ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
PORTLAND CEMENT

Изобретение относится к составам портландцементов и может быть использовано для получения цементов, строительных растворов и бетонов на их основе.
6
Известен цемент, включающий портландцемент и каустический доломит, полученный обжигом сырого доломита в заданном интервале температур, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 50-75; каустический доломит, полученный обжигом сырого доломита в заданном интервале температур 25-50 (патент RU 21023349 С1, МПК С04В 9/12).
Однако производство описанного цемента требует повышенных затрат энергии, что обусловлено использованием каустического доломита, требующего дополнительных энергетических затрат на предварительный обжиг.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению (прототипом) является портландцемент, содержащий дунит, двуводный гипс и портландцементный клинкер при следующем соотношении компонентов, мас.%: дунит 30-40; двуводный гипс 3; портландцементный клинкер остальное (патент RU 2168472 С2, МПК С04В 7/13).
При использовании известного вещества, принятого за прототип, основным недостатком является низкая ранняя и 28-суточная прочность цементного камня (см. таблицу 4) вследствие незначительной гидравлической активности дунита, причем необходимость тонкого измельчения дунита для повышения его гидравлической активности усложняет технологический процесс производства портландцемента и увеличивает его стоимость.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в обеспечении возможности повышения ранней и 28-суточной прочности цементного камня при снижении себестоимости производства цемента.
Поставленная задача достигается тем, что цемент, содержащий портландцементный клинкер и двуводный гипс, согласно изобретению дополнительно содержит необожженный доломит и доменный гранулированный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%: необожженный доломит 5,0-15,0; доменный гранулированный шлак 5,0-15,0; портландцементный клинкер 75,0-77,5; двуводный гипс 2,5-5,0.
Предложенное содержание компонентов портландцемента необходимо и достаточно (см. таблицу 4) для получения портландцемента повышенной прочности.
Использование в составе портландцемента необожженного доломита обеспечивает возможность частичной замены доменного гранулированного шлака более экономичной добавкой - сырым доломитом. При этом доломит в комплексе с доменным гранулированным шлаком участвует в реакциях гидратации с портландцементным клинкером, обеспечивая высокую раннюю и 28-суточную прочность цементного камня.
Содержание в составе портландцемента необожженного доломита обеспечивает возможность получения быстротвердеющих цементов более высоких марок при одинаковых технологических параметрах подготовки и обработки сырья, например степени измельчения сырья. Доломит, входящий в состав портландцемента, является карбонатной горной породой осадочного происхождения, в которой преобладает минерал доломит, а также присутствуют единичные зерна кварцита (см. таблицу 1). В данном техническом решении необожженный доломит впервые используется в качестве минеральной добавки в цемент в оптимальном количестве 5-15 мас.%, так как при увеличении количества необожженного доломита более 15 мас.% и уменьшении количества доменного гранулированного шлака менее 5 мас.% происходит снижение 28-суточной прочности цементного камня, а при уменьшении количества необожженного доломита менее 5 мас.% и увеличении количества доменного гранулированного шлака более 15 мас.% ранняя и 28-суточная прочность цементного камня также снижается (см. таблицу 4).
Использование в составе портландцемента необожженного доломита позволяет обеспечить требуемые сроки схватывания цементного теста при оптимальном расходе двуводного гипса 2,5-5,0 мас.% (см. таблицу 3). При введении двуводного гипса в количестве менее 2,5 мас.% наблюдается снижение прочности цементного камня (см. таблицу 4). Увеличение количества двуводного гипса более 5,0 мас.% не является целесообразным, так как при этом себестоимость портландцемента возрастает, а ранняя и 28-суточная прочность цементного камня незначительно снижается.
Так как в составе портландцемента общее количество необожженного доломита и доменного гранулированного шлака составляет 20 мас.%, то содержание портландцементного клинкера в количестве 75,0-77,5 мас.% является оптимальным и определяется количеством введенного двуводного гипса.
Изобретение поясняется таблицей 1, в которой приведен химический состав доломита Таензинского месторождения (мас.%); таблицей 2, в которой приведены составы предложенного портландцемента и цемента, выбранного в качестве прототипа; таблицей 3, в которой приведены реологические свойства цементных тест, изготовленных из портландцемента предложенного состава и цемента, выбранного в качестве прототипа; таблицей 4, в которой приведены физико-механические свойства образцов из предложенного состава портландцемента и цемента, выбранного в качестве прототипа.
Предложенный портландцемент содержит необожженный доломит, доменный гранулированный шлак портландцементный клинкер и двуводный гипс при следующем соотношении компонентов, мас.%: необожженный доломит 5,0-15,0; доменный гранулированный шлак 5,0-15,0; портландцементный клинкер 75,0-77,5; двуводный гипс 2,5-5,0.
Пример конкретного выполнения.
2
Необожженный доломит измельчали в лабораторной щековой дробилке до фракции 10-20 мм. Далее компоненты портландцемента: портландцементный клинкер, шлак, измельченный необожженный доломит и двуводный гипс в заданных соотношениях согласно таблице 2, примеры №1-6, 8-12, 14-19, компоненты цемента, выбранного в качестве прототипа (см. таблицу 2, пример №20) и компоненты портландцемента контрольного состава: портландцементный клинкер, шлак и двуводный гипс согласно таблице 2, примеры №7, 13, подвергали совместному помолу в лабораторной шаровой мельнице до достижения удельной поверхности цемента 300-350 м/кг и остатка на сите №008 - 8-12%. Удельную поверхность контролировали на приборе для измерения удельной поверхности частиц ПСХ-8А.
Для предложенного вяжущего оптимальным явился следующий состав, мас.%:
необожженный доломит 5,0-15,0; доменный гранулированный шлак 5,0-15,0; портландцементный клинкер 75,0-77,5; двуводный гипс 2,5-5,0.
Сроки схватывания и нормальную густоту цементного теста (НГ) определяли по ГОСТ 310.3.
Предел прочности при изгибе и сжатии определяли по ГОСТ 310.4. Из цементного раствора, состоящего из 1 мас.ч. цемента состава согласно таблице 2, примеры №1-20 и 3 мас.ч. полифракционного песка, при консистенции раствора, характеризуемой расплывом конуса на встряхивающем столике 106-115 мм, готовили образцы-балочки размером 4×4×16 см в количестве 12 штук. Формование образцов проводили на виброуплотняющей установке. Образцы-балочки в формах хранили 24 часа в ванне с гидравлическим затвором, после чего расформовывали. Далее девять образцов хранили в течение 27 суток в воде. Три образца подвергали тепловлажностной обработке при температуре 80°С по режиму 3-6-3 часа.
Анализ результатов таблиц показывает, что:
- портландцемент контрольного состава, содержащий портландцементный клинкер, шлак и гипс, и цемент, выбранный в качестве прототипа, обладают более низкой ранней и 28-суточной прочностью по сравнению с предложенным портландцементом, имеющем в своем составе кроме указанных компонентов минеральную добавку -необожженный доломит (см. таблицу 4, примеры №7, 13, 20);
- оптимальное содержание необожженного доломита в количестве 5-15 мас.%, доменного гранулированного шлака в количестве 5-15 мас.%, портландцементного клинкера в количестве 75,0-77,5 мас.%, двуводного гипса в количестве 2,5-5,0 мас.% в составе портландцемента подтверждено повышенными показателями ранней и 28-суточной прочности соответствующих образцов (см. таблицу 4, примеры №3-5, 9-11, 15-17);
- введение в состав портландцемента необожженного доломита ускоряет набор ранней прочности цементного камня, что позволяет получать быстротвердеющие цементы (см. таблицу 4, примеры №3-5, 9-11, 15-17) и обеспечить требуемые сроки схватывания цементного теста при малом расходе двуводного гипса (см. таблицу 3, примеры №2-6).
В результате проведенных исследований установлено, что образцы из портландцемента, изготовленные в соответствии с предложенным изобретением (см. таблицу 4, примеры №3-5, 9-11, 15-17), имеют раннюю и 28-суточную прочность при изгибе и сжатии выше по сравнению с аналогичными показателями прочности образцов из известных видов портландцементов и из цемента - прототипа (см. таблицу 4, примеры №7, 13, 20).
Таким образом, предлагаемый портландцемент имеет следующие преимущества:
- увеличены прочностные показатели в среднем на 44% по сравнению с прототипом и в среднем на 20% по сравнению с известными видами портландцементов обычного состава;
- отсутствует термическая обработка доломита, что приводит к снижению энергозатрат при производстве предлагаемого портландцемента;
- снижены энергозатраты за счет отсутствия необходимости предварительного тонкого измельчения добавки;
- осуществлена возможность частичной замены доменного гранулированного шлака более экономичной добавкой - необожженным доломитом, что способствует получению быстротвердеющих цементов более высоких марок при одновременном снижении себестоимости цементов.
Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию «промышленная применимость».
Таблица 1
Химический состав доломита Таензинского месторождения, мас.%
п.п.п.
СаО
MgO
SiO<sub>2</sub>
Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
SO<sub>3</sub>
46,43
31,92
21,22
0,28
0,08
0,07
-
Таблица 2
Составы предложенного портландцемента и цемента, выбранного в качестве прототипа
№ состава
Соотношение компонентов, мас.%
Портландцементный клинкер
Шлак
Доломит
Дунит
Гипс
1
78,5
5
15
-
1,5
2
77,5
18
2
-
2,5
3
77,5
15
5
-
2,5
4
77,5
10
10
-
2,5
5
77,5
5
15
-
2,5
6
77,5
2
18
-
2,5
7
76,5
20
-
-
3,5
8
76,5
18
2
-
3,5
9
76,5
15
5
-
3,5
10
76,5
10
10
-
3,5
11
76,5
5
15
-
3,5
12
76,5
2
18
-
3,5
13
75,0
20
-
-
5,0
14
75,0
18
2
-
5,0
15
75,0
15
5
-
5,0
16
75,0
10
10
-
5,0
17
75,0
5
15
-
5,0
18
75,0
2
18
-
5,0
19
74,0
5
15
-
6,0
20, прототип
60
-
-
37
3,0
Таблица 3
Реологические свойства цементных тест, изготовленных из портландцемента предложенного состава и цемента, выбранного в качестве прототипа
№ состава
Нормальная густота, %
Сроки схватывания
начало, час - мин
конец, час - мин
1
30,50
2-00
5-50
2
25,50
2-30
3-30
3
25,75
2-15
3-30
4
26,00
2-15
3-20
5
25,75
3-40
4-20
6
25,75
3-40
4-25
7
25,50
2-45
3-55
8
25,50
2-30
3-55
9
25,50
2-25
3-40
10
25,75
2-30
3-45
11
25,50
3-40
4-25
12
25,75
3-40
4-25
13
25,75
2-50
3-50
14
25,75
2-50
3-40
15
25,75
2-55
3-40
16
25,50
2-40
3-40
17
25,75
2-35
3-25
18
26,00
3-05
4-15
19
26,00
2-30
3-40
20, прототип
30,00
2-20
3-45
Таблица 4
Физико-механические свойства образцов из предложенного состав портландцемента и цемента, выбранного в качестве прототипа
№ состава
Предел прочности при изгибе и сжатии, МПа
при нормальном твердении
при пропаривании
при изгибе
при сжатии
при изгибе
при сжатии
2 суток
7 суток
28 суток
2 суток
7 суток
28 суток
1
2,2
4,5
5,4
9,8
18,2
26,4
-
14,6
2
3,8
4,7
6,4
16,9
28,5
40,3
5,5
35,0
3
4,8
6,0
7,2
28,1
40,7
49,4
5,5
36,1
4
4,7
6,0
7,0
27,0
42,7
48,6
5,2
35,4
5
4,6
5,7
6,6
23,0
39,5
46,6
4,9
34,5
6
4,2
5,5
6,4
21,4
36,4
42,3
4,0
25,9
7
4,0
4,8
6,3
18,8
29,2
40,4
5,4
34,8
8
4,0
4,7
6,4
19,3
30,8
41,2
5,4
34,2
9
4,8
5,8
7,1
26,1
40,9
49,2
5,4
36,8
10
4,8
5,8
7,0
27,0
40,0
48,4
5,2
35,2
11
4,6
5,7
6,7
23,0
38,2
47,0
4,6
35,4
12
4,2
5,6
6,2
22,9
37,1
41,2
4,2
27,1
13
4,0
5,0
6,4
18,4
28,9
41,8
5,4
34,6
14
4,0
5,0
6,5
19,8
29,6
42,6
5,4
34,4
15
4,8
6,0
7,2
26,6
39,8
49,0
5,5
35,6
16
4,6
5,7
7,0
23,4
38,3
47,0
5,2
32,7
17
4,4
5,6
6,8
22,0
36,2
46,8
5,4
35,2
18
4,0
5,5
6,4
20,6
35,2
41,5
4,2
26,2
19
3,8
5,6
6,4
20,4
35,5
45,0
5,2
33,2
20, прототип
2,5
3,3
4,4
13,4
26,2
32,4
4,4
27,7