ВЯЖУЩЕЕ Российский патент 2006 года по МПК C04B12/00 C04B28/36 

Изобретение относится к составам вяжущих и может найти применение при изготовлении серобетонных изделий и строительных конструкций на основе серного вяжущего, для заливки деформационных швов в гидротехнических сооружениях, химически стойких покрытий для защиты аппаратуры и строительных конструкций от кислотной и солевой коррозии, при изготовлении кислото- и солестойких полов. Изобретение расширяет области использования техногенных отходов цветной металлургии и предусматривает утилизацию отходов, улучшая экологическую обстановку в регионе.

Известно вяжущее (авторское свидетельство №2176222, МПК⁷ С 04 В 28/36), включающее серу, наполнитель - тонкоизмельченный диатомит и добавку - бифенил.

Недостатки этого вяжущего: большие энергетические затраты для подготовки специального тонкодисперсного наполнителя. Химическая стойкость вяжущего на диатомите недостаточно высока.

Известна бетонная смесь (авторское свидетельство №1477714, МПК⁷ С 04 В 28/36), состав которой по сути является серным вяжущим, включающая в качестве наполнителя молотый песок, отход производства серной кислоты (серный шлам) и гач.

Недостатком данной смеси является то, что измельчение кварцевого песка невозможно довести до дисперсности, приводящей к максимальной плотности материала. Это влечет за собой избыточную пористость, повышенное водопоглощение, а также высокую себестоимость материала. Коэффициент коррозионной стойкости 1,21 скорее говорит не о химической стойкости материала, а о том, что материал вступает в химические реакции с окружающей средой, образуя продукты, временно упрочняющие структуру. Однако авторами не приводятся результаты исследования длительной химической стойкости.

Известна сырьевая смесь (US №4348313, опубл.07.09.1982 г.), включающая серу, кварц, известняк, дициклопентадиен и олигомер циклопентадиена.

Недостатком данной смеси является то, что способ ее приготовления имеет тенденцию компонентов смеси к водопоглощению, что приводит к неоднородности составов.

Наиболее близкой к предлагаемой (US №5004799, опубл. 02.04.1991 г.) является сырьевая смесь аналогичного состава, дополнительно подвергающаяся грануляции для достижения однородности.

Недостатком данной смеси (US №4348313, US №5004799) является то, что в качестве минеральной добавки, играющей роль наполнителя, используется известняк или кварц, а измельчение известняковой или кварцевой муки невозможно довести до дисперсности, приводящей к максимальной плотности материала, что влечет за собой избыточную пористость.

Технический эффект, достигаемый при использовании заявляемого вяжущего, заключается в:

а) повышении плотности серных композиций при улучшении свойств серного вяжущего за счет высокой дисперсности наполнителя - отвальных "хвостов" нейтрализации с удельной поверхностью 6400 см²/г и размерами зерен менее 64 микрон;

б) уменьшении пористости и водопоглощения за счет образования более однородной и мелкокристаллической структуры серного вяжущего;

в) увеличении коррозионной стойкости серного вяжущего не только за счет химической стойкости серы, но и за счет кислото- и солестойкости "хвостов";

г) снижении себестоимости серного вяжущего за счет замены природных наполнителей кислотостойкими тонкодисперсными отходами металлургической промышленности без существенной потери прочности и химической стойкости.

Заявляемое серное вяжущее для изготовления строительных конструкций и изделий, содержащее серу, неорганический тонкодисперсный наполнитель и модифицирующую добавку, согласно изобретению содержит в качестве наполнителя отвальные "хвосты" нейтрализации состава, мас.%: SiO₂-38,56; Al₂O₃-2,3; Fe₂O₃-37,0; CaO-10,0; MgO-2,0; S-10; Cu-0,12; Со-0,016, а в качестве модифицирующей добавки дициклопентадиен при следующем содержании компонентов, мас.%:

сера 45,0÷50,0;дициклопентадиен 2,3÷2,5;"хвосты" остальное.

Технический эффект достигается тем, что кристаллические модификации серы удачно сочетаются с тонкодисперсностью "хвостов", упрочняя структуру образцов. Сера имеет несколько аллотропных модификаций, две из которых α- и β-кристаллическая сера. Обе содержат гофрированные кольца S₈ с расстоянием S-S 2,05 Å и углом S-S-S 108°, которые расположены один над другим, образуя столбики. Эти столбики, в свою очередь, располагаясь параллельно один другому, образуют слои, причем столбики каждого следующего слоя расположены перпендикулярно направлению столбиков предыдущего слоя. Дисперсность "хвостов" вполне подходит для заполнения полостей столбиков, предельно уплотняя структуру, что приводит к минимальной пористости, минимальному водопоглощению и максимальной прочности.

Помимо α- и β-кристаллических форм серы в расплаве при температуре выше 160°С формируется модификация μ-серы, а именно полимерной серы.

В застывшем расплаве образуется трехкомпонентная система, в которой под действием нагрузок полимерная сера, растягиваясь, деформируется и перераспределяет напряжения на наиболее высокомодульный компонент - кристаллические модификации α- и β-серы.

Для приготовления заявляемого состава применяются:

- в качестве связующего - сера техническая комовая или газовая, отвечающая требованиям ГОСТ 127-93.1, с температурой плавления 119°С; вязкость при температуре 149°С-6,6×10 Па·с;

- в качестве наполнителя - отвальные "хвосты" нейтрализации, полученные при очистке жидкой фазы пульпы отходов серосульфидной флотации медно-никелевого сульфидного концентрата от железа и цветных металлов, представляющие собой тонкодисперсный материал с удельной поверхностью 6400 см²/г и размерами зерен менее 64 микрон. Отвальные "хвосты" являются инертным продуктом, вступающим в реакцию при температуре выше 300°С только с концентрированной соляной кислотой. Инфракрасная спектроскопия показала, что химическая стойкость отвальных "хвостов" составляет 0,98-0,99. Химический состав, мас.%: SiO₂ - 38,56; Al₂O₃ - 2,3; Fe₂O₃ - 37,0; CaO - 10,0; MgO - 2,0; S - 10; Cu - 0,12; Со - 0,016;

- в качестве модифицирующей добавки используется дициклопентадиен (ТУ 2416-024-05766801-94), представляющий собой жидкость, являющуюся побочным продуктом при изготовлении искусственного каучука на заводах резиношинной промышленности. Эмпирическая формула С₁₀Н₁₂.

Способ изготовления вяжущего заключается в следующем.

Расплав серы доводят до температуры 140°С и при перемешивании в него вводят небольшими порциями дициклопентадиен (5% от массы серы).

После получения однородного расплава к нему добавляют нагретые до такой же температуры "хвосты". Затем после тщательного перемешивания полученную композицию укладывают в нагретые формы и охлаждают до нормальной температуры. Образцы для испытаний готовят в виде кубиков с размером ребра 7,07 см и призм размером 2×7×7 см и 1×1×3 см. При исследовании вяжущего испытания проводят на образцах составов серной композиции, приведенных в табл.1.

Была проведена оценка прочности композитов.

Для оценки длительной химической стойкости в течение одного года образцы выдерживались в солевых и кислотных растворах, а также в среде электролизной ванны медного завода. Признаков разрушения и потери прочности не наблюдалось.

Состав и преимущества заявляемого вяжущего по сравнению с прототипами представлены в табл.1.

Применение заявляемого вяжущего позволит повысить плотность и химическую стойкость против кислотной агрессии, значительно снизить водопоглощение, себестоимость, решить экологические проблемы за счет утилизации отходов.

Таблица 1№составовСодержание компонентов, масс.%Показатели качества бетонаСераДицикло-пентадиенОлигомерОтход производства серной кислоты (серный шлам)Отвальные "хвосты"Молотый песокКварцевый песокГачИзвестнякНачальная прочность, МПаВодопоглощение,%Коэффициент химической стойкости в 94%-ной Н₂SO₄Известный состав (а.с. 1477714)1---60,0-35,0-5,0-11,40,3251,21Известные составы (US №4348313)2213,751,25-----2156,3-13233,751,25---77--42,6-1Предлагаемые составы440,02,0--58,0----36,20,090,94542,52,1--55,4----37,10,070,97645,02,3--52,7----37,60,050,99747,52,4--50,1----38,20,040,99850,02,5--47,5----37,70,050,99952,52,6--44,9----37,20,060,981055,02,8--42,2----36,80,060,96

Настоящее изобретение относится к составу вяжущего. Технический результат - низкая себестоимость при сохранении прочностных характеристик изготовляемых изделий, минимальное водопоглощение, высокая химическая стойкость, утилизация промышленных отходов, а также улучшение экологической ситуации в регионе. Вяжущее, включающее серу, дициклопентадиен, тонкодисперсный наполнитель, содержит в качестве указанного наполнителя отвальные "хвосты" нейтрализации состава, мас.%: SiO₂ - 38,56, Al₂O₃ - 2,3, Fe₂O₃ - 37,0, CaO - 10,0, MgO - 2,0, S - 10, Cu - 0,12, Co - 0,016 при следующем соотношении компонентов вяжущего, мас.%: сера 45,0-50,0, дициклопентадиен 2,3-2,5, указанные "хвосты" остальное. 1 табл.

Вяжущее, включающее серу, дициклопентадиен, тонкодисперсный наполнитель, отличающееся тем, что оно содержит в качестве указанного наполнителя отвальные "хвосты" нейтрализации состава, мас.%: SiO₂ 38,56, Al₂O₃ 2,3, Fe₂O₃ 37,0, CaO 10,0, MgO 2,0, S 10, Cu 0,12, Co 0,016 при следующем соотношении компонентов вяжущего, мас.%:

Сера45,0-50,0Дициклопентадиен2,3-2,5Указанные "хвосты"Остальное