КОМПОЗИЦИОННОЕ ВЯЖУЩЕЕ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2024 года по МПК C04B7/24 C04B28/04 C04B18/04 

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.

Недостатком данного вяжущего материала является 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, отходы обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и колеманит при соотношении 3:1:1 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, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и колеманита дисперсностью каждый 6400 см²/г в соотношении 3:1:1.

В процессе совместного помола происходит механоактивация частиц отхода ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии, колеманита 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 отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии имеют в своем составе значительное количество оксидов железа, колеманит имеет в своем составе оксиды кальция и бора, которые играет положительную роль при зародышеобразовании центров кристаллизации при затворении портландцемента и обеспечивают высокие прочностные показатели конечного продукта. Совместное использование отхода ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и колеманита в количестве 14-16 мас.% приводит к существенному повышению прочности.

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

Таблица 1

Вяжущее, мас. % Отходы ванадиевого производства / отходы обогащения железистых кварцитов КМА / колеманит, (массовые части) Содержание компонентов, мас. % Прочность на сжатие, МПа 88 3:2:1 12 46,3 86 14 48,4 84 16 50,1 82 18 47,5 88 3:1:1* 12 56,3 86 14* 58,9* 84 16* 60,3* 82 18 57,1 88 3:1:2 12 45,9 86 14 47,6 84 16 49,8 82 18 46,5 * – 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 отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии (массовое содержание, %):Na₂O – 0,98; MgO – 5,84; Al₂O₃ – 2,52; SiO₂ – 72,74; K₂O – 0,65; CaO – 3,12; TiO₂– 0,27;FeO-9,45;Fe₂O₃ – 4,06; P – 0,65; S – 0,21 [Плазменная технология получения стекломикрошариков на основе отходов обогащения железистых кварцитов КМА / Бессмертный В.С. и др. // Стекло и керамика. 2021. №7.С.17-27.].

Химический состав колеманита (массовое содержание, %):[Исследование дегидратации колеманита в неизотермических условиях / Бессмертный В.С., Бондаренко М.А. и др. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2021. № 3. С. 97-106.].

Производили совместный помол портландцементного клинкера и смеси отходов ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и колеманита 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, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и колеманита 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 60,3 МПа.

Путем совместного помола в центробежно-планетарной мельнице, готовили смесь портландцементного клинкера в количестве 84,0 мас.%, отхода ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и колеманита при соотношении 3:1:1 весовых частей соответственно в количестве 16 мас,%. Формовали образцы и испытывали на прочность.

Средняя прочность на сжатие кубиков составляла 60,3МПа, что соответствует марки вяжущего материала М 500.

При увеличении в смеси отхода ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и колеманита более 16 % марочность композиционного вяжущего падает и становится ниже марки М 400.

Таким образом, оптимальное содержание отхода ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и колеманита при соотношении 3:1:1 массовых частей в цементе лежит в пределах 14,0-16,0%.

Изобретение относится к вяжущим материалам, которые могут быть использованы в цементной и строительной промышленности. Технический результат заключается в повышении прочности. Композиционное вяжущее включает портландцементный клинкер и техногенные отходы, при этом в качестве техногенных отходов вводят смесь отходов ванадиевого производства, отходы обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и колеманит при соотношении 3:1:1 и дисперсностью каждого компонента 6400 см²/г, при следующем массовом 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, отходы обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и колеманит при соотношении 3:1:1 и дисперсностью каждого компонента 6400 см²/г, при следующем массовом соотношении, мас.%:

портландцементный клинкер 84-86;

техногенные отходы 14-16.