Вяжущее

 

Вяжущее относится к составу вяжущего, которое может быть использовано при изготовлении бетонов и растворов, применяемых для футеровки тепловых агрегатов с температурой эксплуатации 800-1200°С. Техническим результатом изобретения является повышение остаточной прочности после нагревания до 800-1000°С. Вяжущее, включающее глиноземистый цемент и жидкое стекло, дополнительно содержит метакаолин при следующем соотношении компонентов, мас.%: глиноземистый цемент 48-54, жидкое стекло 25-27, метакаолин 19-27. Состав имеет следующие преимущества: позволяет эффективно использовать низкомарочный (даже "лежалый") глиноземистый цемент; снижаются энергозатраты на помол компонентов. 2 табл.

Изобретение относится к составу вяжущего и может быть использовано при изготовлении бетонов и растворов, применяемых для футеровки тепловых агрегатов с температурой эксплуатации 800-1200^oC.

Известно вяжущее, включающее глиноземистый цемент, жидкое стекло и шлам электрокорунда /Авторское свидетельство СССР N 1079626, М.Кл.: С 04 В 15/00, 19/04. Бетонная смесь / В.М. Прядко, А.Ф. Польща и др. - Опубл. 15.03.84. Бюл. N 10, 1984. // Открытия. Изобретения/ [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является вяжущее (прототип) /Авторское свидетельство СССР N 1539182, М.Кл.: С 04 В 28/06, 7/00. Вяжущие /А.Ф. Польща, В.М. Предко и др. - Опубл. 30.01.90. Бюл. N 4, 1990 // Открытия. Изобретения/ [2], содержащее жидкое стекло, шлам электрокорунда и тонкомолотый кварцит при следующем соотношении компонентов, мас.%: Глиноземистый цемент - 48-54 Жидкое стекло - 25-27 Шлам электрокорунда - 14-18 Тонкомолотый кварцит - 5-9.

Общим недостатком известных решений является низкая прочность после нагревания до 800-1000^oC.

Техническим результатом изобретения является повышение остаточной прочности после нагревания до 800-1000^oC за счет интенсификации процесса муллитообразования.

Технический результат в изобретении достигается тем, что вяжущее, включающее глиноземистый цемент и жидкое стекло, дополнительно содержит метакаолин при следующем соотношении компонентов, мас.%: Глиноземистый цемент - 48-54 Жидкое стекло - 25-27 Метакаолин - 19-27.

Взаимодействие клинкерных минералов - алюмината кальция CaOAl₂O₃ (CA) и диалюмината кальция CaO2Al₂O₃ (CA₂) глиноземистого цемента с водой обеспечивает быстрое нарастание прочности цементного камня в первые 3 суток /Кузнецова Т. В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы. - М.: Стройиздат, 1986. - С.157/ [3], а наличие в составе вяжущего жидкого стекла способствует повышению прочности после сушки. В интервале температур 100-700^oC происходит дегидратация кристаллогидратной составляющей цементного камня. При дальнейшем повышении температуры наблюдается перекристаллизация алюминатов кальция /Химия цементов / Под ред. X.Ф. Тейлора. - М.: Стройиздат, 1969. - С. 172/ [4].

Выделяющийся при гидролизе клинкерных минералов (диалюмината кальция - CaO2Al₂O₃ и монокальциевого алюмината - CaOAl₂O₃) гидроксид алюминия - Al(OH)₃ со временем кристаллизуется в гиббсит /Кравченко И.В. Глиноземистый цемент. - М.: Стройиздат, 1960. - С. 175/ [5]. При нагревании крупные кристаллы его сначала образуют бемит - AlOOH, который, разрушаясь в интервале температур 300-700^oC, переходит в аморфный глинозем / Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Вып. второй. Металл - кислородные соединения силикатных систем. /Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Бондарь И.А., Удалов Ю. П. - Изд.: "Наука", Ленингр. отд., Л., 1969. - С. 18 - 33/ [6]. Дегидратация и перекристаллизация сопровождаются объемными деформациями. Эти факторы в совокупности приводят к деструкции цементного камня и понижению его прочности при 800-1000^oC.

Повысить остаточную прочность цементного камня в условиях воздействия высоких температур можно за счет добавок, интенсифицирующих спекание.

Среди твердофазовых образований, улучшающих спекание, наибольший эффект упрочнения достигается при образовании муллита за счет его игольчатого строения, которое позволяет "сшивать", "залечивать" деструктированный цементный камень.

Муллитообразование возможно в системах, содержащих Al₂O₃ и SiO₂. Интенсивность процесса муллитообразования определяется дисперсностью и химической активностью кремнезема и глинозема. Наиболее легко образуется муллит из каолинита, а затем из аморфных оксидов. Из кристаллических составляющих муллит может образоваться только при высоких температурах.

При нагревании цементного камня из вяжущего предлагаемого состава образование муллита происходит по трем реакциям: 1) из метакаолина /Брек К. Цеолитовые молекулярные сита. - М.: Мир, 1976. - С. 324-329/ [7]:


Метакаолин относится к активной фазе каолинитовых глин, является продуктом дегидратации преобладающего компонента каолиновой огнеупорной глины - глинистого минерала каолинита.

2) за счет взаимодействия аморфного глинозема, образующегося при 300-700^oC из составляющих цементного камня, и аморфного кремнезема - продукта распада каолинита;
3) за счет взаимодействия аморфного глинозема, образующегося при 300-700^oC из составляющих цементного камня, и аморфного кремнезема - продукта распада составляющей цементного камня из жидкого стекла.

Пример.

Предлагаемый состав вяжущего иллюстрируется примерами, приведенными в табл. 1. Эксперименты были проведены на глиноземистых цементах разной активности: I серия - на ГЦ с активностью 15 МПа, II серия - на ГЦ с активностью 40 МПа.

Смесь компонентов вяжущего после дозирования и перемешивания до однородного состава затворяли водным раствором жидкого стекла плотностью 1,3 г/см³ до получения теста нормальной густоты. После этого формовали образцы - балочки размером 40х40х160 мм и образцы - кубы 50х50х50 мм. Уплотнение смеси производилось на лабораторной виброплощадке.

После твердения в течение 3 суток в естественных условиях образцы были высушены до постоянной массы и подвергнуты испытаниям на прочность при сжатии. Свойства цементного камня всех исследованных составов приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, составы 1-3 являются оптимальными. Прочность цементного камня из них после сушки возрастает. При более высокотемпературной обработке наблюдается дополнительный прирост прочности для серии на ГЦ-400 с 48,8-51,0 (прочность после сушки) до 52,9-54,7 (прочность после обжига при температуре 1000^oC) МПа, а не на марочном ГЦ с активностью 15 МПа соответственно с 23,0-25,6 до 39,0-46,0 МПа. Прирост прочности подтверждает теоретические аспекты процесса спекания за счет муллитообразования. Активность глиноземистого цемента влияет на значения прочности, но эти зависимости на стадии твердения и после термообработки имеют разный характер. После твердения и сушки наблюдается прямо пропорциональная зависимость: чем выше активность ГЦ, тем выше прочность. После термообработки, особенно при 1000^oC, значения прочности выравниваются, а наибольший прирост прочности наблюдается для низкоактивного вяжущего.

При выходе за граничные пределы цель изобретения не достигается.

При содержании жидкого стекла выше верхнего предела (состав N 6), на образцах после твердения и сушки за счет избытка влажности образуются трещины, что сказывается на прочности - она понижается.

Увеличение содержания метакаолина (состав N 4) приводит к получению малопластичной, неудобоукладываемой массы, то есть сначала ухудшаются ее технологические свойства. Недостаточная степень уплотнения уменьшает площадь контакта частиц и, соответственно, степень спекания при обжиге.

Содержание метакаолина меньше нижнего предела (состав N 5) не обеспечивает повышения остаточной прочности.

Процесс спекания в известном составе (по прототипу) несовершенен, не приводит к повышению прочности при обжиге, а лишь уменьшает величину потери прочности. Это связано с низкой химической активностью глинозема в корундовом шламе и кремнезема из кварцита.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый состав отличается от известного введением нового компонента - метакаолина. Благодаря отличию состава, достигается положительный эффект, выраженный в существенном повышении остаточной прочности за счет интенсификации процесса муллитообразования после нагревания до 800-1000^oC.

Кроме того, предлагаемый состав, по сравнению с прототипом, имеет и другие преимущества:
позволяет эффективно использовать низкомарочный (даже "лежалый") глиноземистый цемент;
уменьшаются энергозатраты на помол компонентов за счет замены прочного и твердого кварцита на малопрочный материал - метакаолин.

Таким образом, проведенный заявителем поиск по научно-техническим и патентным источникам информации аналогов и выбранный из перечня аналогов прототип позволил выявить отличительные признаки в заявляемом техническом решении, следовательно, заявляемый состав вяжущего на основе глиноземистого цемента и жидкого стекла удовлетворяет критерию изобретения "новизна".

В обнаруженной информации отсутствуют сведения об указанном техническом результате, из нее не выявляется влияние отличительных признаков на достижение технического результата, следовательно, данное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень". Критерий изобретения "промышленная применимость" подтверждается тем, что внедрение предлагаемого технического решения не потребует существенных капитальных затрат и найдет широкое применение в составах футеровок тепловых агрегатов с температурой эксплуатации 800-1200^oC.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Авторское свидетельство СССР N 1079626, М.Кл.: С 04 В 15/00, 19/04. Бетонная смесь / В.М. Прядко, А.Ф. Полыща и др. - Опубл. 15.03.84 г. Бюл. N 10, 1984 // Открытия. Изобретения.

2. Авторское свидетельство СССР N 1539182, М.Кл.: С 04 В 28/06, 7/00. Вяжущие /А.Ф. Польща, В.М. Предко и др. - Опубл. 30.01.90. Бюл. N 4, 1990 // Открытия. Изобретения.

3. Кузнецова Т.В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы. - М.: Стройиздат, 1986. - С. 157.

4. Химия цементов / Под ред. X.Ф. Тейлора. - М.: Стройиздат, 1969. - С. 172.

5. Кравченко И. В. Глиноземистый цемент. - М.: Стройиздат, 1960. - С. 175.

6. Торопов Н. А., Барзаковский В.П., Бондарь И.А., Удалов Ю.П. - Изд.: "Наука", Ленингр. отд., Л., 1969. - С. 18-33.

7. Брек К. Цеолитовые молекулярные сита. - М.: Мир, 1976. - С. 324-329.

Формула изобретения

Вяжущее, включающее глиноземистый цемент и жидкое стекло, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит метакаолин при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Глиноземистый цемент - 48 - 54
Жидкое стекло - 25 - 27
Метакаолин - 19 - 27н

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2