ВЯЖУЩЕЕ Российский патент 2009 года по МПК C04B7/14 

Изобретение относится к составам бесклинкерного вяжущего на основе сталеплавильных и доменных шлаков, которое может быть использовано в производстве бетонных и железобетонных изделий и строительных растворов.

Известно бесклинкерное вяжущее из доменных шлаков и активатора твердения жидкое стекло [1], имеющее прочность на сжатие в возрасте 28 суток до 20 МПа.

Известно также вяжущее, содержащее гранулированный доменный шлак, электросталеплавильный шлак, двуводный гипс, активизатор твердения [2, прототип].

Недостатками известных вяжущих является пониженная прочность, водостойкость и морозостойкость.

Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества вяжущего, полного использования гидравлической активности, утилизации отходов металлургических производств с использованием известных технологий и оборудования для комплексной переработки отходов. При этом решается задача комплексной переработки отходов металлургической промышленности, в частности отвалов мартеновского шлака.

Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в комплексной утилизации отходов металлургии путем оптимизации вещественного состава и соотношения компонентов вяжущего, тонкости помола и гранулометрического состава при совместном их измельчении в шаровой мельнице, что обеспечивает максимальное использование гидравлической активности шлаков.

Для достижения изобретением технического результата вяжущее, полученное помолом до 450-470 м²/кг смеси, включающей доменный гранулированный шлак, шлак от выплавки стали, двуводный гипс, активизатор твердения, в качестве шлака от выплавки стали содержит мартеновский лежалый шлак фракция не менее 15 мм, а в качестве активизатора твердения - горный песок состава, мас.%: SiO₂ 34,1-39,9; Аl₂О₃+ТiO₂ 9,8-11,0; FeO+Fe₂O₃ 12,8-26,1; СаО 11,3-13,7; MgO 4,2-5,7; МnО 0,3-0,55;

Р₂О₅ 0,5-0,6; SO₃ 1,7-3,2; Na₂O+K₂O 1,3-3,2; п.п.п. 8,5-15, содержащий 15-20% минералов гранатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Горный песок 5-8 Двуводный гипс 4-9 Доменный гранулированный шлак 30-35 Указанный мартеновский шлак фракция не менее 15 мм остальное.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что минеральный состав мартеновского и доменного шлаков идентичны и отличаются только их количеством. Шлаки состоят из следующих минералов: силикаты кальция CaO·SiO₂, 2CaO·SiO₂, 3CaO·SiO₂, 4CaO·SiO₂; алюминаты кальция CaO·AL₂O₃, 2CaO·AL₂O₃, 3CaO·AL₂O₃, 4CaO·AL₂O₃; ферраты кальция xCaO·Fe₂O₃, xCaO·FeO₂; алюмосиликаты AL₂O₃·SiO₂; алюмосиликаты кальция CaO·n AL₂O₃·mSiO₂, и ряд других соединений в системах СаО - SiO₂ - AL₂O₃ - Fe₂O₃. Эти же химические вещества содержатся в клинкерах и вяжущих [3, 4, 5]. В указанных сложных веществах содержатся в основном в виде изоморфных примесей и присоединений, оксиды магния, железа, кобальта, никеля, бария, натрия, калия, цинка и др. Различные содержания указанных веществ в смесях обеспечивают различное качество вяжущего.

В качестве активизатора в процессах гидратации и твердения вяжущего используются металлы: железо, марганец, титан, никель, кобальт. Введение этих добавок приводит к интенсификации гидратации силикатных и алюминатных фаз, росту количества новообразований и содержанию химически связанной воды [6]. В качестве такого активизатора выбран горный песок (Таблица 1), содержащий в небольших количествах соединения железа, марганца, никеля, кобальта, титана. Кроме этого горный песок содержит сложные соединения силикатов и алюминатов (в частности минералы гранаты, амфиболы), которые обладают вяжущими свойствами и поэтому ускоряют процесс гидратации и твердения цементов и бетонов.

Соединения щелочных металлов (Na₂O+K₂O) в смесях вяжущих обладают активизирующими свойствами, содержание их в горном песке составляет 1,3-3,0%, что обеспечивает реакцию со стекловидной фазой шлаков с образованием комплексных соединений, обладающих высокой прочностью. В небольших количествах щелочные металлы имеются в доменном и мартеновском шлаках и, следовательно, повышают прочность предлагаемого вяжущего.

Мартеновский шлак накапливался в отвалах многие годы. Под действием атмосферных осадков происходила его гидратация на поверхности частиц, поэтому предлагается использовать кусковой мартеновский шлак в крупности не менее 15 мм.

Таким образом, сущность заявляемого изобретения заключается в подборе химического, минералогического и гранулометрического состава компонентов с обеспечением максимальной плотности, твердости и химической активности вяжущего, и высокой водостойкости и морозостойкости.

Для получения предлагаемого вяжущего применяли доменный гранулированный шлак и мартеновский лежалый шлак в крупности не менее 15 мм, ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат», горный песок, содержащий 16% минералов гранатов, двуводный гипс (Таблица 1). Компоненты подвергались сушке при 115°С. Смесь размалывалась (Таблица 2) в лабораторной шаровой мельнице до удельной поверхности 450-470 м²/кг и затворялась водой до получения теста стандартной нормальной густоты. Из полученной смеси изготовили балочки размером 4×4×16 см, уплотняли раствор на стандартной виброплощадке в течение 3 минут. Твердение образцов осуществляли в гидравлической ванне и при пропаривании в камере при 90°С в течение 12 часов. Испытание балочек проводили в возрасте 28 суток. Испытание на морозостойкость осуществляли по ГОСТ 7025-58 в возрасте 28 суток (Таблица 3). Результатами испытаний установлено, что качество предлагаемого вяжущего равнозначно качеству шлакопортландцемента М400 Д20, изготовляемого на Кузнецком цементном заводе (Кемеровская область).

Предлагаемое изобретение позволяет создать базу для производства дешевого вяжущего и утилизировать 40 млн тонн мартеновского и доменного шлаков и 4 млн тонн горного песка (отходы обогащения руд) в условиях города Новокузнецка.

Таблица 1 Материал Химический состав, мас.% SiO₂ Аl₂О₃+
ТiO₂ FeO+
Fe₂O₃ СаО MgO МnО Р₂О₅ SO₃ Na₂О+К₂О п.п.п. Доменный гранулированный шлак 36,2-42,0 12,3-17,0 0,6-2,6 38,0-42,2 4,8-9,9 0,21-1,1   0,4-1,2 0,13 0,1-0,15 Песок горный 34,1-39,9 9,8-11,0 12,8-26,1 11,3-13,7 4,2-5,7 0,3-0,55 0,5-0,6 1,7-3,2 1,3-3,2 8,5-15,0 Мартеновский шлак 17,6 0,78-3,8 26 29,9 13,4 5,3 0,31 0,054    

Таблица 2 Составы вяжущих Содержание компонентов, мас.%     № состава Доменный шлак Активизатор Мартеновский шлак Электросталеплавильный шлак Гипс Сода   Предложенное 1 30 5 56   9   - 2 32,5 6,5 54,5   6,5   - 3 35 8 53   4   - По патенту 2289551 4 95,2         3,5 - По патенту 2186043 5 50 5 41 4 -

Таблица 3 № состава Предел прочности в возрасте 28 суток Водостойкость Морозостойкость При сжатии, МПа При изгибе, МПа Хранение в воде Пропаривание Хранение в воде Пропаривание 1 66,9 52,4 15,4 10,6 0,85 341 2 56,1 46,5 14,5 8,9 0,81 281 3 46,3 38,7 11,6 7,8 0,81 260 4 33,7 32,8 8,1 7,7 0,70 130 5 31,1 31,7 6,8 6,7 0,66 121

Источники информации

1. Патент РФ 2271343, МПК 7 С04В 7/153, 2004.

2. Патент РФ 2186043, МПК 7 С04В 7/147, 2002.

3. Справочник по химии цемента. Л., Стройиздат, 1980, с.10-17, 137-138, 45-47, 84-87.

4. Ларионова З.М., Никитина Л.В., Гарашин В.Р. Фазовый состав, микроструктура и прочность цементного камня и бетона. Тула, Тульская Типография Союзполиграфпрома, 1977, с.21-90.

5. В.И.Бабушкин, Г.М.Матвеев, О.П.Мчедлов-Петросян. Термодинамика силикатов. М., Изд-во литературы по строительству, 1970, - с.187-279.

6. Сватовская Л.Б., Сычев М.М. Активированное твердение цементов. Л., Стройиздат, 1983, с.150.

Изобретение относится к составам бесклинкерного вяжущего на основе доменного и мартеновского шлаков и может быть использовано в производстве бетонных и железобетонных изделий и строительных растворов. Технический результат изобретения состоит в повышении качества вяжущего. Вяжущее, полученное помолом до 450-470 м²/кг смеси, содержащей, мас.%: горный песок состава, мас.%: SiO₂ 34,1-39,9; Аl₂О₃+ТiO₂ 9,8-11,0; FeO+Fe₂O₃ 12,8-26,1; СаО 11,3-13,7; MgO 4,2-5,7; МnО 0,3-0,55; Р₂О₅ 0,5-0,6; SO₃ 1,7-3,2; Na₂O+K₂O 1,3-3,2; п.п.п. 8,5-15, содержащий 15-20% минералов гранатов, 5-8; двуводный гипс 4-9; доменный гранулированный шлак 30-35; мартеновский лежалый шлак фракции не менее 15 мм - остальное. 3 табл.

Вяжущее, полученное помолом до 450-470 м²/кг смеси, включающей доменный гранулированный шлак, шлак от выплавки стали, двуводный гипс, активизатор твердения, отличающееся тем, что в качестве шлака от выплавки стали оно содержит мартеновский лежалый шлак фракции не менее 15 мм, а в качестве активизатора твердения - горный песок состава, мас.%: SiO₂ 34,1-39,9; Аl₂О₃+ТiO₂ 9,8-11,0; FeO+Fe₂O₃ 12,8-26,1; СаО 11,3-13,7; MgO 4,2-5,7; МnО 0,3-0,55; Р₂О₅ 0,5-0,6; SO₃ 1,7-3,2; Na₂O+K₂O 1,3-3,2; п.п.п. 8,5-15, содержащий 15-20% минералов гранатов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Указанный горный песок 5-8 Двуводный гипс 4-9 Доменный гранулированный шлак 30-35 Указанный мартеновский шлак Остальное