Органоминеральный цемент для специальных работ
Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для приготовления тяжелых бетонов повышенной морозостойкости и ячеистых бетонов. Органоминеральный цемент включает, мас.%: клинкер портландцементный молотый 73,5-92,5, гипс двуводный 4,0-5,0, компонент кремнеземистый тонкомолотый 1,0-10,0, экстракт кератиносодержащий 2,50-12,5. Технический результат - разработка состава цемента, обладающего высокой прочностью, более низкими сроками схватывания, стойкостью к коррозии, высокой морозостойкостью и одновременно низкой водопотребностью, более высокой агрегативной устойчивостью и длительным временем хранения без снижения активности. 4 табл.
Предложение относится к области строительных материалов и может быть использовано для приготовления тяжелых бетонов повышенной морозостойкости и ячеистых бетонов.
Известен бездобавочный портландцемент по ГОСТ 10178-85 (патент №2288899), ПЦ (300, 400, 500), Д0, состоящий из молотого портландцементного клинкера и гипса CaSO4*2H2O при соотношении компонентов в % по массе: клинкер - 95-96; гипс 4-5.
Цемент естественного твердения в возрасте 28 суток имеет прочность при сжатии 30, 40 или 50 МПа в соответствии с маркой, морозостойкость 100-300 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Водопотребность его (нормальная густота) составляет 23-27%, начало схватывания 2-3 часа, конец - 4-5 часов.
Недостатком такого цемента является то, что гарантированное время хранения этого цемента составляет не более 1 месяца, после чего его активность снижается не менее чем на 1 марку, цемент имеет низкую агрегативную устойчивость, поэтому легко комкуется, слеживается, превращаясь в камень.
Известен также портландцемент по ГОСТ 10178-85 (патент №2002119043), включающий дополнительно для повышения стойкости к выщелачиванию пресной водой и увеличения стойкости к солевой коррозии добавку молотого кремнеземсодержащего компонента в количестве 15-29% по массе, ПЦ (300, 400, 500) Д20. Эта разновидность портландцемента имеет такие же характеристики прочности и водопотребности, как и приведенные выше, и повышенную стойкость к выщелачиванию и солевой коррозии.
Недостатками этого цемента являются невысокая морозостойкость, малое время хранения из-за низкой агрегативной устойчивости, связанная с ней высокая слеживаемость, быстрое комкование при хранении.
Наиболее близким к предлагаемому цементу является портландцемент по авторскому свидетельству №259679, включающий молотый портландцементный клинкер, борогипсовый шлам (состоящий из 20-25% тонкомолотого кремнеземистого компонента и 80-75% двуводного гипса - 5-6%, от веса клинкера содержащий дополнительно 2,5-4% от веса сухого шлама нафтеновые или высшие жирные кислоты (гидрофобный портландцемент).
Его характеристики прочности, морозостойкости и коррозионной стойкости не отличаются от тех же свойств вышеприведенных цементов, Недостатком этого цемента является низкая агрегативная устойчивость (комкование) и замедленное твердение.
Кроме того, ни один из перечисленных аналогов предлагаемого цемента не может быть использован для получения ячеистых бетонов без применения специальных пено- или газообразователей.
Задачей настоящего предложения является разработка состава цемента с высокой прочностью, стойкостью к коррозии, высокой морозостойкостью и одновременно низкой водопотребностью, высокой агрегативной устойчивостью (отсутствием комкования и слеживаемости, длительным временем хранения без заметного изменения свойств) и способностью при перемешивании в смеси с мелким заполнителем и водой в скоростном смесителе образовывать ячеистую пенообразную структуру.
Техническим результатом предложения является разработка состава цемента, обладающего высокой прочностью, стойкостью к коррозии, высокой морозостойкостью и одновременно низкой водопотребностью и длительным временем хранения - более 4 месяцев - без снижения активности. При этом для получения ячеистого бетона предлагаемый цемент не требует введения пено- или газообразователей. Для получения пенобетона на предлагаемом цементе необходимо лишь добавить к нему мелкий заполнитель и воду и перемешать смесь в скоростном смесителе.
Технический результат достигается тем, что в цементе, включающем молотый портландцементный клинкер, гипс, тонкомолотый кремнеземистый компонент и органическую добавку, в качестве органической добавки применяется кератинсодержащий экстракт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
клинкер портландцементный молотый - 73,5-92,5.
гипс двуводный - 4,0-5,0.
компонент кремнеземистый тонкомолотый - 1,0-10,0.
экстракт кератиносодержащий - 2,50-12,5.
Реализация предлагаемого состава цемента иллюстрируются следующими примерами.
Пример 1. Цемент содержит (мас.%):
клинкер портландцементный молотый - 81,0;
экстракт кератиносодержащий - 12,5;
двуводный гипс - 5,0;
микрокремнезем - 1,5;
Пример 2.
клинкер портландцементный молотый - 80,9;
экстракт кератиносодержащий - 5,0;
гипс двуводный - 4,1;
гранитная пыль - 10,0;
Пример 3.
клинкер портландцементный молотый - 78,0;
экстракт кератиносодержащий - 10,0;
гипс двуводный - 4,0;
шлак гранулированный молотый - 8,0;
Пример 4.
клинкер портландцементный молотый - 83,5;
экстракт кератиносодержащий - 7,5;
гипс двуводный - 5,0;
кварц тонкомолотый - 4,0;
Пример 5.
клинкер портландцементный молотый - 91,5;
экстракт кератиносодержащий - 2,5;
гипс двуводный - 4,0;
микрокремнезем - 2,0.
Использованные в примерах вещества имеют следующие составы:
Клинкер портландцментный Горнозаводского цементного завода состава (мас.%):
Алит 3СаО*SiO2 - 59,56;
Белит - 2СаО*SiO2 - 21,12;
Трехкальциевый алюминат - 3СаО*Аl2О3 - 4,6;
Четырехкальциевый алюмоферрит - 4 СаО*Аl2О3*Fе2О3 - 14,72.
Гипс двуводный Ергачинского карьера содержит (мас.%):
CaSO4*2H2O - 89,8
SiO2 - 4,9;
Аl2О3 - 1,7;
Fе2О3 - 0,9;
MgO - 2,7.
Кератин - это нерастворимые в воде белки позвоночных, образующие их волосы, шерсть, роговые покровы. От ближайших аналогов склеропротеинов они отличаются по своему химическому составу, в частности содержанием значительных количеств цистина (ди-β-тио-2-аминопропионовой кислоты), и, как результат, отличное от других пептидов отношение к кислотам, щелочам и энзимам.
Кератин медленно гидролизуется концентрированными кислотами и быстро гидролизуется на холоду крепкими щелочами.
Таким образом, щелочной гидролиз кератинов проходит достаточно просто и приводит к образованию на первой стадии к гидролизу амидных связей, а также деструкции полисульфидных связей цистина. В результате карбоксильные группировки приобретают вид натриевых (калиевых) солей и выделяется до 18% азота в виде аммиака, а полисульфидные связи переходит в меркаптиды натрия (калия).
Щелочной гидролизат представляет собой коричневый раствор водорастворимых олигомеров, обладающих свойствами ПАВ. При добавлении стабилизаторов FeSO4, ZnSO4 и т.д. происходит, по-видимому, комплексообразование по сульфидным и аминогруппам, что структурирует олигомеры, а воздействие кислорода воздуха создает пространственную трехмерную структуру ПАВ.
При контакте с портландцементом происходит обмен натриевых (калиевых) солей на кальциевые, т.е.образуются дополнительные химические связи, а выделяющаяся глауберова соль связывает воду в виде кристаллизационной с образованием мирабилита.
Доменный гранулированный шлак Чусовского металлургического завода имеет химический состав типичного «нейтрального» шлака. В основном он состоит из шлакового стекла, светлобурого, иногда бледнозеленого цвета, обусловленного окислами железа.
Химический состав (мас.%):
SiO2 - 26,2-29,21; Аl2O3 13,6-15,8; FeO - 2,0 - 2,4; Fе2О3 - 0-1,3; CaO - 29,7-30,9; MgO - 9,8-10,3; TiO2 - 10,8-11; Cr2О3 - 0,15-0,4; V2O5 - 0,3-2,36; Р - 0-0,04; S-0-0,3; MnO - 0,5-0,6.
Фазовый состав (мас.%):
- стекло с показателем преломления 1,594-1,623 - до 75,0;
- кристалические фазы - до 25,0.
Минералы шлака:
- окерманит - 2CaOMgO2SiO2 - преобладает в виде таблитчатых кристалов размером 0,01-1,0 мм. Встречаются скелетные конвертообразные формы, дендротовидные прорастания - до 50% кристалических фаз;
- мелилит - 4CaOAl2O3MgO2SiO2 - в виде мелких кристалов округлой формы - до 25%;
- монтичеллит - CaOMgOSiO2 - игольчатые кристалики размером 0,1 мм - до 25%.
В качестве акцессорных минералов встречаются:
- ранкинит SCaOSiO2,
- псевдоволастонит α - CaOSiO2
- шпинель Fе2О3Аl2О3.
Показатели основности и активности шлака следующие:
mо=0.85-1.04, mа=0,47-0,6.
Микрокремнезем, отход ферросплавного производства Липецого металлургического комбината, содержит SiO2 - 89,6% по массе; удельная поверхность его составляет 15000-16000 см2/г.
Молотый кварц содержит 100% SiO2, а его удельная поверхность равна 4000-4500 cм2/г.
Гранитная пыль имеет химический состав (мас.%): SiO2 - 70,18; Аl2О3 - 14,47; FeO - 1,67; Fе2O3 - 1,78; CaO - 1,99; MgO - 088; TiO2 - 0,39; Na2O - 3,48; К2О - 4,11; P2O5 - 0,19; MnO - 0,12.
Тонкость помола по удельной поверхности для всех твердых компонентов цемента, кроме микрокремнезема, должна составлять 3500-4500 см2/г.
Описанные в примерах 1-5 составы испытывали по ГОСТ 310-87. Для этого определяли нормальную густоту теста, сроки схватывания и прочность образцов-балочек размерами 4×4×16 см из раствора со стандартным песком в соотношении 1:3.
Результаты испытаний составов в примерах 1-5 по ГОСТ 310.1-87 приведены в табл.1.
| Таблица 1 | |||||
| №№ примеров | Нормальная густота теста, % | Сроки схватывания, час:мин | Прочность образцов, МПа | ||
| начало | конец | при изгибе | при сжатии | ||
| 1 | 25,0 | 1:25 | 4:00 | 12,30 | 38,20 |
| 2 | 22,5 | 0:20 | 1:30 | 12,54 | 35,40 |
| 3 | 21,25 | 0:15 | 1:05 | 12,30 | 39,20 |
| 4 | 18,75 | 0:15 | 1:10 | 12,54 | 39,80 |
| 5 | 16,25 | 0:10 | 0:50 | 12,30 | 37,60 |
| 6 | 24,3 | 0:45 | 6:30 | 12,60 | 39,10 |
| Примечание: в строке 6 приведены результаты испытаний портландцемента Горнозаводского цементного завода ПЦ400 D20 без органических добавок. |
Те же составы, хранившиеся в бумажных мешках в отапливаемом помещении в течение 4 месяцев, были испытаны при аналогичных предыдущим пяти примерам условиях. При этом все пять образцов цемента при вскрытии мешков оказались рыхлыми, без признаков слеживания, пригодными для использования. Одновременно были проведены испытания цемента, приведенного в строке 6 табл.1, хранившегося в тех же условиях.
Испытания по ГОСТ 310-87 показали следующие результаты (табл.2).
| Таблица 2 | |||||
| №№ примеров | Нормальная густота теста, % | Сроки схватывания, час:мин | Прочность образцов, МПа | ||
| начало | конец | при изгибе | при сжатии | ||
| 1 | 29,5 | 1:40 | 6:00 | 12,30 | 38,64 |
| 2 | 24,2 | 0:40 | 4:00 | 12,30 | 34,68 |
| 3 | 22,5 | 0:15 | 4:20 | 12,30 | 39,80 |
| 4 | 18,8 | 0:20 | 0:50 | 12,79 | 39,60 |
| 5 | 15.1 | 0:15 | 0:40 | 12,79 | 37,80 |
| 6 | 28,9 | 1:25 | 8:10 | 6,85 | 22,45 |
| Примечание: в строке 6 приведены результаты испытаний портландцемента Горнозаводского цементного завода ГЦ400 D20 без органических добавок |
Испытания были повторно проведены через 6 месяцев хранения в тех же условиях.
Результаты испытаний приведены в табл.3.
| Таблица 3 | |||||
| №№ примеров | Нормальная густота теста, % | Сроки схватывания, час:мин. | Прочность образцов, МПа | ||
| начало | конец | при изгибе | при сжатии | ||
| 1 | 15,0 | 1:40 | 8:05 | - | 23,64 |
| 2 | 30,5 | 1:35 | 6:35 | - | 14,32 |
| 3 | 20,0 | 1:00 | 7:40 | - | 17,39 |
| 4 | 15,0 | 1:40 | 8:05 | - | 2,60 |
| 5 | 27,5 | 2:00 | 7:25 | - | 11,30 |
| 6 | 31,6 | 2:00 | 8:30 | - | 11,70 |
| Примечание: в строке 6 приведены результаты испытаний портландцемента Горнозаводского цементного завода ПЦ400 D20 без органических добавок |
Пример 6.
Цемент состава 1 смешивали с песком фракции 0,16-0,315 мм в соотношении 1:3. К смеси добавляли воду, причем водоцементное отношение составляло 0,8. Смешивание компонентов производили с помощью турбинной мешалки и привода, обеспечивающего число оборотов мешалки 800 в минуту. Образовавшуюся пенистую массу заливали в формы кубов размерами 10×10×10 см. Кубы через сутки распалубливали и оставляли для твердения в течение 27 суток, после чего определяли плотность и прочность при сжатии.
Пример 7.
Цемент состава 2 смешивали с песком фракции 0,16-0,315 мм в соотношении 1:3. К смеси добавляли воду, причем водоцементное отношение составляло 0,9. Далее поступали как в примере 6.
Пример 8.
Цемент состава 3 смешивали с песком фракции 0,16-0,315 мм в соотношении 1:3. К смеси добавляли воду, причем водоцементное отношение составляло 0,9. Далее поступали как в примере 6.
Результаты испытаний полученного пенобетона приведены в табл.4.
| Таблица 4 | ||
| №№ составов | Плотность, кг/м3 | Прочность при сжатии, МПа |
| 6 | 600 | 3,0 |
| 7 | 600 | 2,0 |
| 8 | 550 | 2,5 |
Анализ приведенных результатов свидетельствует, что указанные выше отличительные признаки каждый в отдельности и все вместе направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использование предлагаемого сочетания существенных отличительных признаков в известных из патентной и научно-технической литературы данных не установлено, поэтому предлагаемое техническое решение обладает новизной.
Совокупность известных существенных признаков с новыми, ранее неизвестными обеспечивает решение поставленной задачи. Однако такая совокупность не является очевидной и установлена авторами экспериментально.
Органоминеральный цемент, включающий молотый портландцементный клинкер, гипс, тонкомолотый кремнеземистый компонент и органическую добавку, содержит в качестве органической добавки кератиносодержащий экстракт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| клинкер портландцементный молотый | 73,5-92,5 |
| гипс двуводный | 4,0-5,0 |
| компонент кремнеземистый тонкомолотый | 1,0-10,0 |
| экстракт кератиносодержащий | 2,50-12,5 |
