Вяжущее
Владельцы патента RU 2532437:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) (RU)
Изобретение относится к строительным материалам, а именно к составам гипсовых вяжущих, и может быть использовано для изготовления строительных изделий, а также в монолитном домостроении. Технический результат заключается в увеличении прочности при сжатии через два часа и упрощении технологии приготовления без снижения водостойкости, конкретно - коэффициента размягчения. Вяжущее включает строительный гипс (β-CaSO4·0,5 H2O), железосодержащие отходы газоочистки доменных печей (колошниковую пыль с удельной поверхностью 1900-1920 см2/г), каустический магнезит, соль хлористого магния (MgCl2), вводимую раствором бишофита (плотностью 1,1 г/см3) до нормальной густоты, и алюмосиликатную добавку (керамзитовая пыль) при соотношении всех компонентов, мас.%: строительный гипс (β-CaSO4·0,5 H2O) 78,4-89,3, колошниковую пыль 1,9-1,91, каустический магнезит 0,95-1,0, керамзитовую пыль 2,85-14,35, хлористый магний (MgCl2) 4,34-5,0. 2 табл.
Изобретение относится к строительным материалам, а именно к составам гипсовых вяжущих, и может быть использовано для изготовления строительных изделий, а также в монолитном домостроении.
Известно вяжущее повышенной водостойкости, приведенное в Патенте России №2425811 МПК C04B 11/00; C04B 18/04; C04B 111/27, опубликованном 10.08.2011. Бюл. №22.
Состав вяжущего включает компоненты при следующем их соотношении:
- Строительный гипс (β-CaSO4·0,5 H2O) 94,5-98,5;
- Молотая колошниковая пыль 1-4;
- Отход производства ланолина 0,5-1,5.
Наряду с достоинствами вяжущего увеличивается водостойкость с величины Кразм=0,34 до 0,65-0,7, имеются и недостатки:
1. Энергоемкий процесс получения вяжущего, т.к. колошниковую пыль подвергают тонкому измельчению, чтобы повысить удельную поверхность с 1900 см2/г до 2500 см2/г, что увеличивает себестоимость вяжущего.
2. Вяжущее обладает недостаточной водостойкостью Кразм=0,6-0,7, т.е. не является водостойким. Гипсовое вяжущее, как известно, считается водостойким при условии Кразм>0,75-0,8 (См. А.А. Пащенко, В.П. Сербии, Е.А. Старченская. "Вяжущие материалы". Издательское объединение «Вища школа», 1975, с.444).
Наиболее близкий состав к предлагаемому вяжущему приведен в Авт. Свид. СССР №1303586, C04B 28/14 и C04B 7/04, опубл. 15.04.87. Бюл. №14.
Известная смесь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
- Каустический магнезит 1-10;
- Железосодержащие отходы газоочистки доменных печей 2-17;
- Полуводный гипс - остальное.
Известное вяжущее затворяется раствором бишофита с плотностью 1,3 г/см3 (30%-ная концентрация MgCl2).
Если твердую составляющую бишофита MgCl2·6H2O включить в 100% известного вяжущего, то состав прототипа содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%:
- Полуводный гипс (β-CaSO4·0,5 H2O) 64,30-85,0;
- Каустический магнезит 0,90-8,80;
- Железосодержащие отходы газоочистки доменных печей (колошниковая пыль фракции не более 1,25 мм) 1,75-15,0;
- MgCl2, вводимая раствором бишофита, плотностью 1,3 г/см3 (концентрация MgCl2 - 30%) 11,90-12,35
Известное вяжущее наряду с достоинствами (утилизируются отходы доменного производства, высокая водостойкость) имеет и недостатки:
1. Низкая прочность вяжущего при сжатии после 2-х часов 3,06-4,74 МПа, т.е. в среднем для трех смесей - 3,83 МПа, а у полуводного гипса прочность - 4,22 МПа.
2. Энергоемкая технология приготовления железосодержащего отхода доменных печей, т.к. используется гидроотвальный шлам, содержащий грубодисперсную колошниковую пыль фракции не более 1,25 мм. Такой отход необходимо сушить и просеивать через сито с d=1,25 мм.
3. Сравнительно высокий расход бишофита (на 5-6% выше), что увеличивает себестоимость.
Задача данного изобретения - увеличить прочность при сжатии через два часа и упростить технологию приготовления без снижения водостойкости, конкретно - коэффициента размягчения.
Для реализации задачи наряду со строительным гипсом (β-CaSO4·0,5H2O), железосодержащим отходом газоочистки доменных печей - колошниковой пылью, каустическим магнезитом, введена соль MgCl2, посредством бишофита с плотностью 1,1 г/см3 и пылевидная алюмосиликатная добавка.
В качестве железосодержащего отхода газоочистки доменных печей используют колошниковую пыль с удельной поверхностью 1900-1920 см2/г, а в качестве алюмосиликатной добавки - керамзитовую пыль из циклонов при следующем содержании всех компонентов, мас.%:
- Строительный гипс (β-CaSO4·0,5 H2O) 78,4-89,3
- Колошниковая пыль 1,9-1,91
- Каустический магнезит 0,95-1,0
- Керамзитовая пыль 2,85-14,35
- Хлористый магний(MgCl2) 4,34-5,0
Характеристика компонентов, принятых для реализации задачи:
1. Строительный гипс (β-CaSO4·0,5 H2O).
Марка Г-4. Прочность при сжатии через 2 часа 4,2-4,3 МПа.
Сроки схватывания:
- начало 6-8 мин
- конец 11-12 мин
Отвечает требованиям ГОСТ 125-79 «Вяжущие гипсовые. Технические условия». Коэффициент размягчения 0,36-0,38.
2. Колошниковая пыль ОАО "Тулачермет". Химический состав КП % по массе:
SiO2 - 11,76-12,5;
Al2O3 - 1,51-1,75;
CaO - 9,97-10,77;
MgO - 1,76-2,1;
Na2O - 0,19-0,23;
K2O - 0,13-0,23;
MnO - 0,065-0,101;
P2O5 - 0,12-0,14;
P - 0,08-0,084;
Fe - 1,63-1,7;
FeO - 9,81-10,3;
Fe2O3 - 41,08-43,29;
C - 18,53-19,4;
S - 0,3-0,47.
Всего железосодержащих, % по массе, 52,62-55,29.
Минералогический состав, % по массе:
- анортит (CaAl2SiO2) - 5-8;
- магнетит (FeO·Fe2O3) - 10-12;
- фаялит (Fe2SiO3) - 2-4;
- окерманит (CaMgSi2O7) - 1-3;
- силикат кальция - 10-12;
- стеклофаза - 8-14;
- свободные (Fe2O3; FeO; Fe) - остальное.
Удельная поверхность 1900-1920 см2/г.
3. Каустический магнезит - попутный отход, получаемый в результате улавливания пыли, образующейся при производстве спеченного периклазового порошка и применяемый в качестве вяжущего вещества (См. ГОСТ 1216-87 Порошки магнезитовые каустические. Технические условия). В данном изобретении принято ПМК-87, т.е. каустический магнезит, содержащий не менее 87% MgO.
4. Магний хлористый технический (бишофит) MgCl2·6H2O.
Принят бишофит из Волгоградской скважины. Отвечает требованиям ГОСТ 7759-73. Принят раствор бишофита плотностью 1,1 г/см3 с концентрацией 13%.
5. Керамзитовая пыль. Принята пыль из циклонов обжигательной печи. Образуется в результате газоочистки при обжиге керамзита. Керамзит - искусственный пористый заполнитель. Его получают в результате вспучивания расплава из глины, причем при сравнительно высокой температуре выше 1100°C. Керамзитовая пыль состоит преимущественно из стекловидных микрочастиц, т.к. и кристаллические минералы переходят в расплав (аморфную структуру). (См. С.М. Ицкович, Л.Д. Чумаков, Ю.М. Баженов. Технология заполнителей бетона: Учеб. для строит. вузов по спец. «Производство строительных изделий и конструкций» - М.: Высш. шк., 1991 - 272 с).
Удельная поверхность керамзитовой пыли 2000-2500 см2/г.
Реализация поставленной задачи подтверждается опытами.
Сухие порошки компонентов (кроме бишофита) дозировали по массе в соотношении компонентов, приведенных в таблице 1. Сухую смесь порошков затворяли раствором бишофита плотностью 1,1 г/см3 с концентрацией MgCl2 13% до получения теста нормальной густоты. Из теста методом литья формовали образцы-балочки размером 40×40×160 мм и через 2 часа в соответствие с ГОСТ 23789-79 "Вяжущие гипсовые. Методы испытаний" испытывали на прочность. Вторую часть образцов сушили до постоянной массы при температуре 50°C и часть образцов (6 шт.) водонасыщали до постоянной массы и определяли пределы прочности сухих образцов и водонасыщенных для установления коэффициента размягчения. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Предложенный состав вяжущего позволил увеличить прочность при сжатии после 2-х часов на 11,8-26,5%, а также не уменьшилась водостойкость.
| Таблица 1 | |||||||
| Состав вяжущих | |||||||
| № п/п | Компоненты состава | Номера смесей вяжущего и состав масс, % | |||||
| 1* | 2 | 3 | 4 | 5* | 6 прототип | ||
| 1 | Строительный гипс βCaSO4·0,5 H2O | 90,0 | 89,3 | 83,0 | 78,4 | 73,66 | 85,0 |
| 2 | Железосодержащий отход газоочистки доменных печей | - | - | - | - | - | - |
| 2.1 | Колошниковая пыль, уд. поверхн. 1900-1920 см2/г |
2,0 | 1,9 | 1,91 | 1,91 | 1,91 | - |
| 2.2 | Грубодисперсная колошниковая пыль фр. не более 1,25 мм |
- | - | - | - | 1,75 | |
| 3 | Каустический магнезит | 0,5 | 0,95 | 0,96 | 1,0 | 1,0 | 0,90 |
| 4 | Керамзитовая пыль из циклонов | 2,5 | 2,85 | 9,6 | 14,35 | 19,13 | - |
| 5 | MgCl2, вводимый раствором бишофита |
5,0 | 5,0 | 4,53 | 4,34 | 4,3 | 12,35 |
| Составы 1* и 5* - запредельные |
| Таблица 2 | ||||||||
| Свойства образцов вяжущих | ||||||||
| № п/п | Компоненты состава | Номера сухих смесей из таблицы 1 и показатели параметров свойств | ||||||
| Контр. об βCaSO4·0,5 H2O | 1* | 2 | 3 | 4 | 5* | 6 прототип | ||
| 1 | Предел прочности при сжатии, МПа: | |||||||
| после 2-х часов | 4,2 | 5,85 | 6,1 | 5,92 | 5,35 | 4,36 | 4,74 | |
| сухих | 11,0 | 6,40 | 6,8 | 6,1 | 6,0 | 5,3 | 5,1 | |
| водонасыщенных | 4,1 | 4,48 | 6,6 | 6,09 | 6,5 | 3,45 | 4,9 | |
| 2 | Коэффициент размягчения | 0,37 | 0,7 | 0,97 | 1,0 | 1,08 | 0,65 | 0,97 |
| Составы 1* и 5* - запредельные |
Анализ результатов испытаний
1. Из данных таблицы 1 видно, что все составляющие состава вяжущего не требуют предварительной подготовки (сушки, помола и др.), что упрощает технологию приготовления вяжущего.
2. Составы №1 и №5 являются запредельными, т.к. у состава №1 - ниже водостойкость, а у состава №5 - ниже прочность и водостойкость по отношению к составу прототипа.
3. Из таблицы 2 видно, что прочность после 2-х часов увеличилась на 11,8-26,5%, т.е. с марки Г4 до Г5-Г6, а также не уменьшилась водостойкость. Увеличилась по отношению к прототипу и прочность сухих образцов.
Физико-механическая сущность увеличения прочности и сохранения водостойкости состоит в высокой степени реакционной способности керамзитовой пыли, состоящей из аморфной (стекловидной) составляющей по отношению к MgO каустического магнезита и Mg(OH)2, образующего при гидролизе MgCl2. Керамзит и соответственно пыль керамзита образуются, как известно, в результате вспучивания стеклорасплава, образующегося при обжиге глины при температуре выше 1100°C, т.е. микрочастицы пыли являются стекловидными и легко переходят в кислой среде бишофита в гелеобразное состояние кремнезема, а точнее в гель ортокремневой кислоты H4SiO4 и гель Al2O3. Последние вступают в реакцию с MgO и Mg(OH)2, образуя нерастворимое соединение гидросиликатов и гидроалюминатов магния типа MgO·SiO2·nH2O и MgO·Al2O3·nH2O, которые способствуют увеличению прочности и водостойкости. Аналогично образуются и гидросиликаты кальция из свободной извести, содержащейся в колошниковой пыли.
Экономическая целесообразность предлагаемого вяжущего объясняется следующими факторами:
1. Уменьшается расход сравнительно дорогостоящего бишофита.
2. Утилизируется отход производства - колошниковая пыль и керамзитовая пыль.
3. Не требуются энерго- и теплозатраты на сушку и просев железосодержащих отходов газоочистки доменных печей.
В результате указанных факторов себестоимость предлагаемого вяжущего уменьшается на 20-25% по отношению к себестоимости состава прототипа.
Вяжущее, включающее строительный гипс(β-CaSO4·0,5H2O), железосодержащие отходы газоочистки доменных печей (колошниковую пыль), каустический магнезит, соль хлористого магния (MgCl2), вводимую раствором бишофита до нормальной густоты и, дополнительно алюмосиликатную добавку, отличающееся тем, что колошниковую пыль берут с удельной поверхностью 1900-1920 см2/г, раствор бишофита берут плотностью 1,1 г/см3, а в качестве алюмосиликатной добавки применяется керамзитовая пыль при соотношении всех компонентов, мас.%:
| Строительный гипс (β-CaSO4·0,5H2O) | 78,4-89,3 |
| Колошниковая пыль | 1,9-1,91 |
| Каустический магнезит | 0,95-1,0 |
| Керамзитовая пыль | 2,85-14,35 |
| Хлористый магний (MgCl2) | 4,34-5,0 |
