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ES2323747T3 - Composiciones basadas en cemento mejoradas. - Google Patents

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ES2323747T3
ES2323747T3 ES00915823T ES00915823T ES2323747T3 ES 2323747 T3 ES2323747 T3 ES 2323747T3 ES 00915823 T ES00915823 T ES 00915823T ES 00915823 T ES00915823 T ES 00915823T ES 2323747 T3 ES2323747 T3 ES 2323747T3
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ES
Spain
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cement
metacaolin
based composition
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dispersant
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ES00915823T
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English (en)
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Karen Ann Gruber
John Hen
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BASF Catalysts LLC
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BASF Catalysts LLC
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Abstract

Una composición basada en cemento que comprende al menos un material cementoso y metacaolín altamente reactivo, en la que el metacaolín altamente reactivo se caracteriza porque comprende perlas aglomeradas de micropartículas, teniendo las perlas aglomeradas una mediana del diámetro de al menos 10 micrómetros y teniendo las micropartículas una mediana del diámetro de 5 micrómetros o menor.

Description

Composiciones basadas en cemento mejoradas.
Campo de la invención
Esta invención se refiere a novedosas composiciones basadas en cemento que contienen metacaolín.
Antecedentes de la invención
Se conoce el uso de metacaolín en el cemento. Por ejemplo, la patente de EE.UU. 4.793.861 describe un producto basado en cemento que está reforzado con fibras de vidrio que tiene buena resistencia a entornos alcalinos. El producto contiene, por cada 100 partes en peso de cemento, aproximadamente 10 a 40 partes en peso de metacaolín, presentando este último una reactividad al ensayo de Chapelle modificado superior a 500 mg de CaO por gramo de metacaolín.
La patente de EE.UU. 4.842.649 describe una composición de cemento hidráulico mezclado compuesto por cemento Pórtland, escoria, puzolanas que incluyen metacaolín, y mezclas que incluyen carbonato de potasio y composiciones reductoras del agua.
La patente de EE.UU. 4.975.396 describe un procedimiento para producir composiciones cementosas reforzadas en las que los siguientes constituyentes se mezclan en la fase acuosa en el siguiente orden: aproximadamente 35-55 partes en peso de agua mezclada con aproximadamente 3-12 partes de un polímero, en peso del polímero seco; hasta aproximadamente 5 partes de un agente auxiliar reductor del agua y/o un agente de licuación; de aproximadamente 15-30 partes de metacaolín; de aproximadamente 50-120 partes de arena de sílice y aproximadamente 100 partes de cemento. El mezclado continuo se mantiene hasta que se obtiene una pasta tixotrópica homogénea. Entonces, en la pasta se introduce entre el 2 y el 15% en peso de fibras de vidrio resistentes a álcalis, con respecto al peso de la pasta.
La patente de EE.UU. 4.994.114 describe un procedimiento para seleccionar una puzolana (por ejemplo, metacaolín) para la incorporación en un material compuesto que comprende cemento y vidrio.
El documento GB 2294259 desvela una mezcla de hormigón que comprende metacaolín de < 2 micrómetros
y 2-50% en peso de un medio acuoso que comprende un agente dispersante.
La patente de EE.UU. 5.167.710 describe un procedimiento para preparar una mezcla de cemento que contiene fibras en la que una pasta se forma mezclando cemento y, por 100 partes en peso de cemento, aproximadamente 5 a 20 partes en peso de un primer material pulverizado del que los granos tienen un diámetro promedio de entre 1/5 y 1/10 el diámetro promedio de los granos del cemento y aproximadamente 20 a 35 partes en peso de agua. Entonces, la pasta se mezcla con fibras de refuerzo. La pasta también puede incluir un segundo material pulverizado cuyo diámetro de grano promedio es entre 1/5 y 1/10 el diámetro promedio del primer material pulverizado.
La patente de EE.UU. 5.372.640 describe productos basados en cemento reforzados con fibras de vidrio resistentes a álcalis que se vuelven casi insensibles al envejecimiento cuando se añaden 30 a 40 partes en peso de una composición de metacaolín por cada 100 partes de cemento.
La patente de EE.UU. 5.624.489 describe un aditivo que previene la conversión para composiciones basadas en cemento con alto contenido en alúmina, comprendiendo el aditivo: polvo puzolánico silíceo, por ejemplo zeolita, escoria de alto horno granulada, ceniza volante, humo de sílice, cascarillas de arroz, metacaolín; sales inorgánicas que contienen cationes sodio o potasio y sulfato, carbonato, nitrato, silicato, fosfato, aniones cloruro o bromuro, y opcionalmente otras mezclas químicas, por ejemplo superplastificantes.
La patente de EE.UU. 5.626.665 describe sistemas cementosos que comprenden yeso, arcilla calcinada y clínker.
Las puzolanas son materiales finamente divididos que pueden reaccionar con álcali para formar productos cementosos. Sin embargo, el fino tamaño de partícula de las puzolanas puede llevar a un aumento en la demanda de agua. En los sistemas basados en cemento, la adición de agua adicional puede reducir el rendimiento del sistema mediante la reducción de la resistencia y aumentar la permeabilidad de las estructuras basadas en cemento resultantes. No se desea la reducción de la resistencia por varias razones. Inicialmente, un retraso en el desarrollo temprano de la resistencia da como resultado un agrietamiento de la superficie debido a la evaporación. En segundo lugar, los trabajos duran más porque el encofrado del hormigón debe permanecer en su lugar sustancialmente más, y se retrasa la finalización.
El fino tamaño de partícula de las puzolanas puede llevar adicionalmente a una escasa fluidez de sistemas basados en cemento antes del fraguado. Por tanto, todavía existe la necesidad de puzolanas mejoradas que tengan menor demanda de agua para producir una mayor resistencia a la compresión, a la vez que se mantiene la actividad puzolánica en sistemas basados en cemento. Debido a que la actividad puzolánica está asociada al tamaño de partícula, un material que tiene un tamaño de partícula más fino produce una reacción puzolánica más rápida. Como resultado, la mayoría de las puzolanas altamente reactivas son, en forma producida, polvos finos con baja densidad aparente. Sin embargo, todavía existe también una necesidad de puzolanas que tengan una fluidez mejorada como polvo seco con una mayor densidad aparente para reducir los costes de transporte y almacenamiento.
Resumen de la invención
La presente invención se refiere a una composición basada en cemento que contiene al menos un material cementoso y al menos un metacaolín altamente reactivo, en la que el metacaolín altamente reactivo se caracteriza porque comprende perlas aglomeradas de micropartículas, teniendo las perlas aglomeradas una mediana del diámetro de al menos 10 micrómetros y teniendo las micropartículas una mediana del diámetro de 5 micrómetro o menos.
En una realización, la composición basada en cemento también comprende un dispersante.
Descripción detallada de la invención
Las composiciones basadas en cemento de esta invención están previstas para uso en aplicaciones basadas en cemento tales como yesos para piscinas, lechadas, morteros y hormigón. Las composiciones de la presente invención contienen al menos un material cementoso, al menos una puzolana altamente reactiva como se especifica en la reivindicación 1, y opcionalmente al menos un dispersante. La composición basada en cemento es la mezcla seca combinada total de la composición cementosa y materiales de puzolana altamente reactiva que reacciona con agua para formar el aglutinante en hormigón u otro material. El hormigón es un material de construcción que comprende la composición basada en cemento, agua, mezclas opcionales y conglomerados.
Los materiales cementosos incluyen aquellos materiales normalmente requeridos para preparar cemento. En términos generales, los materiales cementosos son materiales aglutinantes que endurecen para formar un medio de conexión entre sólidos. Los materiales cementosos incluyen cementos, que son cualquier mezcla de cal finamente molida, alúmina y sílice que fraguará para dar un producto duro que se combina con otros componentes para formar un hidrato tal como cemento Pórtland, cementos hidráulicos, cemento mezclado y cemento de albañilería, mortero, y conglomerado relacionado, mezclas y/o aditivos que incluyen cal hidratada, caliza, tiza, concha calcárea, talco, escoria o arcilla.
El cemento Pórtland ordinario es un cemento hidráulico producido mediante pulverización de clínker de cemento Pórtland. Los cementos Pórtland se clasifican bajo las normas ASTM © 150-95 en ocho tipos, que incluyen: Tipo I para uso en construcción general en hormigón en la que no se requieren las propiedades especiales especificadas para los Tipos II, III, IV y V; Tipo II para uso en construcción general en hormigón expuesto a una acción moderada del sulfato, o en la que se requiere calor de hidratación moderado; Tipo III para uso cuando se requiere alta resistencia temprana; Tipo IV para uso cuando se requiere bajo calor de hidratación; Tipo V para uso cuando se requiere alta resistencia al sulfato; y Tipos IA, IIA y IIIA, que son los mismos que los Tipos I, II, y III, respectivamente, excepto que tienen añadido un agente incorporador de aire. El "cemento Pórtland ordinario" en el contexto de esta invención incluye todos los tipos (I-V y IA-IIIA) de cemento Pórtland que se citan en ASTM C 150-95.
En una realización, las composiciones basadas en cemento de la presente invención contienen de aproximadamente el 50% a aproximadamente el 99,5% en peso de un material cementoso. En otra realización, las composiciones basadas en cemento de la presente invención contienen de aproximadamente el 75% a aproximadamente el 99% en peso de un material cementoso.
Las composiciones basadas en cemento contienen al menos una puzolana altamente reactiva, que es metacaolín. Las composiciones basadas en cemento según la presente invención tienen al menos una de menor demanda de agua, mayor resistencia a la compresión y mayor fluidez en comparación con las composiciones basadas en cemento que no contienen una puzolana altamente reactiva. En una realización, las composiciones basadas en cemento de la presente invención contienen de aproximadamente el 0,5% a aproximadamente el 50% en peso de la puzolana altamente reactiva. En otra realización, las composiciones basadas en cemento de la presente invención contienen de aproximadamente el 1% a aproximadamente el 25% en peso del metacaolín altamente reactivo. En todavía otra realización, las composiciones basadas en cemento de la presente invención contienen de aproximadamente el 2% a aproximadamente el 20% en peso del metacaolín altamente reactivo.
El metacaolín altamente reactivo es altamente reactivo porque los materiales compuestos que tienen altas resistencias a la compresión pueden obtenerse como resultado de la presente invención. Es decir, los componentes de las composiciones basadas en cemento de la presente invención que contienen el metacaolín altamente reactivo reaccionan y fraguan de tal manera que los materiales compuestos que tienen altas resistencias a la compresión se obtienen en comparación con composiciones basadas en cemento que no contienen el metacaolín altamente reactivo que se describe en este documento. Aunque el metacaolín altamente reactivo posee poco o ningún valor cementoso, en presencia de humedad reacciona químicamente con hidróxido cálcico a temperaturas ordinarias para formar compuestos que poseen propiedades cementosas.
El metacaolín altamente reactivo está constituido por perlas aglomeradas de micropartículas. En una realización, las perlas aglomeradas tienen una mediana del tamaño de partícula de 10 micrómetros a 100 micrómetros (superior a 10 micrómetros). En otra realización, las perlas aglomeradas tienen una mediana del tamaño de partícula de 15 micrómetros a 50 micrómetros (superior a 15 micrómetros). En todavía otra realización, las perlas aglomeradas tienen un tamaño de partícula promedio de 20 micrómetros a 40 micrómetros (superior a 20 micrómetros).
En una realización, las micropartículas tienen una mediana del tamaño de partícula de 0,1 micrómetros a 5 micrómetros (5 micrómetros o menos). En otra realización, las micropartículas tienen una mediana del tamaño de partícula de 0,2 micrómetros a 2 micrómetros (2 micrómetros o menos). En todavía otra realización, las micropartículas tienen una mediana del tamaño de partícula de 0,25 micrómetros a 0,75 micrómetros (0,75 micrómetros o menos).
En una realización preferida, la distribución del tamaño de partícula de las micropartículas es aproximadamente el 95% de las micropartículas tienen de 0,2 micrómetros a 5 micrómetros. En otra realización preferida, la distribución del tamaño de partícula de las perlas aglomeradas es aproximadamente el 95% de las perlas aglomeradas tienen de 15 micrómetros a 30 micrómetros. En otra realización, las perlas aglomeradas de las partículas de metacaolín tienen una mediana del diámetro de partícula de al menos cinco veces la de las micropartículas de metacaolín constituyentes. Las micropartículas inferiores a aproximadamente 0,1 micrómetros normalmente no afectan negativamente el rendimiento de las perlas aglomeradas, pero las micropartículas superiores a aproximadamente 10 micrómetros deben minimizarse ya que pueden reducir la integridad física de las perlas aglomeradas de esta invención.
Hay varios procedimientos y dispositivos para medir los tamaños de partícula en este intervalo. Para los fines de esta invención, el tamaño de partícula se determina mediante técnicas de sedimentación convencionales usando el analizador de tamaño de partícula SEDIGRAPH® 5100 de Micromeretics, Inc. Las partículas se suspenden en agua con un dispersante y se bombean por el detector con agitación para dispersar los aglomerados sueltos.
El metacaolín altamente reactivo adecuado para uso en la presente invención puede prepararse mediante un procedimiento que comprende aglomerar una suspensión líquida que comprende al menos un metacaolín. En una realización preferida, el metacaolín combinado con el agua tiene un tamaño de partícula de 0,1 micrómetros a 5 micrómetros. Las distribuciones de tamaño de partícula deseadas del metacaolín pueden obtenerse moliendo o pulverizando partículas grandes de metacaolín y/o mediante tamizado, centrifugado, clasificación por aire, u otros medios de separación para eliminar partículas mayores a aproximadamente 10 micrómetros.
El metacaolín es conocido para aquellos expertos en la materia y puede prepararse mediante calcinación de caolín hidratado, que se representa generalmente por la fórmula Al_{2}O_{3}\cdot2SiO_{2}\cdot2H_{2}O, en el que el agua está presente como agua intersticial. El metacaolín de esta invención se prepara normalmente mediante calcinación a temperaturas de aproximadamente 350ºC a aproximadamente 1000ºC, más normalmente de aproximadamente 500º a aproximadamente 900ºC. Los términos "metacaolín" y "metacaolinita" se usan en este documento para indicar un producto activado de caolinita producido térmicamente o mediante cualquier otro medio. La formula abreviada para el metacaolín puede escribirse usando los símbolos estándar A y S (A=Al_{2}O y S=SiO_{2}) como AS_{2}.
En una realización, el metacaolín se combina con un líquido para formar una suspensión. El líquido es normalmente agua, pero también puede incluir líquidos orgánicos y mezclas de agua-líquido orgánico. Opcionalmente, una cantidad eficaz de al menos un dispersante se incluye en la suspensión para facilitar la dispersión del metacaolín. Estos dispersantes pueden formarse previamente y añadirse a la suspensión o formarse dentro de la suspensión.
La suspensión es normalmente neutra teniendo, por ejemplo, un pH de aproximadamente 6 a aproximadamente 8, y preferentemente de aproximadamente 6,5 a aproximadamente 7,5. El pH de la suspensión puede ajustarse, si es necesario, mediante la adición de un ácido o base de manera que el pH final de la suspensión sea aproximadamente neutro. La formación de la suspensión se realiza normalmente a temperatura ambiente y a presión atmosférica. Pueden usarse temperaturas y presiones más altas o más bajas, pero no son necesarias.
Los dispersantes adecuados para uso en la presente invención incluyen dispersantes orgánicos y dispersantes inorgánicos. Los dispersantes incluyen generalmente dispersantes basados en amoniaco y dispersantes basados en fosfato. Los dispersantes incluyen adicionalmente dispersantes de sulfonato, dispersantes de ácido carboxílico y dispersantes poliméricos, tales como dispersantes de poliacrilato.
En una realización, a la suspensión se añade de aproximadamente el 0,1% a aproximadamente el 20% en peso del metacaolín de uno o más dispersantes. En otra realización, a la suspensión se añade de aproximadamente el 0,5% a aproximadamente el 10% en peso del metacaolín de uno o más dispersantes. En todavía otra realización, a la suspensión se añade de aproximadamente el 1% a aproximadamente el 8% en peso del metacaolín de uno o más dispersantes.
Los dispersantes inorgánicos basados en fosfato incluyen fosfato de diamonio, fosfato de dipotasio, fosfato de disodio, fosfato de monoamonio, fosfato de monopotasio, fosfato de monosodio, tripolifosfato de potasio, pirofosfato ácido de sodio, hexametafosfato de sodio, tripolifosfato de sodio, pirofosfato de tetrapotasio, pirofosfato de tetrasodio, fosfato de tripotasio, fosfato de trisodio, fosfato de urea y mezclas de los mismos.
Los dispersantes de sulfonato incluyen naftalensulfonatos, alquilnaftalensulfonatos, alquilfenolsulfonatos etoxilados, sulfonatos de petróleo, sulfonatos de ácido graso, lignosulfonatos, olefinsulfonatos, aminasulfonatos y alquilarilsulfonatos. Los ejemplos específicos incluyen aquellos bajo la denominación comercial Morwet® disponible de Witco Corp., aquellos bajo la denominación comercial Sellogen disponible de Henkel Corp. y aquellos bajo la denominación comercial Emkapon disponible de Emkay Chemical Co.
Los ácidos carboxílicos incluyen normalmente ácidos orgánicos y sus sales correspondientes que contienen de aproximadamente 6 a aproximadamente 25 átomos de carbono. En otra realización, los ácidos carboxílicos incluyen normalmente ácidos orgánicos y sus sales correspondientes que contienen de aproximadamente 8 a aproximadamente 20 átomos de carbono.
Los poliacrilatos incluyen poli(ácido acrílico), sales de copolímeros acrílicos, copolímeros de ácido acrílico (por ejemplo, con ácido maleico) y poliacrilatos de amonio o metal alcalino y sales de policarboxilato. Los ejemplos específicos incluyen aquellos bajo las denominaciones comerciales Acumer® y Acusol disponibles de Rohm & Haas Co., aquellos bajo la denominación comercial Colloid disponible de Rhone-Poulenc Corp. y aquellos bajo la denominación comercial Mayosperse disponible de Mayo Chemical.
En una realización, las composiciones basadas en cemento y/o la composición de puzolana también contienen al menos uno de reductores del agua y superplastificantes. Una cantidad menor de un agente floculante también puede incorporarse en la mezcla para facilitar la dispersión/suspensión de las partículas en el medio líquido. Además, en la mezcla pueden incorporarse materiales distintos de metacaolín. Por ejemplo, en la mezcla puede incorporarse una cantidad menor de sorbentes especiales solubles en agua o dispersables en agua (por ejemplo, sílices, alúminas u otras arcillas) para adsorber selectivamente azufre, jabones, compuestos fosforosos u otros compuestos perjudiciales y acabar en las perlas aglomeradas. Los materiales de aditivos adicionales incluyen yeso, sales alcalinas, polvo de horno hidratado, cal hidratada, ceniza volante, agentes plastificantes, etc.
En una realización, las composiciones basadas en cemento y/o las puzolanas altamente reactivas contienen un aglutinante tal como carboximetilcelulosa, poli(alcohol vinílico) y/o polivinilpirrolidona. En otra realización, las composiciones basadas en cemento y/o las puzolanas altamente reactivas no contienen un aglutinante tal como carboximetilcelulosa, poli(alcohol vinílico) y/o polivinilpirrolidona. En una realización preferida, la composición de puzolana altamente reactiva no contiene un aglutinante tal como carboximetilcelulosa, poli(alcohol vinílico) y/o polivinilpirrolidona.
En otra realización, las composiciones basadas en cemento y/o las puzolanas altamente reactivas contienen una cantidad menor de al menos un material aglutinante, preferentemente un aglutinante dispersable en agua. Como se usa en este documento, un "aglutinante dispersable en agua" debe significar que bajo las condiciones de procedimiento normales, el aglutinante es soluble en agua u otro medio líquido o se dispersa suficientemente o se suspende en él. Los aglutinantes adecuados para uso dentro del contexto de la presente invención incluyen alginatos, dextrina, glucosa, gomas, almidón, ceras, colas; compuestos poliméricos tales como poli(acetato de vinilo); ácidos minerales tales como ácido sulfúrico y ácido fosfórico; fosfatos tales como fosfato de amonio; compuestos de sílice tales como silicatos alcalinos e hidrosol de sílice; y arcillas coloidales tales como atapulgita. Estos materiales aglutinantes están normalmente presentes en una cantidad de hasta aproximadamente el 10% en peso de la puzolana altamente reactiva en una base libre de humedad, preferentemente de aproximadamente el 1% a aproximadamente el 5% en peso. Normalmente, el compuesto polimérico, si está presente como el único aglutinante, está presente en una cantidad de hasta aproximadamente el 3% en peso de la puzolana altamente reactiva en una base libre de humedad; y la arcilla coloidal, si está presente como el único aglutinante, está presente en una cantidad de hasta aproximadamente el 5% en peso de la puzolana altamente reactiva en una base libre de humedad (como se usa en este documento, en este contexto significa el peso alcanzado después de calentar hasta un peso constante a aproximadamente 250ºF (121ºC).
La aglomeración del metacaolín; es decir, la formación de las perlas aglomeradas, puede llevarse a cabo mediante secado por pulverización de la suspensión, secado por evaporación rápida de la suspensión, secado rotatorio, mezclado de la suspensión u otras técnicas de conglomeración. Las técnicas de secado por evaporación rápida son conocidas en la industria de las arcillas. Las técnicas de secado por pulverización son conocidas en la industria de las arcillas. Como referencia consúltese, por ejemplo, "Atomization and Spray Drying" por W. R. Marshall (Chemical Engineering Monograph Series, nº 2, vol. 50 (1954)).
En el secado por pulverización, la mezcla de metacaolín, líquido (preferentemente agua) y aditivos o componentes opcionales se ajusta, si es necesario, mediante la adición de líquido de manera que la suspensión de metacaolín pueda bombearse y pulverizarse. En una realización, la concentración de metacaolín en la suspensión es al menos el 40% en peso de la suspensión. En otra realización, la concentración de metacaolín en la suspensión es al menos el 50% en peso de la suspensión. En todavía otra realización, la concentración de metacaolín en la suspensión es al menos el 60% en peso de la suspensión. Se observa que, debido a las consideraciones reológicas, las partículas interactivas más pequeñas tienden a proporcionar una mezcla viscosa, por lo que las propiedades de transporte dependen tanto del tamaño de las partículas como de su concentración. Entonces, la mezcla o suspensión se pulveriza en una atmósfera de gases calientes inertes (para este producto).
Pueden usarse secadores por pulverización de diversos diseños. Estos secadores pueden ser de tipo flujo en paralelo, contracorriente o mixto. Pueden usarse boquillas, discos o similares para dispersar la suspensión en gotitas. Por supuesto, la temperatura del aire de entrada y salida del secador por pulverización dependerá del diseño del secador. La temperatura interna real de las perlas aglomeradas en la cámara de secado debe ser inferior a 107ºC (225ºF), por ejemplo de aproximadamente 82ºC a 93ºC (180ºF a 200ºF). A estas temperaturas, hay poco cambio o ninguno en la estructura cristalina de la arcilla (el agua libre se elimina, pero el agua intersticial no se elimina). Por tanto, las gotitas se vuelven perlas aglomeradas porosas de metacaolín y se recogen aguas abajo de la cámara de secado mediante los procedimientos usuales. Usando un secador en paralelo, la temperatura del aire de entrada y la velocidad de alimentación de la suspensión de arcilla se ajustan para producir una temperatura de salida del aire dentro del intervalo de aproximadamente 121ºC (250ºF) a aproximadamente 149ºC (300ºF).
En otra realización, la mezcla de metacaolín, líquido (preferentemente agua) y componentes opcionales puede aglomerarse en una mezcladora mecánica. El mezclado normalmente implica usar una mezcladora de alto cizallamiento. Un tipo preferido de mezcladora emplea palas o paletas montadas radialmente sobre un árbol giratorio de manera que la punta de la pala o paleta, que se desplaza a alta velocidad, produce que las partículas sólidas, el aglutinante y el agua incidan o se pongan en contacto entre sí de tal manera que se forma un aglomerado. Con el tiempo, las partículas nominalmente esféricas tienden a crecer cada vez más. Este fenómeno se potencia por las puntas de las palas o paletas acercándose mucho a una pared estacionaria o a un objeto sólido (por ejemplo, otra paleta o pala) que se mueve a diferente velocidad relativa. Los vórtices configurados por este movimiento de cizallamiento tienden a potenciar la esfericidad de las perlas en crecimiento.
Otros procedimientos de contacto mecánicos que requieren menos energía son conocidos para aquellos expertos en la materia, incluyendo el uso de granuladores de tambor o platos, granuladores de lecho fluidizado o en surtidor, o granuladores por volteo, rotatorios, vibratorios o giratorios. Para las descripciones de estos procedimientos véanse, por ejemplo, Sherrington, P. J. Granulation, Heyden & Son, Ltd. (1981). Estos dispositivos y similares pueden usarse para producir gránulos, aunque no todos son óptimos para hacer la presente invención.
La presente invención proporciona perlas aglomeradas porosas fuertes de metacaolín en el intervalo de tamaño de partícula relativamente pequeño de aproximadamente 10 a aproximadamente 100 micrómetros. La "resistencia" puede definirse por cualquier número de ensayos de desgaste. Por ejemplo, el agitar el producto en aceite y luego medir el tamaño de partícula o la velocidad de filtración dará una medida relativa de la resistencia. Alternativamente, si el producto se transporta reumáticamente en un bucle durante un periodo de tiempo, esto puede separar partículas fuertes de formulaciones más débiles.
Las perlas aglomeradas contienen de aproximadamente el 70% a aproximadamente el 100% en peso de micropartículas de metacaolín y de aproximadamente el 0% a aproximadamente el 30% de uno o más dispersantes y aditivos. En otra realización, las perlas aglomeradas contienen de aproximadamente el 80% a aproximadamente el 99% en peso de micropartículas de metacaolín y de aproximadamente el 1% a aproximadamente el 20% de uno o más dispersantes y aditivos. En todavía otra realización, las perlas aglomeradas contienen de aproximadamente el 90% a aproximadamente el 98% en peso de micropartículas de metacaolín y de aproximadamente el 2% a aproximadamente el 10% de uno o más dispersantes y aditivos.
Las perlas aglomeradas se combinan con el material cementoso para formar una composición basada en cemento. La pasta de cemento se prepara añadiendo agua a la composición basada en cemento. El yeso para piscinas, las lechadas, el hormigón y el mortero se preparan combinando agua, la composición basada en cemento y cualquier conglomerado, mezcla o aditivo deseados.
En los sistemas de cemento de la técnica anterior, las arcillas calcinadas convencionales de un tamaño de partícula suficientemente fino producen un aumento en la demanda de agua respecto a la demanda de agua del cemento Pórtland ordinario. El aumento de la demanda de agua se correlaciona directamente con la espectacular disminución en las resistencias tempranas a la compresión de los sistemas cementosos de la técnica anterior que contienen arcillas calcinadas convencionales con respecto al cemento Pórtland ordinario. El aparente aumento en la demanda de agua puede compensarse por mezclas químicas llamadas reductores del agua o superplastificantes (reductores del agua de alto intervalo). Para los morteros, la demanda de agua puede correlacionarse con la aptitud para ser trabajado usando un aparato de la tabla de flujo como se describe en ASTM C230-90. El flujo se mide según el procedimiento en la sección 10 de ASTM C109/109M-95. El número tras el procedimiento de ensayo de ASTM indica que es el procedimiento de ensayo de ASTM vigente durante ese año específico, tal como 1995 en el caso en el que 95 siga al procedimiento de ensayo de ASTM.
La ASTM C 109/109M-95 cuantifica la fluidez y la resistencia a la compresión de morteros de cemento hidráulico. La resistencia a la compresión es la resistencia máxima medida de un espécimen a la carga de compresión axial normalmente expresada como fuerza por unidad de área de la sección transversal. Aunque los procedimientos de ensayo de ASTM se explican específicamente, aquellos expertos en la materia pueden darse cuenta de que podrían usarse procedimientos alternativos para ensayar las cualidades o los resultados citados. La única diferencia es que los resultados o las cualidades pueden presentarse de una manera diferente en la que podría usarse un sistema de conversión para dar resultados comparables. Por consiguiente, la invención no debe limitarse por los procedimientos de ensayo citados y los resultados de los mismos, sino sólo a las reivindicaciones que se exponen más adelante que tienen en cuenta procedimientos en ensayo y resultados equivalentes.
Los ejemplos de esta invención se incluyen en este documento a continuación. Por supuesto, los ejemplos no pretenden limitar esta invención ya que la modificación de los ejemplos por un recurso ordinario será rápidamente evidente para aquellos expertos en la materia. A menos que se indique lo contrario en los siguientes ejemplos y en cualquier lugar en la memoria descriptiva y las reivindicaciones, todas las partes y porcentajes son en peso, las temperaturas son en grados Celsius, las presiones son a presión atmosférica o casi atmosférica.
Se preparan dos composiciones de mortero, una composición según la presente invención y la otra composición no según la invención, y se comparan. En la primera composición (según la presente invención), una composición basada en cemento del 93% en peso de cemento de mortero y el 7% en peso de un metacaolín secado por pulverización en forma de perlas aglomeradas se combina con agua con una relación de agua respecto a cemento de 0,48. En la segunda composición (no según la presente invención), una composición basada en cemento del 93% en peso de cemento de mortero y el 7% en peso de metacaolín convencional se combina con agua con una relación de agua respecto a cemento de 0,48.
En primer lugar se examina la fluidez. Los resultados indican la menor demanda de agua del material compuesto preparado según la presente invención. Con el fin de obtener la misma fluidez o aptitud para ser trabajado, a la primera composición se añade el 1,2% en peso de una mezcla química de superplastificante, mientras que a la segunda composición se añade el 3,2% en peso de la misma mezcla química de superplastificante (se añade más mezcla química de superplastificante a la segunda composición de manera que la segunda composición tiene la misma fluidez que la primera composición). Esto indica una reducción en la demanda de agua de la primera composición que contiene metacaolín secado por pulverización.
En segundo lugar se examina la resistencia a la compresión con el tiempo. Cada composición de mortero se forma en un cubo de 5 cm (2 pulgadas) y se prueba la resistencia a la compresión. Las resistencias a la compresión presentadas representan el promedio de dos cubos de ensayo (para cada composición a cada edad de ensayo). Cuando no están ensayándose, los cubos de mortero se almacenan en agua con cal. Los resultados se presentan en la tabla 1.
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TABLA 1 Resistencia a la compresión – MPa (psi)
1
En una realización, la cantidad de agua combinada con las composiciones basadas en cemento según la presente invención es aproximadamente el 5% menos de la requerida para obtener la misma fluidez en comparación con composiciones basadas en cemento convencionales tales como aquellas preparadas con puzolanas convencionales que incluyen metacaolín convencional (aparte del agua, las cantidades de otros componentes, tales como aditivos opcionales, son las mismas). En otra realización, la cantidad de agua combinada con las composiciones basadas en cemento según la presente invención es aproximadamente el 10% menos de la requerida para obtener la misma fluidez en comparación con composiciones basadas en cemento convencionales tales como aquellas preparadas con puzolanas convencionales que incluyen metacaolín convencional (aparte del agua, las cantidades de otros componentes, tales como aditivos opcionales, son las mismas). En todavía otra realización, la cantidad de agua combinada con las composiciones basadas en cemento según la presente invención es aproximadamente el 20% menos de la requerida para obtener la misma fluidez en comparación con composiciones basadas en cemento convencionales tales como aquellas preparadas con puzolanas convencionales que incluyen metacaolín convencional (aparte del agua, las cantidades de otros componentes, tales como aditivos opcionales, son las mismas). Esto es una mejora notable ya que una menor demanda de agua está asociada a un aumento en la densidad y a un aumento en la resistencia.
Las composiciones basadas en cemento convencionales (aquellas preparadas con puzolanas convencionales que incluyen metacaolín convencional) tienen una densidad aparente a granel de 240 kg/m^{3} (15 lb/ft^{3}) y una densidad aparente compactada de 449 kg/m^{3} (28 lb/ft^{3}). En una realización, la densidad aparente a granel de las composiciones basadas en cemento según la presente invención es al menos aproximadamente 400 kg/m^{3} (25 lb/ft^{3}) (según ASTM D716-86). En otra realización, la densidad aparente a granel de las composiciones basadas en cemento según la presente invención es al menos aproximadamente 481 kg/m^{3} (30 lb/ft^{3}) (según ASTM D716-86). En todavía otra realización, la densidad aparente a granel de las composiciones basadas en cemento según la presente invención es al menos aproximadamente 529 kg/m^{3} (33 lb/ft^{3}) (según ASTM D716-86).
En una realización, la densidad aparente compactada de las composiciones basadas en cemento según la presente invención es al menos aproximadamente 561 kg/m^{3} (35 lb/ft^{3}). En otra realización, la densidad aparente compactada de las composiciones basadas en cemento según la presente invención es al menos aproximadamente 641/m^{3} (40 lb/ft^{3}). En todavía otra realización, la densidad aparente compactada de las composiciones basadas en cemento según la presente invención es al menos aproximadamente 721 kg/m^{3} (45 lb/ft^{3}).
Las composiciones de mortero preparadas según la presente invención no sólo presentaron una aptitud para ser trabajadas superior, sino también una resistencia a la compresión superior. Es difícil mejorar simultáneamente tanto la aptitud para ser trabajadas como la resistencia a la compresión, sin embargo la presente invención proporciona composiciones basadas en cemento que presentan tanto aptitud para ser trabajadas como resistencia a la compresión mejoradas. La presente invención también proporciona composiciones basadas en cemento que tienen densidades aparentes relativamente altas (a granel y/o compactadas).
Aunque la invención se ha explicado en relación a sus realizaciones preferidas, debe entenderse que diversas modificaciones de las mismas serán evidentes para aquellos expertos en la materia al leer la memoria descriptiva. Por tanto, debe entenderse que la invención desvelada en este documento pretende cubrir tales modificaciones ya que se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (17)

1. Una composición basada en cemento que comprende al menos un material cementoso y metacaolín altamente reactivo, en la que el metacaolín altamente reactivo se caracteriza porque comprende perlas aglomeradas de micropartículas, teniendo las perlas aglomeradas una mediana del diámetro de al menos 10 micrómetros y teniendo las micropartículas una mediana del diámetro de 5 micrómetros o menor.
2. La composición basada en cemento según la reivindicación 1, en la que las micropartículas tienen una mediana del diámetro de 0,75 micrómetros o menor.
3. La composición basada en cemento según la reivindicación 1, en la que las perlas aglomeradas tienen una mediana del diámetro de al menos 15 micrómetros.
4. La composición basada en cemento según la reivindicación 1, en la que las perlas aglomeradas tienen una mediana del diámetro de al menos 20 micrómetros.
5. La composición basada en cemento según la reivindicación 1, en la que el metacaolín aglomerado se forma mediante secado por pulverización de una suspensión líquida de metacaolín.
6. La composición basada en cemento según la reivindicación 1, en la que el metacaolín aglomerado se forma mediante tratamiento térmico de caolín hidratado, combinación del caolín hidratado tratado térmicamente con agua formando una suspensión de metacaolín y secado por pulverización de la suspensión de metacaolín.
7. La composición basada en cemento según la reivindicación 6, en la que la suspensión comprende al menos el 40% en peso de metacaolín.
8. La composición basada en cemento según la reivindicación 5, en la que la suspensión comprende además un dispersante.
9. La composición basada en cemento según la reivindicación 8, en la que el dispersante comprende al menos uno de un dispersante basado en amoniaco, un dispersante basado en fosfato, un dispersante de sulfonato, un dispersante de ácido carboxílico y un dispersante polimérico.
10. La composición basada en cemento según la reivindicación 9, en la que el dispersante comprende un dispersante de poliacrilato.
11. La composición basada en cemento según la reivindicación 9, en la que la suspensión comprende el dispersante en una cantidad del 0,1% al 20% en peso de metacaolín.
12. La composición basada en cemento según la reivindicación 1, en la que el metacaolín aglomerado comprende un metacaolín mezclado a alto cizallamiento.
13. La composición basada en cemento según la reivindicación 1, que comprende del 50% al 99,5% del material cementoso y del 0,5% al 50% del metacaolín altamente reactivo.
14. La composición basada en cemento según la reivindicación 1, en la que el material cementoso comprende cemento Pórtland.
15. La composición basada en cemento según la reivindicación 8, que comprende del 50% al 99% en peso del material cementoso y del 1% al 50% en peso del metacaolín altamente reactivo, comprendiendo el metacaolín altamente reactivo del 80% al 99% del metacaolín aglomerado y del 1% al 20% del dispersante.
16. La composición basada en cemento según la reivindicación 1 que tiene una densidad aparente a granel de al menos 480 kg/m^{3} (30 lb/ft^{3}).
17. La composición basada en cemento según la reivindicación 1 que tiene una densidad aparente compactada de al menos 640 kg/m^{3} (40 lb/ft^{3}).
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