ES2601230T3 - Procedimiento de fabricación de materiales cementantes suplementarios (SCMS) - Google Patents

Procedimiento de fabricación de materiales cementantes suplementarios (SCMS) Download PDF

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Abstract

Procedimiento de fabricación de materiales cementantes suplementarios para el reemplazo del cemento Portland en la producción de morteros y hormigones, en donde los materiales cementantes comprenden puzolanas naturales en la forma de rocas y cenizas, caracterizado porque dichas puzolanas en el estado triturado se someten a un procesamiento mecánico 5 altamente energético por medio de molienda en un equipo de molienda, por lo que las partículas de puzolana reciben impulsos mecánicos, y porque la molienda se realiza durante un tiempo predeterminado, y porque el producto final de la puzolana después de la moliente tiene la siguiente distribución del tamaño de partícula: < 5 micrómetros 15-50 %, < 10 micrómetros 30-65 %, < 30 micrómetros 90-95 %, y porque una mezcla de puzolanas molidas, cemento Portland y agua da como resultado una resistencia a la compresión de un cubo de 5,08 cm de lado de un mortero que comprende 80 % de cemento Portland y 20 % de puzolana natural en una proporción de 1:2,75 con respecto a la arena convencional y se requiere agua adicional para obtener un flujo del mortero de acuerdo con la norma americana ASTM C 109, que se ha compactado apropiadamente bajo vibración y endurecido a + 20 ºC en la condición sellada, que después de 28 días es > 75 % de la resistencia a la compresión de un cubo de 5,08 cm de lado, tratado como dicho cubo, de un mortero que comprende una proporción de cemento Portland: arena de 1:2,75 y agua adicional que corresponde a 48,5 % del peso del cemento Portland.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de fabricacion de materiales cementantes suplementarios (SCMS)
La presente invencion se refiere a un procedimiento de fabricacion de materiales cementantes suplementarios (SCMs, por sus siglas en ingles), es decir, las puzolanas.
La ceniza volante es un material cementante suplementario, que es util para la produccion de hormigones, morteros y otras mezclas que comprenden el cemento. La ceniza volante es un subproducto de plantas generadoras de energfa que queman carbon vegetal y se produce en todo el mundo en grandes cantidades cada ano.
En la patente sueca n.° 532790 se describe un procedimiento que elimina las fluctuaciones en la calidad de la ceniza volante debido a las variaciones en las composiciones qmmicas del carbon vegetal y en los parametros de los procedimientos de quemado del carbon vegetal. El procesamiento de las puzolanas, es decir, las cenizas volantes de acuerdo con el procedimiento patentado, mejora significativamente el funcionamiento del hormigon y proporciona un nivel mas elevado de reemplazo del cemento Portland convencional, lo que conduce a beneficios economicos y ambientales significativos.
La ceniza volante normalmente contiene aproximadamente 85 % de componentes amorfos, vftreos, en la forma de partfculas de cenoesferas. De acuerdo con ASTM C 618, la ceniza volante se clasifica en dos clases, la Clase C y la Clase F. La ceniza volante de la clase F tfpicamente contiene mas del 70 % en peso de sflice, alumina y oxidos ferricos, mientras que la Clase C tfpicamente contiene entre 70 % y 50 %. La clase F se produce como un subproducto de la combustion del carbon vegetal bituminoso. La ceniza volante de la Clase C tiene un contenido de calcio mas elevado y se produce como un subproducto de la combustion del carbon vegetal sub-bituminoso.
Una investigacion exhaustiva ha demostrado que los hormigones con alto volumen de cenizas volantes, en donde el cemento Portland ha sido reemplazado por ceniza volante a un nivel por encima del 50 %, mostraron un desarrollo mas elevado de la resistencia a largo plazo, una permeabilidad inferior al agua y a los gases, una resistencia elevada al ion cloruro, etc., en comparacion con los hormigones de cemento Portland sin ceniza volante.
Al mismo tiempo, un hormigon con alto volumen de ceniza volante tiene desventajas significativas. Una desventaja son los tiempos de fraguado prolongados y el desarrollo de una resistencia lenta, insatisfactoria, durante el periodo de 0 a 28 dfas. Estos efectos negativos reducen significativamente el nivel de ceniza volante utilizada para el reemplazo del cemento Portland, por ejemplo aproximadamente 15 % en EE.UU.
Los problemas serios tambien estan relacionados con la estabilidad del funcionamiento de la ceniza volante. Normalmente, las variaciones en la composicion qrnmica del carbon vegetal y los cambios frecuentes en los parametros operativos de las plantas generadoras de energfa provocan, entre otras, la formacion de las fases cristalinas y casi-cristalinas, las denominadas escorias, que conducen a la reduccion en la reactividad de la ceniza volante, denominada actividad puzolanica.
Historicamente, las mezclas de piedra caliza-puzolana han sido utilizadas desde hace 2000 anos por los antiguos romanos y un grupo de edificios antiguos como por ejemplo el Coliseo todavfa tienen una buena forma. Al mismo tiempo, a pesar del hecho de que de acuerdo con el US Geological Survey pueden encontrarse miles de millones de toneladas de puzolana natural en el Oeste de EE.UU. y en la mayona de las otras regiones del mundo. El uso de las puzolanas naturales en el hormigon en la industria de construccion moderna es muy limitado.
Las puzolanas naturales pertenecen a los materiales de origen volcanico y de origen sedimentario, tales como la tierra de diatomeas. De acuerdo con ASTM C 618, estas se designan como puzolanas de la Clase N. Las puzolanas naturales se describen en ACI 232.1R-00 como "Materias primas de puzolanas o puzolanas naturales calcinadas que cumplen con los requisitos aplicables para la clase del presente documento, tales como algunas tierras de diatomeas, esquistos y cuarzos opalinos; tobas y cenizas volcanicas o rocas pulverizadas volcanicas, cualquiera de las cuales pueden ser o no ser calcinaciones procesadas; y diversos materiales que requieren que la calcinacion induzca propiedades satisfactorias, tales como algunas arcillas o esquistos".
La razon por la cual el uso de las puzolanas naturales es muy limitado puede explicarse por lo siguiente.
La microestructura de las partfculas de puzolana natural esta caracterizada por una porosidad elevada, lo que incrementa significativamente la demanda de agua de las mezclas de hormigon que contienen puzolanas naturales para lograr la capacidad de trabajo/fluidez requerida del hormigon. Sin embargo, los aumentos en la demanda del agua conducen al desarrollo de una resistencia a la compresion insatisfactoria.
Adicionalmente, la distribucion no uniforme de los minerales activos, es decir, los materiales amorfos, por ejemplo debido al medio ambiente, tiene un impacto negativo adicional e inaceptable sobre el desarrollo de una resistencia negativa del hormigon con el contenido de la puzolana natural.
Se requiere una distribucion optimizada del tamano de partfcula de la puzolana natural para lograr un funcionamiento consistente del hormigon, que contiene cantidades elevadas de puzolana. Una distribucion de
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partfcula optimizada es tal que existen presentes fracciones finas y gruesas.
De acuerdo con el Informe del Instituto Americano del Hormigon (ACI por sus siglas en ingles) 232.1R-00 "Uso de las materias primas de puzolanas o las puzolanas naturales procesadas en el hormigon", las propiedades de las puzolanas naturales pueden variar considerablemente, dependiendo de su origen y, por lo tanto, en las proporciones variables de los minerales qmmicamente activos. Los minerales qmmicamente activos normalmente contienen materiales amorfos (por ejemplo, dioxido de silicio amorfo), que reaccionan con el hidroxido de calcio liberado durante la hidratacion del cemento Portland (reaccion puzolanica) y forman un gel de hidrato-silicato-calcio [gel C-H- S] - un producto semejante al producto resultante de la hidratacion del cemento Portland.
La presente invencion resuelve el problema de utilizar puzolanas naturales en el hormigon.
Por consiguiente, la presente invencion se refiere a un procedimiento de fabricacion de materiales cementantes suplementarios para el reemplazo del cemento Portland en la produccion de morteros y hormigones, en donde los materiales cementantes suplementarios comprenden puzolanas naturales en forma de rocas y cenizas y de origen sedimentario, tales como la tierra de diatomeas.
La invencion se caracteriza porque las puzolanas en el estado triturado se someten a un procesamiento mecanico altamente energetico por medio de molienda en un equipo de molienda, por lo que las partfculas de puzolana reciben impulsos mecanicos, y porque la molienda se realiza durante un tiempo predeterminado que conduce a una resistencia a la compresion de un cubo de 5,08 cm de lado de un mortero que comprende 80 % de cemento Portland y 20 % de puzolana natural en una proporcion de 1:2,75 con respecto a la arena convencional y se requiere agua adicional para obtener un flujo del mortero de acuerdo con la norma americana ASTM C 109, que se ha compactado apropiadamente bajo vibracion y endurecido a + 20 °C en la condicion sellada, que despues de 28 dfas es > 75 % de la resistencia a la compresion de un cubo de 5,08 cm de lado, tratado como dicho cubo, de un mortero que comprende una proporcion de 1:2.75 de cemento Portland:arena y agua adicional que corresponde a 48,5 % del peso del cemento Portland.
Esta prueba corresponde a la norma americana ASTM C 109.
La presente invencion se describira con mayor detalle a continuacion.
La invencion se refiere a un procedimiento de fabricacion de materiales cementantes suplementarios para el reemplazo del cemento Portland en la produccion de morteros y hormigones, en donde los materiales cementantes comprenden puzolanas naturales en la forma de rocas y cenizas de origen volcanico y de origen sedimentario, tales como la tierra de diatomeas.
De acuerdo con la invencion, dichas puzolanas en un estado triturado se someten a un procesamiento mecanico altamente energetico por medio de la molienda en un equipo de molienda, por lo que las partfculas de puzolana reciben impulsos mecanicos.
La molienda conduce a la modificacion de sus propiedades superficiales en la forma de una reduccion de la porosidad superficial y a la mejora de su reactividad qmmica con el medio alcalino producido por la hidratacion del cemento. Se ha observado que el tratamiento de las partfculas de puzolana ocasiona que ocurra la fusion local de la superficie de las partfculas, por lo que se crean zonas con un alto grado de amorfizacion. Mediante este tratamiento se ha mostrado que las puzolanas naturales muestran un efecto sorprendentemente bueno cuando las puzolanas naturales asf tratadas reemplazan algo de la cantidad del cemento Portland en una pasta de cemento, mortero y hormigon que comprende cemento Portland, puzolanas, arena y agua.
Ademas de acuerdo con la invencion, la molienda se realiza durante un periodo de tiempo predeterminado, conduciendo a una resistencia a la compresion de un cubo de 5,08 cm de lado de un mortero que comprende 80 % de cemento Portland y 20 % de puzolana natural en una proporcion de 1:2.75 con respecto a la arena convencional y se requiere agua adicional para obtener un flujo del mortero de acuerdo con la norma americana ASTM C 109, que se ha compactado apropiadamente bajo vibracion y endurecido a + 20 °C en la condicion sellada, que despues de 28 dfas es > 75 % de la resistencia a la compresion de un cubo de 5,08 cm de lado, tratado como dicho cubo, de un mortero que comprende una proporcion de cemento Portland: arena de 1:2.75 y agua adicional que corresponde a 48,5% del peso de cemento Portland.
La cantidad de agua requerida para obtener un flujo del mortero de acuerdo con ASTM C 109 puede variar, pero es aproximadamente de 40 % - 50 % del peso del cemento Portland y la puzolana.
La resistencia a la compresion cuando se utiliza puzolana natural corresponde a la resistencia que se obtiene cuando la ceniza volante se utiliza junto con el cemento Portland.
La presente invencion puede lograrse con el uso de diferentes tipos de equipo de molienda, tal como un equipo de molienda del medio, por ejemplo un equipo de molienda agitado, centnfugo, con bolas para volteo o sin un medio, por ejemplo con la aplicacion de un chorro de fluido, de impactos, con rodillos, con impulsos mecanicos de cizallamiento dominante aplicados a las partfculas sometidas a procesamiento y combinado con clasificacion neumatica.
La puzolana puede someterse a molienda en un equipo de molienda, que esta adaptado al circuito abierto o cerrado para el material que se esta moliendo.
Un tamano de distribucion de partfcula preferido es:
< 5 micrometros 15-50 %,
5 <10 micrometros 30-65 %,
< 30 micrometros 90-95 %.
De acuerdo con una realizacion preferida, el cemento Portland, la ceniza volante de las Clases F o C, los cuarzos finos, los materiales finos de la cantera de granito, las fracciones finas del hormigon reciclado o las escorias de los altos hornos o sus mezclas, se anaden a la puzolana durante o despues del procesamiento de la puzolana.
10 De acuerdo con otra realizacion preferida, el cemento Portland, la ceniza volante de las Clases F o C, los cuarzos finos, los materiales finos de la cantera de granito, las fracciones finas del hormigon reciclado o las escorias de los altos hornos o sus mezclas, se someten a pre-molienda para lograr la finura con una retencion sobre el tamiz de 45 micrometros que es menor que el 5 %.
De acuerdo con otra realizacion preferida mas, se anaden agentes reductores acuosos, reguladores del tiempo de 15 fraguado, y mezclas aceleradoras de la resistencia en la forma de polvo, a la puzolana durante o despues de la molienda de la puzolana.
Se prefiere que el reemplazo del cemento Portland por la puzolana en el hormigon o mortero sea desde del 15 hasta aproximadamente el 70 %.
Tambien se prefiere que la puzolana se someta a molienda en dicho equipo de molienda hasta una finura del 20 producto final con una retencion sobre un tamiz de 30 micrometros que es menor que 5 %.

Claims (7)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de fabricacion de materiales cementantes suplementarios para el reemplazo del cemento Portland en la produccion de morteros y hormigones, en donde los materiales cementantes comprenden puzolanas naturales en la forma de rocas y cenizas, caracterizado porque dichas puzolanas en el estado triturado se someten a un procesamiento mecanico altamente energetico por medio de molienda en un equipo de molienda, por lo que las partfculas de puzolana reciben impulsos mecanicos, y porque la molienda se realiza durante un tiempo predeterminado, y porque el producto final de la puzolana despues de la moliente tiene la siguiente distribucion del tamano de partfcula:
    < 5 micrometros 15-50 %,
    < 10 micrometros 30-65 %,
    < 30 micrometros 90-95 %,
    y porque una mezcla de puzolanas molidas, cemento Portland y agua da como resultado una resistencia a la compresion de un cubo de 5,08 cm de lado de un mortero que comprende 80 % de cemento Portland y 20 % de puzolana natural en una proporcion de 1:2,75 con respecto a la arena convencional y se requiere agua adicional para obtener un flujo del mortero de acuerdo con la norma americana ASTM C 109, que se ha compactado apropiadamente bajo vibracion y endurecido a + 20 °C en la condicion sellada, que despues de 28 dfas es > 75 % de la resistencia a la compresion de un cubo de 5,08 cm de lado, tratado como dicho cubo, de un mortero que comprende una proporcion de cemento Portland: arena de 1:2,75 y agua adicional que corresponde a 48,5 % del peso del cemento Portland.
  2. 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el cemento Portland, la ceniza volante de las Clases F o C, los cuarzos finos, los materiales finos de la cantera de granito, las fracciones finas del hormigon reciclado o las escorias de los altos hornos o sus mezclas, se anaden a la puzolana durante o despues del procesamiento de la puzolana.
  3. 3. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 3, caracterizado porque el cemento Portland, la ceniza volante de las Clases F o C, los cuarzos finos, los materiales finos de la cantera de granito, las fracciones finas del hormigon reciclado o las escorias de los altos hornos o sus mezclas, se someten a pre-molienda para lograr finura con una retencion sobre el tamiz de 45 micrometres que sea menor que el 5 %.
  4. 4. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque se anaden agentes reductores acuosos, reguladores del tiempo de fraguado, y mezclas aceleradoras de la resistencia en forma de polvo a la puzolana durante o despues de la molienda de la puzolana.
  5. 5. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el reemplazo del cemento Portland por la puzolana en el hormigon o mortero es desde el 15 hasta aproximadamente el 70 %.
  6. 6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la puzolana se somete a molienda en dicho equipo de molienda hasta una finura del producto final con una retencion sobre un tamiz de 30 micrometros que es menor que 5 %.
  7. 7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la puzolana se somete a molienda en un equipo de molienda, que esta adaptado a un circuito abierto o cerrado para el material que se va a moler.
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