ГЕОПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИТ Российский патент 2023 года по МПК C04B18/12 C04B28/24 

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к производству облицовочного материала в виде строительного кирпича, позволяет эффективно утилизировать большие объемы отходов, как железорудных, так и золошлаковых отходов, с последующим использованием для получения полезной продукции.

Известна геополимерная вяжущая система для жаростойких бетонов (патент № 2664723, опубл. 22.08.2018) содержащая по меньшей мере, один тонкодисперсный аморфный алюмосиликат, где данный тонкодисперсный алюмосиликат находится в виде метакаолина, отожженной глины, кирпичной муки, каменноугольной летучей золы, доменного шлака; муку известково-песчаного камня и/или аморфный кремнезем, причем в качестве активатора содержится комбинация из, по меньшей мере, двух магниевых компонентов (Mg-компоненты), которые реагируют с водой по щелочному механизму, и при этом по-разному во времени реагируют с вяжущим с образованием геополимера, причем магниевые компоненты проявляют разную химическую активность по отношению к влаге воздуха и по отношению к вяжущему.

Недостатком данной смеси является недостаточные показатели прочности для производства облицовочного материала.

Известно водозатворяемое геополимерное композиционное вяжущее (патент № 2780901, опубл 10.04.2022), содержащее в качестве алюмосиликатного компонента термоактивированную полиминеральную монтмориллонит-каолинитовую глину, в качестве минеральных наполнителей доломит и термоактивированный известняк, а в качестве щелочного активатора пятиводный метасиликат натрия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: термоактивированная монтмориллонит-каолинитовая глина - 25,6-35,7; термоактивированный известняк - 25,6-35,7; доломит - 14-34,2; пятиводный метасиликат натрия Na₂SiO₃ 5H₂O - 14,6.

Недостатком данного состава является необходимость в термической активации компонентов смеси при высоких температурах для получения исходного сырья.

Известны геополимерные агрегаты (патент № 2701954, опубл. 17.12.2015), включающие: пористые агрегаты, содержащие алюмосиликатные наночастицы, при этом: средний размер алюмосиликатных наночастиц составляет от примерно 5 нм до примерно 60 нм, большая часть пористых агрегатов характеризуется размером от примерно 50 нм до примерно 1 мкм, и большая часть пор между алюмосиликатными наночастицами в пористых агрегатах характеризуется шириной пор от примерно 2 нм до примерно 100 нм, при этом пористые агрегаты содержат до примерно 0,5% вес. сопряженных анионов кислот, включая сульфаты, нитраты, хлориды и ацетаты.

Недостатком данного продукта является необходимость дополнительной масштабной подготовки по измельчению/получению отходов мелкой фракции, необходимой для данного состава.

Известны геополимерные композиционные связующие с заданными характеристиками для цемента и бетона (патент № 2517729, опубл. 27.05.2014) содержащий: (i) по меньшей мере одну летучую золу, содержащую оксид кальция в количестве меньшем или равном 15 вес.%; (ii) по меньшей мере один ускоритель гелеобразования; и (iii) по меньшей мере один ускоритель твердения, имеющий состав, отличный от состава указанной по меньшей мере одной летучей золы.

Недостатком данного состава является использование дополнительных компонентов в виде ускорителей твердения, в составе которых могут использоваться вещества, обладающие высокой токсичностью.

Известен геополимерный композит для бетона ультравысокого качества (патент № 2599742, опубл 10.10.2016) содержащий: связующее вещество, содержащее, по меньшей мере, один химически активный алюмосиликат и, по меньшей мере, один химически активный щелочноземельный алюмосиликат; щелочную активирующую присадку, содержащую водный раствор: по меньшей мере, одного вещества из гидроокиси натрия и гидроокиси калия, и по меньшей мере, одного вещества из кремнеземного дыма, стекла из силиката натрия, стекла из силиката калия, раствора силиката натрия и раствора силиката калия; и один или более заполнителей.

Недостатком данной смеси является использование в составе материала водных растворов, которые негативно влияют на прочностные характеристики конечного продукта.

Известен способ получения геополимера с регулируемой пористостью (патент № 2503617, опубл. 23.04.2009), взятый за прототип, содержащий стадию растворения/поликонденсации алюмосиликатного сырья в активирующем растворе, который при необходимости может содержать силикатные компоненты, и содержит следующие последовательные этапы, на которых: задают характеристику общей пористости получаемого геополимера; определяют значение, по меньшей мере, для одного параметра, выбранного из группы, в которую входят общее количество воды и гранулометрический состав необязательных силикатных компонентов, которое позволяет получить указанную характеристику общей пористости; выбирают указанное предварительно определенное значение.

Недостатком данного состава является использование сильнощелочных активаторов, которые могут осложнить процесс производства готовых изделий.

Техническим результатом является создание состава с высокими прочностными свойствами и утилизацией отходов производства.

Технический результат достигается тем, что дополнительно вводят золу сжигания твердого топлива, а в качестве алюмосиликатного компонента используют отходы обогащения железной руды, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

отходы обогащения железной руды 54,55 - 54,84, зола сжигания твердого топлива 18,18 - 17,58, раствор силиката натрия 27,27 - 27,58.

Заявляемый геополимерный композит включает в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие:

- отходы обогащения железной руды 48,35 - 47,81 %, код ФККО 22130000000;

- зола сжигания твердого топлива 16,12-16,38 %, код ФККО 61100000000;

- силикат натрия 27,27 - 27,58 % в виде раствора, выпускаемый по ГОСТ 13078-81.

Отходы обогащения железной руды - основной компонент геополимерного композита, который накапливается в хвостохранилищах обогатительных комбинатов. Химический состав данного отхода определялся методом рентенофлуоресцентной спектроскопии и представлен в таблице 1:

Таблица 1 – Химический состав отходов обогащения железной руды Вещество Масс. % SiO₂ 71,4 Fe₂O₃ 18,0 MgO 4,17 CaO 3,38 Al₂O₃ 2,03 K₂O 0,74 Na₂O 0,62 P₂O₅ 0,206 MnO 0,092 TiO₂ 0,055

Применение отходов обогащения железной руды увеличивает прочность конечного продукта.

Зола сжигания твердого топлива – дополнительный компонент в составе геополимерного композита. Химический состав данного отхода также определялся методом рентенофлуоресцентной спектроскопии и представлен в таблице 2:

Таблица 2 – Химический состав золы сжигания твердого топлива Вещество Масс. % SiO₂ 41,8 Fe₂O₃ 8,3 MgO 4,8 CaO 12,0 Al₂O₃ 11,0 K₂O 1,3 Na₂O 0,9 P₂O₅ 0,5 MnO 0,1 TiO₂ 0,7 SO₃ 2,0 С 14,5 Н 1,7 N 0,4

Применение золы сжигания твердого топлива служит для увеличения прочностных характеристик за счет находящихся в его составе алюмосиликатных соединений.

Применение силиката натрия, в виде раствора, является достаточным, чтобы стать щелочным активатором и обладать необходимыми свойствами для протекания реакции геополимеризации.

Получение геополимерного композита с устойчивыми характеристиками заключается в следующем:

Размер частиц золы от сжигания твердого топлива и отходов обогащения железной руды не должен превышать 200 мкм для наиболее полного протекания реакции геополимеризации. Для этого, предварительно высушенные до воздушно-сухого состояния образцы, измельчались с помощью лабораторной роторной мельницы до необходимого размера зерен.

В различных пропорциях готовилось несколько растворов с разными содержанием золы и различными режимами температурной обработки. Растворы переливались в закрытый контейнер и в течение 24 часов высушивались естественным образом. Для приготовления раствора используется лабораторная мешалка с верхним приводом. Перемешивание производится на непоглощающей тарелке для смешивания. Первоначально отходы обогащения железной руды и золу сжигания твердого топлива смешивают в соответствии с указанной пропорцией в течение, примерно, двух минут с последующим постепенным добавлением к ним щелочного раствора. Как только раствор готов, его заливают в соответствующие формы в три слоя, тщательно утрамбовывая каждый слой с помощью трамбовочного стержня для достижения полного уплотнения. Все готовые образцы хранятся при стандартных условиях. Температурная обработка всех образцов производилось после окончательного схватывания раствора при 50°С на протяжении 24 часов.

В лабораторных условиях были изготовлены 6 составов геополимерного композита. Каждый состав поясняется следующими примерами, а результаты представлены на таблице 3.

Пример №1.

В состав данного образца входят исключительно отходы обогащения железной руды и силикат натрия в виде раствора. В непоглощающую емкость наливается силикат натрия в объеме 80 мл, а затем в небольших количествах добавляются отходы обогащения железной руды в количестве 240 грамм. Раствор тщательно перемешивается с помощью лабораторной мешалки с верхним приводом. После того как раствор принимает однородную массу, его заливают в форму и оставляют при стандартных условиях на 24 часа. По истечению 24 часов состав не застыл, что не является положительным результатом. Это объясняется отсутствием дополнительных компонентов с высоким содержанием алюминия и железа.

Пример №2.

В данном составе представлены отходы обогащения железной руды, зола от сжигания твердого топлива и силиката натрия. В непоглощающую емкость наливается силикат натрия в объеме 85 мл, а затем в небольших количествах добавляется смесь из отходов обогащения железной руды массой 180 г и золы сжигания твердого топлива массой 80 г. Раствор тщательно перемешивается с помощью лабораторной мешалки с верхним приводом. После того как раствор принимает однородную массу, его заливают в форму и оставляют при стандартных условиях на 24 часа. В процессе приготовления, консистенция образца была рыхлая и пористая, готовый образец также имел большое количество трещин и пор. Данный образец не проходил дополнительную температурную обработку при 50°С и показатель прочности на сжатие составил 5 МПа. Данный строительный материал отвечает критериям ГОСТ 7484-78 и ГОСТ 530-95 «Кирпич и камни керамические. Технические условия» и может быть присвоена марка М50.

Пример №3

В данном составе представлены отходы обогащения железной руды, зола от сжигания твердого топлива и силиката натрия. В непоглощающую емкость наливается силикат натрия в объеме 85 мл, а затем в небольших количествах добавляется смесь из отходов обогащения железной руды массой 180 г и золы сжигания твердого топлива массой 80 г. Раствор тщательно перемешивается с помощью лабораторной мешалки с верхним приводом. После того как раствор принимает однородную массу, его заливают в форму и оставляют при стандартных условиях на 24 часа. В процессе приготовления, консистенция образца также была рыхлая и пористая, как и в примере №2. Данный образец проходил дополнительную температурную обработку при 50°С в сушильном шкафу на протяжении суток и показатель прочности на сжатие составил 5,5 МПа. Данный строительный материал отвечает критериям ГОСТ 7484-78 и ГОСТ 530-95 «Кирпич и камни керамические. Технические условия» и может быть присвоена марка М50.

Пример №4.

В данном составе представлены отходы обогащения железной руды, зола от сжигания твердого топлива и силиката натрия. В непоглощающую емкость наливается силикат натрия в объеме 90 мл, а затем в небольших количествах добавляется смесь из отходов обогащения железной руды массой 180 г и золы сжигания твердого топлива массой 60 г. Раствор тщательно перемешивается с помощью лабораторной мешалки с верхним приводом. После того как раствор принимает однородную массу, его заливают в форму и оставляют при стандартных условиях на 24 часа. В процессе приготовления раствора, консистенция образца была менее пористой и более пластичной, что благоприятно влияет на прочностные характеристики готового образца. Данный образец не проходил дополнительную температурную обработку при 50°С и показатель прочности на сжатие составил 7,4 МПа. Данный строительный материал отвечает критериям ГОСТ 7484-78 и ГОСТ 530-95 «Кирпич и камни керамические. Технические условия» и может быть присвоена марка М75.

Пример №5.

В данном составе представлены отходы обогащения железной руды, зола от сжигания твердого топлива и силиката натрия. В непоглощающую емкость наливается силикат натрия в объеме 90 мл, а затем в небольших количествах добавляется смесь из отходов обогащения железной руды массой 180 г и золы сжигания твердого топлива массой 60 г. Раствор тщательно перемешивается с помощью лабораторной мешалки с верхним приводом. После того как раствор принимает однородную массу, его заливают в форму и оставляют при стандартных условиях на 24 часа. В процессе приготовления раствора, консистенция образца была менее пористой и более пластичной, что благоприятно влияет на прочностные характеристики готового образца. Данный образец проходил дополнительную температурную обработку при 50°С в сушильном шкафу на протяжении суток и показатель прочности на сжатие составил 11,2 МПа. Данный строительный материал отвечает критериям ГОСТ 7484-78 и ГОСТ 530-95 «Кирпич и камни керамические. Технические условия» и может быть присвоена марка М100.

Пример №6.

В данном составе представлены отходы обогащения железной руды, зола от сжигания твердого топлива и силиката натрия. В непоглощающую емкость наливается силикат натрия в объеме 90 мл, а затем в небольших количествах добавляется смесь из отходов обогащения железной руды массой 180 г и золы сжигания твердого топлива массой 60 г. Раствор тщательно перемешивается с помощью лабораторной мешалки с верхним приводом. После того как раствор принимает однородную массу, его заливают в форму и оставляют при стандартных условиях на 24 часа. В процессе приготовления раствора, консистенция образца была менее пористой и более пластичной, что благоприятно влияет на прочностные характеристики готового образца. Данный образец проходил дополнительную температурную обработку при 100°С в сушильном шкафу на протяжении суток и показатель прочности на сжатие составил 5 МПа. Это объясняется тем, что при быстром нагреве образца до температуры превышающей 50°С, материал начинает трескаться, а лишняя влага выходить через поры, что приводит к разрушению образца.

Описанные этапы изготовления геополимерного композита обеспечивают четкую структуру конечного продукта, а алюмосиликатные составляющие смеси активируются при небольшой температуре и щелочном pH раствора силиката натрия. Результаты испытаний прочности на сжатие представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты испытаний прочности на сжатие № Отходы обогащения железной руды Зола сжигания твердого топлива Силикат натрия Температура Время схватывания Прочность на сжатие г Масс. % г Масс. % мл Масс. % °С ч МПа 1 240 75 0 - 80 25 20 Более 48 <1 2 180 52,17 80 23,19 85 24,64 20 5 5 3 180 52,17 80 23,19 85 24,64 50 5 5,5 4 180 54,55 60 18,18 90 27,27 20 3 7,4 5 180 54,55 60 18,18 90 27,27 50 3 11,2 6 180 54,55 60 18,18 90 27,27 100 3 <1

* Проведение испытаний прочности на сжатие проводилось для трех параллельных образцов с использованием лабораторного пресса. В таблице приведены усредненные значения для трех испытаний каждого состава.

Приведенные в таблице 3 данные свидетельствуют об эффективности использования состава на основе отходов обогащения железной руды, золы от сжигания твердого топлива и раствора силиката натрия с температурным режимом активации 50°С на протяжении 24 часов.

Предлагаемый геополимерный композит для производства облицовочного материала в виде кирпича обладает ресурсосберегающими характеристиками за счет использования отходов обогащения железной руды, золы сжигания твердого топлива. По результатам испытаний образцам геополимерного композита присвоена марка по показателю прочности на сжатие в соответствии с ГОСТ 530-2012. Марка готового образца B7,5; М100.

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к производству облицовочного материала в виде строительного кирпича, позволяет эффективно утилизировать большие объемы отходов, как железорудных, так и золошлаковых отходов с последующим использованием для получения полезной продукции. Техническим результатом является создание состава с высокими прочностными свойствами и утилизацией отходов производства. Геополимерный композит включает компоненты при следующем соотношении, мас.%: отходы обогащения железной руды 54,55-54,84, зола сжигания твердого топлива 17,58-18,18, раствор силиката натрия 27,27-27,58. 3 табл.

Геополимерный композит, включающий алюмосиликатные компоненты и раствор силиката натрия, отличающийся тем, что дополнительно вводят золу сжигания твердого топлива, а в качестве алюмосиликатного компонента используют отходы обогащения железной руды при следующем соотношении компонентов, мас.%:

отходы обогащения железной руды 54,55-54,84 зола сжигания твердого топлива 17,58-18,18 раствор силиката натрия 27,27-27,58