La presente invención concierne a partículas de propiedades hidráulicas o cementantes,

obtenidas por la mezcla de arcillas, calizas, margas o de productos o subproductos industriales para conseguir una composición química que tras ser molida y alimentada en un fluido gaseoso a elevada temperatura funde adoptando forma esférica maciza o forma de microesfera, y que tras estabilizarse en estado sólido por medio de un enfriamiento rápido consigue una alta vitrificación idónea para su reactividad química, con una superficie mínima con respecto a su masa.La invención se refiere también a un procedimiento para la fabricación de dichas partículas o microesferas y a un cemento compuesto por dichas microesferas.La presente invención tiene como aplicación la fabricación de cemento con microesferas como un componente del cemento

Partículas de propiedades cementantes, procedimiento de fabricación y cemento.

Sector de la técnica

La presente invención concierne a partículas de propiedades hidráulicas o cementantes, obtenidas por la mezcla de arcillas, calizas, margas o de productos o subproductos industriales para conseguir una composición química que tras ser molida y alimentada en un fluido gaseoso a elevada temperatura funde adoptando forma esférica maciza o forma de microesfera, y que tras estabilizarse en estado sólido por medio de un enfriamiento rápido consigue una alta vitrificación idónea para su reactividad química, con una superficie mínima con respecto a su masa.

La invención se refiere también a un procedimiento para la fabricación de dichas partículas o microesferas y a un cemento compuesto por dichas microesferas.

La presente invención tiene como aplicación la fabricación de cemento con microesferas como un componente del cemento.

Estado de la técnica anterior

En el estado de la técnica no son conocidos productos con las características del producto formado por las microesferas o partículas objeto de la presente invención. Únicamente en algunos procesos industriales destinados a otros fines se obtienen residuos que se aproximan al producto objeto de esta patente como son las cenizas volantes.

La Norma EN 197-1 que describe y define los cementos a fabricar en Europa define a las cenizas volantes como uno de los componentes de los cementos. Lo mismo hacen las Norma ASTM y el resto de normas de cementos en el resto del mundo.

Estas definiciones restringen a este material a que su único origen sea la combustión del carbón en las centrales térmicas. Según la citada norma europea, las cenizas volantes se obtienen por precipitación electrostática o mecánica de partículas pulverulentas arrastradas por los flujos gaseosos de hornos alimentados con carbón pulverizado. Las cenizas obtenidas por otros métodos no se deberán emplear en los cementos. Dichas cenizas volantes pueden ser de naturaleza silícea, con propiedades puzolánicas, o calcárea, con propiedades además hidráulicas.

Lo definido en dicha norma europea, si bien hace posible la valorización de un residuo, no permite que otros procesos obtengan este producto incluso optimizado para el mismo fin, es decir, controlando su composición y reactividad química, grado de vitrificación, propiedades físicas, granulometría y forma esférica tan importantes en las propiedades finales, y evitando compuestos perjudiciales como los inquemados que acompañan a las actuales cenizas.

Las actuales cenizas volantes obtenidas como subproducto no tienen garantías en cuanto a composición química así como al resto de sus propiedades.

Explicación de la invención

La presente solicitud de patente, partículas con propiedades cementantes y procedimiento de fabricación de las mismas, se refiere a la fabricación de microesferas o partículas con propiedades hidráulicas o cementantes, cuyos antecedentes técnicos se encuentran en las cenizas volantes pero que sus materias primas son completamente diferentes a estas. De hecho, no son cenizas, pero su objetivo es sustituir a las mismas como componente del cemento pero con unas propiedades optimizadas y controladas.

Este producto, también permite que en determinados países o zonas que no disponen de materias primas para la fabricación del clinker de cemento, se puedan obtener componentes cementicios que pueden ser utilizados en porcentajes muy importantes para la fabricación del cemento (incluso del 90%).

Las microesferas objeto de la presente invención, evitan, en algunos casos de forma total y en otros de forma parcial, la molienda de los componentes del cemento ya que mediante el procedimiento de fabricación de dichas microesferas, el producto obtenido presenta prácticamente la finura requerida en el producto final.

Lo anterior supone un ahorro energético, principalmente eléctrico, muy importante, por lo que sus ventajas para el apoyo en los objetivos de desarrollo sostenible de la sociedad son muy importante, principalmente por contribuir en la mejora de la calidad de los cementos, permitir la fabricación de cementos nuevos, hacerlo con menores costes y con menor cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero.

Las microesferas de propiedades hidráulicas o cementantes, objeto de esta invención, son un producto resultante de la mezcla de arcillas, calizas, margas o de productos o subproductos industriales, para conseguir una composición química adecuada, que finamente molida y alimentada en un fluido gaseoso a elevada temperatura funda adoptando forma esférica y estabilizándose esta forma en estado sólido por medio de un enfriamiento rápido que además permite conseguir un estado de elevada vitrificación, óptimo para su reactividad química.

Debido a sus formas de microesferas y a su elevado grado de vitrificación hacen que su comportamiento físico sea el de verdaderos elementos de rodadura, o microrrodadura, cuando forma parte como componentes de los cementos, disminuyendo la cantidad de agua necesaria para los derivados de los mismos como morteros y hormigones. Esto tiene un importante beneficio de mejora de propiedades y de durabilidad.

Su composición química y su elevado grado de vitrificación les da una reactividad con propiedades hidráulicas (propiedades que en el mundo del cemento se denominan cuando un material al mezclarse con agua, al endurecer, posee propiedades mecánicas) bien intrínsecas o debidas a su reacción con los productos procedentes de la hidratación del clinker del cemento o ambas, obteniéndose unas propiedades mecánicas muy elevadas, bajas porosidades y mejoras en la resistencia química con menores costes.

Es por tanto un objeto de la presente invención, el proporcionar un producto que sustituya a las cenizas volantes empleadas en la fabricación de cementos, permitiendo la fabricación de cementos con mejores propiedades mecánicas respecto a los actuales.

El proceso para la producción de las citadas microsferas consta de una instalación de dosificación de las materias primas a un molino, pudiendo este ser de bolas, vertical o de otro tipo de tal manera que posibilite conseguir la finura requerida a la mezcla de arcillas, calizas, margas y/o productos o subproductos industriales. Esta finura será tal que el producto final tenga un diámetro medio inferior a 100 micras, es decir, que al menos el 50% de las partículas tengan un diámetro inferior a 100 micras.

Tras la molienda de la materia prima, se procede al precalentamiento de las partículas, pero pese a que no se trata de una fase imprescindible en todos los casos, mejora considerablemente el rendimiento energético del procedimiento. Este precalentamiento tiene como objetivo facilitar la siguiente etapa de fusión de las partículas en suspensión en el seno de un fluido a elevada temperatura, ya que cuanto más próxima sea la temperatura de la materia prima a la temperatura de su fusión a la salida de esta fase, más se facilita la siguiente etapa. Dicho precalentamiento puede realizarse en una torre de ciclones o con otras tecnologías, como por ejemplo la de lecho fluidificado.

La siguiente etapa consiste en la alimentación de la materia prima, preferiblemente precalentada, en el seno de un fluido calentado a elevadas temperaturas, consiguiéndose así la fusión de la materia prima y la adopción de la forma esférica en estado líquido. En esta etapa se debe conseguir una elevada dispersión de las partículas para evitar su fagocitación, es decir, que dichas partículas se unan formando partículas más grandes, así como reducir el tiempo de esta fase para así disminuir la probabilidad de que el fenómeno de fagocitación tenga lugar.

La temperatura de fusión es una temperatura que viene determinada por la composición química de las microesferas y varía entre 1250ºC y 1600ºC.

La última fase del proceso productivo consiste en un enfriamiento y solidificación de las partículas, que puede ser natural conforme el gas va perdiendo temperatura a lo largo del horno o forzado mediante su mezcla con un fluido más frío.

Esta fase finaliza con la recogida del producto que haya decantado en el horno y la recogida en el filtro.

Las anteriores fases de fusión y solidificación se pueden hacer en diferentes tipo de hornos, por ejemplo en un horno horizontal, similar a un horno de cemento...

1. Partículas de propiedades hidráulicas para su utilización como componente de cementos caracterizadas porque están formadas por una mezcla de arcillas, calizas, margas y/o productos o subproductos industriales y porque disponen de una forma esférica maciza con una superficie mínima respecto a su masa, o microesferas macizas, y una alta vitrificación.

2. Partículas, según reivindicación 1, caracterizadas porque son microesferas cuya composición química está formada por al menos un 40% de SiO₂ siendo el resto de componentes son Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO y MgO, Na₂O, K₂O, así como pequeñas cantidades de otros elementos.

3. Partículas, según reivindicación 1, caracterizadas porque son microesferas cuya composición química está formada por al menos un 20% de Al₂O₃ siendo el resto de componentes son SiO₂, Fe₂O₃, CaO y MgO, Na₂O, K₂O, así como pequeñas cantidades de otros elementos.

4. Partículas, según reivindicación 1, caracterizadas porque son microesferas cuya composición química está formada por al menos un 40% de SiO₂ y al menos un 20% de Al₂O₃, siendo el resto de componentes Fe₂O₃, CaO y MgO, Na₂O, K₂O, así como pequeñas cantidades de otros elementos.

5. Partículas, según reivindicación 1, caracterizadas porque son microesferas cuya composición química cumple con los requisitos químicos definidos en la UNE-EN 197 para las escorias de alto horno.

6. Partículas, según reivindicación 1, caracterizadas porque son microesferas cuya composición química está formada por al menos un 50% de CaO, siendo el resto de componentes SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, y MgO, Na₂O, K₂O, así como pequeñas cantidades de otros elementos.

7. Procedimiento de fabricación de microesferas de propiedades hidráulicas o cementantes, caracterizado porque comprende las siguientes etapas: