ВЯЖУЩЕЕ И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЕГО
BINDER AND METHOD OF ITS MAKING

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к составам безобжигового бесклинкерного безизвесткового вяжущего на основе доменного шлака и золо-шлаковой смеси от сжигания каменного угля, которое может быть использовано в производстве бетонных и железобетонных изделий, кладочных и штукатурных растворов и сухих строительных смесей.
Наиболее эффективно использование предлагаемого вяжущего в производстве стеновых строительных камней на основе доменного шлака или котельного шлака от сжигания каменного угля.
Известно вяжущее, содержащее гранулированный доменный шлак, шлак от выплавки стали, нефелиновый шлам и активизатор твердения в виде смеси фторида калия и жидкого стекла [1]. Известен способ изготовления указанного вяжущего [1] путем совместного помола смеси компонентов по [1]. Недостатками этого вяжущего и способа изготовления его является пониженная прочность на сжатие и изгиб и особенно пониженная морозостойкость.
Наиболее близким к" предлагаемому вяжущему по технической сущности и достигаемому результату является вяжущее, включающее доменный гранулированный шлак, шлак от выплавки стали, двуводный гипс и активизатор твердения в виде щелочных отходов травления стального листа [2]. Недостатками известного вяжущего являются пониженная прочность и пониженная морозостойкость.
2
2
2
Способ изготовления вяжущих [2] заключается в совместном помоле смеси компонентов до крупности 320-350 м/кг. При этом при совместном помоле твердых и прочных частиц и мягких наблюдается преимущественное измельчение мягких компонентов вяжущего до 400 м/кг, одновременно более прочные компоненты (доменные шлаки) обладают высокой твердостью и при совместном помоле крупность их составляет 250 м/кг и менее. В процессе изготовления бетона из известных вяжущих [1, 2] увеличивается период твердения бетона.
Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении прочности, морозостойкости, сокращении периода твердения, снижения продолжительности помола компонентов вяжущего.
2
2
При осуществлении изобретения происходит оптимизация вещественного состава и соотношения компонентов вяжущего, а также тонкости помола и гранулометрического состава при отдельном измельчении твердых компонентов и сокращение периода помола мягких компонентов строительной смеси. В способе изготовления вяжущего, включающем смешение доменного шлака, двуводного гипса, щелочного активного реагента, перед смешением осуществляют помол доменного шлака до удельной поверхности 700 м/г, при смешении дополнительно вводят сухопотушенную золошлаковую смесь от сжигания каменного угля и хлористый кальций, после смешения осуществляют помол до удельной поверхности 700 м/г при следующем соотношении компонентов в мас.%: доменный шлак 30-45, гипс двуводный 4-6, щелочной активный реагент 5-15, хлорид кальция 1-2, указанная золошлаковая смесь - остальное, причем в качестве щелочного активного реагента используют карбонат натрия или калия, гидроксид натрия или калия или их смесь. Вяжущее, полученное указанным способом.
Основным компонентом известных вяжущих является клинкер, содержание которого в вяжущем составляет 80-95%. Клинкер получают смешиванием глины с известняком с последующим спеканием смеси при температурах 1600-1800 градусов Цельсия. Затраты на спекание в общих расходах на производство составляют 75%. С целью снижения затрат на производство вяжущего предлагается качественно новая технология и недефицитные отходы производства - доменные шлаки, золошлаковые смеси от сжигания каменного угля, щелочные отходы химических предприятий и отходы хлорида кальция.
2
3
2
3
Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что доменные шлаки и золо-шлаковые смеси от сжигания каменного угля в смеси с щелочными активными реагентами, а именно с карбонатами натрия и калия (NаСО, KСО), гидроксидами натрия и калия (NaOH, KОН) и их смесями в любых соотношениях обладают вяжущими свойствами, что позволило разработать безызвестковое, безобжиговое, бесклинкерное шлако-щелочное вяжущее.
2
3
2
3
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
3
2
Наличие в сырьевой смеси соединений щелочных металлов NaСО, KСО, NaOH, KОН обеспечивает взаимодействие их с минералами и стекловидной фазой шлаков с образованием комплексных соединений, обладающих высокой прочностью. В частности, образуются более сложные и более прочные соединения силикатов и алюминатов, в которых кальций, магний, барий замещены ионами натрия и калия. Вероятно, в силикатах кальция nCaO*SiO*xHO и алюминатах кальция nСаО*АlO*хНО протекает процесс замещения СаО с образованием соединений mNaO*nCaO*xHO и mNаO*nСаО*АlO*хНO.
2
2
2
2
В портландцементах (клинкерных цементах) крупность зерен составляет 320-350 м/кг. В предлагаемом изобретении рекомендуется измельчать смесь до крупности 700 м/кг. В результате снижения крупности соответственно увеличивается вероятность контакта соединений щелочных металлов (NаO, KO) с минералами силикатов и алюминатов и со стекловидной фазой.
2
2
В предлагаемом составе вяжущего наиболее прочным и трудно размалываемым материалом является доменый шлак. Остальные компоненты (золо-шлаковая смесь, хлорид кальция, гипс, щелочные реагенты) - мягкие материалы и легко размалываются. Чтобы достичь одинаковой крупности всех компонентов вяжущего, предлагается предварительно размолоть доменный шлак до 700 м/кг, далее смешать его с остальными компонентами вяжущего и размолоть до 700 м/кг. При этом достигается марка вяжущего М700.
2
Увеличить помол мягких компонентов ниже 700 м/кг не рекомендуется, т.к. происходит слипание мелких частиц. При совместном помоле исходного состава мягких компонентов в смеси с доменным шлаком не достигается равномерного измельчения смеси по причине высокой твердости доменного шлака. Равномерность крупности достигается раздельным помолом доменного шлака и остальных мягких компонентов. Экспериментально установлено, что операция измельчения мягких компонентов в смеси с размолотым доменным шлаком сопровождается сокращением длительности измельчения мягких компонентов.
При изготовлении бетонов из предлагаемого вяжущего преимущественно гидратируются мелкие частицы. Продолжительность гидратации крупных частиц увеличивается, в результате увеличивается период твердения бетона и необходимость его нагрева. По указанным причинам равномерность помола вяжущего является необходимой операцией.
Для регулирования скорости твердения в предлагаемом изобретении применяется гипс двуводный, замена его гипсами с содержанием воды менее или более двух молекул недопустима.
Известно, что хлорид кальция повышает морозостойкость бетона. Это вещество на химических предприятиях образуется как отход производства, является недефицитным, обладает низкой стоимостью. Авторы рекомендуют вводить его в вяжущее в количестве 1-2%, что повышает потребительские свойства и упрощает технологии приготовления бетонов и растворов на строительных объектах.
Перечисленные факты получения бесклинкерного вяжущего позволяют повысить прочность, водостойкость и морозостойкость.
2
3
Пример. Для изготовления предлагаемого вяжущего использовали доменный шлак ОАО „НКМК" (г.Новокузнецк); щелочной плав Кемеровского химического завода состава, мас. 44-56% NaOH, 56-44% NaCO; золо-шлаковую смесь Абагурской агломерационной фабрики. (Примечание: доменный гранулированный и доменный дробленный шлаки обладают одинаковыми химическими и физическими свойствами и в равной степени используются в различных производствах).
2
2
Химический состав исходных материалов приведен в таблицах 1, 2. Золо-шлаковая смесь содержала 10,3% несгоревшего угля. Высушенный доменный шлак размололи до крупности 700 м/кг. Составы компонентов, взятые после сушки, приведены в таблице 3. Подготовили смесь предлагаемого состава и размололи в лабораторной шаровой мельнице до крупности 700 м/кг, затворяли водой питьевого качества до получения теста стандартной нормальной густоты.
Из смесей вяжущего приготовили образцы размером 4×4×16 см. Смеси уплотняли на стандартной виброплощадке в течение 3 мин.Твердение осуществляли в нормальных условиях в гидравлической ванне с пропариванием в камере при 80 градусах Цельсия в течение 12 часов. Испытания проводили в возрасте 28 суток. Водостойкость образцов оценивали по результатам определения коэффициента размягчения [3]. Испытывали образцы на морозостойкость по ГОСТу 7025-78 в возрасте 28 суток. Результаты представлены в таблице 3, из которой следует, что предлагаемое вяжущее обладает более высокой прочностью, водостойкостью и морозостойкостью по сравнению с прототипом.
Производство предлагаемого вяжущего позволяет эффективно утилизировать доменные шлаки, золошлаковые смеси от сжигания каменного угля и щелочные отходы химических заводов и создать базу для производства дешевых строительных материалов.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1608152, МКИ 6 С04В 7/14;
2. Авторское свидетельство СССР 1303575, МКИ 6 С04В 7/14;
3. Сватовская Л.Б., Сычев A.M. Активированное твердение цементов. Л. Стройиздат, 1983, с 150.
Таблица 1
Материал
Химические свойства, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+ТiO<sub>2</sub>
FeO+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
MnO
SO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O
П.П.П.
Доменный шлак
36,2-42
12,3-17
0,6-2,6
38-42,2
4,8-9,9
0,21-1,1
0,4-1,2
0,13-0,17
0,1-0,15
Золо-шлаковая смесь
61,33
20,52
9,41
3,21
2,23
0,42
1,76
10,3
В примерах составов 1-3 в качестве щелочного агента используют щелочной плав, содержащий, мас.%: гидроксид натрия 44, карбонат натрия 56.
В примере 4 в качестве щелочного агента используют карбонат натрия.
В примере 5 в качестве щелочного агента используют, мас.%: карбонат калия 45, гидроксид натрия 55.
В примере 6 в качестве щелочного агента используют гидроксид калия.
Таблица 3
№ состава
Предел прочности в возрасте 28 суток
Водостойкость
Морозостойкость, циклы
При сжатии, МПа
При изгибе, МПа
Хранение в воде
Пропаривание
Хранение в воде
Пропаривание
1
49,6
49,2
10,3
6,8
0,89
350
2
52,8
51,8
12,4
7,9
0,90
370
3
57,3
54,1
13,7
9,6
0,92
400
4
62,4
55,6
15,6
10,5
0,93
430
5
69,4
57,4
16.5
11,9
0,96
450
6
72,6
63,9
18,7
14,8
0,98
470
7
33,2
32,2
7,7
7,6
0,70
185