Безобжиговое вяжущее

 

Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для получения портландцементов, строительных растворов и бетонов на их основе. Технический результат - повышение прочности вяжущего путем использования добавки на основе пород Забайкалья - дунитов в сочетании с минералами портландцементного клинкера, что приводит к активному участию породы в процессе гидратации и твердения цемента. Вяжущее состоящее из портландцементного клинкера, двуводного гипса и добавки, в качестве добавки содержит магнезиальную породу/дунит, при следующем соотношении компонентов, мас.%: дунит 30-40, двуводный гипс 3, портландцементный клинкер остальное. 4 табл.

Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для получения портландцементов строительных растворов и бетонов на их основе.

Известно вяжущее, включающее, мас.%: - портландцементный клинкер; - двуводный гипс; - доломит; (см. автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технич.наук Истомина М.Ю. Улан-Удэ, 1998).

По нашему мнению, указанная добавка потребует дополнительные затраты энергии на предусмотренный обжиг при указанной температуре. Предлагаемое вяжущее обладает более высокой прочностью, выше на 38% по сравнению с известной композицией.

Наиболее близким к заявленному изобретению, составом того же назначения, по совокупности признаков является вяжущее, содержащее, мас.%: Портландцементный клинкер - 15-50 Хвосты Ковдорского ГОКа - 50-85 (см. Использование попутных продуктов обогащения железных руд в строительстве на Севере. Ленинград, Стройиздат. Ленинградское отделение, 1986, с, 80-97).

При использовании известного вещества, принятого за прототип, недостатком является то, что применение автоклавной обработки удорожает вяжущее. А при хранении на воздухе предлагаемое вяжущее обладает более высокой прочностью, выше на 20% по сравнению с прототипом.

Поэтому предлагается возможность создания магнезиальных портландцементов с использованием магнийсиликатной породы. Композиция " Дунит - портландцементный клинкер - двуводный гипс" позволяет заменить доломит в известном вяжущем.

Целью предлагаемого изобретения является повышение прочности вяжущего путем количественной оценки введения добавки на основе пород Забайкалья - дунитов в сочетании с минералами портландцементного клинкера, что приводит к активному участию породы в процессе гидратации и твердения цемента.

Указанная цель изобретения достигается тем, что вещество известного состава, состоящее из портландцементного клинкера, двуводного гипса и добавки, в качестве добавки содержит магнезиальную породу - дунит, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Дунит - 30-40 Двуводный гипс - 3
Портландцементный клинкер - Остальное
Известен механизм процесса гидратации и твердения магнезиальных портландцементов на основе магнийсодержащих хвостов Ковдорского ГОКа, представляющих собой горную породу ультраосновного состава. Большую роль в формировании механических свойств материала играют параметры автоклавного синтеза. При гидротермальном синтезе в условиях автоклава силикаты магния и железистомагниевые силикаты изменяют свою структуру, в системе (Mg, Fe)₂ • SiO₄ -CaO-H₂O фиксируются новообразование различного кальциевомагниевого состава, обеспечивающие прочность автоклавному камню.

Сравнение предлагаемого изобретения с другими известными из уровня техники техническими решениями позволило установить следующее. В известных технических решениях для получения вяжущего использовали различные минеральные добавки, полученные в результате термической обработки сырьевых материалов, входящих в состав известной смеси. Сырьевая смесь обжигалась в восстановительной среде в интервале температур 1250-1500^oC. Недостатком является высокая температура обжига, что приводит к большому потреблению электроэнергии.

В заявленном вяжущем в качестве добавки использована магнийсиликатная порода в виде дунита, которая является природным сырьем Забайкалья.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведение об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня заявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату - повышению прочности вяжущего, 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 с минералами цементного клинкера обеспечивает положительную реакцию на достижение технического результата - повышение прочности.

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. Этим дунит Йоко-Довыренского массива выгодно отличается от оливинита Ковдорского массива, содержащего кальцит, флюид- и щелочесодержащие минералы. В дуните Йоко-Довыренского массива исключительно низкие содержания щелочей, кальция, алюминия, а также потери при прокаливании.

Химический состав для сравнения приведен ниже, маc.%: (см. табл. 2). 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. N 1. с. 67-74).

В данном техническом решении это сырье используется в качестве активного вяжущего компонента в количестве 30-40% впервые.

Для выбора оптимального состава были приготовлены вяжущие, отличающиеся друг от друга содержанием магнезиальной составляющей (дунита), мас.%: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50; клинкеры - 47, 52, 57, 62, 67, 72, 77 содержанием гипса до 3% от массы клинкера. Полученные смеси затворяли водой. Вяжущие предлагаемых составов готовили двумя способами: 1) хранение в течение 7 суток в лабораторных условиях; 2) хранение в течение 28 суток в нормальных условиях.

Технология получения малоцементного вяжущего предлагаемого состава такова.

Портландцементный клинкер, гипс, дунит отдельно просеивают сквозь сито с сеткой N 005, соответствующей требованиям ГОСТа. Дунит измельчают с водой в лабораторной стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ в течение 15 мин. Соединяют с клинкером и гипсом. В приготовленную таким образом смесь вводится мелкий заполнитель - кварц - полевошпатовый песок, после чего смесь тщательно перемешивают в течение 5 мин, а затем вводят необходимое количество воды. Образцы - кубы размером 2х2х2 (см) готовят из приготовленного цементного раствора состава 1:3, состоящего из 1 мас.ч. вяжущего и 3 мас.ч. песка, при водоцементном отношении не менее 0,4 и консистенции раствора, характеризуемой расплавом конуса на встряхивающем столике не менее 105 мм. Формование образцов проводят на виброуплотняющей установке. Образцы в формах хранят 24 часа во влажных условиях, после чего подвергают ТВО или хранят в течение 28 суток в лабораторных условиях.

Пример 1
Дунит размалывают с клинкером и гипсом в стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ в течение 15 минут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Дунит - 20
Портландцементный клинкер - 77
Двуводный гипс - 3
Смесь перемешивают и затворяют водой, после чего оставляют 24 часа хранится в формах. Через 7 суток хранения в нормальных условиях образцы испытывают на прочность. Образцы имели прочность при сжатии 8,8 МПа, среднюю плотность 1431,4 кг/м³. Также образцы хранили 28 суток в нормальных условиях. При этом прочность при сжатии составила 8,9 МПа, средняя плотность не изменилась.

Пример 2
Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%:
Дунит - 25
Портландцементный клинкер - 72
Двуводный гипс - 3
Прочность при сжатии через 7 суток - 13,7 МПа, средняя плотность 1518,6 кг/м³. Прочность при сжатии через 28 суток - 14,3 МПа.

Пример 4
Проводится аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Дунит - 35
Портландцементный клинкер - 62
Двуводный гипс - 3
Прочность при сжатии через 7 суток 31,0 МПа, средняя плотность 2075,6 кг.

Пример 5
Пример 5 аналогичен примеру 1 при следующем содержании основных компонентов, мас.% :
Дунит - 40
Портландцементный клинкер - 57
Двуводный гипс - 3
R_сж через 7 суток равна 33,3 МПа, Р_ср - 2247,5 кг/м³. R_сж после 28 суток равна 34,2 МПа.

Пример 6
Пример 6 проводится аналогично примеру 1 при содержании основных компонентов, мас.%:
Дунит - 45
Портландцементный клинкер - 52
Двуводный гипс - 3
Прочность при сжатии через 7 суток равна 29,8 МПа, средняя плотность - 2239,1 кг/м³, R_сж через 28 суток равна 30,2 МПа.

В результате исследований (см. табл. 3) удалось установить, что при введении в портландцемент добавки дунита 35-40% прочность повышается по сравнению с известными видами цементов обычного состава.

Характеристики полученных вяжущих веществ приведены в табл. 3 (примеры 1-7). Для сравнения приведены показатели известного прототипа в табл. 4 (примеры 1-4 ). В табл. 3, 4 приняты следующие обозначения основных компонентов:
к - портландцементный клинкер
г - двуводный гипс
д - минеральная добавка - дунит
R_сж - предел прочности при сжатии.

Анализ результатов табл. 3 показывает, что
- вяжущее, состоящее только из портландцементного клинкера и гипса, обладает пониженной прочностью по сравнению с предложенным вяжущим, имеющим в своем составе кроме указанных компонентов минеральную добавку - дунит;
- с увеличением расхода добавки дунита, начиная с 45%, снижением клинкера до 52% прочность вяжущего падает;
- все составы вяжущего набирают прочность за 7 суток хранения образцов в лабораторных условиях;
- прочность вяжущего повышается при хранении образцов в течение 28 суток в нормальных условиях, что позволяет сделать заключение с набора марочной прочности вяжущего в более поздние сроки твердения.

Следовательно, оптимальными являются составы вяжущего содержащие, мас.%: дунит 35-40, клинкер 57-62, гипс - 3, обеспечивающие хорошие показатели прочности при нормальных условиях твердения.

Таким образом, предлагаемое вяжущее имеет следующие преимущества по сравнению с известным:
- увеличены прочностные показатели на 20% по сравнению с прототипом;
- отсутствует автоклавная обработка, что приводит к снижению энергозатрат при производстве предлагаемого вяжущего;
- снижение энергозатрат за счет замены отходов обогащения руд на дунит, добыча которого предполагается открытым способом;
- стоимость используемой добавки в 18 раз дешевле, чем стоимость отходов обогащения руд.

Известное вяжущее включает отходы обогащения руд стоимостью за 1 т 47,8 руб. в ценах 1981 г. Стоимость дунита составляет 3,29 руб. за тонну в ценах 1981 г.

Предлагаемый состав отличается от прототипа тем, что не содержит отходы обогащения руд, а содержит нетрадиционное природное сырье - дунит.

Предлагаемое вяжущее разработано в лаборатории химии и технологии минерального сырья БИП СО РАН при участии ГИН СО РАН и НИЛСТРОМ ВСТГУ.

Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Безобжиговое вяжущее, состоящее из портландцементного клинкера, двуводного гипса, добавки, отличающееся тем, что в качестве добавки оно содержит магнийсиликатную породу - дунит при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Дунит - 30 - 40
Двуводный гипс - 3
Портландцементный клинкер - Остальноез

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2