Способ получения бесклинкерного вяжущего щелочной активации

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении бетонов и растворов на основе вяжущих щелочной активации. Изобретение содержит способ получения бесклинкерного вяжущего щелочной активации. Способ включает раздельный помол окремненного мергеля и вулканического туфа с последующим совместным перемешиванием в присутствии щелочных активаторов. Окремненный мергель измельчают до удельной поверхности 1150 м²/кг с последующей термообработкой в муфельной печи при температуре 700°С. Затем смешивают в течение 2 минут с вулканическим туфом. Вулканический туф предварительно измельчают до удельной поверхности 905 м²/кг. Далее активируют в течение 2-3 минут щелочным раствором на основе гидроксида натрия, жидкого стекла натриевого с силикатным модулем 2,8, плотностью 1,24 г/см³, и гидрофобизирующей жидкостью ГКЖ-11. Массовое соотношение компонентов, мас. %: термоактивированный мергель – 33,6-66,2; вулканический туф – 21,4-51,2; жидкое стекло Na₂SiO₃ – 11,0-13,0; гидроксид натрия NaOH – 0,6-1,0; ГКЖ-11 – 0,8-1,2. Технический результат – улучшение физико-механических свойств конечного продукта. 3 ил., 4 табл.

 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении бетонов и растворов на основе вяжущих щелочной активации.

Известен способ получения шлакощелочного вяжущего из патента RU 2370466 от 21.05.2008 г., опубл. 20.10.2009 г. и включает обезвоживание гранулированного шлака доменного или электротермофосфорного и вулканического пепла в сушильных барабанах горизонтального типа при температуре 150-250°С, охлаждение в холодильниках до температуры 20-85°С, дозирование указанных шлака и пепла с усреднением состава в шнековом смесителе непрерывного действия, измельчение в мельнице центробежно-ударного действия до фракции 0-80 мкм и удельной поверхности 2800-5000 см²/г с возвратом при этом на домол отделяемой в воздушном классификаторе непрерывного действия фракции более 80 мкм и последующее затворение щелочным активатором состава, мас. %: 20-25%-ный водный раствор гидроксида натрия NaOH или кальцинированной соды 20-75, жидкое стекло плотностью 1,15-1,26 г/см³ 25-75, при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанный шлак 81,80-94,20, щелочной активатор (на сухое) 3,85-7,27, вулканический пепел 1,92-9,09, лигносульфанат технический - ЛСТ в количестве 0,2-1,0%) от массы шлака в пересчете на сухие вещества.

Недостатком изобретения можно считать сложность технологического процесса получения шлакощелочного вяжущего, заключающегося в невозможности осуществления без определенного оборудования.

Известен способ приготовления вяжущего щелочной активации по патенту RU 2273610 от 15.11.2004 г., опубл. 10.04.2006 г., заключающийся в совместном тонком измельчении доменного гранулированного шлака и добавки из цеолитсодержащей породы Татарско-Шатршанского месторождения в соотношении 1:(0,05-0,1), затворенных щелочным раствором натриевого жидкого стекла.

Недостатком изобретения является дефицитность кремнистой цеолитсодержащей породы Татарско-Шатршанского месторождения, доступной только для данного региона, что усложняет и делает трудоемким процесс осуществления способа, ограничивая при этом сырьевую базу. К тому же получение указанных показателей прочности возможно только в масштабах лаборатории, так как на производстве создание соответствующих условий выдерживания в воде не представляется возможным.

Изобретение по патенту RU 2554981 от 06.08.2014 г, опубл. 10.07.2015 г., получаемое мокрым помолом гранитного отсева до суспензии влажностью 14-22% и перемешиванием ее с кремнефтористым натрием в течение 5 мин с последующим перемешиванием с жидким стеклом в течение 3 мин при следующем соотношении компонентов, мас. %: жидкое стекло 25-30, суспензия 62-71, кремнефтористый натрий 4-8.

Недостатком изобретения является незначительно высокие показатели прочности при всей сложности и энергоемкости процесса получения вяжущего, заключающегося в приготовлении мокрой алюмосиликатной суспензии с соблюдением определенной влажности.

Известно изобретение по патенту RU 2395469 от 04.05.2009 г., опубл. 27.07.2010 г., заключающееся в измельчении в порошок габбро-диабаза, затворяемого раствором щелочного активизатора, без шлака или совместно со шлаком, при следующем соотношении компонентов, мас. %: габбро-диабаз - 81,4-94,4, указанный шлак - 0-14,4, NaOH - 4,2-7,4, вода - до В/Т 0,13.

Недостаток изобретения состоит в том, что процесс приготовления связан с необходимостью прессования формовочной смеси для получения требуемой прочности бетона. К тому же использование высококонцентрированного щелочного раствора может привести к образованию высолов на поверхности получаемых бесклинкерных композитов, что может способствовать развитию коррозионных процессов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент RU 2664083 от 15.08.2017 г., опубл. 15.08.2018 г., включающий получение метакаолинита путем обжига при температуре 600-650°С, измельченного до удельной поверхности 640 м²/кг каолинитовой глины, который смешивают с вулканическим туфом, высушенным перед измельчением до удельной поверхности 520 м²/кг при температуре 105°С в течение 2-х часов, далее в полученную смесь вводят кремнефтористый натрий и щелочной активатор из жидкого стекла с модулем крупности 2,8 и плотностью 1,24 г/см³ и гидроксида натрия, гидрофобизирующую жидкость, и осуществляют перемешивание при следующем соотношении компонентов, мас. %: метакаолин 25,6-61,2, вулканический туф 21,4-51,2, жидкое стекло 11,0-13,0, гидроксид натрия 0,6-1,0, кремнефтористый натрий 5-8, ГКЖ-11.

Недостатком изобретения является ограниченность запасов, а также нестабильность химического и минералогического составов каолинитовых глин, являющихся источником синтеза метакаолинита, что влияет на свойства вяжущего и приводит к снижению сырьевой базы.

Техническим результатом является повышение эффективности путем снижения себестоимости и улучшения физико-механических свойств конечного продукта, а также расширение сырьевой базы бесклинкерной технологии, за счет использования минеральных тонкодисперсных порошков алюмосиликатной природы и щелочного затворителя.

Технический результат достигается за счет предлагаемого способа, заключающегося в измельчении до удельной поверхности 1150 м²/кг окремненного мергеля с последующей термообработкой в муфельной печи при температуре 700°С, который смешивают в течение 2 минут с вулканическим туфом, предварительно измельченного до удельной поверхности 905 м²/кг, с дальнейшей активацией в течение 2-3 минут щелочным раствором на основе гидроксида натрия, жидкого стекла натриевого с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,24 г/см³ и гидрофобизирующей жидкостью ГКЖ-11 при следующем соотношении компонентов, мае, %:

Термоактивированный мергель	33,6-66,2
Вулканический туф	21,4-51,2
Жидкое стекло Na2SiO3	11,0-13,0
Гидроксид натрия NaOH	0,6-1,0
ГКЖ-11	0,8-1,2

Для приготовления бесклинкерного вяжущего щелочной активации использовались следующие компоненты: окремненный мергель (Харачоевский карьер, ЧР), вулканический туф (Каменский карьер, КБР), раствор гидроксида натрия и жидкого стекла натриевого с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,24 г/см³. Для повышения водостойкости предлагаемого вяжущего использовали кремнийорганическую гидрофобизирующую жидкость ГКЖ-11 (ТУ 2229-276-05763441-99), оптимальная дозировка ее была определена лабораторными испытаниями.

Приготовление бесклинкерного вяжущего щелочной активации происходит следующим образом:

Привезенные с карьеров окремненный мергель и вулканический туф подвергают предварительному измельчению в лабораторной щековой дробилке до крупки. Химический состав минерального сырья представлен в таблице 1.

Далее измельченный материал выдерживают в сушильном шкафу при температуре 105°С в течение 2 часов. Навески высушенных материалов раздельно подвергают измельчению в течение 1 часа в лабораторной вибрационной шаровой мельнице. Удельная поверхность окремненного мергеля составила 1150 м²/кг, вулканического туфа 905 м²/кг. Высокая размолоспособность окремненного мергеля обусловлена органо-химическим оолитовым генезисом минералов в виде агрегатов сферических или эллипсоидальных оолитов кальцита, небольшого количества кварца и доломита, сцементированных скрытокристаллическим карбонатным веществом. Вулканический туф обладает меньшей размалываемостью, что объясняется содержанием кварца зеленосланцевой степени метаморфизма с дефектной структурой. Вулканический туф по природе является активной минеральной добавкой (до 46% аморфизованного стекла), а после того как его подвергают измельчению реакционная активность его значительно повышается.

На следующем этапе окремненный мергель в виде тонкодисперсного порошка подвергают обжигу в муфельной печи при температуре 700°С, термообработка способствует получению фаз переменного состава схожих с природным минералом ларнитом Ca₂SiO₄.

Реакционная активность приготовленных минеральных порошков была установлена по методике определения обменной емкости по отношению к ионам кальция с целью выявления бренстедовских активных центров кристаллизации на поверхности минерального порошка. В результате проведенных исследований установлена высокая поверхностная концентрация ионообменных центров: предложенный термоактивированный мергель-42 мг⋅экв/г, вулканический туф - 34 мг⋅экв/г.

Полученные тонкодисперсные реакционно активные компоненты, в соответствующем количестве тщательно перемешивают в течение 2 минут. Далее в подготовленные композиции добавляют в заданном соотношении щелочной активатор следующего состава (жидкое стекло натриевое с силикатным модулем 2,8, плотностью 1,24 г/см³ и гидроксид натрия), гидрофобизирующую добавку и перемешивают в течение 2-3 минут.

Приготовленные образцы сначала твердеют в нормальных условиях при температуре 20±2°С, через 2 суток образцы помещают в сушильный шкаф при температуре 50°С на пару часов в течение 28 суток. Электронно-зондовые исследования и рентгенофазовый анализ установили, что основными структурообразующими фазами выступают гидраты натриевых алюмосиликатов кальция, часто образующих плотные срастания кристаллов размером до 10-20 мкм (фиг. 1, таблица 2), ассоциирующие с кальцитом и тонкими фазами Са(ОН)₂ (фиг. 2, таблица 3), а также тонкими чешуйкам слюд.

По результатам рентгенофазового анализа установлено присутствие кварца, полевых шпатов, близких к альбиту и ортоклазу, слюд, кальцита, цеолитов (фиг. 3). Цеолит по рентгеноструктурным данным идентифицируется как близкий к гаррониту Na₂Ca₅Al⋅12Si₂0⋅27(H₂O), отчетливо выражен основной рефлекс этой фазы (2Θ - 12,4 (7,10 )).

Далее полученные лабораторные образцы подвергают испытанию. Результаты испытаний, в сравнении с аналогами, представлены в таблице 4.

В представленной рецептуре вяжущих щелочной активации, за счет присутствия в его составе реакционно активных компонентов, оптимизированы процессы формирования структуры и прочности в проектируемом материале и, соответственно, тем самым повышены физико-механические характеристики.

Таким образом, заявляемый способ получения вяжущего щелочной активации способствует повышению эффективности бесклинкерных строительных композитов, путем снижения себестоимости и улучшения физико-механических свойств конечного продукта, а также способствует расширению сырьевой базы бесклинкерной технологии, за счет использования минеральных тонкодисперсных порошков алюмосиликатной природы и щелочного затворителя.

Способ получения бесклинкерного вяжущего щелочной активации, включающий раздельный помол окремненного мергеля и вулканического туфа с последующим совместным перемешиванием в присутствии щелочных активаторов, отличающийся тем, что окремненный мергель измельчают до удельной поверхности 1150 м²/кг с последующей термообработкой в муфельной печи при температуре 700°С, который смешивают в течение 2 минут с вулканическим туфом, предварительно измельченным до удельной поверхности 905 м²/кг, с дальнейшей активацией в течение 2-3 минут щелочным раствором на основе гидроксида натрия, жидкого стекла натриевого с силикатным модулем 2,8, плотностью 1,24 г/см³, и гидрофобизирующей жидкостью ГКЖ-11 при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Термоактивированный мергель	33,6-66,2
Вулканический туф	21,4-51,2
Жидкое стекло Na2SiO3	11,0-13,0
Гидроксид натрия NaOH	0,6-1,0
ГКЖ-11	0,8-1,2