КОМПОЗИЦИОННОЕ ВЯЖУЩЕЕ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2024 года по МПК C04B7/04 C04B18/10 

Изобретение относится к вяжущим материалам, которые могут быть использованы в цементной и строительной промышленности.

Известны вяжущие материалы, включающие различные техногенные отходы промышленности, недостатком которых являются относительно низкое качество конечного продукта [«Вяжущее», патент РФ № 1031934 C04B7/35, опубл. 30.07.1983].

Наиболее близким по технической сущности принятым за прототип является вяжущий материал – цемент [«Цемент», патент РФ №2119897 C04B 7/04(2006.01), C04B 28/04, опубл. 10.10.1998], включающий портландцементный клинкер и сульфатный компонент, состоящий из гипсового камня и ангидрита при соотношении, мас.%: гипсовый камень 30 - 70, ангидрит 30 - 70, причем сульфатный компонент содержит в качестве ангидрита отход производства фтористого алюминия - фторангидрит, а общее содержание сульфатного компонента в цементе составляет 1 - 4 мас.% в пересчете на SO₃.

Недостаткомданного вяжущего материалаявляется его низкое качество.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении качества вяжущего на основе техногенных отходов.

Это достигается тем, что композиционное вяжущее на основе техногенных отходов включает портландцементный клинкер и техногенные отходы, и отличается тем, что в качестве техногенного отхода вводят смесь отходов ванадиевого производства и золошлаковые отходы при соотношении 2:1 и дисперсностью каждого компонента 6400 см²/ г, при следующих массовом соотношении, %: портландцементный клинкер – 84-86 мас. %; техногенные отходы 14-16 мас. %.

Предложенный композиционный вяжущий материал отличатся от прототипа тем, что вместо сульфатного компонента вводят смесь отхода ванадиевого производства и золошлаковые отходы дисперсностью каждый 6400 см²/г в соотношении 2:1.

В процессе совместного помола происходит механоактивация частиц отхода ванадиевого производства и частиц золошлаковых отходов с частицами портландцементного клинкера, что приводит к протеканию твердофазных реакций за счет увеличения поверхностной и внутренней энергии всех частиц и смещения лимитирующей стадии из диффузионной области в кинетическую. Механоактивированные частицы золошлаковых отходов имеют в своем составе значительное количество стеклофазы, которая играет положительную роль при зародыше образовании центров кристаллизации при затворении портландцемента и обеспечивают высокие прочностные показатели конечного продукта. Совместное использование отхода ванадиевого производства и золошлаковых отходов в количестве 14-16 мас.% приводит к существенному повышению прочности.

Оптимальные соотношения компонентов вяжущих материалов, полученные экспериментальным путем, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Портландцементный клинкер, % Содержание отхода ванадиевого производства и золощлаковых отходов, % Соотношение отхода ванадиевого производства и золошлаковых отходов, весовые части Прочность при сжатии, МПа 88,0
86,0
84,0
82,0 12,0
14,0
16,0
18,0 1:1 39,8
42,4
45,1
43,2 88,0
86,0*
84,0*
82,0 12,0
14,0*
16,0*
18,0 2:1* 50,8
55,9*
57,3*
52,4 88,0
86,0
84,0
82,0 12,0
14,0
16,0
18,0 1:2 38,8
40,2
42,0
39,2

* - оптимальный вариант

В качестве исходного материала брали, например, портландцементный клинкер производства ОАО «Сребряковцемент» марки ЦЕМ II/A 42,5Н (ГОСТ 31108-2016) с удельной поверхностью 3200 см²/г следующего химического состава (таблица 2).

Таблица 2

Химический состав портландцемента

CaO SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ MgO SO₃ R₂O п.п.п. 62,44 21,29 5,72 3,37 2,09 2,83 1,21 1,05

Химический состав отхода ванадиевого производства представлен в таблице 3 [Возможность использования в технологии стеновой керамики отходов ванадиевого производства / Бессмертный В.С. и др. // Стекло и керамика. 2022. Т. 95, № 7. С. 43–50.].

Таблица 3

Химический состав отхода ванадиевого производства

Массовое содержание, % SiO₂ Al₂O₃ CaO MgO V₂O5 Mn₂O₃ SO₃ п.п.п. 3,22 0,41 36,93 5,03 2,81 17,39 33,02 1,19

Химический состав золошлаковых отходов ЗШО-1 (массовоесодержание, %):Na₂O – 0,78; MgO – 2,63; Al₂O₃ – 22,15; SiO₂ – 52,39; K₂O – 1,94; CaO – 3,59; TiO₂– 1,05; MnO– 0,069; Fe₂O₃ – 7,73; P₂O₅ – 0,36; SO₃ – 0,37; п.п.п – 6,32.[Возможность использования в технологии экогеополимеров отходов сжигания твердых топлив ТЭЦ Арктической зоны РФ / Е.А. Яценко и др. // Стекло и керамика. 2021. №9.С.40-45.].

Производили совместный помол портландцементного клинкера и смеси отходов ванадиевого производства и золошлаковых отходов ЗШО -1 в центробежно-планетарной мельнице до удельной поверхности 6400 см²/г с получением частиц размером 3,5-3,6 мкм.

Смесь извлекали и формовали образцы в виде кубиков 30х30х30 мм при водоцементном соотношении (В/Ц) 0,24. После твердения на воздухе в течение 24 часов кубики извлекали из формы и подвергали тепловлажностной обработке в пропарочной камере LOIP в течение 6 часов при температуре 85ºС., а затем осуществлялось твердение образцов на воздухе в течение 28 суток.

В качестве пластифицирующей добавки использовали суперпластификатор «Melflux 1641», который добавляли в смесь сверх 100% - 0,16%.

Дисперсность измельченных частиц исходного портландцементного клинкера, отхода ванадиевого производства и ЗШО-1 после помола определяли на лазерном анализаторе размеров частиц ANALYSETTE 22 NanoTecplus. Прочность на сжатие кубиков проводили на гидравлическом прессе ПМГ-100 МГ4. Прочность на сжатие определяли как среднюю прочность пяти образцов, которая составляла 57,3 МПа.

Путем совместного помола в центробежно-планетарной мельнице, готовили смесь портландцементного клинкера в количестве 86,0 мас.%, отхода ванадиевого производства и ЗШО-1 при соотношении 2:1 весовых частей соответственно в количестве 14 мас,%. Формовали образцы и испытывали на прочность.

Средняя прочность на сжатие кубиков составляла 57,9МПа, что соответствует марки вяжущего материала М 500.

При увеличении в смеси отхода ванадиевого производства и ЗШО-1 более 16 % марочность композиционного вяжущего падает и становитсяниже марки М 400.

Таким образом, оптимальное содержание отхода ванадиевого производства и ЗШО-1 при соотношении 2:1 массовых частей в цементе лежит в пределах 14,0-16,0%.

Изобретение относится к композиционному вяжущему на основе техногенных отходов, которое может быть использовано в цементной и строительной промышленности. Технический результат заключается в повышении физико-механических свойств вяжущего. Композиционное вяжущее на основе техногенных отходов включает портландцементный клинкер и техногенные отходы, при этом в качестве техногенных отходов вводят смесь отходов ванадиевого производства и золошлаковых отходов при соотношении 2:1 и дисперсностью каждого компонента 6400 см²/г при следующем соотношении, мас.%: портландцементный клинкер 84-86; техногенные отходы 14-16. 3 табл.

Композиционное вяжущее на основе техногенных отходов, включающее портландцементный клинкер и техногенные отходы, отличающееся тем, что в качестве техногенных отходов вводят смесь отходов ванадиевого производства и золошлаковых отходов при соотношении 2:1 и дисперсностью каждого компонента 6400 см²/г, при следующих соотношении, мас.%:

портландцементный клинкер 84-86 техногенные отходы 14-16