Портландцемент
Владельцы патента RU 2460699:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)
Изобретение относится к портландцементу и может найти применение при приготовлении строительных растворов и бетонов на его основе. Портландцемент содержит необожженный доломит, доменный гранулированный шлак, портландцементный клинкер и двуводный гипс при следующем соотношении компонентов, мас.%: необожженный доломит 5,0-15,0, доменный гранулированный шлак 5,0-15,0, портландцементный клинкер 75,0-77,5; двуводный гипс 2,5-5,0. Технический результат - повышение ранней и 28-суточной прочности цементного камня. 4 табл., 1 пр.
Изобретение относится к составам портландцементов и может быть использовано для получения цементов, строительных растворов и бетонов на их основе.
Известен цемент, включающий портландцемент и каустический доломит, полученный обжигом сырого доломита в заданном интервале температур, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 50-75; каустический доломит, полученный обжигом сырого доломита в заданном интервале температур 25-50 (патент RU 21023349 С1, МПК6 С04В 9/12).
Однако производство описанного цемента требует повышенных затрат энергии, что обусловлено использованием каустического доломита, требующего дополнительных энергетических затрат на предварительный обжиг.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению (прототипом) является портландцемент, содержащий дунит, двуводный гипс и портландцементный клинкер при следующем соотношении компонентов, мас.%: дунит 30-40; двуводный гипс 3; портландцементный клинкер остальное (патент RU 2168472 С2, МПК7 С04В 7/13).
При использовании известного вещества, принятого за прототип, основным недостатком является низкая ранняя и 28-суточная прочность цементного камня (см. таблицу 4) вследствие незначительной гидравлической активности дунита, причем необходимость тонкого измельчения дунита для повышения его гидравлической активности усложняет технологический процесс производства портландцемента и увеличивает его стоимость.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в обеспечении возможности повышения ранней и 28-суточной прочности цементного камня при снижении себестоимости производства цемента.
Поставленная задача достигается тем, что цемент, содержащий портландцементный клинкер и двуводный гипс, согласно изобретению дополнительно содержит необожженный доломит и доменный гранулированный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%: необожженный доломит 5,0-15,0; доменный гранулированный шлак 5,0-15,0; портландцементный клинкер 75,0-77,5; двуводный гипс 2,5-5,0.
Предложенное содержание компонентов портландцемента необходимо и достаточно (см. таблицу 4) для получения портландцемента повышенной прочности.
Использование в составе портландцемента необожженного доломита обеспечивает возможность частичной замены доменного гранулированного шлака более экономичной добавкой - сырым доломитом. При этом доломит в комплексе с доменным гранулированным шлаком участвует в реакциях гидратации с портландцементным клинкером, обеспечивая высокую раннюю и 28-суточную прочность цементного камня.
Содержание в составе портландцемента необожженного доломита обеспечивает возможность получения быстротвердеющих цементов более высоких марок при одинаковых технологических параметрах подготовки и обработки сырья, например степени измельчения сырья. Доломит, входящий в состав портландцемента, является карбонатной горной породой осадочного происхождения, в которой преобладает минерал доломит, а также присутствуют единичные зерна кварцита (см. таблицу 1). В данном техническом решении необожженный доломит впервые используется в качестве минеральной добавки в цемент в оптимальном количестве 5-15 мас.%, так как при увеличении количества необожженного доломита более 15 мас.% и уменьшении количества доменного гранулированного шлака менее 5 мас.% происходит снижение 28-суточной прочности цементного камня, а при уменьшении количества необожженного доломита менее 5 мас.% и увеличении количества доменного гранулированного шлака более 15 мас.% ранняя и 28-суточная прочность цементного камня также снижается (см. таблицу 4).
Использование в составе портландцемента необожженного доломита позволяет обеспечить требуемые сроки схватывания цементного теста при оптимальном расходе двуводного гипса 2,5-5,0 мас.% (см. таблицу 3). При введении двуводного гипса в количестве менее 2,5 мас.% наблюдается снижение прочности цементного камня (см. таблицу 4). Увеличение количества двуводного гипса более 5,0 мас.% не является целесообразным, так как при этом себестоимость портландцемента возрастает, а ранняя и 28-суточная прочность цементного камня незначительно снижается.
Так как в составе портландцемента общее количество необожженного доломита и доменного гранулированного шлака составляет 20 мас.%, то содержание портландцементного клинкера в количестве 75,0-77,5 мас.% является оптимальным и определяется количеством введенного двуводного гипса.
Изобретение поясняется таблицей 1, в которой приведен химический состав доломита Таензинского месторождения (мас.%); таблицей 2, в которой приведены составы предложенного портландцемента и цемента, выбранного в качестве прототипа; таблицей 3, в которой приведены реологические свойства цементных тест, изготовленных из портландцемента предложенного состава и цемента, выбранного в качестве прототипа; таблицей 4, в которой приведены физико-механические свойства образцов из предложенного состава портландцемента и цемента, выбранного в качестве прототипа.
Предложенный портландцемент содержит необожженный доломит, доменный гранулированный шлак портландцементный клинкер и двуводный гипс при следующем соотношении компонентов, мас.%: необожженный доломит 5,0-15,0; доменный гранулированный шлак 5,0-15,0; портландцементный клинкер 75,0-77,5; двуводный гипс 2,5-5,0.
Пример конкретного выполнения.
Необожженный доломит измельчали в лабораторной щековой дробилке до фракции 10-20 мм. Далее компоненты портландцемента: портландцементный клинкер, шлак, измельченный необожженный доломит и двуводный гипс в заданных соотношениях согласно таблице 2, примеры №1-6, 8-12, 14-19, компоненты цемента, выбранного в качестве прототипа (см. таблицу 2, пример №20) и компоненты портландцемента контрольного состава: портландцементный клинкер, шлак и двуводный гипс согласно таблице 2, примеры №7, 13, подвергали совместному помолу в лабораторной шаровой мельнице до достижения удельной поверхности цемента 300-350 м2/кг и остатка на сите №008 - 8-12%. Удельную поверхность контролировали на приборе для измерения удельной поверхности частиц ПСХ-8А.
Для предложенного вяжущего оптимальным явился следующий состав, мас.%:
необожженный доломит 5,0-15,0; доменный гранулированный шлак 5,0-15,0; портландцементный клинкер 75,0-77,5; двуводный гипс 2,5-5,0.
Сроки схватывания и нормальную густоту цементного теста (НГ) определяли по ГОСТ 310.3.
Предел прочности при изгибе и сжатии определяли по ГОСТ 310.4. Из цементного раствора, состоящего из 1 мас.ч. цемента состава согласно таблице 2, примеры №1-20 и 3 мас.ч. полифракционного песка, при консистенции раствора, характеризуемой расплывом конуса на встряхивающем столике 106-115 мм, готовили образцы-балочки размером 4×4×16 см в количестве 12 штук. Формование образцов проводили на виброуплотняющей установке. Образцы-балочки в формах хранили 24 часа в ванне с гидравлическим затвором, после чего расформовывали. Далее девять образцов хранили в течение 27 суток в воде. Три образца подвергали тепловлажностной обработке при температуре 80°С по режиму 3-6-3 часа.
Анализ результатов таблиц показывает, что:
- портландцемент контрольного состава, содержащий портландцементный клинкер, шлак и гипс, и цемент, выбранный в качестве прототипа, обладают более низкой ранней и 28-суточной прочностью по сравнению с предложенным портландцементом, имеющем в своем составе кроме указанных компонентов минеральную добавку -необожженный доломит (см. таблицу 4, примеры №7, 13, 20);
- оптимальное содержание необожженного доломита в количестве 5-15 мас.%, доменного гранулированного шлака в количестве 5-15 мас.%, портландцементного клинкера в количестве 75,0-77,5 мас.%, двуводного гипса в количестве 2,5-5,0 мас.% в составе портландцемента подтверждено повышенными показателями ранней и 28-суточной прочности соответствующих образцов (см. таблицу 4, примеры №3-5, 9-11, 15-17);
- введение в состав портландцемента необожженного доломита ускоряет набор ранней прочности цементного камня, что позволяет получать быстротвердеющие цементы (см. таблицу 4, примеры №3-5, 9-11, 15-17) и обеспечить требуемые сроки схватывания цементного теста при малом расходе двуводного гипса (см. таблицу 3, примеры №2-6).
В результате проведенных исследований установлено, что образцы из портландцемента, изготовленные в соответствии с предложенным изобретением (см. таблицу 4, примеры №3-5, 9-11, 15-17), имеют раннюю и 28-суточную прочность при изгибе и сжатии выше по сравнению с аналогичными показателями прочности образцов из известных видов портландцементов и из цемента - прототипа (см. таблицу 4, примеры №7, 13, 20).
Таким образом, предлагаемый портландцемент имеет следующие преимущества:
- увеличены прочностные показатели в среднем на 44% по сравнению с прототипом и в среднем на 20% по сравнению с известными видами портландцементов обычного состава;
- отсутствует термическая обработка доломита, что приводит к снижению энергозатрат при производстве предлагаемого портландцемента;
- снижены энергозатраты за счет отсутствия необходимости предварительного тонкого измельчения добавки;
- осуществлена возможность частичной замены доменного гранулированного шлака более экономичной добавкой - необожженным доломитом, что способствует получению быстротвердеющих цементов более высоких марок при одновременном снижении себестоимости цементов.
Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию «промышленная применимость».
| Таблица 1 | ||||||
| Химический состав доломита Таензинского месторождения, мас.% | ||||||
| п.п.п. | СаО | MgO | SiO2 | Аl2О3 | Fе2О3 | SO3 |
| 46,43 | 31,92 | 21,22 | 0,28 | 0,08 | 0,07 | - |
| Таблица 2 | |||||
| Составы предложенного портландцемента и цемента, выбранного в качестве прототипа | |||||
| № состава | Соотношение компонентов, мас.% | ||||
| Портландцементный клинкер | Шлак | Доломит | Дунит | Гипс | |
| 1 | 78,5 | 5 | 15 | - | 1,5 |
| 2 | 77,5 | 18 | 2 | - | 2,5 |
| 3 | 77,5 | 15 | 5 | - | 2,5 |
| 4 | 77,5 | 10 | 10 | - | 2,5 |
| 5 | 77,5 | 5 | 15 | - | 2,5 |
| 6 | 77,5 | 2 | 18 | - | 2,5 |
| 7 | 76,5 | 20 | - | - | 3,5 |
| 8 | 76,5 | 18 | 2 | - | 3,5 |
| 9 | 76,5 | 15 | 5 | - | 3,5 |
| 10 | 76,5 | 10 | 10 | - | 3,5 |
| 11 | 76,5 | 5 | 15 | - | 3,5 |
| 12 | 76,5 | 2 | 18 | - | 3,5 |
| 13 | 75,0 | 20 | - | - | 5,0 |
| 14 | 75,0 | 18 | 2 | - | 5,0 |
| 15 | 75,0 | 15 | 5 | - | 5,0 |
| 16 | 75,0 | 10 | 10 | - | 5,0 |
| 17 | 75,0 | 5 | 15 | - | 5,0 |
| 18 | 75,0 | 2 | 18 | - | 5,0 |
| 19 | 74,0 | 5 | 15 | - | 6,0 |
| 20, прототип | 60 | - | - | 37 | 3,0 |
| Таблица 3 | |||
| Реологические свойства цементных тест, изготовленных из портландцемента предложенного состава и цемента, выбранного в качестве прототипа | |||
| № состава | Нормальная густота, % | Сроки схватывания | |
| начало, час - мин | конец, час - мин | ||
| 1 | 30,50 | 2-00 | 5-50 |
| 2 | 25,50 | 2-30 | 3-30 |
| 3 | 25,75 | 2-15 | 3-30 |
| 4 | 26,00 | 2-15 | 3-20 |
| 5 | 25,75 | 3-40 | 4-20 |
| 6 | 25,75 | 3-40 | 4-25 |
| 7 | 25,50 | 2-45 | 3-55 |
| 8 | 25,50 | 2-30 | 3-55 |
| 9 | 25,50 | 2-25 | 3-40 |
| 10 | 25,75 | 2-30 | 3-45 |
| 11 | 25,50 | 3-40 | 4-25 |
| 12 | 25,75 | 3-40 | 4-25 |
| 13 | 25,75 | 2-50 | 3-50 |
| 14 | 25,75 | 2-50 | 3-40 |
| 15 | 25,75 | 2-55 | 3-40 |
| 16 | 25,50 | 2-40 | 3-40 |
| 17 | 25,75 | 2-35 | 3-25 |
| 18 | 26,00 | 3-05 | 4-15 |
| 19 | 26,00 | 2-30 | 3-40 |
| 20, прототип | 30,00 | 2-20 | 3-45 |
| Таблица 4 | ||||||||
| Физико-механические свойства образцов из предложенного состав портландцемента и цемента, выбранного в качестве прототипа | ||||||||
| № состава | Предел прочности при изгибе и сжатии, МПа | |||||||
| при нормальном твердении | при пропаривании | |||||||
| при изгибе | при сжатии | при изгибе | при сжатии | |||||
| 2 суток | 7 суток | 28 суток | 2 суток | 7 суток | 28 суток | |||
| 1 | 2,2 | 4,5 | 5,4 | 9,8 | 18,2 | 26,4 | - | 14,6 |
| 2 | 3,8 | 4,7 | 6,4 | 16,9 | 28,5 | 40,3 | 5,5 | 35,0 |
| 3 | 4,8 | 6,0 | 7,2 | 28,1 | 40,7 | 49,4 | 5,5 | 36,1 |
| 4 | 4,7 | 6,0 | 7,0 | 27,0 | 42,7 | 48,6 | 5,2 | 35,4 |
| 5 | 4,6 | 5,7 | 6,6 | 23,0 | 39,5 | 46,6 | 4,9 | 34,5 |
| 6 | 4,2 | 5,5 | 6,4 | 21,4 | 36,4 | 42,3 | 4,0 | 25,9 |
| 7 | 4,0 | 4,8 | 6,3 | 18,8 | 29,2 | 40,4 | 5,4 | 34,8 |
| 8 | 4,0 | 4,7 | 6,4 | 19,3 | 30,8 | 41,2 | 5,4 | 34,2 |
| 9 | 4,8 | 5,8 | 7,1 | 26,1 | 40,9 | 49,2 | 5,4 | 36,8 |
| 10 | 4,8 | 5,8 | 7,0 | 27,0 | 40,0 | 48,4 | 5,2 | 35,2 |
| 11 | 4,6 | 5,7 | 6,7 | 23,0 | 38,2 | 47,0 | 4,6 | 35,4 |
| 12 | 4,2 | 5,6 | 6,2 | 22,9 | 37,1 | 41,2 | 4,2 | 27,1 |
| 13 | 4,0 | 5,0 | 6,4 | 18,4 | 28,9 | 41,8 | 5,4 | 34,6 |
| 14 | 4,0 | 5,0 | 6,5 | 19,8 | 29,6 | 42,6 | 5,4 | 34,4 |
| 15 | 4,8 | 6,0 | 7,2 | 26,6 | 39,8 | 49,0 | 5,5 | 35,6 |
| 16 | 4,6 | 5,7 | 7,0 | 23,4 | 38,3 | 47,0 | 5,2 | 32,7 |
| 17 | 4,4 | 5,6 | 6,8 | 22,0 | 36,2 | 46,8 | 5,4 | 35,2 |
| 18 | 4,0 | 5,5 | 6,4 | 20,6 | 35,2 | 41,5 | 4,2 | 26,2 |
| 19 | 3,8 | 5,6 | 6,4 | 20,4 | 35,5 | 45,0 | 5,2 | 33,2 |
| 20, прототип | 2,5 | 3,3 | 4,4 | 13,4 | 26,2 | 32,4 | 4,4 | 27,7 |
Портландцемент, содержащий портландцементный клинкер и двуводный гипс, отличающийся тем, что он дополнительно содержит необожженный доломит и доменный гранулированный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Необожженный доломит | 5,0-15,0 |
| Доменный гранулированный шлак | 5,0-15,0 |
| Портландцементный клинкер | 75,0-77,5 |
| Двуводный гипс | 2,5-5,0 |
