Портландцемент с минеральными добавками Российский патент 2022 года по МПК C04B7/02 C04B7/153 C04B14/28 C04B103/32 C04B111/20 

Описание патента на изобретение RU2766258C1

Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для изготовления бетонных смесей и растворов, применяемых на предприятиях по производству сборного железобетона и бетоносмесительных узлах.

Известен состав портландцемента (см. RU 2496728 C1, C04B 7/52, C04B 7/52, опубл. 27.10.2013), содержащий портландцементный клинкер, двуводный гипс и добавку. В качестве добавки применяют натрий фтористый. В состав портландцемента входит, масс. %:

портландцементный клинкер 95,93–98,77 гипс двуводный 0,50–1,92 натрий фтористый остальное

Известна смесь портландцемента с минеральной добавкой (см. RU 2476391 C1, C04B 7/02, C04B 7/02, опубл. 27.02.2013). В качестве минеральной добавки применяют природный волластонит с размером частиц менее 40 мк при следующем соотношении компонентов, масс. %:

портландцемент 85–95 природный волластонит механоактивированный 10–15

Наиболее близким техническим решением является состав портландцемента (см. RU 2460699 C1, C04B 7/02, C04B 7/02, опубл. 10.09.2012)., содержащий следующие компоненты, масс. %:

необожженный доломит (НД) 5,0–15,0 доменный гранулированный шлак (ДГШ) 5,0–15,0 портландцементный клинкер (ПЦК) 75,0–77,5 двуводный гипс (ДГ) 2,5–5,0

Наиболее существенным недостатком известного состава портландцемента является применение необожженного молотого доломита, относящегося к классу карбонатов с химическим составом CaCO3·MgCO3, так как в этом случае он может содержать вредный оксид магния MgO, который вызывает неравномерность изменения объема. Кроме того, содержание оксида магния ограничивается не более 5 % в портландцементах любого типа, данная минеральная добавка не предусмотрена стандартом ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия», а также обладает повышенной водопотребностью в сравнении с молотым известняком (CaCO3).

Задачей предлагаемого изобретения является получение портландцемента с более низкой водопотребностью и повышенным пределом прочности на сжатие в ранние сроки твердения.

Сущность изобретения заключается в том, что портландцемент с минеральными добавками, включающий портландцементный клинкер, шлак ТЭС, порошок шамотно-каолиновый, известняк, двуводный гипс и химическую добавку в виде суперпластификатора С3, в следующем соотношении компонентов, масс. %:

портландцементный клинкер (ПЦК) 63–75 двуводный гипс (ДГ) 4,4–5,3 (в пересчете на SO3) шлак ТЭС 5–10 порошок шамотно-каолиновый (ПШК) 2,5–7,5 известняк (И) 13–14 химическая добавка - суперпластификатор С-3 0,1–0,2

Технический результат получаем за счет введения в состав портландцемента двух видов минеральных добавок (порошок шамотно-каолиновый и известняк), что позволяет в процессе гидратации образовывать карбоалюминаты кальция, которые в свою очередь повышают предел прочности на сжатие в ранние сроки твердения, а химическая добавка – (суперпластификатор С-3) снижает водопотребность портландцемента.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава были разработаны и испытаны несколько составов портландцемента с добавками, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1

Расход компонентов портландцемента с минеральными добавками

Расход материалов, % ПЦК ДГ Шлак ТЭС ПШК И Хим. добавка С-3 1 60–80 3,5–5,5 4–11 2,0–8,3 10–15 0,1–0,2 2 63–75 4,4–5,3 5–10 2,5–7,5 13–14 0,1–0,2 3 63–75 4,4–5,3 5–10 2,5–7,5 10–15 0,1–0,2 4 63–75 4,4–5,3 5–10 2,5–7,5 13–14 0,1–0,2 5 60–80 3,5–5,5 4–11 2,0–8,3 10–15 0,1–0,2

Характеристика исходных компонентов:

1. Вяжущее вещество: портландцемент, полученный совместным помолом в лабораторной шаровой мельнице клинкера и гипсового камня до удельной поверхности 320 м2/кг;

Химико-минералогический состав вяжущего вещества представлен в таблице 2.

Таблица 2

Химико-минералогический состав вяжущего вещества

Химический состав, % Минералогический
состав, %
MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SO3 ППП R2O C3S β-C2S C3A C4AF Цементный клинкер 1,22 23,69 4,06 5,06 64,61 0,48 0,66 0,22 58,61 25,15 6,3 9,94

Физико-механические свойства вяжущего вещества представлены в таблице 3.

Таблица 3

Физико-механические свойства вяжущего вещества

Наименование Удельная поверхность,
м2/кг
Нормальная густота, % Сроки схватывания, ч-мин Активность, МПа
начало конец Rиз Rсж ЦЕМ I 314 26,5 0-45 3-40 6,4 52,5

2. Химическая добавка: химический модификатор – суперпластификатор С-3 (ТУ 2481-001-51831493-00). Продукт на нафталинформальдегидной основе в виде водорастворимого порошка коричневого цвета или водного раствора темно-коричневого цвета, имеющего концентрацию не менее 32 %. Производитель – ТПО «Универсальные бетоны» (Россия, Ставропольский край, г. Лермонтов).

Согласно ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия» для цементов в качестве специальных и технологических добавок применяют органические или неорганические материалы. Количество органических добавок в сухом состоянии не должно превышать 0,2 % от массы цемента.

3. Минеральные добавки

- двуводный гипс (ДГ)

- шлак ТЭС;

- порошок шамотно-каолиновый (ПШК).

- известняк (И).

Для получения цемента с минеральными добавками применялись следующие минеральные добавки, которые представляют собой побочные продукты различных отраслей промышленности. Химический состав минеральных добавок представлен в таблице 4.

Таблица 4

Химический состав минеральных добавок

Содержание оксидов, % Наименование добавки ПШК Шлак ТЭС И SiO2 50,67 55,66 3,73 Al2O3 34,20 22,40 0,44 Fe2O3 1,13 15,00 0,63 TiO2 0,71 0,75 0,03 CaO 5,11 2,10 50,90 MgO 0,69 1,60 1,99 P2O5 0,03 0,07 0,40 K2O 0,32 2,26 0,14 Na2O 0,14 0,78 0,08 SO3 <0,1 <0,01 0,12 ППП 6,62 0,02 41,50

3.1 Химически чистый двуводный гипс состоит из 32,5 % CaO, 46,5 % SO2 и 21 % H2O. Двуводный гипс является мягким минералом, его твердость по шкале Мооса равна 2. Цвет минерала приближается к белому (в зависимости от вида, наличия и количества примесей может быть серым, желтовато-бурым). Поставщик – ООО «Минерал-Хорс», г. Воронеж.

3.2 В составе стеклофазы присутствует достаточно большое количество кристаллических соединений в виде минералов акерманита (d = 0,309; 0,287 нм), геленита (d = 0,285; 0,243; 0,219 нм), мервинита (d = 0,268; 0,265 нм) и других соединений. При этом общее содержание кристаллических фаз составляет 33,3 %.

Шлаки ТЭС образуются в условиях высоких температур в результате физико-химического взаимодействия компонентов исходных твердых материалов (топлива, руды и плавня) и газовой среды. В основном шлак ТЭС представлен стекловидной фазой, без каких-либо кристаллических включений.

3.3 Анализ порошка шамотно-каолинового поясняется чертежами, где на фиг. 1 – рентгенограмма пробы порошка шамотно-каолинового, фиг. 2 – ИК-спектры образца порошка шамотно-каолинового.

Рентгенофазовый анализ проб порошка шамотно-каолинового показал наличие значительного количества минерала каолинита в пробе, о чем свидетельствуют дифракционные отражения (d = 0,277; 0,256; 0,248; 0,233; 0,199; 0,189; 0,178; 0,166; 0,148 нм).

Отмечено наличие кристаллического β-кварца (d = 0,424; 0,357; 0,334; 0,245; 0,231; 0,212; 0,181; 0,154 нм) и небольшое количество α-кварца (d = 0,230; 0,220 нм). На дифрактограмме присутствуют также линии минерала трехкальциевого алюмината (d = 0,270; 0,220; 0,189 нм).

По данным инфракрасной спектроскопии в пробе ПШК отмечено присутствие значительного количества минерала каолинита, о чем свидетельствуют линии на спектрограмме в области 1115-1110, 1035, 1010 см-1 – валентные колебания связи Si – O (Si) и Si – O; 940 и 915 см-1 – деформационные колебания структурных гидроксильных минералов, связанных с катионами Al3+; 545 см-1 – смешанные деформационные Si – O и валентные Al – O(H) колебания; 470 и 430 см-1 – деформационные Si – O колебания; 3695-3700, 3665-3670, 3620-3625 см-1 – валентные колебания структурных гидроксильных групп.

Таким образом, с помощью рентгенофазового и ИК-спектрального анализов установлено, что порошок шамотно-каолиновый представлен такими кристаллическими фазами, как каолинит, β и α-кварц, а также минералом трехкальциевого алюмината. Логично предположить, что в составе ПШК должно присутствовать значительное количество рентгеноаморфного метакаолинита, образующегося при дегидратации исходного каолинита. Это значит, что метакаолинит и трехкальциевый алюминат будут определять гидравлическую активность порошка шамотно-каолинового. Значительного влияния на процессы гидратации портландцемента с добавкой ПШК следует ожидать и от минерала каолинита.

3.4. Известняк (И) представляет собой природный каменный материал бело-серо-желтого цвета. Месторождение – Правобережное. Оно расположено в Краснодарском крае, Лабинском районе, на правом берегу р. Малая Лаба, в 4 км к востоку от ж.-д. станции Шедок. Химический состав приведен в таблице 4.

Составы изготавливали следующим образом:

Для всех составов определялось значение нормальной густоты, после чего формовали образцы-призмы с размерами 4×4×16 см согласно ГОСТ 30744-2001 «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка». Полученные данные (таблица 5) свидетельствуют о том, что предел прочности на сжатие, определенный в возрасте двух суток нормального твердения на образцах-призмах, находится в пределах нормативных значений по ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия» для цементов и соответствуют классу по прочности не менее 42,5Б (прочность на сжатие, МПа, не менее 20 и 42,5 в возрасте 2 и 28 суток соответственно).

Значения предела прочности на сжатие для разработанного состава выше, чем у других аналогичных составов.

Таблица 5

Составы портландцемента

Состав портландцемента, % Предел прочности на сжатие в возрасте 2 суток твердения, МПа Нормальная густота цементного теста НГ, % ПЦК ДГ ДГШ Шлак ТЭС ПШК И НД С-3 1 60 5,5 - 11 8,3 15 - 0,2 12,1 25 2 63 5,3 - 10 7,5 14 - 0,2 21,2 23 3 70 5 - 8 5 11,9 - 0,1 8,1 26 4 75 4,4 - 5 2,5 13 - 0,1 20,8 23 5 78 5,9 - 4 2 10 - 0,1 13,8 24 RU 2460699 75,0 3,5 10 - - - 11,5 - 9,8 27

Выполнена разработка составов портландцемента с минеральными добавками на основе отходов промышленности. Определена область оптимальных значений в дозировках минеральных добавок, а также установлено, что введение порошка шамотно-каолинового в сочетании с молотым известняком оказывает значительное влияние на повышение предела прочности на сжатие цементного камня в ранние сроки твердения, а введение химического модификатора С-3 понижает водопотребность портландцемента.

Похожие патенты RU2766258C1

название год авторы номер документа
Высокопрочный порошково-активированный бетон 2020
  • Ерофеев Владимир Трофимович
  • Емельянов Денис Владимирович
  • Родин Александр Иванович
  • Фомичев Валерий Тарасович
  • Матвиевский Александр Анатольевич
  • Ерофеева Ирина Владимировна
  • Волков Александр Павлович
  • Богатов Андрей Дмитриевич
  • Казначеев Сергей Валерьевич
  • Аль Дулайми Салман Давуд Салман
  • Сальникова Анжелика Игоревна
RU2738150C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТА 2012
  • Куликов Борис Петрович
  • Николаев Михаил Дмитриевич
  • Соловьев Александр Владимирович
  • Моисеев Михаил Павлович
RU2497767C1
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЦЕМЕНТ 1996
  • Башлыков Николай Федорович[Ru]
  • Бабаев Шахверан Теймур[Ru]
  • Зубехин Сергей Алексеевич[Ru]
  • Сердюк Валерий Николаевич[Ru]
  • Фаликман Вячеслав Рувимович[Ru]
  • Юдович Борис Эммануилович[Ru]
  • Кадаваль-И-Фернандес Де Лесета Альфонсо-Карлос[Es]
  • Сулейменов-Гонсалес Нагмет[Es]
  • Хайме Морено[Us]
  • Клаудио Аугусто Эберхардт[Mx]
RU2096364C1
ГИБРИДНЫЙ ЦЕМЕНТ 2019
  • Смирнова Ольга Михайловна
  • Бажин Владимир Юрьевич
RU2716661C1
ЦЕМЕНТ НИЗКОЙ ВОДОПОТРЕБНОСТИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2008
  • Хозин Вадим Григорьевич
  • Хохряков Олег Викторович
RU2373163C1
ЦЕМЕНТ НИЗКОЙ ВОДОПОТРЕБНОСТИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2008
  • Хозин Вадим Григорьевич
  • Хохряков Олег Викторович
RU2379240C1
Высокопрочный бетон на основе композиционного вяжущего 2020
  • Ерофеев Владимир Трофимович
  • Емельянов Денис Владимирович
  • Родин Александр Иванович
  • Волков Александр Павлович
  • Матвиевский Александр Анатольевич
  • Фомичев Валерий Тарасович
  • Ерофеева Ирина Владимировна
  • Богатов Андрей Дмитриевич
  • Казначеев Сергей Валерьевич
  • Мохамад Али Саад Буши
  • Сальникова Анжелика Игоревна
RU2738151C1
Цемент низкой водопотребности и способ его получения 2017
  • Хозин Вадим Григорьевич
  • Хохряков Олег Викторович
  • Баишев Даниил Ильдарович
  • Кашапов Рамиль Раилевич
  • Обухова Вера Борисовна
  • Пестерников Геннадий Николаевич
  • Низамов Ренат Шамильевич
RU2656270C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЯЖУЩЕГО НИЗКОЙ ВОДОПОТРЕБНОСТИ 1992
  • Юдович Б.Э.
  • Тарнаруцкий Г.М.
  • Дмитриев А.М.
  • Хлусов В.Б.
  • Зубехин С.А.
  • Рубенчик В.Ю.
  • Литвин А.Я.
  • Хлудеев В.И.
  • Иванова В.В.
  • Бабаев Ш.Т.
  • Фаликман В.Р.
  • Башлыков Н.Ф.
RU2029749C1
Высокопрочный порошково-активированный бетон 2020
  • Ерофеев Владимир Трофимович
  • Фомичев Валерий Тарасович
  • Матвиевский Александр Анатольевич
  • Емельянов Денис Владимирович
  • Родин Александр Иванович
  • Карпушин Сергей Николаевич
  • Ерофеева Ирина Владимировна
  • Богатов Андрей Дмитриевич
  • Казначеев Сергей Валерьевич
  • Мохамад Али Саад Буши
  • Сальникова Анжелика Игоревна
RU2743909C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 766 258 C1

Реферат патента 2022 года Портландцемент с минеральными добавками

Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для изготовления бетонных смесей и растворов, применяемых на предприятиях по производству сборного железобетона и бетоносмесительных узлах. Техническим результатом является повышение предела прочности на сжатие в ранние сроки твердения за счет введения в состав портландцемента двух видов минеральных добавок (порошок шамотно-каолиновый и известняк) и снижение водопотребности портландцемента за счет введения химической добавки (суперпластификатора С-3). Сущность изобретения заключается в том, что портландцемент с минеральными добавками включает портландцементный клинкер, шлак ТЭС, порошок шамотно-каолиновый, известняк, двуводный гипс и химическую добавку в виде суперпластификатора С3, в следующем соотношении компонентов, масс. %: портландцементный клинкер (ПЦК) - 63–75; двуводный гипс (ДГ) - 4,4–5,3 (в пересчете на SO3); шлак ТЭС - 5–10; порошок шамотно-каолиновый (ПШК) – 2,5–7,5; известняк (И) – 13–14; химическая добавка - суперпластификатор С-3 – 0,1–0,2. 2 ил., 5 табл.

Формула изобретения RU 2 766 258 C1

Портландцемент с минеральными добавками, включающий портландцементный клинкер, шлак ТЭС, порошок шамотно-каолиновый, известняк, двуводный гипс и химическую добавку в виде суперпластификатора С3, в следующем соотношении компонентов, масс. %:

портландцементный клинкер (ПЦК) 63–75 двуводный гипс (ДГ) 4,4–5,3 (в пересчете на SO3) шлак ТЭС 5–10 порошок шамотно-каолиновый (ПШК) 2,5–7,5 известняк (И) 13–14 химическая добавка - суперпластификатор С-3 0,1–0,2

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2766258C1

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ 2010
  • Вольф Анна Владимировна
  • Козлова Валентина Кузьминична
  • Лихошерстов Андрей Алексеевич
  • Маноха Анастасия Михайловна
RU2460699C1
СN 10929326 A1, 01.02.2019
CN 109354423 A, 19.02.2019
JP 2020164409 A, 08.10.2020
ЕРМИЛОВА Е.Ю
Композиционные цементы с комплексными добавками термоактивированных полиминеральных глин и карбонатов, Автореферат на соискание уч
степени КТН, Казань, 2017, 20 с.

RU 2 766 258 C1

Авторы

Маилян Левон Рафаэлович

Стельмах Сергей Анатольевич

Щербань Евгений Михайлович

Халюшев Александр Каюмович

Холодняк Михаил Геннадиевич

Чернильник Андрей Александрович

Ельшаева Диана Михайловна

Даты

2022-02-10Публикация

2021-09-01Подача