ВЯЖУЩЕЕ Российский патент 2009 года по МПК C04B7/153 

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для укрепления грунтов оснований автомобильных и железных дорог, для устройства фундаментов жилых и гражданских сооружений, для получения ячеистых бетонов, а также для укрепления отвалов промышленных отходов горнорудных и других предприятий.

Известно вяжущее на основе молотого вторичного гранулированного шлака цветной металлургии, содержащее следующие компоненты, вес.ч.:

Молотый вторичный граншлак   цветной металлургии 2-3 Отходы обогащения металлургических   руд с содержанием SiO₂ не менее 30% 0,5-1 Щелочной возбудитель схватывания 0,2-1

В качестве щелочного возбудителя схватывания вяжущее содержит известь или портландцемент (см. Авт.св. СССР №316665, С04В 7/14).

Недостатком известного вяжущего является низкая прочность, морозостойкость и водостойкость за счет того, что входящий в его состав щелочной возбудитель (известь или портландцемент) при взаимодействии с гранулированным шлаком и отходами обогащения металлургических руд образуют химические соединения, которые под воздействием воды и отрицательных температур разрушаются, снижая вышеуказанные свойства вяжущего.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является вяжущее, содержащее следующие компоненты, мас.%:

Никелевый гранулированный шлак 52-78 Едкий натр или дисиликат натрия   в пересчете на Na₂O 2-8 Горелая порода 20-40

(см. Авт.св. СССР №925895, С04В 7/14)

Недостатком известного вяжущего является низкая скорость твердения в естественных условиях за счет того, что входящий в состав никелевый шлак проявляет гидравлическую активность только при повышенной (более 40°С) температуре, что приводит к медленному твердению состава и, следовательно, к его низкой прочности. Также известное вяжущее имеет низкую морозостойкость и водостойкость за счет того, что входящие в состав никелевого шлака железистые силикаты при твердении образуют химические соединения, активно разрушающиеся при взаимодействии с водой и в условиях попеременного замораживания и оттаивания.

В основу изобретения поставлена задача разработать состав вяжущего, одновременно обладающего комплексом свойств: высокой прочностью, скоростью твердения в естественных условиях, водостойкостью и морозостойкостью.

Поставленная задача решается тем, что известное вяжущее, включающее шлак цветной металлургии, жидкое стекло и наполнитель, согласно изобретению содержит в качестве шлака цветной металлургии шлак медной плавки, в качестве наполнителя - хвосты обогащения медно-колчеданных руд, жидкое стекло - с плотностью 1,18-1,23 г/см³ и дополнительно - лигносульфонат технический и сталеплавильный шлак, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Шлак медной плавки 48,0-74,0 Указанное жидкое стекло 6,0-9,0 Лигносульфонат технический 0,1-0,4 Сталеплавильный шлак 1,8-3,6 Указанные хвосты Остальное

Жидкое стекло - водный раствор стекловидных силикатов щелочных металлов (натрия или калия), представляет собой густую вязкую прозрачную жидкость без механических включений и примесей (см. Кузнецова Т.В и др. Специальные цементы. - СПб.: Стройиздат, 1997. - С.220-226).

Лигносульфонат технический (ЛСТ) - является продуктом переработки отходов основного производства целлюлозно-бумажных комбинатов. Представляет собой кальциевую соль лигносульфоновой кислоты, содержащую активные функциональные группы разной полярности (-SO₃H, -ОН, >С=О), перемежающиеся с неполярными радикалами. Содержит в своем составе различные углеводороды, свободную серную кислоту и сульфаты. Выпускается в виде жидкого или твердого концентрата, хорошо растворимого в воде (см. Андреева А.Б. Пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки в бетонах и растворах. - М.: Высшая школа, 1988. - С.34-35).

Сталеплавильный шлак является отходом при производстве стали, который образуется за счет окисления примесей шихты специально вводимыми раскислителями, а также растворения флюса (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. - Киев: Вища школа, 1975. - С.314).

Сталеплавильный шлак имеет следующий химический состав, мас.%: СаО - 35,3; SiO₂ - 20,9; Аl₂О₃ - 12,2; Fe₂O₃ - 23,3; MgO - 6,93; SO₃ - 1,37.

В состав кристаллической фазы сталеплавильного шлака входят двухкальциевый силикат (2CaO·SiO₂), мервинит, алюмоферриты кальция.

Хвосты обогащения медно-колчеданных руд представляют собой тонкодисперсную минеральную массу с размером частиц не более 0,074 мм. Хвосты обогащения медно-колчеданных руд имеют следующий химический состав, мас.%: Сu - 0,16; Zn - 0,43; S - 15,96; Fe - 26,2; SiO₂ - 31,34; As - 0,09; Ca - 3,3; Mg - 4,82; Co - 0,01; прочие - 17,69.

Известно использование лигносульфоната технического в качестве пластификатора бетонных и растворных смесей (см. Добавки в бетон. Справочное пособие. - М.: Стройиздат, 1988. - С.95-99) и в качестве связующего материала в литейном производстве (см. Борсук П.А. Жидкие самотвердеющие смеси. - М.: Машиностроение, 1979. - С.87-94).

В заявляемом вяжущем лигносульфонат технический (ЛСТ) одновременно проявляет комплекс новых технических свойств, заключающихся:

- в регулировании процесса полимеризации жидкого стекла путем образования при гидролизе ЛСТ сложных эфиров лигносульфоновой кислоты, являющихся активизаторами полимеризации жидкого стекла, что обеспечивает повышение прочности заявляемого состава;

- в нейтрализации избыточной щелочности состава, что способствует снижению тепловыделения при его затвердевании, а следовательно, приводит к увеличению плотности, прочности, водостойкости и морозостойкости вяжущего;

- в ускорении окисления пирита (FeS₂), содержащегося в шлаке цветной металлургии и хвостах обогащения медно-колчеданных руд, за счет со держания в ЛСТ свободной серной кислоты, что способствует образованию в качестве конечного продукта окисления - гидроксида железа, обладающего цементирующими и уплотняющими свойствами, обеспечивающими увеличение прочности, водостойкости и морозостойкости вяжущего.

Сведений о вышеуказанном комплексе новых технических свойств, проявляемых лигносульфонатом техническим (ЛСТ), в известных источниках информации не обнаружено.

Известно использование сталеплавильного шлака в качестве компонента вяжущих веществ совместно с известью, гипсом или портландцементным клинкером, твердеющих при автоклавной обработке (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. - Киев: Вища школа, 1975. - С.315-321).

В заявляемом вяжущем сталеплавильный шлак проявляет новое техническое свойство, заключающееся в ускорении твердения жидкого стекла за счет того, что входящий в состав сталеплавильного шлака двухкальциевый силикат (2CaO·SiO₂₎) вступает во взаимодействие с жидким стеклом, вследствие чего в составе вяжущего уменьшается количество влаги, что приводит к возрастанию плотности материала, ускорению его твердения в естественных условиях, а также к увеличению прочности, водостойкости и морозостойкости вяжущего.

Сведений о вышеуказанном новом техническом свойстве сталеплавильного шлака в известных источниках информации не обнаружено.

На основании вышеизложенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемая вяжущая композиция не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует уровню патентоспособности - «изобретательский уровень».

Пример конкретного выполнения

Заявляемое вяжущее готовят следующим образом.

Предварительно смешивают в течение 5 минут лигносульфонат технический (ЛСТ) и жидкое стекло с плотностью 1,18-1,23 г/см³ в заявляемых соотношениях. Затем в полученную смесь вводят тонкоизмельченный шлак медной плавки и наполнитель, в качестве которого используют хвосты обогащения медно-колчеданных руд, а затем вводят ускоритель твердения жидкого стекла - молотый сталеплавильный шлак. Полученную смесь перемешивают в течение 1 минуты до получения однородной массы, после чего она готова к применению.

Для обоснования преимущества заявляемого вяжущего по сравнению с прототипом, а также для обоснования количественного содержания компонентов в заявляемом составе вяжущего в лабораторных условиях было приготовлено и испытано шесть составов вяжущего:

составы №1-3 с заявляемым содержанием компонентов;

состав №4 с содержанием компонентов, выходящим за минимальные заявляемые пределы;

состав №5 с содержанием компонентов, выходящим за максимальные заявляемые пределы;

состав №6 был приготовлен по прототипу.

Для приготовления заявляемого вяжущего (составы 1-5) были использованы следующие исходные материалы:

- шлак медной плавки с удельной поверхностью 400 м²/кг;

- жидкое стекло по ГОСТ 13079-81 плотностью 1,20 г/см³;

- лигносульфонат технический (ЛСТ) по ОСТ 13-183-83;

- ускоритель твердения жидкого стекла - тонкоизмельченный сталеплавильный шлак с удельной поверхностью 400 м²/кг.

- наполнитель - хвосты обогащения медно-колчеданных руд крупности - 0,074+0 мм;

Для приготовления вяжущего, взятого за протопит, были использованы материалы:

- никелевый гранулированный шлак;

- жидкое стекло по ГОСТ 13079-81 плотностью 1,20 г/см³;

- горелая порода.

Составы вяжущих приведены в таблице 1.

Готовили составы вяжущего по вышеописанной технологии.

Для определения прочности из вяжущего изготавливали образцы-кубы с ребром 70 мм, которые после твердения при температуре 20°С и относительной влажности воздуха 98% испытывали на сжатие в возрасте 2 и 28 суток. Испытание на прочность проводили в соответствии с ГОСТ 10180-90 «Методы определения прочности по контрольным образцам». Водостойкость вяжущего определяли по величине коэффициента размягчения, равного отношению прочности вяжущего в водонасыщенном состоянии к прочности сухих образцов. Водостойкими считаются материалы, имеющие коэффициент размягчения не ниже 0,7.

Испытание на морозостойкость проводилось в соответствии с ГОСТ 10060-87 «Методы определения морозостойкости»

Результаты испытаний вяжущих приведены в таблице 2.

Таблица 1 Наименование компонентов Содержание компонентов, мас.%, в составах 1 2 3 4 5 6 (прототип) Наполнитель:           30,0 - горелая порода             - хвосты обогащения медно-колчеданных руд 44,1 28,55 13 30,05 27,85 - Шлак цветной металлургии тонкоизмельченный:             - никелевый гранулированный шлак - - - - - 65,0 - шлак медной плавки 48 61 74 61 61 - Жидкое стекло 6 7,5 9 7,5 7,5 5,0 Лигносульфонат технический 0,1 0,25 0,4 0,05 0,45 - Ускоритель твердения жидкого стекла             - сталеплавильный шлак 1,8 2,7 3,6 1,4 3,2  

Анализ результатов испытаний показал, что заявляемое вяжущее (составы №1-3) по сравнению с вяжущим, взятым за прототип, позволяет:

- повысить прочность на 10-45,5%;

- увеличить водостойкость на 11,5-20,5%;

- повысить морозостойкость на 17,4-34,8%.

При этом скорость твердения заявляемого вяжущего по сравнению с прототипом возрастает в 1,45 раза.

Использование вяжущего составов №4 и 5 нецелесообразно, так вяжущее состава №4 имеет низкую водостойкость и морозостойкость, а вяжущее состава №5 хотя и имеет достаточно высокую прочность и морозостойкость, однако обладает низкой водостойкостью.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемое вяжущее работоспособно и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе, что подтверждается примерами конкретного выполнения. Соответственно заявляемое вяжущее, обладая комплексом высоких строительно-технических свойств, может найти широкое применение в различных областях строительства и геотехнологии.

Следовательно, заявляемое вяжущее соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для укрепления грунтов оснований автомобильных и железных дорог, для устройства фундаментов жилых и гражданских сооружений, для получения ячеистых бетонов, а также для укрепления отвалов тонкодисперсных промышленных отходов горнорудных и других предприятий. Вяжущее, содержащее шлак цветной металлургии, жидкое стекло и наполнитель, содержит в качестве шлака цветной металлургии шлак медной плавки, в качестве наполнителя - хвосты обогащения медно-колчеданных руд, жидкое стекло - с плотностью 1,18-1,23 г/см³ и дополнительно - лигносульфонат технический и сталеплавильный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%: шлак медной плавки 48,0-74,0, указанное жидкое стекло 6,0-9,0, лигносульфонат технический 0,1-0,4, сталеплавильный шлак 1,8-3,6, указанные хвосты - остальное. Технический результат - повышение прочности, скорости твердения, водо- и морозостойкости. 2 табл.

Вяжущее, содержащее шлак цветной металлургии, жидкое стекло и наполнитель, отличающееся тем, что оно содержит в качестве шлака цветной металлургии шлак медной плавки, в качестве наполнителя - хвосты обогащения медно-колчеданных руд, жидкое стекло - с плотностью 1,18-1,23 г/см³ и дополнительно - лигносульфонат технический и сталеплавильный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:
шлак медной плавки 48,0-74,0 указанное жидкое стекло 6,0-9,0 лигносульфонат технический 0,1-0,4 сталеплавильный шлак 1,8-3,6 указанные хвосты остальное