СУХАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ СМЕСЬ Российский патент 2015 года по МПК C04B28/18 C04B28/04 

Область, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к сухим известково-кремнеземистым строительным смесям, с использованием попутно добываемых вскрышных пород горнодобывающей промышленности.

Уровень техники.

В строительстве применяются сухие строительные смеси с составом: цемент, песок, известь, кремнеземные наполнители, модифицирующие добавки.

Наиболее близким аналогом являются разработанные Пензенской государственной строительной академии сухие строительные смеси, имеющие в своем составе: кварцевый песок, портландцемент, тонкодисперсные наполнители на основе местных карбонатных и кремнеземистых пород, полимерные добавки (В.И. Калашников, B.C. Демьянова, Н.М. Дубошина. «Сухие строительные смеси на основе местных строительных материалов» (Пензенская архитектурно-строительная академия), «Строительные материалы» №5, 2000, стр. 30-32).

В известных строительных строительных смесях, в наполнителях на основе местных кремнеземистых породах содержание главного активного компонента - гидратированного диоксида кремния не является достаточным для возможности значительного уменьшения количества портландцемента в кладочных растворах или возможности не использовать портландцемент и модифицирующие добавки без потери качества в отделочных растворах. Породы не являются вскрышными, что также увеличивает себестоимость смесей. Не используются, не утилизируются известьсодержащие отходы.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении себестоимости производства сухих смесей за счет использования местной вскрышной породы - кремнеземистой опоки, уменьшения количества портландцемента в смесях или его исключения без потери качества, создания на основе опоки вяжущего, с возможностью расширенного применения в различных типах сухих смесей, а также возможности использования и утилизации вскрышной породы - кремнеземистой опоки, известьсодержащих отходов.

Технический результат заключается в использовании в составе вяжущего заявляемых сухих строительных смесей вскрышной породы - опоки Першинского месторождения кварцевого порфира Далматовского района Курганской области или аналогичной опоки с повышенным содержанием диоксида кремния, позволяющим снизить количество портландцемента или исключить его использование и комбинирование состава смеси в зависимости от применения, обеспечивающих необходимую прочность, а также возможности использования известьсодержащих отходов различных производств.

Технический результат обеспечивается следующей совокупностью признаков:

В сухой строительной смеси, включающей в себя песок, известь, портландцемент, наполнители на основе кремнеземистых и карбонатных пород, отличающейся тем, что включает в состав вяжущего опоку, являющуюся вскрышной породой Першинского месторождения кварцевого порфира Далматовского района Курганской области, или аналогичную опоку с содержанием гидратированного диоксида кремния не менее 70% и имеет следующее соотношение компонентов (масс.ч.): песок - 235-245, опока - 30-40, известь - 20-30, портландцемент марки М400 - 25-35 - для кладочных растворов с обеспечением прочности на сжатие соответственно марке М200; соотношение компонентов (масс.ч.): песок - 190-200, опока - 25-35, известь - 10-20, портландцемент марки М400 - 15-25 - для кладочных и отделочных растворов с обеспечением прочности на сжатие соответственно марке M150; состав для отделочных растворов: песок - 40%, известь - 30%, опока - 30% (портландцемент отсутствует) с обеспечением прочности на сжатие соответственно марке М75.

Кроме того: в ее составе могут быть использованы известьсодержащие отходы различных производств, а также могут быть включены пластификаторы или иные функциональные добавки, с возможностью расширения диапазона применения смесей и улучшения их качественных характеристик.

Осуществление изобретения

Задача, на которую направлено изобретение, - разработка сухих строительных смесей на основе местных строительных материалов, осуществление возможности значительного снизить использование портландцемента или полностью отказаться от него в отделочных, штукатурных смесях, а также отказаться от использования функциональных модифицирующих добавок.

На базе Курганского завода ЖБИ-2 была исследована опока Першинского месторождения кварцевого порфира Далматовского района Курганской области в качестве компонента вяжущего, совместно с известью - пушонка из г. Пермь (с содержанием CaO+MgO не менее 75%) и песка Просветского карьера г. Кургана, разработано оптимальное соотношение компонентов смесей.

В процессе исследования вариантов разрабатываемых смесей были произведены следующие виды испытаний:

- Определение подвижности растворной смеси;

- Определение плотности растворной смеси;

- Определение расслаиваемости растворной смеси;

- Определение водоудерживаемости растворной смеси;

- Определение предела прочности раствора на изгиб и сжатие;

- Определение средней плотности раствора;

- Определение прочности сцепления в каменной кладке.

Исследованная опока является вскрышной породой при добыче кварцевого порфира с мощностью слоя от 11,9 до 43,1 м. В настоящее время сбрасывается в отвалы, загрязняя окружающую природу.

Комплексный анализ опоки показал:

- насыпная плотность 0,705 т/м³ - дробимость в сухом состоянии 34,24% - отмучивание 25,7% - пористость 51,1% - дробимость в мокром состоянии 28,6% - морозостойкость 7 циклов - прочность на сжатие 1-3 МПа - интенсивность γ-излучения 2-16 мкР/ч - теплопроводность 0,157 Вт/м*°C

Основным компонентом опоки является гидратированный диоксид кремния SiO₂ в аморфном состоянии. Химический состав представлен следующими элементами:

Материал Содержание окислов в % по массе ппп SiO₂ FeO₂ Al₂O₃ CaO MgO TiO₂ Na₂O+K₂O SO₃ Σ общ. в т.ч. крист. опока 6,4 75,3 17,62 3,35 7,6 1,96 1,7 0,65 2,7 0,17 99

Активность опоки по отношению к окиси кальция составляет 500 мг СаО/г.

Минералогический состав представлен следующими компонентами:

- 20% - угловатые частицы, представлены кварцем с нормальными оптическими характеристиками, зерна прозрачные бесцветные,

- 70% - зерна тонкокристаллической структуры, окрашенные окислами Fe в желто-бурые тона, выполненные по данным рентгенофазового анализа бесструктурным кристаллобалитом и тонкодисперсным тридимитом;

- 1% - магнетит;

- 10% - угловатые частицы - плагиоклаз кислого состава.

Кроме того, в опоке присутствуют такие минералы, как полевой шпат, кварц - SiO₂, тридимит - SiO₂, кристобаллит - SiO₂, фрагментарность обусловлена наличием аморфной фазы.

Исходя из состава главным активным компонентом является аморфный гидратированный кремнезем SiO₂×H₂O. Появление новообразований в смеси песка, извести и опоки обязано этому компоненту. Для появления новообразований в вяжущих веществах обязательным фактором является растворение исходных компонентов, причем концентрация их в растворе должна быть выше, чем предельная растворимость новообразований. Растворимость аморфного диоксида кремния значительно выше кристаллических форм, представленных кварцем. Таким образом, образуется раствор с высоким содержанием аморфного гидратированного кремнезема и гидроокиси кальция, причем содержание SiO₂×H₂O в растворе значительно больше, чем Са(ОН)₂, что создает благоприятные условия для формирования низкоосновных гидросиликатов кальция.

Реакция твердения смеси на основе опоки извести проходит следующим образом:

xSiO₂×H₂O+yCa(OH)₂+zH₂O=nCaOmSiO₂kH₂O

Продукты твердения смеси опоки и извести, затворенных водой, аналогичны продуктам твердения цементного камня.

Содержание гидратированного диоксида кремния в опоке Першинского месторождения превышает 75%, что является высоким показателем для аналогичных опок. Активность опоки по отношению к окиси кальция составляет 500 мг CaO/г. В то время как обычный кварц проявляет активность к CaO порядка 125 мг CaO/г. Что в целом позволяет отнести опоку Першинского месторождения кварцевого порфира к эффективному компоненту строительной смеси.

Анализ результатов испытаний показал, что наилучшие результаты по прочности на сжатие, изгиб, сцеплению с жестким основанием показала композиция, имеющая следующий состав: 40% песка, 30% извести, 30% опоки. Это оптимальный состав, соответствующий требованиям для отделочных штукатурных растворов по ГОСТу 28013-98.

В разрабатываемых смесях применялась известь - пушонка из г. Пермь (с содержанием CaO+MgO не менее 75%) и кварцевый песок Просветского карьера г. Кургана, просеянный через сита, обеспечивающие фракции до 0,5 мм³. Также применялись известьсодержащие отходы, в частности, ферромагнитного производства Челябинского электромеханического завода, с содержанием CaO+MgO до 65%.

Водоудерживающая способность полученной растворной смеси - 95,4 (должна быть не менее 90%).

Расслаиваемость свежеприготовленной смеси - 6,36 (должна быть не более 10%).

Средняя плотность, D, затвердевшего раствора в проектном возрасте - 1719 кг/м³ (соответствует требованиям для тяжелых растворов - 1500 и более).

Прочность раствора на сжатие в проектном возрасте - 76,82 кгс/см², что соответствует марке М75.

Марка по подвижности для штукатурного раствора П_к2 (осадка конуса 7-8 см).

Прочность сцепления с жестким основанием 2,37 кгс/см².

Для применения в качестве кладочных растворов была разработаны смеси с добавлением портландцемента М400 со следующим соотношением компонентов (масс.ч.): песок - 235-245, опока - 30-40, известь - 20-30, портландцемент марки М400 - 25-35 - с прочностью на сжатие 250 кг/см², что соответствует марке М250; и с соотношением компонентов (масс.ч.): песок - 190-200, опока - 25-35, известь - 10-20, портландцемент марки М400 - 15-25 - для кладочных и отделочных растворов с прочностью на сжатие - 161 кг/см², что соответствует марке M150.

Полученные смеси могут применяться в грунтах с агрессивными грунтовыми водами, так как высокая активность опоки к окиси кальция в кладочных растворах позволяет избежать высолов.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что разрабатываемые сухие строительные смеси соответствуют необходимым требованиям и реализуются в качестве смесей для отделочных и кладочных растворов.

По данным расчета экономической эффективности производства заявляемых сухих строительных смесей с использованием местных материалов - стоимость сырьевых компонентов для производства смесей на 40% и более, при использовании известьсодержащих отходов, ниже завозимых.

Экологическая ценность изобретения состоит в использовании, утилизации вскрышной породы, являющейся побочной при добыче кварцевого порфира, а также в возможном использовании, утилизации известьсодержащих отходов различных производств.

Сухая строительная смесь, включающая в себя песок, известь, портландцемент, наполнители на основе кремнеземистых пород, содержит в составе вяжущего опоку, являющуюся вскрышной породой Першинского месторождения кварцевого порфира Далматовского района Курганской области, или аналогичную опоку с содержанием гидратированного диоксида кремния не менее 70% и имеет следующее соотношение компонентов (мас.ч.): песок - 240±5, опока - 35±5, известь - 25±5, портландцемент марки М400 - 30±5 - для кладочных растворов с обеспечением прочности на сжатие до 250 кг/см²; соотношение компонентов (мас.ч.): песок - 195±5, опока - 30±5, известь - 15±5, портландцемент марки М400 - 20±5 - для кладочных и отделочных растворов с обеспечением прочности на сжатие до 161 кг/см²; состав для отделочных растворов: песок - 40%, известь - 30%, опока - 30% (портландцемент отсутствует) с обеспечением прочности на сжатие до 77 кгс/см², в ее составе могут быть использованы известьсодержащие отходы различных производств, в ее состав могут быть включены пластификаторы или иные функциональные добавки, с возможностью расширения диапазона применения смеси и улучшения качественных характеристик. 2 з.п. ф-лы.

1. Сухая строительная смесь, включающая в себя песок, известь, портландцемент, наполнители на основе кремнеземистых пород, отличающаяся тем, что содержит в составе вяжущего опоку, являющуюся вскрышной породой Першинского месторождения кварцевого порфира Далматовского района Курганской области, или аналогичную опоку с содержанием гидратированного диоксида кремния не менее 70% и имеет следующее соотношение компонентов (мас.ч.): песок - 235-245, опока - 30-40, известь - 20-30, портландцемент марки М400 - 25-35 - для кладочных растворов с обеспечением прочности на сжатие соответственно марке М200; соотношение компонентов (мас.ч.): песок - 190-200, опока - 25-35, известь - 10-20, портландцемент марки М400 - 15-25 - для кладочных и отделочных растворов с обеспечением прочности на сжатие соответственно марке M150; состав для отделочных растворов: песок - 40%, известь - 30%, опока - 30% (портландцемент отсутствует) с обеспечением прочности на сжатие соответственно марке М75.

2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в ее составе могут быть использованы известьсодержащие отходы различных производств.

3. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в ее состав могут быть включены пластификаторы или иные функциональные добавки, с возможностью расширения диапазона применения смеси и улучшения качественных характеристик.