Aditivos para cemento.

Una composición de cemento de belita-sulfoaluminato de calcio-ferrita (BCSAF) que comprende:

un clinker de BCSAF, clinker que tiene la siguiente composición mineralógica, basada en el peso total del clinker:

de 5 a 30%, preferentemente de 10 a 20% de una fase de aluminoferrita de calcio que tiene la fórmula general C2AXF(1-X), en la que X es de 0,2 a 0,8;

de 10 a 35% de una fase de sulfoaluminato de calcio;

de 40 a 75% de belita (C2S); de 0,01 a 10% en total de una o más fases minoritarias seleccionadas de sulfatos de calcio, sulfatos de metal alcalino, perusquita, aluminatos de calcio, gelenita, cal libre y periclasa y/o una fase vítrea;

y

de 0,01 a 1% en peso de una alcanolamina.

Aditivos para cemento.

La presente invención se refiere a aditivos para cemento, en particular cementos de belita-sulfoaluminato de calcioferrita.

La mayoría de los hormigones modernos están hechos de cementos hidráulicos que usan generalmente cemento Portland. El cemento Portland es un cemento hidráulico producido pulverizando clinker de cemento Portland, usualmente con pequeñas adiciones de sulfato de calcio. El clinker se fabrica calentando la mezcla específica de materias primas (finamente divididas, íntimamente mezcladas y homogéneas) que contienen CaO, SiO2, Al2O3 y otros materiales a temperaturas cerca o mayores de 1.400ºC. La principal fuente de CaO es usualmente carbonato de calcio en forma de caliza.

El clinker, producido en la forma de nódulos duros, contiene por lo menos dos tercios en masa de silicatos de calcio (silicato de tricalcio, alita, (CaO) 3SiO2 y silicato de dicalcio, belita, (CaO) 2SiO2; y la práctica corriente en la mayor parte de las plantas de cemento es que mucho más del 60% del clinker sea silicato de tricalcio) ; aluminato de tricalcio y aluminoferrita de tetracalcio.

Estos cuatro componentes constituyentes principales del clinker Portland se abrevian convencionalmente como:

C3S (silicato de tricalcio) ;

C2S (silicato de dicalcio) ;

C3A (aluminato de tricalcio) ; y

C4AF (aluminoferrita de tetracalcio) .

En esta memoria descriptiva, incluyendo las reivindicaciones adjuntas, a menos que se especifique lo contrario, se usan los siguientes términos para designar los componentes minerales del cemento.

C representa CaO,

A representa Al2O3,

F representa Fe2O3,

S representa SiO2,

$ representa SO3.

La producción de cemento Portland da como resultado la producción de dióxido de carbono: el combustible que contiene carbono requerido para generar las altas temperaturas (alrededor de 1.400ºC) requeridas para sinterizar se oxida a dióxido de carbono (CO2) ; y el carbonato de calcio se calcina durante el procedimiento en una reacción endotérmica para formar óxido de calcio y dióxido de carbono.

En las últimas décadas el nivel de dióxido de carbono en la atmósfera se ha incrementado considerablemente y continúa creciendo. Los efectos climáticos del incremento han sido motivo de preocupación y es deseable reducir las emisiones de dióxido de carbono. La industria de cemento es responsable de alrededor del 5% de todas las emisiones industriales de CO2.

Se requiere una mezcla de materias primas ricas en caliza para obtener un clinker de cemento Portland rico en alita (que es una forma impura de C3S) . Las emisiones de CO2 en la producción de clinker de cemento Portland se podrían reducir en alrededor del 10% si el componente de C3S del clinker de cemento Portland se eliminara casi totalmente. Esto se podría hacer si la cantidad de caliza en la materia prima se redujera en alrededor del 10%; la cantidad de CO2 desprendida de la caliza durante la calcinación a óxido de calcio se reduciría entonces, como lo haría la cantidad de combustible necesario para suministrar la energía para esta conversión endotérmica. Sin embargo el C3S es el constituyente más importante del cemento Portland y en gran medida controla su fraguado y endurecimiento.

Los clinkers de cemento Portland con un bajo contenido de alita son ricos en belita (que es una forma impura de C2S) . Sin embargo los cementos Portland ricos en belita no dan suficiente resistencia a corto plazo para cumplir los requerimientos estándar y no consiguen el rendimiento requerido para las modernas aplicaciones del hormigón.

Se conocen otros tipos de cemento, cuya producción genera menos CO2 que el cemento Portland. Los cementos basados en sulfoaluminatos de calcio, abreviados como CSA, son importantes porque se pueden producir con más bajas emisiones industriales de CO2 y sin tener que usar materias primas caras. Los cementos de sulfoaluminato comprenden una fase de sulfoaluminato de calcio C4A3$, conocida como “sal de Klein” o “yeelimita” que hace posible obtener sustancial resistencia a la compresión inicial.

Se conoce el uso de “alcanolaminas” tales como, por ejemplo, dietanolamina y trietanolamina como aceleradores para acortar el tiempo de fraguado e incrementar la resistencia a la compresión de las primeras etapas (por ejemplo, un día) del hormigón que contiene cemento Portland. Por ejemplo la solicitud de patente número WO 03/054346 describe el uso de un aditivo para acelerar el fraguado de cementos Portland en condiciones frías en el campo de pozos de petróleo, comprendiendo el aditivo sales de calcio y una alcanolamina.

Se ha publicado que la trietanolamina en bajas dosis (típicamente < 0, 03%) se usa como ayuda de molido para clinker de cemento Portland. Se sabe también usar ciertas sales de calcio como aceleradores para el fraguado y endurecimiento en cemento Portland. Se ha publicado que la aceleración por cloruro de calcio es esencialmente catalítica y es el C3S el que es el más afectado.

Se ha descubierto ahora que se puede usar una alcanolamina para modificar las propiedades de un cemento que contiene belita-sulfoaluminato de calcio-ferrita (denominado de aquí en adelante cemento BCSAF) para mejorar las propiedades de resistencia en etapas posteriores, especialmente mayores de 30 días, del cemento y del mortero y hormigón que lo contienen. El uso de una sal de calcio junto con una alcanolamina puede proporcionar también una mejora de la resistencia adicional, especialmente en etapas posteriores. La presente invención busca proporcionar una mezcla de cemento BCSAF que dé, en aglomerantes hidráulicos que la contienen, propiedades reológicas y de resistencia mecánica comparables a las del cemento Portland convencional y/o que proporcione una resistencia a la compresión incrementada a los 28 días y/o los 90 días en mortero y hormigón que la contiene.

La presente invención por consiguiente proporciona una composición de cemento BCSAF que comprende: un clinker de BCSAF, clinker que tiene la siguiente composición mineralógica, basada en el peso total del clinker:

de 5 a 30%, preferentemente de 10 a 20% de una fase de aluminoferrita de calcio que tiene la fórmula general C2AxF (1-x) , en la que X es de 0, 2 a 0, 8;

de 10 a 35% de una fase de sulfoaluminato de calcio;

de 40 a 75%, preferentemente de 45 a 65%, de belita (C2S) ;

de 0, 01 a 10% en total de una o más fases minoritarias seleccionadas de sulfatos de calcio, sulfatos de metal alcalino, perusquita, aluminatos de calcio, gelenita, cal libre y periclasa y/o una fase vítrea tal como una escoria de alto horno o un vidrio hidráulico;

y

de 0, 01 a 1% en peso de una alcanolamina.

La alcanolamina de la composición de cemento BCSAF según la invención preferentemente puede tener la fórmula general:

NXpR (3-p) (I)

en la que p representa un número entero de 1 a 3, R representa un átomo de hidrógeno o un grupo alquilo de

fórmula general:

- CqH2q+1 (II)

en la que q representa un número entero de 1 a 5;

X representa un grupo de la fórmula general:

- (Cn H2n) -OA (III)

en la que n es un número entero de 2 a 5 y – (CnH2n) - puede ser lineal o ramificado;

o X representa un grupo de la fórmula general:

- (CmH2m) -NYtR (2-t) (IV)

en la que m es un número entero de 2 a 5, Y representa un grupo de fórmula general (III) como se define aquí anteriormente, t es 1 o 2 y el - (CmH2m) - puede ser lineal o ramificado. La más preferentemente, p representa un número entero 2 o 3.

Lo más preferentemente R es un átomo de hidrógeno (-H) o un grupo metilo (-CH3) . Lo más preferentemente el grupo representado por –OA en la fórmula general (III) anterior es hidroxi (-OH) , en cuyo caso A representa un átomo de hidrógeno. Pero A puede representar también un grupo protector compatible con

cemento, en cuyo caso –OA es preferentemente hidrolizable a hidroxi en las condiciones alcalinas que existen en la mezcla de cemento BCSAF después de la adición de agua. Lo más preferentemente, n representa el número entero 2. Adviértase también que cuando n=2 en todos los grupos de la fórmula general III presentes en la molécula, la

alcanolamina se denomina aquí “alcanolamina inferior”, y cuando n es mayor de 2 en alguno o todos los grupos de la fórmula general III presentes en la molécula, la alcanolamina se denomina aquí “alcanolamina superior”.

La alcanolamina es preferentemente un alcanolamina inferior tal como trietanolamina (TEA) , dietanolamina (DEA) , o metil-dietanolamina... [Seguir leyendo]

1. Una composición de cemento de belita-sulfoaluminato de calcio-ferrita (BCSAF) que comprende:

un clinker de BCSAF, clinker que tiene la siguiente composición mineralógica, basada en el peso total del clinker:

de 5 a 30%, preferentemente de 10 a 20% de una fase de aluminoferrita de calcio que tiene la fórmula general C2AXF (1-X) , en la que X es de 0, 2 a 0, 8; de 10 a 35% de una fase de sulfoaluminato de calcio; de 40 a 75% de belita (C2S) ; de 0, 01 a 10% en total de una o más fases minoritarias seleccionadas de sulfatos de calcio, sulfatos de metal

alcalino, perusquita, aluminatos de calcio, gelenita, cal libre y periclasa y/o una fase vítrea; y de 0, 01 a 1% en peso de una alcanolamina.

2. Una composición según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una sal de calcio soluble en agua.

3. Una composición según la reivindicación 2, en la que la cantidad de sal de calcio es de 0, 1 a 10% en peso.

4. Una composición según la reivindicación 2 o 3, en la que la sal de calcio tiene una solubilidad en agua a 25ºC de por lo menos 100 g/litro.

5. Una composición según la reivindicación 2 a 4, en la que la sal de calcio es nitrito de calcio.

6. Una composición según la reivindicación 2 a 4, en la que la sal de calcio es nitrato de calcio.

7. Una composición según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la alcanolamina tiene la fórmula general:

NXpR (3-p) (I)

en la que p representa un número entero de 1 a 3, R representa un átomo de hidrógeno o un grupo alquilo de fórmula general:

-CqH2q+1 (II)

en la que q representa un número entero de 1 a 5; X representa un grupo de la fórmula general: - (Cn H2n) -OA (III)

en la que n es un número entero de 2 a 5 y – (CnH2n) - puede ser lineal o ramificado;

o X representa un grupo de la fórmula general:

- (CmH2m) -NYtR (2-t) (IV)

en la que m es un número entero de 2 a 5, Y representa un grupo de fórmula general (III) como se define aquí anteriormente, t es 1 o 2 y el - (CmH2m) - puede ser lineal o ramificado, y el grupo representado por –OA en la fórmula (III) general es hidroxi (-OH) o A representa un grupo protector compatible con cemento que es hidrolizable a hidroxi en las condiciones alcalinas en una mezcla de cemento BCSAF después de la adición de agua.

8. Una composición según la reivindicación 7, en la que la alcanolamina es trietanolamina (TEA) , dietanolamina (DEA) , tetraquis-hidroxi-etil-etilendiamina (THEED) , o metil-dietanolamina (MDEA) , o una de sus mezclas.

9. Una composición según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende de 0, 03 a 0, 3% en peso de alcanolamina.

10. Un procedimiento para la preparación de una composición de cemento BCSAF según la reivindicación 1, que comprende moler el clinker de BCSAF como se describe en la reivindicación 1 y mezclarlo con 0, 01 a 1% en peso de una alcanolamina.

11. Una suspensión, mortero u hormigón que comprende una composición de cemento BCSAF según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

12. El uso de una alcanolamina para incrementar la resistencia a la compresión de mortero y hormigón que contiene cemento BCSAF en etapas posteriores.

13. El uso según la reivindicación 12, en el que la alcanolamina es dietanolamina (DEA) o metildietanolamina (MDEA) .

14. El uso según la reivindicación 12 o 13 para incrementar la resistencia a la compresión a los 90 días.