ВЯЖУЩЕЕ Российский патент 1995 года по МПК C04B7/00 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении строительных растворов и бетонов.

Известно вяжущее на основе нефелинового шлама, включающее, мас. нефелиновый шлам 93-95 и гипс 5-7 [1]
Недостатком этого вяжущего является дефицитность и высокая стоимость гипса, а также низкая прочность вяжущего в 3-х и 28-ми суточном возрасте.

Известно вяжущее на основе нефелинового шлама, включающее, мас. нефелиновый шлам 90-95 и гипсосодержащий компонент (фосфогипс), термообработанный при Т 400^оС. Предел прочности данного вяжущего после 28 сут нормального твердения не превышает 26,5 МПа при сжатии и 5,08 МПа при изгибе [2]
Недостатком этого вяжущего являются повышенные затраты на термообработку фосфогипса, а также его сравнительно низкая активность.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является вяжущее, включающее, мас. нефелиновый шлам 47-73, жидкое стекло (в пересчете на R₂O) 7-13, доменный граншлак с содержанием стекловидной фазы меллитового состава не менее 65% 5-15 и вода остальное [3] Предел прочности на сжатие этого вяжущего поcле пропарки колеблетcя от 76,5 до 88 МПа.

Hедоcтатком данного вяжущего является короткий срок схватывания, низкая морозостойкость, а также необходимость в строгом непрерывном технологическом контроле за качеством и количеством вводимого жидкого стекла.

Цель изобретения увеличение морозостойкости и начального срока схватывания при сохранении активности вяжущего.

Поставленная цель достигается тем, что вяжущее, включающее нефелиновый шлам, минеральную добавку и воду, в качестве минеральной добавки содержит карбонат натрия и сульфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас. Нефелиновый шлам 79,2-80,8 Карбонат натрия 2,0-3,2 Сульфат натрия 0,9-1,5 Вода Остальное
Нефелиновый шлам побочный продукт переработки нефелиновых пород на глинозем один из наиболее массовых отходов производств. Он на 80-85% состоит из β С₂S (белита), и по своему химическому составу близок к портланд-цементу. Однако непосредственно нефелиновый шлам практически не обладает свойствами вяжущих гидрационного твердения, поскольку в процессе его получения, при выщелачивании глинозема в автоклавах, и в процессе гидрошламоудаления дисперсные составляющие нефелинового шлама частично гидратированы. Образующиеся при этом из продуктов гидратации пленки покрывают частицы нефелинового шлама и практически полностью исключают интенсивное проникновение воды к безводной части зерна. Кроме этого, в результате выщелачивания в шламе образуются также неактивные соединения гидрогранатов.

Наиболее эффективный способ разрушения гидратационных пленок сушка и механический помол, после чего нефелиновый шлам по своим свойствам приближается к цементным вяжущим.

В процессе затворения тонкомолотого нефелинового шлама комплексным содо-сульфатным раствором происходит сложная реакция гидратации с образованием соединений пермутитового состава (Na₂O ˙ Al₂O₃·2SiO₂) и последующим их упрочнением.

Упрочнение новообразований вызвано проникновением сульфатного иона в цеолитовый каркас пермутита. Происходящий процесс стабилизации можно отразить следующей реакцией:
Na₂O ˙ Al₂O₃ ˙ 2SiO₂ ˙ pH₂O + qNa⁺aq +
+ qAl₂aq [Na₂O ˙ Al₂O₃ ˙ 2SiO₂] x
x qNaAlO₂ ˙ pH₂O + aq.

В результате чего процесс гидратации приобретает необратимый характер. Он еще больше активизируется при высокотемпературной пропарке при Т 95 ± 2^оС. Причем, именно в данном интервале температур происходит наиболее эффективное химическое взаимодействие составляющих тонкомолотого нефелинового шлама с введенными инградиентами.

Пропаривание приводит к резкому повышению степени гидратации полученного вяжущего, что, в свою очередь, вызывает увеличение степени диспергации вещества и избыточной свободной поверхностной энергии его частиц, в результате чего происходит существенное повышение энергии внутренних связей, возникающих между частицами вяжущего. Все вышеизложенное приводит к интенсивному процессу появления новообразований, влияющих на основные свойства строительных изделий, таких как прочность, морозостойкость и долговечность.

Для проведения испытаний использован нефелиновый шлам ПО "Глинозем" (Ленинградская обл.), высушенный до остаточной влажности 1,5% имеющий следующий химический состав, мас. SiO₂ 25,01 CaO 56,38 MgO 1,70 R₂O 2,56 п.п.п. 4,58 Fe₂O₃ 3,39 Al₂O₃ 4,22 SO₃ 0,64 Na₂O 1,52
Содо-сульфатная смесь, являющаяся отходом алюминиевого производства, взята с Бокситогорского алюминиевого завода (Ленинградская обл.). При остаточной влажности 5% смесь содержала 34% соды, 59% сульфата натрия, 1,5% NaOH, 1% глинозема и п.п.п. остальное. Кроме этого, в некоторых образцах использован химически чистый карбонат и сульфат натрия.

Для определения сроков схватывания, прочности и морозостойкости материалов на вяжущем по прототипу был взят доменный шлак Череповецкого металлургического завода и стекло натриевое (ГОСТ 13078-81) с содержанием SiO₂ 26,9% Na₂O 10,1% Мк 2,7, плотностью 1,44 г/см³.

Экспериментальные исследования активности и сроков схватывания вяжущего проведены в соответствии с ГОСТ 310.1-4-76.

Испытания на морозостойкость проведены по ГОСТ 10060-87 как для мелкозернистого бетона по низкотемпературному ускоренному методу (методу глубокого замораживания), на образцах-кубах, размером 70,7 х 70,7 х 70,7 мм.

Все образцы после изготовления подвергались термовлажностной обработке по режиму 3 + 6 + 3 при Т 95 ± 2^оС и нормальном давлении.

Составы вяжущих приведены в табл. 1, а результаты экспериментальных исследований образцов в табл. 2.

П р и м е р. Образец 3 имеет следующее соотношение ингредиентов, мас. Нефеленовый шлам 80,0 Карбонат натрия 2,6 Сульфат натрия 1,2 Вода 16,2
Высушенный до влажности 1,5-2% нефелиновый шлам измельчили в шаровой мельнице до тонкости помола, соответствующей удельной поверхности 350 м²/кг, и подали в смеситель, куда предварительно был отдозирован кварцевый песок. После тщательного их перемешивания в смеситель подали воду затворения с растворенными в ней минеральными добавками в виде карбоната и сульфата натрия, и продолжили перемешивание до получения однородной массы.

Из приготовленного таким образом раствора изготовили образцы, результаты испытания которых показали, что начало схватывания вяжущего составило 21 мин, прочность образца в 28-ми суточном возрасте составила 81,5 МПа, а по морозостойкости образцы соответствуют марке F 800.

На основании полученных результатов экспериментальных исследований, приведенных в табл. 2, можно сделать следующие выводы.

Применение нефелинового шлама как самостоятельного высокоактивного вяжущего вещества возможно только после его помола, введения минеральных добавок и температурно-влажностной обработки изделий, изготовленных на его основе при Т95 ± 2^оС.

Введение минеральных добавок в виде карбоната натрия (мас. 2,0-3,2) и сульфата натрия (0,9-1,5) существенно (в 1,5-2 раза) увеличивает морозостойкость образца и на 5-10 МПа их прочность. Увеличение количества вводимых добавок приводит к появлению на поверхности образцов после их твердения высолов и снижению прочностных характеристик.

Существенное влияние на прочность и морозостойкость образцов оказывает истинное водо-шламовое соотношение, которое находится в пределах от 0,19 до 0,22. При увеличении истинного водо-шламового соотношения более 0,22 улучшаются пластические свойства смесей, увеличивается в 1,5 раза начальный срок схватывания, однако резко снижается (в 1,5-2 раза) прочность и морозостойкость образцов. При снижении водо-шламового соотношения смесь получается очень жесткой, ухудшается ее удобоукладываемость и снижаются прочностные характеристики образцов за счет неполной гидратации нефелинового шлама.

Наиболее оптимальное для увеличения прочности и морозостойкости образцов содо-сульфатное соотношение вводимой минеральной добавки находится в пределах 1,3-3,5.

Использование: при изготовлении строительных растворов и бетонов. Сущность: вяжущее содержит компоненты при следующем соотношении мас, нефелиновый шлам 79,2 80,8; карбонат натрия 2,0 - 3,2; сульфат натрия 0,9 1,5; вода остальное. Марка вяжущего по морозостойкости F 800, предел прочности при сжатии 81,5 МПа. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. ВЯЖУЩЕЕ, включающее нефелиновый шлам, минеральную добавку и воду, отличающееся тем, что, с целью увеличения морозостойкости и начальных сроков схватывания при сохранении активности вяжущего, оно содержит в качестве минеральной добавки карбонат натрия и сульфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.

Нефелиновый шлам 79,2 80,8
Карбонат натрия 2,0 3,2
Сульфат натрия 0,9 1,5
Вода Остальное
2. Вяжущее по п.1, отличающееся тем, что в качестве указанной минеральной добавки используется содосульфатная смесь отход алюминиевого производства.