ES2936859T3 - Composición de un material aditivo de cemento como un aditivo para mezclas minerales cementosas y utilizado como aglutinantes hidráulicos latentes para mejorar el resultado de productos cementosos - Google Patents

Composición de un material aditivo de cemento como un aditivo para mezclas minerales cementosas y utilizado como aglutinantes hidráulicos latentes para mejorar el resultado de productos cementosos Download PDF

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Abstract

. Se describe una composición de un material aditivo de cemento para mejorar la durabilidad de las estructuras cementosas. La composición de aditivo para cemento comprende una mezcla de uno o más silicatos metálicos de magnesio divalente con capacidad para actuar como ligante hidráulico latente en dicha composición activados por un proceso de hidratación en condiciones acuosas, y en particular el silicato metálico divalente es un silicato dominado por magnesio, preferiblemente que comprende grupos minerales de olivinos, ortopiroxenos, anfíboles, talco y serpentinas o mezclas de los mismos. La composición también comprende iones de cloruro o salmuera. También se describen las aplicaciones de las composiciones, en particular para utilizar una propiedad de hidratación como desencadenante principal de la reacción hidráulica latente de los silicatos de magnesio, en particular para dichas olivinas, cuando se exponen al agua y salmueras. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Composición de un material aditivo de cemento como un aditivo para mezclas minerales cementosas y utilizado como aglutinantes hidráulicos latentes para mejorar el resultado de productos cementosos
Campo de la presente invención
La presente invención se refiere a una composición de un material aditivo de cemento para mejorar la durabilidad de estructuras cementosas, como se define en la siguiente reivindicación 1.
Más específicamente, la presente invención se refiere a productos elaborados a partir de mezclas minerales cementosas. Las mezclas incluirán un producto aditivo de cemento, un nuevo ingrediente, destinado como aglutinante hidráulico latente para mezclas minerales cementosas, morteros y estructuras de hormigón para aplicaciones industriales y para fines de construcción. El ingrediente utilizado aumentará la durabilidad del producto durante toda su vida útil y cuando esté en contacto con un entorno acuático externo húmedo, mojado o sumergido.
La invención también se refiere a varias aplicaciones del aglutinante hidráulico latente de la invención para productos cementosos, tal como aparece en las reivindicaciones 4-9.
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere al campo de los materiales cementosos tales como Cemento Portland y geopolímeros. El objeto de la invención es aplicar silicatos divalentes de magnesio-hierro en solución sólida (por ejemplo, los grupos minerales olivino, ortopiroxeno, anfíbol, talco y serpentina), en el presente documento denominados "silicatos de magnesio", como aglutinantes hidráulicos latentes para mezclas minerales cementosas, aumentando así la integridad, el volumen, el envejecimiento y/o la vida útil de la estructura de la mezcla mineral cementosa.
La invención se refiere a la mejora de la integridad y/o la durabilidad de las estructuras cementosas a lo largo del tiempo al incluir/agregar silicatos de magnesio en las mezclas de minerales cementosas como un aglutinante hidráulico latente, y aumentar su capacidad para manejar el envejecimiento y la exposición al flujo de mezclas de agua sobre y a través de los materiales cementosos.
El cemento de pozo ordinario se basa en los principios del cemento Portland. Como NORSOK D010 y API Spec 10A son los estándares industriales actuales para operaciones en la industria del petróleo y el gas, era importante que la presente invención pudiera cumplir con esos estándares de una manera asequible. Una ventaja particular de la presente invención es que se añade fácilmente a las operaciones actuales de cementación de pozos para mejorar el rendimiento y cumplir las normas. Muchas de las ventajas de la presente invención son evidentes en la aplicación de cementación y terminación de pozos, taponamiento, abandono temporal y permanente de pozos.
Las alternativas propuestas a los cementos de pozo ordinarios son los geopolímeros. Son materiales viscoelásticos. Un ejemplo de esta propiedad física es la mezcla de harina de maíz y agua; es duro cuando se maneja y blando cuando se sujeta. Otro ejemplo es Bingham Plastic. Se comporta como la mayonesa (blando cuando se manipula, duro cuando se sujeta). Ninguno de estos productos tiene actualmente un precio razonable o es particularmente amigable con los estándares.
El metamorfismo es el ajuste mineralógico y estructural de las rocas sólidas a las condiciones físicas y químicas que se han impuesto a profundidades por debajo de las zonas cercanas a la superficie de meteorización y diagénesis y que difieren de las condiciones en las que se originaron las rocas en cuestión.
Los materiales inorgánicos que tienen efectos aglutinantes hidráulicos puzolánicos o latentes se usan comúnmente en materiales cementosos. La hidraulicidad se define como "la propiedad de las cales y cementos para fraguar y endurecerse bajo el agua, ya sea que se deriven de una cal hidráulica natural, cemento o una puzolana". Un aglutinante hidráulico latente reacciona más lentamente y debido a un desencadenante de una manera particular para cambiar las propiedades de los productos cementosos. Llegará a una fuerza completa por sí solo, aunque muy lentamente. Estos tienen el propósito de aumentar la necesidad de escoria de cal en la mezcla de minerales de cemento o de mejorar las propiedades de la mezcla de minerales de cemento.
Divulgación del estado de la técnica
Con respecto al estado de la técnica, se hace referencia a las siguientes publicaciones de patentes: FR-2.939.429, US-2015/18905, WO-2016/094506 y US-2008/196628. Adicionalmente se puede hacer referencia a los documentos EP-2246315, CN-10521031, y US-20120137931.
Todos estos documentos tratan sobre mezclas minerales de cemento para producir hormigón para defender la construcción de cemento de una reacción con CO2 , denominado proceso de carbonatación. La carbonatación es una reacción bien conocida para todas las mezclas de cal y cemento y cambia su composición mineral de CaO (cal) a CaCO3 (carbonato de calcio) y esto sucede naturalmente con el tiempo debido a la intemperie. Los silicatos de magnesio también reaccionarán con el CO2 y los minerales formados debido a la carbonatación se expandirán en huecos y grietas de la estructura cementosa para mantener la estructura sellada.
Más detalladamente, la patente mencionada FR-2.939.429 pertenece a la carbonatación de silicatos de magnesio. Esto es particularmente relevante en la inyección y el sellado de depósitos que contienen CO2. El documento FR-2.939.429 divulga el uso de mezclas de cemento/hormigón de magnesio-olivino para el sellado de pozos de perforación en rocas de formación geológica con el fin de almacenar CO2 en formaciones geológicas.
Detalles de un proceso de carbonatación
Los silicatos de magnesio se pueden carbonizar (por ejemplo, alterados por CO2) y, por lo tanto, aumentará la vida útil del tapón de cemento para las mezclas de cemento en pozos cuando se exponen a CO2 , particularmente aquellos que penetran en los depósitos de almacenamiento de dióxido de carbono (CCS). (FR-2.939.429). Esa patente muestra características de la reacción de olivino con CO2 produciendo carbonato de magnesio, creando un cemento que se repara por sí mismo en condiciones reales en el pozo.
A continuación, se muestra un ejemplo de un proceso de carbonatación del elemento final de magnesio olivino que reacciona con dióxido de carbono.
Carbonatación:
Mg2Si04 2CO2 -* 2MgCC>3 SÍO2
Forsterita dióxido de carbono Magnesita cuarzo
El proceso de carbonatación se produce naturalmente, donde el CO2 reacciona con forsterita.
Un objeto de la presente invención es mejorar las propiedades de una mezcla mineral cementosa mediante la adición de un aglutinante hidráulico puzolánico o latente que reacciona por hidratación, es decir, con H2O y otras soluciones acuosas. Hay una multitud de puzolanas y aglutinantes hidráulicos latentes que se utilizan en las mezclas minerales de cemento que contienen cal (CaO) y agua. Las puzolanas incluyen una serie de materiales naturales y fabricados, como cenizas, escorias, etc. Las puzolanas imparten propiedades específicas al cemento. Los cementos puzolánicos pueden tener una resistencia superior a una edad posterior y pueden ser más resistentes a la intemperie.
Breve Descripción de las figuras
La figura 1A divulga un escáner de CT de una muestra antes de que se realizara el Experimento #1.
La figura 1B divulga una CT de una muestra después de realizar el Experimento #1.
La figura 1C divulga medidas de porosidad y permeabilidad a lo largo del tiempo durante el Experimento #1 La figura 2A divulga una CT de una muestra antes de que se realizara el Experimento #2.
La figura 2B divulga una CT de una muestra después de realizar el Experimento #2.
La figura 2C divulga una CT de una porción de una muestra antes de que se realizara el Experimento #2.
La figura 2D divulga una CT de una porción de una muestra después de que se realizó el Experimento #2.
La figura 3 divulga el análisis de la resistencia a la compresión de la muestra del Experimento #3.
La presente invención
La presente invención se refiere a la reacción puzolánica o hidráulica latente a través de la hidratación, es decir, la reacción con agua y/o soluciones acuosas como agua de mar u otras salmueras con silicatos de magnesio (silicatos divalentes de magnesio-hierro en solución sólida, es decir, los grupos minerales olivino, ortopiroxeno, anfíbol, talco y serpentina). En nuestra invención, las propiedades de sellado y la resiliencia del producto resultante son independientes de la carbonización.
La composición de un material aditivo de cemento para mejorar la durabilidad de estructuras cementosas según la invención se caracteriza por que la composición comprende una mezcla de uno o más de silicatos metálicos divalentes con capacidad para actuar como aglutinante hidráulico latente en dicha composición activados por una hidratación proceso en condiciones acuosas.
Las características preferidas de la composición aparecen en las siguientes reivindicaciones 2 a 4. De acuerdo con una realización preferida particular, la composición incluye una mezcla de cemento Portland y agua, olivino añadido en un intervalo de un 2 % a un 99 % basado en peso de materiales sólidos hidráulicos totales (es decir, sin incluir agregados).
De acuerdo con un aspecto esencial de la invención, se divulga la aplicación de una composición de un material aditivo de cemento de acuerdo con las reivindicaciones anteriores como aglutinante hidráulico latente para aditivos minerales cementosos, morteros y estructuras de hormigón para aplicaciones industriales y para fines de construcción, como se muestra en las reivindicaciones 4 a 9.
Un método para fabricar estructuras de cemento de acuerdo con la presente invención se describe en las reivindicaciones 10 y 11.
Divulgación adicional de la invención, un ejemplo:
Minerales del grupo olivino (Mg, Fe)2SiO4 son silicatos con magnesio y hierro como cationes principales, mientras que el calcio y los elementos menores pueden sustituir en los sitios de cationes divalentes. Mientras que las reacciones entre minerales cristalinos y H2O generalmente se consideran lentos, los silicatos de magnesio reaccionan incluso a temperatura ambiente. Los polvos finos de olivino, cuando se mezclan con agua, pueden aumentar el pH del agua a más de 9. Este es el origen del término "rocas ultrabásicas" y el elemento final de las reacciones utilizadas en nuestra invención.
Las reacciones de hidratación descritas en el presente documento se producen en el extremo más bajo del intervalo de presión y temperatura generalmente discutido en la petrología metamórfica. Los principales procesos son la diagénesis, la meteorización y el metamorfismo de muy bajo grado. En las reacciones geoquímicas, una fuerza adicional en una reacción puede ser la inestabilidad geoquímica, donde los minerales o las soluciones que no están en equilibrio buscan reaccionar hacia un estado estable. En nuestra invención, estamos utilizando inestabilidades geoquímicas inducidas antropogénicamente para inducir metamorfismo, diagénesis y meteorización de grado bajo y muy bajo. Con el tiempo, incluso los granos de olivino cubiertos en una solución acuosa y dejados a temperatura ambiente se desgastarán y alterarán los minerales.
A continuación, se muestran algunas de las reacciones de las olivinas de elementos finales (forsterita y fayalita) cuando se hidratan en reacción con H2O. Puede ocurrir de acuerdo con estas, pero no limitadas a las siguientes ecuaciones de reacción:
3Mg2Si04 SÍO 2 + H 2O ->■ 2Mg3SÍ205(0H)4
Forsterita Cuarzo agua Serpentina
y
2 Mg2Si04 3H20 -► Mg3Si205(0H) Mg(OH)2
Forsterita agua Serpentina Brucita y
3Fe2Si04+ 2 H 2 O ->■ 2Fe304 3SÍ02 2 H 2 Fayalita agua Magnetita silicio acuoso hidrógeno El propósito de la presente invención es utilizar un patrón de reacción similar de silicatos de magnesio en reacciones de hidratación (con agua (H2O) y soluciones acuosas asociadas (por ejemplo, salmueras)), en que la composición se utiliza como potenciadores en materiales de mezcla de minerales cementosos, como puzolana, aglomerante hidráulico latente, como relleno, para el uso de producir sílice amorfa en la reacción latente, y para proporcionar un agente antiincrustante natural en estructuras de hormigón cementoso y/o mortero en general.
Como se divulgó anteriormente, la presente invención es un material aditivo de cemento que es un aglutinante hidráulico puzolánico o latente hecho de silicatos de magnesio que mejora las propiedades de una mezcla mineral cementosa y el resultado de los productos elaborados a partir de la mezcla. Nuestro producto es un material aditivo de cemento que es un aglutinante hidráulico latente que se activa mediante la hidratación y está destinado a las mezclas minerales de cemento con el fin de aumentar la integridad de las estructuras creadas con el tiempo. El producto también se puede utilizar por sus efectos puzolánicos más rápidos.
Si bien una función del producto que es un aditivo de cemento es que el material de silicato de magnesio actúa como relleno en el material de mezcla mineral cementoso, la reacción de aglutinante hidráulico latente por parte de los silicatos de magnesio tendrá reacciones de metamorfosis bajas o muy bajas, diagénesis y meteorización del silicato de magnesio con agua forma productos reactivos tales como hidratos de silicato de magnesio, sílice amorfa e hidrógeno. Estas reacciones y alteraciones de los minerales originales hacen que los productos reactivos se expandan en huecos, poros y otras sombras de presión en la estructura cementosa con materiales de alteración amorfos y cristalinos.
Los elementos menores de silicatos de magnesio naturales y trazas de minerales accesorios, que contienen elementos como níquel, zinc y cromo, pueden además mejorar las interacciones con el acero, notoriamente corroído en contacto con agua corrosiva y salmueras. Los afloramientos de silicato de magnesio con frecuencia están libres de vegetación, y sugerimos que esto es motivo para utilizar silicatos de magnesio debido al contenido de cantidades menores de agentes antiincrustantes.
Para minerales accesorios, estamos usando la definición estándar para un experto en la materia de entre un 0,05 % y un 3 % por volumen de roca. Para la presente invención, este intervalo es preferentemente entre un 0,1 % y un 1 %.
Por lo tanto, agregar minerales de silicato de magnesio a la mezcla de cemento o geopolímero proporcionará una forma a largo plazo y libre de pesticidas para proporcionar propiedades antiincrustantes a las estructuras de cemento y hormigón. Los minerales de traza que contienen Zn, Cr y otros metales pesados aparecerán como puntos microscópicos distintos en una mezcla más grande de minerales que mejoran las propiedades antiincrustantes en la superficie del cemento y contribuyen de manera insignificante a las preocupaciones ambientales a macroescala.
Se sabe que el olivino experimental más utilizado (olivino de San Carlos) con agua se metamorfosea a talco (Mg3(Si4O10) (OH)2), y minerales de cuarzo por debajo de 70 °C y minerales de serpentina (por ejemplo, Mg6(Si4O10) (OH)8) por encima de 70 °C mientras le da al agua un pH más alto debido al H2 producido en la reacción y disuelto en agua. El agua con un pH más alto es naturalmente y menos oxidante para el hierro y el acero y reduce la erosión y el debilitamiento del cemento y las estructuras asociadas dentro y fuera de la mezcla mineral cementosa. La mezcla de materiales reduce la energía libre de Gibbs en comparación con los elementos finales puros. El inicio de las reacciones ocurrirá a temperaturas más bajas para los silicatos de magnesio en las mezclas de minerales cementosos, que para los elementos finales puros solos. El AT por encima del inicio de las reacciones influirá en la velocidad de reacción, ya que la velocidad depende de la temperatura, tal como se describe en la ecuación de Arrhenius. Por lo tanto, los procesos en las mezclas se acelerarán y/o se producirán a temperaturas incluso más bajas que las de los elementos terminales minerales modelo. A presiones y temperaturas diagenéticas y de metamorfismo de grado muy bajo, los silicatos de magnesio reducirán y/o reemplazarán la necesidad de aditivos de cuarzo que evitan el crecimiento de minerales no deseados (por ejemplo, promueven la tobermorita en lugar de las fases de alta relación Ca/Si).
Estructuras como construcciones de carreteras o edificios para viviendas y oficinas se deteriorarán con el tiempo debido a la intemperie y otros factores externos como el clima, así como al deterioro estructural interno. La adición de silicatos de magnesio como producto aditivo del cemento que funciona como un aglutinante hidráulico latente reducirá la meteorización por metamorfismo a baja temperatura que implica la alteración hídrica de los silicatos de magnesio con el tiempo.
Nuestro producto tendrá el mismo resultado que la harina de cuarzo cristalino en cuanto a resistencia a la compresión y permeabilidad a presiones y temperaturas más altas. Alternativamente, puede funcionar como escoria, que también es un aglutinante hidráulico latente para las mezclas minerales cementosas.
La reacción de aglutinante hidráulico latente por hidratación sin calcio en solución en esta invención funciona alterando los minerales a minerales secundarios con una densidad más baja y por lo tanto también un volumen más alto. Debido a los gradientes de presión en escalas micro, los minerales secundarios producidos buscarán formarse en vacíos, poros, cavidades y grietas, sellando así el producto cementoso cuando se expone a soluciones acuosas externa e internamente. Estos son particularmente importantes donde ocurrieron debilidades en el producto cementoso durante el emplazamiento de las mezclas. Incluso durante el curado de la mezcla mineral de cemento que contiene nuestro material aditivo de cemento, el volumen de la mezcla mineral de cemento aumenta, en comparación con las mezclas minerales de cemento ordinarias que se contraen durante el curado. La hidratación es un desencadenante importante de la reacción hidráulica latente de los silicatos de magnesio, en particular de los olivinos. Al agregar silicatos de magnesio, los materiales cementosos se vuelven reparables por sí mismos cuando se exponen al agua y las salmueras.
A medida que la presente invención se expande en volumen durante y después del curado, permite un mejor sellado contra los fluidos ya que una mayor parte del espacio disponible y los poros se llenan con materiales reactivos.
Utilizado en pozos de petróleo y gas, mejora la resiliencia de exposición a los fluidos que penetran en la estructura formada por la mezcla mineral cementosa, al tiempo que crea potencialmente una unión reactiva natural con la roca lateral y amortigua la corrosión del acero en el pozo. Los métodos ya establecidos utilizados en el mantenimiento de pozos y el proceso de taponamiento y abandono (P&A) en la actualidad aún pueden habilitarse mediante el uso de este nuevo aglomerante hidráulico latente para aditivos minerales cementosos. Esto facilita que la industria tome en uso el nuevo cemento.
Las olivinas tienen un ángulo de humectación particular que es mucho más pequeño que la mayoría de los otros sólidos al agua, y el uso de este silicato de magnesio cambiará la adhesión de las mezclas minerales cementosas que contienen olivino al acero y otros productos de hierro.
Este cambio en el ángulo de humectación asegura una mejor unión al acero y al hierro. Esto es muy útil durante las aplicaciones de construcción que involucran barras de refuerzo. También es útil cuando se usa cemento con tubos de acero como los que se usan en la industria del petróleo y el gas. Además, la presente invención proporciona una alta capacidad tampón; evitando que el pH cambie frente a un ácido (o base) fuerte. Esto previene o reduce el daño a la integridad del acero o el hierro.
Nuestras pruebas muestran que los materiales cementosos que se han producido con poros y fracturas se rellenan con minerales metamórficos de baja temperatura cuando los materiales se exponen al agua y las salmueras.
Por tanto, se proporciona un cemento capaz de unir agregados adecuados en un hormigón que puede fraguar y endurecerse bajo el agua.
Ejemplos de uso
Las propiedades químicas de los silicatos de magnesio hacen que el mineral sea adecuado para mejorar el resultado de la cementación y el taponamiento de pozos que son perforaciones que intentan llegar a los yacimientos. Los elementos menores de silicatos de magnesio y los minerales comúnmente accesorios mejorarán las interacciones con el acero. Esta invención se puede utilizar para la gestión de pozos, incluidos, entre otros, yacimientos de petróleo abiertos, en el interior del revestimiento/cubierta/tubo/conductor, entre el revestimiento/cubierta/tubo/conductor y la formación geológica, en pozo abierto como tapón de empuje para perforación/empuje para nueva trayectoria de pozo, como barrera como parte del taponamiento y abandono, así como del taponamiento y abandono permanente, tanto convencional como mediante el uso de tecnología de perforación y lavado. La invención se puede utilizar en productores de petróleo, nuevos y antiguos, productores de gas, nuevos y antiguos, productores de agua, nuevos y antiguos, pozos de inyección, nuevos y antiguos, pozos geotérmicos, nuevos y antiguos, pozos de agua, nuevos y antiguos o cualquier combinación de estas. Los pozos de exploración, los pozos de evaluación y los pozos de desarrollo también serán áreas de uso para la invención. Los problemas de integridad de los pozos debido a las capas de cemento degradadas son una causa conocida de fugas en pozos activos y abandonados. Es probable que el desarrollo de un material de taponamiento de pozos mejorado que impida las fugas a través de los tapones de pozos tenga un gran impacto ambiental positivo, ya que mejora la integridad del pozo a largo plazo y reduce las fugas al medio ambiente. Nuestra invención, como material aditivo de cemento agregado a los materiales de mezcla de minerales cementosos, los silicatos de magnesio aumentarán la vida útil del tapón de cemento para la perforación, el abandono de pozos de petróleo y gas en general, pero también para aquellos que penetran en los depósitos de almacenamiento de dióxido de carbono presentes o futuros. Las prácticas actuales en P&A implican la recuperación masiva ("extracción") de tubos de acero. Este es un riesgo ambiental de trabajo debido a la aplicación de métodos rotativos (corte/fresado) que pueden amenazar a los trabajadores, al mismo tiempo que son muy costosos en tiempo de equipo. La reducción de la corrosión del acero de nuestro producto posiblemente reducirá la cantidad de tracción de acero necesaria y permitirá las prácticas de perforación actualmente en curso (las llamadas cemento perforado y lavado). Del mismo modo, las propiedades acústicas del olivino son significativamente diferentes de las rocas, el acero y el lodo circundantes, lo que facilita el registro si se aplica como material sellador anular. La adición del producto aditivo de cemento hará que los pozos ordinarios descritos anteriormente sean más seguros para el futuro mediante el uso de esta invención en el material cementoso también en áreas que pueden convertirse en reservorios de CCS, como se muestra en el documento FR-2.939.429.
Esta invención es adecuada para su uso en productos de cemento, mortero y/o hormigón para reducir la bioincrustación y la corrosión del acero y el hierro, la intemperie y la carbonatación del material de cemento (también como parte del hormigón).
La corrosión de las construcciones en las que el hormigón contiene, por ejemplo, cemento Portland, es ampliamente conocida y es más propensa a esto en entornos con mal tiempo y expuestas al CO2 y condiciones de sal. Esta intervención resistirá mejor estas condiciones y por lo tanto aumentará la vida útil de las construcciones de hormigón en general.
En el cemento Portland ordinario, es un requisito que los iones Cl-(por ejemplo, agua salada) en el medio fluido añadido a la mezcla se mantiene al mínimo. Como tal, no se utiliza agua de mar normal ni otros tipos de agua que contengan cloruro. De hecho, es normal utilizar agua desionizada.
Los iones de cloruro reducen la resistencia a la rotura de las mezclas de cemento ordinarias. También se sabe que el cloruro en el agua erosiona y oxida las estructuras de acero. Esto es particularmente un problema cuando se agregan sedimentos marinos como agregados a una mezcla de cemento. Además, es un problema cuando hay escasez de agua fresca, Cl- bajo para las mezclas.
La industria del hormigón puede entonces utilizar agua que podría haberse utilizado para agua potable. Por último, el uso de estructuras de hormigón de cemento Portland ordinarias y pozos cementados en productos que estarán expuestos al agua de mar y salmueras después del endurecimiento, por ejemplo, puertos, largueros, molos, serán propensos a la deconstrucción por el cloruro.
En nuestra invención, hemos encontrado que el aditivo de cemento reduce la necesidad de un medio acuoso Cl- bajo, ya que los silicatos de magnesio fortalecerán las estructuras cuando se expongan a los iones de cloruro. Esto permite que el agua de mar y las salmueras subterráneas se utilicen directamente sin eliminar los iones de cloruro.
Se utiliza una concentración de cloruro de entre un 0,7 % y un 10 % en peso de agua, preferentemente entre un 1,2 % y un 5 %. Estas son concentraciones comunes de Cl- se encuentra en agua de mar y salmueras subterráneas.
Además, el alto pH de los silicatos de magnesio y sus reacciones reducirán la cantidad de oxidación de hierro asociada con el producto de cemento u hormigón. Una variación diseñada de tamaños de grano amortiguará los sólidos durante más tiempo. Además, si los sólidos se deforman en una etapa posterior, los granos rotos podrán reaccionar con los productos químicos que están disponibles en el flujo potencial a través de ellos. Esto aumentará el efecto protector si la estructura final necesita repararse por sí misma.
Experimento 1
En un experimento, se fabricaron productos de mezcla de minerales cementosos sólidos basados en una mezcla de un 80 % de cemento Portland y un 20 % de olivino (que es una solución sólida de silicato divalente de magnesio y hierro) en peso, y agua con un índice W/C ordinario (W/C = relación agua/cemento). La fracción de olivino fue de 0,2 con agua desnaturalizada añadida. Se preparó un cilindro de mezcla mineral cementosa sólida y se inundó con una salmuera análoga al agua de mar durante un período de once días. Los cambios de permeabilidad se midieron a lo largo del experimento y la porosidad se evaluó antes y después del experimento utilizando un escáner CT.
Las mediciones mostraron que la porosidad del producto, al aplicar la mezcla mineral cementosa de la invención, se redujo hasta en un 55 %, y la permeabilidad se redujo en un 70 % después de dichos once días expuestos a la salmuera. Los experimentos muestran que mediante la presente invención se consigue un material de hormigón más denso y resistente al agua.
Las figuras 1A y 1B divulgan exploraciones por TC de una muestra durante este experimento. El rojo indica vacíos dentro de la muestra en ambas figuras 2A y 2B. En la figura 2B, el verde muestra la precipitación dentro de los huecos de la muestra.
La figura 1C divulga la permeabilidad y la presión de inyección en función del tiempo durante el transcurso del experimento.
Las mediciones muestran que la porosidad del producto se redujo en un 70 % y la permeabilidad en un 55 %. Esto demuestra la capacidad de reparación por sí mismo de la invención cuando se expone al agua de mar.
El experimento #1 muestra que mediante la presente invención se consigue un material de hormigón más denso y resistente al agua.
Experimento 2
En otro experimento, una mezcla de cemento Portland y la presente invención, como en los Experimentos #1 y #2, se expuso a CO2 durante un período de una semana.
Las figuras 2A y 2B divulgan las CT de antes y después del Experimento #3. El rojo denota vacíos dentro de la muestra en ambas figuras 2A y 2B. La flecha verde en la figura 2A apunta a un gran número de falta de homogeneidad. En la figura 2B, el verde muestra la precipitación dentro de los huecos de la muestra.
Las figuras 2C y 2D divulgan CT de porciones de las muestras que se divulgan en las figuras 2A y 2B respectivamente. Observe que la grieta interna de la figura 2C se ha curado al final del experimento, como se muestra en la figura 2D.
Las mediciones mostraron que después de la exposición al CO2 , más del 90 % de los poros fueron curados por minerales recién formados. Además, casi se eliminaron las faltas de homogeneidad. Estos afectados reducen la porosidad de la muestra.
Experimento 3
Se probaron los experimentos de prueba de resistencia y propiedades de la invención a diferentes porcentajes de aditivo (un 20, 35 y 50 % con respecto al cemento aditivo total). Una muestra cilíndrica se sometió a cantidades crecientes de fuerza de compresión en la parte superior e inferior durante un período de tiempo. El experimento se detuvo cuando la muestra ya no pudo soportar la fuerza que se aplicó. Cada muestra se curó durante un período de una semana antes del experimento.
Los resultados de este experimento se muestran en la figura 3. La línea del 0 % (negra) es cemento Portland regular sin que se agregue la invención. Los porcentajes son porcentaje aditivo por porcentaje en peso de la masa total de cemento. El cemento Portland tiene una rodilla muy afilada una vez que se rompe. Esta es una señal de que el cemento Portland está fallando de manera quebradiza ("dura"). Por el contrario, los resultados con la invención tienen una rodilla redondeada. Esta es una señal de que el fallo es una ruptura de manera frágil, pero de manera cataclástica o rodante. Debe tenerse en cuenta que cada muestra en un porcentaje dado se repitió tres veces.
A partir de los resultados de este experimento, esperamos que sea eficaz una mezcla de un 2 % a un 99 % en peso de sólidos de silicatos dominados por magnesio divalente.
Cataclasis en el presente documento no se usa ni se define de una manera que sea contraria a su significado estándar para un experto en la técnica. Cataclasis significa trituración de granos. Se observa flujo cataclástico durante la deformación de muestras que contienen la invención. Por encima de la zona de transición frágil-dúctil está el flujo cataclástico, el principal mecanismo de deformación que acomoda grandes deformaciones. El mecanismo de deformación es frágil, pero en una escala que hace que la deformación sea continua y se extienda sobre una zona. Se observa que esta zona es más ancha cuantos más silicatos de magnesio se añaden. Por lo tanto, encontramos un comportamiento microscópicamente frágil que produce un flujo dúctil macroscópico. La deformación puede considerarse como un mecanismo dúctil, aunque tiene lugar dentro del régimen de deformación elástico-friccional. Cuanto más amplia es esta zona de deformación, mayor es la deformación dúctil macroscópica. La cataclasis indica que la fuerza de la unión entre los granos de cemento es lo suficientemente fuerte como para permitir que los granos se aplasten. La deformación también es acomodada por el deslizamiento y rodadura de fragmentos dentro de la zona de deformación/parte de deformación del cemento.
Experimento 4
En un experimento, se mezcló cemento Portland ordinario, olivino y agua y se dejó curar durante una semana, después de lo cual se extrajo un núcleo. Se dejó curar el cemento durante cinco semanas más a sesenta grados y se extrajo otro muñón. En comparación, hubo un 50 % menos de porosidad entre una semana y seis semanas de curado a 60 grados C a 1 atm de presión. No hubo cambios en una muestra de control de cemento Portland sin el aditivo de la presente invención.
Comentarios finales
En general, el aumento relativo de volumen cuando el olivino se convierte en serpentina es del 30-40 %, y así mismo el olivino se hidrata a otros minerales a través de la hidratación. Por lo tanto, cada porcentaje de olivino de silicato de magnesio u otro silicato dominado por magnesio divalente que se agrega a una mezcla de cemento puede aumentar el volumen hasta en un 0,4 % cuando se hidrata.
Se espera que tan solo un 2 % en peso de olivino u otro silicato dominado por magnesio divalente pueda dar grandes reacciones iniciales a corto plazo en términos de capacidad amortiguadora temprana, compensación de volumen limitada y cierta resistencia al CO2 inicialmente.
Estimamos que necesitaremos un 8-12 % (en peso de materiales sólidos hidráulicos totales) de olivino u otro silicato divalente dominado por magnesio para reducir la contracción al 0 %.
Además, se estima que un intervalo porcentual (en peso de materiales sólidos hidráulicos totales) de olivino u otro silicato divalente dominado por magnesio de entre un 2 % y un 99 %, preferentemente entre un 10 % y un 99 %, más preferentemente entre un 10 % y un 50 %, lo más preferentemente entre un 15 % y un 25 %, idealmente alrededor de un 20 % será beneficioso para la mayoría de los usos. Habrá algunos efectos técnicos como los descritos anteriormente para el cemento en el amplio intervalo de un 2 % a un 99 %. El intervalo de un 10 % a un 50 % tendría la mejor relación coste-beneficio, dependiendo del entorno, y el intervalo de un 15 % a un 25 % será ideal para la mayoría de las aplicaciones dentro de la práctica industrial actual.
Para los efectos dúctiles, se prefiere el intervalo más alto de un 35 % a un 70 % de silicatos dominados por magnesio.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Una mezcla cementosa para reparación por sí misma, caracterizada por que comprende:
a) un 2 % a un 99 %, más preferentemente de un 10 % a un 50 %, más preferentemente de un 15 % a un 25 % de silicato divalente dominado por magnesio en peso de materiales sólidos hidráulicos totales que en soluciones acuosas neutras o básicas tienen la capacidad de ser un hidráulico latente aglutinante; y
b) iones de cloruro o salmuera con una concentración de cloruro de entre un 0,7 % y un 10 % en peso de agua.
2. La mezcla de la reivindicación 1, caracterizada por que comprende además minerales auxiliares de sulfuro y óxido que contienen uno o más de los cationes níquel, zinc y cromo.
3. La mezcla según una o más de las reivindicaciones anteriores, en la que el silicato dominado por magnesio es olivino.
4. Uso de la mezcla según una o más de las reivindicaciones 1 a 3 para hacer una lechada de cemento que no se solidifica y/o en la construcción de estructuras cementosas solidificadas.
5. Uso de la mezcla según una o más reivindicaciones 1 a 3 en la construcción de estructuras de cemento solidificadas con propiedades antiincrustantes que se extienden a la proximidad de la estructura de cemento, la superficie de la estructura de cemento, el contacto con metales, el contacto con estructuras antiguas adyacentes o materiales naturales.
6. Uso de la mezcla según una o más de las reivindicaciones 1 a 3 en la construcción de estructuras cementosas solidificadas con propiedades contra la intemperie.
7. Uso de la mezcla según una o más de las reivindicaciones 1 a 3 en la construcción de estructuras de cemento solidificado que se deforman por cataclasis para hacerlas más resilientes frente a la deformación por fallos catastróficos por fracturamiento.
8. Uso de la mezcla según una o más de las reivindicaciones 1 a 3 en la construcción de estructuras cementosas solidificadas que se reparar por sí mismas.
9. Uso de la mezcla según una o más de las reivindicaciones 1 a 3 en la construcción de estructuras cementosas solidificadas de modo que el volumen de la estructura aumente a medida que se cura.
10. Método para fabricar estructuras de cemento con propiedades antiincrustantes y/o de reparación por sí mismas mejoradas, caracterizado por que comprende las etapas de:
a) mezclar cemento con un aditivo de cemento que comprende una mezcla de uno o más silicatos dominados por magnesio divalentes con capacidad para actuar como aglutinante hidráulico latente de una mezcla de cemento, dicho aditivo de cemento comprende de un 2 % a un 99 %, más preferentemente de un 10 % a un 50 %, lo más preferentemente de un 15 % a un 25 % de silicato divalente dominado por magnesio por peso de materiales sólidos hidráulicos totales
b) añadir agua que comprenda iones de cloruro y/o salmuera con una concentración de iones de cloruro de entre un 0,7 % y un 10 % en peso de agua, en una relación agua ordinaria a cemento
c) mezclar la mezcla de cemento hasta una lechada neutra o básica
d) hacer una estructura de la mezcla de cemento
e) dejar fraguar la estructura.
11. El método según la reivindicación 10, en el que el silicato dominado por magnesio es olivino.
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