Бесклинкерное вяжущее щелочной активации

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении бетонов и растворов на основе вяжущих щелочной активации. Бесклинкерное вяжущее щелочной активации включает реакционно-активный компонент, минеральный порошок и щелочной активатор. В качестве реакционно-активного компонента используют окремненный мергель. Окремненный мергель измельчают до удельной поверхности 1150 м²/кг, далее термообрабатывают в муфельной печи при температуре 700°С. Затем окремненный мергель смешивают с минеральным порошком из вулканического туфа. Вулканический туф предварительно измельчают до удельной поверхности 905 м²/кг, далее активируют щелочным раствором. Щелочной раствор приготовлен на основе гидроксида натрия и жидкого стекла натриевого с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,24 г/см³. Компоненты используют в следующем соотношении, мас. %: термоактивированный мергель – 34,8-67,0; вулканический туф – 21,4-51,2; жидкое стекло Na₂SiO₃ – 11,0-13,0; гидроксид натрия NaOH – 0,6-1,0. 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.

Известно шлакощелочное вяжущее по патенту RU 2370466 от 21.05.2008 г., опубл. 20.10.2009 г., полученное обезвоживанием гранулированного шлака доменного или электротермофосфорного и вулканического пепла в сушильных барабанах горизонтального типа при температуре 150-250°С, охлаждением в холодильниках до температуры 20-85°С, дозированием указанных шлака и пепла с усреднением состава в шнековом смесителе непрерывного действия, измельчением 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 последующим затворением 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, для достижения заданных физико-механических свойств, при этом не осуществляемого без определенного оборудования.

Известно изобретение по патенту RU 2273610 от 15.11.2004 г., опубл. 10.04.2006 г., получаемое совместным тонким 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 приводит к повышению стоимости конечного продукта и ограничению сырьевой базы. При этом получение указанных показателей прочности возможно только в масштабах лаборатории, так как на производстве создание соответствующих условий выдерживания в воде не представляется возможным.

Известно алюмосиликатное кислотостойкое вяжущее 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., получаемое измельчением 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 2671018 от 14.08.2017 г., опубл. 29.10.2018 г. содержащее каолинитовую глину, активированную до удельной поверхности 640 м²/кг и обожженную при температуре 600-650°С, которую смешивают с вулканическим туфом, высушенным перед измельчением при температуре 105°С в течение 2-х часов, удельной поверхности 520 м²/кг в присутствии ускорителя твердения «кремнефтористого натрия» и щелочного активатора на основе гидроксида натрия и жидкого стекла натриевого с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,24 г/см³ при следующем соотношении компонентов, мас, %: метакаолин 26,8-61,2, вулканический туф 21,4-51,2, кремнефтористый натрий 5,8-8,0, жидкое стекло 11,0-13,0, гидроксид натрия 0,6-1,0.

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 тем, что бесклинкерное вяжущее щелочной активации включает окремненный мергель, измельченный до удельной поверхности 1150 м²/кг, с последующей термообработкой в муфельной печи при температуре 700°С, который смешивают с вулканическим туфом, предварительно измельченным до удельной поверхности 905 м²/кг, с дальнейшей активацией щелочным раствором на основе гидроксида натрия и жидкого стекла натриевого с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,24 г/см³ при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Термоактивированный мергель	34,8-67,0
Вулканический туф	21,4-51,2
Жидкое стекло Na2SiO3	11,0-13,0
Гидроксид натрия NaOH	0,6-1,0

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.

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) 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 (20Θ - 12,4 ()).

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, заявленное изобретение позволяет получить вяжущее щелочной активации для бесклинкерных строительных композитов повышенной эффективности, 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.

Бесклинкерное вяжущее щелочной активации, включающее реакционно-активный компонент, минеральный порошок и щелочной активатор, отличающееся тем, что в качестве реакционно-активного компонента используют окремненный мергель, измельченный до удельной поверхности 1150 м²/кг, с последующей термообработкой в муфельной печи при температуре 700°С, который смешивают с минеральным порошком из вулканического туфа, предварительно измельченного до удельной поверхности 905 м²/кг, с дальнейшей активацией щелочным раствором на основе гидроксида натрия и жидкого стекла натриевого с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,24 г/см³, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Термоактивированный мергель	34,8-67,0
Вулканический туф	21,4-51,2
Жидкое стекло Na2SiO3	11,0-13,0
Гидроксид натрия NaOH	0,6-1,0