Дунитовый цемент
Владельцы патента RU 2288899:
Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для получения новых видов цементов, используемых в строительстве, а также строительных растворов и бетонов на их основе. Технический результат - повышение прочности и снижение себестоимости цементов, уменьшение технологических затрат при их производстве. В состав дунитового цемента, состоящего из портландцементного клинкера, двуводного гипса и дунита, входят, мас.%: дунит 30-40, портландцементный клинкер 60-70, двуводный гипс 3 от массы смеси дунита и клинкера при их совместном помоле в стержневой вибрационной установке в течение 10 минут. 3 табл.
Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для получения строительных растворов и бетонов на их основе.
Известна вяжущая композиция, включающая, мас.%:
| Портландцементный клинкер | 15-50 |
| Хвосты Ковдорского ГОКа | 50-85 |
(Использование попутных продуктов обогащения железных руд в строительстве на Севере. Ленинград, Стройиздат. Ленинградское отделение, 1986, с.80-97).
Недостатком является то, что при ее получении используется метод автоклавной обработки, что существенно удорожает композиционное вяжущее. Предлагаемый цемент исключает данный способ обработки, а также обладает более высокой прочностью, выше на 67,3% по сравнению с известной композицией.
Наиболее близким к заявленному изобретению составом того же назначения по совокупности признаков является вяжущее, содержащее, мас.%:
| Дунит | 30-40 |
| Двуводный гипс | 3 |
| Портландцементный клинкер | Остальное |
(Патент РФ №2168472 от 26.07.1999, Бюл. №16 от 10.06.2001 г.).
При использовании известного вяжущего, принятого за прототип, недостатком является то, что при его приготовлении требуется измельчение дунита с водой, что приводит к затруднениям при производстве строительных работ. А предлагаемый цемент является готовым продуктом и обладает более высокой прочностью, выше на 67,8% по сравнению с прототипом.
Технический результат предлагаемого изобретения - получение новых, готовых к использованию видов цементов на основе дунитов, обладающих повышенной прочностью и низкой себестоимостью.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый дунитовый цемент состоит из портландцементного клинкера, дунита и двуводного гипса при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Дунит | 30-40 |
| Портландцементный клинкер | 60-70 |
| Двуводный гипс | 3 (от массы смеси дунита и клинкера) |
после их совместного помола в стержневой вибрационной установке в течение 10 минут.
Известен механизм процессов гидратации и твердения портландцементов на основе магнийсодержащих хвостов Ковдорского ГОКа, представляющих собой горную породу ультраосновного состава. Большую роль в формировании механических свойств материала играют здесь параметры автоклавного синтеза. При гидротермальном синтезе в условиях автоклава силикаты магния и железистомагниевые силикаты изменяют свою структуру. В системе (Mg, Fe)2SiO4-СаО-Н2О фиксируются новообразования различного кальциево-магниевого состава, обеспечивающие прочность автоклавному камню.
Сравнение предлагаемого изобретения с другими известными из уровня техники техническими решениями позволило установить следующее. В известном техническом решении для получения вяжущего использовали хвосты Ковдорского ГОКа, входящие в состав известной смеси. Сырьевая смесь подвергалась автоклавной обработке при 1,7 МПа. Недостатком является применение данной обработки, что приводит к большому потреблению электроэнергии и, как следствие, удорожанию вяжущего.
В заявленном цементе в качестве добавки использована ультраосновная магнийсиликатная порода в виде дунита, которая является природным сырьем Прибайкалья. Совместный помол исходных компонентов обеспечивает не только их тонкое измельчение, но и активацию частиц, и изменение структуры их поверхностных слоев. В сырьевой смеси происходят твердофазные реакции, что влияет на гидратационную активность и увеличение прочностных показателей предлагаемых цементов.
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 аналогов, а также и прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату - получение новых видов готовых цементов с достаточно высокими прочностными характеристиками - 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 влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований, а именно взаимодействие дунита с минералами цементного клинкера и гипсом при совместном помоле в стержневой вибрационной установке 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 преобладают (85-98%) минералы группы оливина: оливин (Mg, Fe)2[SiO4], фаялит Fe2[SiO4], форстерит Mg2[SiO4].
Дунит слагает мощную зону (до 850 м вглубь) протяженностью около 15 км. Запасы дунита составляют несколько миллиардов тонн. Качество дунита хорошее. Серпентинизация незначительная, петельчатая. Для них не характерны гидроксил- и щелочесодержащие минералы, что важно для производства цемента.
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. №1. С.67-74).
В данном техническом решении это сырье впервые используется в качестве активного вяжущего компонента при совместном помоле в стержневой вибрационной установке с портландцементным клинкером и гипсом в течение 10 минут.
Для выбора оптимального состава были приготовлены цементные смеси, отличающиеся друг от друга содержанием составляющих компонентов, мас.%: дунита - 20, 25, 30, 35, 40; портландцементного клинкера - 60, 65, 70, 75, 80; двуводного гипса - 3 от массы смеси дунита и портландцементного клинкера.
Технология получения дунитового цемента предлагаемого состава такова.
Портландцементный клинкер, двуводный гипс, дунит смешивают в соответствующих пропорциях и измельчают в стержневой вибрационной установке типа 75Т-ДрМ с ударно-сдвиговым характером нагружения в течение 10 минут. Смесь затворяют водой при водотвердом соотношении 0,3, тщательно перемешивают в течение 5 минут и готовят образцы-кубы размером 2×2×2 (см). Образцы в формах хранят 24 часа в нормально-влажностных условиях, а затем часть образцов подвергают тепловлажностной обработке (ТВО) по мягкому режиму пропаривания 1+6+1, а часть хранят в нормально-влажностных условиях в течение 7 и 28 суток. Затем образцы испытывают на сжатие.
Пример 1.
Дунит, портландцементный клинкер, двуводный гипс измельчают в стержневой вибрационной установке типа 75Т-ДрМ в течение 10 минут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Дунит | 20 |
| Портландцементный клинкер | 80 |
| Двуводный гипс | 3 (от массы смеси дунита и клинкера) |
Смесь затворяют водой при водотвердом соотношении 0,3, после чего оставляют 24 часа храниться в формах. После ТВО 7 и 28 суток твердения в нормально-влажностных условиях испытывают на прочность при сжатии. Образцы имели прочность после ТВО 30,8 МПа, среднюю плотность 2441 кг/м3. После 7 суток - прочность 35,4 МПа. Прочность при сжатии после 28 суток составила 37,4 МПа.
Пример 2.
Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Дунит | 25 |
| Портландцементный клинкер | 75 |
| Двуводный гипс | 3 (от массы смеси дунита и клинкера) |
Прочность при сжатии после ТВО - 42,2 МПа, средняя плотность - 2443 кг/м3. Через 7 суток твердения в нормально-влажностных условиях - 44,7 МПа. После 28 суток прочность при сжатии составила 45,8 МПа.
Пример 3.
Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Дунит | 30 |
| Портландцементный клинкер | 70 |
| Двуводный гипс | 3 (от массы смеси дунита и клинкера) |
Прочность при сжатии после ТВО - 64,0 МПа, средняя плотность - 2446 кг/м3. Через 7 суток твердения в нормально-влажностных условиях - 50,0 МПа. После 28 суток прочность при сжатии составила 57,4 МПа.
Пример 4.
Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Дунит | 35 |
| Портландцементный клинкер | 65 |
| Двуводный гипс | 3 (от массы смеси дунита и клинкера) |
Прочность при сжатии после ТВО - 59,8 МПа, средняя плотность - 2407 кг/м3. Через 7 суток твердения в нормально-влажностных условиях - 48,6 МПа. После 28 суток прочность при сжатии составила 55,9 МПа.
Пример 5
Проводится аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Дунит | 40 |
| Портландцементный клинкер | 60 |
| Двуводный гипс | 3 (от массы смеси дунита и клинкера) |
Rсж после ТВО равна 50,3 МПа, средняя плотность 2381 кг/м3. Rсж после 7 суток - 47,5 МПа, после 28 суток - 54,4 МПа.
В результате исследований (см. табл.2) удалось установить, что при помоле в стержневой вибрационной установке в течение 10 минут сырьевой смеси, состоящей из 30-40% дунита, 60-70% портландцементного клинкера и 3% двуводного гипса (от массы смеси дунита и клинкера) прочность повышается по сравнению с известными видами цементов обычного состава.
Характеристики полученных вяжущих веществ приведены в табл.2 (примеры 1-5). Для сравнения приведены показатели известного прототипа в табл. 3 (примеры 1-7). В табл.2 и 3 приняты следующие обозначения основных компонентов:
К - портландцементный клинкер
Г - двуводный гипс
Д - минеральная добавка - дунит
Rсж - предел прочности при сжатии.
Анализ результатов табл. 2 показывает, что
- предложенный дунитовый цемент, имеющий в своем составе минеральную добавку - дунит, обладает повышенной прочностью по сравнению с обычным портландцементом марки М 400;
- оптимальным является состав, содержащий 30% дунита, 70% портландцементного клинкера и 3% двуводного гипса (от массы дунита и клинкера);
- с увеличением расхода добавки дунита, начиная с 40%, снижением клинкера до 60% прочность цемента падает;
- все составы цемента набирают прочность за 7 суток хранения образцов в нормально-влажностных условиях;
- прочность цемента повышается при хранении образцов в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях, что позволяет сделать заключение о наборе прочности в более поздние сроки твердения.
Следовательно, при получении дунитового цемента совместным помолом в стержневой вибрационной установке входящих компонентов оптимальным является состав, содержащий, мас.%: дунит - 30-40, портландцементный клинкер - 60-70, двуводный гипс - 3 (от массы дунита и клинкера), обеспечивающий хорошие показатели прочности при нормально-влажностных условиях твердения.
Таким образом, предлагаемый дунитовый цемент имеет следующие преимущества по сравнению с известным:
- увеличены прочностные показатели на 67,8% по сравнению с прототипом;
- отсутствует гидромеханоактивация дунита, что приводит к снижению определенных технологических затрат при производстве предлагаемого цемента;
- снижение себестоимости за счет исключения из технологии производства цемента процесса механоактивации дунита с водой;
- получение готового конечного продукта.
Предлагаемый цемент отличается от прототипа тем, что не содержит процесса гидромеханоактивации дунита и простого смешивания компонентов, а включает совместный помол в стержневой вибрационной установке указанных компонентов и имеет отличие в их соотношении.
| Таблица 1 Химический состав дунита, мас.% | |||||||||
| Компонент | SiO2 | Al2О3 | Fe | Mn | Р2O5 | CaO | MgO | K+Na | Ti |
| Дунит | 36,50 | 1,05 | 7,19 | 0,15 | 0,10 | 7,01 | 43,34 | 0,15 | 0,41 |
| Таблица 2 Показатели физико-механических свойств дунитового цемента | |||||||||
| Состав цемента, мас.% | Предел прочности при сжатии, МПа | Средняя плотность, | |||||||
| К | Д | Г (от массы смеси) | ТВО | 7 суток | 28 суток | кг/м3 | |||
| 80 | 20 | 3 | 30,8 | 35,4 | 37,4 | 2441 | |||
| 75 | 25 | 3 | 42,2 | 44,7 | 45,8 | 2443 | |||
| 70 | 30 | 3 | 64,0 | 50,0 | 57,4 | 2446 | |||
| 65 | 35 | 3 | 59,8 | 48,6 | 55,9 | 2407 | |||
| 60 | 40 | 3 | 50,3 | 47,5 | 54,4 | 2381 | |||
| 100 | - | 3 | 38,5 | 34,8 | 46,0 | 1942 | |||
| Таблица 3 Показатели физико-механических свойств известного прототипа | |||||||||
| Состав вяжущего, мас.% | Предел прочности при сжатии, МПа | Средняя плотность, | |||||||
| К | Д | Г | 7 суток | 28 суток | кг/м3 | ||||
| 77 | 20 | 3 | 8,8 | 8,9 | 1431 | ||||
| 72 | 25 | 3 | 13,7 | 14,3 | 1519 | ||||
| 67 | 30 | 3 | 28,8 | 30,1 | 2029 | ||||
| 62 | 35 | 3 | 31,0 | 32,1 | 2076 | ||||
| 57 | 40 | 3 | 33,3 | 34,2 | 2248 | ||||
| 52 | 45 | 3 | 29,8 | 30,2 | 2239 | ||||
| 47 | 50 | 3 | 26,7 | 27,1 | 2226 | ||||
| 97 | - | 3 | 29,6 | 30,0 | 2095 |
Предлагаемый дунитовый цемент разработан в лаборатории химии и технологии природного сырья БИП СО РАН.
Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию "промышленная применимость".
Дунитовый цемент, состоящий из портландцементного клинкера, двуводного гипса и дунита, отличающийся тем, что в его состав входят, мас.%:
| Дунит | 30-40 |
| Портландцементный клинкер | 60-70 |
| Двуводный гипс | 3 от массы смеси дунита и клинкера |
при их совместном помоле в стержневой вибрационной установке в течение 10 мин.
