ITVR20090145A1 - Agglomerato lapideo e procedimento per la sua fabbricazione - Google Patents
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Description
AGGLOMERATO LAPIDEO E PROCEDIMENTO PER LA SUA FABBRICAZIONE
DESCRIZIONE
Il presente trovato riguarda un agglomerato lapideo fabbricato in forma di blocchi o lastre con fase legante a base di polveri di caolino calcinato ed il procedimento per la sua fabbricazione.
Attualmente, sono note e largamente impiegate in diversi campi di applicazione lastre in agglomerati lapidei, le quali sono realizzate utilizzando granulati di materiali lapidei naturali (marmo, granito, ecc.) o sintetici (ad esempio vetro) legati insieme da un legante che può essere di tipo inorganico e quindi della classe dei leganti cementizi, oppure di tipo organico, consistente in una resina che viene reticolata per via termica o per via chimica.
Secondo questa tecnologia nota, l'impasto costituito dal granulato, selezionato opportunamente come granulometria e quindi pezzatura dei granuli o frammenti che lo compongono (da un massimo di 150 mm fino alla polvere) e da legante (oltre che da vari additivi, come ad esempio agenti di controllo della fluidità dell'impasto, o promotori di reticolazione e di adesione) viene colato in una cassaforma e sottoposto ad un processo che prevede sostanzialmente la formatura mediante vibrazione e simultanea compressione, ovvero applicazione simultanea di una pressione di compattazione e di un moto vibratorio, il tutto sotto un vuoto prestabilito, per impedire che dell'aria resti inglobata nell'impasto.
Dopo la compattazione sotto vuoto, l'impasto viene lasciato riposare nella cassaforma finché la resina polimerizza (previa l'aggiunta in fase di miscelazione di un apposito catalizzatore) o il cemento fa presa, legando indissolubilmente i granuli di materiale in un unico blocco.
In alternativa, anziché utilizzare una cassaforma, l'impasto può essere convenientemente distribuito su un nastro di formatura, assumendo così la forma di una lastra che dopo compattazione e successivo indurimento non necessiterà dell'operazione di segagione.
In questo caso la reticolazione della resina avviene per via termica, somministrando calore al manufatto, che indurisce così nell'arco di alcuni minuti (anche in questo caso l'aggiunta preventiva di un catalizzatore apposito rende il processo di reticolazione per via termica più veloce).
Quando si utilizza come legante una resina sintetica, uno dei vantaggi principali risiede nel fatto che la fase di indurimento avviene in tempi molto brevi e le proprietà meccaniche del manufatto risultante sono migliori rispetto a quelle dei corrispondenti manufatti legati con legante cementizio.
Gli agglomerati lapidei sopra descritti, pur essendo largamente utilizzati, non appaiono scevri di inconvenienti.
In particolare, le resine (tipicamente di natura poliestere) e i leganti cementizi impiegati presentano alcune criticità sia dal punto di vista della compatibilità ambientale che prestazionale. Un’alternativa ai leganti tradizionali precedentemente descritti è stata proposta nella domanda di Brevetto Internazionale No. WO 03/040054 A1 depositato in data 7 novembre 2002 a nome Cordigeopolymere SA: si tratta di una soluzione che prevede di utilizzare, come legante, un geopolimero del tipo a base di polisilicati e/o di polialluminati (specificatamente si fa riferimento a poli-sialati, poli-sialati-siloxo, poli-sialati-disiloxo).
Tali geopolimeri, per poter essere impiegati come leganti, vengono genericamente ottenuti mediante reazione tra un alluminosilicato (sia proveniente da caolini naturali che da silicoalluminati sintetici) e una soluzione concentrata di un idrossido alcalino in presenza o meno di un silicato solubile.
Durante le varie fasi della reazione tra i componenti, l'acqua presente nella soluzione concentrata viene ceduta (principalmente sotto forma di condensa) determinando una porosità nel manufatto finale (e in particolare nella sua fase legante) legata alla percentuale di acqua presente nella composizione del geopolimero.
Appare evidente che tale percentuale di porosità all'interno del manufatto in agglomerato è assolutamente incompatibile con le proprietà richieste tra le quali ricordiamo la resistenza meccanica e la non permeabilità.
Compito precipuo del presente trovato è quello mettere a disposizione un agglomerato lapideo, e il procedimento per la sua fabbricazione, in grado di soddisfare le richieste prestazionali per un manufatto destinato al settore delle costruzioni, con migliorate caratteristiche chimiche e fisicomeccaniche rispetto ai materiali convenzionali della stessa categoria.
All'interno di questo compito, uno scopo importante del presente trovato è anche quello di ideare un agglomerato lapideo, e il procedimento per la sua fabbricazione, che si caratterizzino per un minore impatto ambientale rispetto a quanto oggigiorno in commercio, sia per quanto riguarda il processo di fabbricazione che per quanto riguarda il materiale stesso in opera e nella fase di demolizione.
Un ulteriore scopo del trovato è quello di fornire un agglomerato lapideo, e il procedimento per la sua fabbricazione partendo da materie prime reperibili in commercio e successivamente modificate durante un procedimento industriale, che presenti un costo di produzione contenuto, in modo tale che il suo impiego risulti vantaggioso anche dal punto di vista economico.
Questi e altri scopi ancora che meglio appariranno in seguito, vengono raggiunti da un procedimento per la fabbricazione di agglomerati lapidei, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi:
• fornire una fase legante mediante miscelazione di polveri di caolino calcinato che vengono fatte reagire con soluzioni di silicato di sodio con i seguenti rapporti stechiometrici: Si/Al= compreso tra 1.8 e 2.2, Al2O3/Na2O compreso tra 0.5 e 1.5 e con un rapporto tra numero di moli di H20 e numero di moli di Na2O compreso tra 8 e 10.;
• unire detta fase legante con materiale lapideo in forma granulare per ottenere un agglomerato lapideo;
• versare detto agglomerato lapideo in una cassaforma o su un nastro;
• compattare per vibrazione e simultanea compressione sotto vuoto detto agglomerato lapideo.
Secondo un ulteriore aspetto, il presente trovato mette a disposizione un agglomerato lapideo caratterizzato dal fatto di comprendere materiale lapideo in forma granulare legato per mezzo di una fase legante, detta fase legante comprendendo una miscela di polveri di caolino calcinato che vengono fatte reagire con soluzioni di silicato di sodio con i seguenti rapporti stechiometrici: Si/Al= compreso tra 1.8 e 2.2, Al2O3/Na2O compreso tra 0.5 e 1.5 e con un rapporto tra numero di moli di H20 e numero di moli di Na2O compreso tra 8 e 10.
Negli esempi di realizzazione che seguono, singole caratteristiche, riportate in relazione a specifici esempi, potranno in realtà essere intercambiate con altre diverse caratteristiche, esistenti in altri esempi di realizzazione.
Il presente trovato riguarda un agglomerato lapideo comprendente materiale lapideo in forma granulare legato per mezzo di una fase legante.
La fase legante comprende, in particolare, una miscela di polveri di caolino calcinato che vengono fatte reagire con soluzioni di silicato di sodio con i seguenti rapporti stechiometrici: Si/Al= compreso tra 1.8 e 2.2, Al2O3/Na2O compreso tra 0.5 e 1.5.
E’ stato sorprendentemente trovato che, a differenza di quanto riportato nella letteratura specifica e nei precedenti brevetti, un legante ottimale per la preparazione dell'agglomerato lapideo con fase legante a base di polveri di caolino calcinato che vengono fatte reagire con soluzioni di silicato di sodio, viene ottenuto impiegando rapporti molari di acqua estremamente bassi.
A tal proposito si è riscontrato essere estremamente efficace un rapporto tra numero di moli di H20 e numero di moli di Na2O compreso tra 8 e 10.
Secondo una preferita forma di realizzazione, il rapporto Si/Al è pari a 2.
In tal modo, grazie ad una opportunamente studiata fase di miscelazione che verrà descritta meglio in seguito, si ottiene un agglomerato lapideo con porosità del tutto compatibili con quelle di un manufatto destinato al settore delle costruzioni ad elevate prestazioni.
Opportunamente, la percentuale di materiale lapideo in forma granulare (con granulometria massima che può andare da 0.1 mm a 150 mm) è compresa tra il 60% e il 90% in peso sul totale e, conseguentemente, la percentuale di fase legante è compresa tra il 10% e il 40% in peso sul totale. Secondo un ulteriore aspetto, il presente trovato mette a disposizione un procedimento per la fabbricazione di agglomerati lapidei.
È noto che i geopolimeri sono materiali che si formano per reazione di un alluminosilicato con una soluzione concentrata di un idrossido alcalino in presenza o meno di un silicato solubile.
Vengono infatti definiti "geopolimeri" quegli alluminosilicati a struttura tridimensionale che sono formati a bassa temperatura e in tempi rapidi a partire da alluminosilicati naturali.
Un aspetto comune a tutti questi materiali è lo stadio di attivazione alcalina per la loro preparazione.
Sono, in pratica, dei polimeri inorganici presentanti una struttura consistente in catene o anelli piani o strutture tridimensionali formate da ioni Si<4+>e Al<3+>in coordinazione tetraedica e cationi Na<+>, k<+>o Ca<2+>in posizioni interstiziali per bilanciare la carica negativa dei tetraedri di [AlO4]-.
Il geopolimero è quindi costituito da un alluminosilicato naturale o sintetico e da una soluzione alcalina molto concentrata che può eventualmente contenere silicati disciolti. L'alluminosilicato deve risultare sufficientemente reattivo per poter essere utilizzato nella preparazione del geopolimero.
Secondo il presente trovato, il procedimento per la fabbricazione di agglomerati lapidei comprende le seguenti fasi:
• fornire una fase legante mediante miscelazione di polveri di caolino calcinato che vengono fatte reagire con soluzioni di silicato di sodio con i seguenti rapporti stechiometrici: Si/Al compreso tra 1.8 e 2.2, Al2O3/Na2O compreso tra 0.5 e 1.5 e con un rapporto tra numero di moli di H20 e numero di moli di Na2O compreso tra 8 e 10.;
• unire la fase legante con il materiale lapideo in forma granulare per ottenere un agglomerato lapideo;
• versare l'agglomerato lapideo in una cassaforma o su un nastro;
• compattare per vibrazione e simultanea compressione sotto vuoto l'agglomerato lapideo così ottenuto.
Secondo una preferita forma di realizzazione, il rapporto Si/Al è pari a 2.
Vantaggiosamente, le polveri di caolino calcinato, vengono ottenute portando il caolino, reperibile commercialmente, a temperature comprese tra 700 e 800°C con una rampa di temperatura predefinita e prevedendo un tempo di mantenimento alla temperatura massima di almeno 6 ore.
In tal modo, si modifica lo stato di coordinazione dell’Alluminio per renderlo così disponibile per le successive reazioni.
Le soluzioni di silicato di sodio reperibili in commercio vengono quindi modificate mediante l’aggiunta di NaOH in scaglie fino ad ottenere i rapporti stechiometrici precedentemente citati.
Mescolando insieme i due reagenti si forma una pasta che rapidamente si può indurire e quindi ne consente l'utilizzo come legante nella fabbricazione degli agglomerati lapidei.
Per altro è stato verificato che la produzione di caolino calcinato alle temperature sopra indicate consente di ottenere quale legante di una polvere fine compatibile con la fabbricazione di un agglomerato lapideo in forma di blocchi o lastre. Infatti, la fabbricazione degli agglomerati lapidei, secondo tecnica nota, necessita di una frazione granulare che può essere costituita da frammenti di roccia di natura diversa di granulometria massima in genere compresa tra 0.1 e 150 mm e da una aliquota di polvere fine di granulometria inferiore a 50 micron che deve mescolarsi intimamente con la fase legante per andare a costituire la matrice in grado di collegare indissolubilmente la fase granulare.
Opportunamente l'ottenimento di caolino calcinato alle temperature indicate conduce ad una polvere avente un diametro medio compreso tra 5 e 25 micron e quindi del tutto compatibile, in termini di dimensione, con le polveri fini necessarie alla fabbricazione degli agglomerati.
Questo consente di formulare una fase legante, costituita dalla polvere di caolino calcinato e dalla soluzione di silicato di sodio, eventualmente addizionata di polvere fine di opportuna natura chimica, avente una reologia tale da consentire la realizzazione di agglomerati lapidei con dimensioni massime dei granuli fino a 150 mm.
Gli stadi essenziali della formazione del legante sono quindi i seguenti:
a) la materia prima (alluminosilicato) a contatto con la soluzione fortemente alcalina di Na(OH), e/o eventualmente K(OH), inizia a sciogliersi formando essenzialmente silicati e alluminati solubili. Questa reazione avviene con consumo di acqua e forma rapidamente una soluzione soprassatura secondo lo schema di seguito riportato:
Al2O3 3 H2O 2OH<->→ 2[Al(OH)4]-SiO2 H2O OH<->→ [SiO(OH)3]-SiO2 2OH<->→ [SiO2(OH)2]<2->b) precipita un gel allumino-silicato alcalino; questa fase può essere identificata con la fase di presa del materiale. In questa fase si libera acqua utilizzata per dissoluzione. L'acqua rimane presente nei pori del gel il quale, mentre si forma, si va a legare alle particelle residue di materia prima. Infatti, il silicato di alluminio reattivo che costituisce la materia prima non si scioglie del tutto ma, la percentuale di dissoluzione dipende dalle dimensioni, dalla reattività e dalla soluzione alcalina utilizzata; c) il terzo stadio consiste nella riorganizzazione del gel, nel completamento delle reazioni di condensazione con un aumento della connettività e conseguente amento delle proprietà meccaniche della fase legante.
Tutte le reazioni descritte avvengono a temperatura ambiente o leggermente superiore, sono esotermiche e si completano in tempi generalmente abbastanza ridotti.
Durante la fase di miscelazione è possibile prevedere una fase di addizione di pigmenti inorganici per conferire determinate colorazioni alla fase legante.
Come spiegato in precedenza, l’impasto così preparato viene scaricato in una cassaforma o su un nastro e successivamente compatto per vibrazione e simultanea compressione sotto vuoto. Il blocco o la lastra così formati vengono fatti indurire per un tempo conveniente in condizioni di umidità controllata e successivamente vengono lavorati come qualunque altro materiale lapideo naturale o agglomerato.
Vantaggiosamente, la percentuale del materiale lapideo granulare è compresa tra il 60% e il 90% in peso sul totale dell'agglomerato lapideo, mentre la percentuale della fase legante è compresa tra il 10% e il 40% in peso sul totale, e può comprendere in parte o in totale la polvere fine necessaria alla fabbricazione di un agglomerato lapideo con elevate prestazioni.
ESEMPIO 1
Componenti del materiale lapideo in forma granulare:
- Carbonato di calcio in granulometria 0.5-0.7 mm: 35-40%;
- Carbonato di calcio in granulometria 0.1–0.4 mm: 22-26%;
Carbonato di calcio in granulometria <45 micron:10-15%.
Fase legante:
- Miscela di caolino calcinato e silicato di sodio q.b. a 100.
Ossido colorante: 0.1-1.0%.
Un materiale così preparato, opportunamente miscelato e formato per vibrazione e simultanea compressione sotto vuoto presenta le seguenti caratteristiche fisico-meccaniche:
a) assorbimento d’acqua (secondo EN-14617/1) = 2-4%;
b) resistenza a flessione (secondo EN-14617/2) = 20-30 Mpa;
c) resistenza all’abrasione (secondo En-14617/4) = 400-500 mmc.
ESEMPIO 2
Componenti del materiale lapideo in forma granulare:
- Quarzo bianco in granulometria 0.5-1.2 mm: 35-40%;
- Sabbia di Quarzo in granulometria 0.1–0.3 mm: 24-28%;
- Polvere di Quarzo in granulometria <45 micron: 10-15%;
Fase legante:
- Miscela di caolino calcinato e silicato di sodio q.b. a 100.
Ossido colorante: 0.1-1.0%.
Un materiale così preparato, opportunamente miscelato e formato per vibrazione e simultanea compressione sotto vuoto presenta le seguenti caratteristiche fisico-meccaniche:
a) assorbimento d’acqua (secondo EN-14617/1) = 2 4%;
b) resistenza a flessione (secondo EN-14617/2) = 30-40 Mpa;
c) resistenza all’abrasione (secondo En-14617/4) = 200-300 mmc.
ESEMPIO 3
Componenti del materiale lapideo in forma granulare:
- Carbonato di calcio in granulometria 20-30 mm: 6-10%
- Carbonato di calcio in granulometria 10–20 mm: 18-22%
- Carbonato di calcio in granulometria 5–10 mm: 14-18%
- Carbonato di calcio in granulometria 1.5–5 mm: 15-20%
- Carbonato di calcio in granulometria 0.5–1.5 mm: 0-5%
- Carbonato di calcio in granulometria <100 micron: 0-5%
Fase legante:
Miscela di caolino calcinato e silicato di sodio q.b. a 100.
Ossido colorante: 0.1-1.0%
Un materiale così preparato, opportunamente miscelato e formato per vibrazione e simultanea compressione sotto vuoto presenta le seguenti caratteristiche fisico-meccaniche:
a) assorbimento d’acqua (secondo EN-14617/1) = 2-4%;
b) resistenza a flessione (secondo EN-14617/2) = 10-20 Mpa;
c) resistenza all’abrasione (secondo En-14617/4) = 300-400 mmc.
Si è in pratica constatato come in tutte le forme realizzative il trovato abbia raggiunto il compito e gli scopi ad esso preposti.
Inoltre si è constatato che, grazie all'utilizzo, all'interno della fase legante, di una percentuale di polveri di caolino calcinato che vengono fatte reagire con soluzioni di silicato di sodio si garantisce che:
- rispetto ai leganti in poliestere, i leganti oggetto della presente invenzione presentano un minor impatto ambientale ed, essendo completamente inorganici, risultano più stabili in ambiente esterno e alla fiamma in caso di incendio;
- rispetto ai leganti a base cementizia, i leganti oggetto della presente invenzione presentano un ritiro durante la fase di essicazione molto più contenuto e, quindi, non danno problemi di stabilità dimensionale oltre che un minore impatto ambientale (riduzione dell'80% della CO2 prodotta durante il procedimento di fabbricazione);
- rispetto ai leganti a base di geopolimeri tradizionali i leganti oggetto della presente invenzione presentano una porosità molto più contenuta tanto da renderli adatti e del tutto compatibili con un manufatto ad elevate prestazioni destinato al settore delle costruzioni.
In pratica i materiali impiegati nonché le dimensioni e le forme contingenti potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze.
Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.
Claims (2)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la fabbricazione di agglomerati lapidei, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: • fornire una fase legante mediante miscelazione di polveri di caolino calcinato che vengono fatte reagire con soluzioni di silicato di sodio con i seguenti rapporti stechiometrici: Si/Al= compreso tra 1.8 e 2.2, Al2O3/Na2O compreso tra 0.5 e 1.5 e con un rapporto tra numero di moli di H20 e numero di moli di Na2O compreso tra 8 e 10; • unire detta fase legante con materiale lapideo in forma granulare per ottenere un agglomerato lapideo; • versare detto agglomerato lapideo in una cassaforma o su un nastro; • compattare per vibrazione e simultanea compressione sotto vuoto detto agglomerato lapideo. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di portare del caolino , prima della miscelazione con dette soluzioni di silicato di sodio, ad una temperatura predeterminata compresa tra 700 °C e 800 °C per ottenere detto caolino calcinato. 3. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la percentuale di detto materiale lapideo in forma granulare è compresa tra il 60% e il 90% in peso sul totale e la percentuale di detta fase legante è compresa tra il 10% e 1l 40% in peso sul totale. 4. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di mantenere dette polveri di caolino a detta temperatura predeterminata per almeno 6 ore. 5. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere, durante la fase di miscelazione di dette polveri di caolino calcinato, l'addizione di pigmenti inorganici per conferire determinate colorazioni a detta fase legante. 6. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il rapporto stechiometrico tra Silicio (Si) e Alluminio (Al) è pari a 2. 7. Agglomerato lapideo caratterizzato dal fatto di comprendere materiale lapideo in forma granulare legato per mezzo di una fase legante, detta fase legante comprendendo una miscela di polveri di caolino calcinato che vengono fatte reagire con soluzioni di silicato di sodio con i seguenti rapporti stechiometrici: Si/Al compreso tra 1.8 e 2.
- 2, Al2O3/Na2O compreso tra 0.5 e 1.5 e con un rapporto tra numero di moli di H20 e numero di moli di Na2O compreso tra 8 e 10. 8. Agglomerato lapideo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la percentuale di detto materiale lapideo in forma granulare è compresa tra il 60% e il 90% in peso sul totale e la percentuale di detta fase legante è compresa tra il 10% e il 40% in peso sul totale. 9. Agglomerato lapideo secondo una o più delle rivendicazioni 7 o 8, caratterizzato dal fatto che il rapporto stechiometrico tra Silicio (Si) e Alluminio (Al) è pari a 2.
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| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | ITVR20090145A1 (it) |
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| FR2666253A1 (fr) * | 1990-09-04 | 1992-03-06 | Davidovits Joseph | Procede d'obtention d'un liant geopolymerique permettant la stabilisation, la solidification et la consolidation de dechets toxiques. |
| WO2003040054A1 (fr) * | 2001-11-08 | 2003-05-15 | Cordi-Geopolymere Sa | Pierre geopolymerique pour la construction et la decoration, et procede d'obtention |
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-
2009
- 2009-09-21 IT IT000145A patent/ITVR20090145A1/it unknown
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| SINGH P S ET AL: "Geopolymer formation processes at room temperature studied by <29>Si and <27>Al MAS-NMR", MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A: STRUCTURAL MATERIALS:PROPERTIES, MICROSTRUCTURE & PROCESSING, LAUSANNE, CH LNKD- DOI:10.1016/J.MSEA.2005.02.002, vol. 396, no. 1-2, 15 April 2005 (2005-04-15), pages 392 - 402, XP025303364, ISSN: 0921-5093, [retrieved on 20050415] * |
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