Вяжущее
Владельцы патента RU 2473477:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) (RU)
Изобретение относится к составу вяжущего и может найти применение в промышленности строительных материалов для изготовления бетонов. Технический результат - увеличение прочности на сжатие в возрасте 28 суток, снижение себестоимости вяжущего. Вяжущее, включающее портландцемент, молотый гранулированный доменный шлак, кремнеземсодержащий аморфный компонент - пыль электрофильтров от выплавки ферросилиция, «живую» воду, обогащенную ионами ОН- с рН 10-11, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 73,4-76,8; молотый гранулированный доменный шлак 18,4-19,1; аморфный микрокремнезем (отход от выплавки ферросилиция) 3,5-7,4; суперпластификатор «Реламикс» тип 2 с рН 9±1 0,6-0,8; «живая вода» с рН 10-11 (сверх 100% сухой смеси) 1-1,5. 2 табл.
Изобретение относится к составам вяжущих и может найти применение в производстве строительных материалов для изготовления бетонов.
Известно вяжущее, содержащее мас.%: клинкер 75; гипс 5; доменный гранулированный шлак 20, индекс вяжущего «ПЦ-Д20» (ГОСТ 10178-85, ГОСТ 30515-97). Это вяжущее по отношению к портландцементу без добавок (индекс «ПЦ-Д0») является, как известно, более стойким к коррозии и дешевле, т.к. клинкер на 20% заменяется отходом доменного производства (шлак).
К недостаткам следует отнести меньшую активность и морозостойкость.
Известно и второе вяжущее, приведенное в составе строительного раствора (см. авт.свидетельство СССР №637357, МКИ С04 В 13/02, опубл. 1977 г.) и включающее портландцемент без добавки «ПЦ-Д0» (клинкер + гипс), микрокремнеземистую добавку - пыль электрофильтров от выплавки ферросилиция - и пластифицирующие добавки - известь и сульфитно-спиртовую барду, при следующем соотношении всех компонентов, мас.%:
| Портландцемент «ПЦ-Д0» | 59,1-61,1 |
| Микрокремнезем - пыль от выплавки ферросилиция | 12,3-16,93 |
| Известь | 23,87-25,1 |
| Пыль уноса производства ферросилиция | 12,3-16,93 |
| СДБ | 0,1-1,2 |
Наряду с достоинствами повышается стойкость к коррозии, в том числе и у бетонов на его основе, утилизируются пылевидные отходы ферросплавного производства, экологическая чистота, т.к. отсутствуют тяжелые металлы в составе пыли, имеются и недостатки, т.е.:
- низкая прочность при сжатии 25,8-26 МПа, а раствора 3,6 МПа.
Наиболее близкое по составу и техническому решению вяжущее, приведенное в авт. свид. СССР №1203051, МКИ С04В 7/14, опуб. 07.01.86 и включающее компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| Аморфный кремнезем (диатомит) | 12,0-19,5 |
| Портландцемент | 15,0-20,0 |
| Ярозит KFe3(SO4)2·(ОН)6 | 1,0-2,5 |
| Молотый мартеновский шлак | остальное |
Наряду с достоинствами известного вяжущего повышается прочность в ранние сроки твердения за счет активизации шлака и аморфного кремнезема сульфатно-щелочной добавкой (ярозитом), повышается коррозийная стойкость за счет связывания аморфным кремнеземом Са(ОН)2 - продукта гидратации минералов клинкера портландцемента в гидрат силиката кальция, имеются и недостатки, т.е.:
- низкая прочность на сжатие в возрасте 28 суток (11,0-14,1 МПа);
- энергоемкая (сложная) технология приготовления вяжущего, т.к. тонкому измельчению подлежат три компонента (шлак, аморфный кремнезем (диатомит) и ярозит).
Задача изобретения - увеличить прочность на сжатие в возрасте 28 суток, упростить технологию приготовления, снизить себестоимость вяжущего.
Для реализации задачи изобретением в составе вяжущего, включающего:
портландцемент, молотый шлак, кремнеземсодержащий аморфный компонент и сульфощелочной активизатор. Шлак берут доменный гранулированный, в качестве кремнеземсодержащего аморфного компонента вводят пыль электрофильтров от выплавки ферросилиция и в качестве сульфощелочного активизатора вводят суперпластификатор «Реламикс» с рН 9±1 и дополнительно модифицированную электролизом «живую» воду, обогащенную гидроксил ионами (ОН-) с рН 10-11, при следующем соотношении всех компонентов, мас.%:
| Портландцемент | 73,4-76,8 |
| Молотый гранулированный доменный шлак | 18,4-19,1 |
| Аморфный микрокремнезем (отход от выплавки ферросилиция) | 3,5-7,4 |
| Сульфо-щелочной активизатор - суперпластификатор «Реламикс» с рН 9±1 | 0,6-0,8 |
| Модифицированная вода с рН 10-11 сверх 100% сухой смеси | 1,0-1,5 |
В таблице 1 отражены опытные смеси предлагаемого и известного вяжущих.
| Таблица 1 | ||||||
| Составы смесей | ||||||
| Компоненты вяжущего | Номера смесей и состав, мас.% | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 (прототип) | |
| 1. Портландцемент М400 «ПЦ-Д0» | 80,0 | 76,8 | 75,6 | 73,4 | 72,7 | 20,0 |
| 2. Молотый шлак (доменный граншлак) | 20,0 | 19,1 | 19,0 | 18,4 | 18,2 | - |
| 3. Мартеновский отвальный* | - | - | - | - | - | 65 |
| 4. Микрокремнезем аморфный (отход от выплавки ферросилиция) пыль | - | 3,5 | 4,7 | 7,4 | 8,2 | - |
| 5. Диатомит (молотый)* | - | - | - | - | - | 13,5 |
| 6. Сульфощелочной активизатор («Реламикс» (рН 9±1)) | - | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | - |
| 7. Сульфощелочной активизатор (Ярозит (KFe3(SO4)·(ОН)6)) | - | - | - | - | - | 1,5 |
| 8. Модифицированная электролизом вода с рН 10-11 (сверх 100% сухой смеси) | - | 1,0 | 1,25 | 1,5 | 1,6 | - |
| *- материалы, подлежащие тонкому измельчению. |
Характеристика компонентов. В опытах для реализации задачи приняты:
1. Портландцемент марки М400 «ПЦ-Д0» (ГОСТ 10178-85, ГОСТ 30515-97) (ОАО «Михайловцемент» Рязанская обл. Михайловский р-он, пос. Октябрьский). Минералогический состав клинкера (%)
| C3S (трехкальциевый силикат) | 59% |
| C2S (двухкальциевый силикат) | 16% |
| С3А (трехкальциевый алюминат) | 9% |
| C4AF (четырехкальциевый алюмоферрит) | 12% |
Замедлитель схватывания клинкера: тонкомолотый гипсовый камень. Значение удельной эффективной активности естественных радионуклидов 94±5 Бк/кг, при норме не более 370 Бк/кг.
2. Пылевидный отход (МК-85) ферросплавного производства ОАО "Кузнецкие ферросплавы". Данная пыль из электрофильтров производства ферросилиция имеет размеры частиц 0,1-1 мкм. Под действием высокой температуры микрочастицы кремнезема превращаются в стекловидную аморфную пыль. Удельная поверхность микрочастиц 14000-30000 м2/кг», что 3-10 раз превышает удельную поверхность цемента. Насыпная плотность в уплотненном состоянии составляет 0,8 т/м3.
Химический состав, мас.%: SiO2=(91-97)%; Al2O3=(1,0-1,4)%; Fe2O3=(0,2-0,4)%; СаО=(0,2-0,4)%.
3. Суперпластификатор «Реламикс» тип2 (ТУ 5870-002-14153664-04 с изм.1) состоит из натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы ГОСТ 24211-2008. Выпускается в форме порошка и водного раствора (рН водного раствора «Реламикс» составляет 9±1).
4. Модифицированная «живая» вода состоит из ОН- ионов. Получают такую воду с помощью прибора «Живица» методом электролиза в пределах рН 10-11.
Пример реализации задачи. Опытные составы приготовляли путем дозирования по массе компонентов в соответствии с данными, приведенными в таблице 1, с последующим смешением всех компонентов с модифицифицированной водой, «Реламиксом» и недостающей до нормальной густоты водой.
Прочность вяжущего (активность) определяли по ГОСТ 310.4-81 (таблица 2).
| Таблица 2 | |||||||
| Результаты испытаний свойств | |||||||
| Свойства | Ед. изм. | Номера смесей и показатели свойств | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 (прототип) | ||
| Прочность при сжатии | МПа | 40,1 | 54,0 | 50,1 | 40,5 | 35,2 | 14,1 |
Анализ результатов испытаний свойств предлагаемого вяжущего по отношению к известному (прототипу) показывает следующее:
1) предлагаемый состав вяжущего имеет прочность не менее состава №1 (аналог) и не менее прочности портландцемента «ПЦ-Д0» марки М400, принятого в опытах для реализации задачи, причем расход последнего на 1 м3 экономится введением добавок на 23-26%;
2) состав смеси №5 является запредельным, т.к. при расходе пыли от выплавки ферросилиция по массе более 8% вместо «ПЦ-Д0» в присутствии «живой воды», взятой свыше 1,5% от сухой массы, наблюдается (поризация) теста вяжущего и снижение прочности по отношению к прочности «ПЦ-Д0», что неэкономично;
3) прочность по отношению к прочности прототипа увеличилась в 2,6;
4) значительно упростилась технология приготовления предлагаемого вяжущего, т.к. принятые компоненты не требуют тонкого измельчения в цехе или на стройке приготовления, причем и доменный гранулированный шлак можно не измельчать, а применить шлаковый портландцемент марки М400, т.е «ПЦ-Д20», в составе которого содержится 20% молотого доменного гранулированного шлака, что и предусмотрено изобретением.
Повышение прочности получено за счет введения и образования в составе предлагаемого вяжущего одновременно трех видов вяжущего.
Механизм физико-химического процесса достижения задачи состоит в следующем;
1) вяжущее (клинкер + гипс) активность выше 40 МПа, т.е. введен в качестве основы смешанного вяжущего (без добавки) «ПЦ-Д0»;
2) вяжущее - кремнеземито-щелочное (пыль от выплавки ферросилиция+щелочной активизатор «Реламикс» рН 9±1 + щелочная «живая» вода с рН 10-11 + клинкер рН 11-13. Активность такого вяжущего соответствует марки М500. Возможность образования такого вяжущего в составе предлагаемого согласуется с известным вяжущим Японии, принятым в составе огнеупорного бетона, причем с применением другого щелочного активизатора (едкой щелочи) (заявка Японии №49 - 36812, МКИ С04В-19/04 или НКИ22(3)С3, опубл. П.Б. №18, 1975 г.);
3) шлако-щелочное вяжущее, включающее: молотый гранулированный доменный шлак + щелочной активизатор («Реламикс») с рН 9±1 + «живая» вода с рН 10-11 и +2±1% клинкера из («ПЦ-Д0»). Вероятность образования и такого вяжущего вполне допустима в системе предлагаемого вяжущего, т.к. согласуется по составу с твердой составляющей и физико-химической сущности с вяжущим, приведенным в работе («Производство бетонов и конструкций на основе шлако-щелочных вяжущих» В.Д.Глуховский, П.В.Кривенко, Г.В.Румына и др. под. ред. В,Д.Глуховского. - К-Будивельник, 1988. - 144 с, а конкретно с.8, табл. №1, индекс вяжущего ШЩВ 2. Прочность такого вяжущего ШЩВ2 в зависимости от щелочного активизатора составляет 90 МПа (см. табл №5). Следует отметить, что в предлагаемом вяжущем щелочной активизатор принят другим и составляет по отношению к ШЩВ-2 и к известным вяжущим (аналогам и прототипу) элемент новизны.
Таким образом, в формировании структуры предлагаемого вяжущего протекают физико-химические процессы, свойственные вышеуказанным трем видам вяжущих, имеющих в индивидуальном состоянии различные прочности, причем вяжущие №2 и №3 имеют прочность выше принятого портландцемента с маркой М400. Поэтому прочность на сжатие у предлагаемого вяжущего выше не только прочности известного, но и введенного в состав предлагаемого вяжущего портландцемента марки М400. Повышению прочности способствуют и принятые в составе вяжущего элементы нанотехнологии, т.к. пыль от выплавки ферросилиции имеет размер частиц 0,1-1 мкм, а «живая» вода обогащена частицами ОН' ионами, что ускоряет реакции гидратации минералов клинкера цемента при образовании гидросиликатов кальция в структуре смешанного вяжущего.
Экономическая целесообразность заключается в том, что была снижена себестоимость по отношению к вяжущему прототипа на 8 -10%, т.к. упрощена технология приготовления вяжущего за счет исключения тонкого измельчения, уменьшен расход смешанного вяжущего на единицу прочности, т.е. у прототипа (100%: 14,1 МПа = 7,09), у предлагаемого (100%: 54 МПа = 1,85), что составляет 3,8 раза. Также предусмотрено сбережение природного сырья (диатомита) заменой отходом производства (пыль электрофильтров от выплавки ферросилиция).
Вяжущее, включающее портландцемент, молотый шлак, кремнеземсодержащий аморфный компонент и сульфощелочной активизатор, отличающееся тем, что в качестве молотого шлака берут доменный гранулированный, в качестве кремнеземсодержащего аморфного компонента введена пыль электрофильтров от выплавки ферросилиция, в качестве сульфощелочного активизатора вводят суперпластификатор «Реламикс» тип 2 с рН 9±1 и дополнительно «живую» воду, обогащенную ионами ОН- с рН 10-11, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| портландцемент | 73,4-76,8 |
| молотый гранулированный доменный шлак | 18,4-19,1 |
| аморфный микрокремнезем - указанный отход | |
| от выплавки ферросилиция | 3,5-7,4 |
| суперпластификатор «Реламикс» тип 2 с рН 9±1 | 0,6-0,8 |
| «живая вода» с рН=10-11 (сверх 100% сухой смеси) | 1-1,5 |
