ВЯЖУЩЕЕ Российский патент 2011 года по МПК C04B11/00 C04B18/04 C04B111/27 

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для изготовления стеновых изделий на основе гипса (β-CaSO₄·0,5H₂O).

Известно вяжущее на основе строительного гипса (β-CaSO₄·0,5H₂O) с добавлением гидрофобизирующих компонентов: мылонафт, машинное масло, и минеральной добавки - каустической соды, приведенное в авт. свид. СССР №887505, МКИ C04B 11/09, опубликовано 07.12.81.

Вяжущее состоит из указанных компонентов в следующем соотношении, % по массе:

Строительный гипс 98-99,5 Мылонафт 0,125-0,5 Сода каустическая 0,005-0,02 Машинное масло остальное

Наряду с достоинствами известного вяжущего (увеличение прочности при сжатии на 25-33% по отношению к составу прототипа) имеются и недостатки:

- мылонафт, кальцинированная сода и машинное масло относятся к дорогостоящим компонентам, что увеличивает себестоимость;

- низкая водостойкость - коэффициент размягчения К_раз=0,35-0,36.

Другое изобретение, направленное на повышение прочности строительного гипса путем введения в его состав железосодержащего отхода производства, состоит из следующих компонентов, % по массе:

Полуводный гипс (β-CaSO₄·0,5H₂O) 63-66 Осадок сточных вод гальванического производства 1-5 Вода остальное

(авт. свид. №857044, МКИ C04B 11/00, опубликовано в 1981).

Его недостатками являются низкая водостойкость (К_раз=0,35-0,36) и низкая экологическая безопасность из-за тяжелых металлов, которые содержатся в отходах гальванического производства:

- низкая водостойкость (К_раз=0,35-0,36);

- большинство отходов гальванического производства содержат тяжелые металлы, что снижает экологическую безопасность.

Известны и другие изобретения на состав гипсового вяжущего, направленные на повышение водостойкости. Следующее (заявка Франции №2345407, МКИ 31/00; 11/00, опубликовано 25.11.1977) включает строительный гипс, гидрофобизирующую эмульсию на основе воска и битума, и добавку типа боратсодержащей или поливинилового спирта. Состав заявки США №4094694, НКИ 106-111 или МКИ 11/00, близкий к заявке Франции, содержит следующие компоненты: гипс, гидрофобизирующую эмульсию на основе битума и воска (в пересчете на сухой битум и воск ≥1,6% от массы сухого вяжущего), поливиниловый спирт (≥0,015 от массы сухого вяжущего) и боратсодержащее соединение.

Достоинством известных соединений является высокая водостойкость, однако имеются существенные недостатки:

- многокомпонентность вяжущего (пять ингредиентов с учетом строительного гипса);

- незначительное повышение прочности после высушивания при t=50°C к прочности через 2 часа после конца схватывания (2-5%). Последнее объясняется склонностью к размягчению битума и воска при нагревании;

- высокая стоимость компонентов, которая ведет к увеличению себестоимости;

- сложная технология изготовления гидрофобизирующей эмульсии вследствие предварительного разогрева битума и воска;

- в затвердевшем состоянии вяжущее имеет запах продукта нефтепереработки - битума, что ограничивает область его применения;

- вяжущее склонно к растрескиванию (особенно при сушке) вследствие запоздалого процесса вступления в реакцию боратсодержащих солей с образованием нерастворимого осадка гипса BaSO₄.

Например:

ВаСО₃+CaSO₄·0,5H₂O=BaSO₄+СаСО₃+0,5H₂O.

BaSO₄ продолжает образовываться в процессе твердения и после конца схватывания, причем с увеличением в объеме, что приводит к возникновению внутренних напряжений, приводящих к появлению трещин.

Наиболее близким по составу к предлагаемому вяжущему является изобретение, изложенное в авт. свид. СССР №1449554, МКИ C04B 11/00, опубликованном в 1989 г. В состав гипсового вяжущего вводится отход агломерации железной руды (шлам). Шлам образуется в процессе сплавления на агломерационной решетке гранул из молотой железной руды с известняком или известью. Часть разрушенных гранул в виде флюсованных высевок проходит через решетку и поступает в отвалы. Известный состав вяжущего содержит, % по массе:

Строительный гипс (β-CaSO₄·0,5H₂O) 40-60 Шлам аглодоменного производства 15-35 Вода остальное

Данное вяжущее имеет повышенную прочность при сжатии за счет армирования гипсового вяжущего железосодержащими микрочастицами (марка по прочности увеличивается с Г-3 до Г-4). Необходимо отметить и недостатки:

- низкая водостойкость - коэффициент размягчения К_раз=0,35-0,38;

- низкая трещиностойкость при затвердевании.

Задача изобретения - увеличить водостойкость, трещиностойкость при высушивании без снижения прочности через 2 часа.

Для реализации задачи наряду со строительным гипсом использовались железосодержащий отход доменного производства и гидрофобизирующая добавка. В качестве отхода доменного производства использовалась колошниковая пыль, а в качестве гидрофобизирующей добавки - отход производства ланолина, представляющий собой смесь природных шерстяных восков из молекулярных эфиров жирных кислот, натриевой соли высших кислот, кальцинированной соды и воды, причем последней в количестве 40-45% по массе на сухой остаток (воска, соды и мыла). Соотношение всех компонентов, % по массе:

Строительный гипс (β-CaSO₄·0,5H₂O) 94,5-98,5 Молотая колошниковая пыль 1-4 Отход производства ланолина 0,5-1,5

Характеристика компонентов, принятых для реализации задачи:

1. Строительный гипс (β-CaSO₄·0,5H₂O).

Марка - Г-3. Прочность при сжатии через 2 часа 3,6 МПа.

Сроки схватывания:

- начало 6-8 минут;

- конец 11-12 минут.

Нормальная густота - 0,48.

Отвечает требованиям ГОСТ 125-79.

Коэффициент размягчения 0,34.

2. Молотая колошниковая пыль ОАО «Тулачермет». Химический состав, % по массе:

SiO₂ - 11,76…12,5;

Al₂O₃ - 1,51…1,75;

CaO - 9,97…10,77;

MgO - 1,76…2,1;

Na₂O - 0,19…0,23;

K₂O - 0,13…0,23;

MnO - 0,065…0,101;

P₂O₅ - 0,12…0,14;

P - 0,08…0,084;

Fe - 1,63…1,7;

FeO - 9,81…10,3;

Fe₂O₃ - 41,08…43,29;

C - 18,53…19,4;

S - 0,3…0,47.

Всего железосодержащих, % по массе 52,62…55,29.

Минералогический состав, % по массе:

- анортит (CaAl₂SiO₂) - 5…8;

- магнетит (FeO·Fe₂O₃) - 10…12;

- фаялит (Fe₂SiO₃) - 2…4;

- окерманит (CaMgSi₂O₇) - 1…3;

- силикат кальция - 10…12;

- стеклофаза - 8…14;

- свободные (Fe₂O₃; FeO; Fe) - остальное.

Удельная поверхность 2500 см²/г.

Насыпная плотность 1700-1720 кг/м³.

3. Паста ОПЛ - отход производства ланолина парфюмерно-косметических фабрик.

В опытах принята паста «ОПЛ», разработанная Всероссийским научно-исследовательским институтом синтетических и натуральных душистых веществ и отвечающая требованиям ТУ-18-16-204-78.

Химический состав «ОПЛ», отвечающий требованиям ТУ, % по массе:

- неомыляемые вещества - не более 15 (14);

- жирные кислоты - не менее 20 (24);

- массовая доля твердого остатка (воска) - не менее 40 (44,5);

- кальцинированная сода Na₂CO₃ - 3…9 (8,5);

рН вытяжки из пасты - не менее 9 (9,2).

Примечание: в скобках указано фактическое содержание ингредиентов пасты «ОПЛ», принятой в опытах.

Цвет пасты от светло-желтого до светло-коричневого.

Паста имеет приятный запах туалетного мыла.

«ОПЛ» легко диспергирует в воде, образуя эмульсию. В опытах применялась водная эмульсия.

Опыты реализации задачи

Опыт №1

Дозировали по массе 2000 г полуводного гипса (98,5%) и молотую колошниковую пыль 16 г (0,8%), затем перемешивали до получения однородной массы для дальнейшего затворения. В воду затворения вводили 16 г пасты ОПЛ или в пересчете на сухое вещество (воск, сода, мыло) 8 г (0,4%). Смесь полуводного гипса и колошниковой пыли массой 2016 г затворяли эмульсией ОПЛ, необходимой для получения теста нормальной густоты. Расход воды с учетом введенной пасты составил 1124 г, а количество сухого вяжущего - 2024 г. Соответственно нормальная густота гипсового теста равна 55,5%. По отношению к принятому гипсу НГ увеличилась на 7,5%. Это можно объяснить незначительной степенью коагуляции гипсового теста под действием центров кристаллизации микрочастиц Калашниковой пыли и гидрофобизирующей эмульсии. Из полученного теста формовали в металлических формах образцы размером 40×40×160 мм. Через 20 минут после конца схватывания образцы извлекались из форм, а через 2 часа после начала затворения испытывались на прочность. Вторую партию образцов сушили до постоянной массы при t=50°C для последующего определения коэффициента размягчения.

Образцы осматривали визуально на наличие трещин на поверхности.

Данные испытаний приведены в таблице.

Опыты №2, №3, №4 и №5, соответствующие составам, приведенным в таблице 1, осуществляли аналогично опыту №1. Результаты испытаний приведены в таблице.

Опыт №6 (прототип).

Дозировали 1800 г полуводного гипса (45% по массе) и 1000 г сухого шлама (25% по массе) с последующим их смешением. В качестве шлама использовали шлам аглодоменного производства ОАО НПО «Тулачермет» с аналогичным химическим составом прототипа. Фракция шлама составляла 0,05-1,6 мм. Сухую смесь затворяли водой до нормальной густоты. Далее опыт проводили аналогично опыту №1. Результаты испытаний приведены в таблице.

Анализ результатов испытаний, приведенных в таблице, показывает:

1. Коэффициент размягчения по отношению к вяжущему прототипа увеличился на 24-34%, т.е. вяжущее обладает повышенной водостойкостью.

2. Прочность при сжатии через 2 часа не уменьшилась, наоборот, наблюдается прирост прочности по отношению к исходному гипсу с R_сж=3,6 МПа.

3. На поверхности образцов затвердевшего гипса (в сухом состоянии) не обнаружено трещин, т.е. вяжущее обладает трещиностойкостью при высушивании.

Физико-химическая сущность достижения задачи

В составе известного вяжущего (прототипа) и предлагаемого использовались железосодержащие отходы доменного производства: немолотые отходы (высевки) процесса агломерации, которые представляют собой мелкодисперсные частицы флюсованной руды (фр. 0,05-1,6) и отходы газоочистки - колошниковая пыль с удельной поверхностью до 2500 см²/г, преимущественно нефлюсованной руды.

Оба отхода отличаются по химическому составу (особенно по содержанию СаО). В отходах агломерации CaO+MgO содержится 38%, а содержание СаО в колошниковой пыли - 9,97-10,77%. Соответственно в колошниковой пыли содержится в три раза меньше минералов на основе СаО - геленита, анортита, окерманита и других, но гораздо больше содержится минералов, содержащих оксиды железа и другие железосодержащие соединения, что положительно сказывается на прочности. Это нивелирует отрицательное воздействие эмульсии ОПЛ на физико-механические свойства сухого вяжущего.

Физико-химическая сущность природы действия добавок на повышение водостойкости, трещиностойкости и стабильности прочности состоит в следующем:

1. Затворитель предлагаемого вяжущего (вода + эмульсия ОПЛ) имеет щелочную среду, так как в составе ОПЛ содержится каустическая сода, а затворителем вяжущего прототипа является вода с нейтральной средой. Из физической химии силикатов известно, что в реакцию гидратации минералы, содержащие в своем составе СаО, вступают гораздо активнее в щелочной среде, чем в нейтральной.

2. В предлагаемом составе вяжущего использован механохимический процесс повышающий скорость и эффект химических реакций, в том числе и гидратации минералов, содержащихся в колошниковой пыли. В составе вяжущего прототипа минералы с основой СаО практически не гидратируются, так как находятся внутри макрочастиц и молекулы воды к ним не проникают.

На основании всего вышеизложенного, добавка к гипсу тонкомолотой колошниковой пыли способствует не только увеличению прочности, выполняя роль армирующего материала, но и повышению водостойкости, несмотря на то что гидратирующихся материалов в колошниковой пыли меньше, чем в аглодоменном шламе.

Итак, щелочная среда затворения и механохимический процесс, принятые в составе предлагаемого вяжущего, способствуют повышению водостойкости.

3. Кроме того, в состав предлагаемого вяжущего вводится с пастой ОПЛ компонент воск, причем в растворенном состоянии. Микрочастицы воска адсорбируются микрочастицами гипса, образуя защитную оболочку от воды. Часть разбавленного воска тампонирует поры гипса. Образование гидрофобизирующих защитных пленок вокруг микрочастиц гипса способствует повышению водостойкости.

4. В составе вяжущего прототипа имеет место процесс запоздалого гашения пережженных микрочастиц свободной извести, и процесс гидратации минералов продолжается после конца схватывания гипса, что приводит к возникновению внутренних напряжений. Это происходит за счет увеличения в объеме продуктов гашения извести и гидратированных минералов. Внутренние напряжения приводят к возникновению волосяных трещин.

В составе предлагаемого вяжущего процессы гашения СаО и гидратации минералов идут своевременно и завершаются до конца схватывания вяжущего за счет щелочной среды и механохимического процесса. Поэтому внутренних напряжений и соответственно трещин не возникает.

Экономическая целесообразность разработанного вяжущего заключается в повышении его качества (водостойкости) и уменьшении отпускной цены в 1,5-2 раза по отношению к прототипу. Предлагаемый состав вяжущего по водостойкости не уступает гипсоцементнопуццолановому, поэтому расширяется область его применения. Данное вяжущее можно использовать для устройства полов под линолеум, стен санитарно-технических кабин, в качестве отделочных материалов и др.

Утилизация колошниковой пыли - отхода газоочистки, и пасты ОПЛ способствует охране окружающей среды.

Изобретение относится к составу гипсового вяжущего и может найти применение в промышленности строительных материалов. Технический результат - увеличение водостойкости и трещиностойкости вяжущего без снижения прочности. Вяжущее, включающее строительный гипс, железосодержащий отход доменного производства и гидрофобизирующую добавку, в качестве указанного железосодержащего отхода содержит колошниковую пыль, а в качестве гидрофобизирующей добавки - отход производства ланолина, представляющий собой смесь природных шерстяных восков из эфиров жирных кислот, кальцинированной соды и воды, в количестве 40-45% от массы на сухой остаток при следующем соотношении всех компонентов, мас.%: строительный гипс -β-CaSO₄·0,5H₂O 94,5-98,5, колошниковая пыль 1-4, указанный отход производства ланолина 0,5-1,5. 1 табл.

Вяжущее, включающее строительный гипс, железосодержащий отход доменного производства и гидрофобизирующую добавку, отличающееся тем, что в качестве железосодержащего отхода доменного производства используют колошниковую пыль, а в качестве гидрофобизирующей добавки - отход производства ланолина, представляющий собой смесь природных шерстяных восков из эфиров жирных кислот, кальцинированной соды и воды, причем в количестве 40-45% от массы на сухой остаток и при следующем соотношении всех компонентов, % от массы:
Строительный гипс -β-CaSO₄·0,5H₂O 94,5-98,5 Колошниковая пыль 1-4 Отход производства ланолина 0,5-1,5