Способ приготовления добавки в бетонные, растворные и сухие строительные смеси, добавка в бетонные, растворные и сухие строительные смеси

Изобретение относится к переработке техногенного отхода - микрокремнезема - с получением активной добавки в бетонные, растворные и сухие строительные смеси. Для приготовления добавки первоначально в смесительное устройство вводят микрокремнезем, затем начинают перемешивание микрокремнезема, подавая в него в распыленном виде воду или раствор химической добавки до получения гранул, затем прекращают подачу воды или раствора химической добавки, подают микрокремнезем и продолжают перемешивание до покрытия влажных гранул слоем сухого микрокремнезема. Соотношение компонентов добавки следующее, мас.%: вода - 10-20, химическая добавка - 0-15, микрокремнезем - остальное. Технический результат - снижение энергозатрат на производство добавки. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Предлагаемая группа изобретений относится к переработке техногенных отходов - пыли газоочистных сооружений производства силикосодержащих ферросплавов и металлического кремния. Этот продукт имеет установившееся отечественное название - микрокремнезем и международное название - silica fume. Основная область применения микрокремнезема (МК) - активная добавка в бетонные, растворные и сухие строительные смеси.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Поступающий непосредственно из газоочистных сооружений МК представляет собой ультрадисперсный порошок с размером частиц менее 1 мкм и насыпной плотностью 0,17-0,25 г/см³. Эта «легкость» МК чрезвычайно осложняет его непосредственное использование в промышленности. Основная его переработка заключается в уплотнении. При этом повышается его транспортабельность и технологичность. В некоторых случаях одновременно с уплотнением МК в него вводят специальные химические добавки для комплексного воздействия на бетонные смеси и такие добавки называют комплексными или модификаторами бетона.

Известны способы уплотнения МК путем механического воздействия на него. Так, согласно [1. Патент РФ №2139245, С01В 33/12, 1999 г.] уплотнение МК достигают путем обработки его в высокоэнергетических активаторах с мелющими телами. Согласно [2. Патент РФ №2217372, С01В 33/12, 2003 г.] МК уплотняют за счет прессования, пропуская его через валки. Согласно [3. Патент РФ №2224707, B65G 69/20, 2003 г.] МК уплотняют за счет действия центробежных сил.

Все эти способы требуют значительных затрат энергии и реально обеспечивают уплотнение МК в 1,5-2 раза, то есть до плотностей 0,4-0,48 г/см³. Дальнейшее увеличение плотности МК за счет механического воздействия требует существенного повышения энергозатрат. Согласно [2] для получения плотностей МК порядка 1 г/см³ энергозатраты составляют 30-40 мегаватт-часов энергии на уплотнение 1 тонны МК.

Вместе с тем, МК обладает уникальным свойством самоуплотнения при смешивании с водой. Густой раствор МК с водой - текучая суспензия имеет плотность 2,2-1,5 г/см³, а обезвоженный раствор МК (высушенная суспензия) имеет плотность 0,8-0,9 г/см³.

Причем такая плотность получается без дополнительных затрат энергии на уплотнение. Вторая группа изобретений косвенно использует это свойство МК, не выделяя его в качестве существенных признаков.

Близким по использованию явления самоуплотнения МК при смешивании с водой является способ приготовления комплексной добавки для бетонной смеси [4. Патент РФ №2033403, С04В 28/00, 1995 г.]. Согласно [4] предварительно увлажненный МК пропускают через валки с целью уплотнения, затем смешивают с химическими добавками в барабанном смесителе при температуре 0-100°С. С точки зрения минимизации энергозатрат прессование МК в валках - излишние потери энергии, так как МК может набирать необходимую плотность при увлажнении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ приготовления комплексного модификатора и комплексный модификатор по [5. Патент РФ №2096372, С04В 28/02, 1997 г.]. В соответствии с этим способом МК смешивают с водой и химическими добавками до получения текучей суспензии, затем ее гранулируют и сушат в газовоздушном потоке при температуре 120-170°С до получения гранул с относительной влажностью 1-8% и размером менее 500 мкм. Исходное соотношение компонентов для текучей суспензии, мас.%:

МК 25-70

химические добавки 2-10

вода остальное.

Получаемая по данному способу добавка имеет насыпную плотность 0,65 г/см³ и более, что обеспечивает необходимую технологичность и транспортабельность продукта.

Согласно [5] для приготовления текучей суспензии вначале в МК вводят воду в количестве 20-70%, затем ее удаляют с помощью сушки до уровня 1-8% и затем уже при приготовлении бетонной смеси снова смешивают с водой. При этом затраты на удаление воды с помощью сушки представляются излишними, однако они необходимы для перевода добавки из состояния текучей суспензии в порошкообразное состояние. При этом получаемая добавка представляет собой высушенные гранулы уплотненного МК и химических добавок. К сожалению, растворенный в воде и затем высушенный МК при повторном растворении в воде очень плохо растворяется. Если раствор первоначально растворенного МК (при соотношении масс МК и воды 50:50) имеет консистенцию густой сметаны, то повторное растворение предварительно высушенного МК в такой же пропорции с водой почти не изменяет вязкость воды и МК выпадает в осадок. Это приводит к снижению эффекта так называемого «физического воздействия» МК на бетонные смеси, когда сверхмалые частицы МК заполняют пустоты между частицами цемента и наполнителей. Высушенные гранулы МК имеют большие размеры и не могут принимать участие в таком заполнении. Это согласуется с несколько замедленным влиянием комплексной добавки [5] на набор прочности бетона по сравнению с использованием неуплотненного МК. При этом проявляется только второй фактор влияния МК - его химическая активность.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью предлагаемой группы изобретений является способ приготовления добавки в бетон с минимальными затратами, а получаемая при этом добавка в бетон обладала бы технологичностью и транспортабельностью.

Общий с [5] существенный признак предлагаемой группы изобретений состоит в перемешивании компонентов указанной добавки в смесительном устройстве с последующим получением гранул.

Первый отличительный существенный признак предлагаемой группы изобретений состоит в том, что первоначально в смесительное устройство вводят МК, затем начинают перемешивание МК, подавая в него в распыленном виде воду или раствор химической добавки - пластифицирующей добавки, или регулятора твердения, или воздухововлекающей добавки, или противоморозной добавки или их смеси, до получения гранул, затем прекращают подачу воды или раствора указанной химической добавки, подают МК и продолжают перемешивание до покрытия влажных гранул слоем сухого МК.

Второй отличительный существенный признак состоит в том, что для смешивания используют следующее соотношение компонентов, мас.%:

вода 10-20

химические добавки 0-10

МК остальное.

Третий отличительный существенный признак представляет собой добавку, полученную способом на основе вышеперечисленных отличительных признаков, которая представляет собой влажные гранулы, покрытые слоем сухого МК. При этом достигается плотность добавки 0,45-1,1 г/см³ с влажностью 10-20%.

Механизм образования гранул при смешивании МК с водой или с растворами химических добавок следующий. Распыленная микрокапелька жидкости попадает в смеситель и адсорбирует МК до получения тяжелой влажной фракции. В центре ее влажность достигает 25-35%, а к краям влажность падает, и при влажности 10-15% происходит образование твердого камня - своеобразной защитной корочки. Отвердение МК связано с его пуццолановыми свойствами. К этой корочке снаружи прикрепляется слой сухого МК. Таким образом, гранула в сечении представляет влажную тяжелую фракцию МК, окруженную твердой защитной корочкой, к которой прикрепляется слой сухого МК. Благодаря «упаковке» влажной части тяжелого МК конечный продукт обладает необходимой транспортабельностью и технологичностью. Его насыпная плотность составляет 0,45-1,1 г/см³. Угол естественного откоса составляет 30-35 градусов, то есть сыпучесть полученного МК близка к сыпучести цемента. Влажность наружного слоя гранул близка к влажности сухого МК, то есть 1-5%. Экспериментально установлено, что получаемый продукт не смерзается при температурах до минус 40°С.

При растворении в воде сухой наружный слой гранул хорошо растворяется и участвует в «физическом» воздействии на бетонную смесь. В связи с этим, нет необходимости тщательного измельчения получаемой добавки.

Можно отметить, что «мудрая» природа именно так поставляет нам влажные продукты: апельсины, арбузы и др., упаковывая их полужидкую фракцию в твердые корочки, обеспечивая их транспортабельность и технологичность.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Принцип осуществления изобретения можно рассмотреть на следующем примере.

В смеситель емкостью 200 литров загружают 40 кг МК и подготавливают для подачи в смеситель 5 литров воды. При этом будет следующее соотношение компонентов, мас.%:

МК 89

вода 11.

Для придания добавке пластифицирующих свойств вместо воды приготавливают 30% раствор суперпластификатора С-3 по ТУ 5870-002-58042865-05 на основе полиметиленнафталинсульфонатов или СП-1 по ТУ 5870-005-58042865-05 на основе полиметиленнафталинсульфонатов и лигносульфонатов в количестве 8 килограмм. При этом будет следующее соотношение компонентов, мас.%:

МК 83,3

вода 11,7

суперпластификатор 5.

Для придания добавке свойств регулятора твердения используем вместо воды 30% раствор ускорителя твердения - "реламикс" по ТУ 5870-002-14153664-04 на основе полиметиленнафталинсульфонатов и балластных солей сероочистки коксового газа в количестве 8 килограмм. При этом будет следующее соотношение компонентов, мас.%:

МК 83,3

вода 11,7

ускоритель твердения 5.

Для придания добавке воздухововлекающих свойств используем вместо воды 20% раствор воздухововлекающей добавки - смолы SDO-L по ТУ 2443-013-10644738-00 на основе смолы древесной омыленной в количестве 8 килограмм. При этом будет следующее соотношение компонентов, мас.%:

МК 83,3

вода 13,3

воздухововлекающая добавка 3,4.

Для придания добавке противоморозных свойств используем вместо воды 20% раствор противоморозной добавки - нитрита натрия в количестве 8 килограмм. При этом будет следующее соотношение компонентов, мас.%:

МК 83,3

вода 13,3

противоморозная добавка 3.4.

Дозировки химических добавок определяются в соответствии с рекомендациями по их применению.

Выбрав один из вариантов раствора или воду, подают жидкость в смеситель в распыленном виде после включения режима перемешивания. При этом в качестве распылителя используют набор мелких отверстий в замкнутой трубе, куда нагнетается жидкость. Для получения мелких гранул необходимо добиваться мелкого распыления жидкости. Скорость подачи жидкости должна быть согласована со скоростью перемешивания смесителя. Целесообразно обеспечить поглощение распыленных микрокапелек жидкости новым слоем сухого МК в смесителе, то есть площадь распыленной жидкости за время одного оборота смесителя должна быть меньше площади поверхности МК в емкости смесителя. Так, в рассматриваемом примере открытая площадь МК около 0,7 м², скорость вращения вала смесителя - 30 оборотов в минуту, скорость подачи жидкости 0,5 литра в минуту. Через 8-9 минут количество распыленной жидкости составило 10%, при этом насыпная плотность МК повысилась с 0,22 до 0,5 г/см³. Эмпирическая зависимость плотности МК от % содержания воды имеет следующий вид:

Р=Р0+а·W,

где Р - насыпная плотность МК, г/см³,

Р0 - насыпная плотность сухого МК,

а - коэффициент, равный 0,03-0,04,

W - относительная доля распыленной воды, %.

Так, при W=18% и Р0=0,22 г/см³ получаем Р=0,97 г/см³.

Для сравнения влияния неуплотенного МК и МК, приготовленного в соответствии с предлагаемым изобретением, были проведены испытания бетона на прочность. Состав бетонной смеси в обоих случаях был одинаков: цемент - 198 кг, щебень - 830 кг, песок - 500 кг, вода - 167 л, МК - 33 кг. Использовался МК производства ЧЭМК, марки МК-85 по ТУ4325-001-02495336-96. Содержание диоксида кремния - 88%, плотность неуплотненного МК - 0,22 г/см³ (неуплотн. МК). Плотность уплотненного МК, приготовленного в соответствии с предлагаемым изобретением, Р - 0,97 г/см³ (уплотн. МК). Результаты испытаний представлены в таблице.

Таблица
Вид МК	Прочность на сжатие, МПа	O.K., см
	На 3 сутки	На 28 сутки
Неуплотн. МК	15,7	22,5	15
Уплотн. МК	15,0	22,0	16

Представленные результаты показывают, что уплотнение МК по предлагаемому изобретению практически не снижает его активности в бетонных смесях. При этом достижение требуемой технологичности и транспортабельности МК получается с минимальными энергозатратами по сравнению с другими известными способами уплотнения МК.

Таким образом, заявляемая группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку один из заявляемых объектов - способ приготовления добавки в бетонные, растворные и сухие строительные смеси, а второй заявляемый объект - вещество, получаемое по заявляемому способу.

Заявляемая группа изобретений соответствует требованиям патентоспособности по критерию новизны, изобретательскому уровню и промышленной применимости.

1. Способ приготовления добавки в бетонные, растворные и сухие строительные смеси, содержащей микрокремнезем, включающий перемешивание компонентов указанной добавки в смесительном устройстве с получением гранул, отличающийся тем, что первоначально в смесительное устройство вводят микрокремнезем, затем начинают перемешивание микрокремнезема, подавая в него в распыленном виде воду или раствор химической добавки - пластифицирующей добавки или регулятора твердения, или воздухововлекающей добавки, или противоморозной добавки, или их смеси, до получения гранул, затем прекращают подачу воды или раствора указанной химической добавки, подают микрокремнезем и продолжают перемешивание до покрытия влажных гранул слоем сухого микрокремнезема, при этом соотношение компонентов следующее, мас.%:

Вода	10-20
Химическая добавка	0-15
Микрокремнезем	остальное

2. Добавка в бетонные, растворные и сухие строительные смеси, полученная способом по п.1.