Барийсодержащий портландцемент Российский патент 2024 года по МПК C04B7/24 

Изобретение относится к строительству, и, в частности, к составам портландцементов и может найти применение в промышленности строительных материалов при изготовлении радиационно-защитного бетона.

Проблема обеспечения радиационной безопасности населения и окружающей среды на данный момент является одной из важнейших задач. Важную роль в защите от ионизирующих излучений играют специальные материалы и конструкции, способные ослаблять радиацию. При возведении объектов ядерной энергетики, строительства сооружений гражданской обороны широкое распространение получили бетоны, поэтому для них предъявляют повышенные требования к радиационной защите.

Известен цемент, в состав которого входят, мас.%: портландцементный клинкер 96-99 и сульфатный компонент 1-4 мас. % [пат. РФ № 2119897, опубл. 10.10.1998]. Также известен портландцемент, в состав которого входят, мас.%: портландцементный клинкер 95,93-98,77, гипс двуводный 0,50-1,92, натрий фтористый остальное [пат. РФ № 2496728, опубл. 27.10.2013]. Недостатком известных цементов является высокая клинкерная емкость.

Также известны сульфатостойкие цементы, одним из которых является барийсодержащий портландцемент. Он относится к гидравлическим вяжущим и обладает повышенной коррозионной стойкостью в растворах сульфатов.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является сульфатостойкий барийсодержащий портландцемент, в состав которого входят, мас. %: трехкальциевый силикат - 30-40; двухкальциевый силикат -30-40; трехкальциевый алюминат - 6,0-8,5; четырехкальциевый алюмоферрит - 10-14; двухбариевый силикат - 5-10; оксид бария -3-10; сульфат бария - 0,1-3,0 [пат. РФ № 2180325, 2002 г.].

Основным недостатком данного сульфатостойкого барийсодержащего портландцемента является недостаточная радиационная защита бетона на его основе.

Задачей изобретения является повышение радиационной защиты бетона на основе барийсодержащего портландцемента.

Технический результат заключается в создании барийсодержащего портландцемента, обладающего комплексом необходимых свойств, позволяющих повысить радиационную защиту бетона на его основе.

Указанный технический результат достигают получением барийсодержащего портландцемента, состоящего из совместно измельченных в шаровой мельнице до удельной поверхности 400 м²/кг портландцементного клинкера, хромата бария и шлама, содержащего сульфат бария, гидроксид железа (III) и гидроксид хрома (III), являющимися продуктами переработки жидкости, охлаждающей ядерные реакторы, при соотношении компонентов, мас.%:

портландцементный клинкер - 70-80;

хромат бария - 5-8;

шлам, содержащий сульфат бария, гидроксид железа (III) и гидроксид хрома (III) - 15-25.

Указанный качественный и количественный состав обеспечивает возможность получения простым способом барийсодержащего портландцемента с равномерным распределением компонентов по объему. Содержание компонентов в составе смеси ниже или выше указанных пределов негативно отражается на прочности при сжатии и изгибе, а также морозостойкости и ослаблении нейтронов и гамма-лучей.

Применение портландцементного клинкера позволяет добиться высокой прочности и морозостойкости. Если в состав барийсодержащего портландцемента ввести, портландцементный клинкер в количестве, мас.% - меньше 70, то прочностные характеристики будут ниже планируемых из-за недостатка гидравлического вяжущего. Если ввести в состав портландцементный клинкер в количестве, мас.% - больше 80, то в процессе твердения и набора прочности в цементном камне возможно образование повышенных внутренних напряжений твердения. Это может служить причиной образования микротрещин с последующим снижением значений физико-механических свойств бетона, полученного из затвердевшего барийсодержащего портландцемента по заявляемому решению.

Применение хромата бария позволяет управлять структурообразованием бетона, повышая радиационную защиту от нейтронов, при этом происходит утилизация техногенных отходов. Одним из важнейших свойств хромата бария является ее способность к уплотнению микроструктуры цементного камня. Если количество хромата бария в составе барийсодержащего портландцемента будет меньше нижнего значения по заявляемому решению, то уплотнение микроструктуры цементного камня будет недостаточно для получения бетона с высокими характеристиками радиационной защиты от нейтронов. Если количество хромата бария будет больше верхнего уровня по заявляемому решению, то разбавление цементной системы приведет к ослаблению затвердевшего бетона.

Применение шлама, содержащего сульфат бария, гидроксид железа (III) и гидроксид хрома (III), позволяет за счет комплексности химического состава обеспечить наилучшую плотность упаковки бетона. Если барийсодержащий портландцемент содержит шлам, содержащий сульфат бария, гидроксид железа (III) и гидроксид хрома (III), в меньшем количестве, чем в заявляемом решении, то невозможно получить требуемую плотность бетона после твердения барийсодержащего портландцемента вследствие образования микропор, которые из-за гидрофобности материала будут заполнены свободной водой, отвлеченной от гидратации портландцемента, при этом не будет обеспечена достаточная защита от гамма-лучей. Если барийсодержащий портландцемент содержит шлам, содержащий сульфат бария, гидроксид железа (III) и гидроксид хрома (III), в большем количестве, чем в заявляемом решении, то произойдет значительное расслоение бетонной смеси, что снизит весь комплекс физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик затвердевшего бетона.

Подбор компонентов позволяет управлять структурообразованием барийсодержащего портландцемента, повышая физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики бетона на его основе, а также снижая стоимость конечной продукции с одновременным улучшением экологической обстановки за счет использования в составе барийсодержащего портландцемента техногенных отходов.

Совместное измельчение компонентов в шаровой мельнице до удельной поверхности 400 м²/кг позволяет интенсифицировать процессы гидратации клинкерных минералов, создавая более плотную упаковку новообразований и тем самым повышая прочность и морозостойкость бетона.

Более подробная информация о компонентах барийсодержащего портландцемента приведена в таблице 1.

Таблица 1

Компоненты барийсодержащего портландцемента

Наименование компонента Назначение в составе портландцемента Содержание, мас.% Регламентирующий нормативный документ Портландцементный клинкер вяжущее 70-80 ГОСТ 34850-2022 Хромат бария химический модификатор 5-8 ГОСТ 31108-2020 Шлам, содержащий сульфат бария, гидроксид железа (III) и гидроксид хрома (III) активная полиминеральная добавка 15-25 ГОСТ 24211-2008

В качестве примеров барийсодержащего портландцемента были изготовлены 4 образца бетонов, полученных из барийсодержащего портландцемента, состоящего из совместно измельченных в шаровой мельнице до удельной поверхности 400 м²/кг портландцементного клинкера, хромата бария и шлама, содержащего сульфат бария, гидроксид железа (III) и гидроксид хрома (III), являющимися продуктами переработки жидкости, охлаждающей ядерные реакторы, в заявленных соотношениях компонентов, а также образец бетона из портландцемента, состоящего из трехкальциевого силиката, двухкальциевого силиката, трехкальциевого алюмината, четырехкальциевого алюмоферрита, двухбариевого силиката, оксида бария и сульфата бария. Все образцы бетонов были получены при водоцементном отношении равном 0,4, пропорции «цемент : песок» равной 1 : 3.

Физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики бетонов, полученных из барийсодержащего портландцемента различного состава, приведены в таблице 2. Сопоставляемыми существенными признаками являются предел прочности при сжатии, предел прочности при изгибе, адгезия к бетону и марка по морозостойкости.

Таблица 2

Физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики бетонов на основе барийсодержащих портландцементов

№ п/п Компоненты барийсодержащего портландцемента, мас.% Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при изгибе, МПа Марка по морозостойкости Степень поглощения нейтронного излучения, % Степень поглощения гамма- излучения, % Портландцементный клинкер Хромат бария Шлам, содержащий сульфат бария, гидроксид железа (III) и гидроксид хрома (III) Барийсодержащий портландцемент
пример 1 70 5 25 47,8 5,5 F1300 60 65 Барийсодержащий портландцемент
пример 2 73 8 19 43,4 5,3 F1300 55 60 Барийсодержащий портландцемент
пример 3 77 7 16 45,6 5,4 F1300 48 57 Барийсодержащий портландцемент
пример 4 80 5 15 51,2 5,6 F1300 45 55 Прототип, мас.% : трехкальциевый силикат - 30-40; двухкальциевый силикат - 30-40; трехкальциевый алюминат - 6,0-8,5; четырехкальциевый алюмоферрит - 10-14; двухбариевый силикат - 5-10; оксид бария -3-10; сульфат бария - 0,1-3,0 37,8 4,3 F1200 31 42

Согласно изученным эксплуатационным характеристикам заявляемый барийсодержащий портландцемент имеет следующие преимущества по сравнению с известными:

- повышены прочностные свойства, как на сжатие, так и на изгиб, на 26-35%;

- повышена марка по морозостойкости (на 100 циклов замораживания-оттаивания);

- до 2 раз увеличена защита от гамма- и нейтронного излучения;

- экономический и экологический эффект достигается за счет снижения расхода традиционно применяющегося товарного портландцемента путем замены его до 30 мас. % наполнителем техногенного происхождения без ухушения качества бетона на его основе.

Изобретение относится к строительству, в частности к составам портландцементов, и может найти применение в промышленности строительных материалов при изготовлении радиационно-защитного бетона. Технический результат заключается в создании барийсодержащего портландцемента, обладающего комплексом необходимых свойств, позволяющих повысить радиационную защиту бетона на его основе. Барийсодержащий портландцемент содержит портландцементный клинкер и сульфат бария. При этом он дополнительно содержит хромат бария, а сульфат бария вводят в барийсодержащий портландцемент в составе шлама – продукта переработки жидкости, охлаждающей ядерные реакторы, содержащего также гидроксид трехвалентного хрома, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцементный клинкер - 70-80; хромат - 5-8; шлам, содержащий сульфат бария, гидроксид железа и гидроксид хрома - 15-25, при этом указанные компоненты совместно измельчены в шаровой мельнице до удельной поверхности 400 м²/кг. 2 табл.

Барийсодержащий портландцемент, содержащий портландцементный клинкер и сульфат бария, отличающийся тем, что барийсодержащий портландцемент дополнительно содержит хромат бария, а сульфат бария вводят в барийсодержащий портландцемент в составе шлама – продукта переработки жидкости, охлаждающей ядерные реакторы, содержащего также гидроксид трехвалентного хрома, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцементный клинкер 70-80 хромат 5-8 шлам, содержащий сульфат бария, гидроксид железа и гидроксид хрома 15-25,

при этом указанные компоненты совместно измельчены в шаровой мельнице до удельной поверхности 400 м²/кг.