MX2011002977A - Composicion cementosa de peso ligero a base de ceniza volatil con elevada resistencia a la compresion y fraguado rapido. - Google Patents

Abstract

Se describe un método para obtener una composición cementosa de peso ligero de fraguado rápido con resistencia mejorada a la compresión, para productos tales como placas. El método mezcla ceniza volátil, sal de metal alcalino de ácido cítrico y agregado de peso ligero con agua. También se describen composiciones que incluyen ceniza volátil, sales de metales alcalinos de ácido cítrico y agregado de peso ligero.

Description

COMPOSICION CEMENTOSA DE PESO LIGERO A BASE DE CENIZA VOLATIL CON ELEVADA RESISTENCIA A LA COMPRESION Y FRAGUADO RAPIDO CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere generalmente a composiciones cementosas de fraguado rápido que se pueden usar para una variedad de aplicaciones en las que es deseable un endurecimiento rápido y el logro de una resistencia temprana. En particular, la invención se refiere a composiciones cementosas que se pueden usar para obtener placas con una excelente durabilidad frente a la humedad, para uso en localizaciones húmedas y secas en edificios. Los productos de hormigón premoldeados , tales como placas de cemento, se obtienen en condiciones que proporcionan un fraguado rápido de la mezcla cementosa, de forma que las placas se pueden manipular pronto después de que la mezcla cementosa se vierte en forma estacionaria o móvil o sobre una cinta que se mueve continuamente. Idealmente, este fraguado de la mezcla de cemento se puede lograr tan pronto como alrededor de 20 minutos, preferiblemente tan pronto como 10 a 13 minutos, más preferiblemente tan pronto como 4 a 6 minutos, después de mezclar la mezcla de cemento con una cantidad adecuada de agua.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La patente U.S. 6,869,474 de Pérez-Pena et al., incorporada aquí como referencia, trata sobre el fraguado REF: 218868 extremadamente rápido de composiciones cementosas para producir productos a base de cemento, tales como placas de cemento, obtenidos añadiendo una alcanolamina a cemento hidráulico, tal como cemento Portland, y formando una suspensión con agua en condiciones que proporcionan una temperatura inicial de la suspensión de al menos 90 °F (32 °C) . Se pueden incluir materiales reactivos adicionales, tales como cemento con alto contenido de alúmina, sulfato de calcio y un material puzolánico, tal como ceniza volátil. El fraguado extremadamente rápido permite la producción rápida de productos cementosos. Se ha encontrado que las adiciones de trietanolamina son un acelerador muy poderoso capaz de producir formulaciones con tiempos de fraguado finales relativamente cortos, con niveles incrementados de ceniza volátil y yeso, y sin necesidad de cementos de aluminato de calcio. Sin embargo, las formulaciones con trietanolamina también tienen una resistencia a la compresión a edad temprana relativamente más baja en comparación con formulaciones de placas de cemento que contienen los cementos de aluminato de calcio.

La Solicitud de Patente US No. 11/758.947, presentada el 6 de junio de 2007 de Perez-Pena et al., en trámite junto con la presente e incorporada aquí como referencia, trata sobre el fraguado extremadamente rápido de composiciones cementosas con resistencia a la compresión de edad temprana para producir productos a base de cemento tales como placas de cemento logradas añadiendo una alcalonamina y un fosfato a un cemento hidráulico, tal como cemento Portland, y formando una suspensión con agua en condiciones que proporcionan una temperatura inicial de la suspensión de al menos 32°C (90°F) . Se pueden incluir materiales reactivos adicionales, tales como cemento con contenido elevado de alúmina, sulfato de calcio, y un material puzolánico, tal como ceniza volátil. Nuevamente, todas las composiciones contenían una cantidad significativa de cemento hidráulico y yeso.

La patente US 4,488,909 de Galer et al., incorporada aquí como referencia, explica composiciones cementosas capaces de fraguar rápidamente. Las composiciones permiten la producción a alta velocidad de placas de cemento resistentes al dióxido de carbono formando esencialmente toda la etringita potencial en alrededor de 20 minutos después de que la composición se mezcla con agua. Los componentes esenciales de la composición cementosa son cemento Portland, cemento con contenido elevado de alúmina, sulfato de calcio y cal. Los materiales puzolánicos tales como ceniza volátil, arcilla montmorillonítica, tierra de diatomeas y piedra pómez se pueden añadir en una cantidad hasta alrededor de 25%. La composición de cemento incluye alrededor de 14 a 21% en peso de cemento con contenido elevado de alúmina, que, en combinación con los otros componentes, hace posible la formación temprana de etringita y otros hidratos de aluminato de calcio responsables del fraguado temprano de la mezcla cementosa. En su invención, Galer et al. proporcionaron aluminatos usando cemento con contenido elevado de alúmina (HAC) e iones sulfato usando yeso para formar etringita y lograr un fraguado rápido de su mezcla cementosa.

La etringita es un compuesto de sulfato de calcio y aluminio que tiene la fórmula Ca6Al2 (S0 ) 3·32 H20, o, como alternativa, 3 CaO*Al203*3 CaS04«32 H20. La etringita forma cristales similares a agujas largas, y proporciona una resistencia temprana rápida a paneles de cemento, de forma que se pueden manipular prontamente después de ser vertidos en un molde o sobre una cinta de moldeo y conformadora continua.

En general, la formulación de fraguado rápido de Galer et al. sufre varias limitaciones. Estas limitaciones, como se destacan más abajo, son incluso más una preocupación para la producción de productos cementosos tales como placas de cemento .

La patente US n° 5,536,310 de Brook et al. describe una composición cementosa que contiene 10-30 partes en peso (pbw por sus siglas en inglés) de un cemento hidráulico, tal como cemento Portland, 50-80 pbw de ceniza volátil, y 0.5-8.0 pbw, expresado como un ácido libre, de una ácido carboxílico tal como ácido cítrico o sus sales de metales alcalinos, por ejemplo citrato tripotásico o citrato trisódico, con otros aditivos convencionales, incluyendo aditivos retardantes tales como ácido bórico o bórax, que se usan para acelerar la reacción y el tiempo de fraguado de la composición para superar las desventajas descritas de usar un contenido elevado de cenizas volátiles en composiciones de cemento.

La patente US n° 5, 536,458 de Brook et al. describe una composición cementosa que contiene un cemento hidráulico tal como cemento Portland, 70-80 partes en peso de ceniza volátil, y 0.5-8.0 pbw de un ácido carboxílico libre, tal como ácido cítrico o sus sales de metales alcalinos, por ejemplo, citrato potásico o citrato de sódico, con otros aditivos convencionales, incluyendo aditivos retardantes tales como ácido bórico o bórax, que se usan para acelerar la reacción y el tiempo de fraguado de la composición para superar las desventajas conocidas de usar un contenido elevado de ceniza volátil en composiciones de cemento.

La patente US n° 4,494,990 de Harris describe una mezcla cementosa de cemento Portland, por ejemplo 25-60 pbw, ceniza volátil, por ejemplo 3-50 pbw y menos de 1 pbw de citrato de sodio.

La patente US n° 6,827,776 de Boggs et al. describe una composición de cemento hidráulico que comprende cemento Portland, ceniza volátil, que tiene un tiempo de fraguado controlado por el pH de una suspensión activante de un ácido, preferiblemente ácido cítrico, y una base, que puede ser un hidróxido o sal de metal alcalino o alcalino-térreo del componente ácido.

El documento US 5,490,889 de Kirkpatrick et al. describe un cemento hidráulico amasado que consiste en agua, ceniza volátil (50.33-83.63 pbw) , cemento Portland, sílice triturada, ácido bórico, bórax, ácido cítrico (0.04-2.85 pbw) y un activador de tipo metal alcalino, por ejemplo hidróxido de litio (LiOH) o hidróxido de potasio.

La patente US No. 5,997,632 de Styron describe una composición de cemento hidráulico que contiene 88-98% en peso de ceniza volátil, 1-10% cemento Portland, y de alrededor de 0.1-4.0% en peso de ácido cítrico. Para lograr un contenido deseable mínimo de cal de 21%, se proporciona cal mediante la ceniza volátil sub-bituminosa o la ceniza volátil sub-bituminosa en combinación con un agente beneficioso. Además del ácido cítrico, Styron usa una fuente de álcali tal como hidróxico potásio o sódico.

Los tiempos finales de fraguado de las mezclas cementosas de los productos de la técnica anterior son típicamente mayores de 9 minutos, y se pueden prolongar hasta 2-3 horas para productos de hormigón estándar. El tiempo final de fraguado se define normalmente como el tiempo en el que las mezclas cementosas fraguan en un grado tal que los productos de hormigón obtenidos de ellas se pueden manipular y apilar, aunque las reacciones químicas pueden continuar durante períodos prolongados .

La cantidad de cemento con alto contenido de alúmina (también conocido como cemento de aluminato de calcio) en la mezcla en polvo reactiva en los productos de hormigón de la técnica anterior es también muy elevada. Típicamente, el cemento con alto contenido de alúmina es mayor que 14% en peso de la mezcla en polvo reactiva.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Es un objeto de la presente invención proporcionar un método para obtener una suspensión cementosa de fraguado rápido .

Es otro objeto de la presente invención proporcionar composiciones cementosas de peso ligero con una resistencia a la compresión temprana y final potenciada. Las composiciones cementosas contienen citrato potásico, citrado de sodio, o sus mezclas .

La presente invención incluye un método para proporcionar una mezcla cementsa de peso ligero que tiene un fraguado rápido, una resistencia mejorada a la compresión, y una durabilidad frente al agua, que comprende: mezclar a temperatura ambiente o por encima de ella agua, polvo reactivo, una cantidad aceleradora del fraguado de una sal de metal alcalino de ácido cítrico, y un agregado de peso ligero, en el que la relación de agua a sólidos de polvo reactivo es alrededor de 0.17 a 0.35:1.0, y más preferiblemente alrededor de 0.20 a 0.23:1.0, comprendiendo el polvo reactivo 75 a 100% en peso de ceniza volátil, 0 a 25% en peso de cemento hidráulico y yeso.

Preferiblemente, el polvo reactivo no tiene cemento hidráulico ni yeso (sulfato de calcio hidratado) .

Este polvo reactivo cementoso incluye al menos ceniza volátil, y también puede incluir cemento hidráulico, por ejemplo cemento Portland o cemento de aluminato de calcio (CAC) (también denominado habitualmente como cemento aluminoso o cemento con alto contenido de alúmina) , sulfato de calcio, y un aditivo mineral que no es ceniza volátil.

Hasta 25% en peso de la mezcla de polvo reactivo cementoso de la composición cementosa puede ser aditivos minerales que no contienen ceniza volátil, que poseen propiedad de cementación sustanciales, pocas propiedades de cementación, o ninguna.

El polvo reactivo cementoso contiene generalmente alrededor de 10 a 40% en peso de cal, y más típicamente 20 a 30% en peso de cal. Sin embargo, la adición de cal no es necesaria para obtener un fraguado rápido si los ingredientes del polvo reactivo ya contienen suficiente cal. Por ejemplo, la ceniza volátil de Tipo C contiene generalmente cal. De este modo, la mezcla de polvo reactivo de la composición cementosa está típicamente libre de cal añadida de forma externa.

Típicamente, la suspensión tiene una temperatura inicial desde la temperatura ambiente hasta alrededor de 24 °C hasta alrededor de 38°-46°C (100°F-115°F) .

El tiempo final de fraguado (es decir, el tiempo después del cual las placas cementosas se pueden manipular) de la composición cementosa, según se mide de acuerdo con la aguja de Gilmore, debería ser al menos 20 minutos, preferiblemente 10 a 13 minutos o menos, más preferiblemente alrededor de 4 a 6 minutos, después de mezclarla con una cantidad adecuada de agua. Un tiempo de fraguado más corto y una resistencia a la compresión de edad temprana más elevada ayudan a incrementar el rendimiento de la producción y reducen el costo de la fabricación del producto.

Las composiciones cementosas de fraguado muy rápido de esta invención se pueden usar para una variedad de aplicaciones en las que es deseable un endurecimiento rápido y el logro de una resistencia temprana. El uso de la sal de metal alcalino de ácido cítrico, tal como citrato potásico y/o citrato sódico para acelerar el fraguado de la composición cementosa, cuando la suspensión se forma a temperaturas elevadas, hace posible incrementar la velocidad de producción de los productos cementosos, tales como placas de cemento.

La dosis de citrato de metal alcalino en la suspensión está preferiblemente en el intervalo de alrededor de 1.5 a 6% en peso, preferiblemente alrededor de 1.5 a 4.0% en peso, más preferiblemente alrededor de 2 a 3.5% en peso, y lo más preferible alrededor de 3.5 en peso, basada en los componentes reactivos cementosos de la invención. Se prefieren los citratos de potasio o citratos de sodio. Como se menciona anteriormente, estos porcentajes en peso se basan en 100 partes en peso de los componentes reactivos (polvo reactivo cementoso). De este modo, por ejemplo, para 45.35 kg. (100 libras) de polvo reactivo cementoso, puede haber alrededor de 0.68 a 1.81 kg. (1.5 a 4.0 libras) totales de citratos de potasio y/o de sodio.

Un polvo reactivo cementoso típico de esta invención comprende 75 a 100% en peso de ceniza volátil y 0 a 25% en peso de cemento hidráulico, tal como cemento Portland, o yeso. Típicamente, al menos la mitad de la ceniza volátil es ceniza volátil de Tipo C.

Otro polvo reactivo cementoso típico incluye 75 a 100% en peso de ceniza volátil, cero a 20% en peso de cemento de aluminato de calcio, cero a 7% en peso de sulfato de calcio basado en el peso del polvo reactivo, nada de yeso y nada de cemento hidráulico distinto del cemento de aluminato de calcio.

Existe una interacción sinérgica entre el citrato de metal alcalino y la ceniza volátil. La adición de la sal de metal alcalino tiene los beneficios de lograr incrementar la resistencia a la compresión temprana y a largo plazo para composiciones que contienen cantidades elevadas de ceniza volátil en comparación con composiciones comparables que usan aceleradores como cementos de aluminato de calcio, trietanolamina, o los hidróxicos de metales alcalinos corrosivos .

Además, la adición de los citratos de metal alcalino mejora la fluidez de la mezcla, contrariamente a los otros aceleradores tales como sulfato de aluminio, que pueden conducir a una rigidez prematura de las mezclas de hormigón.

También pueden estar presentes otros aditivos, por ejemplo agregados inertes, que no son considerados polvo reactivo cementoso, pero son parte de la composición cementosa global. Tales otros aditivos incluyen uno o más de arena, agregado, cargas de peso ligero, agentes que reducen el agua, tales como superplastificantes , agentes que aceleran el fraguado, agentes de retardan el fraguado, agentes que arrastran aire, agentes espumantes, agentes para el control del arrugamiento, agentes modificadores de la viscosidad de la suspensión (espesantes) , agentes colorantes y agentes de curado interno, y se pueden incluir según se desee, dependiendo de la capacidad del proceso y la aplicación de la composición cementosa de la invención.

Las composiciones cementosas de peso ligero de la presente invención se pueden usar para obtener productos para edificios de hormigón premoldeados , tales como placas cementosas, con una excelente durabilidad frente a la humedad, para uso en localizaciones húmedas y secas en edificios. Los productos de hormigón premoldeados, tales como placas de cemento, se obtienen en condiciones que proporcionan un fraguado rápido de la mezcla cementosa, de manera que las placas se pueden manipular prontamente después de que la mezcla cementosa se vierte en forma estacionaria o móvil o sobre una cinta que se mueve continuamente.

Las composiciones cementosas de peso ligero se pueden usar en cualquier aplicación de productos de hormigón, incluyendo paneles de hormigón, soladura, revestimientos, acabados, impermeabilización, así como mezclas para parches para carreteras de hormigón. Los productos de hormigón obtenidos con las composiciones de peso ligero de esta invención tienen ventajas particulares para un uso que requiera durabilidad frente al agua, en comparación con composiciones que contienen yeso y aplicaciones que requieren una resistencia a la compresión mayor que el cemento que contiene composiciones que tienen una mayor huella de carbono.

Todos los porcentajes, relaciones y proporciones aquí son en peso, excepto que se especifique de otro modo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La FIG. 1 es una gráfica de los resultados del Ejemplo 1 que muestra el efecto del incremento de citratos de sodio sobre la velocidad de elevación de temperatura para mezclas con bórax, ácido bórico y ácido cítrico.

La FIG. 2 es una gráfica de los resultados del Ejemplo 1 que muestra el efecto del incremento de citrato de sodio sobre la elevación de temperatura para mezclas con ácido bórico y ácido cítrico.

La FIG. 3 es una gráfica de los resultados del Ejemplo 2 que muestra el efecto del incremento de hidróxido de potasio sobre la elevación de temperatura para mezclas con ácido cítrico y citrato de sodio.

La FIG. 4 es una gráfica de los resultados del Ejemplo 4 que muestra la elevación de temperatura para mezclas con citrato potásico sin hidróxido potásico.

La FIG. 5 es una gráfica de los resultados del Ejemplo 5 que muestra la elevación de temperatura para mezclas que incluyen citrato potásico o citrato sódico mezclado con agua a temperatura ambiente .

La FIG. 6 es una gráfica de los resultados del Ejemplo 8 que muestra la elevación de temperatura para mezclas que contienen diversas relaciones de ceniza volátil y cemento Portland de tipo III usando una relación e peso de agua a cemento de 0.30:1.

La FIG. 7 es una gráfica de los resultados del Ejemplo 9 que muestra el efecto de la elevación de temperatura para las mezclas 1-4 en este ejemplo con diversas relaciones de agua a ceniza volátil sin cemento Portland.

La FIG. 8 es una gráfica de los resultados del Ejemplo 9 que muestra la elevación de temperatura para las mezclas 3, 5, 6 y 7 para mezclas con diversas relaciones de ceniza volátil y cemento Portland de tipo III con citrato a una relación en peso de agua a peso combinado de ceniza volátil y cemento Portland de 0.20:1.

La FIG. 9 es una gráfica de los resultados de la mezclas del Ejemplo 10 con diversas dosis de citrato potásico usando solo ceniza volátil sin cemento Portland, y muestra que la adición de citrato potásico incrementa significativamente la velocidad de elevación de temperatura de las mezclas a base de ceniza volátil.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención incluye un método para proporcionar una mezcla cementosa de peso ligero que tiene una resistencia a la compresión y una durabilidad frente al agua mejoradas, que comprende: mezclar agua, polvo reactivo, una sal de metal alcalino de ácido cítrico, y agregado de peso ligero, en el que la relación de agua a sólidos de polvo reactivo el alrededor de 0.17 a 0.35:1.0, típicamente alrededor de 0.17 a 0.30:1.0, más preferiblemente alrededor de 0.2 a 0.23:1.0. El polvo reactivo comprende a 75 a 100% en peso de ceniza volátil y 0 a 25% en peso de cemento hidráulico, y/o yeso. Típicamente, la presente invención mezcla el polvo reactivo cementos, incluyendo ceniza volátil, con citratos de potasio y/o citratos de sodio y agua a una temperatura inicial de la suspensión de al menos la temperatura ambiente a 115°F (24°C a 41°C) , para producir un fraguado rápido de preferiblemente menos de 10 a 13 minutos, más preferiblemente alrededor de 4 a 6 minutos o menos .

La presente invención también proporciona composiciones cementosas con un comportamiento mejorado del fraguado final rápido y una resistencia mejorada a la compresión temprana.

Los ingredientes típicos se dan en la siguiente TABLA A.

TABLA A Ingrediente General Preferido Más preferido partes en peso partes en partes en peso peso base seca por base seca base seca por 100 partes de por 100 100 partes de polvo reactivo partes de polvo polvo reactivo reactivo Polvo Reactivo 100 partes 100 partes 100 partes Ceniza volátil 75 a 100 88.5 a 100 Cemento Portland menos de 5 alrededor de 0 Cemento de aluminato menos de 5 alrededor de calcio de 0 Sulfato de calcio menos de 2 alrededor de 0 Yeso menos de 2 alrededor de 0 Aditivo mineral que menos de 25 menos de 25 no es ceniza volátil TABLA A Ingrediente General Preferido Más preferido cal añadida opcional* nada sal de metal 1.5 a 6 1.5 a 4 2 a 3.5 alcalino de ácido cítrico agregado de peso 1-200 2-125 ligero aditivo mineral que menos de 25 menos de no es ceniza volátil 11.5 retardante del fraguado agente de arrastre 0.01 a 1 del aire acelerador del menos de 1 menos de menos de 0.1 fraguado orgánico 0.25 secundario superplastificante 2 máx. 0.1 a 1 agentes de control 1 máx. de1 arrugamiento, agentes colorantes, agentes modificadores de la viscosidad (espesantes) y agentes de curado interno * la cal añadida no es necesaria si los ingredientes del polvo reactivo ya contienen suficiente cal.

Generalmente, la relación en peso de agua a polvo reactivo cementoso es alrededor de 0.15-0.3:1.0. Los agregados de peso ligero inertes no son parte del polvo reactivo cementoso .

Aunque no se desea estar limitado a una teoría particular, se teoriza que el incremento de la resistencia de edad temprana y a la compresión se logra con fraguados rápidos proporcionando el polvo reactivo cementoso, con un contenido mineral de ceniza volátil elevado de 75 a 100% en peso y preferiblemente sin cemento Portland o cemento de aluminato de calcio o yeso, y mezclando el polvo reactivo cementoso, citrato de metal alcalino y agua para formar una suspensión a temperaturas elevadas por encima de 20 °C, de manera que pueda tener lugar la formación de hidratos de aluminosilicato alcalino y/o hidratos de aluminosilicato y/o compuestos de aluminosilicato de calcio presentes en la ceniza volátil como resultado de la hidratación de esta mezcla de polvo reactivo con el citrato de metal alcalino.

De este modo, se proporciona una cantidad adecuada de agua para hidratar el polvo reactivo cementoso y formar rápidamente hidratos de aluminosilicato alcalino y otros hidratos presentes en la ceniza volátil. Generalmente, la cantidad de agua añadida será mayor que la teóricamente requerida para la hidratación del polvo reactivo cementoso. Este contenido incrementado de agua facilita la trabaj abilidad de la suspensión cementosa. Típicamente, en la suspensión, la relación en peso de agua a la mezcla de polvo reactivo es alrededor de 0.20 a 0.35:1, más típicamente alrededor de 0.20 a 0.30:1, preferiblemente alrededor de 0.20 a 0.23:1. La cantidad de agua depende de las necesidades de los materiales individuales presentes en la composición cementosa.

Los hidratos de aluminosilicato alcalino y/u otros hidratos de aluminosilicato y/o compuestos de aluminosilicato de calcio se forman muy rápidamente en el proceso de hidratación, impartiendo así un fraguado rápido y una rigidez a las mezclas obtenidas con la mezcla de polvo reactivo cementoso de la composición cementosa de la invención. Al fabricar productos a base de cemento tales como placas de cemento, principalmente es la formación de hidratos de aluminosilicato alcalino y/u otros hidratos de aluminosilicato y/o compuestos de aluminosilicato de calcio lo que hace posible la manipulación de las placas de cemento en unos pocos minutos después de que la composición cementosa de la invención se mezcla con una cantidad adecuada de agua.

El fraguado de la composición se caracteriza por tiempos de fraguado inicial y final, como se mide usando agujas de Gilmore especificadas en el procedimiento de ensayo ASTM C266. El tiempo final de fraguado también corresponde al * tiempo cuando un producto de hormigón, por ejemplo un panel de hormigón, se ha endurecido suficientemente de forma que se puede manipular o recorrer, en el caso de un suelo o carretera de hormigón. La resistencia a la compresión de edad temprana (3 a 5 horas) relativamente más elevada puede ser una ventaja para el material de hormigón, debido a que puede soportar mayores esfuerzos sin deformación. Los expertos en la técnica entenderán que las reacciones de curado continúan durante períodos prolongados después de que se ha alcanzado el tiempo de fraguado final.

La resistencia de edad temprana de la composición se caracteriza midiendo la resistencia a la compresión después de 3 a 5 horas de curado, como se especifica en ASTM C109. El logro de una resistencia temprana elevada permite una facilidad de manipulación de los paneles apilados.

Polvo reactivo cementoso El polvo reactivo cementoso contiene ceniza volátil y adicionalmente aditivos minerales que no son ceniza volátil, cemento hidráulico y opcionalmente yeso. El polvo reactivo cementoso contiene típicamente 75 a 100% de ceniza volátil y 0 a 25% en peso de un miembro seleccionado del grupo que consiste en cemento hidráulico, yeso y aditivos minerales que no son ceniza volátil. El polvo reactivo cementoso contiene preferiblemente 88.5-100% en peso de ceniza volátil. El polvo reactivo cementoso contiene más preferiblemente 88.5-100% en peso de ceniza volátil y nada de cemento hidráulico ni yeso.

Preferiblemente, el polvo reactivo cementoso tiene 10 a 40% en peso de cal. Sin embargo, esta cal generalmente no es cal añadida. En su lugar, está incluida en otro ingrediente del polvo reactivo cementoso, por ejemplo la ceniza volátil.

El ingrediente principal del polvo reactivo cementoso de la composición cementosa de la invención es un aditivo mineral de ceniza volátil, preferiblemente ceniza volátil de Tipo C. La ceniza volátil se describe más abajo en la sección titulada "Ceniza volátil y aditivos minerales que no son ceniza volátil" .

Además de la ceniza volátil, el polvo reactivo cementoso puede incluir 0 a 25% en peso de aditivos cementosos opcionales, tales como cemento Portland, cemento de aluminato de calcio, sulfato de calcio o yeso (yeso finamente triturado) . Sin embargo, las composiciones cementosas de la invención con un menor contenido de agua, es decir, las composiciones cementosas con una relación en peso de agua a polvo reactivo de alrededor de 0.17 a 0.35:1.0, con estos aditivos cementosos opcionales, tienen una resistencia a la compresión significativamente reducida en comparación con las mismas composiciones de la invención con menor contenido de agua sin los aditivos cementosos adicionales.

Por ejemplo, en algunas mezclas de polvo reactivo cementoso, cuando no se requiere una resistencia a la compresión o cuando se van a usar relaciones más elevadas de agua a polvo reactivo, por ejemplo a relaciones por encima de alrededor de 0.35:1.0, se puede usar cemento Portland a alrededor de 0 a 25% en peso y ceniza volátil a 75 a 100% en peso .

Ceniza volátil y aditivos minerales que no son ceniza volátil El cemento hidráulico de las composiciones de polvo reactivo tradicionales se sustituye sustancialmente por ceniza volátil que tiene propiedades puzolánicas, particularmente ceniza volátil Clase C, junto con otros aditivos minerales opcionales que no son ceniza volátil, que poseen importantes, pocas, o ninguna propiedad de cementación. Los aditivos minerales que no son ceniza volátil, que tienen propiedades puzolánicas, son particularmente preferidos en el polvo reactivo cementoso de la invención.

ASTM C618-97 define materiales puzolánicos como "materiales silíceos o silíceos y aluminosos que en sí mismos poseen poco o ningún valor cementoso, pero reaccionarán químicamente en forma finamente dividida y en presencia de humedad, con hidróxido de calcio a temperaturas normales para formar compuestos que poseen propiedades cementosas" . Se han preferido diversos materiales naturales y hechos por el hombre como materiales puzolánicos que poseen propiedades puzolánicas. Algunos ejemplos de materiales puzolánicos incluyen piedra pómez, perlita, tierra de diatomeas, microsílice, toba, tierra de trass, cáscara de arroz, metacaolín, escoria granulada molida de alto horno, y ceniza volátil.

Todos estos materiales puzolánicos se pueden usar de forma individual o en forma combinada como parte del polvo reactivo cementoso de la invención.

La ceniza volátil es el material puzolánico preferido en la mezcla de polvo reactivo cementoso de la invención. Se prefieren cenizas volátiles que tienen un contenido elevado de óxido de calcio y aluminato de calcio (tales como cenizas volátiles de Clase C del estándar AS M C618) , como se explica más abajo. También se pueden incluir como aditivos minerales otros aditivos minerales tales como carbonato de calcio, vermiculita, arcillas, y mica machacada.

La ceniza volátil es un subproducto en forma de polvo fino formado de la combustión de carbón. Las calderas radiantes de las plantas de energía eléctrica que queman carbón pulverizado producen la mayoría de las cenizas volátiles comercialmente disponibles. Estas cenizas volátiles consisten principalmente en partículas esféricas vitreas, así como restos de hematita y magnetita, residuo de carbón, y algunas fases cristalinas formadas durante el enfriamiento. La estructura, composición y propiedades de las partículas de las cenizas volátiles dependen de la estructura y composición del carbón y de los procesos de combustión mediante los cuales se forma la ceniza volátil. El estándar ASTM C618 reconoce dos clases importantes de cenizas volátiles para uso en hormigón -Clase C y Clase F. Estas dos clases de cenizas volátiles derivan generalmente de diferentes tipos de carbones que son el resultado de las diferencias en los procesos de formación del carbón que se producen durante períodos de tiempo geológicos. La ceniza volátil de Clase F se produce normalmente quemando antracita o carbón bituminoso, mientras que la ceniza volátil de Clase C se produce normalmente de lignita o carbón sub-bituminoso .

El estándar ASTM C618 diferencia a las cenizas volátiles de Clase F y Clase C principalmente según sus propiedades puzolánicas . En consecuencia, en el estándar de ASTM C618, la principal diferencia de especificaciones entre la ceniza volátil de Clase F y la ceniza volátil de Clase C es el límite mínimo de Si02 + A1203 + Fe203 en la composición. El límite mínimo de Si02+ Al203+ Fe203 para la ceniza volátil de Clase F es 70% y para ceniza volátil de Clase C es 50%. De este modo, las cenizas volátiles de Clase F son más puzolánicas que las cenizas volátiles de Clase C. Aunque no se reconoce explícitamente en el estándar de ASTM C618, las cenizas volátiles de Clase C tienen típicamente un contenido elevado de óxido de calcio (cal) .

La ceniza volátil de Clase C tiene habitualmente propiedades cementosas, además de propiedades puzolánicas, debido a la cal (óxido de calcio) libre, mientras que la Clase F es raramente cementosa cuando se mezcla con agua sola. La presencia de un contenido elevado de óxido de calcio hace que las cenizas volátiles de Clase C posean propiedades cementosas que conducen a la formación de hidratos de silicato de calcio y de aluminato de calcio cuando se mezclan con agua. Como se observará en los ejemplos más abajo, se ha encontrado que la ceniza de Clase C proporciona resultados superiores, particularmente en las formulaciones preferidas en las que no se usan cemento de aluminato de calcio ni yeso.

Típicamente, al menos 50% en peso de la ceniza volátil en el polvo reactivo cementoso es ceniza volátil de Tipo C. Más típicamente, al menos 75% en peso del polvo reactivo cementoso es ceniza volátil de Tipo C. Aún más preferiblemente, al menos 88.5% en peso del polvo reactivo cementoso es ceniza volátil de Tipo C.

Los minerales típicos encontrados en la ceniza volátil son cuarzo (Si02) , mullita (Al2Si20i3) , gehlenita (Ca2Al2Si07) , hematita (Fe203) , magnetita (Fe304) , entre otros. Además, también se encuentran en la ceniza volátil minerales polimorfos de silicato de aluminio encontrados habitualmente en rocas tales como silimanita, cianita y andalusita, los tres representados por la fórmula molecular de Al2Si05.

Una ceniza volátil de Clase C adecuada típica obtenida a partir de carbón sub-bituminoso tiene la siguiente composición dada en la Tabla B.

TABLA B Componente Proporción (% en peso) Si02 20-40 A1202 10-30 Fe203 3-10 MgO 0.5-8 S03 1-8 C 0.5-2 H20 0.33-3 CaO 25-35 K20 0.5-4 Na20 0.5-6 La finura de la ceniza volátil es tal que típicamente se retiene menos de alrededor de 34% en un tamiz de malla 325 (Serie U.S.) según se ensaya en el Procedimiento de Ensayo ASTM C-311 ("Procedimientos de Toma de Muestras y de Ensayo para Ceniza Volátil como Mezcla Mineral para Hormigón de Cemento Portland" ) . Esta ceniza volátil está preferiblemente recubierta, y se usa seca debido a su naturaleza de autofraguado .

Cemento hidráulico La ceniza volátil constituye sustancialmente todo el material cementoso del polvo reactivo de la invención. En algunos casos, el polvo reactivo también puede incluir aditivos cementosos opcionales, tales como cementos hidráulicos, o se puede añadir yeso. Sin embargo, estos aditivos cementosos opcionales no son preferidos, puesto que reducen la resistencia a la compresión última de las composiciones agregadas de peso ligero de la invención.

Los cementos hidráulicos son materiales que fraguan y se endurecen después de ser combinados con agua, como resultado de reacciones químicas con el agua de mezclamiento, y que, tras endurecer, retienen la resistencia y estabilidad incluso bajo el agua. El cemento Portland es un cemento hidráulico típico. Se ha de entender que, como se usa aquí, "cemento hidráulico" no incluye yeso, que no gana resistencia bajo el agua, aunque típicamente se incluye algo de yeso en el cemento Portland. La especificación del estándar de ASTM C 150 para el cemento Portland define al cemento Portland como un cemento hidráulico producido pulverizando clínker que consiste esencialmente en silicatos de calcio hidráulicos, que contiene habitualmente una o más de las formas de sulfato de calcio como una adición entre la trituración.

Para fabricar cemento Portland, se quema una mezcla íntima de piedra caliza y arcilla en un horno para formar clínker de cemento Portland. Las siguientes cuatro fases principales del cemento Portland están presentes en el clínker - silicato tricálcico 3CaO-Si02, también denominado como C3S) , silicato dicálcico (2CaO-Si02, denominado C2S) , aluminato tricálcico (3CaO-Al203 o C3A) , y aluminoferrita tetracálcica (4CaO-Al203 · Fe203 o C4AF) . El clínker resultante que contiene los compuestos anteriores se tritura conjuntamente con sulfatos de calcio hasta la finura deseada, para producir el cemento Portland.

Los otros compuestos presentes en cantidades minoritarias en el cemento Portland incluyen sales dobles de sulfatos alcalinos, óxido de calcio, y óxido de magnesio. Cuando se van a obtener placas de cemento con cemento Portland, el cemento Portland estará típicamente en forma de partículas muy finas, de manera que la superficie específica de las partículas es mayor que 4,000 cm2/gramo, y típicamente entre 5,000 a 6,000 cm2/gramo, según se mide mediante el método de superficie específica de Blaine (ASTM C 204) . De las diversas clases reconocidas de cemento Portland, el cemento Portland de tipo III de ASTM es el más preferido en el polvo reactivo cementoso de las composiciones cementosas de la invención. Esto es debido a su reactividad relativamente más rápida y al desarrollo de una resistencia temprana elevada.

En la presente invención, se evita la necesidad de usar cemento hidráulico, como cemento Portland Tipo III, y se puede obtener un desarrollo de resistencia de edad temprana relativamente rápido usando sólo ceniza volátil en lugar de mezclas que contienen cemento Portland Tipo III. Otros tipos reconocidos de cementos que no son necesarios en la composición de la invención incluyen cemento Portland de Tipo I, u otros cementos hidráulicos, incluyendo cemento Portland de Tipo II, cemento blanco, cementos de escoria tales como cemento de escorias de alto horno, cementos mezclados puzolanos, cementos expansivos, cementos de sulfo-aluminato de calcio, y cementos de pozos de petróleo.

Cemento de aluminato de calcio El cemento de aluminato de calcio (CAC) es otro tipo de cemento hidráulico que puede formar un componente de la mezcla de polvo reactivo de algunas modalidades de la invención cuando no se requiere una mayor resistencia a la compresión con suspensiones con contenido bajo de agua que contienen cantidades sustanciales de ceniza volátil.

El cemento de aluminato de calcio (CAC) se denomina también habitualmente cemento aluminoso o cemento con contenido elevado de alúmina. Los cementos de aluminato de calcio tienen un contenido elevado de alúmina, típicamente alrededor de 36-42% en peso. También están disponibles comercialmente los cementos de aluminato de calcio de mayor pureza, en los que el contenido de alúmina puede oscilar hasta una cantidad tan alta como 80% en peso. Estos cementos de aluminato de calcio de mayor pureza tienden a ser muy caros con relación a otros cementos. Los cementos de aluminato de calcio usados en las composiciones de algunas modalidades de la invención se trituran finamente para facilitar la entrada de los aluminatos en la fase acuosa, de manera que pueda tener lugar la formación rápida de etringita u otros hidratos de aluminato de calcio. La superficie específica del cemento de aluminato de calcio que se puede usar en algunas modalidades de la composición de la invención será mayor que 3,000 cm2/gramo, y típicamente alrededor de 4,000 a 6,000 cm2/gramo, según se mide por el método de superficie específica de Blaine (ASTM C 204) .

Han surgido varios métodos de fabricación para producir a nivel mundial cemento de aluminato de calcio. Típicamente, las materias primas principales usadas en la fabricación del cemento de aluminato de calcio son bauxita y piedra caliza. Un método de fabricación que se ha usado en los Estados Unidos de América para producir cemento de aluminato de calcio se describe como sigue. El mineral de bauxita se machaca en primer lugar y se seca, y después se tritura junto con piedra caliza. El polvo seco que comprende bauxita y piedra caliza se alimenta entonces en un horno giratorio. Como combustible en el horno, se usa carbón pulverizado con bajo contenido de ceniza. La reacción entre la bauxita y la piedra caliza tiene lugar en el horno, y el producto fundido se recoge en el extremo inferior del horno y se vierte en una cubeta en la parte inferior. El clínker fundido se enfría con agua para formar granulados del clínker, que entonces son transportados a un apilamiento. Este granulado se tritura entonces hasta la finura deseada para producir el cemento final .

Durante el proceso de fabricación del cemento de aluminato de calcio, se forman varios compuestos de aluminato de calcio. El compuesto predominante formado es aluminato monocálcico (CaO-Al203/ también denominado como CA) . Los otros compuestos de aluminato de calcio y de silicato de calcio que se forman incluyen 12CaO · 7A1203 , también denominado como Ci2A7, CaO-2Al203 , también denominado como CA2, silicato dicálcico (2CaO-Si02, denominado C2S) , aluminosilicato dicálcico (2CaO-Al203 · Si02, denominado C2AS) . También se forman otros compuestos diversos que contienen una proporción relativamente elevada de óxidos de hierro. Estos incluyen ferritas calcicas tales como CaO-Fe203 o CF y 2CaO-Fe203 o C2F, y alumino-ferritas calcicas, tales como aluminoferrita tetracálcica (4CaO-Al203-Fe203 o C4AF) , 6CaO · Al203 · 2Fe203 o C6AF2) y 6CaO · 2A1203 · Fe203 o C6A2F) . Otros constituyentes minoritarios presentes en el cemento de aluminato de calcio incluyen magnesia (MgO) , titania (Ti02) , sulfatos y álcalis.

Sulfato de calcio En la invención se pueden usar diversas formas de sulfato de calcio como se muestran más abajo para proporcionar iones sulfato para formar etringita y otros compuestos de hidratos de sulfo-aluminato de calcio: Dihidrato - CaSC · 2H20 (conocido habitualmente como yeso o yeso finamente triturado) .

Hemihidrato - CaS0 -¾ H20 (conocido habitualmente como estuco o yeso de París o simplemente deshidratado) .

Anhidri o - CaS04 (también denominado como sulfato de calcio anhidro) .

El yeso natural finamente triturado es un yeso de una pureza relativamente baja, y se prefiere debido a consideraciones económicas, aunque se podrían usar grados de yeso de mayor pureza. El yeso finamente triturado está hecho de yeso sacado de cantera y triturado hasta partículas relativamente pequeñas, de manera que la superficie específica es mayor que 2,000 cm2/gramo, y típicamente alrededor de 4,000 a 6,000 cm2/gramo, según se mide por el método de superficie específica de Blaine (ASTM C 204) . Las partículas finas se disuelven fácilmente y suministran el yeso necesario para formar etringita.

En la presente invención, también se puede usar como un sulfato cálcico preferido, yeso sintético obtenido como un subproducto de diversas industrias de fabricación. En la presente invención, también se pueden usar las otras dos formas de sulfato de calcio, a saber, el hemihidrato y el anhidrito, en lugar de yeso, es decir, la forma dihidratada de sulfato de calcio.

Sales de metales alcalinos de ácido cítrico En la presente invención, el uso de sales de metales alcalinos de ácido cítrico, tales como citrato de sodio o de potasio, hace que las mezclas tengan una fluidez relativamente buena y que no se hagan rígidas demasiado rápidamente, es decir, que no se hagan rígidas más rápido de 5-10 minutos después de mezclar a temperaturas por encima de la temperatura ambiente, a la vez que logran una buena resistencia a la compresión de edad temprana.

La dosis de sal de metal alcalino de ácido cítrico, por ejemplo citrato de potasio o citrato de sodio, es alrededor de 1.5 a 6.0% en peso, preferiblemente alrededor de 1.5 a 4.0% en peso, más preferiblemente alrededor de 2.0 a 3.5% en peso, y lo más preferible alrededor de 3.5% en peso basado en 100 partes de los componentes reactivos cementosos de la invención. De este modo, por ejemplo, para 45.35 kg. (100 libras) de polvo reactivo cementoso, puede haber alrededor de 0.68 - 1.81 kg. (1.5 a 4.0) libras totales de citratos de potasio y/o de sodio. Los citratos de metales alcalinos preferidos son citratos de potasio y citratos de sodio, y particularmente citrato de tripotasio monohidratado y citrato de trisodio monohidratado .

Retardantes del fraguado El uso de retardantes del endurecimiento como componente en las composiciones de la invención es particularmente útil en situaciones en las que las temperaturas iniciales de la suspensión usadas para formar los productos a base de cemento son particularmente elevadas, típicamente mayores que 38 °C (100°F) . A tales temperaturas iniciales de la suspensión relativamente elevadas, los retardantes promueven la reacción física y química entre diferentes componentes reactivos en las composiciones, dando como resultado una respuesta de elevación de la temperatura de la suspensión favorable y un comportamiento de fraguado rápido. Sin la adición de los retardantes, se puede producir muy rápidamente el endurecimiento de la mezcla de polvo reactivo de la invención, poco después de que se añade agua a la mezcla. El endurecimiento rápido de la mezcla, también denominado como "falso endurecimiento", es indeseable, puesto que interfiere con la formación apropiada y completa de etringita, impide la formación normal de hidratos de silicato de calcio en etapas posteriores . y conduce al desarrollo de una microestructura extremadamente pobre y débil del mortero cementos endurecido.

La función principal de un retardante en la composición es evitar que la mezcla de la suspensión se endurezca demasiado rápidamente, promoviendo de ese modo la interacción física y reacción química sinérgicas entre los diferentes componentes reactivos . Otros beneficios secundarios derivados de la adición de retardante en la composición incluyen la reducción de la cantidad de superplastificante y/o agua requeridos para lograr una mezcla de la suspensión de consistencia trabajable. Todos los beneficios mencionados anteriormente se logran debido a la supresión del falso fraguado. Los ejemplos de retardantes del fraguado incluyen ácido bórico, bórax, ácido cítrico, tartrato de potasio, tartrato de sodio, y similares.

Además, puesto que los retardantes del fraguado evitan que la mezcla de la suspensión se endurezca demasiado rápidamente, su adición desempeña un papel importante y es instrumental en la formación de buenos bordes durante el proceso de fabricación de las placas de cemento. La relación en peso del retardante del endurecimiento a la mezcla de polvo reactivo cementoso es generalmente menor que 1.0% en peso, preferiblemente alrededor de 0.04-0.3% en peso.

En la presente invención, se ha encontrado que el uso de retardantes convencionales como ácido cítrico, ácido tartárico, ácido málico, ácido acético, ácido bórico, etc., se puede evitar con el uso de solo las sales de metales alcalinos de ácido cítrico, por ejemplo citrato de sodio o de potasio, y el uso de estos citratos de metales alcalinos, en ausencia de estos retardantes del fraguado convencionales, proporciona buena fluidez y evita que la suspensión de hormigón se endurezca demasiado rápidamente.

Aceleradores del fraguado inorgánicos secundarios Como se explica anteriormente, los citratos de metales alcalinos son principalmente responsables de proporcionar características de fraguado extremadamente rápido, así como una resistencia a la compresión a las mezclas cementosas. Sin embargo, en combinación con los citratos de metales alcalinos, se pueden añadir otros aceleradores del fraguado inorgánicos como aceleradores del fraguado inorgánicos secundarios en la composición cementosa de la invención.

Se espera que la adición de estos aceleradores del fraguado inorgánicos secundarios proporcione solo una pequeña reducción en el tiempo de fraguado, en comparación con la reducción lograda debido a la adición del citrato de metal alcalino. Los ejemplos de tales aceleradores del fraguado inorgánicos secundarios incluyen un carbonato de sodio, carbonato de potasio, nitrato de calcio, nitrito de calcio, formiato de calcio, acetato de calcio, cloruro de calcio, carbonato de litio, nitrato de litio, nitrito de litio, sulfato de aluminio, alcanolaminas , polifosfatos, hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, y similares. Se debería de evitar el uso de hidróxido de potasio, hidróxido de sodio y cloruro de calcio cuando la corrosión de los fijadores de las placas de cemento es un problema. Normalmente, los aceleradores del fraguado inorgánicos secundarios no son necesarios . El uso de aceleradores del fraguado secundarios no es necesario y no es parte de la composición preferida de la invención. Si se usan, la relación en peso del acelerador del fraguado inorgánico secundario a 100 partes en peso de la mezcla de polvo reactivo cementoso será típicamente menor que alrededor de 1.0% en peso, preferiblemente menor que alrededor de 0.25% en peso. Estos aceleradores del fraguado inorgánicos secundarios se pueden usar solos o en combinación.

Preferiblemente no se emplean carbonato de litio ni carbonato de potasio.

Otros aditivos e ingredientes químicos En las composiciones de la invención se pueden incluir aditivos químicos, tales como agentes reductores del agua (superplastificantes) . Se pueden añadir en forma seca o en forma de una disolución. Los superplastificantes ayudan a reducir la demanda de agua de la mezcla. Los ejemplos de superplastificantes incluyen polinaftalenosulfonatos , poliacrilatos , policarboxilatos , lignosulfonatos , melaninasulfonatos, y similares. Dependiendo del tipo de superplastificante usado, la relación en peso del superplastificante (en una base en polvo seco) a la mezcla de polvo reactivo será típicamente alrededor de 2% en peso o menos, preferiblemente alrededor de 0.1 a 1.0 % en peso.

Cuando se desee producir productos de peso ligero, tales como placas de cemento de peso ligero, se pueden añadir agentes de arrastre del aire (o agentes espumantes) en la composición, para hacer al producto más ligero.

Los agentes de arrastre del aire se añaden a la suspensión cementosa para formar burbujas de aire (espuma) in situ. Los agentes de arrastre del aire son típicamente tensioactivos usados para atrapar a propósito burbujas de aire microscópicas en el hormigón. Como alternativa, los agentes de arrastre del aire se emplean para producir externamente espuma, que se introduce en las mezclas de las composiciones de la invención durante la operación de mezclamiento para reducir la densidad del producto. Típicamente, para producir externamente espuma, se mezcla el agente de arrastre de aire (también conocido como un agente espumante líquido) , aire y agua para formar espuma en un aparato generador de espuma adecuado, y después la espuma se añade a la suspensión cementosa.

Los ejemplos de agentes de arrastre de aire/espumantes incluyen, entre otros, alquilsulfonatos , alquilbencenosulfonatos y oligómeros de alquil éter sulfato. Los detalles de la fórmula general para estos agentes espumantes se pueden encontrar en la patente US 5,643,510, incorporada aquí como referencia.

Se puede emplear un agente de arrastre de aire (agente espumante) de manera que se adecué a los estándar expuestos en ASTM C260 "Standard Specification for Air-Entraining Admixtures for Concrete" (1 de agosto, 2006) . Tales agentes de arrastre aire son bien conocidos por los expertos en la técnica, y se describen en Kosmatka et al. "Design and Control of Concrete Mixtures", decimocuarta edición, Portland Cernent Association, específicamente el capítulo 8, titulado "Air Entrained Concrete", (citado en la Publicación de Solicitud de Patente US n° 2007/0079733 Al) . Los materiales de arrastre de aire comercialmente disponibles incluyen resinas de madera Vinsol, hidrocarburos sulfonados, ácidos grasos y resinosos, arilsulfonatos sustituidos alifáticos, tales como sales de lignina sulfonadas y otros numerosos materiales interfacialmente activos que toman normalmente la forma de agentes tensioactivos aniónicos o no iónicos, abietato sódico, ácidos grasos saturados o insaturados y sus sales, ténsidos, alquil-aril-sulfonatos, etoxilatos de fenol, lignosulfonatos , jabones de resinas, hidroxiestearato de sodio, laurilsulfato, ABS (alquilbencenosulfonatos) , LAS (alquilbencenosulfonatos lineales), alcanosulfonatos , polioxietilen alquil ( fenil) éteres , esteres de polioxietilen alquil (fenil) éter sulfato o sus sales, ésteres de polioxietilen alquil ( fenil) éter fosfato o sus sales, materiales proteicos, alquenilsulfosuccinatos , alfa-olefinsulfonatos, una sal sódica de alfa-olefinsulfonato, o laurilsulfato de sodio o laurilsulfonato de sodio, y sus mezclas.

Típicamente, el agente de arrastre aire (espumante) es alrededor de 0.01 a 1% en peso del peso de la composición cementosa global .

Si se desea, en las composiciones de la invención también se pueden añadir otras mezclas químicas, tales como agentes de control del arrugamiento, agentes colorantes, agentes modificadores de la viscosidad (espesantes) y agentes del curado interno .

Tej idos También se pueden incluir en las composiciones cementosas de la invención fibras reforzantes discretas de diferentes tipos. Se pueden usar tejidos hechos de materiales tales como fibras de vidrio revestidas con polímeros, y materiales poliméricos tales como polipropileno, polietileno y nailon, para reforzar el producto a base de cemento, dependiendo de su función y aplicación. Las placas de cemento, producidas según la presente invención, se refuerzan típicamente con cañamazos hechos de fibras de vidrio revestidas con polímeros.

Agregados y cargas Aunque la mezcla de polvo reactivo cementoso descrita define el componente de fraguado rápido de composición cementosa de la invención, se entenderá por los expertos en la técnica que se pueden incluir otros materiales en la composición, dependiendo de su uso y aplicación pretendidos.

Por ejemplo, para aplicaciones de placas de cemento, es deseable producir placas de peso ligero sin comprometer innecesariamente las propiedades mecánicas deseadas del producto. Este objetivo se logra añadiendo agregados de peso ligero y cargas. Los ejemplos de agregados de peso ligero y cargas útiles incluyen escoria de alto horno, toba volcánica, piedra pómez, formas expandidas de arcilla, esquisto, y perlita, esferas de cerámica huecas, esferas de plástico huecas, perlas de plástico expandidas, y similares. Para producir placas de cemento, son particularmente útiles los agregados de arcilla y esquisto expandidos. Las perlas de plástico expandidas y las esferas de plástico huecas, cuando se usan en la composición, son necesarias en una cantidad muy pequeña en una base en peso, debido a su densidad aparente extremadamente baja.

Dependiendo de la 'elección de agregado de peso ligero o carga seleccionados, la relación en peso del agregado de peso ligero o carga a la mezcla de polvo reactivo puede ser alrededor de 1/100 a 200/100, preferiblemente alrededor de 2/100 a 125/100. Por ejemplo, para obtener placas de cemento de peso ligero, la relación en peso del agregado de peso ligero o carga a la mezcla de polvo reactivo será preferiblemente alrededor de 2/100 a 125/100. En aplicaciones en las que la característica de producto de peso ligero no es un criterio crítico, se pueden utilizar arena de río y agregado grueso como se usa normalmente en la construcción de hormigón, como parte de la composición de la invención.

Temperatura inicial de la suspensión En la presente invención, se encontró que la formación de la suspensión en condiciones que proporcionan una temperatura de la suspensión inicialmente elevada es importante para lograr fraguado rápido y el endurecimiento de las formulaciones cementosas. La temperatura inicial de la suspensión debería ser al menos alrededor de la temperatura ambiente a alrededor de 35 °C. Las temperaturas de la suspensión en el intervalo de 38°C a 41°C producen tiempos de fraguado cortos. La temperatura inicial de la suspensión es preferiblemente alrededor de 38° a 41°C.

En general, dentro de este intervalo, el incremento de la temperatura inicial de la suspensión aumenta la velocidad de elevación de la temperatura a medida que transcurren las reacciones, y reduce el tiempo de fraguado. De este modo, se prefiere una temperatura inicial de la suspensión de 35 °C (95°F) con respecto a una temperatura inicial de la suspensión de 32.2°C (90°F) , se prefiere una temperatura de 37.7°C (100°F) con respecto a 35°C (95°F) , se prefiere una temperatura de 41.1°C (115°F) con respecto a 37.7°C (100°F) , se prefiere una temperatura de 40.6°C (110°F) con respecto a 41.1°C (105°F), etc. Se cree que los beneficios de incrementar la temperatura inicial de la suspensión disminuyen a medida que se alcanza el extremo superior del intervalo amplio de temperaturas .

Como entenderán los expertos en la técnica, el logro de una temperatura inicial de la suspensión se puede conseguir por más de un método. Quizás el método más conveniente es calentar uno o más de los componentes de la suspensión. En los ejemplos, se suministró agua calentada hasta una temperatura de manera que, cuando se añade a los polvos reactivos secos y a los sólidos no reactivos, la suspensión resultante está a la temperatura deseada. Como alternativa, si se desea, los sólidos se podrían proporcionar a temperaturas por encima de la ambiente. Otro método posible que se podría adoptar es el uso de vapor para proporcionar calor a la suspensión.

Aunque potencialmente más lento, se podría preparar una suspensión a temperaturas ambiente, y se podría calentar rápidamente (por ejemplo, en alrededor de 10, 5, 2 ó 1 minuto) para elevar la temperatura hasta alrededor de 32 °C (90° F) o más (o cualquiera de los otros intervalos dados anteriormente) , y todavía lograr beneficios de la presente invención.

Fabricación de productos de hormigón premoldeados tales como placas de cemento Los productos de hormigón premoldeados, tales como placas de cemento, se fabrican de forma más eficiente en un proceso continuo en el que la mezcla de polvo reactivo se amasa con agregados, cargas y otros ingredientes necesarios, seguido de la adición de agua y otros aditivos químicos justo antes de colocar la mezcla en un molde o sobre una cinta de moldeo o conformadora continua.

Debido a las características de fraguado rápido de la mezcla cementosa, se debería apreciar que el mezclamiento de los componentes secos de la mezcla cementosa con agua se debería de hacer habitualmente justo antes de la operación de moldeo. Como consecuencia de la formación de hidratos de aluminosilicato alcalino y/u otros hidratos de aluminosilicatos y/o compuestos de aluminosilicato de calcio, el producto de hormigón se pone rígido, es fácil de cortar, de manipular y de apilar para el curado posterior.

EJEMPLOS Los siguientes ejemplos ilustran la influencia de la adición de citrato de potasio y citrato de sodio sobre el comportamiento de elevación de la temperatura de la suspensión, características de fraguado y resistencia a la compresión cúbica (CCS) de las composiciones cementosas de la invención, que incluyen una mezcla de cemento Portland, ceniza volátil de Clase C, y dihidrato de sulfato de calcio (yeso finamente triturado) como los componentes del polvo reactivo.

Las mezclas usadas para activar la ceniza volátil, tal como citrato potásico, citrato sódico y aditivos opcionales tales como ácido cítrico, bórax, ácido bórico, se añadieron al agua de mezclamiento antes de mezclarla con la ceniza volátil, el cemento y cualquier agregado de peso ligero opcional.

Las composiciones descritas aquí se combinaron usando una relación en peso de agregado de arcilla expandida a cemento (polvo reactivo) de 0.56:1.0.

La temperatura de los líquidos se ajustó antes de mezclarlos con los cementos, para obtener una temperatura de mezcla específica. Después de mezclar en una mezcladora Hobart, la mezcla de alrededor de 280 gramos se colocó en una copa STYROFOAM de 177.44 mi (6 onzas), y se colocó en una caja STYROFOAM aislada. La respuesta a la temperatura se midió continuamente usando una aplicación de recogida de datos computerizada, proporcionada por Fluke Corporation, Everett, WA 98203, como parte de sus productos de adquisición de datos portátil HYDRA SERIES.

Los tiempos finales de fraguado se determinaron por agujas Gilmore según el. procedimiento expuesto en ASTM C266. Los cubos se mantuvieron dentro de una bolsa de plástico cerrada herméticamente, que contiene una toalla de humedad a una temperatura de 68 °C hasta el ensayo de 3h, y los cubos para el ensayo de 14 días se curaron durante 24 horas a 68 "C y después se retiraron de un incubador y se curaron posteriormente a temperatura ambiente. En algunos casos, las mezclas de los ejemplos se moldearon usando agua a temperatura ambiente, y los cubos se mantuvieron a la temperatura ambiente hasta el momento del ensayo. La carga máxima requerida para machacar los cubos se midió usando una máquina de compresión SATEC UTC 120HVL, programada para cumplir la velocidad de carga especificada en el procedimiento en ASTM C109.

El pH para algunas de las mezclas se midió pulverizando las muestras usando una máquina pulverizadora FRITSCH después de las medidas del ensayo de resistencia a la compresión descrito anteriormente. Sólo se usó el interior de las muestras de los cubos machacados. El pH del material pulverizado se midió preparando una muestra de relación 1:1 de polvo seco a agua, ensayada a temperatura ambiente usando un pHmetro Fisher Scientific ACCUMET BASIC AB-15 pH mientras se agitaba la disolución a una velocidad con relación a la consistencia de la disolución, de manera que se produjese el mezclamiento . El pH se registró cuando los cambios en el pH durante 1 minuto no fueron mayores de pH 0.02 (aproximadamente 5 minutos) .

Las composiciones incluidas en los Ejemplos 1 a 5 se combinaron usando una relación en peso de agua a polvo reactivo de 0.56/1 y una relación en peso de agregado de arcilla expandida a ceniza volátil, cemento y yeso (polvo reactivo) de alrededor de 0.56/1.

La temperatura de los líquidos se ajustó antes de mezclarlos con los cementos, para obtener una temperatura de mezcla específica. Después de mezclar en una mezcladora Hobart, la mezcla (alrededor de 280 gramos) se colocó en una copa STYROFOAM de 177.44ml (6 onzas) y se colocó en una caja STYROFOAM aislada. La respuesta a la temperatura se midió continuamente usando un programa de recogida de datos computarizado . La tasa de elevación máxima de temperatura, así como la temperatura máxima y el tiempo hasta la temperatura máxima, se usaron como indicaciones de la reactividad de las mezclas experimentales.

Los tiempos inicial y final de fraguado se determinaron con las agujas de Gilmore según ASTM C266. El objetivo fue alcanzar un fraguado final en menos de 10 minutos, preferiblemente 5 a 7 minutos, después del mezclamiento . Para el ensayo de la resistencia a la compresión, los cubos (2 pulgadas x 2 pulgadas x 2 pulgadas) (5.1 cm x 5.1 cm x 5.1 cm) se mantuvieron dentro de una bolsa de plástico cerrada herméticamente que contiene una toallita de humedad a una temperatura de 68 °C (154°F) hasta el momento del ensayo. La resistencia a la compresión de 3 cubos de cada mezcla se determinó 5 horas después de la adición de los líquidos de la mezcla. La carga máxima requerida para triturar los cubos se midió usando una máquina de compresión SATEC UTC 120 HVL, programada para satisfacer la carga especificada mediante el procedimiento ASTM C109.

Los materiales brutos e ingredientes usados en estos ejemplos fueron los siguientes: Cemento Portland de tipo III Yeso (por ejemplo yeso finamente triturado) Ceniza volátil de Clase C Agregado de arcilla expandida Ácido bórico Bórax Ácido cítrico Citrato de sodio (citrato trisódico monohidratado) Citrato potásico (citrato tripotásico monohidratado) Hidróxido potásico En los ejemplos más abajo, los ingredientes del polvo reactivo seco y cualquier agregado usado se mezclaron con agua en condiciones que proporcionan una temperatura inicial de la suspensión por encima de la temperatura ambiente. Típicamente, se usó agua caliente que tiene una temperatura que produjo una suspensión que tiene una temperatura inicial en el intervalo de 32-41°C (90-115°F) .

La relación en peso de agua a polvo reactivo está típicamente en el intervalo de 0.2 a 0.30:1.0, prefiriéndose relaciones en peso menores, de 0.2 a 0.23:1, cuando el polvo reactivo es sustancialmente 100% en peso de ceniza volátil y la cantidad de cemento Portland y yeso se minimiza según la práctica preferida de la invención.

Los ejemplos dan el fraguado de la composición, caracterizado por tiempos iniciales y finales de fraguado, según se mide usando las agujas de Gilmore mencionadas anteriormente especificadas en el procedimiento de ensayo ASTM C266, así como la resistencia a la compresión inicial elevada según ASTM CIO9.

Ejemplo 1 (mezclas 1-8) La Tabla 1 muestra las composiciones de mezclas que contienen cemento Portland tipo III y ceniza volátil de Clase C en las relaciones en peso de 20/100 y diversas dosis de citrato sódico con ácido bórico, bórax o ácido cítrico. En estas composiciones, el nivel de hidróxido potásico se mantuvo constante a 1.8% en peso de ceniza volátil y cemento Portland. A partir de la Tabla 1, los datos muestran que el aumento de citrato de sodio acorta los tiempos finales de fraguado e incrementa la resistencia a la compresión de edad temprana. Una comparación de las mezclas 1, 3 y 4 con dosis de citrato de sodio de 5.4, 10.8 y 16.2 gramos, respectivamente, muestra que el tiempo de fraguado final se redujo hasta 11, 8.1, y 5.5 minutos, respectivamente. Al comparar las resistencias a la compresión (C.S.) después de 3 horas (resistencia a la compresión de edad temprana) y después de 14 días, las mezclas 2, 5 y 7, que contienen cantidades idénticas de ácido bórico, pero con niveles de citrato de sodio de 10.8, 16.2 y 21.8 gramos, respectivamente, mostraron que la resistencia a la compresión medida después de 3 horas y de 14 días aumentó a medida que aumentó el citrato de sodio.

Los datos en la TABLA 1 también muestran que el efecto de citrato de sodio disminuye en presencia de bórax, en comparación con el efecto de las mezclas que contienen ácido bórico. Al comparar las mezclas 6 y 7 que contienen el mismo nivel (21.8 g) de citrato de sodio, pero, en el caso de la mezcla 6, usando (7.2 g) de ácido cítrico, y, en el caso de la mezcla 7, usando (7.2 g) de ácido bórico, la mezcla que contiene ácido cítrico tiene una resistencia a la compresión después de 3 horas ligeramente mejor, pero una resistencia a la compresión después de 14 días similar.

TABLA 1 Mezcla Citrato Ácido Bórax Ácido OH Tiempo Densidad C.S. C.S. sódico bórico cítrico de 3 h 14 días fraguado (g) (g) (g) (g) (g) (min) (pcf) (psi) (psi) kg/m3 kg/cm2 kg/cm2 1 5.4 7.2 19.7 11.0 (117.3) (698) (3594) 1878.9 49.07 252.6 2 10.8 7.2 19.7 8.8 (118.7) (2311) (4794) 1901.3 162.4 337.05 3 10.8 7.2 19.7 8.1 (116.3) (1392) (5422) 1862.9 97.8 381.2 4 16.2 7.2 19.7 5.5 (119.0) (1163) (1886) 1906.1 81.7 132.5 5 16.2 7.2 19.7 5.5 (118.9) (3010) (7697) 1904.5 211.6 541.1 6 16.2 7.2 19.7 5.8 (118.1) (5088) (7618) 1891.7 357.7 535.5 7 21.8 7.2 19.7 6.5 (122.6) (4324) (7529) 1963.8 304 529.3 8 21.8 7.2 19.7 3.7 (109.9) (4330) (3921) 1760.4 304.4 275.6 g es gramos C.S. és resistencia a la compresión En la TABLA 1, todas las mezclas de las composiciones contenían 900 g de ceniza volátil de Clase C, 180 gramos de cemento Portland de tipo III, 250 g de agua y 608 gramos de agregado de peso ligero de arcilla expandida.

En las FIG. 1 y FIG. 2, en las representaciones gráficas, se muestra el efecto del incremento del contenido de citrato de sodio en la elevación de la temperatura de la mezcla para mezclas con bórax, ácido bórico y ácido cítrico. Como se puede observar en la FIG. 1, las mezclas con mayores dosis de citrato de sodio tienen una elevación más pronunciada de la temperatura durante los primeros 5-10 minutos. En la FIG. 2, se observa que las mezclas que contienen ácido cítrico lograron una elevación de temperatura significativamente mayor alrededor de 110-110°C (230-230°F) durante los primeros 45 a 90 minutos tras el mezclamiento . Se sabe en la técnica que la tasa de elevación de la temperatura está relacionada con la velocidad de reacción y el tiempo de fraguado de la mezcla. A la vista de los resultados para las mezclas 6 y 8 que contienen 16.2 y 21.6 gramos de citrato de sodio y 7.2 gramos de ácido cítrico en las FIGS . 1 y 2, estas mezclas tienen dos puntos de inflexión distintos a alrededor de 2-3 minutos en la FIG. 1 y a alrededor de 15 a 30 minutos en la FIG. 2.

En el caso de las mezclas 5 y 7 que contienen la misma cantidad de citrato sódico y ácido bórico en lugar de ácido cítrico, el segundo punto de inflexión en la FIG. 2 no está tan bien definido como en las mezclas 6 y 8. Se entiende en la técnica que el primer pico de la reacción está relacionado con la resistencia a la compresión final de la mezcla, mientras que se sabe que el segundo pico está relacionado con la resistencia a la compresión de edad temprana de la mezcla. Esta comparación indica que la presencia de ácido cítrico facilita una segunda reacción que se correlaciona con las resistencias a la compresión de edad temprana relativamente mayores medidas para mezclas que contienen ácido cítrico en comparación con las mezclas que contienen ácido bórico.

Ejemplo 2 Se preparó otro conjunto de mezclas marcadas como 1-5. La TABLA 2 muestra estas composiciones que contienen 900 gramos de cemento Portland de Tipo III, 180 gramos de ceniza volátil de Clase C, 250 gramos de agua y 608 gramos de agregado de peso ligero de arcilla expandida.

La TABLA 2 muestra composiciones que contienen cemento Portland tipo III y ceniza volátil de Clase C en la relación en peso de 20/100 que contienen diversos niveles de hidróxido de potasio y una dosis constante de citrato de sodio (16.2 g) mantenida constante a 0.67% en peso y 1.5% (en peso de polvo reactivo constituido por ceniza volátil y cemento Portland) y ácido cítrico (7.2 g) .

Los resultados de la TABLA 2 muestran que, a medida que aumenta el contenido de hidróxido potásico, el tiempo de fraguado disminuye y aumenta la resistencia de edad temprana así como la resistencia a la compresión medida después de 14 días. La mezcla 5 con 19.7 g (1.8% en peso) de hidróxido potásico tiene una resistencia a la compresión después de 14 días de 604.92 kg/cm2 (8604 psi) , y un tiempo de fraguado reducido hasta 4.0 minutos. La resistencia a la compresión después de 3 h para la mezcla 3 con 1% de hidróxido potásico de 356.5 kg/cm2 (5072 psi) fue alrededor del doble de la resistencia a la compresión de 174.5' kg/cm2 (2482 psi) para la mezcla 1, que contenía 0.32% en peso de hidróxido potásico.

En las FIGS . 3 y 4, representado en las gráficas, está el efecto del incremento del contenido de hidróxido de potasio en la elevación de la temperatura de la mezcla para las mezclas en la TABLA 2. Como se muestra en la FIG. 3, la tasa de elevación de temperatura para las mezclas 1 y 2 que contienen 3.5 g (0.32%) y 5.6 g (0.52%) de hidróxido potásico, respectivamente, fue muy pequeña en comparación con la tasa relativamente más pronunciada de elevación de temperatura durante los primeros 5 minutos para las mezclas 3, 4 y 5 que contienen 11.2 g (1.0%), 15.5 g (1.4%) y 19.7 g (1.8%) de hidróxido potásico. La tasa de elevación de temperatura está correlacionada con la velocidad de reacción y el tiempo de fraguado .

La gráfica en la FIG. 4 muestra que el incremento de hidróxido de potasio aumentó significativamente la elevación de temperatura de alrededor de 96.11 - 98.8°C (205° a 210°F) en 1 hora tras el mezclamiento .

Ejemplo 3 (mezclas 1-9) La TABLA 3 muestra composiciones detalladas con diversas relaciones en peso de cemento Portland tipo III y ceniza volátil de Clase C, así como diversas relaciones de agua a sólidos reactivos. Los pesos de citrato potásico, citrato sódico y ácido cítrico se mantuvieron constantes a 1.8%, 1.5% y 0.67%, respectivamente, en peso de la ceniza volátil y cemento Portland. A cada mezcla se añadió agregado de peso ligero de arcilla expandida de 600 gramos. Como se muestra en la TABLA 3, el incremento del contenido de ceniza volátil y la reducción del contenido de agua acortó el tiempo de fraguado hasta alrededor de 6 minutos e incrementó la resistencia a la compresión después de 3 h hasta casi 421.84 kg/cm2 (6000 psi) . También se observa que el efecto de la reducción de la relación agua a cemento tiene un efecto más pronunciado sobre la resistencia a la compresión de mezclas que contienen ceniza volátil y no contienen cemento Portland.

TABLA 3 - Composiciones que contienen todas 600 g de agregado de peso ligero de arcilla expandida, 16.2 g de citrato de sodio, 7.2 g de ácido cítrico, 19.7 g de KOH Mezcla Agua Ceniza Cemento Tiempo de Densidad Resistencia a la volátil Portland fraguado compresión kg/cm2 de Clase de tipo (psi) C III Peso, gramos min kg/m3 3 h 14 días (pcf) 1 280.0 395 685 13.0 1864.5 257.4 568.4 (116.4) (3663) (8085) 2 280.0 540 540 10.0 1901.3 366.5 755.3 (118.7) (5213) (10743) 3 280.0 685 395 8.0 1798.8 267.7 415.1 (112.3) (3809) (5905) 4 280.0 955 125 7.0 1856.5 334.01 657.5 (115.9) (4751) (9352) 5 248.0 955 125 5.8 1856.5 327.2 642.1 (115.9) (4654) (9133) 6 216.0 955 125 3.8 1850.13 277.8 514.08 (115.5) (3952) (7312) 7 280.0 1080 0 14.0 1838.9 193.8 584.4 (114.8) (2757) (8313) 8 248.0 1080 0 10.5 1870.9 258.5 610.4 (116.8) (3677) (8682) 9 216.0 1080 0 6.0 1893.3 415.1 547.1 (118.2) (5905) (7782) Ejemplo 4 (mezclas 1-5) Se obtuvo otro conjunto de mezclas de composiciones cementosas con agregado de peso ligero, etiquetadas como Mezclas 1-5. Las composiciones mostradas en la TABLA 4 contienen diversas dosis de citrato potásico o citrato sódico para mezclas que contienen dos relaciones en peso diferentes de ceniza volátil y cemento Portland.

Como se muestra en la TABLA 4, las mezclas tales como 4 y 5, que sólo contienen citrato potásico y nada de hidróxido potásico o ácido cítrico, lograron tiempos de fraguado finales en el intervalo de alrededor de cinco minutos y tuvieron una resistencia a la compresión después de 3 h. de 421.8 a 548.3 kg/cm2 (6000 a 7800 psi) , que es alrededor de 60% de la resistencia de alrededor de 0703. Kg/cm2 (10,000 psi) alcanzado después de 14 días. Al comparar las mezclas 4 y 3, se observa que la mezcla 4 con 100% en peso de ceniza volátil y nada de cemento Portland tuvo una resistencia a la compresión de 550.01 km/cm2 (7823 psi) mayor en comparación con 420.9 kg/cm2 (5987 psi) para la mezcla 3, que contenía 86.4% de ceniza volátil y 11.6% de cemento Portland. Ambas mezclas 3 y 4 tuvieron un contenido de citrato potásico de 4.0% en peso por peso del polvo reactivo total que contiene ceniza volátil y cemento Portland.

En el caso de las mezclas 3 y 5, la temperatura del agua de las mezclas se redujo hasta 35°C, en comparación con 75°C, para evitar el fraguado instantáneo. Los cubos ensayados después de 14 días se mantuvieron a 65 °C durante un período de 24 horas, y después se mantuvieron a temperatura ambiente hasta el momento del ensayo. La relación en peso de agua a polvo reactivo se mantuvo a 0.2/1.0 para todas las mezclas.

El uso de cemento Portland en estas condiciones de ensayo produjo morteros con menor resistencia a la compresión a medida que aumentó la dosis de citrato potásico. Por ejemplo, la mezcla 3, con 4.0% en peso de citrato potásico, tuvo una resistencia a la compresión de 420.9 kg/cm2 (5987 psi) , en comparación con 487.01 kg/cm2 (6927 psi) medida para la mezcla 5, que solo contenía 2.5% en peso de citrato potásico. Hay una ganancia adicional de resistencia a la compresión después de que la resistencia tras 3 h y la resistencia tras 14 días aumentaran hasta alrededor de 0.703 kg/cm2 (10.000 psi).

Los datos en la TABLA 4 muestran que se pueden lograr tiempos de fraguado finales de 4.8 a 5.1 minutos, obteniéndose resistencias a la compresión en el intervalo de alrededor de 414.8 a alrededor de 548.3 kg/cm2 (5900 a alrededor de 7800 psi) según la presente invención sin la necesidad de usar hidróxido potásico.

La gráfica en la FIG. 4 muestra que las mezclas con citrato potásico o citrato sódico lograron temperaturas relativamente elevadas durante los primeros pocos minutos similares a las mezclas que contenían hidróxido potásico y ácido cítrico en los ejemplos previos.

Ejemplo 5 (mezclas 1-7) Se obtuvo otro conjunto de mezclas 1-7 de composiciones cementosas de peso ligero. Las mezclas en este ejemplo contienen citrato sódico o potásico sin hidróxido potásico. El agua usada en la mezcla fue 216 g de agua a temperatura ambiente a 24 °C en comparación con el agua a 75 °C usada en la mayoría de los ejemplos previos. Los resultados mostrados en la TABLA 5 indican que las mezclas pueden lograr resistencias a la compresión relativamente elevadas sin la necesidad de agua caliente. Las mezclas 1-5 contienen relaciones en peso de ceniza volátil y cemento Portland de 88.4:11.6, mientras que las mezclas 6 y 7 tienen relaciones en peso de ceniza volátil a cemento Portland de 63.4:36.6 y 75.6:24.1, respectivamente.

Como se muestra en la TABLA 5, las mezclas 1-2 con citrato potásico, y las mezclas 3-5 con citrato sódico, lograron tiempos de fraguado finales en 5 a 8 minutos, y resistencia a la compresión después de 3 h en el intervalo de 370.3 a alrededor de 404.7 kg/cm2 (5268 a alrededor de 5757 psi) . Como se observa para las mezclas 3-5, que contienen 11.6% en peso de cemento Portland no se obtiene ningún beneficio aumentando el contenido de citrato potásico por encima de 2.4% en peso. La relación en peso de agua a polvo reactivo total fue 0.2/1.0.

Los tiempos de fraguado finales para las mezclas 6 y 7 que contienen ceniza volátil y yeso aumentaron hasta 16 a 20 minutos, y la resistencia a la compresión después de 3 h se redujo significativamente al aumentar las cantidades de yeso hasta 235.6 y 300.2 kg/cm2 (3352 psi y 4271 psi), respectivamente. Esto sugiere una pésima interacción entre el yeso, la ceniza y el citrato potásico. En menor grado, los datos de resistencia a la compresión después de 14 días también se redujeron al aumentar las cantidades de yeso.

TABLA 5 - Composiciones* usadas en el Ejemplo 5 Mezcla Citrato Citrato Agua Ceniza Cemento Yeso Tiempo Densidad Resistencia a de potásico volátilPortland de la compresión sodio de de tipo fraguado Kg/cm2 clase III psi C Peso, gramos min Kg/m3 3 h 14 días pcf 1 0 16.2 216.0 955 125 NA NA NA NA 2 0 26.2 216.0 955 125 6.5 1867.7 404.7 723.1 (116.6) (5757) (10286) 3 21.2 0 216.0 955 125 8.0 1846.9 370.3 545.7 (115.3) (5268) (7762) 4 26.2 0 216.0 955 125 5.0 1899.7 395.8 770.3 (118.6) (5631) (10957) 5 42.4 0 216.0 955 125 4.1 1885.3 391.04 781.8 (117.7) (5562) (11120) 6 42.4 216.0 685 0 395 19.5 1824.5 235.6 535.7 (113.9) (3352) (7620) 7 42.4 216.0 820 0 260 16.0 1854.9 300.2 578.8 (115.8) (4271) (8233) * 600 g de agregado de peso ligero de arcilla expandida añadidos La gráfica en la FIG. 5 muestra la elevación de la temperatura para muestras que no contienen hidróxido potásico y que usaron agua a temperatura ambiente; las mezclas con citrato potásico y citrato sódico todavía lograron una temperatura relativamente elevada durante los primeros pocos minutos .

Ejemplo 6 Este ejemplo resume el efecto de añadir cemento Portland y/o microsílice sobre la resistencia a la compresión de las composiciones a base de ceniza volátil/citrato potásico. La relación en peso de agua a polvo reactivo total se mantuvo en 0 . 23 /1 . 0 . La TABLA 6 muestra el tiempo de fraguado f inal , la densidad, y la resistencia a la compresión para estas mezclas . La TABLA 6 muestra que las densidades para estas mezclas osciló entre 1794 . 06 y 1874 . 16 kg/m3 ( 112 y 117 pcf ) . Los datos incluidos en la TABLA 6 muestran que la mezcla 4 que contienen 100% de ceniza volátil y cero por ciento de cemento Portland o de microsílice , tuvo una resistencia a la compresión después de 3 h que era alrededor de 20% mayor en comparación con las mezclas 1 -3 que contenían alrededor de 83% de ceniza volátil y alrededor de 17% de una mezcla de cemento Portland y microsílice . Los datos de la resistencia a la compresión después de 14 días muestran una resistencia a la compresión alrededor de 30 a 40% mayor para la mezcla 4 con 100% de ceniza volátil .

TABLA 6 - Composiciones descritas en el Ejemplo 6 con 600 gramos de agregado de peso ligero de arcilla expandida y 250 g de agua Mezcla Citrato Ceniza Cemento Microsílice Densidad Fraguado CCS CCS de K volátil Portland final 3 h 14 días de Clase C Peso, gramos kg/m3 min kg/ cm2 kg/ cm2 (pcf ) (psi) (psi) 1 43 .2 900 180 0 1786 4.5 243 .1 583 .2 (111.5) (3458) (8296) 2 43 .2 900 150 30 1869.3 6.5 360.8 514.6 (116.7) (5133) (7320) 3 43 .2 870 180 30 1872 .5 6.0 356.8 614 .5 (116.9) (5076) (8741) 4 43 .2 1080 0 0 1675.7 9.5 296.4 743 .1 (117.1) (4217) (10570) Ejemplo 7 Se prepararon cinco mezclas, mostradas en la TABLA 7, para el ensayo del pH. Las mezclas 1-3 no contienen microsílice ni yeso, y tuvieron resistencias a la compresión después de 3 h y de 14 días mayores que la mezcla 4, que contenía cemento Portland y yeso así como la mezcla 5, que contenía microsílice. El pH de las mezclas 1-3 fue alrededor del 12.7 a 12.8. La mezcla 4, que contiene ceniza volátil y yeso en una relación en peso de 63.4 a 36.6, tuvo un pH de alrededor de 11, y la mezcla 5 con una relación en pesa de ceniza volátil a microsílice de 94.4 a 5.6, también tuvo un pH relativamente bajo de 11.5. La relación en peso de agua a polvo reactivo total se mantuvo a 0.20 a 1.0.

De este modo, en las composiciones en las cuales el pH tiene más consideración que la resistencia a la compresión, tales como cemento reforzado con fibra de vidrio, se pueden usar mezclas de ceniza volátil con yeso o microsílice para producir productos de menos pH.

TABLA 7 - Composiciones que contienen 600 gramos ( g) de agregado de peso ligero de arcilla expandida y 216 g de agua Mezcla Citrato Citrato Ceniza Cemento Microsílice YesopH Tiempo Resistencia de K de Na volátil Portland de kg/cm2 de fraguado (psi) Clase C 3 26.2 955 125 12.71 5.0 395.8 770.3 (5631) (10957) 4 42.4 685 395 395 11.09 19.5 235.6 535.7 (3352) (7620) 5 26.2 1020 0 60 11.52 8.8 342.9 610.6 (4878) (8686) EJEMPLO 8 En la TABLA 8 se incluyen detalles de las formulaciones usadas en este ejemplo. Para estas mezclas, la relación de ceniza volátil a cemento Portland se varió a una dosis de citrato potásico de 3.5% (en peso de ceniza volátil más cemento Portland) y una relación de agua a materiales cementosos (agua: ceniza volátil + cemento Portland) de 0.26 para las mezclas 1-4 y 0.30 para las mezclas 5-8. Los resultados para las resistencias a la compresión indican claramente que mayores cantidades de ceniza volátil aumentan las resistencias a la compresión después de 3 h.

Además, en la FIG. 6 se muestran las curvas de elevación de la temperatura medidas para las mezclas 4-7. La FIG. 6 muestra que la temperatura lograda durante los primeros 15 minutos es mayor a medida que se incrementó el contenido de ceniza volátil y se disminuyó la cantidad de cemento Portland a la misma relación de agua a polvo reactivo . Los datos se midieron continuamente , y se representaron gráficamente a intervalos de un minuto en aras de la claridad de la presentación de los puntos de datos .

Ej emplo 9 En la TABLA 9 se incluyen los detalles de las formulaciones usadas en este ej emplo . Se incluyen aquí dos conjuntos de resultados. Para las primeras cuatro mezclas, solo se añadió ceniza volátil sin ningún cemento Portland, y la relación de agua a ceniza volátil se varió de 0.26 a 0.17, manteniendo constante la dosis de citrato potásico a 4% (en peso de ceniza volátil) . Los resultados para las resistencias a la compresión indican que la reducción del contenido de agua aumenta significativamente las resistencias a la compresión después de 3 h.

El segundo conjunto de resultados incluye las mezclas 5-7, que contienen una mezcla de ceniza volátil y cemento Portland. Para las mezclas 5 a 7, la resistencia a la compresión disminuye a medida que disminuye la cantidad de ceniza volátil y aumenta la cantidad de cemento Portland. Además, los tiempos de fraguado finales para las mezclas con cemento Portland caen por debajo de los cinco minutos, lo que indica un fraguado instantáneo.

La FIG. 7 muestra la elevación de temperatura para las mezclas 1-4 en este ejemplo. La FIG. 7 muestra, para las muestras que contienen ceniza volátil sin cemento Portland, que la reducción del contenido de agua aumenta la temperatura máxima.

La FIG. 8 muestra la elevación de temperatura para las mezclas 3, 5, 6 y 7. La FIG. 8 muestra que al aumentar el cemento Portland se añade un segundo punto de inflexión a la respuesta de la temperatura, que incrementa además la tasa de elevación de temperatura alrededor de 30 minutos después de que comienza la reacción .

El incremento en la temperatura que acompaña a las mezclas con menor contenido de agua se correlaciona con mayores resistencias a la compresión . Por el contrario, el incremento en la temperatura obtenido con el aumento de cemento Portland no se traduj o en un aumento de las resistencias a la compresión . Por lo tanto , un mecanismo diferente era responsable del desarrollo de la resistencia de las mezclas con mezclas de ceniza volátil y cemento Portland, en comparación con mezclas que solo contienen ceniza volátil .

TABLA 9 - Conposiciones de ejemplo 9 que contienen 600 g de agregado de pese ligero de arcilla expandida y 43.2 g de citrato potásico Mezcla Agua W/FA+PC) Ceniza Cemento Tiempo de Densidad Resistencia a la Volátil Portland fraguado compresión de Clase kg/cm2 C (psi) gramos gramos gramos min kg/m3 ( 3 h 14 d pcf) 1 280 0.26 1080 0 7.1 1901.3 223.6 511.9 (118.7) (3181) (7282) 2 248.4 0.23 1080 0 6.5 1854.9 254.3 655.4 (115.8) (3617) (9322) 3 216 0.20 1080 0 6.3 1874.1 416.4 709.4 (117.0) (5924) (10091) 4 183.6 0.17 1080 0 6.0 1912.6 505.5 893.03 (119.4) (7191) (12702) 5 216 0.20 955 125 4.0 1901.3 401.5 895.1 (118.7) (5712) (12732) 6 216 0.20 820 260 4.5 1911 368.9 792.8 (119.3) (5247) (11277) 7 216 0.20 685 395 4.5 1904.5 307.8 664.4 (118.9) (4379) (9450) Ej emplo 10 En la TABLA 10 se incluyen los detalles en las formulaciones usadas en este ej emplo . Para estas mezclas , sólo se añadió ceniza volátil sin ningún cemento Portland . La dosis de citrato de potasio se varió entre 2% y 6% (en peso de ceniza volátil ) , y la relación de agua a ceniza volátil se mantuvo constante a 0 . 20 . Los resultados en la TABLA 10 indican en general que las resistencias a la compresión de las mezclas con ceniza volátil aumentaron a medida que aumentó la dosis de citrato potásico . El incremento en la resistencia a las 3 horas parece que alcanzó una meseta a 5% en peso , logrando la mezcla con 5% en peso de citrato potásico una resistencia a las 3 horas comparable a la mezcla con 6% en peso de citrato potásico . La resistencia a la compresión después de 14 días parece que alcanzó un pico a alrededor de 3 . 0 -4 . 0% en peso .

TABLA 10 - Conposiciones del ejemplo 10 que contienen 600 g de agregado de arcilla de peso ligero e>qpandida y nada de cemento Portland Mezcla Agua W/ (FA) Citrato Ceniza Tiempo de Densidad Resistencia a potásico volátil fraguado la compresión Clase C kg/cm2 (Psi) gramos gramos % en gramos min kg/m3 3 h 14 d peso (pcf) 1 216 0.20 21.5 2.0 1080 10.0 1922.2 170.8 723 (120.0) (2430) (10284) 2 216 0.20 32.4 3.0 1080 7.0 1239.8 299.5 834.6 (121.1) (4260) (11872) 3 216 0.20 43.2 4.0 1080 6.5 1935 359.3 828.8 (120.8) (5111) (11789) 4 216 0.20 54.0 5.0 1080 5.0 1917.4 400.1 693.01 (119.7) (5692) (9857) 5 216 0.20 64.8 6.0 1080 5.5 1882.1 397.8 746.7 (117.5) (5659) (10621) La FIG. 9 muestra la elevación de temperatura para mezclas con diversas dosis de citrato potásico que usan sólo ceniza volátil sin cemento Portland. Este dato muestra que la adición de citrato potásico incrementa significativamente la tasa de elevación de temperatura de las mezclas a base de ceniza volátil. Sin embargo, las temperaturas máximas logradas son relativamente menores que las mezclas que contienen cemento Portland explicadas en los ejemplos previos.

Aunque se han descrito las modalidades preferidas para implementar la invención, los expertos en la técnica a la que se refiere esta descripción entenderán que se pueden hacer modificaciones y adiciones a la invención sin separarse de su espíritu y alcance.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (10)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. - Un método para proporcionar una mezcla cementosa de peso ligero que tiene una resistencia a la compresión mejorada y durabilidad frente al agua, caracterizado porque comprende: mezclar agua, polvo reactivo, una sal de metal alcalino de ácido cítrico, y agregado de peso ligero en la que la relación en peso de agua a polvo reactivo es alrededor de 0.17 a 0.35:1.0, comprendiendo el polvo reactivo 75 a 100% en peso de ceniza volátil, y 0 a 25% en peso de cemento hidráulico y yeso.

2. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el polvo reactivo comprende 88.5 a 100% de ceniza volátil y está exento de cemento hidráulico y de yeso, basado en el peso del polvo reactivo.

3. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura inicial de la mezcla es alrededor de 24 °C a 41 °C.

4. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el polvo reactivo contiene 10 a 40% en peso de cal .

5. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la sal de metal alcalino de ácido cítrico está presente en una cantidad de alrededor de 1.5 a 6% en peso basado en el peso del polvo reactivo cementoso.

6. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el polvo reactivo cementoso comprende además microsílice.

7. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el polvo reactivo cementoso y agua están presentes en una relación en peso de alrededor de 0.20-0.23:1 partes en peso de agua a polvo reactivo.

8.- Una composición para preparar una placa de cemento de peso ligero, caracterizada porque comprende una mezcla de: polvo reactivo cementoso; una sal de metal alcalino de ácido cítrico como acelerador para el polvo reactivo; agregado de peso ligero, y agua, en la que la relación de agua a sólidos de polvo reactivo cementoso en la mezcla es alrededor de 0.17 a 0.35:1, comprendiendo el polvo reactivo 75 a 100% en peso de ceniza volátil, y 0 a 25% en peso de cemento hidráulico y yeso.

9. - La composición de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque la mezcla comprende alrededor de 1.5 a 6.0% en peso, basado en el peso del polvo cementoso, de al menos una sal de metal alcalino de ácido cítrico seleccionada del grupo que consiste en citratos de sodio, citratos de potasio, y sus mezclas.

10. - La composición de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque la mezcla comprende alrededor de 1.5 a 4.0% en peso, basado en el peso del polvo cementoso, de al menos una sal de metal alcalino de ácido cítrico seleccionada del grupo que consiste en citratos de sodio, citratos de potasio, y sus mezclas.