciclos hielo-deshielo) . En un trabajo muy reciente C. Shi (C. Shi (2009) , Journal of Materials in Civil Engineering, 21 (10) , pp. 529-534) demuestra que la expansión en hormigones con áridos vítreos es debida a la formación de un silicato cálcico-sódico hidratado (N-C-S-H) expansivo alrededor de las partículas del vidrio, procedente de la disolución y precipitación en medio básico de los propios vidrios sódico-cálcicos, y no a la interacción entre las partículas de vidrio y los álcalis del cemento. 15

Los residuos vítreos mezclados, en forma de polvo (difícilmente reutilizables en los procesos de fabricación del vidrio) pueden ser reutilizados en el sector de la construcción, a través de las siguientes aplicaciones:

1. Adiciones puzolánicas en la preparación de cementos Portland (C. Shi, et al. (2005) , Cement and Concrete Research, 35 (5) , pp. 987-993) ;

2. Preparación de composites vitrocerámicos junto con otros residuos o subproductos industriales, tales como cenizas 20 volantes y escorias, desechos cerámicos, etc. En este caso la sinterización se realiza entre 850-1100ºC (F. Andreola, et al. (2008) , Ceramics Internacional 34, pp. 1289-1295) ;

3. Preparación de composites de matriz polimérica (pavimentos para vehículos y peatones) (W.H. Chester (1992) , Utilization of Waste Materials in Civil Engineering Construction, pp. 296-307) ;

4. Componente principal para la producción de vidrio espumado en la elaboración de materiales termo-aislantes. Este 25 proceso requiere temperaturas comprendidas entre 630 y 850ºC (A.V. Gorokhovski, et al. (2005) , Waste Management 25, pp. 733-736) ;

5. Materia prima para sintetizar silicatos... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la fabricación de cementos alcalinos caracterizado por que comprende mezclar una disolución alcalina de pH superior a 13, donde dicha disolución es seleccionada entre una disolución de NaOH y una disolución de NaOH y Na2CO3, con al menos un material silico-aluminoso susceptible de ser activado alcalinamente y al menos un residuo vítreo seleccionado entre residuos vítreos urbanos y residuos vítreos industriales, o cualquiera de sus mezclas, donde el 5 porcentaje en peso de residuo vítreo en el cemento alcalino se encuentra comprendido entre 20% y 80%.

2. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 1, donde la disolución alcalina de pH superior a 13 es adicionada de manera directa sobre una mezcla homogénea del material silico-aluminoso y del residuo vítreo, dando lugar a una activación química de la mezcla.

3. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 1 o 2, donde tras la activación química, se lleva a cabo una etapa de 10 curado de la mezcla.

4. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 3, donde dicho curado se lleva a cabo a temperatura ambiente comprendida entre 20ºC y 25ºC, o a una temperatura comprendida entre 65ºC y 85ºC.

5. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 1, donde de manera previa a la mezcla del material silico-aluminoso susceptible de ser activado alcalinamente y del residuo vítreo, se lleva a cabo una etapa de molienda del residuo vítreo con 15 la disolución alcalina de pH superior a 13, seguido de la posterior mezcla del residuo vítreo y la disolución alcalina de pH superior a 13 con el material silico-aluminoso susceptible de ser activado alcalinamente, dando lugar a una activación mecano-química de la mezcla.

6. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 5, donde por cada gramo de residuo vítreo se añade entre 5 ml y 20 ml de la disolución alcalina de pH superior a 13. 20

7. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 5 o 6, donde la molienda se lleva a cabo durante un tiempo comprendido entre 2 h y 6 h, hasta alcanzar un tamaño final medio de partícula del residuo vítreo inferior a 90 μm.

8. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la disolución alcalina se emplea en una concentración equivalente entre 3% y 20% de Na2O sobre el 100% del material silico-aluminoso susceptible de ser activado alcalinamente. 25

9. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el residuo vítreo comprende, en porcentaje en peso, entre 65% y 75% de SiO2, entre 6% y 12% de CaO, entre 12% y 15% de Na2O, entre 0.5% y 5% de Al2O3 y entre 0.1% y 3% de Fe2O3.

10. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material silico-aluminoso es seleccionado de un grupo que consiste en escorias vítreas de horno alto, cenizas volantes y metacaolín, así como cualquiera 30 de sus combinaciones.

11. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una etapa posterior de adición de áridos.

12. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 11, donde dichos áridos son seleccionados entre áridos silíceos y áridos calcáreos y donde dichos áridos son añadidos en una relación árido/material silico-aluminoso susceptible de ser 35 activado alcalinamente comprendida entre 1/1 y 4/1.

13. Cemento alcalino obtenible a partir de un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

14. Uso de un cemento alcalino de acuerdo a la reivindicación 13 para la fabricación de hormigón y/o prefabricados.