ДОБАВКА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ, СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ И СТРОИТЕЛЬНАЯ СМЕСЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК C04B28/04 C04B111/20 

Изобретение относится к производству строительных смесей и может быть использовано при строительстве промышленных и гражданских зданий.

Известна добавка для строительных смесей - шлам - продукт нейтрализации отработанного раствора сернокислого травления стали (а.с. СССР 897748, C 04 B 15/00, 1982 г.). Шлам имеет следующий химический состав, мас.%: CaO 20-23, SiO₂ 1,0 - 1,16, MgO 2,5 - 2,75, FeO₃ 9,0 - 10,2, SO₃ 7,0 - 8,1, n.n.n. 10,5 - 12,0, H₂O - остальное.

Шлам получают на сталепрокатных, метизных и других заводах при нейтрализации известковым молоком отработанных растворов и промывных вод сернокислого травления стали. Шлам используют в качестве добавки без предварительной обработки.

При использовании добавки - шлама в составе строительной смеси - полученная смесь обладает недостаточно высокой прочностью при сжатии (0,42 - 0,72 МПа).

Наиболее близким аналогом для заявленной установки является добавка для строительных смесей - шлам водоумягчения теплоэлектростанций на основе оксида кальция, имеющая следующий химический состав, мас.%: CaO 35-40, SiO₂ 1 - 3, Al₂O₃ 1-2, Fe₂O₃ 2 - 3, MgO 5-12, n.n.n. 30-35, SO₃ - остальное (авторское свидетельство СССР 527395, 1977).

Наиболее близким аналогом для способа получения является способ получения добавки для строительных смесей, заключающийся в использовании шлама водоумягчения теплоэлектростанций из отстойника теплоэлектроцентрали, который без дополнительной переработки вводят в строительную смесь (а.с. СССР 527395, 1977).

Использование известной добавки в составе строительной смеси обеспечивает достаточно высокие значения рабочих параметров (прочность при сжатии 2,8 - 15 МПа, подвижность 7,0 - 7,1 см), которые однако могут быть улучшены.

Известна строительная смесь, включающая вяжущую добавку, песок и воду, которая содержит в качестве добавки продукт нейтрализации и обезвоживания отработанного раствора сернокислого травления стали при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Продукт нейтрализации и обезвоживания отработанного раствора сернокислого травления стали - 6,3 - 11,4
Песок - 61,6 - 70,3
Вода - Остальное
(а.с. СССР N 897747, 1982).

Недостатком известной растворной смеси является недостаточно высокая прочность при сжатии, которая составляет через 28 суток 0,42 - 0,72 МПа.

Наиболее близким аналогом заявленной строительной смеси является строительная смесь, включающая цемент, добавку, песок и воду, и в качестве добавки содержит шлам водоумягчения теплоэлектростанций на основе оксида кальция состава, мас. %: CaO 35-40, SiO₂ 1 - 3, Al₂O₃ 1 - 2, Fe₂O₃ 2 - 3, MgO 5-12, n.n.n. 30-35, SO₃ - остальное.

При соотношении компонентов (на сухое), мас.ч.:
Цемент - 1
Песок - 3,9 - 6,5
Шлам - 0,15 - 0,7
(а.с. СССР 527395, 1977)
предел прочности при сжатии составляет 2,8 - 15,0 МПа, пластичность 7,0 - 7,1 см. Таким образом, известный строительный раствор характеризуется достаточно высокими значениями рабочих параметров, тем не менее они могут быть улучшены.

Задачей изобретения является разработка состава строительной смеси, а также состава добавки для строительной смеси и способа ее получения, которые смогли бы обеспечить при их использовании в строительстве высокую прочность при сохранении высокого уровня других рабочих параметров - подвижность, расслаиваемость, водоудерживающая способность.

Поставленная задача решается тем, что добавка для строительных смесей на основе оксида кальция дополнительно содержит феррит кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид кальция CaO - 90 - 92
Феррит кальция Ca₂Fe₂O₅ - 8 - 10
Поставленная задача решается также способом получения добавки для строительных смесей путем использования в качестве исходного сырья шлама водоумягчения теплоэлектростанций, в котором шлам отжигают при температуре 500 - 750^oC в атмосфере водяного пара при давлении 10² - 10⁵ Па.

Поставленная задача решается также тем, что строительная смесь, содержащая песок, добавку на основе оксида кальция и воду, содержит добавку состава, мас. %: оксид кальция CaO 90 - 92, феррит кальция Ca₂Fe₂O₅ 8 - 10, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Песок - 67,8 - 74,1
Указанная добавка - 9,8 - 14,5
Вода - Остальное
Поставленная задача решается также тем, что строительная смесь, содержащая песок, цемент, добавку на основе оксида кальция, воду, содержит добавку состава, мас.%: оксид кальция CaO 90 - 92 и феррит кальция Ca₂Fe₂O₅ 8 - 10, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Песок - 68 - 73
Цемент - 11,0 - 14,0
Указанная добавка - 1,0 - 2,9
Вода - Остальное
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен состав строительной смеси, содержащий в качестве добавки смесь оксида кальция CaO и феррит кальция Ca₂Fe₂O₅ в заявляемом интервале соотношения компонентов. А также не известен способ получения добавки для строительной смеси предлагаемого состава путем обжига в определенных условиях шлама водоумягчения теплоэлектростанций.

В предлагаемом техническом решении в качестве добавки для строительных смесей используют смесь оксида и феррита кальция в определенном соотношении компонентов. Добавка предлагаемого состава может быть получена путем отжига шлама водоумягчения теплоэлектростанций при температуре 500 - 750^oC в атмосфере водяного пара при давлении 10² - 10⁵ Па. Шлам представляет собой порошок с размером частиц до 50 мк и имеет следующий химический состав, мас.%: CaO 49,6 - 49,8, Fe₂O₃ 2,9 - 3,1, SO₃ 0,2 - 0,3, MgO 3,2 - 3,5, SiO₂ 1,5 - 1,8, n.n.n. 41,5 - 49,6. При использовании шлама в качестве исходного сырья добавка предлагаемого состава может быть получена только при условии соблюдения параметров процесса. Так, при ведении отжига при температуре ниже 500^oC, давлении пара воды меньше 10² Па получают продукт, содержащий Fe₂O₃ и CaCO₃, что ведет к снижению прочности строительной смеси при использовании в ее составе в качестве добавки полученного продукта. Ведение отжига при температуре выше 750^oC и давлении пара воды больше 10⁵ Па нецелесообразно. Так как в этих условиях уже произошло образование продукта, содержащего смесь оксида кальция и феррита кальция, и дальнейшее повышение рабочих параметров ведет к неоправданному повышению энергозатрат.

Соотношение содержания оксида кальция и феррита кальция в составе добавки также оказывает влияние на рабочие характеристики строительных смесей при использовании в их составе предлагаемой добавки. Так, при содержании оксида кальция менее чем 90 мас.%, а феррита кальция более чем 10 мас.% прочность строительной смеси снижается, что обусловлено уменьшением количества лабильной эвтектоидной смеси, наличие которой при обжиге дает достаточный объем жидкой фазы, затекающей в межзеренные пространства, что при охлаждении обуславливает повышенную прочность.

При содержании оксида кальция более чем 92 мас.%, а феррита кальция менее чем 8 мас.% прочность строительной смеси также снижается. Это происходит также вследствие уменьшения количества лабильной эвтектоидной смеси.

Получение строительной смеси, обладающей повышенными прочностными характеристиками, обусловлено не только использованием в качестве добавки смеси оксида и феррита кальция в определенном их соотношении, но и заявляемым соотношением компонентов в составе самой строительной смеси.

Так, при содержании песка более чем 74,1 мас.%, а добавки - более 14,5 мас. % начинаются интенсивное разогревание и разрыхление структуры строительной смеси, что препятствует схватыванию и твердению массы.

При содержании песка менее 67,8 мас.%, а добавки - менее 9,8 мас.% также не происходит достаточного схватывания смеси и прочность при затвердевании не превышает 0,5 МПа.

В случае, если строительная смесь дополнительно содержит цемент при содержании цемента менее 11 мас.%, добавки - менее 1 мас.%, а песка - менее 68 мас. % отсутствует пластифицирующий эффект, что ведет к уменьшению подвижности строительной смеси и, как следствие, к снижению прочности. При содержании цемента более 14 мас.%, добавки - более 2,9 мас.%, а песка - более 73 мас.% снижается прочность строительной смеси при затвердевании (до 4,8 МПа).

Качественное отличие предлагаемых вариантов строительных смесей заключается в наличии или отсутствии цемента в их составе, что обусловлено спецификой использования той или иной смеси. Добавление цемента в строительную смесь необходимо для получения пластифицирующего эффекта, который обусловливает и прочностные характеристики. В случае отсутствия цемента в составе смеси его роль выполняет добавка, количество которой значительно увеличивается. Однако цемент обеспечивает более высокий уровень прочности, чем известные и предлагаемые добавки, но в некоторых случаях прочностные характеристики смесей, не содержащих цемент, являются достаточными. Этим и объясняется использование строительных смесей как содержащих цемент, так и не содержащих его. Уровень прочности строительных смесей, не содержащих цемент, составляет: известной 0,42 - 0,72 МПа, предлагаемой 0,89 - 1,12 МПа. Уровень прочности строительных смесей, содержащих цемент, составляет: известной 2,8 - 15,0 МПа, предлагаемой 16,0 - 16,5 МПа.

Предлагаемая строительная смесь может быть получена следующим образом. Для приготовления строительной смеси в качестве исходных материалов могут быть использованы: песок Пловинкинского месторождения с М_кр = 1,5 - 2, добавка, включающая (мас.%): CaO 90 - 92, Ca₂Fe₂O₃ 8 - 10. Исходные сухие составляющие помещают в смесительную установку в дозированных количествах, а затем добавляют воду при непрерывном перемешивании в течение 1 мин.

Для приготовления строительной смеси, дополнительно содержащей цемент, в качестве исходных материалов могут быть использованы: портландцемент М400, песок Федоровского месторождения с М_кр = 2,0 - 2,5, добавка, включающая (мас. %): CaO 90 - 92, Ca₂Fe₂O₅ 8 - 10. Цемент и добавку в дозированных количествах помещают в смесительную установку и перемешивают до получения сухой однородной смеси. Затем добавляют дозированное количество песка и вновь перемешивают в течение 1 мин, после чего добавляют воду и перемешивают до гомогенного состояния в течение 1 мин.

Из готовой строительной смеси формуют образцы - кубы с размером 7,07х7,07х7,07 см. Образцы подвергают по стандартной методике испытаниям на предел прочности при сжатии через 28 суток воздушно-сухого твердения, подвижность, водоудерживающую способность и расслаиваемость.

Для получения добавки для строительных смесей, содержащей оксид кальция и феррит кальция при следующем соотношении указанных компонентов (мас.%): CaO 90 - 92, Ca₂Fe₂O₅ 8 - 10, берут шлам водоумягчения теплоэлектростанций, помещают его в нагревательную печь и проводят обжиг при температуре 500 - 750^oC в течение 1 - 2 часов в присутствии водяного пара при давлении 10² - 10⁵ Па. Полученный продукт подвергают химическому и рентгенофазовому анализам.

Пример 1. Для получения добавки берут 100 г шлама водоумягчения теплоэлектростанции химического состава (мас.%): CaO 49,6, Fe₂O₃ 2,9, SO₃ 0,2, MgO 3,2, SiO₂ 1,5, n.n.n. 49,6. Шлам помещают в печь марки СНОЛ и нагревают до температуры 500^oC, в печь подают водяной пар при давлении 10 МПа и выдерживают при указанной температуре в течение 2 часов. По данным химического и рентгенофазового анализов получают продукт, содержащий оксид кальция и феррит кальция при следующем их соотношении (мас.%): CaO 90, Ca₂Fe₂O₅ 10.

Пример 2. Получают добавку, как описано в примере 1, но берут шлам химического состава (мас.%): CaO 49,8, Fe₂O₃ 3,1, SO₃ 0,3, MgO 3,5, SiO₂ 1,8, n. n. n. 41,5 и выдерживают при температуре 750^oC в течение 1 часа при давлении водяного пара 10⁵ Па. По данным химического и рентенофазового анализов получают продукт, включающий (мас.%): CaO 92, Ca₂Fe₂O₅ 8.

Пример 3. Для получения строительной смеси берут 74,1 г песка с М_кр = 1,5 и 9,8 г добавки, содержащей оксид кальция и феррит кальция в следующем соотношении (мас. %): CaO 90, Ca₂Fe₂O₅ 10, и помещают в смесительную установку, а затем добавляют воду в количестве 16 мл при непрерывном помешивании в течение 1 мин. Получают строительную смесь состава, (мас.%): добавка 9,8, песок 74,1, вода 16. Предел прочности при сжатии через 28 суток воздушно-сухого твердения 0,89 МПа. Подвижность 8,2 см.

Пример 4. Получают смесь, как описано в примере 3, но берут 67,8 г песка с М_кр = 2 и 14,5 г добавки, содержащей оксид кальция и феррит кальция в следующем соотношении (мас.%): CaO 92, Ca₂Fe₂O₅ 8, добавляют воду в количестве 17,7 мл.

Получают строительную смесь состава (мас.%): добавка 14,5, песок 62,8, вода 17,7. Предел прочности при сжатии через 28 суток воздушно-сухого твердения 1,12 МПа. Подвижность 8,3 см.

Пример 5. Для получения строительной смеси берут 11 г портландцемента марки М400, 1 г добавки, содержащей оксид кальция и феррит кальция в следующем соотношении (мас.%): CaO 90, Ca₂Fe₂O₅ 10. Помещают в смесительную установку и перемешивают в течение 2 мин. Затем добавляют 73 г песка с М_кр = 2 и вновь перемешивают в течение 1 мин. Затем добавляют 15 мл и перемешивают в течение 1 мин.

Получают строительную смесь состава (мас.%): портландцемент 11, добавка 1, песок 73, вода 15. Предел прочности при сжатии через 28 суток стандартного твердения 16 МПа. Пластичность 8,3 см, водоудерживающая способность 4,7 см, расслаиваемость 0,00 см.

Пример 6. Получают строительную смесь, как описано в примере 5, берут 14,0 г портландцемента, 2,9 г добавки, содержащей оксид кальция и феррит кальция в следующем соотношении (мас.%): CaO 92, Ca₂Fe₂O₅ 8, 68 г песка и 15,1 мл воды. Получают строительную смесь (мас.%): портландцемент 14,0, добавка 2,9, песок 68,0, вода 15,1. Предел прочности при сжатии через 28 суток стандартного твердения 16,5 МПа, пластичность 8,1, водоудерживающая способность 4,6 см, расслаиваемость 0,00 см.

Таким образом, предлагаемые строительные смеси с использованием в их составе добавки, содержащей оксид и феррит кальция, позволяют получить повышенную прочность при сжатии после их затвердевания при высоком уровне остальных рабочих характеристик, а именно при хорошей водоудерживающей способности, высокой пластичности (подвижности) и полном отсутствии расслаиваемости. При этом значительно увеличиваются объемы утилизируемого шлама водоумягчения теплоэлектростанций.

Изобретение относится к производству строительных смесей и может быть использовано при строительстве промышленных и гражданских зданий. Добавка для строительных смесей содержит, мас.%: оксид кальция 90 - 92, феррит кальция 8 - 10. Способ получения добавки для строительных смесей предусматривает использование в качестве исходного сырья шлама водоумягчения теплоэлектростанций, причем шлам отжигают при температуре 500 - 750^oC в атмосфере водяного пара при давлении 10² - 10⁵ Па. Строительная смесь содержит песок, добавку состава, мас.%: оксид кальция 90 - 92 и феррит кальция 8 - 10, воду при следующем их соотношении, мас.%: песок 67,8 - 74,1, указанная добавка 9,8 - 14,5, вода - остальное. Также строительная смесь содержит песок, добавку состава, мас.%: оксид кальция 90 - 92 и феррит кальция 8 - 10, цемент и воду при следующем их соотношении, мас.%: песок 68 - 73, указанная добавка 1,0 - 2,9, цемент 11,0 - 14,0, вода - остальное. Техническим результатом является повышение прочности при сжатии после затвердевания строительной смеси при высоком уровне остальных рабочих характеристик, а именно при хорошей водоудерживающей способности, высокой пластичности - подвижности и полном отсутствии расслаиваемости. При этом значительно увеличиваются объемы утилизируемого шлама водоумягчения теплоэлектростанций. 4 c.п.ф-лы.

1. Добавка для строительных смесей на основе оксида кальция, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит феррит кальция при следующем соотношении указанных компонентов, мас.%:
Оксид кальция CaO - 90 - 92
Феррит кальция Ca₂Fe₂O₅ - 8 - 10
2. Способ получения добавки для строительных смесей путем использования в качестве исходного сырья шлама водоумягчения теплоэлектростанций, отличающийся тем, что шлам отжигают при температуре 500 - 750^oC в атмосфере водяного пара при давлении 10² - 10⁵ Па. 3. Строительная смесь, содержащая песок, добавку на основе оксида кальция и воду, отличающаяся тем, что она содержит добавку состава, мас.%:
Оксид кальция CaO - 90 - 92
Феррит кальция Ca₂Fe₂O₅ - 8 - 10
при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Песок - 67,8 - 74,1
Указанная добавка - 9,8 - 14,5
Вода - Остальное
4. Строительная смесь, содержащая песок, цемент, добавку на основе оксида кальция и воду, отличающаяся тем, что она содержит добавку состава, мас. %:
Оксид кальция CaO - 90 - 92
Феррит кальция Ca₂Fe₂O₅ - 8 - 10
при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Песок - 68 - 73
Цемент - 11,0 - 14,0
Указанная добавка - 1,0 - 2,9
Вода - Остальное