CEMENTO GEOPOLIMERICO A BASE DE CENIZAS VOLANTES Y DE GRAN INOCUIDAD DE USO.
Cemento geopolimérico a base de cenizas volantes silico-aluminosas de clase F,
cuyo contenido en CaO es inferior a 8% en peso, caracterizado porque está dotado de una inocuidad de uso y porque contiene una disolución acuosa de silicato alcalino en la que la relación molar de los óxidos M2O:SiO2 es inferior a 0,78, y la relación SiO2:M2O es superior a 1,28, siendo M K o Na, efectuándose el endurecimiento a temperatura ambiente
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2007/001285.
Solicitante: RED LION CEMENT TECHNOLOGY LIMITED.
Nacionalidad solicitante: Granada.
Dirección: C/O ST VINCENT TRUST SERVICES LIMITED TRUST HOUSE 112 BONADIE STREET,KINGSTOWN ST VINCENT AND THE G.
Inventor/es: DAVIDOVITS,JOSEPH, DAVIDOVITS,RALPH, DAVIDOVITS,MARC.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 28 de Abril de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- C04B12/00G
- C04B18/08 QUIMICA; METALURGIA. › C04 CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS; REFRACTARIOS. › C04B LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES, p. ej. MORTEROS, HORMIGON O MATERIALES DE CONSTRUCCION SIMILARES; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS (vitrocerámicas desvitrificadas C03C 10/00 ); REFRACTARIOS (aleaciones basadas en metales refractarios C22C ); TRATAMIENTO DE LA PIEDRA NATURAL. › C04B 18/00 Empleo de materias aglomeradas, de residuos o de desechos como cargas para morteros, hormigón o piedra artificial; Tratamiento de materias aglomeradas, de residuos o de desechos, especialmente previsto para reforzar sus propiedades de carga, en los morteros, hormigón o piedra artificial (elementos de armadura E04C 5/00). › Cenizas volantes.
- C04B28/00G
Clasificación PCT:
Fragmento de la descripción:
Cemento geopolimérico a base de cenizas volantes y de gran inocuidad de uso.
La presente invención se refiere a un nuevo tipo de cemento geopolimérico destinado a la construcción. Este cemento se denomina cemento geopolimérico, puesto que es a base de geopolímero mineral, constituido por alumino-silicatos alcalinos, más conocidos con la denominación de poli(sialato), poli(sialiato-siloxo) y/o poli(sialato-disiloxo). En el caso de la presente invención, el cemento geopolimérico es a base de cenizas volantes silico-aluminosas recogidas después de la combustión del carbón en las centrales eléctricas térmicas. Su endurecimiento se efectúa a temperatura ambiente.
Técnicas anteriores
Se distinguen dos tipos de cementos: los cementos hidráulicos y los cementos geopoliméricos. Los cementos geopoliméricos son el resultado de una reacción de policondensación mineral, denominada geosíntesis, por oposición a los aglutinantes tradicionales hidráulicos en los que el endurecimiento es el resultado de una hidratación de los aluminatos de calcio y de los silicatos de calcio.
El término poli(sialato) se ha adoptado para designar los geopolímeros alumino-silicatos. La red sialato está constituida por unos tetraedros SiO4 y AlO4 alternativamente enlazados por unos átomos de oxígeno. Los cationes (Na+, K+, Ca++, H3O+) presentes en las cavidades estructurales del poli(sialato) equilibran la carga negativa de Al3+ en coordinación (IV). La fórmula empírica de los polisialatos es: Mn{-(SiO2)z-AlO2}n, wH2O, representando M el catión K, Na o Ca y "n" el grado de polimerización; "z" es igual a 1, 2, 3 o más, hasta 32. Los polímeros de red tridimensional (3D) son de tipo:
| Poli(sialato) Mn-(-Si-O-Al-O-)n, | M-PS | Si:Al=1:1 | |
| Poli(sialato-siloxo) Mn-(Si-O-Al-O-Si-O-)n | M-PSS | Si:Al=2:1 | |
| Poli(sialato-disiloxo) Mn-(Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)n | M-PSDS | Si:Al=3:1 |
Los aglutinantes o cementos geopolímeros de tipo poli(sialato), poli(sialato-siloxo) y/o poli(sialato-disiloxo) han constituido el objeto de varias patentes que demuestran sus propiedades particulares. Se pueden citar por ejemplo las patentes francesas: FR 2.489.290, 2.489.291, 2.528.818, 2.621.260, 2.659.319, 2.669.918, 2.758.323 y 2.839.970.
Los cementos geopoliméricos de la técnica anterior, WO 92/04298, WO 92/04299, WO 95/13995, WO 98/31644, WO 03/099738, son el resultado de una policondensación entre tres agentes activos minerales distintos, es decir:
a) El óxido aluminosilicato (Si2O5,Al2O2), o metacaolín, que es el resultado de la calcinación de arcilla caolín cerca de los 750ºC. En la presente descripción, se designará mediante MK-750.
b) El silicato de sodio o de potasio con una relación molar M2O:SiO2 comprendida entre 0,5 y 0,8, lo que corresponde a una relación molar SiO2:M2O comprendida entre 1,25 y 2, designando M o bien Na, o bien K. Como en la técnica anterior se utiliza o bien una, o bien la otra relación molar, se utilizarán las dos relaciones en la presente descripción.
c) El disilicato de calcio Ca(H3SiO4)2.
d) En algunos casos, se añade sílice amorfa (humo de sílice) o unos alumino-silicatos naturales (rocas trituradas de diversos orígenes). Se pueden citar, por ejemplo, las patentes FR 2.758.323 y 2.839.970. Se trata de cargas reactivas revestidas en la matriz geopolimérica que resulta de la reacción entre los agentes reactivos a)+b)+c).
Con el disilicato de potasio y una relación molar M2O:SiO2 = 0,5 -disilicato alcalino de potasio K2(H3SiO4)2-, la policondensación es el resultado de la reacción química siguiente:
Se forma el (K,Ca)-Poli(sialato-siloxo), (K,Ca)-PSS con Si:Al = 2. Con una relación molar M2O:SiO2 = 0,8, se forma el (K,Ca)-Poli(sialato-disiloxo), (K,Ca)-PSDS.
Los agentes reactivos a) y b) son unos productos industriales añadidos en el medio de reacción. Por el contrario, el ingrediente c), el disilicato de calcio, se produce en estado naciente, in situ, en el medio altamente alcalino. En general, procede de la reacción química entre un silicato de calcio tal como la melilita de calcio presente en la lechada de alto horno.
Una de las propiedades interesantes de los cementos geopoliméricos es que, durante su fabricación, no liberan o liberan muy poco gas carbónico CO2. Por el contrario, los cementos a base de clinker Portland emiten enormemente gas carbónico. Tal como se puede leer en la publicación titulada Global Warming Impact on the Cement and Aggregates Industries, publicada en World Resource Review, Vol. 6, nº 2, p. 263-278, 1994, una tonelada de cemento Portland libera 1 tonelada de gas CO2, mientras que un cemento geopolimérico libera 5 a 10 veces menos. En otras palabras, en el marco de las leyes internacionales que limitan en el futuro la liberación de CO2, una fábrica de cemento que fabrica inicialmente cemento Portland podrá producir 5 a 10 veces más cemento geopolímero, emitiendo al mismo tiempo la misma cantidad de gas CO2. El interés por los cementos geopolímeros resulta muy evidente para la economía de los países en desarrollo.
Se puede obtener asimismo un cemento geopolímero utilizando otro tipo de silico-aluminato, a saber, las cenizas volantes, residuo industrial de las centrales térmicas de carbón. Existen sin embargo varios tipos de cenizas volantes según que contengan poco o mucho calcio, en forma de CaO combinado con los silico-aluminatos, o cal libre. Generalmente, las cenizas que proceden de la combustión de la hulla son pobres en cal y se denominan cenizas de clase F, o silico-aluminosas. Las cenizas que proceden de lignita son ricas en cal y pertenecen a la clase C, o cálcicas y sulfo-cálcicas. La tabla 1 reproduce algunas composiciones químicas de estos dos tipos de cenizas. En el marco de la presente invención, el cemento geopolímero se obtiene esencialmente a partir de cenizas volantes de clase F, silico-aluminosas, de contenido en CaO inferior a 8% en peso, preferentemente inferior a 4%.
Las cenizas volantes utilizadas en el marco de la presente invención son las obtenidas en unas calderas que queman a unas temperaturas superiores a 1.000ºC. La ceniza se presenta entonces en forma de pequeñas esferas constituidas esencialmente por partes vítreas. Están excluidas del campo de aplicación de la presente invención las cenizas que resultan de la combustión a menor temperatura o en lecho fluidizado, aproximadamente 750-1.000ºC. Estas cenizas de baja temperatura no se vitrifican y algunas contienen unos silico-aluminatos muy parecidos al metacaolín MK-750 mencionado anteriormente. Este tipo de ceniza pertenece a los cementos geopoliméricos de la técnica anterior y se menciona en la patente FR 2.758.323, página 6, líneas 15-18.
Se encuentran en la técnica anterior numerosas referencias que utilizan las cenizas volantes. Los autores describen generalmente una activación alcalina de las cenizas, o activación química tal como en la patente Silvestrim, US nº 5.601.643 (WO 96/25369). Desde hace poco tiempo sin embargo, estos mismos cementos llevan el título de cementos geopolímeros o cementos geopoliméricos, tal como las patentes Davidovits de la técnica...
Reivindicaciones:
1. Cemento geopolimérico a base de cenizas volantes silico-aluminosas de clase F, cuyo contenido en CaO es inferior a 8% en peso, caracterizado porque está dotado de una inocuidad de uso y porque contiene una disolución acuosa de silicato alcalino en la que la relación molar de los óxidos M2O:SiO2 es inferior a 0,78, y la relación SiO2:M2O es superior a 1,28, siendo M K o Na, efectuándose el endurecimiento a temperatura ambiente.
2. Cemento geopolimérico a base de cenizas volantes silico-aluminosas según la reivindicación 1, caracterizado porque cuando la disolución de silicato alcalino posee una relación molar de los óxidos M2O:SiO2 inferior a 0,69, y una relación SiO2:M2O superior a 1,45, el cemento geopolímero está dotado de una gran inocuidad de uso.
3. Cemento geopolimérico a base de cenizas volantes silico-aluminosas según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque contiene:
4. Cemento geopolimérico a base de cenizas volantes silico-aluminosas según la reivindicación 3, caracterizado porque la relación entre la cantidad de cenizas volantes y la cantidad de disolución de silicato alcalino es superior a 4.
5. Cemento geopolimérico a base de cenizas volantes silico-aluminosas según la reivindicación 3, caracterizado porque cuando el silicato alcalino es el silicato de potasio, la relación entre la cantidad de cenizas volantes y la cantidad de disolución de silicato alcalino es superior a 5.
6. Cemento geopolimérico a base de cenizas volantes silico-aluminosas según la reivindicación 3, caracterizado porque para el conjunto de los constituyentes del cemento geopolimérico, la relación molar de los óxidos:
M2O:SiO2 está comprendida entre 0,03 y 0,065, y
H2O:M2O está comprendida entre 20 y 45.
7. Cemento geopolimérico a base de cenizas volantes silico-aluminosas según la reivindicación 6, caracterizado porque cuando el silicato alcalino es el silicato de potasio, la relación molar H2O:K2O es superior a 30.
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