КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖАРОСТОЙКИХ БЕТОНОВ Российский патент 2015 года по МПК C04B28/34 

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к производству жаростойких бетонов (композитов) на основе химических связующих. К химическим связующим, применяемым в жаростойких бетонах (композитах), относятся жидкое стекло, силикат-глыба (прозрачный стекловидный сплав щелочных силикатов - полуфабрикат жидкого стекла) и фосфатные связки.

Известны композиции для получения пористых заполнителей (для бетонов) на основе химических связующих следующего состава, мас.%: жидкое стекло - 45-65; хлорид натрия - 5-15; отход горно-обогатительной фабрики при обогащении угля - 15-20; межсланцевая глина, образующаяся при добыче горючих сланцев - 15-20 (пат. Российской Федерации №2440312, МПК C04B 14/24. Композиция для производства пористого заполнителя. /Абдрахимова Е.С., Рощупкина И.Ю., Абдрахимов В.З., Куликов В.А.; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева. №2010122114, заявл. 31.05.2010, опубл. 20.01.2012. Бюл. №2/ [1].

Недостатком указанного состава композиции является относительно низкая прочность 2,65-2,75 МПа.

Наиболее близкой к изобретению является композиция для получения жаростойких композитов, включающая следующие компоненты, мас.%: глиноземсодержащий шлам - 10,5-10,53 (220 кг/м³); отработанный катализатор ИМ-2201 - 10,5-10,53 (220 кг/м³); щебень - 35,88-35,89 (750 кг/м³); песок - 30,62-30,63 (640 кг/м³); H₃PO₄ - 12,44-12,45 (260 кг/м³) / Хлыстов А.И. Повышение эффективности жаростойких композитов за счет применения химических связующих / А.И. Хлыстов, С.В. Соколова, А.В. Власов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2012. - №9. - С.38-42/ [2].

Недостатком указанного состава композиции является относительно низкий предел прочности при сжатии после твердения и нагревания до температуры 1200°C и низкая термостойкость.

Сущность изобретения - повышение качества жаростойкого бетона.

Техническим результатом изобретения является повышение предела прочности при сжатии и термостойкости жаростойкого бетона.

Указанный технический результат достигается тем, что в известную композицию, включающую щебень из карбонатных пород фракций 5-10 мм, песок речной с модулем крупности 1,68 и H₃PO₄, в которой массовая доля ортофосфорной кислоты не менее 85%, дополнительно вводят отработанный катализатор ИМ-2201, содержащий оксиды, мас.%: SiO₂ - 7,90; Al₂O₃ - 74,5; Fe₂O₃ - 0,15; MgO - 0,10; Cr₂O₃ - 14,8; R₂O - 1,57, алюмосодержащий шлам щелочного травления алюминия, содержащий 80% частицы размером менее 20 мкм и оксиды, мас.%: SiO₂ - 2,5; Al₂O₃ - 45,2; Fe₂O₃ - 1,4; CaO - 1,2; MgO - 5,2; R₂O - 9,8; п.п.п. - 34,7, и кальцийсодержащий шлам обработки алюминия карбонатным шламом, образующимся после умягчения воды, содержащий 80% частицы размером менее 20 мкм и оксиды, мас.%: SiO₂ - 8,1; Al₂O₃ - 14,2; Fe₂O₃ - 0,7; CaO - 27,4; MgO - 8,1; R₂O - 1,4; п.п.п. - 39,1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

отработанный катализатор ИМ-2201 10-13 щебень из карбонатных пород фракций 5-10 мм 25-30 песок речной с модулем крупности 1,68 22-30 H₃PO₄ 10-12 алюмосодержащий шлам щелочного травления алюминия 10-13 кальцийсодержащий шлам обработки алюминия   карбонатным шламом, образующимся после умягчения воды 10-15

На Самарском металлургическом комбинате образуются два вида шламов: один образуется в результате травления алюминиевой ленты щелочью NaOH, а второй обработки алюминиевой ленты карбонатным шламом, образующимся после умягчения воды.

Шламы представляют собой высокодисперсные гомогенные смеси. Удельная поверхность их составляет (10-12)·10³ см²/г, 80% их состава приходится на частицы размером менее 20 мкм, также присутствуют частицы с более тонкой дисперсией - 20-80 нм. Такая тонкость компонентов является особо ценным свойством шламовых отходов, так как обеспечивает повышенную гомогенизацию фосфатных связок в процессе их синтезирования. Огнеупорные изделия на базе синтезированных фосфатных связок возможно применять практически в любых элементах футеровки: в виде торкрет - масс, штучных блоков, различных обмазок как связующих в элементах кладки. Рабочая температура таких огнеупоров в зависимости от состава варьируется от 1600 до 1700°C, химический состав используемых отходов производств приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Химические составы отходов производств

Отход Содержание оксидов, мас.%: SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO Cr₂O₃ R₂O п.п.п. 1. Алюмосодержащий шлам щелочного травления алюминия 2,5 45,2 1,4 1,2 5,2 - 9,8 34,7 2. Кальцийсодержащий шлам обработки алюминия карбонатным шламом, образующимся после умягчения воды 8,1 14,2 0,7 27,4 8,1 - 1,4 39,1 3. Отработанный катализатор ИМ-2201 7,90 74,5 0,15 - 0,10 14,8 1,57 -

Для изготовления жаростойких бетонов (композитов) использовались:

а) щебень, отвечающий требованиям ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия» М 600, 800, 1000, со средней плотностью зерен от 2,0 до 2,5 кг/м³ из карбонатных пород, добываемый в Самарской области, фракции 5-10 мм;

б) песок, отвечающий требованиям ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия». Песок речной, добываемый в Самарской области, имел следующие показатели: средняя плотность в сухом состоянии - 1,5 кг/м³; содержание илистых, пылевидных и глинистых частиц - не более 0,7% по массе; истинная плотность песка речного - 2,65 г/см³; наличие суглинка, комков глины и прочих засоряющих примесей - не более 0,05%; модуль крупности - 1,68.

В предлагаемых составах максимальное содержание данных природных инертных материалов (песок и щебень) не превышает 60% (таблица 2).

Таблица 2 - Составы для получения жаростойких бетонов

Компоненты Содержание компонентов, мас.%: 1 2 3 1. Отработанный катализатор ИМ-2201, содержащий оксиды, мас.%: SiO₂-7,90; Al₂O₃-74,5; Fe₂O₃-0,15; MgO-0,10; Cr₂O₃-14,8; R₂O-1,57 (отход производства)-
ТУ 38.103544-89 10 12 13 2. Щебень, получаемый из карбонатных пород, М800, фракция 5-10 мм, плотность 2,2 кг/м³ 30 27 25 3. Песок речной, средняя плотность в сухом состоянии - 1,5 кг/м³; модуль крупности - 1,68 30 25 22 4. Ортофосфорная кислота H₃PO₄ в чистом виде по ГОСТ 6552-80, норма - чистый (ч). Массовая доля ортофосфорной кислоты - не менее 85%, плотность - не менее 1,69 г/см³ 10 11 12 5. Алюмосодержащий шлам щелочного травления алюминия, содержащий 80% частицы размером менее 20 мкм и оксиды, мас.%: SiO₂-2,5; Al₂O₃-45,2; Fe₂O₃-1,4; CaO-1,2; MgO-5,2; R₂O-9,8; п.п.п.-34,7. Удельная поверхность - 10-12·10³ см²/г. 10 12 13 6. Кальцийсодержащий шлам обработки алюминия карбонатным шламом, образующимся после умягчения воды, содержащий 80% частицы размером менее 20 мкм и оксиды, мас.%: SiO₂-8,1; Al₂O₃-14,2; Fe₂O₃-0,7; CaO-27,4; MgO-8,1; R₂O-1,4; п.п.п.-39,1. Удельная поверхность - 10-12·10³ см²/г. 10 13 15

Для изготовления жаростойких бетонов использовалась в качестве связующего ортофосфорная кислота H₃PO₄ в чистом виде по ГОСТ 6552-80, норма - чистый (ч.) ОКП 26 1213 0021 10. Массовая доля ортофосфорной кислоты (H₃PO₄) не менее 85%, плотность не менее 1,69 г/см³.

В предложенных составах, как и в прототипе, использовался отработанный катализатор ИМ-2201 (отходы производства), отвечающий требованиям - ТУ 38.103544-89. Химический состав катализатора представлен в таблице 1.

Согласно ТУ 38.103544-89 отработанный катализатор ИМ-2201 должен иметь следующие показатели: внешний вид порошка - серо-зеленого цвета, насыпная плотность 1,0-1,5 г/см³; массовая доля Al₂O₃ не менее 70%.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Технологический процесс производства бесцементных жаростойких бетонов и изготовления изделий и конструкций из них включает в себя приготовление формовочной массы, формование изделий и термообработку.

Следует отметить, что для своего затвердения и набора марочной прочности жаростойкие бетоны требуют особой термообработки.

Для бетонов на ортофосфорной кислоте с компонентами, представленными в таблице 2, - нагревание до 500°C с подъемом температуры до 200°C со скоростью 60°C/ч и до 500°C - 150°C/ч, выдерживание в течение 4 часов, охлаждение вместе с печью.

В таблице 3 представлены физико-механические показатели жаростойких бетонов.

Таблица 3. Физико-механические показатели жаростойкого бетона после твердения и нагревания до температуры 1200^оС.

Показатели Составы Прототип 1 2 3 Термостойкость, теплосмены 40 45 51 29 Механическая прочность на сжатие, МПа 57,1 59,3 61,3 46

Как видно из таблицы 3, жаростойкий бетон из предложенных составов имеет более высокие показатели по механической прочности и термостойкости, чем прототип.

Полученное техническое решение при использовании алюмосодержащего шлама щелочного травления алюминия и кальцийсодержащего шлама обработки алюминия карбонатным шламом, образующимся после умягчения воды, позволяет значительно повысить показатели по механической прочности и термостойкости жаростойкого бетона.

Использование техногенного сырья при получении жаростойкого бетона способствует утилизации промышленных отходов, охране окружающей среды и расширению сырьевой базы для строительных материалов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Пат. Российской Федерации №2440312, МПК C04B 14/24. Композиция для производства пористого заполнителя. / Абдрахимова Е.С., Рощупкина И.Ю., Абдрахимов В.З., Куликов В.А.; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева. - №2010122114. Заявл. 31.05.2010, опубл. 20.01.2012. Бюл. №2.

2. Хлыстов А.И. Повышение эффективности жаростойких композитов за счет применения химических связующих / А.И. Хлыстов, С.В. Соколова, А.В. Власов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2012. - №9. - С.38-42.

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к производству жаростойких бетонов (композитов) на основе химических связующих. Композиция для изготовления жаростойких бетонов содержит, мас.%: щебень из карбонатных пород фракций 5-10 мм 25-30, песок речной с модулем крупности 1,68 22-30, H₃PO₄, в которой массовая доля ортофосфорной кислоты не менее 85%, 10 - 12, отработанный катализатор ИМ-2201, содержащий оксиды, мас.%: SiO₂ - 7,90; Al₂O₃ - 74,5; Fe₂O₃ - 0,15; MgO - 0,10; Cr₂O₃ - 14,8; R₂O - 1,57, 10-13, алюмосодержащий шлам щелочного травления алюминия, содержащий 80% частиц размером менее 20 мкм и оксиды, мас.%: SiO₂ - 2,5; Al₂O₃ - 45,2; Fe₂O₃ - 1,4; CaO - 1,2; MgO - 5,2; R₂O - 9,8; п.п.п. - 34,7, 10-13, кальцийсодержащий шлам обработки алюминия карбонатным шламом, образующимся после умягчения воды, содержащий 80% частиц размером менее 20 мкм и оксиды, мас.%: SiO₂ - 8,1; Al₂O₃ - 14,2; Fe₂O₃ - 0,7; CaO - 27,4; MgO - 8,1; R₂O - 1,4; п.п.п. - 39,1, 10-15. Технический результат - повышение предела прочности при сжатии и термостойкости жаростойких бетонов, утилизация промышленных отходов. 3 табл.

Композиция для изготовления жаростойких бетонов, включающая щебень из карбонатных пород фракций 5-10 мм, песок речной с модулем крупности 1,68 и H₃PO₄, в которой массовая доля ортофосфорной кислоты не менее 85%, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит отработанный катализатор ИМ-2201, содержащий оксиды, мас.%: SiO₂ - 7,90; Al₂O₃ - 74,5; Fe₂O₃ - 0,15; MgO - 0,10; Cr₂O₃ - 14,8; R₂O - 1,57, алюмосодержащий шлам щелочного травления алюминия, содержащий 80% частиц размером менее 20 мкм и оксиды, мас.%: SiO₂ - 2,5; Al₂O₃ - 45,2; Fe₂O₃ - 1,4; CaO - 1,2; MgO - 5,2; R₂O - 9,8; п.п.п. - 34,7, и кальцийсодержащий шлам обработки алюминия карбонатным шламом, образующимся после умягчения воды, содержащий 80% частиц размером менее 20 мкм и оксиды, мас.%: SiO₂ - 8,1; Al₂O₃ - 14,2; Fe₂O₃ - 0,7; CaO - 27,4; MgO - 8,1; R₂O - 1,4; п.п.п. - 39,1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
отработанный катализатор ИМ-2201 10-13 щебень из карбонатных пород фракций 5-10 мм 25-30 песок речной с модулем крупности 1,68 22-30 H₃PO₄ 10-12 алюмосодержащий шлам щелочного травления алюминия 10-13 кальцийсодержащий шлам обработки алюминия   карбонатным шламом, образующимся после умягчения воды 10-15