СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩЕГО СУЛЬФАТОСТОЙКОГО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Российский патент 2005 года по МПК C04B7/43 

Изобретение относится к способам получения специальных минеральных вяжущих веществ, обладающих свойством набирать высокую прочность в ранние сроки твердения, что позволяет применять его для скоростного строительства и одновременно обеспечивать долговечность строительных сооружений и деталей в условиях воздействия агрессивных сульфатных сред.

Известен способ получения быстротвердеющих цементов (БТЦ) [Рояк С.М, Рояк Г.С. Специальные цементы. М.: Стройиздат, 1969, с.86-96; Кравченко И.В., Кузнецова Т.В., Власова М.Т., Юдович Б.Э. Химия и технология специальных цементов. М.: Стройиздат, 1979, с.134-178], который обеспечивает регламентированные требования к минералогическому составу клинкера: С₃А не более 8 мас.%, C₃S+С₃А не менее 70 мас.%, обжигом сырьевой смеси в окислительной среде с последующим охлаждением полученного клинкера в холодильнике вращающейся печи. При помоле клинкера добавляют гипс из расчета не более 3,5 мас.% SO₃ и измельчают до удельной поверхности S_уд более 3500 см²/г. Такой цемент соответствует ГОСТу 10178-85 и обеспечивает за 3 суток твердения предел прочности при сжатии 25,0 МПа для М400, либо 28,0 МПа для М500.

Недостатком БТЦ является повышенный удельный расход электроэнергии на помол цемента до высокой удельной поверхности и высокое содержание в клинкере С₃А, что не обеспечивает этому цементу сульфатостойкость.

Известен способ получения сульфатостойкого портландцемента [Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы. М.: Стройиздат, 1969, с.110-126; Кравченко И.В., Кузнецова Т.В., Власова М.Т., Юдович Б.Э. Химия и технология специальных цементов. М.: Стройиздат, 1979, с.179-189]. Регламентируемые требования обеспечивают обжигом сырьевой смеси в окислительной среде с последующим охлаждением полученного клинкера в холодильнике вращающейся печи. Минералогический состав клинкера: С₃А не более 5 мас.%, С₃А+С₄АF не более 22 мас.%. При помоле клинкера добавляют гипс в количестве, не превышающем 3,5 мас.% SO₃ в цементе. Тонкость помола цемента S_уд=2800-3000 см²/г.

Недостатком сульфатостойкого портландцемента является низкое содержание С₃S - не более 50%, что негативно отражается на скорости набора прочности и марочности цемента.

Недостатками вышеуказанных способов является невозможность получения клинкера с компромиссным минералогическим и фазовым составами. Общим у рассматриваемых цементов является одинаковое требование к количеству гипса, добавляемого при помоле цементов. Требования к удельной поверхности расходятся: для быстротвердеющих цементов важным параметром является высокая удельная поверхность, а для сульфатостойкого цемента этот параметр определяющим не является. Задачей изобретения является совмещение в одном цементе свойств быстрого твердения и сульфатостойкости, а также снижение удельных энергозатрат на помол цемента.

В способе получения быстротвердеющего сульфатостойкого портландцемента путем обжига портландцементной сырьевой смеси и дальнейшего помола портландцементного клинкера с гипсом обжиг портландцементной сырьевой смеси ведут в восстановительной среде до степени восстановления α =0,1-0,2 с закалкой полученного портландцементного клинкера в воде от 1450° С и дальнейшим помолом его с гипсом в количестве, не превышающем 3,5 мас.% по SO₃, до удельной поверхности S_уд=2800-3000 см²/г.

Поставленная задача решается следующим образом: сырьевую смесь портландцементного клинкера обжигают при 1450° С в восстановительной среде. Из зоны спекания клинкер выгружается и подвергается закалке водой с последующей самосушкой. Затем клинкер размалывают в мельнице совместно с гипсом из расчета не более 3,5 мас.% SO₃ в портландцементе, до получения порошка портландцемента с удельной поверхностью 2800-3000 см²/г.

Формирование клинкера быстротвердеющего сульфатостойкого портландцемента в восстановительной среде до степени восстановления увеличивает гидратационную активность алита и белита за счет катионного обмена Са²⁺Fe²⁺ и повышения их ионности, что фиксируется быстрой закалкой в воде. Закалка в воде позволяет избежать кристаллизации из клинкерного расплава С₃А и C₄AF и осуществить стеклование клинкерного расплава. При гидратации стеклофазы образуются гидрогранаты 3СаО(Аl,Fе)₂O₃·_{хSiO2·(6-2х)Н2O, обладающие высокой сульфатостойкостью [Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы. М.: Стройиздат, 1969, с.123]. Этим обеспечивается выполнение условий для приобретения цементом стойкости к сульфатной агрессии. Благодаря качественному изменению минералогического состава клинкера, приданию минералам-силикатам и клинкерному стеклу чрезвычайно высокой активности за счет наличия в их структуре Fе²⁺, достигается задача, поставленная в изобретении.}

Предлагаемый способ позволяет получить быстротвердеющий сульфатостойкий портландцемент - качественно новое вяжущее вещество, обладающее прочностью при сжатии к 3 суткам твердения более 30 МПа и одновременно высокой стойкостью к сульфатной агрессии - не ниже КС₆=0,92.

Примеры

Сырьевая смесь имеет химический состав, мас.%: SiO₂=14,63; Аl₂О₃=3,17; Fe₂O₃=2,97; СаO=43,89; MgO=0,52; SО₃=0,26; п.п.п.=34,56. После обжига получают клинкер химического состава, мас.%: SiO₂=22,36; Al₂O₃=4,84; Fе₂O₃=4,55; СаO=67,06; MgO=0,79; SO₃=0,40. Модульные характеристики клинкера: КН=0,92; n=2,38; p=1,07. При закалке в воде от температуры обжига 1450° С минералогический состав клинкера, маc.%: С₃S=60,07; C₂S=14,30; клинкерное стекло (cтeклoфaзa)=24,29%. С учетом MgO, клинкерное стекло составит 25,08 мас.%.

Восстановительная среда при обжиге клинкера регулируется с помощью коэффициента избытка воздуха в пределах от 1,05 до 0,95. При этом степень восстановления Fe₂О₃, содержащегося в клинкере, соответственно изменяется (табл. 1). Помол цемента осуществляется в шаровой мельнице до S_уд в пределах 2800-3000 см²/г.

Данные таблицы показывают, что предлагаемый способ позволяет получить новое вещество, обладающее одновременно быстрым твердением и высокой сульфатостойкостью, соответствующее марке М500.

Предлагаемым способом можно получить быстротвердеющий сульфатостойкий цемент, обладающий более высокой гидратационной активностью и надежной стойкостью в агрессивной сульфатной среде, что дает возможность использования его для скоростного строительства гидротехнических сооружений в морской воде и других агрессивных средах.

Следует отметить, что удельный расход электроэнергии на помол этого цемента останется на уровне обычного портландцемента, поскольку, в отличие от быстротвердеющего и особобыстротвердеющего портландцементов, размалываемых до S_уд=3500-6000 см²/г, ему достаточно S_уд=2800-3000 см²/г.

Область применения портландцемента - строительство морских сооружений, а также сооружений, работающих в минерализованных водах. Технический результат - возможность получения нового минерального вяжущего вещества, обладающего одновременно быстрым твердением и сульфатостойкостью. В способе получения быстротвердеющего сульфатостойкого портландцемента путем обжига портландцементной сырьевой смеси и дальнейшего помола портландцементного клинкера с добавлением гипса обжиг портландцементной сырьевой смеси ведут в восстановительной среде до степени восстановления α=0,1-0,2 с закалкой полученного портландцементного клинкера в воде от 1450°С и дальнейшим помолом его с добавлением гипса в количестве, не превышающем 3,5 мас.% по SO₃, до удельной поверхности S_уд=2800-3000 см²/г. 1 табл.

Способ получения быстротвердеющего сульфатостойкого портландцемента путем обжига портландцементной сырьевой смеси и дальнейшего помола портландцементного клинкера с добавлением гипса, отличающийся тем, что обжиг портландцементной сырьевой смеси ведут в восстановительной среде до степени восстановления α=0,1-0,2 с закалкой полученного портландцементного клинкера в воде от 1450°С и дальнейшим помолом его с добавлением гипса в количестве, не превышающем 3,5 мас.% по SO₃, до удельной поверхности S_уд=2800-3000 см²/г.