СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМООБРАБОТАННОЙ ДЕГИДРАТИРОВАННОЙ БЕНТОНИТОВОЙ ГЛИНЫ ДЛЯ БЕТОНОВ, СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ И ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ Российский патент 2024 года по МПК C04B33/02 C04B33/04 C04B28/00 C04B7/12 C04B111/20 

Область техники

Изобретение относится к промышленности строительных материалов. Способ получения добавки применим для изготовления материала, модифицирующего свойства бетонов, строительных растворов, сухих смесей, а также других цементных композитов, например, тампонажных и изоляционных материалов, декоративных покрытий, в том числе, для увеличения прочности.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время известны технические решения, в которых раскрыты способы получения добавок для модифицирования свойств, в том числе, увеличения прочности, бетонов и растворов бетонных смесей, строительных смесей, тампонажных растворов, изоляционных материалов и декоративных покрытий, а также композиций со специальными свойствами, на основе различных компонентов, в том числе бентонитовых глин, а также их составы.

Среди способов получения добавок с аналогичным назначением можно выделить две группы:

1) получение комплексных добавок, одним из компонентов которых является бентонит, с заявленным техническим результатом, в том числе, в виде повышения прочности бетонов, строительных растворов, сухих смесей, а также других цементных композитов;

2) получение добавок из глин, близких по природе и структуре, для модификации свойств бетонов, строительных растворов, сухих смесей, а также других цементных композитов, с заявленным техническим результатом, в том числе, в виде повышения прочности бетонов, строительных растворов, сухих смесей, а также других цементных композитов.

Например, в патенте на изобретение RU 2467968, опубликованном 27.11.2012, раскрыт способ получения комплексной добавки для бетонов, строительных растворов и цементных композитов, в состав которой, в том числе, входит бентонит. Способ изготовления указанной комплексной добавки включает смешивание компонентов добавки, причем сначала перемешивают с водой или с частью воды все компоненты добавки, кроме глины, а затем вводят глину или водный раствор глины и производят дополнительное перемешивание, в том числе, с использованием высокоскоростных турбулентных смесителей или вращающимся электромагнитным полем, или ультразвуком.

Способ производства комплексной добавки для бетонов, раскрытый в патенте на изобретение RU 2513373, опубликованном 20.04.2014, включает этап предварительного измельчения глины, содержащей монтмориллонит, с последующим смешиванием компонентов композиции, отличающийся тем, что сначала в смеситель роторно-пульсационного типа вводят и совместно диспергируют щелочной сток производства ε-капролактама, олигомеры ε-капролактама, спиртовую фракцию отходов производства ε-капролактама, фосфолипиды растительных масел и нерафинированное рапсовое масло, затем в смеситель вводят глину, содержащую монтмориллонит, и ведут процесс ее измельчения до размера частиц монтмориллонита менее 10-2 мкм, после чего в смесь вводят лигносульфонаты технические и хлористый кальций.

Одним из главных недостатков вышеуказанных способов получения добавок является использование бентонита с сохранением его строения и гидрофильных свойств (например, высокой набухаемости), что приводит к необходимости введения в рецептуры иных компонентов, способных снизить или компенсировать данное воздействие, а также приводит к непостоянным значениям прочностных характеристик, так как прочность зерен бентонита гораздо ниже прочности цемента, изменению водоцементного соотношения.

В авторском свидетельстве SU 1691339, опубликованном 15.11.1991, раскрывается способ приготовлении добавки в цемент, способствующей повышению прочности. Способ заключается в том, что к алюмосиликатному компоненту - природному глиежу, добавляют гипс при соотношении соответственно (15-30) (70-85) мас.%, а обжиг осуществляют при 1200°С в течение 2 ч. В данном способе используется значительная термическая обработка исходного материала (способ энергозатратен), требуются дополнительные стадии и материалы для обработки сырья, что повышает материалоемкость, увеличивает затраты на реализацию, требуется введение дополнительных компонентов для достижения результата.

В качестве наиболее близкого аналога по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению выбран способ получения дегидратированной глины, применяемой в области строительных материалов, описанный в авторском свидетельстве SU 948962, опубликованном 07.08.1982. Согласно данному техническому решению, получение дегидратированной глины осуществляется путем перемешивания исходной глины, гранулирования, сушки с одновременным измельчением гранул, термообработки полученного порошка во взвешенном состоянии в шахтно-циклонной печи при 850-950⁰С, и охлаждения. Высушенный порошок разделяют на фракции: пылевидную, размером 32 мм, 2-1 мм, 1-0,5 мм, причем пылевидную фракцию перемешивают с исходной глиной, а порошок фракции 3-2 мм подают в верхнюю часть шахтно- циклонной печи, порошок фракции 2-1 мм – в среднюю часть печи и 1-0,5 мм - в нижнюю часть печи.

Указанное техническое решение по авторскому свидетельству SU 948962 обладает рядом существенных недостатков, а именно:

1. При получении дегидратированной глины материал должен приобретать равномерную степень дегидгратации за счет выделения из порошка перед дегидратацией пылевидной фракции. Однако, при используемой в наиболее близком аналоге температуре сушки 850-950⁰С происходит разрушение породообразующего минерала бентонитовой глины – монтмориллонита, слоистая структура которого играет роль микроармирующего компонента, способствующего увеличению прочности бетонов, цементных смесей и строительных растворов. В результате термодеструкции монтмориллонита эффективность структурообразующего и армирующего действий глины в существенной степени утрачивается.

2. Технология получения дегидратированной глины, описанная в наиболее близком аналоге, характеризуется повышенной энергозатратностью, так как включает несколько энергоемких операций: фракционирование, повторное внесения пылевидной фракции в исходную глину, сушка при высоких температурах 850 – 950^оС. В результате данный способ теряет технико-экономическую привлекательность в условиях развития энергосберегающих технологий.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка способа получения термообработанной дегидратированной бентонитовой глины, применяемой в модификации свойств бетонов и различных строительных растворов при внесении в качестве добавки в количестве 0,5-10%.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного изобретения, является увеличение прочностных показателей бетонов, строительных растворов и цементных композитов, например, при изготовлении тампонажных и изоляционных материалов, за счет низкого набухания и сохранения слоистой структуры минеральных компонентов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения термообработанной дегидратированной бентонитовой глины для бетонов, строительных растворов и цементных композитов, включающем дробление, предварительную сушку и помол исходной глины с дальнейшей термообработкой полученного мелкодисперсного глинпорошка, в качестве исходной глины используют бентонит с содержанием монтмориллонита не менее 30 % масс. и не менее 90 % частиц мелкодисперсного глинопорошка имеют размер менее 40 мкм, а термообработка производится при температуре 400-600⁰С в течение 1-1,5 часов.

Термообработанная дегидратированная бентонитовая глина, полученная указанным способом, обладает высокой степенью дисперсности, при этом не набухает и имеет высокую механическую прочность, а также выполняет роль микроармирующего компонента, что способствует повышению прочности бетонов, строительных растворов, других цементных композитов, например, при изготовлении тампонажных и изоляционных материалов.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что при температурной обработке бентонитовых глин различного происхождения в диапазоне 400-600⁰С удаляется межслоевая вода, а также структурная вода, с сохранением слоистой структуры основного минерала. Обработанный при указанной температуре бентонит теряет способность к набуханию, но сохраняет высокую площадь поверхности с активными центрами сорбции. Слоистая структура материала позволяет выполнять функцию микроармирующего компонента при указанной тонине помола.

Способность бентонита к самоорганизации с образованием технологически эффективных наноразмерных структур определяется содержанием в его составе монтмориллонита, являющегося породообразующим минералом группы смектитов. Эквивалентный диаметр частиц монтмориллонита может достигать размеров от 0,1 мкм до 2 мкм и в среднем составляет величину порядка 0,5 мкм. Частицы имеют неправильную (нерегулярную) форму. Они могут иметь компактную упаковку, но почти всегда находятся в расслоенном состоянии и выглядят как повернутые друг относительно друга в различных направлениях листы бумаги. На боковых поверхностях слоистых силикатов расположены силанольные и алюмонольные группы, заряженные при низких значениях рН положительно и отрицательно – при высоких значениях рН суспензии. Для получения дегидратированной бентонитовой глины используются бентонит с содержанием монтмориллонита не менее 30 % масс., которое обеспечивает равномерное распределение микрочастиц слоистого силиката в объеме вяжущего. Твердение композитного вяжущего, содержащего глинистый наполнитель, может сопровождаться образованием локальных пустот и трещин в образующемся камне из-за высокой скорости дегидратации глинистых частиц (контракционный эффект). Присутствие в составе глинистого компонента монтмориллонита в достаточно высокой концентрации (не менее 30 % масс.) обеспечивает преодоление контракционного эффекта за счет сохранения микрочастицами смектита внутрикристаллической воды в течение всего цикла отверждения вяжущего, в результате чего ингибируется процесс дегидратации, расклинивающей цементный камень. Для оптимального первичного взаимного распределения дисперсных материалов необходимо, чтобы соотношение удельных весов материалов было обратнопропорционально размерам их частиц. Плотность цемента составляет 3,1 г/см³, а плотность бентонита – 2,6 г/см³. Соответственно, при соотношении удельных весов цемента и бентонита равном 1,2, частицы глинопорошка должны быть крупнее частиц цемента в 1,2 – 1,5 раз. При среднем размере частиц цемента 20 – 25 мкм, размер частиц глинопорошка должен быть не более 40 мкм.

Образцы термообработанной дегидратированной бентонитовой глины.

Образец 1. Карьерная бентонитовая глина (содержание монтмориллонита 30 %), высушенная до постоянной массы при температуре 110°С в течение 6 часов, измельченная в мельнице и просеянная через сито с размером ячеек 0,040 мм, с влажностью 1,3 мас. %.

Образец 2. Термообработанная дегидратированная бентонитовая глина, полученная указанным для Образца 1 способом из карьерной глины (содержание монтмориллонита 75 %), при достижении остаточной влажности образца 0,9%.

Новая термообработанная дегидратированная бентонитовая глина имеет следующие преимущества, по сравнению с наиболее близким аналогом, а именно:

1. Новая термообработанная дегидратированная бентонитовая глина, полученная в условиях умеренной термообработки при температуре 400 – 600^оС, сохраняет микрокристаллическую структуру монтмориллонита, что обеспечивает существенное повышение предела прочности при сжатии модифицированных цементных композитов в возрасте 7 и 28 суток при одинаковом водоцементном отношении (Примеры 1 - 3).

2. Получение новой термообработанной дегидратированной бентонитовой глины не требует использования энергозатратных стадий фракционирования и технологического рециклинга пылевидной фракции, а также ее термообработка осуществляется при температурах 400 – 600^оС, что на 30 – 40 % ниже по сравнению температурным режимом, используемым в наиболее близком аналоге (850 – 950^оС). За счет этого достигается необходимый уровень энергосбережения и технико-экономическая привлекательность нового способа.

Ниже приведены примеры влияния новой модифицирующей добавки на величину предела прочности при сжатии модифицированных цементных композитов в возрасте 7 и 28 суток.

Пример 1:

Получены цементные композиты состава, масс. %:

Цементное вяжущее на основе портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н – 70

Термообработанная дегидратированная глина (Образец 1) – 9

Вода – остальное

Для данного композита предел прочности при сжатии (МПа) на 7 сутки составил 57 МПа, на 28 сутки – 77 МПа. Для наиболее близкого аналога, при том же водоцементном отношении (0,3) и аналогичном проценте добавки в цементное вяжущее, предел прочности при сжатии (МПа) на 7 сутки составил 50 МПа, на 28 сутки – 71 МПа.

Пример 2:

Состав цементного композита, масс. %:

Цементное вяжущее на основе портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н – 72,3

Термообработанная дегидратированная глина (Образец 2) – 6

Вода – остальное

Для данного композита предел прочности при сжатии (МПа) на 7 сутки составил 61 МПа, на 28 сутки – 81 МПа. Для наиболее близкого аналога, при том же водоцементном отношении (0,3) и аналогичном проценте добавки в цементное вяжущее, предел прочности при сжатии (МПа) на 7 сутки составил 55 МПа, на 28 сутки – 74 МПа.

Пример 3:

Состав цементного композита, масс. %:

Цементное вяжущее на основе портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н – 75

Термообработанная дегидратированная глина (Образец 2) – 2,5

Вода – остальное

Для данного композита предел прочности при сжатии (МПа) на 7 сутки составил 60 МПа, на 28 сутки – 80 МПа. Для наиболее близкого аналога, при том же водоцементном отношении (0,3) и аналогичном проценте добавки в цементное вяжущее, предел прочности при сжатии (МПа) на 7 сутки составил 52 МПа, на 28 сутки – 71 МПа.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к модифицирующим добавкам в бетонные смеси, и может быть использовано при получении бетонов, строительных растворов, сухих смесей, а также других цементных композитов, например, при изготовлении тампонажных и изоляционных материалов. Способ получения заключается в термоактивации (термообработке) бентонита с дальнейшим тонкодисперсным помолом. Технический результат - создание термообработанной дегидратированной бентонитовой глины, увеличивающей прочностные показатели бетонов, строительных растворов и цементных композитов, например, при изготовлении тампонажных и изоляционных материалов. Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения термообработанной дегидратированной бентонитовой глины для бетонов, строительных растворов и цементных композитов, включающем дробление, предварительную сушку и помол исходной глины с дальнейшей термообработкой полученного мелкодисперсного глинпорошка, в качестве исходной глины используют бентонит с содержанием монтмориллонита не менее 30 % масс. и не менее 90 % частиц мелкодисперсного глинопорошка имеют размер менее 40 мкм, а термообработка производится при температуре 400-600°С в течение 1-1,5 часов. 3 пр.

Способ получения термообработанной дегидратированной бентонитовой глины для бетонов, строительных растворов и цементных композитов, включающий дробление, предварительную сушку и помол исходной глины с дальнейшей термообработкой полученного мелкодисперсного глинпорошка, отличающийся тем, что в качестве исходной глины используют бентонит с содержанием монтмориллонита не менее 30 % масс. и не менее 90 % частиц мелкодисперсного глинопорошка имеют размер менее 40 мкм, а термообработка производится при температуре 400-600°С в течение 1-1,5 часов.