Строительный материал с радиационно-защитными свойствами и способ его получения
Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения. Сущность изобретения: строительный материал с радиационно-защитными свойствами в качестве заполнителя содержит отходы производства марганцевых ферросплавов, а в качестве связующего - тетраборат натрия при следующем соотношении компонентов мас.%: заполнитель 80-95; связующее 5-20. Способ получения строительного материала с радиационно-защитными свойствами заключается в смешении заполнителя и связующего. В качестве заполнителя используют отходы производства марганцевых ферросплавов, а в качестве связующего - тетраборат натрия. После смешения производят полусухое прессование и термообработку. Преимущество изобретения заключается в повышении радиационно-защитных свойств и прочностных параметров материала. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к строительным материалам, обладающим конструкционными свойствами и способностью защиты от радиационного излучения, и способам получения таких материалов.
Известен строительный материал с радиационно-защитными свойствами, содержащий заполнитель, в качестве которого использованы промышленные отходы, содержащие карбонаты магния и кальция, оксиды железа, хрома и кремния, и связующее (FR 1584078, кл. G 21 F 1/04, 1969 г.). Недостатком этого решения следует признать слабую степень радиационной защиты, возможность наличия в материале токсичных элементов, таких как хром, а также ограниченные ресурсы таких отходов,
Известен также радиационно-защитный материал, содержащий заполнитель и связующее, в котором в качестве заполнителя применяются железомарганцевые конкреции (ЖМК), а в качестве связующего - цемент (RU 2029399 С1, кл. G 21 F 1/04, 1995 г.). Этот материал является наиболее близким к заявленному. Материал обладает радиационно-защитными свойствами, однако механические характеристики ограничивают его применение в качестве конструкционного материала. Кроме того, ограничены и труднодоступны сырьевые ресурсы ЖМК, что в конечном итоге приводит к значительному удорожанию материала.
Задачей изобретения является создание конструкционного строительного экологически чистого материала, обладающего радиационно-защитными свойствами, с использованием дешевого и доступного сырья.
Техническим результатом является утилизация отходов металлургического производства и создание на их основе дешевого радиационно-защитного строительного материала с наличием конструкционных качеств, позволяющих производить такие строительные элементы, как кирпичи, блоки, плитки, панели и пр.
Технический результат достигается тем, что в строительном материале, содержащем заполнитель и связующее, в качестве заполнителя использованы отходы производства марганцевых ферросплавов, а в качестве связующего - тетраборат натрия.
Соотношение компонентов заполнителя и связующего может составлять, мас.%:
| Заполнитель | 80-95 |
| Связующее | 5-20 |
что обеспечивает наилучшие радиационно-защитные и прочностные характеристики.
В качестве заполнителя могут быть использованы отходы производства силикомарганца и/или ферромарганца, что позволяет утилизировать отходы и получить строительный материал.
Отходы производства силикомарганца могут содержать оксиды кремния, кальция, алюминия, марганца, магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| SiO2 | 35-45 |
| CaO | 25-30 |
| Al2O3 | 15-25 |
| MnO | 3-15 |
| MgO | 5-10 |
что обеспечивает получение требуемых физико-механических свойств материала.
Отходы производства силикомарганца могут быть использованы в виде гранулированного шлака, что расширяет сырьевую базу для производства материала и удешевляет его получение.
Отходы производства ферромарганца могут содержать марганец и оксиды кремния, алюминия, кальция, магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Mn | 20-35 |
| SiO2 | 20-30 |
| Al2O3 | 15-25 |
| CaO | 10-15 |
| MgO | 3-10 |
что повышает радиационно-защитные показатели материала.
Известен способ получения строительного материала, заключающийся в смешении кальцийсодержащих и строительных и промышленных отходов, таких как дробленые бетонные конструкции, металлургические и угольные шлаки, песок и пр. (RU 2102802 С1, кл. G 21 F 3/04, 1998 г.). Однако полученный таким способом материал имеет слабые радиационно-защитные свойства и невысокие прочностные показатели.
Известен способ получения строительного материала с радиационно-защитными свойствами, заключающийся в смешении заполнителя и связующего, в котором в качестве заполнителя применяются железомарганцевые конкреции (ЖМК), а в качестве связующего - цемент (RU 2029399 С1, кл. G 21 F 1/04, 1995 г. - прототип).Недостатком этого способа является то, что его реализация не обеспечивает получение материала с физико-механическими характеристиками (прочность, огнеупорность), необходимыми для его применения в качестве конструкционного материала. Кроме того, способ представляется дорогостоящим и трудно реализуемым ввиду ограниченности и труднодоступности сырьевых ресурсов ЖМК, что в конечном итоге приводит к значительному удорожанию материала.
Задачей изобретения является создание простого и дешевого способа получения материала, обладающего радиационно-защитными и конструкционными свойствами.
Техническим результатом является создание эффективной, экологически чистой и недорогой технологии утилизации шлаков ферросплавной промышленности и производства радиационно-защитного материала, прочностные и стоимостные параметры которого и конструкционные качества позволяют производить из него такие строительные материалы, как кирпичи, блоки, плитка, панели и пр.
Технический результат достигается тем, что в способе получения строительного материала с радиационно-защитными свойствами, заключающемся в смешении заполнителя и связующего, в качестве заполнителя используют отходы производства марганцевых ферросплавов, а в качестве связующего - тетраборат натрия, после смешения которых производят полусухое прессование и термообработку.
Заполнитель и связующее могут использовать при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Заполнитель | 80-95 |
| Связующее | 5-20 |
что обеспечивает наилучшие радиационно-защитные и прочностные характеристики материала.
В качестве заполнителя могут использовать отходы производства силикомарганца и/или ферромарганца, что позволяет утилизировать отходы и получить строительный материал.
Могут использовать отходы производства силикомарганца, содержащие оксиды кремния, кальция, алюминия, марганца, магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| SiO2 | 35-45 |
| CaO | 25-30 |
| Al2О3 | 15-25 |
| MnO | 3-15 |
| MgO | 5-10 |
что обеспечивает получение требуемых физико-механических свойств материала.
Отходы производства силикомарганца могут использовать в виде гранулированного шлака, что расширяет сырьевую базу для производства материала и удешевляет его получение,
Могут использовать отходы производства ферромарганца, содержащие марганец и оксиды кремния, алюминия, кальция, магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Mn | 20-35 |
| SiO2 | 20-30 |
| Al2O3 | 15-25 |
| CaO | 10-15 |
| MgO | 3-10 |
что повышает радиационно-защитные показатели материала.
Перед смешением отходы производства ферромарганца могут подвергать:
измельчению до размера частиц не более 2 мм,
что повышает прочностные показатели материала.
Перед смешением отходы производства силикомарганца могут обжигать при температуре 300-400°С в течение 25-35 минут, что обеспечивает повышение физико-механических свойств материала.
При смешении заполнителя и связующего могут добавлять воду в количестве 3-6 мас.% от суммарного количества заполнителя и связующего, что обеспечивает физико-механические свойства материала.
Прессование могут производить в течение 20-60 сек под давлением 30-40 МПа, что обеспечивает физико-механические свойства материала.
После прессования материал могут выдерживать от 24 до 72 часов при положительной температуре окружающей среды, что обеспечивает физико-механические свойства материала.
При термообработке могут нагревать материал при скорости нагрева от 1 до 3°С в минуту до 105-110°С и выдерживать от 1 до 3 часов, после чего с той же скоростью нагревать до температуры обжига 700-800°С и выдерживать в течение 12-36 часов, после чего подвергать охлаждению при положительной температуре окружающей среды, что обеспечивает получение материала с высокими физико-механическими свойствами.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами 1 и 2, которые не являются единственно возможными, но подтверждают получение заявленного технического результата.
Пример 1. Шлак производства силикомарганца марки СМн 20 по ГОСТ 4756-77 с модулем основности (СаО+MgO/SiO2+Al2О3)=0,54, использованный в качестве заполнителя, измельчали в шаровой мельнице и просеивали через сито с размером ячейки 2×2 мм, после чего обжигали в печи при температуре 300°С в течение 30 минут для удаления содержащих углерод частиц. В качестве связующего использовали тетраборат натрия декагидрат Na2B4O7×10Н2О. Заполнитель и связующее при соотношении. 88 и 12 мас.% соответственно смешивали с добавлением воды в количестве 3,5 мас.% от суммарного количества заполнителя и связующего. Смешивание производили в бетономешалке в течение 15 минут. Полученную смесь размещали в пресс-формах и выдерживали под прессом при давлении 39 МПа в течение 30 сек. Отпрессованный материал размером 23,6×11,6×7 см размещали на стеллажах и в течение 48 часов выдерживали при температуре окружающей среды 15°С. После выдержки осуществляли термообработку материала, для чего материал помещали в печь и нагревали при скорости нагрева 3°С в минуту до температуры 105°С, при которой выдерживали в течение 2 часов для удаления добавленной при смешивании воды, после чего с той же скоростью нагревали до температуры обжига 750°С, при которой материал выдерживали в течение 24 часов. После обжига материал охлаждали при температуре окружающей среды 15°С.
Физико-механические свойства полученного материала приведены в таблице.
Пример 2. Шлак производства высокоуглеродистого ферромарганца марки ФМн 78 К по ГОСТ 4755-80, использованный в качестве заполнителя, измельчали и просеивали через сито с размером ячейки 2×2 мм. В качестве связующего использовали тетраборат натрия декагидрат Na2B4O7×10Н2О. Заполнитель и связующее при соотношении 88 и 12 мас.% соответственно смешивали с добавлением воды в количестве 5 мас.% от суммарного количества заполнителя и связующего. Смешивание производили в бетономешалке в течение 20 минут. Полученную смесь размещали в пресс-формах и выдерживали под прессом при давлении 39 МПа в течение 30 сек. Отпрессованный материал размером 23,6×11,6×7,5 см размещали на стеллажах и в течение 48 часов выдерживали при температуре естественной окружающей среды 15°С. После выдержки осуществляли термообработку материала, для чего материал помещали в печь и нагревали при скорости нагрева 3°С в минуту до температуры 105°С, при которой выдерживали в течение 2 часов для удаления добавленной при смешивании воды, после чего с той же скоростью нагревали до температуры обжига 750°С, при которой материал выдерживали в течение 24 часов. После обжига материал охлаждали при температуре окружающей среды 15°С.
Физико-механические свойства полученного материала приведены в таблице. Реализация изобретения позволит получить новый экологически чистый и дешевый строительный материал, обладающий не только необходимыми конструкционными свойствами, позволяющими использовать его в виде таких строительных элементов как кирпичи, блоки, плиты, панели и пр., но и радиационно-защитными свойствами. Кроме того, реализация изобретения позволит решить экологическую проблему утилизации отходов производства марганцевых ферросплавов.
| Таблица | ||
| Параметр | Материал по примеру 1 | Материал по примеру 2 |
| Плотность, г/см3 | 1,6 | 2,15 |
| Предел прочности при сжатии, МПа | 28 | 30 |
| Предел прочности при изгибе, МПа | 6 | 7 |
| Поглощение воды, мас.% | 17 | 15 |
| Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения, см-1 (источник 60Со) | 0,098 | 0,114 |
| Слой половинного ослабления гамма-излучения (источник 60Со) d 0,5 см | 7,0 | 6,0 |
| Степень поглощения нейтронов по отношению к графиту с плотностью 1,70 г/см3 (источник 252Cf) % | 51 | 70 |
1. Строительный материал с радиационно-защитными свойствами, содержащий заполнитель и связующее, отличающийся тем, что строительный материал с радиационно-защитными свойствами в качестве заполнителя содержит отходы производства марганцевых ферросплавов, а в качестве связующего - тетраборат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Заполнитель | 80-95 |
| Связующее | 5-20 |
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя он содержит отходы производства силикомарганца и/или ферромарганца.
3. Материал по п.2, отличающийся тем, что отходы производства силикомарганца содержат оксиды кремния, кальция, алюминия, марганца, магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| SiO2 | 35-45 |
| CaO | 25-30 |
| Al2O3 | 15-25 |
| MnO | 3-15 |
| MgO | 5-10 |
4. Материал по п.3, отличающийся тем, что отходы производства силикомарганца использованы в виде гранулированного шлака.
5. Материал по п.2, отличающийся тем, что отходы производства ферромарганца содержат марганец и оксиды кремния, алюминия, кальция, магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Mn | 20-35 |
| SiO2 | 20-30 |
| Al2O3 | 15-25 |
| CaO | 10-15 |
| MgO | 3-10 |
6. Способ получения строительного материала с радиационно-защитными свойствами, заключающийся в смешении заполнителя и связующего, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют отходы производства марганцевых ферросплавов, а в качестве связующего - тетраборат натрия, после смешения которых производят полусухое прессование и термообработку, а заполнитель и связующее используют при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Заполнитель | 80-95 |
| Связующее | 5-20 |
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют отходы производства силикомарганца и/или отходы производства ферромарганца.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют отходы производства силикомарганца, содержащие оксиды кремния, кальция, алюминия, марганца, магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| SiO2 | 35-45 |
| CaO | 25-30 |
| Al2O3 | 15-25 |
| MnO | 3-15 |
| MgO | 5-10 |
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что отходы производства силикомарганца используют в виде гранулированного шлака.
10. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют отходы производства ферромарганца, содержащие марганец и оксиды кремния, алюминия, кальция, магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Mn | 20-35 |
| SiO2 | 20-30 |
| Al2О3 | 15-25 |
| CaO | 10-15 |
| MgO | 3-10 |
11. Способ по п.7 или 10, отличающийся тем, что перед смешением отходы производства ферромарганца подвергают измельчению до размера частиц не более 2 мм.
12. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что перед смешением заполнитель обжигают при температуре 300-400°С в течение 25-35 мин.
13. Способ по любому из пп.6-10, отличающийся тем, что при смешении заполнителя и связующего добавляют воду в количестве 3-6 мас.% от суммарного количества заполнителя и связующего.
14. Способ по любому из пп.6-10, отличающийся тем, что прессование производят в течение 20-60 с под давлением 30-40 МПа.
15. Способ по любому пп.6-10, отличающийся тем, что после прессования материал выдерживают от 24 до 72 ч при положительной температуре окружающей среды.
16. Способ по любому из пп.6-10, отличающийся тем, что при термообработке нагревают материал при скорости нагрева 1-3°С/мин до 105-110°С и выдерживают от 1 до 3 ч, после чего с той же скоростью нагревают до температуры обжига 700-800°С и выдерживают в течение 12-36 ч, после чего подвергают охлаждению при положительной температуре окружающей среды.
