MX2012008073A

MX2012008073A - Cemento activado por lactato y composiciones activadoras.

Info

Publication number: MX2012008073A
Application number: MX2012008073A
Authority: MX
Inventors: Glenn Schumacher; Rajeshkumar Patel
Original assignee: Ceratech Inc
Priority date: 2010-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-11-23
Also published as: EP2523920A4; CA2787105C; MX344833B; AU2011203901A1; US20150101512A1; US8747548B2; AU2011203901B2; EP2523920A1; JP5814940B2; US20130160678A1; US8349072B2; US20110283921A1; CN102917998A; KR20120128128A; CN102917998B; JP2013516388A; CA2787105A1; WO2011085365A1

Abstract

Se describen composiciones de cemento en las cuales se controlan cuidadosamente las propiedades de cementación de las cenizas volantes. Las composiciones de cemento pueden estar sustancialmente libres de bases y ácidos fuertes tales como ácido cítrico (pH¿2.2) y activadores de metales alcalinos incluyendo hidróxidos alcalinos (pH¿12-14) y carbonatos metálicos (pH¿11.6). El uso de estos químicos fuertes crea reacciones ácido-base durante el uso de los productos. En vez de estos químicos fuertes, se usa un activador basado en una sal de ácido láctico como un acelerador de reacción. Se pueden usar compuestos bóricos como un retardador en las composiciones.

Description

CEMENTO ACTIVADO POR LACTATO Y COMPOSICIONES ACTIVADORAS CAMPO DE LA INVENCIÓN Se describe una nueva familia de composiciones para la producción de materiales basados en cemento hidráulico mezclados y sus derivados de mortero y concreto para construcción original, reparación, productos de concreto fabricados, blindajes, rocíos y otras aplicaciones. Estos materiales exhiben reacciones controladas de subproductos industriales que contienen calcio con activadores químicos, retardadores , potenciadores de adherencia, y modificadores de resistencia mecánica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Materiales con propiedades puzolánicas contienen sílice vitreo y alúmina que reaccionarán, en la presencia de agua y cal libre, con el calcio para producir silicato de calcio e hidratos de calcio-alúmina-silicato. Hay ambas puzolanas, naturales e industriales.

Las puzolanas industriales se producen durante procesos industriales e incluyen, por ejemplo, cenizas volantes de Clase C y de Clase F definidas de conformidad con la especificación C618 de la American Society of Tests and Materials (ASTM) . Estas cenizas volantes son producidas durante la combustión de hulla. Ellas consisten de materia incombustible, inorgánica presente en la hulla, que se ha fusionado durante la combustión en una estructura amorfa. La clasificación de ceniza volante producida industrialmente depende del tipo de hulla usada y de su composición química. La combustión de lignita o hulla sub-bituminosa típicamente produce cenizas volantes de Clase C. La combustión de antracita y hulla bituminosa típicamente produce cenizas volantes de Clase F.

Como se define en ASTM C618, las características de las cenizas volantes de Clase C incluyen más alto contenido de cal que las cenizas volantes de Clase F. El contenido más alto de cal en las cenizas volantes de Clase C les permite ser auto-endurecedoras, mientras que las cenizas volantes de Clase F típicamente requieren la adición de cal o cemento para formar materiales hidratados a base de cemento.

Un ejemplo de una puzolana natural es la ceniza puzolánica de Clase N. La ceniza puzolánica de Clase N es una puzolana natural calcinada o cruda tal como algunas tierras diatomáceas, dióxidos de silicio opalinos, y esquistos; tobas, cenizas volcánicas, y pumicitas; y esquistos y arcillas calcinadas.

Los atributos físicos y químicos de las cenizas puzolánicas de Clase C, Clase F y Clase N se definen en ASTM C618, cuyos contenidos se incorporan integramente a la presente como referencia.

Se conoce el uso de las cenizas volantes en composiciones de cemento, típicamente en la presencia de cemento Portland. La Patente U.S. No. 5,556,458 de Brook, y colaboradores, por ejemplo, requiere al menos 20% de cemento Portland. En particular, Brook y colaboradores indican que se requiere cemento Portland en su composición para superar la baja resistencia inicial de composiciones de cenizas volantes.

La Patente U.S. No. 4,997,484 de Gravitt y colaboradores y la Patente U.S. No. 7,288,148 de Hicks y colaboradores, describen composiciones de cemento de cenizas volantes sin cemento Portland, pero dependen de un sistema de reacción ácido-base que utiliza los efectos combinados del ácido cítrico (pH » 2.2) y ya sea un hidróxido alcalino (pH » 12-14) o un carbonato metálico (pH * 11.6) . No obstante, las composiciones de cemento de cenizas volantes de Gravitt y Hicks no exhiben el tiempo de trabajo, resistencia, durabilidad, y dureza requeridos por muchas aplicaciones de cemento .

La Solicitud de Patente U.S. con No. de Serie 12/017,956, la cual se incorpora íntegramente a la presente como referencia, describe composiciones a base de cemento mejoradas que comprenden polvos de puzolana y un activador pH neutro, y en particular, una sal cítrica de pH neutro.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención se basa en el descubrimiento de que derivados de ácido láctico, lactato y las sales de ácido láctico, cuando se usan como un activador de hidratación de cementos puzolánicos, inesperada y sorprendentemente mejoran las propiedades plásticas de cementos tales como retención de asentamiento y traba abilidad . La retención de asentamiento y la trabaj abilidad, permiten a los trabajadores conducir operaciones de acabado superficial para obtener texturas deseadas sin los inconvenientes de tiempo asociados con el uso de activadores de sales cítricas o activadores que emplean las sales de otros ácidos carboxílicos más largos. De manera interesante, no todos los ácidos carboxílicos de tres carbonos producen la ventaja de los lactatos. En particular, se encontró que sales de ácido propiónico diferentes de ácidos carboxílicos de tres carbonos, no producen las mejoras en la retención y traba abilidad característicos de cementos activados con lactato. Como se describe en la presente, se usa un ácido láctico, un lactato o la sal de ácido láctico como el activador primario. Como se usa en la presente, la frase "activador químico basado en ácido láctico" se refiere a ácido láctico, un lactato, y a sales de ácido láctico, activadores .

De conformidad con algunas modalidades preferidas, el activador es una sal de metal alcalino o alcalino térreo de ácido láctico. Además, pueden ser benéficas otras formas de ácido láctico neutralizado. De conformidad con otras modalidades preferidas, el activador es lactato de potasio, sodio, litio, calcio o magnesio. En algunas modalidades, en las composiciones de cemento, pueden estar presentes otros activadores. Preferiblemente, el activador de lactato puede estar presente en un porcentaje en peso de a lo más 50% del contenido de activador total de la composición de cemento, más preferiblemente 95% del contenido de activador total de la composición de cemento. Alternativamente, se estableció que activadores que no son de lactato deberán estar presentes en una cantidad total de menos de 50 % en peso, preferiblemente menos de 30% en peso, y más preferiblemente de menos de 25% en peso, del peso total de todos los activadores combinados en la composición de cemento.

Una modalidad es una composición a base de cemento que incluye puzolanas basadas en cenizas volantes de hulla; y un activador químico basado en ácido láctico. El activador químico puede ser una sal de ácido láctico de pH neutro. Por ejemplo, el activador químico puede incluir lactato de potasio, lactato de sodio, lactato de litio, lactato de calcio, o lactato de magnesio. La sal de pH neutro puede incluir también un metal alcalino o alcalino térreo. En algunas modalidades, la composición a base de cemento puede estar sustancialmente libre de activadores de ácido cítrico, activadores de metales alcalinos, y activadores de carbonatos metálicos .

Además, la composición a base de cemento puede incluir adicionalmente un retardador químico. Por ejemplo, el retardador puede incluir un compuesto de boro tal como ácido bórico, óxido bórico, borato de sodio, tetraborato de sodio, borato de potasio y tetraborato de potasio, bórax pentahidratado, y bórax decahidratado . El cemento puede incluir un borato u otro retardador, por ejemplo, en una cantidad de 0.1 a 3.0% en peso, con base en el peso total del cemento hidratable.

La composición a base de cemento puede tener un tiempo de fraguado de entre 30 minutos y 12 horas, mayor que 2 horas o aún 1 horas sin afectar nocivamente las propiedades de comportamiento finales, por ejemplo, propiedades mecánicas en un amplio intervalo de temperaturas (4.44°C a 48.88°C (40°F a 120°F)). Preferiblemente, la composición a base de cemento tiene un tiempo de fraguado de menos de 24 horas.

Otra modalidad, es un método de formar una composición de cemento endurecida que incluye mezclar una composición hidratable que comprende puzolanas basadas en cenizas volantes de hulla y un activador químico basado en ácido láctico para formar una composición de cemento endurecida. El método puede incluir adicionalmente mezclar un retardador químico con la composición hidratable que comprende puzolanas basadas en cenizas volantes de hulla y el activador químico. En algunas modalidades, el método pudiera incluir adicionalmente disolver un retardador en una solución que comprenda el activador químico en una concentración de entre 0.1% en peso y 40% en peso, más preferiblemente, entre 0.1% en peso y 30.0% en peso y más preferiblemente en una concentración entre 10.0% en peso y 30.0% en peso. De conformidad con otra modalidad, los retardadores y/u otros compuestos pueden estar en una solución separada en otros solventes a concentraciones desde 0.1% en peso a 50% en peso.

La sal o sales de ácido láctico pueden ser usadas en combinación con otros activadores conocidos o pueden usarse una sal de ácido láctico individual o una combinación de sales de ácido láctico como el único activador. Por ejemplo, puede usarse lactato de potasio como el único activador. Preferiblemente, los activadores que no son de lactato están presentes en una cantidad total de menos de 40% en peso, y más preferiblemente menos de 25% en peso, del peso total de todos los activadores combinados en la composición con base de cemento. Pueden usarse en las composiciones, compuestos bóricos u otros retardadores convencionales.

El cemento de la invención puede incluir cualquier fuente de material puzolánico ya sea naturales o elaborados por el hombre, incluyendo cenizas de cáscara de arroz, pumicitas de cenizas volcánicas, ópalos y otros esquistos, tierras diatomáceas, dióxidos de silicio opalinos, tobas, cenizas calcinadas, cenizas volantes de Clase C, cenizas volantes de Clase F, cenizas puzolánicas de Clase N, ya sea solos o en combinación. El cemento puede incluir también otros aditivos, incluyendo humo de sílice, aluminato de calcio, óxido de magnesio, cal, yeso, uno o más aditivos retardadores de la familia de compuestos de boro (por ejemplo, sales borato, ácido bórico, óxido bórico, o bórax) , retardadores orgánicos como gluco-heptonato de sodio, arcillas reactivas como, meta-caolín, wolastonita, agentes de arrastre de aire (AEA) , agentes modificadores de la viscosidad (VMA) , plastificantes , látex, fibras (para tenacidad de la fractura), o aditivos de compensación de la contracción (SRA) . Donde el polvo de puzolana primario son cenizas volantes de Clase F o cenizas puzolánicas de Clase N, el cemento incluye uno o más materiales ricos en calcio, preferiblemente subproductos industriales como polvo de hornos de cemento, polvo de hornos de cal, escoria de hornos y cenizas de depuradores.

En algunas modalidades, el polvo de puzolana puede consistir esencialmente de cenizas volantes de Clase C al 100%. En otras modalidades, el cemento hidratable puede incluir alternativamente, por ejemplo, 50 a 95% en peso de cenizas volantes de Clase C con base en el peso total del cemento hidratable; consistir esencialmente de cenizas volantes de Clase F y el cemento puede incluir adicionalmente un aditivo de material rico en calcio; incluir 0.5 a 50 por ciento en peso de cenizas volantes de Clase F con base en el peso total del cemento hidratable; o consistir esencialmente de cenizas puzolánicas de Clase N y el cemento puede comprender adicionalmente un aditivo de material rico en calcio. De conformidad . con otra modalidad, el polvo de puzolana consiste esencialmente de cenizas volantes de Clase C y cenizas volantes de Clase F, en donde las cenizas volantes de Clase C están presentes en una cantidad de 50 a 100 por ciento en peso, y las cenizas volantes de Clase F están presentes en una cantidad de 0 a 30 por ciento en peso con base en el peso total del cemento hidratable.

Los cementos descritos pueden ser usados solos o mezclados con otros cementos tales como cemento Portland, cementos de escoria, y otros tipos de cementos hidráulicos convencionales. Sin embargo, los cementos de la presente invención no requieren la presencia de otros cementos a fin de exhibir sus propiedades superiores. Por consiguiente, cementos de conformidad con la invención pueden estar sustancialmente libres de cemento Portland. La frase "sustancialmente libre" significa presente en una cantidad de menos de uno por ciento en peso con base en el peso total de la composición de referencia. Las composiciones a base de cemento pueden incluir también uno o más rellenos además del cemento. De conformidad con otra modalidad, el cemento hidratable puede tener cemento Portland en cantidades inferiores a 20% en peso, y más preferiblemente inferiores a 15%, inferiores a 10%, e inferiores a 2% en peso, con base en el peso total del cemento hidratable. En algunas modalidades, el cemento puede incluir sulfatos o compuestos orgánicos.

En algunas modalidades, las composiciones de cemento poseen inesperadamente alta estabilidad dimensional, resistencia, dureza, tiempos de trabajo, permeabilidad, resistencia a sulfatos, resistencia a la congelación-descongelación, mitigación de la reactividad del agregado alcalino, y/o controlado fácilmente, amplio intervalo de tiempos de fraguado. De conformidad con otra modalidad, un mortero, lechada, o concreto incluye un cemento hidráulico en el cual el cemento es activado químicamente por medio de un activador químico basado en ácido láctico.

Otra modalidad es un cemento hidratable que incluye un polvo de puzolana, uno o más activadores de pH neutro; y un retardador, en donde el cemento hidratable tiene un contenido de calcio expresado como los óxidos de 15% o más, preferiblemente 20% o más, con base en el peso total del cemento hidratable, y en donde los activadores de pH neutro representan más del 50% del peso total de activadores en dicho cemento hidratable y en donde el cemento hidratable tiene menos de 20% en peso de cemento Portland con base en el peso total del cemento hidratable.

Aún otra modalidad es una composición a base de cemento que incluye un cemento hidratable. El cemento puede incluir, por ejemplo, un polvo de puzolana, dos o más activadores, al menos uno de los cuales es una sal de ácido láctico; y un retardador, y uno o más rellenos agregados. Los rellenos agregados pueden incluir arena de sílice, arena natural, agregado fino fabricado a partir de la producción de piedra, cenizas de fondo, escoria, vidrio esmerilado, arena de fundición reciclada, y concreto reciclado y combinaciones de los mismos.

De conformidad con otras modalidades, el cemento hidratable puede tener activadores de metales alcalinos y/o metales alcalino térreos en cantidades de menos de 30% en peso, y más preferiblemente menos de 25% en peso, del peso total de activadores en dicho cemento hidratable. De conformidad con otras modalidades, el cemento hidratable puede tener activadores de metal alcalino y/o metal alcalino térreo en cantidades inferiores a 20% en peso, inferiores a 15% en peso, inferiores a 10% en peso, inferiores a 5% en peso e inferiores a 2% en peso, con base en el peso total de activadores en dicho cemento hidratable.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Previamente a la presente invención, se creyó generalmente que la sinterización a alta temperatura (en el caso del cemento Portland) o una química ácido fuerte-base (en el caso de cementos puzolánicos del arte previo) era necesaria para proporcionar la resistencia y dureza requeridas por la mayoría de las aplicaciones de cemento. Subsecuentemente a esta visión predominante, los inventores descubrieron que al usar activadores de pH neutro, sales cítricas en particular, pueden producirse productos de cemento que tienen propiedades inesperadamente superiores en comparación con el cemento Portland o con los cementos puzolánicos preparados de conformidad con las químicas de activadores ácido-base tradicionales.

Subsecuentemente al descubrimiento de las ventajas de las sales cítricas como activadores, los inventores descubrieron que el ácido láctico, lactatos, y sales de ácido láctico, cuando se usan como un activador de hidratación de cementos de puzolanas, sorprendentemente mejoran las propiedades plásticas de los cementos tales como la retención de asentamiento y la trabajabilidad. Como se usa en la presente, la frase "activador químico con base en ácido láctico" se refiere a ácido láctico, lactato, y a sales de ácido láctico, activadores.

La retención de asentamiento y la trabaj abilidad mejoradas permiten a los trabajadores conducir operaciones de acabado superficial para obtener texturas deseadas sin los inconvenientes de tiempo asociados con el uso de activadores de sales cítricas o activadores que emplean las sales de otros ácidos carboxílicos más largos. De manera interesante, se encontró también que no todos los ácidos carboxílicos de tres carbonos producen las ventajas de los lactatos. En particular, se encontró que sales de ácido propiónico, otros ácidos carboxílicos de tres carbonos, no producen las mejoras en la retención y la trabaj abilidad característicos de los cementos activados con lactato.

Se describen composiciones a base de cemento en las cuales se usan activadores químicos basados en ácido láctico como activadores de hidratación para producir propiedades plásticas mejoradas tales como retención de asentamiento y trabaj abilidad . Los activadores se disuelven o se disocian en la presencia de agua y puzolanas para permitir que la reacción de hidratación con las puzolanas proceda de manera uniforme, bien controlada. Pueden usarse compuestos bóricos, u otros retardadores convencionales, en las composiciones para desacelerar o modificar la reacción de hidratación. Donde activadores de sales cítricas permiten tiempos de fraguado en intervalos desde tan poco como 10 minutos a 2 horas o más, los activadores basados en sales de ácido láctico de la presente invención permiten tiempos de fraguado en el intervalo de 30 minutos a 12 horas o más sin pérdida significativa de las propiedades plásticas. Un experto en la técnica entenderá que las composiciones pueden ser diseñadas para tener cualquier número de tiempos de fraguado incluyendo entre 30 minutos y 12 horas, mayores que 12 horas, mayores que 4 horas y mayores que 6 horas.

Modalidades de esta invención pueden incluir también combinaciones de materiales puzolánicos, por ejemplo, cenizas volantes tanto de Clase C como de Clase F. La reacción de las cenizas volantes de clase C puede producir calor considerable, y este calor puede causar la contracción de la etapa anterior cuando se coloca el producto. Esta contracción puede dar como resultado el agrietamiento y la deslaminación a partir de un sustrato. Las cenizas volantes de Clase F contienen poco o ningún óxido de calcio (CaO) , y son lentamente reactivas con el activador de lactato. Por consiguiente, la inclusión de cenizas volantes de Clase F en la mezcla de reacción modera la reacción formando el producto sólido por distribución fuertemente uniforme, de microesferas de vidrio calibradas uniformemente en toda la mezcla. Adicionalmente estas reacciones térmicas son reguladas por medio del uso de los lactatos. El método por medio del cual se logra esto, es controlando la proporción de conversión previa a los compuestos hidratados. Consecuentemente, mientras el calor total generado es el mismo, el tiempo para lograr la hidratación es ampliado, lo cual permite la disipación del calor al medio ambiente de una manera más controlada .

Como con cementos activados con sales cítricas, los materiales de cemento activados con activadores químicos basados en ácido láctico, después de la reacción con agua, incluyen preferiblemente hidratos que tienen proporciones molares de sílice a calcia (S:C) desde aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1.8:1, típicamente desde aproximadamente 1.1:1 a aproximadamente 1.5:1. Como ejemplos particulares, la proporción molar de S:C puede ser aproximadamente de 1.2:1, 1.3:1 o 1.4:1. Las cantidades relativas de subproductos industriales que contienen calcio (por ejemplo, cenizas volantes de Clase C) y subproductos industriales silíceos o bajos en calcio (por ejemplo, cenizas volantes de Clase F) pueden ser seleccionadas a fin de lograr la proporción molar S:C deseada.

Materiales Los cementos de conformidad con la presente invención pueden incluir los materiales expuestos a continuación, en cantidades expresadas en términos de porcentaje en peso de la composición de cemento entera, no incluyendo arena, piedra y otros rellenos. El término "cemento" se usa generalmente en la presente para referirse a la composición aglutinante. El término "composición a base de cemento" se usa generalmente en la presente para referirse a la combinación del cemento (o aglutinante) y el relleno, por ejemplo, arena, piedra y los similares. El compuesto a base de cemento típicamente incluye desde aproximadamente 5 a aproximadamente 60 por ciento de cemento. 1) Polvos de puzolana industriales o naturales. Ejemplos de polvos de puzolana incluyen cenizas volantes de Clase C, cenizas volantes de Clase F, y cenizas puzolánicas de Clase N. Los compuestos a base de cemento pueden incluir cenizas volantes de Clase C como un polvo de puzolana rico en calcio. En algunas modalidades, las cenizas volantes de Clase C pueden incluirse en el cemento en el intervalo de aproximadamente 50 a aproximadamente 98 por ciento en peso, en el intervalo de aproximadamente 60 a aproximadamente 95 por ciento en peso, o en el intervalo de aproximadamente 70 a aproximadamente 95 por ciento en peso. Preferiblemente, el contenido de calcio expresado como los óxidos (CaO) del polvo de puzolana rico en calcio es superior a 22 por ciento en peso y está en el intervalo de aproximadamente 22 a aproximadamente 30 por ciento en peso. Si el contenido de CaO es bajo, pueden añadirse componentes que poseen cal adicional tales como hidróxido de calcio, nitratos, nitritos, sulfatos o carbonatos. Se observa que aunque el uso de cenizas volantes de Clase C como los polvos de puzolana ricos en calcio se describe primeramente en la presente, pueden usarse otros tipos de polvos de puzolana ricos en calcio en algunas modalidades como sustitutos parciales o totales para las cenizas volantes de Clase C (por ejemplo, escoria de altos hornos, polvo de hornos de cemento, y polvos de hornos de cal) .

El cemento puede incluir adicional o alternativamente uno o más polvos de puzolana de alto contenido de silicio o relativamente bajo de calcio.

Preferiblemente, el cemento incluye al menos un polvo de puzolana con un contenido de calcio expresado como los óxidos de menos de aproximadamente 22 por ciento en peso o, más preferiblemente, menos de aproximadamente 15 por ciento en peso. En algunas modalidades, cenizas volantes de Clase F pueden, por ejemplo, estar presentes en el intervalo de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 50 por ciento en peso, o preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 25 por ciento en peso, o mas preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 2 a aproximadamente 15 por ciento en peso. Aunque el uso de cenizas volantes de Clase F como el polvo de puzolana bajo en calcio se describe primeramente en la presente, otros tipos de polvos de puzolana relativamente bajos en calcio y/o altos en silicio pueden ser usados en algunas modalidades como sustitutos totales o parciales para las cenizas volantes de Clase F (por ejemplo, cenizas puzolánicas de Clase N, cenizas volcánicas, cenizas de fondo, cenizas de madera, cenizas de incineradores municipales, zeolitas, etc.). En la medida que polvos puzolánicos de bajo contenido de calcio comprenden una gran proporción del componente de polvo puzolánico, debe añadirse a la composición materiales ricos en calcio para proporcionar el contenido de calcio requerido. Los materiales ricos en calcio preferidos incluyen subproductos industriales como escoria de altos hornos, polvo de hornos de cemento, polvo de hornos de cal y cenizas de depuradores.

Puede usarse sílice pirógena en el cemento para incrementar la resistencia a corto plazo, resistencia a largo plazo, resistencia adhesiva, propiedades elásticas y/o propiedades térmicas. Cuando está presente, la sílice pirógena puede estar presente, por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente 0.5 aproximadamente 10 por ciento en peso, o preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 7 por ciento en peso.

Preferiblemente, el cemento comprende un contenido total de calcio, expresado como los óxidos de 20 por ciento en peso o más. Si el contenido de CaO es bajo, pueden añadirse componentes que posean cal adicional como hidróxido de calcio, nitrato, nitrito, sulfato o carbonato para lograr este contenido de calcio.

Puede usarse aluminato de calcio para incrementar el desarrollo de la resistencia a corto plazo del producto. Por ejemplo, el aluminato de calcio puede estar presente en el intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 25 por ciento en peso, o en el intervalo de aproximadamente 5 a aproximadamente 20 por ciento en peso.

Pueden usarse adiciones de cal (CaO o CaOH) para mejorar la trabaj abilidad del producto, actúa como un compensador de contracción, y/o funciona como un acelerador. Por ejemplo, la cal puede estar presente en el intervalo de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 5 por ciento en peso. La cantidad de cal añadida a la composición puede ser dependiente de la cantidad de cal presente en las cenizas volantes .

Pueden usarse boratos como retardadores de aumento de resistencia. Los boratos preferidos incluyen uno o más aditivos retardadores de la familia de la sal borato, por ejemplo, el bórax puede estar presente en el intervalo de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 10 por ciento en peso, o preferiblemente 0.1 a 3 por ciento en peso, o más preferiblemente desde 0.1 a aproximadamente 2 por ciento en peso. El ácido bórico puede usarse también o alternativamente como el borato, por ejemplo puede estar presente en el intervalo de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 10 por ciento en peso, o preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 0.1 a 5 por ciento en peso o más preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 1.7 por ciento en peso. Pueden usarse alternativa o adicionalmente otros boratos como ácido bórico, borato de potasio, borato de sodio, tetraborato de potasio e hidratos de tetraborato de sodio. Estos boratos pueden ser añadidos para incrementar la resistencia adhesiva al sustrato existente como y es un retardador. Pueden usarse otros retardadores conocidos que incluyen sulfatos y compuestos orgánicos además o como una alternativa a los boratos.

Pueden incluirse activadores individuales o múltiples de la familia del ácido láctico. Por ejemplo, ácido láctico, lactato, lactato de potasio, lactato de litio, lactato de sodio, lactato de calcio o lactato de magnesio pueden, por ejemplo, estar presentes en el intervalo de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 30 por ciento en peso, en comparación con el peso total del cemento, o preferiblemente desde aproximadamente 2 a aproximadamente 5 por ciento en peso, en comparación con el peso total del cemento. Estos activadores pueden ser los únicos activadores presentes en el cemento. Alternativamente, pueden estar presentes otros activadores diferentes de lactato, a condición de que los activadores de lactato representen 50% o más del componente activador .

Otros ejemplos de activadores de pH neutro que se pueden usar en lugar de o además de un activador de lactato incluyen sales cítricas, ácidos málico, malónico, glicólico, y otros ácidos carboxílicos y sales de estos ácidos, incluyendo pero sin limitarse a nitratos, nitritos, cloruros, tiocianatos .

Ingredientes misceláneos, que incluyen por ejemplo, arcillas reactivas tales como meta-caolin, wolastonita, agentes de arrastre de aire (AEA) , látex, fibras (para tenacidad de fracturas), compensadores de contracción (SRA), agentes modificadores de viscosidad (VMA) y plastificantes .

En algunas modalidades, los cementos de la presente invención están sustancialmente libres de cemento Portland, cementos de escoria, y otros tipos de cementos convencionales. En otras modalidades, los cementos de la invención pueden incluir otros cementos, incluyendo cemento Portland, a condición de que los otros cementos comprendan menos de aproximadamente 20 por ciento en peso, preferiblemente menos de aproximadamente 15 por ciento en peso, y más preferiblemente menos de aproximadamente 10 por ciento en peso, del peso total del cemento.

Las modalidades pueden estar también o alternativamente sustancialmente libres de activadores de metales alcalinos tales como hidróxidos alcalinos (pH « 12 a 14) y carbonatos metálicos (pH ~ 11.6) como se usan en otros tipos de materiales. Las modalidades pueden estar también o alternativamente libres de ácidos cítricos (pH ¾ 2.2) y/u otros ácidos.

Las composiciones a base de cemento de conformidad con la invención pueden incluir uno o más rellenos además del cemento. De conformidad con algunas modalidades, los tamaños de partículas del agregado fino (arena) pueden variar desde arena de sílice fina a arena fabricada o natural para conformar las especificaciones de ASTM. Estos rellenos pueden incluir, por ejemplo, arena de sílice, arena natural, agregado fino fabricado a partir de la producción de piedra, cenizas de fondo, escoria, vidrio esmerilado, concreto reciclado y/o arenas de fundición recicladas. Ejemplos específicos de rellenos incluyen diferentes graduaciones de agregados, tales como arena C33, arena NJ 60, arena C144, piedra #8, y piedra #57 u otros.

Esta invención será mejor comprendida con referencia a los siguientes ejemplos, los cuales están previstos para ilustrar modalidades específicas en el alcance general de la invención.

E emplos Las Tablas la y Ib proporcionan ejemplos de mezclas de cementos gue usan un activador de lactato. La Tabla la enlista mezclas elaboradas a 35°C (95°F) y que utilizan un activador de lactato a 22.2°C (72°F). La Tabla Ib enlista mezclas elaboradas a 22.2°C (72°F) . En las Tablas la y Ib las proporciones de materiales usados en las composiciones de mortero son; 3.13 Kgs (6.91 lbs) de cemento (incluyendo el activador), 4.9 Kgs (10.80 lbs) de Arena C33, 0.72 Kgs (1.59 lbs) de agua. Estas proporciones son mezcladas por 4 minutos y luego se prepararon las muestras. Los morteros probados tuvieron la siguiente composición aproximada: Cenizas volantes de Clase C ~ 27.11% en peso Cenizas volantes de Clase F ~ 4.13% en peso Retardador 0.4-1.25% en peso Activador 3.2-10.0% en peso Arena C33 66.7% en peso Total 100% en peso El total de las cenizas volantes de Clase C más las de Clase F se ajustó para representar las diferencias en la cantidad de activador/retardador .

En estas Tablas, se proporcionan los porcentajes en peso para diferentes composiciones activadoras y retardadoras . El activador de lactato comprende un 60% en peso de solución de sólidos de ácido láctico neutralizado. La sal es una sal basada en potasio. El retardador es una fuente individual de ácido bórico de grado técnico disponible de Rio Tinto Corporation.

La habilidad de estas mezclas de lactato para retener asentamientos puede verse en las Tablas la y Ib. El porcentaje de activador y retardador se basa en el porcentaje de cenizas volantes de Clase C en la mezcla. En las Tablas la y Ib, se muestran los efectos del lactato en la retención de tiempo de trabajo en morteros y concreto determinados de conformidad con ASTM C 403. El tiempo de retención de flujo fue mayor que 2 horas (tiempo de trabajo) y s e determinó midiendo la retención de asentamiento y el tiempo de colocación para cada composición. El tiempo de fraguado final fue desde 2 horas a sobre 9 horas y se midió mediante la resistencia a la penetración de conformidad con ASTM C403. La resistencia de las mezclas de cemento en Kg/cm2 (psi) se proporciona a 6 horas, 8 horas, 24 horas, 7 días, y 28 días.

Las variaciones tanto del activador (lactato de potasio) como del retardador se evaluaron a diferentes temperaturas para determinar que efecto ocurriría, si hubiera alguno, en la retención de flujo o de asentamiento. A partir de esto, es posible formular el cemento para lograr las propiedades deseadas.

Tabla la - Mezclas de Cemento Elaboradas a 35°C (95°F) - Activador de Lactato a 22.2°C (72°F) Tabla la (Continuación) Tabla la (Continuación) Tabla la (Continuación) Tabla Ib - Mezclas de Cemento Elaboradas a 22.2°C (72 °F) - Activador de Lactato a 22.2°C (72°F) Tabla Ib (Continuación) Tabla Ib (Continuación) En la Tabla 2 pueden encontrarse varias mezclas de concreto elaboradas con un activador de lactato. Puede verse que la trabaj abilidad del concreto se mantiene sin pérdida de asentamiento hasta el tiempo de fraguado. Estos concretos fueron producidos a diferentes temperaturas y diferentes tiempos de trabajo objetivos.

Tabla 2 - Mezclas de concreto elaboradas con activadores de lactato (Continuación) La Tabla 3 muestra el comportamiento de un diseño de cemento con respecto a varios diseños de concreto. En estos ejemplos la formulación de cemento es como sigue: Puzolana ? (cenizas volantes de Clase C) % en peso 82.08 Puzolana B (cenizas volantes de Clase F) % en peso 13.90 Retardador (ácido bórico) % en peso 0.903 Activador (60% de sólidos de lactato de potasio) % en peso 3.119 Tabla 3- Resultados de Resistencia y Durabilidad para Concreto Basado en Lactato De manera similar, los concretos pueden elaborarse con un activador listo que tenga el retardador pre- incorporado en la solución activadora. Éstos han demostrado propiedades plásticas mejoradas de manera similar. Éste en algunos casos proporciona una conveniencia para producción de concretos en lugares remotos sin pre-mezclar todos los componentes. Ejemplos de activadores elaborados de esta manera pueden encontrarse en la Tabla .

Tabla 4 - Composiciones Activadoras que Incluyen un Retardador La Tabla 5 muestra la estabilidad de volumen de concretos elaborados con el cemento activado con lactato. Sus proporciones de diseño de concreto son los mostrados en la Tabla 3.

Tabla 5 - Valores de Contracción ASTM C156 para Concretos en la Tabla la Métodos de Fabricación Los productos de gran área (tal como el Ejemplo 4 en la Tabla 2) pueden ser producidos mezclando todos los ingredientes excepto por el activador antes de uso. El activador puede entonces ser añadido en el momento cuando se necesite que el concreto inicie su reacción. Una vez añadido el activador, se ha iniciado la reacción química que conduce al fraguado final. La mezcla específica determinará cuánto tiempo de trabajo está disponible antes del fraguado final.

Por ejemplo, un camión de tránsito puede cargar una mezcla de conformidad con el Ejemplo 4 en una planta discontinua. El camión de tránsito actualmente tiene 4 a 6 horas o más antes de que el concreto ya no sea usable. En cualquier punto en ese período de tiempo, puede añadirse el activador, como un líquido o como un polvo sólido, (más probablemente en el sitio de la construcción) , y el concreto puede ser colocado. Esta habilidad proporciona una enorme ventaja sobre el concreto de cemento Portland, el cual típicamente, tiene 90 minutos de tiempo de trabajo aceptable a partir del momento que el camión de tránsito es cargado en la planta discontinua. En la Tabla 6 se muestran ejemplos del concreto producido de esta manera.

Tabla 6 - Concreto de Uso General (activador basado en Lactato) Curvas de Resistencia para Diferentes Aglutinantes (Continuación) (Continuación) Los productos mezclables volumétricos (por ejemplo, los Ejemplos 5 y 7 en la Tabla 2) pueden ser elaborados mediante la adición de porciones uniformes de cemento, piedra y arena bajo operación de control remoto. La porción de cemento que contiene tanto el acelerador como el retardador puede ser mezclada con arena y piedra en el mezclador de alto esfuerzo cortante. Como una opción a este procedimiento, el acelerador y el retardador pueden ser añadidos ya sea en forma liquida o en polvo.

Esta solicitud describe varios intervalos numéricos en el texto y figuras. Los intervalos numéricos describen inherentemente apoyo a cualquier intervalo o valor en el intervalo numérico descrito aunque no se establezca textualmente un limite de intervalo preciso en la especificación porque esta invención puede ser practicada en todos los intervalos numéricos descritos.

La descripción anterior se presentó para facilitar a un experto en el arte la elaboración y el uso de la invención, y se proporciona en el contexto de una aplicación particular y sus requerimientos. Varias modificaciones a las modalidades preferidas serán fácilmente obvias para los expertos en el arte, y los principios genéricos definidos en la presente pueden ser aplicados a otras modalidades y aplicaciones sin alejarse del espíritu y del alcance de la invención. Por consiguiente, esta invención no está prevista para limitarse a las modalidades expuestas, pero se concede el más amplio alcance consistente con los principios y aspectos descritos en la presente. Finalmente, la descripción entera de las patentes y publicaciones mencionadas en esta solicitud son así incorporadas a la presente como referencia.

Claims

4 O NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención, considera como novedad y por lo tanto se reclama propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. - Una composición a base de cemento caracterizada porque comprende: puzolanas basadas en cenizas volantes de hulla; y un activador químico basado en ácido láctico.

2. - La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el activador químico es una sal de ácido láctico de pH neutro.

3. - La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el activador químico comprende lactato de potasio, lactato de sodio, lactato de litio, lactato de calcio, o lactato de magnesio.

4. - La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la sal de pH neutro comprende un metal alcalino o alcalino térreo.

5. - La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque dicha composición comprende adicionalmente un retardador químico.

6.- La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque el retardador comprende un compuesto de boro.

7. - La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el compuesto de boro es seleccionado del grupo que consiste de ácido bórico, óxido bórico, borato de sodio, tetraborato de sodio, borato de potasio y tetraborato de potasio, bórax pentahidratado, y bórax decahidratado .

8. - La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque dicha composición está sustancialmente libre de activadores de ácido cítrico, activadores de metales alcalinos, y activadores de carbonatos metálicos.

9. - La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el activador químico basado en ácido láctico comprende más de 50% en peso del peso total de activadores en la composición a base de cemento .

10.- La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el activador químico basado en ácido láctico comprende más de 95% en peso del peso total de activadores en la composición a base de cemento.

11. - La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque dicha composición tiene un tiempo de fraguado de entre 2 y 24 horas .

12. - La composición a base de cemento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque las puzolanas basadas en cenizas volantes de hulla son seleccionadas del grupo que consiste de cenizas volantes de Clase C, cenizas volantes de Clase F, cenizas puzolánicas de Clase N y combinaciones de éstas.

13. - Un método de formar una composición de cemento endurecida, caracterizado porque comprende: mezclar una composición hidratable que comprende puzolanas basadas en cenizas volantes de hulla y un activador químico basado en ácido láctico para formar una composición de cemento endurecida .

14. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el activador químico es una sal de ácido láctico de pH neutro.

15. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el activador químico comprende lactato de potasio, lactato de sodio, lactato de litio, lactato de calcio, o lactato de magnesio.

16. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque la sal de pH neutro comprende un metal alcalino o alcalino térreo.

17. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque comprende adicionalmente mezclar un retardador químico con la composición hidratable que comprende puzolanas basadas en cenizas volantes de hulla y el activador químico.

18. - El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el retardador comprende un compuesto de boro.

19. - El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el compuesto de boro es seleccionado del grupo que consiste de ácido bórico, óxido bórico, borato de sodio, tetraborato de sodio, borato de potasio y tetraborato de potasio, bórax pentahidratado, y bórax decahidratado .

20. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque los activadores de ácido cítrico, activadores de metal alcalino, y activadores de carbonato metálico no se mezclan con la composición hidratable que comprende puzolanas basadas en cenizas volantes de hulla para formar la composición de cemento endurecida.

21. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el activador químico basado en ácido láctico comprende más de 50% en peso del peso total de los activadores usados para formar la composición de cemento endurecida .

22. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el activador químico basado en ácido láctico comprende más de 95% en peso del peso total de los activadores usados para formar la composición de cemento endurecida .

23. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque la composición hidratable que comprende puzolanas basadas en cenizas volantes de hulla tiene un tiempo de fraguado de más de 2 horas después de mezclar con el activador químico basado en ácido láctico.

24. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque la composición hidratable que comprende puzolanas basadas en cenizas volantes de hulla comprende puzolanas seleccionadas del grupo que consiste de cenizas volantes de Clase C, cenizas volantes de Clase F, cenizas puzolánicas de Clase F y combinaciones de las mismas.

25.- El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado adicionalmente porque comprende disolver un retardador en una solución que comprende el activador químico en una concentración de entre 0.1% y 40%.

26.- El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque adicionalmente comprende disolver un retardador en una solución separada del activador químico en una concentración de entre 0.1% y 40%.

27. - El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la composición tiene una proporción molar de sílice a calcia de entre aproximadamente 1.2:1 y aproximadamente 1.4:1.

28. - Una composición preferida de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque el retardador es disuelto en una solución de activador en una concentración entre 0.1% y 30.0%.

29. - Una composición más preferida de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque el retardador es disuelto en una solución de activador en una concentración entre 10.0% y 30.0%.