Material de construcción basado en cenizas volantes activadas.

Un material de construcción de tipo hormigón, que contiene arena,

agregados finos, agregados gruesos, agua y una mezcla de hormigón que contiene un aglomerante y que comprende:

(i) - del 55 al 80 % en peso * de cenizas volantes que contienen menos del 8 % en peso de CaO; (ii) - del 15 al 40 % en peso * de escoria de alto horno; y

- un activador químico que contiene:

(iii) * del 0,8 al 4 % en peso * de silicatos alcalinos; y

(iv) * del 1,5 al 9 % en peso * de carbonatos alcalinos,

* y en el que el activador químico tiene una proporción molar de SiO2/R2O de 0,1 a 0,55;

* % basado en el peso total de (i) a (iv),

- un reforzador que comprende al menos una base fuerte.

Material de construcciïn basado en cenizas volantes activadas La presente invenciïn se refiere a formulaciones de hormigïn basadas en un aglomerante activado alcalino sin adiciones de cemento ni clïnker (mezclas de cenizas volantes y escoria) que proporcionan el desarrollo de resistencia y trabajabilidad similares a hormigones basados en cemento Portland ordinario.

Antecedentes de la invenciïn Las cenizas volantes son un subproducto de la combustiïn de carbïn, generadas de forma tïpica durante la producciïn de electricidad en centrales que producen energïa a partir de carbïn. Las cenizas volantes estïn compuestas principalmente por aluminosilicatos parcialmente vitrificados, asï como fases minerales tales como cuarzo, hematita, maghemita, anhidrita, etc., que habïan estado presentes como impurezas en el carbïn original.

La norma ASTM C 618-85 ("Standard specification for fly ash and raw calcinated natural pozzolan for use as a mineral admixture in Portland cement concrete" (Especificaciïn de norma para cenizas volantes y puzolana natural calcinada cruda para su uso como mezcla mineral en hormigïn de cemento Portland) ) ha clasificado las cenizas volantes en dos clases, Clase C y Clase F, dependiendo de la suma total de sïlice, alïmina y ïxido fïrrico presente. La clase F contiene mïs del 70 % de los ïxidos anteriores y la clase C contiene menos del 70 % pero mïs del 50 %. La clase F de cenizas volantes tiene de forma tïpica un bajo contenido en ïxido de calcio (<8 %) mientras que la clase C tiene un mayor contenido, subclasificïndose en dos categorïas: Clase Cl (8-20 % de CaO) y Clase CH (>20 % de CaO) . Por tanto, la clase F de cenizas volantes no se considera normalmente como un material cementante por sï mismo porque, debido a su bajo contenido en ïxido de calcio, no se puede aglomerar despuïs de la hidrataciïn para producir resistencia de uniïn en el producto final, al contrario que las cenizas volantes de la clase C.

Las cenizas volantes son un subproducto que se ha de usar y consumir para reducir su impacto ambiental. Hoy en dïa, se han usado principalmente como un sustituto parcial en el cemento Portland ordinario debido a su reactividad puzolïnica. Sin embargo, existe una limitaciïn en la cantidad reemplazada debido a que la velocidad de reacciïn puzolïnica es muy baja a temperatura ambiente lo que provoca una baja resistencia inicial y una rïpida neutralizaciïn.

Recientemente se han llevado a cabo ensayos para incrementar la velocidad de reacciïn puzolïnica usando activadores tales como compuestos alcalinos y alcalinotïrreos (ROH, R (OH) 2) , sales de ïcidos dïbiles (R2CO3, R2S, RF) y sales silïcicas de tipo R2O (n) SiO2, donde R es un ion alcalino de Na, K o Li. Sin embargo, la eficacia de activaciïn no es suficiente o existen algunas interacciones no deseadas entre el cemento Portland ordinario y los activadores, lo que provoca problemas reolïgicos y/o mecïnicos. Este hecho promueve el uso de componentes adicionales, principalmente mezclas, lo cual incrementa la complejidad de la formulaciïn y empeora el desarrollo tecnolïgico de estos productos.

La alta cantidad de cal CaO en las cenizas volantes de tipo C proporciona un producto de desecho con propiedades cementantes intrïnsecas. Por otra parte, las cenizas volantes de tipo F por sï mismas no desarrollan ninguna resistencia al hidratarse, y se requiere una activaciïn del producto para garantizar que el desarrollo de la resistencia tenga lugar al hidratarse.

Una ventaja principal de preferir cenizas volantes de tipo F en lugar de cenizas volantes de tipo C es la alta disponibilidad de grandes cantidades de las cenizas volantes de tipo F y su menor precio de mercado. Dado que los costes de transporte de los residuos industriales serïa una cuestiïn clave para la rentabilidad del producto final o aglomerante, la selecciïn de cenizas volantes de tipo F estï guiada por su disponibilidad en grandes cantidades y su amplia distribuciïn geogrïfica.

Durante muchos aïos, se han propuesto muchas formulaciones y procedimientos para activar cenizas volantes o residuos industriales con el objeto de usarse como material cementante.

Las patentes US5435843 y US5565028 describieron la activaciïn de cenizas volantes de clase C a temperatura ambiente con fuerte pH alcalino (pH>14, 69) para proporcionar propiedades cementantes. A pesar de que no se hace menciïn expresa al uso de cenizas volantes de tipo F en estas patentes, el cemento que contiene cenizas volantes de clase C de acuerdo con estas patentes tiene una aplicaciïn limitada debido a las propiedades corrosivas (pH>14, 6) de los activadores usados.

La patente EP0858978 describe que se pueden usar altos volïmenes de cenizas volantes activadas de clase C (>90 %) como aglomerante cementante. El aglomerante contiene una mezcla de cenizas volantes de clase C y clase F en la que la dosificaciïn de cenizas volantes de clase F ha de limitarse hasta el 60 % debido a su baja reactividad. En este caso, se mencionan cenizas volantes de clase F pero se usan junto con clïnker y mezclas como ïcido cïtrico, bïrax, ïcido bïrico, que son muy caras, y KOH, que es corrosivo (pH>13) . Ademïs, las formulaciones se vuelven complejas debido al alto nïmero (>6) de componentes presentados.

De forma similar, la patente US5482549 describe una mezcla de cemento que contiene al menos el 2 % en peso de clïnker de cemento Portland, el 2-12 % en peso de silicato de sodio, cenizas volantes y escoria de alto horno. La patente especifica que las cenizas volantes se tienen que moler hasta una superficie especïfica de mïs de 500 metros cuadrados por kg lo que es muy importante y proporciona altos costes de fabricaciïn (consumo de energïa, manipulaciïn, etc.) . Ademïs, este documento no menciona el uso de cenizas volantes de clase F.

Xu et al. "The activation of Class C-, Class F-Fly Ash and Blast Furnace Slag Using Geopolymerisation", 8th CANMET/ACI International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and natural Pozzolans in concrete, Las Vegas, CA, Estados Unidos (2004) , muestra que las cenizas volantes de clase F sïlo se pueden activar apropiadamente cuando se usa una soluciïn de silicato soluble altamente alcalino. Siguiendo esta lïnea, la patente US5601643 propone una invenciïn relacionada con materiales cementantes de cenizas volantes activadas quïmicamente, preferiblemente cenizas volantes de clase F, en las que se usan altos contenidos en silicato de metal alcalino y/o metal alcalinotïrreo para obtener mezclas cementantes de alta resistencia. Sin embargo, esta invenciïn tiene una aplicaciïn limitada ya que: 1) se necesita una alta temperatura de curado, 2) se requiere un pH alto (>14, productos corrosivos) y por tanto, son necesarias condiciones de seguridad para manipular la mezcla y 3) el coste de la mezcla es alto debido a las altas cantidades de silicatos y ïlcalis solubles usados. Ademïs, las formulaciones relacionadas con un alto contenido en ïlcalis y un pH alto provocan problemas de lixiviaciïn alcalina y eflorescencia debido a la sobredosis de activadores. La sobredosis de activadores se debe a que las cenizas volantes de clase F se consideran como aglomerante y no como carga activa, lo que requiere menos dosificaciïn alcalina para activarse.

Skvara et al. (Ceramics Silikaty 43 -1999) describieron mezclas activadas alcalinas de escoria y cenizas volantes usando silicatos de sodio e hidrïxidos de sodio a altas dosificaciones (SiO2/Na2O situadas de 0, 6 a 1, 6) en las pastas.

La patente WO 2005/09770 describe mezclas activadas con ïlcalis de escoria y cenizas volantes en forma de pastas usando adiciones de yeso en la forma anhidrita y superplastificantes para lograr un desarrollo de resistencia significativo.

La mayorïa, sino todos estos estudios, presentan resultados basados en pastas (a veces en morteros estïndar) con ningïn o limitado interïs industrial y la mayorïa de las veces costes muy altos.

La activaciïn de los diversos materiales puzolïnicos latentes (por ejemplo, escoria, arcilla, cenizas volantes, conductos de humo, puzolana natural) se describe usando diversas fuentes de sales alcalinas (silicatos, carbonatos, hidrïxidos) pero la mayorïa de las veces, las cantidades respectivas de las fuentes alcalinas no se detalla.

Sin embargo, la experiencia ha demostrado que la fuente del ïlcali para la activaciïn desempeïa un papel importante y que cualquier combinaciïn no proporciona los mismos resultados. Finalmente, la optimizaciïn de la cantidad y la fuente del activador quïmico es altamente relevante con el objeto de controlar el coste del producto de hormigïn final.

Ademïs, la mayorïa de las publicaciones enfatizan en que el curado de estas pastas se debe... [Seguir leyendo]

1. Un material de construcciïn de tipo hormigïn, que contiene arena, agregados finos, agregados gruesos, agua y una mezcla de hormigïn que contiene un aglomerante y que comprende:

(i) - del 55 al 80 % en peso * de cenizas volantes que contienen menos del 8 % en peso de CaO;

(ii) - del 15 al 40 % en peso * de escoria de alto horno; y -un activador quïmico que contiene:

(iii) • del 0, 8 al 4 % en peso * de silicatos alcalinos; y

(iv) • del 1, 5 al 9 % en peso * de carbonatos alcalinos,

• y en el que el activador quïmico tiene una proporciïn molar de SiO2/R2O de 0, 1 a 0, 55;

* % basado en el peso total de (i) a (iv) , -un reforzador que comprende al menos una base fuerte.

2. Material de construcciïn del tipo hormigïn de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que el aglomerante se mezcla con agua en una proporciïn de agua con respecto a aglomerante situada entre 0, 3 y 0, 45.

3. Un material de construcciïn del tipo hormigïn de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en 15 el que el reforzador estï dispuesto para ajustar el pH del agua a valores situados entre 12, 1 y 13, 75.

4. Un material de construcciïn del tipo hormigïn de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el reforzador comprende al menos una base fuerte, estando situada la concentraciïn molar de dicha (s) base (s) fuerte (s) entre 0, 05 y 2, 5 con respecto al contenido en agua.

5. Un material de construcciïn del tipo hormigïn de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en 20 el que la (s) base (s) fuerte (s) es un ïlcali fuerte.

6. Un material de construcciïn del tipo hormigïn de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las cenizas volantes son cenizas volantes de clase F pura.

7. Un material de construcciïn del tipo hormigïn de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que las cenizas volantes tienen una superficie especïfica de 200 a 500 metros cuadrados por kg.

8. Un material de construcciïn del tipo hormigïn de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la escoria de alto horno tiene una superficie especïfica de 350 a 600 metros cuadrados por kg.

9. Un material de construcciïn del tipo hormigïn de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el contenido en aglomerante estï situado entre 350 kg y 600 kg por metro cïbico del material de construcciïn.

10. Un material de construcciïn del tipo hormigïn de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende residuos industriales o agrïcolas que contienen un alto contenido en ïlcalis (por ejemplo, aluminosilicatos naturales como puzolanas volcïnicas o zeolitas) o sïlice amoría altamente reactiva (por ejemplo, humo de sïlice o ceniza de cïscara de arroz) .

11. Un procedimiento para producir un material de construcciïn de hormigïn, que contiene arena, agregados finos, 35 agregados gruesos, agua y una mezcla de hormigïn que contiene un aglomerante y que contiene

(i) - del 55 al 80 % en peso * de cenizas volantes que contienen menos del 8 % en peso de CaO;

(ii) - del 15 al 40 % en peso * de escoria de alto horno; y -un activador quïmico que contiene:

(iii) • del 0, 8 al 4 % en peso * de silicatos alcalinos; y 40 (iv) • del 1, 5 al 9 % en peso * de carbonatos alcalinos,

• en el que el activador quïmico tiene una proporciïn molar de SiO2/R2O de 0, 1 a 0, 55;

* % basado en el peso total de (i) a (iv) , -un reforzador que comprende al menos una base fuerte que comprende las siguientes etapas

a) Preparar una suspensiïn de activador por disoluciïn del activador quïmico, la escoria de alto horno

en todo o en parte del agua requerida; b) Preparar una mezcla en seco inicial por homogeneizaciïn de agregados finos y gruesos de arena, y cenizas volantes de clase F;

c) Aïadir la soluciïn activada a) y el agua restante a la mezcla seca b) y mezclar el hormigïn; d) Aïadir el reforzador durante las etapas a) o b) .

12. Un procedimiento para producir un material de construcciïn de hormigïn de acuerdo con la reivindicaciïn 11, en el que el reforzador se aïade con el fin de alcanzar un pH situado entre 12, 1 y 13, 7.

13. Un procedimiento para producir un material de construcciïn de hormigïn de acuerdo con la reivindicaciïn 12, 10 que comprende ademïs una etapa de medir el pH y una etapa de ajustar el pH con la adiciïn del reforzador.

Tabla 1

Tabla 2

LOI

0, 66 0, 00

Color

-b*

12, 65 3, 58

Figura 1

Tabla 3: Algunos ejemplos de diseïos de mezclas de hormigïn de acuerdo con la invenciïn propiedades medidas relacionadas

Superficie especïfica 500 m2/Kg (Blaine 5000) *

CURVA GRANULOMïTRICA (FULLER)

Figura 2a TAMICES (mm)

Figura 2b