Fabricación de artículos a partir de cenizas volantes.

Un elemento de construcción (10) que tiene una matriz (11) de cenizas volantes sinterizadas y que tiene una resistencia a la compresión mayor que 30 MPa,

un módulo de rotura mayor que 5 MPa, una tasa de absorción inicial (IRA) comprendida entre 0,2 y 5 kg/m2/min y una capacidad de absorción comprendida entre 5 y 20%.

Fabricación de artículos a partir de cenizas volantes

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere en general a artículos conformados que están formados a partir de cenizas volantes, y a métodos de formación de tales artículos. La invención se ha desarrollado de modo especial, pero no exclusivamente, para la fabricación de elementos estructurales y la invención se describe en esta memoria en dicho contexto. Sin embargo, debe apreciarse que la invención tiene aplicación más amplia y puede utilizarse para la producción de una extensa gama de artículos, tanto estructurales como no estructurales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las cenizas volantes son un subproducto de la combustión del carbón en las centrales eléctricas alimentadas con carbón. Las cenizas volantes se producen en abundancia y contienen típicamente metales pesados tales como cadmio, cromo, cinc y plomo que hacen problemática su evacuación. En el intento de minimizar el impacto ambiental de las cenizas volantes, se han contemplado diversos usos de las mismas tanto para ayudar a su eliminación como para obtener algún beneficio económico.

Uno de tales usos es la fabricación de ladrillos que contienen cenizas volantes como parte constituyente. Estos ladrillos incluyen usualmente cenizas volantes mezclas con arcilla y están endurecidos al fuego. Si bien estos ladrillos encuentran uso para las cenizas volantes, los mismos no se han considerado como un elemento de construcción estructural viable. En particular, se han encontrado dificultades en la fabricación de ladrillos que contengan cenizas volantes y que sean competitivos en coste con los ladrillos existentes, sean de una calidad constante, y se comporten adecuadamente a lo largo de cierta gama de propiedades estructurales.

US 2003/0047114 da a conocer un método de formación de un agregado de cenizas volantes ligeras para producción de hormigón, comprendiendo dicho método: (I) mezclar cenizas volantes junto con un plastificante y una cantidad reducida de agua para formar una pasta; (II) cortar o conformar de algún otro modo la pasta en briquetas;

(III) calentar las briquetas para curar eficazmente la pasta; (IV) calcinar las briquetas para sinterizar las cenizas volantes; y (V) triturar las briquetas sinterizadas y clasificar las partículas de cenizas volantes resultantes para proporcionar el agregado de cenizas volantes ligero de un intervalo de tamaños predeterminado.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención proporciona un elemento de construcción conforme a la reivindicación 1, y un método de formación del mismo, comprendiendo dicho métodos los pasos de:

mezclar cenizas volantes, un superplastificante y agua para producir una pasta de cenizas volantes, añadiéndose el agua en exceso respecto a la que es absorbida por las cenizas volantes a fin de que la pasta contenga agua libre de tal modo que se encuentre en un estado al menos parcialmente fluido;

conformar el artículo crudo en una forma deseada a partir de la pasta de cenizas volantes, 45 retirar al menos una porción del agua libre de la pasta de cenizas volantes durante y/o después de la formación del artículo crudo; y calcinar subsiguientemente el artículo crudo a fin de que el artículo conformado se endurezca por sinterización de su matriz de cenizas volantes, en donde la temperatura de calcinación está comprendida entre 1100º C y 1250º C.

En una realización particular, se mezcla un plastificante con las cenizas volantes y agua. La ventaja de utilizar un plastificante es que el mismo reduce la cantidad de agua libre que se requiere para convertir la pasta en un estado 55 susceptible de conformación en el que la misma es al menos parcialmente fluida. Esto aminora a su vez la cantidad de agua que puede ser necesario separar posteriormente a fin de conseguir las propiedades deseadas en el artículo, a fin de conseguir con ello un procesamiento más eficiente del artículo y permitir también un mejor control sobre la forma y el tamaño del artículo durante su producción.

El método de acuerdo con la forma anterior es idealmente adecuado para la fabricación de artículos en escala comercial. En una forma, el método utiliza simplemente tres ingredientes, a saber cenizas volantes, agua y un plastificante. Dado que las cenizas volantes son un subproducto, las mismas son un constituyente económico y fácilmente disponible. Además, el método puede utilizarse en una modalidad de línea de producción, afín a la fabricación de ladrillos de arcilla. Por el control del contenido de agua en la pasta, los artículos pueden conformarse 65 inicialmente sin necesidad de un molde dado que la pasta puede exhibir estabilidad dimensional adecuada. Asimismo, las propiedades del artículo pueden controlarse fácilmente por control del contenido de agua del artículo

crudo, así como de la temperatura y duración de la calcinación. Cada uno de estos parámetros puede controlarse durante la fabricación permitiendo con ello que se produzcan artículos de una calidad constante.

Debe apreciarse que pueden incorporarse en la mezcla otros aditivos en caso requerido. Por ejemplo, pueden incorporarse pigmentos para impartir cierta coloración al artículo. Asimismo, se pueden incorporar aditivos adicionales para mejorar las propiedades de la mezcla o del artículo crudo resultante. Por ejemplo, pueden incorporarse cantidades de carboximetil-celulosa (CMC) en pequeñas cantidades para gelificar la mezcla sin necesidad de agua excesiva. Tales aditivos protegen también la pasta contra una contracción potencial, y agrietamiento en el caso de periodos de curado prolongados. Efectos similares al de CMC pueden obtenerse también como resultado de la adición de cantidades muy pequeñas de solución de cloruro de calcio.

El método de la invención tiene aplicación particular para la fabricación de elementos estructurales tales como ladrillos. Los inventores han encontrado que los ladrillos formados exclusivamente, o al menos principalmente, por cenizas volantes sinterizadas tienen una mayor resistencia a la compresión y módulo de rotura que los ladrillos de 15 arcilla convencionales. Asimismo, por control del contenido de agua en el artículo crudo y de la temperatura y duración de la calcinación, es posible controlar la estructura de la matriz de cenizas volantes y sus características de superficie. A su vez, esto hace posible controlar la tasa de absorción inicial y la capacidad de absorción del artículo, las dos cuales son propiedades importantes, particularmente en la fabricación de ladrillos. Adicionalmente, la reducción del agua libre reduce el riesgo de estallido cuando el artículo crudo se calcina y proporciona por tanto un proceso de sinterización más uniforme que está lo más exento posible de agrietamiento interno y externo.

En una realización particular del método, el artículo crudo se cura antes de calcinarlo. Durante el curado, el agua reacciona con las cenizas volantes a fin de solidificar el artículo.

La solidificación del artículo crudo durante este proceso de curado puede atribuirse a varias reacciones diferentes. Sin ligar la invención a teoría alguna, los inventores consideran que donde las cenizas volantes son el único material cementoso en la matriz, el único compuesto que puede proporcionar cierta solidificación rápida es el óxido de calcio. Este compuesto está disponible en pequeña cantidad en las cenizas volantes de clase F y en cantidades mucho mayores en las cenizas volantes de clase C. La relación entre el agua y el óxido de calcio da como resultado la formación de hidróxido de calcio que aporta cierta solificación al artículo. Subsiguientemente, tiene lugar una reacción puzolánica en la que los óxidos principales en las cenizas volantes, fundamentalmente la sílice y la alúmina, reaccionan con el hidróxido de calcio para formar un material mucho más duro y más cementoso que el hidróxido. El material resultante es una mezcla compleja cristalina y amoría de productos que contienen en su red moléculas de óxidos de silicio, óxidos de aluminio, óxidos de calcio y agua.

En una realización particular, se reduce el agua libre de la matriz mientras se cura el artículo crudo. En forma preferida, el artículo crudo se somete a calentamiento bajo a moderado durante este proceso de curado. La ventaja de esta disposición es que el calentamiento moderado puede reducir el agua libre sin causar un agrietamiento excesivo de la matriz. Asimismo, la eliminación lenta del agua da lugar todavía a que algo del agua reaccione con las cenizas volantes tanto por hidratación del material cementoso en las cenizas volantes como por la reducción puzolánica. En una realización... [Seguir leyendo]

1. Un elemento de construcción (10) que tiene una matriz (11) de cenizas volantes sinterizadas y que tiene una resistencia a la compresión mayor que 30 MPa, un módulo de rotura mayor que 5 MPa, una tasa de absorción inicial 5 (IRA) comprendida entre 0, 2 y 5 kg/m2/min y una capacidad de absorción comprendida entre 5 y 20%.

2. Un elemento de construcción (10) conforme a la reivindicación 1, en el que el elemento de construcción es un ladrillo de construcción.

3. Un método de formación de un artículo conformado que tiene una matriz (11) que contiene cenizas volantes sinterizadas, en el cual el artículo conformado es un elemento de construcción (10) de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, comprendiendo dicho métodos los pasos de:

mezclar cenizas volantes, un superplastificante y agua para producir una pasta de cenizas volantes, 15 añadiéndose el agua en exceso respecto a la que es absorbida por las cenizas volantes a fin de que la pasta contenga agua libre de tal modo que se encuentre en un estado al menos parcialmente fluido;

conformar el artículo crudo en una forma deseada a partir de la pasta de cenizas volantes;

retirar al menos una porción del agua libre de la pasta de cenizas volantes durante y/o después de la formación del artículo crudo; y calcinar subsiguientemente el artículo crudo a fin de que el artículo conformado se endurezca por sinterización de su matriz de cenizas volantes; en donde la temperatura de calcinación está comprendida 25 entre 1100º C y 1250º C.

4. Un método conforme a la reivindicación 3, en donde la eliminación de al menos una porción del agua de la pasta de cenizas volantes se realiza por prensado.

5. Un método conforme a la reivindicación 3 ó 4, que comprende adicionalmente el paso de curado del artículo crudo antes de la calcinación del mismo, en donde durante el curado el agua reacciona con las cenizas volantes para solidificar al menos parcialmente el artículo.

6. Un método conforme a la reivindicación 5, en donde durante el curado del artículo crudo, al menos una 35 porción del agua libre se separa de la pasta de cenizas volantes.

7. Un método conforme a la reivindicación 6, en donde el artículo crudo se somete a calentamiento bajo a moderado durante el curado.

8. Un método conforme a la reivindicación 7, en donde el artículo crudo se somete a calentamiento en un intervalo de temperatura de 30º C a 80º C.

9. Un método conforme a la reivindicación 7, en donde el artículo se somete a calentamiento en un intervalo de temperatura de 55º C a 65º C. 45

10. Un método conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, en donde el artículo crudo se somete a humedad elevada durante el curado.

11. Un método conforme a la reivindicación 10, en donde la humedad está comprendida en el intervalo de 20% 50 de humedad relativa a 60% de humedad relativa.

12. Un método conforme a la reivindicación 10, en donde la humedad está comprendida en el intervalo de 35% de humedad relativa a 45% de humedad relativa.

13. Un método conforme a cualquiera de las reivindicaciones 3 a 12, en donde después de la eliminación de al menos una porción del agua libre procedente de la pasta de cenizas volantes, el contenido de humedad en la pasta está comprendido en el intervalo de 1 a 5%.

14. Un método conforme a cualquiera de las reivindicaciones 3 a 12, en donde después de la eliminación de al 60 menos una porción del agua libre de la pasta de cenizas volantes, el contenido de humedad en la pasta está comprendido en el intervalo de 2 a 4%.

15. Un método conforme a cualquiera de las reivindicaciones 3 a 14, en donde el tiempo de curado está

comprendido entre 12 horas y 5 días. 65

16. Un método conforme a cualquiera de las reivindicaciones 3 a 14, en donde el tiempo de curado está comprendido entre 1 y 3 días.

17. Un método conforme a cualquiera de las reivindicaciones 3 a 16, en donde la duración de la calcinación está comprendida en el intervalo de 30 minutos a 6 horas.

18. Un método conforme a cualquiera de las reivindicaciones 3 a 16, en donde la duración de la calcinación está comprendida entre 1 y 4 horas.