Безобжиговое вяжущее

 

Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для получения портландцементов, строительных растворов и бетонов на их основе. Технический результат - получение малоцементного важущего на основе магнезиальных пород - базальтов с достаточно высокими прочностными характеристиками. Вяжущее, состоящее из портландцементного клинкера, двуводного гипса и добавки, в качестве добавки содержит магнезиальную породу - базальт после его измельчения с водой в течение 15 мин при следующем соотношении компонентов, мас. %: базальт 30, двуводный гипс 3, портландцементный клинкер - остальное. 5 табл.

Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для получения портландцементов, строительных растворов и бетонов на их основе.

Известно вяжущее, включающее, мас.%: - портландцементный клинкер; - двуводный гипс; - доломит; (см. автореф. дис.на соиск. учен.степ. кандид. технич. наук Истомина М. Ю., г.Улан-Удэ, 1998).

По нашему мнению, указанная добавка потребует дополнительные затраты энергии на предусмотренный обжиг при указанной температуре. Предлагаемое вяжущее обладает более высокой прочностью, выше на 36% по сравнению с известной композицией.

Наиболее близкими к заявленному изобретению составами того же назначения по совокупности признаков являются вяжущие, содержащие, мас.%: 1 - Хвосты Ковдорского ГОКа - 50 - 85 Портландцементный клинкер - 15 - 50 (см. Использование попутных продуктов обогащения железных руд в строительстве на Севере. Л., Стройиздат. Ленинградское отделение, 1986, с.80-97).

2 - Портландцементный клинкер - 88 - 94 Двуводный гипс - 4 - 6 Продукт термохимической обработки щелочесодержащих алюмосиликатных материалов - 2 - 6
(см. а.с. 639828, МКИ С 04 В 7/35, Б.И. 48, 1978).

При использовании известных веществ, принятых за прототип, недостатком является то, что в веществе 1 применение автоклавной обработки удорожает вяжущее. К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании вещества 2, относят то, что в данном веществе дополнительные компоненты усложняют систему и удорожают вяжущее. Увеличение добавки нефелинового концентрата более 6% приводит к снижению прочности, сокращению сроков схватывания. Предлагаемое вяжущее обладает более высокой прочностью выше на 19% по сравнению с прототипом 1 при хранении на воздухе. Создаются условия для получения щелочных портландцементов без введения щелочей и добавок - замедлителей схватывания в цемент по сравнению с прототипом 2.

Поэтому предлагается возможность создания портландцементов с использованием магнийсиликатной породы. Композиция "базальт - портландцементный клинкер - двуводный гипс" позволяет заменить доломит в известном вяжущем.

Целью предлагаемого изобретения является получение малоцементного вяжущего на основе магнезиальных пород - базальтов с достаточно высокими прочностными характеристиками.

Указанная цель изобретения достигается тем, что безобжиговое вяжущее, состоящее из портландцементного клинкера, двуводного гипса и добавки, в качестве добавки содержит магнезиальную породу - базальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Указанный базальт - 30
Двуводный гипс - 3
Портландцементный клинкер - Остальное
Известен механизм процесса гидратации и твердения портландцементов на основе магнийсодержащих хвостов Ковдорского ГОКа, представляющих собой горную породу ультраосновного состава. Большую роль в формировании механических свойств материала играют параметры автоклавного синтеза. При гидротермальном синтезе в условиях автоклава силикаты магния и железистомагниевые силикаты изменяют свою структуру в системе (Mg,Fe)₂•SiO₄ - CaO - H₂O фиксируются новообразования различного кальциево-магниевого состава, обеспечивающие прочность автоклавному камню.

При твердении щелочных портландцементов на основе полевошпатовых пород за счет гидратации портландцементного клинкера повышается щелочность среды. Это способствует деструкции породы и выведению из ее состава щелочи, которая приводит к снижению основности продуктов твердения портландцемента и синтеза щелочных гидроалюмосиликатов из продуктов деструкции портландцемента и алюмосиликатных пород.

Сравнение предлагаемого изобретения с другими известными из уровня техники техническими решениями позволило установить следующее. В известных технических решениях для получения вяжущего использовали различные минеральные добавки, полученные в результате термической обработки сырьевых материалов, входящих в состав известной смеси. Сырьевая смесь обжигалась в восстановительной среде в интервале температур 1250-1500^oС. Недостатком является высокая температура обжига, что приводит к большому потреблению электроэнергии.

В заявленном вяжущем в качестве добавки использована магнийсиликатная порода в виде базальта, измельченного с водой в течение 15 мин.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведение об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня заявленных аналогов прототипов, как наиболее близких по совокупности существенных признаков аналогов, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату - повышению прочности вяжущего, отличительных признаков в заявленном веществе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований, а именно взаимодействие базальта, измельченного с водой в течение 15 мин, с минералами цементного клинкера, обеспечивает положительную реакцию на достижение технического результата - повышение прочности.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Базальт Забайкалья, входящий в состав цемента, представляет собой эффузивную основную породу, занимающую по минералогическому составу промежуточное положение между нефелиновыми сиенитами и дунитами. В состав базальтов примерно в равных количествах входят кальциево-натриевые алюмосиликаты и железисто-магнезиальные минералы. Химический состав, мас.%, приведен в табл.1.

Исходя из химического состава, базальт содержит 8,58% MgO в отличие от известных магнийсодержащих хвостов Ковдорского ГОКа, представляющих собой горную породу ультраосновного состава, и 9,61% СаО в отличие от известного нефелинового концентрата. Химический состав для сравнения приведен, мас.%, в табл.2.

Базальты вскрыши используют в различных отраслях народного хозяйства для строительства в виде бутового камня, изготовления бетонов в виде щебня, для производства теплоизоляционных и звукопоглощающих материалов (строительных базальтовых плит, бумаги, шнуров, волокон).

В данном техническом решении это сырье используется в качестве активного вяжущего компонента в количестве 30% впервые.

Для выбора оптимального состава были приготовлены вяжущие, отличающиеся друг от друга содержанием магнезиальной составляющей (базальта) в процентах по массе: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50; клинкера - 47, 52, 57, 62, 67, 72, 77; составляет гипса 3% от массы клинкера. Полученные смеси затворяли водой. Вяжущие предлагаемых составов готовили двумя способами: 1) хранение в течение 7 суток в лабораторных условиях; 2) хранение в течение 28 суток на воздухе.

Технология получения малоцементного вяжущего предлагаемого состава такова. Портландцементный клинкер, гипс, базальт отдельно просеивают сквозь сито с сеткой 005, соответствующей требованиям ГОСТа. Базальт измельчают с водой в лабораторной стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ в течение 15 мин. Соединяют с клинкером и гипсом. После чего смесь тщательно перемешивают в течение 5 мин, а затем вводят необходимое количество воды. Образцы - кубы размером 2 х 2 х 2 см готовят из приготовленного цементного теста при водоцементном отношении не менее 0,3 и консистенции раствора, характеризуемой расплавом конуса на встряхивающем столике не менее 105 мм. Образцы в формах хранят 24 часа во влажных условиях, после чего хранят в течение 7 и 28 суток на воздухе.

Пример 1
Базальт размалывают с водой в стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ в течение 15 мин при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Базальт - 20
Портландцементный клинкер - 77
Двуводный гипс - 3
Смесь перемешивают и затворяют водой, после чего оставляют 24 ч храниться в формах. Через 7 суток хранения на воздухе образцы испытывают на прочность. Образцы имели прочность при сжатии 18,3 МПа, среднюю плотность 2374 кг/м³. Также образцы хранили 28 суток на воздухе. При этом прочность при сжатии составила 19,1 МПа, средняя плотность не изменилась.

Пример 2
Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%:
Базальт - 25
Портландцементный клинкер - 72
Двуводный гипс - 3
Прочность при сжатии через 7 суток - 24,9 МПа, средняя плотность 2497 кг/м³. Прочность при сжатии через 28 суток - 26,1 МПа.

Пример 3
Проводится аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Базальт - 30
Портландцементный клинкер - 67
Двуводный гипс - 3
Прочность при сжатии через 7 суток 28,0 МПа, средняя плотность 2548 кг/м³. Прочность при сжатии через 28 суток составила 33,0 МПа.

Пример 4 аналогичен примеру 1 при следующем содержании основных компонентов, мас.%:
Базальт - 35
Портландцементный клинкер - 62
Двуводный гипс - 3
R_сж через 7 суток равна 25,4 МПа, P_ср - 2521 кг/м³. R_сж после 28 суток равна 26,7 МПа.

В результате исследований (см. табл.3) удалось установить, что при введении в портландцемент добавки 30% базальта, измельченного с водой в течение 15 мин, прочность повышается по сравнению с известными видами цементов обычного состава.

Характеристики полученных вяжущих веществ приведены в табл.3 (примеры 1-7). Для сравнения в табл.4,5 приведены показатели известных прототипов. В табл. 3, 4, 5 приняты следующие обозначения основных компонентов:
К - портландцементный клинкер;
Г - двуводный гипс;
Д - минеральная добавка;
R_сж - предел прочности при сжатии.

Анализ результатов табл.3 показывает, что
- вяжущее, состоящее только из портландцементного клинкера и гипса, обладает пониженной прочностью по сравнению с предложенным вяжущим, имеющим в своем составе кроме указанных компонентов минеральную добавку - базальт, измельченный с водой в течение 15 мин;
- с увеличением расхода добавки базальта, начиная с 35%, снижением клинкера до 62% прочность вяжущего падает;
- все составы вяжущего набирают прочность за 7 суток хранения образцов в лабораторных условиях;
- прочность вяжущего повышается при хранении образцов в течение 28 суток на воздухе, что позволяет сделать заключение о наборе марочной прочности вяжущего в более поздние сроки твердения.

Следовательно, оптимальным является состав вяжущего, содержащий, мас.%: (Д) базальт, измельченный с водой в течение 15 мин, 30, (К) клинкер 67, (Г) гипс 3, обеспечивающий хорошие показатели прочности при твердении на воздухе.

Таким образом, предлагаемое вяжущее имеет следующие преимущества по сравнению с известными:
- увеличены прочностные показатели на 18% по сравнению с прототипом 1;
- количество добавки составляет 30% по сравнению с прототипом 2 (6% добавки);
- отсутствуют автоклавная и тепловлажностная обработки, что приводит к снижению энергозатрат при производстве предлагаемого вяжущего;
- снижение энергозатрат за счет замены отходов обогащения руд на базальт, добыча которого предполагается открытым способом;
- снижение энергозатрат за счет замены нефелинового концентрата, активизированного кислотой при температуре 120-150^oС в составе вяжущего, на базальт;
- стоимость используемой добавки в 18 раз дешевле, чем стоимость отходов обогащения руд.

Предлагаемый состав отличается от прототипов тем, что содержит нетрадиционное магнийсодержащее сырье - базальт после измельчения его с водой в течение 15 мин.

Предлагаемое вяжущее разработано в лаборатории химии и технологии природного сырья Байкальского института природопользования СО РАН совместно с НИЛСТРОМ ВСГТУ.

Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Безобжиговое вяжущее, состоящее из портландцементного клинкера, двуводного гипса, добавки, отличающееся тем, что в качестве добавки оно содержит магнезиальную породу - базальт после измельчения его с водой в течение 15 мин при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Указанный базальт - 30
Двуводный гипс - 3
Портландцементный клинкер - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2