Противоморозная добавка в цементы
Владельцы патента RU 2256626:
Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (БИП СО РАН) (RU)
Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для получения “зимних” портландцементов, используемых в строительстве на Севере. Противоморозная добавка в цемент содержит магнийсиликатную породу - дунит после измельчения его с водой в течение 15 мин в количестве 30% по массе от их смеси. Технический результат - повышение прочности бетонов при отрицательных температурах, снижение расходов на производство строительных материалов для работы в районах Сибири и Крайнего Севера, исключение коррозии арматуры. 2 табл.
Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для получения "зимних" портландцементов, используемых в строительстве на Севере.
В районах Сибири, Крайнего Севера и Забайкалья, богатых залежами полезных ископаемых и минерального сырья, высока потребность в строительных материалах, твердеющих при отрицательной температуре. Специфика холодного времени года вызывает ряд трудностей и при возведении железобетонных конструкций, преодоление которых требует дополнительных затрат средств и труда. В связи с этим в последнее время нашел широкое применение предварительный электроразогрев смеси непосредственно перед укладкой в опалубку конструкции, что приводит к увеличению потребления электроэнергии и, как следствие, удорожанию строительства. В настоящее время для получения строительных материалов, применяемых в районах с холодным климатом, используют солевые противоморозные добавки.
Наиболее близкими к заявленному изобретению составами того же назначения по совокупности признаков являются цементы, содержащие противоморозные добавки (Евдокимов В.А., Бадьин Г.М. Повышение качества производства работ нулевого цикла в условиях Севера. Ленинград: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1984. С.108-110). Однако при использовании этих веществ недостатком является то, что введение данных добавок приводит к значительному удорожанию объектов строительства на Севере. Также эти добавки вызывают коррозию арматуры, что сокращает сроки эксплуатации строительных конструкций. А предлагаемый цемент, при значительном снижении расхода цемента в вяжущем, предлагает полную замену солевых противоморозных добавок минеральным сырьем - магнийсиликатной породой - дунитом.
Технический результат изобретения - получение противоморозной добавки из магнийсиликатной породы - дунита, что позволит повысить прочность бетонов при отрицательных температурах.
Указанный технический результат достигается тем, что противоморозная добавка в цемент содержит магнийсиликатную породу - дунит после измельчения его с водой в течение 15 мин в количестве 30% по массе от их смеси.
Процесс криогидратации и твердения β-двухкальциевого силиката заключается в том, что при понижении температуры гидратации до определенных пределов (криогидратация) создаются условия для эстафетного механизма передачи зарядов по системе водородных связей. При этом активность твердеющей системы повышается за счет роста подвижности протона. В определенном интервале температур наблюдается рост гидратационной активности β-двухкальциевого силиката, связанный с увеличением структурированности воды при понижении температуры и, как следствие, ростом подвижности протона при включении эстафетного механизма его переноса по системе водородных связей.
Введение в криогидратационный процесс веществ соответствующей природы повышает содержание химически связанной воды и гидратационную активность цементов.
В заявленном изобретении в качестве добавки, повышающей криогидратационную активность цементов, использована магнийсиликатная порода в виде дунита, измельченного с водой в течение 15 минут.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.
Определение прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату - повышению прочности вяжущего при отрицательной температуре, 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 дунита, измельченного с водой в течение 15 минут, в количестве 30% по массе от их смеси с минералами цементного клинкера обеспечивает положительную реакцию на достижение технического результата - повышение прочности при отрицательных температурах.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".
Дунит Йоко-Довыренского массива (Северное Прибайкалье), входящий в состав цемента, является ультраосновной горной породой следующего химического состава, мас.% (см. табл.1). В составе породы преобладает (85-98%) минерал оливин, магнийсодержащий силикат состава (Mg, Fe)2SiO4.
Дунит слагает мощную зону (до 850 м мощности) протяженностью около 15 км. Запасы дунита составляют несколько миллиардов тонн. Качество дунита хорошее. Серпентинизация незначительная, петельчатая. Щелоче- и флюидосодержащие минералы отсутствуют. В дуните Йоко-Довыренского массива исключительно низкие содержания щелочей, кальция, алюминия, а также потери при прокаливании.
Дунит используют в различных отраслях народного хозяйства: для производства магнезиально-силикатных огнеупоров, для изготовления литейных форм, в доменном процессе в качестве шлакообразующего компонента, для получения магниевого удобрения (Петров В.П. Оливин как полезное ископаемое. Известие высших учебных заведений. Геология и разведка. 1992. №1. с.67-74).
Для производства противоморозной добавки дунит не использовался.
Для выбора оптимального количества противоморозной добавки были приготовлены вяжущие, отличающиеся друг от друга содержанием магнезиальной составляющей (дунита) в процентах по массе: 30; 40; 50; портландцемента: 50; 60; 70. Полученные смеси затворяли водой. Вяжущие предлагаемых составов готовили следующими способами:
1. После формования образцы выдерживали 3 часа в нормальных условиях, затем помещали на холод при (-9)°С на 7, 28 суток и 7 месяцев;
2. После формования образцы выдерживали 1 сутки в нормальных условиях, затем помещали на холод при (-9)°С на 7, 28 суток и 7 месяцев;
3. После формования образцы выдерживали 2 суток в нормальных условиях, затем помещали на холод при (-9)°С на 7, 28 суток и 7 месяцев.
Технология получения противоморозной добавки такова. Дунит фракции -025 измельчают с водой в лабораторной стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ в течение 15 мин. Соединяют с портландцементом. Смесь тщательно перемешивают в течение 5 мин. Образцы, кубы размером 2×2×2 см, готовят из приготовленного цементного теста при водоцементном отношении 0,3. Образцы хранят в формах в течение различного времени, затем помещают на холод при (-9)°С на 7 и 28 суток и 7 месяцев.
Пример 1
Дунит измельчают с водой в стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ в течение 15 минут, соединяют с портландцементом при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Дунит 30
Портландцемент 70
Смесь перемешивают в течение 5 минут и затворяют водой, после чего оставляют храниться в формах в течение различного времени. Затем помещают на холод. Через 7, 28 суток и 7 месяцев хранения при температуре (-9)°С образцы испытывают на прочность. Через 7 суток хранения образцы имели прочность при сжатии по 1-му способу - 4,6 МПа, по 2-му способу - 15,6 МПа, по 3-му способу - 14,5 МПа. Через 28 суток хранения образцы имели прочность при сжатии по 1-му способу - 14,8 МПа, по 2-му способу - 34,7 МПа, по 3-му способу - 22,0 МПа. Через 7 месяцев хранения образцы имели прочность при сжатии по 1-му способу - 75,8 МПа, по 2-му способу - 71,4 МПа, по 3-му способу - 68,0 МПа.
Пример 2
Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%:
Дунит 40
Портландцемент 60
Через 7 суток хранения образцы имели прочность при сжатии по 1-му способу - 3,0 МПа, по 2-му способу - 13,3 МПа, по 3-му способу - 14,3 МПа. Через 28 суток хранения прочность при сжатии по 1-му способу - 8,5 МПа, по 2-му способу - 61,1 МПа, по 3-му способу - 19,0 МПа. Через 7 месяцев хранения образцы имели прочность при сжатии по 1-му способу - 40,4 МПа, по 2-му способу - 61,1 МПа, по 3-му способу - 50,7 МПа.
Пример 3
Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%:
Дунит 50
Портландцемент 50
Через 7 суток хранения образцы имели прочность при сжатии по 1-му способу - 2,8 МПа, по 2-му способу - 7,8 МПа, по 3-му способу - 6,8 МПа. Через 28 суток хранения прочность при сжатии по 1-му способу - 8,2 МПа, по 2-му способу - 15,7 МПа, по 3-му способу - 13,1 МПа. Через 7 месяцев хранения прочность при сжатии по 1-му способу - 31,7 МПа, по 2-му способу - 34,8 МПа, по 3-му способу - 22,6 МПа.
Характеристики полученных вяжущих представлены в табл.2.
В результате исследований (см. табл.2) удалось установить, что при введении в портландцемент добавки дунита после измельчения его с водой в течение 15 мин в количестве 30% по массе от их смеси прочность при отрицательной температуре повышается по сравнению с обычным портландцементом.
Анализ результатов табл.2 показывает, что
- вяжущее, состоящее только из портландцемента, обладает пониженной прочностью при отрицательной температуре по сравнению с вяжущим, имеющим в своем составе кроме указанного компонента минеральную противоморозную добавку - дунит, измельченный с водой в течение 15 минут;
- оптимальное количество добавки дунита составляет 30% по массе от их смеси;
- оптимальным условием получения вяжущего является хранение образцов в нормальных условиях в течение 24 часов перед криогидратацией;
- прочность образцов при хранении при отрицательной температуре с течением времени значительно увеличивается, что позволяет сделать заключение о наборе марочной прочности с течением времени.
Предлагаемый состав отличается от прототипа тем, что в качестве противоморозной добавки в цементы не содержит солевые добавки, а содержит нетрадиционное сырье - дуниты.
| Таблица 1 Химический состав дунита | |||||||||
| Компонент Дунит | SiO2 | Аl2O3 | Fe | Mn | Р2O5 | CaO | MgO | K+Na | Ti |
| 36,5 | 1,05 | 7,19 | 0,154 | 0,1 | 7,01 | 43,34 | 0,15 | 0,41 |
| Таблица 2 Показатели механических свойств портландцементов с использованием дунита при (-9)°С | ||||||||||
| Состав вяжущего | Предел прочности при сжатии, МПа | |||||||||
| 1 способ | 2 способ | 3 способ | ||||||||
| ПЦ | Дунит | 7 сут | 28 сут | 7 мес | 7 сут | 28 сут | 7 мес | 7 сут | 28 сут | 7 мес |
| 70 | 30 | 4,6 | 14,8 | 75,8 | 15,6 | 34,7 | 71,4 | 14,5 | 22,0 | 68,0 |
| 60 | 40 | 3,0 | 8,5 | 40,4 | 13,3 | 27,4 | 61,1 | 14,3 | 19,0 | 50,7 |
| 50 | 50 | 2,8 | 8,2 | 31,7 | 7,8 | 15,7 | 34,8 | 6,8 | 13,1 | 22,6 |
| 100 | 0 | 3,1 | 9,7 | 46,6 | 12,4 | 26,5 | 42,4 | 10,9 | 19,7 | 42,2 |
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что дунит можно использовать в качестве противоморозной добавки в цементы для использования их в строительстве на Севере. Аналогов данной добавки среди минерального сырья нет. Применение данной добавки позволит сократить использование солевых добавок, снизить расходы на производство строительных материалов. Данная добавка не вызывает коррозии арматуры.
Предлагаемая противоморозная добавка разработана в лаборатории химии и технологии природного сырья Байкальского института природопользования СО РАН.
Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию "промышленная применимость".
Противоморозная добавка в цемент, содержащая магнийсиликатную породу - дунит - после измельчения его с водой в течение 15 мин в количестве 30% по массе от их смеси.
