Изобретение относится к строительной индустрии, в частности, к получению безобжиговых неорганических вяжущих из отходов и промпродуктов разных производств и может быть использовано при изготовлении строительных изделий гидравлического твердения. При производстве строительных материалов и изделий из них широко применяются отходы различных производств в качестве активных минеральных добавок и в виде компонентов самостоятельных низкоактивных вяжущих.
Известен способ [Патент RU № 2505362 С2, МПК B09B 3/00, опубл. 27.01.2014] получения неорганических гидравлических вяжущих веществ. Согласно предложенному способу материал техногенного или природного происхождения из группы, включающей твердые продукты, получаемые путем сгорания твердых топлив, металлургический шлак, продукты низовых пожаров, продукты сгорания отвалов при добыче ископаемых топлив, отходы производства стекла, отходы производства керамики, отходы строительных кирпичей и бетона, термически активируемые глины, низкокристаллические обломочные изверженные породы, осадочный латерит, боксит, опалолит, аллофанолит, диатомит, известняк, аргиллит и глины, подвергают физической обработке. Обработка заключается в действии, по меньшей мере, одного импульса силы для пропускания механической энергии к частицам обрабатываемого материала путем действия силы от 50 до 3·105Н по отношению к 1 г обрабатываемого материала в течение от 1·10-6 до 1·10-2 и/или магнитной энергии переменного магнитного поля с частотой от 150 до 15·106 Гц и магнитной индукцией от 10-2 до 103 Тл. Данный способ обеспечивает получение высококачественных вяжущих из различных материалов как природного, так и техногенного происхождения.
Недостатком известного изобретения является необходимость использования специального оборудования и поддержания специфических режимных параметров для механической и электромагнитной обработки компонентов вяжущего, а также обработки давлением для повышения гидравлической активности техногенных и природных составляющих вяжущего.
Известна вяжущая смесь для использования в промышленности строительных материалов [Патент RU № 2733365 С1, МПК C04B 40/00, C04B 28/18, C04B 14/04, C04B 18/14, C04B 22/08, опубл. 01.10.2020]. Вяжущая смесь содержит, вес. %: 4-45 вес. % вулканической породы, от более 0 до 40 вес.% латентного гидравлического материала, причем латентный гидравлический материал включает одно или более из золы-уноса лигнитного типа, золы-уноса антрацитного типа, каолина и трасса, вулканическая порода имеет тонкость помола по Блейну более 3000, и латентный гидравлический материал имеет тонкость помола по Блейну более 3000, 10-45 вес.% щелочного компонента, причем щелочной компонент содержит одно или более из гидроксида щелочного металла и карбоната щелочного металла, 20-90 вес.% заполнителя, менее 1 вес.% сульфата, причем сульфат присутствует в вяжущей смеси в виде примесей, и не более 5 вес.% кальция. Технический результат - повышение прочности, в том числе ранней прочности, повышение стойкости к повышенным температурам и низкая теплопроводность.
Недостаток известного решения – использование в составе смеси достаточно специфических компонентов (вулканической породы, латентного гидравлического материала) и широких пределов их дозирования при отсутствии обоснованных оптимальных составов смесей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ получения безобжигового минерального вяжущего гидравлического твердения, включающий измельчение и смешивание техногенного термообработанного кремний-алюминийсодержащего отхода в виде золы терриконов - горелой породы угольных месторождений, известьсодержащего компонента в виде отхода производства ацетилена из карбида кальция, гипссодержащего компонента, отличающийся тем, что золу терриконов предварительно сушат до содержания влаги не более 5 вес.%, измельчают и смешивают с отходом производства ацетилена из карбида кальция в весовом соотношении 3÷5:1 и вводят гипссодержащий отход в виде фторгипса, полученного при сернокислотном разложении флюоритового концентрата, в количестве 8-12 вес.%. Способ предусматривает использование золы терриконов - горелой породы угольных месторождений Черемховского угольного бассейна, которую предварительно сушат до содержания влаги 3-5 % [Патент RU № 2476393 С1, МПК C04B 7/28, C04B 28/18, опубл. 27.02.2013].
По технической сущности, наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога. С позиции предлагаемого способа, в способе по ближайшему аналогу отмечен ряд недостатков. В частности, заявленное весовое соотношение горелой породы угольных месторождений и известьсодержащего компонента (3÷5:1) включает достаточно широкий диапазон значений. При соотношении 3:1 содержание горелой породы и известьсодержащего компонента в вяжущем составит 75% и 25% соответственно (без учета фторгипса). При соотношении 5:1 это соотношение составит 83,3% и 16,7%.Учитывая тот факт, что состав горелой породы и известьсодержащего компонента по содержанию активных составляющих, обеспечивающих активность вяжущего, может меняться, известное решение не дает точное соотношение компонентов, которое обеспечит максимальную активность безобжигового вяжущего при минимальном расходе компонентов. Особенно это относится к возможным колебаниям концентрации активной извести в известьсодержащем компоненте, которая может варьироваться от 20 до 95%.
Еще один недостаток ближайшего аналога связан с введением в состав безобжигового вяжущего фторгипса в качестве обязательного компонента. Фторгипс в ближайшем аналоге выполняет преимущественно функцию регулятора сроков схватывания вяжущего. При высокой активности горелой породы и известьсодержащего компонента введение фторгипса в состав вяжущего не обязательно.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение активности безобжигового вяжущего за счет оптимизации соотношения горелой породы и известьсодержащего компонента в составе вяжущего.
Технический результат при внедрении изобретения:
- повышение механической прочности изделий из вяжущего;
- сокращение удельного расхода горелой породы и известьсодержащих компонентов на производство вяжущего;
- уменьшение времени и энергозатрат на сушку всего количества горелой породы;
- исключение из состава вяжущего гипссодержащего компонента.
Технический результат достигается тем, что в способе получения безобжигового минерального вяжущего гидравлического твердения, включающем измельчение, смешивание и затворение водой смеси техногенного термообработанного кремний-алюминийсодержащего отхода в виде горелой породы терриконов Черемховского угольного месторождения и известьсодержащего компонента, вес сухого известьсодержащего компонента, приходящееся на единицу веса сухой горелой породы, рассчитывают по уравнению:
МИзв. = (1±0,05)×12,4 : ССа(ОН)2 акт.,
где ССа(ОН)2 акт. – содержание активной Са(ОН)2 в известьсодержащем компоненте, % вес.;
(1±0,05) – доверительный интервал, в который с надежностью 95% укладываются результаты экспериментов.
Техническая сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.
В качестве одного из компонентов заявляемого безобжигового вяжущего выбрана в горелая порода терриконов Черемховского угольного месторождения. Формирование горелой породы произошло при температурах до 800°С в результате самовозгорания угля в терриконах, что способствовало обжигу породы с образованием золы, богатой активными продуктами. Значительный запас горелой породы, расположенный в восьми терриконах Черемховского района (по ~140–150 тысяч м3 в каждом), делает ее перспективной для включения в сырьевую базу производства цемента и строительных материалов на его основе.
Решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, не учитывает возможные колебания состава горелой породы и известьсодержащего компонента. Поэтому в известном решении выделен интервал соотношений горелой породы угольных месторождений и известьсодержащего компонента (3÷5:1).
Исследования, проведенные авторами предлагаемого изобретения, показали, что содержание активных алюмосиликатных компонентов в горелой породе терриконов Черемховского угольного месторождения достаточно постоянно. Колебания концентрации активных компонентов составляет ±5 %. Следовательно, оптимальное соотношение компонентов в безобжиговом вяжущем зависит, в основном, от концентрации активной извести в известьсодержащем компоненте. В свою очередь, содержание активной извести постоянно меняется (снижается), вследствие взаимодействия Са(ОН)2 с углекислым газом воздуха с образованием СаСО3. В качестве известьсодержащего компонента могут использоваться отходы и промпродукты различных производств. В частности, для получения безобжигового вяжущего используют карбидную известь – отход производства ацетилена (аналогично ближайшему аналогу), основную золу уноса некоторых тепловых электростанций (например, Березовской ГРЭС, Красноярский край), отходы извести-пыловки, образующиеся при обжиге известняка, твердые отходы (кек) содового производства.
Экспериментальным путем установлена зависимость, определяющая оптимальный вес сухого известьсодержащего компонента (МИзв.), приходящийся на единицу веса сухой горелой породы:
МИзв. = (1±0,05)×12,4 : ССа(ОН)2 акт.,
где ССа(ОН)2 акт. – содержание активной Са(ОН)2 в известьсодержащем компоненте, % вес.;
(1±0,05) – доверительный интервал, в который с надежностью 95% укладываются результаты экспериментов.
Наличие доверительного интервала в формуле обусловлено, в основном, незначительным колебанием концентрации активных компонентов в горелой породе терриконов Черемховского угольного месторождения.
Полученная эмпирическая зависимость обеспечивает оптимальное весовое соотношение горелой породы терриконов Черемховского месторождения и различных известьсодержащих компонентов. Причем концентрация активной извести в известьсодержащих компонентах может колебаться от 20 до 95 %. В результате при минимальном расходе компонентов достигают максимальную механическую прочность изделий из безобжигового вяжущего.
Сравнение предлагаемого решения с ближайшим аналогом показывает следующее. Предлагаемое решение и ближайший аналог характеризуются сходными общими признаками:
- получение безобжигового минерального вяжущего гидравлического твердения;
- использование техногенного термообработанного кремний-алюминийсодержащиего отхода в виде горелой породы терриконов Черемховского месторождения;
- использование известьсодержащих компонентов в составе которых присутствует активная известь Са(ОН)2;
- измельчение, смешивание и затворение водой смеси горелой породы терриконов Черемховского угольного месторождения и известьсодержащего компонента.
Предлагаемое решение отличается от ближайшего аналога следующими признаками:
- по предлагаемому решению не обязательно сушить все количество горелой породы и известьсодержащего компонента. Достаточно иметь небольшую представительную пробу составляющих безобжигового вяжущего, которые сушат и анализируют на содержание гигроскопической влаги, а известьсодержащий компонент – на содержание активной извести Са(ОН)2. По результатам анализов рассчитывают состав безобжигового вяжущего, с учетом влажности его составляющих и концентрации активной извести в известьсодержащем компоненте;
- в составе безобжигового вяжущего не используют гипссодержащий компонент;
- оптимальный вес сухого известьсодержащего компонента, приходящеийся на единицу веса сухой горелой породы, рассчитывают по эмпирическому уравнению:
МИзв. = (1±0,05)×12,4 : ССа(ОН)2 акт.,
где ССа(ОН)2 акт. – содержание активной Са(ОН)2 в известьсодержащем компоненте, % вес.;
(1±0,05) – доверительный интервал, в который с надежностью 95 % укладываются результаты экспериментов.
Наличие в предлагаемом решении признаков, отличительных от признаков ближайшего аналога, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «новизна».
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области выявил следующее.
Известен способ [А.с. SU №1837053 А1, МПК С04В 7/28, опубл. 30.08.1993] приготовления вяжущего, включающий измельчение и смешение каменноугольной золы, извести-кипелки, гипса и хлорида щелочного или щелочно-земельного металла, в котором сначала совместно измельчают в бегунах в течение 10-15 мин комовую известь-кипелку, 1/4-1/2 часть от общего количества каменноугольной золы, хлорид щелочного или щелочно-земельного металла, вводят воду затвердевания до получения влажности 8-13 % и поверхностно-активную добавку из группы дигексилсукционатосульфоната натрия, моноалкилфенилового эфира полиэтиленгликоля, затем полученную смесь выдерживают в реакторе в течение 6-20 ч, после чего ее перемешивают с гипсом и оставшимся количеством каменноугольной золы при следующем соотношении компонентов, мас.% (на сухое вещество):
Известен способ изготовления строительных изделий, включающий приготовление вяжущей смеси из извести, горелой шахтной породы, гипса и воды, формование из нее изделий и твердение в естественных воздушных условиях, в котором в качестве известкового компонента используют карбидную известь - отход производства ацетилена, а в качестве активаторов и интенсификаторов твердения ее примесей - карбид кальция и ацетилен [Заявка на выдачу патента РФ на изобретение № 93010511 орт 01.03.1993 МПК С04В 28/18, опубл. 20.04 1995].
Известно использование в качестве активных добавок термообработанных кремний-алюминийсодержащих минеральных материалов различного происхождения:
- золы ТЭЦ и вулканической горной породы в виде фельзит-порфира [А.с. SU № 1377269, МПК С04В 38/02, опубл. 28.02.1988];
- каменноугольной золы и вулканической горной породы в виде трепела [Патент RU №2303021, МПК С04В 38/02, опубл. 20.07.2007];
- золы-уноса от сжигания прибалтийских горючих сланцев в смеси с кремнеземистым заполнителем в виде молотого кварцевого песка или каменноугольной золы [Патент RU №2067569, МПК С04В 40/02, опубл. 10.10.1996, Патент RU №2083535, МПК С04В 38/02, опубл.10.07.1997].
В результате сравнительного анализа предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области не выявлено технических решений, характеризующихся идентичной с предлагаемым решением совокупностью сходных и отличительных признаков, использование которых позволяет достигать аналогичные технические и технико-экономические результаты.
Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Предлагаемое техническое решение реализуется следующим образом.
Пример
Приготовили три смеси по предлагаемому техническому решению из горелой породы терриконов Черемховского угольного месторождения и трех различных известьсодержащих компонентов. Молекулярный состав горелой породы, рассчитанный по результатам рентгенофазового анализа, представлен в таблице 1.
Таблица 1 – Усредненный фазовый состав горелой породы терриконов Черемховского месторождения
В качестве известьсодержащих компонентов использовали:
1. Вновь образующуюся карбидную известь (КИ) кислородно-ацетиленового завода г. Железногорск, Красноярский край.
2. Лежалую карбидную известь (КИ) со шламового поля Усольехимпром (г. Усолье Сибирское, Иркутская обл.), в которой значительная часть Са(ОН)2 при хранении на воздухе перешла в СаСО3.
3. Золу уноса (ЗУ) Березовской ГРЭС, (Красноярский край, г. Шарыпово).
От известьсодержащих компонентов отбирали представительные пробы и сушили при 105ºС до постоянного веса. В таблице 2 приведено содержание активной извести Са(ОН)2 в сухом известьсодержащем сырье, определенной по ГОСТ 22688-2018. Известь строительная. Методы испытаний.
Таблица 2 – Концентрация активной Са(ОН)2 в известьсодержащем сырье, % вес.
В соответствии с заявленной формулой: МИзв. = (1±0,05)×12,4 : ССа(ОН)2акт., рассчитывали вес сухого известьсодержащего компонента, приходящийся на единицу веса сухой горелой породы. Пересчитывали состав безобжигового вяжущего с учетом влажности компонентов. Готовые смеси затворяли водой до нормальной густоты вяжущего 30-35 %. Образцы после твердения в воздушно-влажных и влажных условиях испытывали на механическую прочность.
Результаты экспериментов приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Составы вяжущих (кг, %) и их механическая прочность при твердении, МПа
Из полученных экспериментальных данных следует, что количество известьсодержащего компонента в безобжиговом вяжущем, а также вес самого вяжущего и его активность зависят, в основном, от содержания активной извести в известьсодержащем компоненте. Причем оптимальная добавка известьсодержащего компонента к горелой породе не всегда соответствует интервалу соотношений, заявленному в ближайшем аналоге (горелая порода : известьсодержащий компонент = 3-5:1). Так, при содержании Са(ОН)2акт. в КИ Усольехимпром 28,6 %, оптимальное весовое отношение горелой породы к известьсодержащему компоненту составляет 69,7:30,3 = 2,3:1. При концентрации Са(ОН)2акт. в КИ Железногорска 94,6%, оптимальное весовое отношение горелой породы к известьсодержащему компоненту составляет 88,5:11,5=7,7:1.
Таким образом, использование предлагаемого технического решения повысит активность безобжигового вяжущего за счет оптимизации соотношения горелой породы и известьсодержащего компонента в составе вяжущего. Сокращается удельный расход горелой породы и известьсодержащих компонентов на производство вяжущего, а также энергозатраты на сушку горелой породы.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗОБЖИГОВОГО МИНЕРАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТВЕРДЕНИЯ | 2011 |
|
RU2476393C1 |
| Ремонтная смесь | 2021 |
|
RU2806398C2 |
| Способ получения вяжущего для бетонов и строительных растворов | 2017 |
|
RU2664567C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТА | 2012 |
|
RU2497767C1 |
| Состав для укрепления грунтов оснований при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог | 2022 |
|
RU2803756C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ВЯЖУЩЕГО НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ | 2023 |
|
RU2820103C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЯЖУЩЕГО МАТЕРИАЛА | 2023 |
|
RU2815130C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЯЖУЩЕГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА | 2023 |
|
RU2813085C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЯЖУЩЕГО | 2023 |
|
RU2813563C1 |
| Бетонная смесь | 2023 |
|
RU2813822C1 |
Изобретение относится к строительной индустрии и может быть использовано при изготовлении строительных изделий гидравлического твердения. Способ получения безобжигового минерального вяжущего гидравлического твердения включает измельчение, смешивание и затворение водой смеси техногенного термообработанного кремний-алюминийсодержащего отхода в виде горелой породы терриконов Черемховского угольного месторождения и известьсодержащего компонента, вес которого, приходящийся на единицу веса сухой горелой породы, рассчитывают по уравнению МИзв.=(1±0,05)×12,4:ССа(ОН)2 акт., где ССа(ОН)2 акт. - содержание активной Са(ОН)2 в известьсодержащем компоненте, % вес.; а (1±0,05) - доверительный интервал, в который с надежностью 95% укладываются результаты экспериментов. Изобретение позволяет повысить механическую прочность изделий из вяжущего, сократить удельный расход горелой породы и известьсодержащих компонентов, уменьшить время и энергозатраты на сушку всего количества горелой породы. 3 табл.
Способ получения безобжигового минерального вяжущего гидравлического твердения, включающий измельчение, смешивание и затворение водой смеси техногенного термообработанного кремний-алюминийсодержащего отхода в виде горелой породы терриконов Черемховского угольного месторождения и известьсодержащего компонента, отличающийся тем, что вес сухого известьсодержащего компонента, приходящийся на единицу веса сухой горелой породы, рассчитывают по уравнению
МИзв.=(1±0,05)×12,4:ССа(ОН)2 акт.,
где ССа(ОН)2 акт. - содержание активной Са(ОН)2 в известьсодержащем компоненте, % вес.;
(1±0,05) - доверительный интервал, в который с надежностью 95% укладываются результаты экспериментов.
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗОБЖИГОВОГО МИНЕРАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТВЕРДЕНИЯ | 2011 |
|
RU2476393C1 |
| ВЯЖУЩЕЕ | 1990 |
|
RU2024459C1 |
| Способ получения вяжущего для бетонов и строительных растворов | 2017 |
|
RU2664567C1 |
| WO 1988004285 A1, 16.06.1988. | |||
