NANOMICROCEMENTOS.

Nanomicrocemento cuyo tamaño de partículas está comprendido entre 400 nm y 1000 nm (1 micra),

obtenido mediante la inyección de al menos un elemento precursor para partículas cementicias en el material base, siendo el al menos un elemento precursor uno de los siguientes: un precursor para partículas cementicias de carácter puzolánico, un precursor para partículas cementicias de carácter hidráulico latente o un precursor para partículas cementicias con carácter hidráulico.

NANOMICROCEMENTOS

CAMPO DE LA INVENCION

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Para la fabricación de cemento se utilizan materiales que en su composición tengan presentes los siguientes óxidos: CaO, SiO2, Al2O3 y Fe2O3 en determinados porcentajes para la obtención de dos silicatos cálcicos, el silicato bicálcico y el silicato tricálcico responsables del endurecimiento del cemento. Los óxidos Al2O3 y Fe2O3 forman los compuestos aluminato tricálcico y ferrito aluminato tetracálcico y son indispensables para disminuir las temperaturas de formación de los silicatos cálcicos.

Los materiales que suministran los anteriores óxidos son principalmente las calizas y las arcillas y como materiales correctores de los porcentajes de alguno de los anteriores óxidos se usan arenas, minerales de hierro y de aluminio. La marga o caliza, después de ser extraída de la cantera mediante voladura, es sometida a un desmenuzamiento preliminar en un molino de martillos hasta un tamaño de unos 30 mm. Se transportan y almacenan en un parque de pre-homogeneización en el cual el material está controlado tanto desde el punto de vista químico como granulométrico.

La siguiente fase consiste en una dosificación de la marga / caliza y correctores: arena, minerales de hierro, etc. a un molino de bolas consiguiéndose una mezcla íntima de los minerales, una composición química y una finura adecuadas para la obtención posterior de los silicatos en el horno. La reducción del tamaño se realiza por choques de las bolas con el material y los gases residuales del horno son utilizados en esta fase para el secado del material dentro del molino.

El material del molino es transportado a silos de homogeneización neumática donde se almacena y desde los que se alimenta a los hornos. El proceso de cocción (sinterización) comienza con la alimentación del anterior material al horno y está dividido en dos etapas:

-una primera etapa de calentamiento del material en un intercambiador en contracorriente de ciclones donde el material baja y se calienta y los gases suben enfriándose; los ciclones realizan la función de separación gas – sólido, alcanzándose en esta etapa temperaturas de hasta 800ºC o incluso hasta 925ºC si existe inyección de carbón en la torre; y

-una segunda etapa donde el material alcanza el tubo del horno y a menor velocidad el material se va calentando y reaccionando hasta alcanzar los 1450ºC en el extremo de descarga.

El combustible utilizado es pet-coque, carbón o fuel-oil (también se utilizan combustibles alternativos) . La descarga se realiza en lo que se considera una tercera etapa a un enfriador con aire que enfría el material rápidamente con objeto de congelar el estado cristalino existente a 1450 ºC el cual no es estable a temperatura ambiente.

La obtención del clinker de cemento se consigue por sinterización de una mezcla de materias primas especificada con precisión conteniendo elementos, expresados normalmente en forma de óxidos, CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 y pequeñas cantidades de otras materias. El clinker de cemento es un material hidráulico que debe estar constituido al menos en dos tercios de su masa por silicatos de Calcio 3CaO.SiO2 y 2CaO.SiO2, estando constituido el resto por aluminio y hierro y otros compuestos. Se fabrican además del clinker gris normal otros tipos como: Clinker Alta Resistencia Inicial, Clinker SR, Clinker Bajo en Álcalis o Clinker Blanco.

La siguiente fase de proceso consiste en una dosificación del clinker con aproximadamente un 5% de yeso que regula el fraguado del cemento e impide un endurecimiento instantáneo del mismo permitiendo una trabajabilidad de aproximadamente 2 horas. Los cementos con clinker y yeso son los considerados tradicionales y se denominan Tipo I. El resto de cementos se fabrican mezclando con el clinker y el yeso las adiciones que son cenizas volantes, escorias de alto horno, puzolanas y calizas que mejoran las propiedades de los cementos para algunos fines dando lugar a los cementos compuestos.

Los materiales son dosificados según los cementos a fabricar, mezclados y molidos a una elevada finura en molinos que generalmente son de bolas dotados de separadores dinámicos de tercera generación que permiten un control de la granulometría del producto final. Posteriormente, el cemento se almacena en silos y se vende a granel o en sacos protegidos con plástico.

Con una molienda eficiente y con procedimientos de separación de alta tecnología (tecnología top-down) es posible la fabricación de microcementos, es decir, cementos muy finos . Actualmente existen tres tipos de microcementos: el TP 32, el TP12 y el TP 6 que tienen todas sus partículas menores que 32 micras, 12 micras y 6 micras respectivamente. Dos aspectos que limitan la fabricación de microcementos de granulometría inferior a la disponible actualmente son el consumo energético y la tecnología de separación. Sin mejorar estos aspectos la obtención de estos productos es inviable por lo menos de una forma industrial razonable económicamente.

El primer aspecto clave para conseguir reducir el precio de estos productos es la reducción del consumo energético necesario para su producción, concretamente en relación con la energía de molienda. En este aspecto, hay que considerar que la energía de molienda necesaria se incrementa exponencialmente conforme se reduce el tamaño de partícula. Así, actualmente el cemento TP32 es relativamente asequible, con unos consumos energéticos altos pero razonables de unos 150 kw/t, mientras que el TP 12 tiene un consumo energético del orden de 300 Kw /t. El TP6, con diferencia el de mejores prestaciones, tiene unos consumos energéticos elevadísimos, del orden de 1000 kw/t. En este momento, la barrera de conocimiento técnico está en el TP6, y conseguir microcementos más finos supone un gran reto tecnológico.

Sería deseable poder fabricar el TP1, con todas sus partículas menores que 1 micra.

Actualmente, la tecnología del hormigón de altas prestaciones está basada en la utilización de cementos de altas prestaciones a los que se les añade adiciones especiales para conseguir nuevas propiedades. La actual Normativa EHE de hormigón estructural ha abierto un campo de estas adiciones y las ha puesto en gran valor para ampliar la durabilidad de los hormigones en ambientes muy agresivos, especialmente en aquellos expuestos a cloruros, sales de deshielo y carbonatación. Algunos de los más importantes son: -El humo de sílice, subproducto del proceso de reducción del cuarzo, que se usa para la obtención de hormigón de alta resistencia. -El metacaolín, que se obtiene a partir de la activación térmica del caolín y la modificación de la estructura cristalina.

Actualmente existen muchas investigaciones que con la adición de adiciones especiales, normalmente micro y nano, esperan conseguir propiedades especiales de altas prestaciones mecánicas, conductividades, propiedades oxidantes de contaminantes atmosféricos, etc..

Además, muchos materiales, entre los que se encuentran suelos, rocas e incluso el hormigón, suelen presentar porosidades que son indeseables desde el punto de vista de sus posibles usos, bien porque dicha porosidad disminuye las propiedades mecánicas del mismo, bien porque absorbe agua que penetra en el material con hinchamientos y retracciones, o porque compromete su durabilidad por lixiviados (especialmente en el hormigón) , etc. La porosidad suele ser macroscópica superior a 1 mm pero también microscópica alcanzando los tamaños micro e incluso nano. Para reducir esta porosidad y conseguir una estabilización del material con las propiedades deseadas se suele proceder a inyecciones de materiales que tengan un tamaño de partícula en el caso de sólidos inferior al tamaño de la porosidad. Una manera eficiente de reducción de la porosidad es inyectar primero lechadas de cementos normales o incluso morteros para reducir la macroporosidad, posteriormente, cementos más finos y posteriormente la gama de microcementos que llega al cemento TP6, es decir, todas sus partículas por debajo de 6 micras. A partir de este cemento es necesario recurrir a resinas líquidas que además de sus graves inconvenientes de precio, toxicidad, repercusión en el medio ambiente, también tienen un gran problema de aplicación que suele ser su alta viscosidad.

La realización de microinyecciones es una práctica habitual realizada en una amplia serie de aplicaciones, que pueden agruparse principalmente en tres categorías: -Impermeabilización: destinada a impedir el paso de agua en túneles, presas, formar pantallas en...

1. Nanomicrocemento cuyo tamaño de partículas está comprendido entre 400 nm y 1000 nm (1 micra) , obtenido mediante la inyección de al menos 5 un elemento precursor para materiales cementicios que permite obtener partículas de menor granulometría, aplicándose este elemento precursor para partículas cementicias en el material base, evolucionando termodinámicamente este elemento precursor a los compuestos conocidos con la composición química requerida y con el tamaño de partícula menor posible, siendo el al menos un elemento precursor uno de los siguientes: un precursor para partículas cementicias de carácter puzolánico, un precursor para partículas cementicias de carácter hidráulico latente o un precursor para partículas cementicias con carácter hidráulico.

2. Nanomicrocementro según la reivindicación 1, en el que el elemento precursor es líquido y se inyecta en una llama a alta temperatura.

3. Nanomicrocemento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el

que el elemento precursor inyectado es un precursor para partículas cementicias de carácter puzolánico, obteniéndose como producto final una composición química formada por al menos 40% SiO2, siendo los componentes restantes Al2O3, Fe2O3, CaO y MgO, Na2O, K2O, así como pequeñas cantidades de otros elementos con actividad puzolánica basados en la reacción predominante de SiO2 con (OH) 2Ca liberados por la hidratación de cemento para formar gel CSH con propiedades cementicias.

4. Nanomicrocemento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el

que el elemento precursor inyectado es un precursor para partículas cementicias de carácter puzolánico, obteniéndose como producto final una composición química formada por al menos 20% Al2O3, siendo los componentes restantes SiO2, Fe2O3, CaO y MgO, Na2O, K2O, así como pequeñas cantidades de otros elementos con actividad puzolánica basados en la reacción predominante de Al2O3 con (OH) 2Ca liberados por la hidratación de cemento para formar aluminatos de calcio hidratados.

5. Nanomicrocemento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que el elemento precursor inyectado es un precursor para partículas cementicias de carácter puzolánico, obteniéndose como producto final una composición química formada por al menos 40% 3iO2 y al menos 20% Al2O3, siendo los componentes restantes Fe2O3, CaO and MgO, Na2O, K2O, así como pequeñas cantidades de otros elementos con una mezcla de actividad puzolánica basados en la reacción de SiO2 con (OH) 2Ca liberados por la hidratación de cemento para formar gel CSH con propiedades cementantes de Al2O3 con (OH) 2Ca liberados por la hidratación de cemento para formar aluminatos de calcio hidratados.

6. Nanomicrocemento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que el elemento precursor inyectado es un precursor para partículas cementicias de carácter hidráulico latente, obteniéndose como producto final una composición química que cumple los requisitos químicos de CaO+Mg/SiO2 mayor que 1, con actividad hidráulica latente.

7. Nanomicrocemento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que el elemento precursor inyectado es un precursor para partículas cementicias de carácter hidráulico, obteniéndose como producto final una composición química que está formada por al menos 50% CaO, siendo los components restantes SiO2, Al2O3, Fe2O3, y MgO, Na2O, K2O, así como pequeñas cantidades de otros elementos con elevada actividad cementicia.

8. Nanomicrocemento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los elementos precursores inyectados son una mezcla de al menos uno de los elementos siguientes: soluciones de silicato sódico ó ácido silícico como precursor de aporte de SiO2, soluciones de hidróxido cálcico o bicarbonato cálcico como precursor de aporte de CaO, soluciones de hidróxido de aluminio como precursor de aporte de Al2O3, soluciones de carbonato sódico y potásico como precursores de aporte de Na2O y K2O o disoluciones ácidas de cementos , escorias de alto horno y otras escorias, calizas, margas y materiales similares como precursores de todos los anteriores óxidos.