СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ ОБРАТНОГО ШЛАМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК C04B40/00 C04B38/02 C04B28/04 C04B18/04 

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно - к технологии производства теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий из ячеистого бетона автоклавного твердения различного назначения.

Как наиболее несовершенный процесс с точки зрения снижения ресурсоемкости при производстве ячеистого бетона можно выделить процесс помола кремнеземистого компонента. Зачастую на современных линиях и технологиях данная операция производится энергоемким и металлоемким способом - помолом в шаровых мельницах. Стоимость молотого песка при этом растет как за счет расхода постоянно дорожающей электроэнергии, так и за счет износа мелющих тел и брони мельницы. Помимо этого, по мнению профессора П.Р. Таубе, насыщение ячеистого бетона автоклавного твердения железом, образующимся в результате помола (истирание мелющих тел составляет 3 кг на 1 т песка или 1 кг на 1 м³ готовой продукции) опасно с точки зрения долговечности изделий. (Вылегжанин В.П., Пинскнер В.А. Перспективы развития технологии производства автоклавного газобетона. Сб. докладов научно-практической конференции «Современный автоклавный газобетон». Санкт-Петербург, 2015. С. 14-15).

Также можно отметить резку ячеисто-бетонного сырца с образованием возвратных отходов - обратного шлама, который вводится в состав заливочной смеси. Однако максимально допустимый процент его использования как сырья, зачастую, не позволяет в полном объеме срабатывать возвратный отход без превышения норм. Завышенная доля влечет за собой заведомое снижение качества готовой продукции. (Рудченко Д.Г. О роли возвратного шлама в повышении качества ячеистых бетонов автоклавного твердения // Збiрник наук. праць НУВГтаП. Piвнe. Ресурсоекономнi матерiали, конструкцii будiвлi та споруди. 2011 №22. С. 137-145).

Уровень техники

Известен «Способ активации молотого кварцевого песка для производства ячеистых бетонов» (патент RU 2205811 С2 16.07.2001).

В данном техническом решении активация кварцевого песка основана на мокром способе за счет карбонатного шлама влажностью 75-85%, состоящего из: 40-52% СаCO₃+MgCO₃; 4-8% оксидов алюминия, железа и кварцевого песка; 30-35% органических веществ, включая ПАВ. Подача в количестве 3-6% от массы сухих компонентов (в пересчете на сухое вещество). Удельная поверхность карбонатного шлама 8000-10000 см²/г. Активация кварцевого песка производится в процессе его помола. Карбонатный шлам подается вместе с кварцевым песком в шаровую мельницу, где песок размалывается до необходимой удельной поверхности в присутствии 0,05-0,15% ПАВ. Полученную смесь влажностью 3-4% можно хранить продолжительное время без потери активности. Высокодисперсный, заряженный положительно (до +4 мВ) карбонатный шлам, адсорбируется на поверхности зерен кварца, заряженных отрицательно (до -4,4 мВ). Далее приготовляют ячеистобетонную смесь по обычной технологии. При этом надо отметить, что способ поризации и способ твердения роли не играет. Активированный кварцевый песок одинаково пригоден для производства как пенобетонов, так и газобетонов, как автоклавных, так и безавтоклавных.

Недостатком предложенного способа является невозможность соблюдать стабильный качественный состав карбонатных шламов. Являясь отходом, образующимся при известковании и коагуляции природных вод в системах химводоочистки на тепловых электростанциях, его состав зависит от состава самой обрабатываемой воды и режимов обработки. Также не изучено влияние большого количества органических веществ, находящихся в карбонатном шламе на свойства ячеистых бетонов. Примеси (например, ил), обладающие повышенным водопоглощением в процессе набора пластической прочности ячеистобетонной смеси, могут вызвать появление трещин на поверхности изделий.

Известен «Способ изготовления изделий из ячеистого бетона и способ приготовления сырьевой смеси для его осуществления» (патент RU 2253567 С2 04.06.2003).

В данном способе изготовления изделий из ячеистого бетона, включающем приготовление ячеистобетонной смеси, заливку смеси, выдержку, съем бортоснастки, резку, автоклавную обработку и распалубку, резку осуществляют в два этапа, причем на первом этапе при достижении смесью пластической прочности, равной А1, срезают «горбушку», а на втором при достижении пластической прочности, равной А2, осуществляют резку на блоки заданных размеров, при этом А2/А1=3,2-4,1. Помол песка осуществляют мокрым способом, для чего вводят воду в заданном количестве. Помол песка производят до удельной поверхности песка 2500-2800 см²/г. Плотность шлама в пределах 1,70-1,75 г/см³. Отходы бетона-сырца, образующиеся в результате срезки «горбушки» и разрезки вспученного массива, направляют для повторного использования после соответствующей их переработки в шламбассейне и смешения с песчаным шламом. В шламбассейне происходит корректировка шлама. Колебания плотности шлама не должны превышать ±0,05 кг/л.

Недостатком способа является двухстадийность резки с соблюдением временного интервала для набора пластической прочности от А1 до А2. При поточном производстве возникает необходимость организации вместо одной зоны выдержки и зоны резки двух зон выдержки и резки (было: «выдержка → резка», стало: «выдержка → резка → выдержка → резка»). Также в силу подачи отходов бетона-сырца на переработку в шламбассейне и смешения с песчаным шламом достигается низкая степень механоактивации. Предложенный способ не может являться помолом, так как конструктивная особенность известных в технологии ячеистых бетонов шламбассейнов обеспечивает только усреднение шламов и предотвращение седиментации.

Известна «Сырьевая смесь и способ ее получения для наноструктурированного автоклавного газобетона» (патент RU 2448929 С1 01.09.2010).

Предложенный способ заключается в получении известково-кремнеземистого вяжущего, последующего перемешивания в смесителе полученного известково-кремнеземистого вяжущего, гипса, тонкомолотого кремнеземсодержащего компонента и суспензии алюминиевой пасты или пудры. Получение известково-кремнеземистого вяжущего осуществляют путем совместного сухого помола негашеной извести и кварцевого песка до удельной поверхности 9000 см²/г. Подготовку тонкомолотого кремнеземсодержащего компонента осуществляют путем мокрого помола кварцевого песка с получением высококонцентрированной суспензии влажностью 12-20% и содержанием частиц менее 5 мкм 20-50%, и последующим разбавлением полученной суспензии водой до плотности 1,75-1,80 кг/л. Соотношение компонентов, мас. %: указанная суспензия (на сухое вещество) 62,5-72,5, указанное известково-кремнеземистое вяжущее, при соотношении компонентов, мас. %: негашеная известь 75-85 и кварцевый песок 15-25, 25-35, гипс 1,5-2,5, алюминиевая паста или пудра 0,05-0,1, вода до плотности 1,75-1,80 кг/л.

Недостатком предложенного способа является энергозатратность совместного сухого помола негашеной извести и кварцевого песка до требуемой тонины помола, а также необходимость длительного, стадийного и на повышенных температурах «условного» мокрого помола кварцевого песка при получении высококонцентрированной суспензии с заданной степенью дисперсности. Также использование тонкомолотого сырья повышает риск образования структурных дефектов в виде расслоение ячеисто-бетонной смеси.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является «Способ приготовления ячеистобетонной смеси», известный из патента RU 2245865 С2, опубликованного 10.02.2005, «включающий подготовку и перемешивание в смесителе портландцемента, извести, алюминиевой пудры, кремнеземистого компонента, отходов производства ячеистого бетона-сырца, отличающийся тем, что в качестве отходов производства ячеистого бетона-сырца используют щелочной обратный шлам, приготовленный из технологических отходов резки массива сырца и срезки "горбушки", которые смывают водой в емкость, где осуществляют постоянное перемешивание и диспергацию, затем указанный шлам подают в смеситель, где дозируют и перемешивают вместе с другими компонентами в следующей последовательности: в качестве кремнеземистого компонента - молотый кварцевый песок, указанный щелочной обратный шлам, портландцемент, известь, дополнительно гипс, алюминиевая пудра». Недостатком способа является высокий расход портландцемента и извести, длительное время вспучивания, высокая плотность получаемой продукции и низкая марка морозостойкости.

Техническая задача

Эффективным и актуальным направлением в развитии технологии производства ячеистого бетона автоклавного твердения, способствующим снижению перечисленных отрицательных факторов, может стать новый принцип ввода обратного шлама и помола кремнеземистого компонента.

Возвратный отход (обратный шлам), являясь продуктом гидратации вяжущих веществ, имеет высокую степень дисперсности. Удельная поверхность находится в пределах 6145-7670 см²/г и зависит от качества исходных компонентов, применяемой технологии изготовления (ударная или литьевая), состава сырьевой смеси и длительности времени взаимодействия. При этом средний размер частиц составляет от 2,9 до 3,9 мкм. Плотность обратного шлама может варьироваться в пределах 1,15-1,45 г/см³, а содержание активного СаО 14,5-20,2% (зависит от заданной начальной активности ячеисто-бетонной смеси);

Современная технология производства ячеистого бетона автоклавного твердения (ударная или литьевая) при калибровке массива-сырца на линии резки обеспечивает «выработку» порядка 17-20% «горбушки». При этом эффективным признано повторное использование только 15±2% возвратных отходов (в пересчете на сухое вещество от массы сухих компонентов смеси).

Технической задачей настоящего изобретения является:

- использование возвратных отходов более 15±2% без заведомого снижения качества ячеистого бетона автоклавного твердения;

- повышение эффективности работы помольного участка за счет: увеличения производительности без снижения качественных характеристик получаемого песчаного шлама; снижения расхода мелющих тел и электроэнергии с сохранением удельной поверхности кремнеземистого компонента; повышения степени дисперсности кремнеземистого компонента;

- снижение водотвердого отношения сырьевой смеси (сокращение количества используемой воды);

- экономия вяжущих (цемент, известь) без ухудшения технологических параметров производства и потери качества готовой продукции;

- улучшение структуры ячеисто-бетонной смеси за счет устранения таких дефектов как расслоения, нарушения однородности по высоте формирования, усадочные явления при «кипении»;

- освоение выпуска продукции пониженной плотности;

- повышение коэффициента конструктивного качества готовой продукции.

Техническое решение

Решением сформулированной технической задачи является способ применения обратного шлама для получения сырьевой смеси при производстве ячеистого бетона автоклавного твердения, включающий подачу обратного шлама в заливочную смесь в качестве компонента, отличающийся тем, что происходит разделение обратного шлама на две части, при этом первая часть обратного шлама, составляющая 15±2% (в пересчете на сухое вещество от массы сухих компонентов смеси) и имеющая плотность 1,40±0,05 г/см³, подается непосредственно в заливочную смесь, а вторая часть обратного шлама, составляющая 3-7% в пересчете на сухое вещество от массы сухих компонентов смеси и имеющая плотность 1,30±0,15 г/см³, поступает в шаровую мельницу для мокрого помола совместно с кварцевым песком и для получения таким образом модифицированного кремнеземистого компонента, который, в свою очередь, подается в заливочную смесь.

В процессе мокрого помола для регулирования технологических параметров, качества и свойств получаемого ячеистого бетона могут использоваться:

- гипсовый камень с содержанием CaSO₄×2H₂O 80-85% и размером фракции 0-50 мм. Количество подаваемого гипсового камня должно обеспечить содержание SO₃ в модифицированном кремнеземистом компоненте 1,0-3,0%;

- стирол-инденовая смола 1-4%;

- аддитив (твердые отходы ячеисто-бетонной смеси) размером ≤20 мм 3-5% от общей массы кварцевого песка.

Схема

Схема способа получения модифицированного кремнеземистого компонента и сырьевой смеси при производстве ячеистого бетона автоклавного твердения представлена на Фиг. 1.

При мокром помоле кремнеземистого компонента в шаровой мельнице в присутствии обратного шлама происходит механохимическая активация. Полученный модифицированный песчаный шлам перестает быть инертным компонентом и приобретает активную составляющую по СаО от 0,15 до 1,83%. Поэтому возможно уменьшить расход извести и/или цемента при приготовлении ячеисто-бетонной смеси на 3-10 кг/м³.

Кроме того, при помоле кварцевого песка в среде воды и возвратных отходов изменяется степень измельчения, а удельная поверхность получаемого шлама увеличивается на 3-45%. При этом повышение содержания мелкодисперсной фракции в общем объеме препятствует коагуляции системы, способствует снижению расслоения и увеличению седиментационной устойчивости.

Так как обратный шлам содержит продукты гидратации цемента и гашения извести, то модифицированный им кремнеземистый компонент приобретает большое количество положительно заряженных активных центров - «зародышей» образования гидросиликатной связки. Частицы твердой фазы начинают обладать более развитой морфологией поверхности.

Все вышеперечисленное способствует повышению реакционного взаимодействия кремнеземистого и вяжущего компонентов при приготовлении ячеисто-бетонной смеси и дальнейшей автоклавной обработки.

Использование модифицированного кремнеземистого компонента позволяет регулировать пластическую вязкость и предельное напряжение сдвига ячеистобетонной смеси на этапе формирования пористой структуры. Отмечено улучшение реологических свойств, выраженное в предотвращении образования структурных дефектов в результате усадочных явлений. Благодаря этому возможно снизить количество браковочной продукции на 0,7%.

На модифицированном кремнеземистом компоненте достигается образование прочной пространственной структуры за счет взаимодействия фаз и формирования дополнительных связей. Установлено среднее снижение толщины межпоровых перегородок и отсутствие на их поверхности микротрещин.

При использовании модифицированного кремнеземистого компонента наблюдается снижение разницы в плотности верхней и нижней части ячеистого бетона. Именно высокая седиментацонная устойчивость модифицированного песчаного шлама и стабильность показателей его вязкости обеспечивает седиментационную стойкость самой смеси и, как следствие, повышает однородность плотности по высоте формовки изделий.

Также отмечено повышение коэффициента конструктивного качества готовой продукции на 5,4-18,7%. Рост при применении модифицированного кремнеземистого компонента обусловлен увеличением прочности на сжатие. Вероятно, этому способствует повышение количества новообразований гидросиликатов на микроуровне в системе CaO/SiO₂ по реакции nCa(OH)₂+SiO₂+mH₂O=nCaO×SiO₂×mH₂O ввиду увеличения суммарной поверхности раздела фаз кварцевой и известковой составляющих. При этом благодаря повышению дисперсности возрастает растворимость этих компонентов, что приводит к ускоренному взаимодействию. Так же о полноте протекания процессов фазообразования свидетельствует уменьшение остаточной активности ячеистого бетона по СаО с 2,74% на кремнеземистом компоненте до 2,31% на модифицированном кремнеземистом компоненте. Объяснением этому может служит перераспределение системы с переизбытка известкового компонента (образование высокоосновных гидросиликатов кальция) к отсутствию свободной извести (образование низкоосновных гидросиликатов кальция).

Пример

На предприятии ООО ПК «Куби Блок Егорьевский» МО г. Егорьевск на технологической линии Vario-Block фирмы Masa была произведена промышленная апробация способа получения модифицированного кремнеземистого компонента с изготовлением опытной партии готовой продукции ячеистого бетона автоклавного твердения.

Обратный (возвратный) шлам, получаемый при калибровке массива-сырца (резки) плотностью D600 и имеющий характеристики: плотность 1,31 г/см³; удельная поверхность 6184 см²/г; средний размер частиц 3,9 мкм; содержание активного СаО 17,2% подавали в шаровую мельницу мокрого помола в количестве 4,25±0,25 м³/час. Технологические параметры мельницы фирмы Cemtec: диаметр 2,5 м; длина 8,0 м; загрузка шарами фракции 10-40 мм 25-27%; число оборотов 21 об/мин; производительность по сухому компоненту (кварцевый песок) 29 т/час.

В качестве кремнеземистого компонента использовался песок с карьера «Есино» МО г. Электросталь. Химический состав приведен в таблице 1, а качественные показатели в таблице 2.

В результате совместного помола обратного шлама и кварцевого песка с добавлением воды 5,5±0,5 т/час был получен модифицированной кремнеземистый компонент, имеющий характеристики: плотность 1,73 г/см³; удельная поверхность 2479 см²/г; содержание активного СаО 0,85%. На данном этапе было отмечено увеличение удельной поверхности полученного песчаного шлама по сравнению с базовым на 21% (шлам готовили под выпуск продукции плотностью D600 и по ударной технологии).

В качестве основных сырьевых компонентов применялись: цемент ЦЕМ II / А-И 42.5Н ГОСТ 31108-2020 ООО «Холсим (Рус) СМ» г. Коломна (показатели качества таблица 3); известь карбонатная негашеная 2 сорт ТУ 5744-001-00121270-2009 ООО «Придонхимстрой Известь» г. Россошь (показатели качества таблица 4) и газообразователь ПАП-2 ТУ 24.42.21-001-98948328-2017 ООО «СУАЛ-ПМ» г. Шелехов (показатели качества таблица 5).

В соответствии с утвержденным на предприятии технологическим регламентом был соблюден полный производственный цикл при изготовлении как рядовой продукции, так и продукции на модифицированном песчаном шламе.

Последовательность и время смешивания: свободная вода и шламовые массы 30 с; известь 15 с; цемент 40 с; алюминиевая суспензия 45 с.

Состав сырьевой смеси заводского D600 с В/Т 0,48, мас. %: известь 12,5; цемент 15,0; обратный шлам 16; кремнеземистый компонент 56,5; газообразователь 0,08.

Состав сырьевой смеси опытной партии D600 с В/Т 0,46, мас. %: известь 12,0; цемент 14,0; обратный шлам 14; модифицированный кремнеземистый компонент 60,0; газообразователь 0,08.

Технологические параметры: температура заливки 40,6-40,0°С; расплыв по Суттарду 23,0-23,5 см.; время воздействия на ударных столах 530 с; время кипения смеси 33 мин.; температура кипения 56,9-54,1°С; время созревания 140 мин.; пластическая прочность при резке 4,2-4,0 кг/см²; конечная температура на резке 80,2-78,9°С.

Режим автоклавной обработки: подъем 170 мин. до 11,35 бар.; выдержка 350 мин.; спуск 80 мин.

Результаты испытаний рядовой продукции и продукции на модифицированном кремнеземистом компоненте представлены в таблице 6.

Однородность ячеисто-бетонной смеси по слоям верхней и нижней частей отформованного изделия приведена в таблице 7.

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно к технологии производства теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий из ячеистого бетона автоклавного твердения различного назначения. Техническим результатом изобретения является новый принцип ввода обратного шлама и помола кремнеземистого компонента, за счет чего повышается эффективность работы помольного участка, снижается водотвердое отношение сырьевой смеси, улучшается структура ячеисто-бетонной смеси, происходит экономия вяжущих без ухудшения технологических параметров производства и потери качества готовой продукции. Способ применения обратного шлама для получения сырьевой смеси при производстве ячеистого бетона автоклавного твердения включает разделение обратного шлама на две части, при этом первая часть обратного шлама, составляющая 15±2% в пересчете на сухое вещество от массы сухих компонентов смеси и имеющая плотность 1,40±0,05 г/см³, подается непосредственно в заливочную смесь, а вторая часть обратного шлама, составляющая 3-7% в пересчете на сухое вещество от массы сухих компонентов смеси и имеющая плотность 1,30±0,15 г/см³, поступает в шаровую мельницу для мокрого помола совместно с кварцевым песком. Это обеспечивает получение модифицированного кремнеземистого компонента, который, в свою очередь, подается в заливочную смесь. 3 з.п. ф-лы, 1 пр., 7 табл., 1 ил.

1. Способ применения обратного шлама для получения сырьевой смеси при производстве ячеистого бетона автоклавного твердения, включающий подачу обратного шлама в заливочную смесь в качестве компонента, отличающийся тем, что происходит разделение обратного шлама на две части, при этом первая часть обратного шлама, составляющая 15 ± 2 % в пересчете на сухое вещество от массы сухих компонентов смеси и имеющая плотность 1,40 ± 0,05 г/см³, подается непосредственно в заливочную смесь, а вторая часть обратного шлама, составляющая 3-7 % в пересчете на сухое вещество от массы сухих компонентов смеси и имеющая плотность 1,30 ± 0,15 г/см³, поступает в шаровую мельницу для мокрого помола совместно с кварцевым песком для получения таким образом модифицированного кремнеземистого компонента, который, в свою очередь, подается в заливочную смесь.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для мокрого помола дополнительно используется гипсовый камень с содержанием CaSO₄⋅2H₂O 80 - 85 % и размером фракции 0-50 мм, при этом количество подаваемого гипсового камня должно обеспечить содержание SO₃ в модифицированном кремнеземистом компоненте 1,0-3,0 %.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для мокрого помола дополнительно используется стирольно-инденовая смола.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что для мокрого помола дополнительно используется аддитив в виде твердых отходов ячеисто-бетонной смеси размером меньшим или равным 20 мм.