Material vítreo con propiedades cementantes y procedimiento de fabricación del mismo.

La presente invención consiste en un material vítreo con propiedades cementantes así como el procedimiento de fabricación del mismo, derivado de la fusión a elevada temperatura de materiales con una composición química determinada conteniendo calcio, magnesio, sílice, aluminio y hierro, bien en forma de óxidos, carbonatos u otros compuestos, y el posterior enfriamiento rápido del material evitando su cristalización gracias a su viscosidad interna y al enfriamiento rápido. Tras este procedimiento el material adquiere un estado vítreo que molido finamente y mezclado con clinker Portland y/o yeso, y/o hidróxido cálcico o cementos presentan propiedades cementantes o hidráulicas, es decir, el material endurece al mezclarlo con agua adquiriendo propiedades mecánicas

Material vítreo con propiedades cementantes y procedimiento de fabricación del mismo.

Sector de la técnica

La presente invención concierne a un material vítreo con propiedades hidráulicas o cementantes, es decir, un material que endurece al mezclarlo con agua adquiriendo propiedades mecánicas, así como a un procedimiento para la fabricación de dicho material.

El material objeto de la presente invención tiene como aplicación la fabricación de cemento como un componente del mismo.

Estado de la técnica anterior

En el estado de la técnica actual, para la fabricación de cementos, se emplean escorias de alto horno que se obtienen como residuo en la industria siderúrgica. Previamente a su utilización como componente del cemento, es necesario comprobar si la escoria cumple unos requisitos mínimos concretos principalmente en lo que respecta a su composición química, para poder ser utilizadas en la fabricación de cementos.

Generalmente, dichas escorias se han utilizado moliéndose conjuntamente con el clinker Portland y yeso para la preparación de cementos, aunque también se pueden mezclar en el hormigón con el cemento y los áridos.

Al no tratarse dichas escorias de un producto, sino de un residuo, su composición química y características vítreas no son las más adecuadas para la obtención de un cemento con determinadas características, es más, las características del cemento vienen parcialmente determinadas por la composición de la escoria, impidiendo por tanto la fabricación de cementos como material de construcción con determinadas características.

Por otro lado, y como ya se ha mencionado, el uso de escorias no permite controlar la composición final del cemento fabricado puesto que dichas escorias tienen una composición química determinada por el procedimiento siderúrgico del que proceden, no pudiendo ser por tanto modificable, por lo que la fabricación de cementos se ve limitada a cementos para construcción con las características impuestas por las escorias empleadas.

El producto, objeto de esta invención, presenta importantes ventajas en las propiedades mecánicas de los cementos obtenidos respecto a aquellos obtenidos partiendo de las escorias de alto horno.

Explicación de la invención

La presente invención consiste en un material vítreo con propiedades cementantes así como el procedimiento de fabricación del mismo, derivado de la fusión a elevada temperatura de materiales con una composición química determinada conteniendo calcio, magnesio, sílice, aluminio y hierro, bien en forma de óxidos, carbonatos u otros compuestos, y el posterior enfriamiento rápido del material evitando su cristalización gracias a su viscosidad interna y al enfriamiento rápido.

Tras este procedimiento el material adquiere un estado vítreo que molido finamente y mezclado con clinker Portland y/o yeso, y/o hidróxido cálcico o cementos presentan propiedades cementantes o hidráulicas, es decir, el material endurece al mezclarlo con agua adquiriendo propiedades mecánicas.

La presente invención proporciona un material para utilizar como componente en la fabricación de cementos para construcción que contribuye a la emisión de menor cantidad de gases de efecto invernadero que en los procedimientos de fabricación de cementos empleados en la actualidad debido a que en su composición química el porcentaje de CaO es inferior al del clinker de cemento portland y sus propiedades mecánicas superiores.

Por otro lado, este nuevo material permite la fabricación de nuevos cementos que en la actualidad y con los materiales existentes no pueden ser fabricados, al obtenerse productos con una composición química y física que no existen en la actualidad.

Otros problemas solucionados por la presente invención, y que no quedan resueltos en el estado de la técnica, son:

- posibilitar a países o zonas geográficas que no dispongan de materiales adecuados para la fabricación de cementos con las técnicas actuales fabricarlos con los productos objeto de esta invención. Determinadas áreas geográficas del planeta no presentan una composición química adecuada para la fabricación del clinker de cemento Portland por lo que se rechazan como posibles lugares de ubicación de fábricas de cemento. Ejemplos de lo anterior son zonas con contenidos de CaO bajos o altos contenidos de MgO (superiores al 6% por ejemplo) o contenidos de Na₂O ó K₂O elevados (superiores al 1,5% expresados en Na₂O equivalente) etc. por lo que requieren traer de otras zonas incluso de diferentes continentes el cemento. Esto sucede actualmente con mayor frecuencia por los mayores consumos de cemento en el mundo. Con el producto objeto de esta patente muchos de estos materiales rechazados pueden ser utilizados como materia prima.

- También permite la valorización de residuos como escorias de metalurgia y otros con posible liberalización del suelo ocupado por sus escombreras ya que en la mayoría de los casos no tienen una composición química adecuada para la fabricación de clinker Pórtland, como se ha explicado anteriormente, pero sí para la fabricación de los productos objeto de esta invención.

La solución a los anteriores problemas se basa en la fabricación de un material vítreo con propiedades cementantes. Para conseguir la composición química del material vítreo se mezclan y muelen diferentes materias primas que al fundir y evaporarse parte de los compuestos químicos volátiles se consigue una composición química como la descrita más adelante. Estas materias primas se alimentan a un horno y se funden completamente a elevadas temperaturas generalmente superiores a 1000ºC, preferiblemente entre 1250 y 1600ºC en condiciones oxidantes (o solo ligeramente reductoras), utilizando como combustible carbón pulverizado, coque, fuel-oil y/o combustibles considerados alternativos en la industria del cemento, tales como neumáticos usados, aceites, disolventes, plásticos, etc.

Dicho material fundido es enfriado rápidamente hasta una temperatura que garantiza la mínima vitrificación exigida al producto objeto de esta patente. La velocidad de enfriamiento es la velocidad de enfriamiento entre la temperatura en que el líquido solidifica (normalmente superior a 1000ºC) y la temperatura que garantiza que ya no es posible la cristalización del estado sólido y que para tener el máximo de garantías debe ser inferior a 400ºC. Los mejores resultados se obtienen con velocidades de enfriamiento superiores a 60ºC/minuto y ser realizada con agua aunque en algunos casos debido a la composición química velocidades inferiores y enfriamientos realizados al aire también permiten obtener buenos productos por una elevada viscosidad interna del material que impide su cristaliza- ción.

En el horno, el enfriamiento por agua o por aire debe ser lo suficientemente rápido, como se ha descrito anteriormente, para que el porcentaje de fase vítrea sea superior al 65%, con valores óptimos superiores al 90%. En general se puede considerar que la parte de producto no vítrea se comporta como un material inerte a efectos de propiedades cementicias con las consecuencias económicas y medioambientales que conlleva por falta de rendimiento máximo en un proceso térmico.

La composición química de las materias primas debe ser tal que después de los procesos en el horno el producto tenga una composición química como la que se describe:

- Un contenido de calcio, silicio, magnesio y aluminio que expresados como óxidos CaO, MgO, SiO₂, Al₂O₃ su suma sea superior al 70% siendo el resto SO₃, Na₂O, K₂O, Fe₂O₃, y pequeñas cantidades de otros elementos.

- La relación (CaO+MgO)/SiO₂ sea mayor que 0,9, siendo considerados los valores del orden entre 1,3 y 1,6 óptimos desde el punto de vista técnico-económico, ya que dan las mejores propiedades mecánicas con materiales que funden a relativa baja temperatura.

- El contenido de Al₂O₃ superior al 2% ya que este compuesto reacciona con el hidróxido cálcico del clinker de cemento portland formando aluminatos cálcicos contribuyendo en su hidratación y en la creación de una microestructura que aporta elevadas propiedades mecánicas.

- El contenido de Na₂O equivalente (Na₂O+0,658*K₂O) con un rango del 0% al 8%. Estos contenidos de alcalinos pueden ser como consecuencia de su presencia en las materias primas... [Seguir leyendo]

1. Material vítreo con propiedades cementantes para la fabricación de cementos de construcción, caracterizado porque al menos el 70% de su composición está compuesto por CaO, MgO, SiO₂ y Al₂O₃.

2. Material vítreo, según reivindicación 1, caracterizado porque el resto de componentes que lo componen son SO₃, Na₂O, K₂O, Fe₂O₃, y pequeñas cantidades de otros elementos.

3. Material vítreo, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación entre los componentes (CaO+MgO)/SiO₂ es mayor que 0,9.

4. Materia vítreo, según reivindicación 3, caracterizado porque dicha relación oscila entre 1,3 y 1,6.

5. Material vítreo, según reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de de Al₂O₃ es superior al 2%.

6. Material vítreo, según reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de Na₂O equivalente, Na₂O+0,658* K₂O, es inferior al 8%.

7. Material vítreo, según reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de SO₃ inferior al 20%.

8. Material vítreo, según reivindicación 1, caracterizado porque la fase vítrea es superior al 65%.

9. Material vítreo, según reivindicación 8, caracterizado porque la fase vítrea es superior al 90%.

10. Procedimiento de fabricación de material vítreo con propiedades cementantes, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

- mezclado y molido de las materias primas, siendo al menos el 70% de estas Ca, Mg, Si y Al,

- introducción de dichas materias primas en un horno,

- fundición completa de las materias primas a temperaturas entre 1250 y 1600ºC en condiciones ligeramente reductoras u oxidantes, y

- enfriamiento rápido hasta una temperatura inferior a 400ºC, en concreto hasta la vitrificación de las materias primas a una velocidad de entre 40ºC/minuto y 80ºC/minuto.

11. Procedimiento, según reivindicación 10, caracterizado porque el enfriamiento se realiza con agua.