Композиционное вяжущее Российский патент 2018 года по МПК C04B7/19 C04B14/26 C04B22/08 C04B111/20 

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при производстве композиционного вяжущего.

Известна сырьевая смесь, содержащая, мас.%: портландцемент 8,5-13,5, бокситовый шлам 57,0-60,5, золу-унос 6,5-9,0, вода остальное, причем соотношение коэффициентов основности золы и шлама составляет 0,5-1,15, при коэффициенте основности шлама 1,16 (см. SU 1766866, 1992 г.).

Основным недостатком данной смеси являются низкие прочностные показатели, а также ограниченное применение кислых зол-уноса, что не позволяет решать в полном объеме экологические проблемы.

Известен золопортландцемент, содержащий, мас.%: кислую золу уноса ТЭЦ 30-40, бокситовый или нефелиновый шлам 20-30, комплексную добавку 3-5, портландцемент остальное, совместно размолотых до удельной поверхности 450-550 м²/кг (прототип) (см. RU № 2452703, МПК C04B 7/28, 2010г.).

Недостатком известного золопортландцемента является низкая прочность цементного камня, а также невозможность применять его для зимнего бетонирования.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является получение композиционного вяжущего, превосходящего портландцемент и золопортландцемент по строительно-техническим свойствам, экономичного с повышением активности.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении прочности цементного камня, возможности применять для зимнего бетонирования, а также получение продукции высокого качества на основе композиционного вяжущего со значительной заменой цемента отходами промышленного производства.

Поставленная задача решается тем, что композиционное вяжущее, включающее портландцемент и минеральную добавку, отличается тем, что в качестве минеральной добавки используют смесь доменного гранулированного шлака, карбонатной муки, карбоната калия и суперпластификатора при следующем соотношении, мас.%:

- портландцемент – 46-53;

- доменный гранулированный шлак – 32-40;

- карбонатная мука – 4 – 8;

- карбонат калия– 6,8-10,8;

- сухой суперпластификатор – 0,2,

при этом смесь подвергают механохимической активации с измельчением ингредиентов до удельной поверхности 510-560 м²/кг. При этом для механохимической активации используют вибрационную мельницу.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует об его соответствии критерию «новизна».

При этом совокупность отличительных признаков формулы изобретения позволяет получить экономичное композиционное вяжущее с достаточно высокими прочностными характеристиками.

Применение в составе в качестве минеральной добавки доменного гранулированного шлака позволяет снизить стоимость со значительной заменой цемента отходами промышленного производства.

Химический состав доменного гранулированного шлака приведен в табл. 1.

Таблица 1

Совместное влияние механической и химической активации (присутствие частиц карбонатной муки) способствует увеличению пуццолановой активности кислых шлаков. Это оказывает каталитическое действие на реакционную активность поверхности шлака в процессе механической обработки в вибрационной мельнице. Кроме того, введение карбонатной муки повышает щелочность бетона, что приводит к большему образованию продуктов гидратации цемента в единицу времени.

Химический состав карбонатной муки приведен в табл. 2

Таблица 2

Признак, указывающий, что «в качестве минеральной добавки используют … карбонат калия (углекислый калий, поташ)», позволяет применять композиционное вяжущее для бетонирования при отрицательных температурах.

Применение суперпластификатора позволяет снизить водопотребность бетонной смеси, что уменьшает количество усадочных трещин при твердении цементного камня.

При выборе суперпластификаторов, достижение наиболее высоких значений расплыва конуса было экспериментально выявлено на сырьевой смеси вяжущего с применением сухого поликарбоксилатного суперпластификатора, в котором активное вещество – полиакриловая кислота (например, PANTARHIT PC160).

Признак «…смесь подвергают механохимической активации с измельчением ингредиентов…» приводит не только к появлению дефектных кристаллов, но и аморфизации их поверхности, т.к. в процессе механоактивации компонентов при производстве композиционного вяжущего происходит разрушение как структуры, так и отдельно взятых кристаллов. Это предопределяет повышение активности компонентов вяжущего в целом и позволяет сократить расход клинкерной составляющей до 50%.

Признак, указывающий, что измельчение ингредиентов производят «до удельной поверхности 510-560 м²/кг», является оптимальным. Повышение S_уд сверх этих значений оказывает отрицательное влияние на структурообразование (см. табл. 4).

Признаки дополнительного пункта формулы изобретения уточняют вид мельницы, используемой для механохимической активации.

Технология получения вяжущего предлагаемого состава такова. Портландцемент, доменный гранулированный шлак, карбонатная мука, карбонат калия (углекислый калий, поташ) и сухой суперпластификатор в различных соотношениях совместно измельчают в вибрационной мельнице до удельной поверхности 510-560 м²/кг в течение 70 минут.

Для получения образцов для испытания смесь затворяют водой при водотвердом соотношении 0,3, тщательно перемешивают в течение 5 минут и готовят образцы-кубы с ребром 70 мм. Образцы хранят на воздухе в течение 3, 7 и 28 суток. Затем испытывают на сжатие.

Для выбора оптимального состава были приготовлены вяжущие, отличающиеся друг от друга содержанием составляющих компонентов. Составы и свойства композиционных вяжущих приведены в табл. 3.

Таблица 3

^*В примере № 1 (контрольный образец) измельчение компонентов не производилось. В примерах № 2-7 произведено измельчение до удельной поверхности S_уд=560 м²/кг.

В результате исследования удалось установить, что совместный помол портландцемента с суперпластификатором, доменным гранулированным шлаком, карбонатной мукой и карбонатом калия (углекислым калием, поташем) способствует интенсификации процессов гидратации при твердении и позволяет повысить активность композиционного вяжущего. Несмотря на пониженные значения нормальной густоты сырьевой смеси композиционного вяжущего при твердении происходит положительная динамика роста физико-механических показателей. Совместный помол компонентов приводит не только к увеличению конечной прочности при сжатии, но и к увеличению скорости набора прочности образцов на композиционном вяжущем.

Изменение прочности на сжатие (МПа) цементных образцов в зависимости от величины удельной поверхности композиционного вяжущего (состав по примеру 7, табл. 3) показано в табл. 4.

Таблица 4

Таким образом, предлагаемое композиционное вяжущее имеет следующие преимущества по сравнению с известным:

- увеличены прочностные показатели на 46 % по сравнению с прототипом и на 63 % по сравнению с контрольным образцом;

- использования в составе карбоната калия (углекислого калия, поташа) позволяет применять бетоны, приготовленные на данном композиционном вяжущем, для бетонирования при отрицательных температурах;

- отсутствуют автоклавная и тепловлажностная обработки, что приводит к снижению определенных технологических затрат при производстве предлагаемого вяжущего;

- снижена себестоимость за счет использования техногенных отходов (доменный гранулированный шлак);

- при этом замена до 50% цемента на отходы промышленного производства, способствует решению как экономических, так и экологических задач.

Изобретение может быть использовано в промышленности строительных материалов при производстве композиционного вяжущего, содержащего, мас.%: портландцемент 46-5, доменный гранулированный шлак 32-40, карбонатная мука 4-9, карбонат калия 6,8-10,8, сухой гиперпластификатор PANTARHIT PC160 0,2. Композиционное вяжущее получают путем совместного помола компонентов в вибрационной мельнице до удельной поверхности 510-560 м²/кг. Технический результат - возможность получения композиционного вяжущего со значительной заменой цемента отходами промышленного производства, экономичного и превосходящего портландцемент по строительно-техническим свойствам, повышение активности. 4 табл.

1. Композиционное вяжущее, включающее портландцемент и минеральную добавку, отличающееся тем, что в качестве минеральной добавки используют смесь доменного гранулированного шлака, карбонатной муки, карбоната калия и суперпластификатора при следующем соотношении, мас. %:

- портландцемент - 46-53;

- доменный гранулированный шлак - 32-40;

- карбонатная мука - 4-8;

- карбонат калия - 6,8-10,8;

- сухой суперпластификатор PANTARHIT РС160 - 0,2,

при этом все компоненты композиционного вяжущего подвергают механохимической активации с измельчением ингредиентов до удельной поверхности 510-560 м²/кг.

2. Композиционное вяжущее по п. 1, отличающееся тем, что для механохимической активации используют вибрационную мельницу.