ВЯЖУЩЕЕ БЕСКЛИНКЕРНОЕ
CLINKERLESS CEMENT

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к составам бесклинкерных вяжущих на основе доменного гранулированного шлака, электросталеплавильного или конверторного, или мартеновского или их смеси. Вяжущее может быть использовано в производстве бетонов, растворов, сухих строительных смесей.
Известно вяжущее, содержащее доменный гранулированный шлак, нефелиновый шлам, шлак от выплавки стали, активизатор твердения - смесь фтористого калия и жидкого стекла [1]. Недостаток этого вяжущего - неполное использование гидравлической (химической) активности вяжущего, низкая прочность и морозостойкость бетонов.
Наиболее близким к предлагаемому, по технической сущности и достигаемому результату, является вяжущее [2], содержащее доменный гранулированный шлак 40-50%, гипс двуводный - 4-8%, в качестве активизатора твердения - отходы мокрой магнитной сепарации железных руд - 4-5% и электросталеплавильный шлак.
2
2
2
Недостатком этого вяжущего является низкая гидравлическая активность, неполное использование гидравлической активности вяжущего минерала алита (3СаО·SiO·хНО), недостаточная прочность и низкая морозостойкость этого вяжущего. Недостатком также является грубый помол 450 м/кг.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении гидравлической активности клинкерных минералов, повышении прочности и морозостойкости вяжущего.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении прочности и морозостойкости вяжущего путем повышения гидравлической активности клинкерных минералов и снижения крупности помола.
Для достижения изобретением технического результата вяжущее, полученное помолом смеси, включающей доменный шлак, двуводный гипс, активизатор твердения - отходы обогащения железных руд, отличающийся тем, что содержит сталеплавильные шлаки, а именно электросталеплавильный, конверторный, мартеновский и в качестве карбонатной добавки натрий, или калий, или аммоний углекислые или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
доменный шлак гранулированный
40-50
двуводный гипс
4-6
указанные отходы обогащения железных руд
3-6
натрий, или калий, или аммоний углекислые или их смесь
3-8
электросталеплавильный, мартеновский или
конверторный шлак
остальное,
2
причем помол осуществляют до удельной поверхности 700 м/кг.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.
2
2
Вяжущее (цемент) является сложной смесью различных минералов. Главными из них являются алит 3CaO·SiO и белит 2CaO·SiO.
2
2
Вяжущее на 75% состоит из этих двух минералов [3]. Эти минералы содержатся также в доменном гранулированном шлаке и в сталеплавильных шлаках: в электросталеплавильном, конверторном, мартеновском. При гидратации белит взаимодействует с водой с образованием водного соединения 2CaO·SiO·xHO. Гидратация алита происходит по реакции
2
2
2
2
2
3CaO·SiO+HO→2CaO·SiO·xHO+Са(ОН)
2
с образованием водного соединения белита, который обладает вяжущими свойствами. При этом образовавшийся гидроксид кальция Са(ОН) не обладает вяжущими свойствами и присутствует в бетоне в виде рыхлого порошка [3], фактически это балластный материал в бетоне, который снижает прочность бетонов и растворов. Удалить гидроокись кальция из бетонов и растворов не представляется возможным.
2
3
2
3
4
2
3
В предлагаемом изобретении рекомендуется добавить в состав вяжущего карбонаты натрия NaCO, калия KCO, аммония (NH)CO. Эти карбонаты при гидратации взаимодействуют с гидроксидом кальция по реакциям:
2
3
2
3
NaCO+Ca(OH)→CaCO+2NaOH
2
3
2
3
KCO+Ca(OH)→CaCO+2KOH
3
2
3
2
с образованием карбоната кальция СаСО, который при гидратации реагирует с бетоном с образованием вяжущего вещества 2CaO·SiO·СаСО·xHO.
2
3
2
2
2
2
3
2
2
2
3
2
Гидрокарбосиликат 2CaO·SiO·СаСО·xHO является высококачественным веществом [3]. Таким образом, добавка в смесь вяжущего карбонатов натрия, калия, аммония или их смеси позволяет ликвидировать вредное влияние гидроксида кальция Са(ОН) и дополнительно значительно повысить качество предлагаемого вяжущего. Наличие в бетоне ионов натрия (калия) сопровождается образованием новых веществ KO·SiO·СаСО·xHO, NaO·SiO·СаСО·xHO, которые обладают вяжущими свойствами и, следовательно, дополнительно повышают качество бетонов и растворов.
4
2
Изобретение осуществляется следующим образом. Готовят смесь, содержащую доменный гранулированный шлак (40-50%), двуводный гипс (4-6%), карбонат калия, или натрия, или аммония или их смеси (3-8%) и шлаки сталеплавильный, или мартеновский, или конверторный или их смеси. Каждый компонент должен быть просушенный при 115°С до полного удаления влаги. Операция сушки возможна по отдельности каждого компонента или возможна совместная сушка смеси следующих компонентов: шлаки доменный, электросталеплавильный, или мартеновский, или конверторный и отходы обогащения железных ред. Недопустимо применение обезвоженных солей натрия, калия, аммония. Гипс можно применять только двуводный с двумя молекулами воды CaSO×2HO. Применение гипса, содержащего воды более двух молекул, исключено. На измельчение в шаровую мельницу подают все компоненты в указанных соотношения. Снижение крупности помола приводит к увеличению вяжущих свойств алита и белита и, следовательно, повышению качества вяжущего. Известно, что на металлургических предприятиях организовано совместное складирование электросталеплавильного и мартеновского или электросталеплавильного и конверторного шлаков либо складирование трех видов шлаков. Разделение смеси шлаков исключено. Поэтому в изобретении предлагается использование всех сталеплавильных шлаков по отдельности и в смесях в различном соотношении. Экспериментально доказана вероятность осуществления предлагаемого способа (таблица 2). На химических предприятиях имеются отходы солей натрия, калия, аммония в различных соотношениях, что позволяет использовать такие смеси в предлагаемом изобретении. В примере (таблица 2) приведены результаты использования этих веществ в различных соотношениях, при этом достигаются одинаковые результаты по качеству вяжущих. Гипс двуводный применяется в производстве в качестве регулятора твердения вяжущих. Отходы обогащения железных руд содержат в своем составе до 11% соединений алюминия, до 3,2% калия и натрия, до 13,7% оксида кальция. Эти вещества обладают вяжущими свойствами и при гидратации выполняют роль активаторов химических реакций и способствуют повышению качества вяжущих.
2
Пример. Для экспериментов применяли гипс двуводный, отходы обогащения железных руд, доменный гранулированный шлак Новокузнецкого металлургического комбината (ОАО "НКМК"), конверторный шлак ОАО «ЗСМК», электросталеплавильный шлак (свежий) ОАО «НКМК», мартеновский шлак ОАО «НКМК», отмагниченный из отвала. Составы приведены в таблице 1. Пробы просушили при 115°С. Компоненты для смесей размололи в лабораторной мельнице до крупности 700 м/кг. Приготовленные смеси затворяли водой до получения теста стандартной густоты. Из приготовленных смесей изготовили образцы балочки размером 4×4×16 см и кубики размером 7×7×7 см. Смеси уплотняли на стандартной лабораторной виброплощадке. Твердение опытных образцов выполняли в гидравлической ванне в течение 12 часов при температуре 80°С. Испытания образцов выполняли в возрасте 28 суток. Испытание на морозостойкость проведено по ГОСТу 7025-78. Из результатов исследований следует, что рекомендуемое вяжущее обладает повышенным качеством по сравнению с прототипом.
Разработанный способ позволяет утилизировать отходы металлургических комбинатов и получать высококачественные вяжущие материалы.
Источники информации
1. А.с. СССР 1608152, МКИ 6, С04В 7/14, 1990.
2. Патент РФ 2186043 С2 (51), С04В 7/147.
3. Ларионов З.М., Никитина Л.В., Гарашин В.Р. Фазовый состав, микроструктура и прочность цементного камня и бетона. - М.: Стройиздат, 1977. Стр.55 - 57, 45, 36, 33, 29, 64.
Таблица 1
Материал
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+TiO<sub>2</sub>
FeO+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe
CaO
MgO
MnO
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
SO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O
п.п.п
Доменный гранулированный 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
Электросталеплавильный шлак
22-26,5
7,1-9,5
1,2-1,7
-
46-47,5
1,4-15,7
1,2-1,5
0,4-0,9
0,2-0,4
0,3-0,4
2,3-3,7
Отходы обогащения железных руд
34,1-39,9
9,8-11
12,8-26,1
2,3-3,5
11,3-13,7
4,2-5,7
0,3-0,55
0,5-0,6
1,7-3,2
1,3-3,2
8,5-15
Мартеновский шлак (немагнитная фракция)
30,0
9,9
12,6
9,5
31,5
10,2
-
-
-
-
2,3
Конверторный шлак
18,32
2,59
20,22
-
44
2,89
7,72
3,63
-
-
-