Вяжущее и способ изготовления строительных изделий с его использованием

Изобретение относится к области производства строительных материалов. Техническим результатом является повышение прочности, водостойкости снижение веса изделий. Вяжущее содержит, мас.%: опал-кристобалитовую породу типа диатомита или опоки, или трепела 65-75, щелочной компонент - гидроокись натрия или калия 5-25, доменный шлак 10-20, причем порода и доменный шлак - с удельной поверхностью 4000 см²/г. В способе изготовления строительных изделий указанную породу дробят, сушат и измельчают в порошок до удельной поверхности 4000 см²/г, дозируют и перемешивают в смесителе с водным раствором гидроокиси натрия или калия, затем добавляют дозированный порошок доменного шлака с удельной поверхностью 4000 см²/г, добавляют воду для получения теста и перемешивают до образования влажной однородной массы, которую формуют и подвергают термообработке при температуре 300-400°С. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности, к составам вяжущего из кремнистых пород с высоким содержанием аморфного диоксида кремния и к способам изготовления строительных изделий с использованием вяжущего и может быть использовано при изготовлении быстротвердеющих низкотемпературных (термотвердеющих) вяжущих из опал-кристобалитовой породы типа диатомита или опоки, или трепела и материалов на их основе.

Известно вяжущее, содержащее известь-кипелку и известняк с содержанием опал-кристобалита 30-40%, который представляет собой естественную природную смесь мелкодисперсных карбонатов кальция и аморфизированного кремнезема в виде опал-кристобалита (патент РФ №2023696, кл. С04В 7/34, от 08.01.90).

Недостатком известного вяжущего является низкая его прочность после пропаривания 14,1-18,2 МПа.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является вяжущее, содержащее, мас.%: опал-кристобалитовую породу - ОКП 80-96, щелочной компонент - гидроокись калия или натрия - ЩК (в пересчете на Na2O - согласно описанию) 4-20, и дополнительно шлак (конкретно по описанию - доменный) при соотношении, мас.%: указанный шлак 1-70, указанное сочетание ОКП и ЩК 30-99, причем ОКП - это диатомит или опока, или трепел (RU 97109114 А, 10.05.1999, реферат - БИ №13, с.154, описание - 12 с.).

Недостатком известного вяжущего является относительно малая удельная поверхность опал-кристобалитовой составляющей (фракция 0-2 мм). Это замедляет реакции взаимодействия компонентов и требует повышения температуры при термообработке, а прочность изготавливаемых изделий недостаточна высока.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому способу изготовления строительных изделий является способ получения материала, при котором измельчают кремнеземистое сырье, перемешивают его с концентрированным раствором щелочи, нагревают смесь до образования густой гомогенной массы, которую выгружают в формочку и выдерживают при 25°С в течение 25 часов до полного завершения реакции, после чего образцы помещают в сушильную камеру, в которой повышают температуру до 85°С в течение 3 часов и выдерживают 1 час, после чего образцы остывают в течение 3 часов (См. патент РФ №2203244, кл. С04В 28/26 от 27.09.2001 г.).

Недостатком известного способа является длительность (35 часов) процесса изготовления строительных изделий и относительно большой вес изготовленных образцов, а также высокая влажность. Кроме того, использование температуры 85°С является недостаточной для образования водостойких гидроалюмосиликатов натрия, что может привести к разрушению материала в водной среде.

Техническим результатом для вяжущего является увеличение его прочности, снижение температуры термообработки и уменьшение расхода энергоресурсов.

Техническим результатом для способа является ускорение процесса производства строительных изделий, повышение водостойкости, снижение их веса и уменьшение влажности.

Дополнительным техническим результатом является ускорение процесса твердения и получение экологически чистого строительного материала.

Достигается это тем, что в вяжущем, содержащем опал-кристобалитовую породу типа диатомита или опоки, или трепела, щелочной компонент в виде гидроокиси натрия или калия и доменный шлак, согласно изобретению составляющие взяты при следующем их соотношении, мас.%:

- опал-кристобалитовая порода 65-75;

- щелочной компонент 5-25;

- доменный шлак 10-20, причем при приготовлении порошки опал-кристобалитовой породы и доменного шлака взяты с удельной поверхностью 4000 см²/г, кроме того, в способе изготовления строительных изделий из опал-кристобалитовых пород опал-кристобалитовую породу типа диатомита или опоки, или трепела дробят, сушат и измельчают в порошок до удельной поверхности 4000 см²/г, дозируют и перемешивают в смесителе с водным раствором гидроокиси натрия или калия, затем добавляют дозированный порошок доменного шлака с удельной поверхностью 4000 см²/г, добавляют воду для получения теста и перемешивают до образования влажной однородной массы, которую формуют и подвергают термообработке при температуре 300-400°С, причем опал-кристобалитовую породу перемешивают с водным раствором гидроокиси натрия или калия в течение 10-20 мин, влажность однородной массы берут равной 15-20%, кроме того, термообработку проводят от 2-10 мин до 2-3 час.

Сущность изобретения заключается в том, что выбор вышеописанного состава компонентов вяжущего и соответствующий температурный режим позволяет обеспечить ускорение твердения вяжущего, что обеспечивает снижение энергозатрат при его производстве. Значительный процент опал-кристобалитовой породы обеспечивает получение экологически чистых строительных материалов. При этом ассортимент изделий из этого вяжущего может быть значительно увеличен, т.к. составляющие вяжущего широко распространены по большей части территории Российской Федерации.

Сущность изобретения для способа заключается в том, что за счет использования вяжущего вышеописанного состава сокращается количество технологических операций при изготовлении строительных изделий, а также время на термообработку. Термообработка изделий при температуре 300-400°С обеспечивает повышение их водостойкости и снижение влажности, а измельчение в порошок твердых компонентов вяжущего до удельной поверхности 4000 см²/г способствует саморазогреванию смеси и ускорению протекания реакции образования водоустойчивых гидроалюмосиликатов натрия.

Технология изготовления заявляемого вяжущего заключается в следующем. Берут из карьера опал-кристобалитовую породу, дробят ее, сушат, измельчают в порошок до удельной поверхности 4000 см²/г.

Берут доменный шлак, измельчают его в порошок до удельной поверхности 4000 см²/г. Прибавляют водный раствор гидроокиси натрия или калия, дозируют и смешивают порошки со щелочным раствором.

Технология получения вяжущего может быть значительно упрощена, если получать компоненты в готовом виде. В этом случае для получения вяжущего требуется приготовить водный раствор гидроокиси натрия или калия, отдозировать компоненты и смешать их. В смеситель заливают водный раствор гидроокиси натрия или калия, добавляют измельченный диатомит, или опоку, или трепел, смесь перемешивают 10-20 минут, затем засыпают порошок доменного шлака и добавляют воду. Воду подбирают в зависимости от веса сухих компонентов и вводят ее в количестве, необходимом для получения теста с влажностью 15-20%, осуществляют перемешивание до получения однородной массы. Полученную смесь укладывают в форму-куб с размером ребра 10 см и уплотняют вибрацией. Отформованные изделия выдерживают в форме 2 часа, затем форму помещают в печь при температуре 300-400°С и выдерживают 2-3 часа, изделия вынимают из формы и медленно охлаждают. Температура и время термической обработки изделий на предлагаемом вяжущем подбираются в зависимости от массы изделий. Время термообработки колеблется от 2-10 минут (например, при изготовлении гранулированного материала) до 2-3 часов. Химические составы опал-кристобалитовых пород и доменных шлаков приведены в табл.1 и 2. Водный раствор гидроокиси натрия активно реагирует с аморфным кремнеземом опал-кристобалитовой породы и образует гелесуспензионную фазу Na₂O·nSiO₂·H₂O, которая придает формовочные свойства массе, химически взаимодействует с доменным шлаком. При термообработке смеси при 300-400°С в ней происходят твердофазные химические реакции, продуктами которых являются водостойкие щелочные алюмосиликатные и гидроалюмосиликатные новообразования.

За счет того, что процесс перехода гомогенной массы в хрупкое состояние регулируется температурным и временным режимами, материал получается со стабильными качественными характеристиками при минимальных энергетических затратах и в короткие сроки. Составы вяжущего и свойства приведены в таблице 3.

Таблица 1 Химический состав опал-кристобалитовых пород, мас.%
Порода	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	SO3	ППП
Опока	77,1-85,7	5,2-8,2	2,7-3,6	1,1-1,17	1,7-2,7	0,4-0,6	0,1-0,9	4,5-11,7
Диатомит	72,1-78,5	3,2-10,1	3,9-4,8	1,5-2,2	0,6-1,0	0,3-0,7	0,1-0,7	5,1-10,5
Трепел	75,2-78,1	8,9-9,6	2,9-3,9	1,1-1,9	1,6-2,4	0,4-0,9	0,2-0,5	5,6-7,3

Таблица 2 Химические свойства шлаков
Название шлака	SiO2	Al2О3	FeO	CaO	MgO	S
Магнитогорский	35,56	13,91	0,84	40,67	8,27	0,75
Нижнетагильский	37,64	14,65	0,59	41,66	4,45	1,01
Орскохалиловский	38,56	7,72	0,59	47,29	4,85	0,99
Серовский	32,36	11,08	1,14	48,80	5,04	1,58
Челябинский	38,10	12,84	0,83	32,93	14,37	0,93

Таблица 3 Содержание компонентов
Состав	1	2	3	4	5	6	7	Прототип
Гидроокись натрия	4	5		15		25	30	20-30
Опал-кристо балитовая порода: диатомит, опока, трепел	91	75		70		65	60	70-80
Доменный шлак	5	20		15		10	10
Свойства
Температура термообработки, °С	400	400		400		400	400	85
Время термообработки, час	3	3		2		2	2	35
Прочность на сжатие, МПа	5.1	13.3		36.2		45.1	Смесь вспучивается
Водопоглощение, % (48 часов водонасыщения)	разрушился	30,4		10,3		5,2	10,3
Объемная плотность, кг/м3	900	950		1000		950	900	1700

Из таблицы 3 видно, что при содержании гидроокиси натрия равным или менее 4% вяжущее не водостойко, при введении гидроокиси равного и более 30% смесь начинает вспучиваться. За оптимальный принят состав вяжущего с содержанием гидроокиси натрия 5-25%. При этом содержании гидроокиси натрия вяжущее имеет оптимальную прочность, легко формуется, сохраняет заданную форму. Как видно из таблицы 3, предлагаемое вяжущее обладает более высокой прочностью, более коротким сроком твердения, меньшей объемной плотностью и частично решает вопрос утилизации многотоннажного отхода - доменных шлаков.

Заявляемые изобретения можно использовать для производства искусственных прочных заполнителей, кирпичей, блоков, конструкционно-теплоизоляционных бетонов и получать экологически чистые строительные материалы по энергосберегающим технологиям на типовом оборудовании цехов по производству керамзита, кирпича, бетона.

Таким образом, в предлагаемых технических решениях достигается поставленный технический результат.

1. Вяжущее, характеризующееся тем, что оно содержит опал-кристобалитовую породу типа диатомита, или опоки, или трепела, щелочной компонент в виде гидроокиси натрия или калия и доменный шлак, составляющие взяты при следующем их соотношении, мас.%:

опал-кристобалитовая порода	65-75
щелочной компонент	5-25
доменный шлак	10-20,

причем при приготовлении порошки опал-кристобалитовой породы и доменного шлака взяты с удельной поверхностью 4000 см²/г.

2. Способ изготовления строительных изделий из опал-кристобалитовых пород, характеризующийся тем, что опал-кристобалитовую породу типа диатомита, или опоки, или трепела дробят, сушат и измельчают в порошок до удельной поверхности 4000 см²/г, дозируют и перемешивают в смесителе с водным раствором гидроокиси натрия или калия, затем добавляют дозированный порошок доменного шлака с удельной поверхностью 4000 см²/г, добавляют воду для получения теста и перемешивают до образования влажной однородной массы, которую формуют и подвергают термообработке при температуре 300-400°С

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что опал-кристобалитовую породу перемешивают с водным раствором гидроокиси натрия или калия в течение 10-20 мин, а влажность однородной массы равна 15-20%.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что термообработку проводят от 2-10 мин до 2-3 ч.