КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖАРОСТОЙКИХ КОМПОЗИТОВ
COMPOSITION FOR MANUFACTURING HEAT-RESISTANT COMPOSITES

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к производству жаростойких композитов (бетонов) на основе химических связующих. К химически связующим, применяемым в жаростойких бетонах, относятся жидкое стекло, силикат-глыбу (прозрачный стекловидный сплав щелочных силикатов - полуфабрикат жидкого стекла) и фосфатные связки.
Известны композиции для получения пористых заполнителей (для бетонов) на основе химических связующих следующего состава, мас.%: жидкое стекло - 45-65; хлорид натрия - 5-15; отход горно-обогатительной фабрики при обогащении угля - 15-20; межсланцевая глина, образующаяся при добыче горючих сланцев, - 15-20 (Пат. Российской Федерации №2440312, МПК С04В 14/24. Композиция для производства пористого заполнителя /Абдрахимова Е.С., Рощупкина И.Ю., Абдрахимов В.З., Куликов В.А.; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева. №2010122114. Заявл. 31.05.2010. Опубл. 20.01.2012. Бюл. №2) [1].
Недостатком указанного состава композиции является относительно низкая прочность 2,65-2,75 МПа.
3
3
3
3
3
3
4
Наиболее близкой к изобретению является композиция для получения жаростойких композитов, включающая следующие компоненты, мас.%: глиноземсодержащий шлам - 10,5-10,53 (220 кг/м); отработанный катализатор ИМ-2201 - 10,5-10,53 (220 кг/м); щебень - 35,88-35,89 (750 кг/м); песок - 30,62-30,63 (640 кг/м); НРО - 12,44-12,45 (260 кг/м) (Хлыстов А.И. Повышение эффективности жаростойких композитов за счет применения химических связующих /А.И. Хлыстов, С.В. Соколова, А.В. Власов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2012. - №9. - С.38-42) [2].
Недостатком указанного состава керамической массы являются относительно низкий предел прочности при сжатии после твердения и нагревания до температуры 1200°С и низкая термостойкость.
Сущность изобретения - повышение качества жаростойкого композита.
Техническим результатом изобретения является повышение предела прочности при сжатии и термостойкости жаростойких композитов.
3
4
2
2
3
2
3
2
Указанный технический результат достигается тем, что в известную композицию, включающую отработанный катализатор ИМ-2201, щебень, песок и HPO, дополнительно вводят алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола с содержанием, мас.%: SiO - 2,5; AlO - 64,4; FeO - 1,1; CaO - 4,4; MgO - 4,2; RO - 17,2; п.п.п. - 5,3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
отработанный катализатор ИМ-2201
10-15
щебень
33-40
песок
10-13
Н<sub>3</sub>РО<sub>4</sub>
10-15
алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков
производств этил- и изопропилбензола, с содержанием, мас.%:
SiO<sub>2</sub> - 2,5; Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 64,4; Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 1,1; CaO - 4,4; MgO - 4,2;
R<sub>2</sub>O - 17,2; п.п.п.- 5,3
24-30
3
Алюмосодержащий шлам образуется в химической промышленности при очистки стоков производств этил- и изопропилбензола от остаточного хлористого алюминия, используемого в технологическом процессе как катализатор, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола. Сточные воды вследствие гидролиза AlCl носят кислый характер (рН - 2÷3) и нейтрализуется известковым молоком (рН - 8,5-9,5).
Шлам после осаждения направляется на обезвоживания на фильтр-пресс и далее на утилизацию.
Химический оксидный состав шламов представлен в таблице 1, а поэлементный в таблице 2.
Таблица 1
Химические составы алюмосодержащих отходов производств
Компонент
Содержание оксидов, мас.%
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O
CaO
MgO
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
R<sub>2</sub>O
П.п.п
1. Алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола
2,5
64,4
1,1
4,4
4,2
17,2
5,3
2. Отработанный катализатор ИМ-2201
7,90
74,5
0,15
-
0,10
14,8
1,57
-
Таблица 2
Поэлементный химический состав компонентов
Компонент
Концентрация, мас.%
0
Al
Mg
Na
Ca
Fe
Si
Cr
1. Алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола
66,63
22,47
0,7
8,2
0,8
0,2
1,08
-
Катализатор ИМ-2201
60,74
26,58
-
2,81
-
-
2,82
8,1
2
Имея повышенное содержание оксида алюминия и оксидов натрия, алюмощелочной шлам способствует повышению прочности и спеканию жаростойких композитов. Отличительной особенностью алюмощелочного шлама является высокая степень дисперсности. По этому признаку он не имеет себе равных среди порошкообразных материалов, получаемых механическим измельчением. Высокая степень дисперсности (10000-12000 см/г) придает шламу устойчивую коагуляционную структуру, типичную для всех гелей и высокую пластичность (более 12).
Используемые в настоящей работе шламовые отходы отличаются от высокодисперсных порошкообразных материалов природного и техногенного происхождения наноразмерностью, которая находится в пределах от 80 до 3000 нм и зависит от условий образования. Исследования образцов шламов с целью определения размерности его частиц были приведены методом малоуглового рассеяния нейтронов на дифрактометре «Мембрана-2».
Эффект от внедрения наноразмерных частиц принципиально выражается в том, что в системе появляется не только дополнительная граница раздела, но и носитель квантово-механических проявлений. Присутствие в системе наноразмерных частиц способствует увеличению объема адсорбционно и хемосорбционно связываемой ими воды и уменьшению объема капиллярно-связанной и свободной воды, что приводит к повышению пластичности керамической массы и прочностных показателей.
Для изготовления жаростойких композитов использовались: щебень и песок, которые применяются в бетонах и жаростойких композитах, согласно требованиям ГОСТов.
3
А) щебень, отвечающий требованиям ГОСТа Г 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия» М 600, 800 - 1000, со средней плотностью зерен от 2,0 до 2,5 кг/м из карбонатных пород, добываемый в Самарской области, фракции 5-10 мм;
3
3
Б) песок, отвечающий требованиям ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия» Песок речной, добываемый в Самарской области, имел следующие показатели: средняя плотность в сухом состоянии - 1,5 кг/м; содержание илистых, пылевидных и глинистых частиц не более - 0,7% по массе; истинная плотность песка речного - 2,65 г/см; наличие суглинка, комков глины и прочих засоряющих примесей не более - 0,05%; модуль крупности - 1,68. Обычно в составах жаростойких бетонов содержание щебня и песка доходит до 60% и более. В предлагаемых составах максимальное содержание данных природных инертных материалов составляет не более 50% и до 39% - отходы производств (таблица 3).
Таблица 3
Составы для получения жаростойких бетонов
Компоненты
Содержание компонентов, мас.%
1
2
3
Отработанный катализатор ИМ-2201согласно ТУ 38.103544-89, насыпная плотность 1,0-1,5 г/см<sup>3</sup>
10
12
15
Щебень ГОСТ 8267-93. М800, плотность 2,2 кг/м<sup>3</sup>
40
38
33
Песок ГОСТ 8736-93, модуль крупности - 1,68, средняя плотность - 1,5 кг/м<sup>3</sup>
10
11
13
Ортофосфорная кислота H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> в чистом виде по ГОСТ 6552-80, норма - чистый (ч.) ОКП 26 1213 0021 10. Массовая доля ортофосфорной кислоты (H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>) не менее 85%, плотность не менее 1,69 г/см<sup>3</sup>
10
12
15
Алюмосодержащий шлам, получаемый при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола
30
27
24
3
4
3
4
3
Для изготовления жаростойких композитов использовалась в качестве связующей ортофосфорная кислота HPO в чистом виде по ГОСТ 6552-80, норма - чистый (ч.) ОКП 26 1213 0021 10. Массовая доля ортофосфорной кислоты (HPO) не менее 85%, плотность не менее 1,69 г/см.
В заявке, как и в прототипе, использовался отработанный катализатор ИМ-21 (отходы производства) - ТУ 38.103544-89. Химические составы катализатора: оксидный и поэлементный представлены в таблицах 1 и 2.
3
2
3
Согласно ТУ 38.103544-89 отработанный катализатор ИМ-2201 должен иметь следующие показатели: внешний вид порошка - серо-зеленого цвета, насыпная плотность 1,0-1,5 г/см; массовая доля AlО не менее 70%.
Отработанный катализатор использовался как огнеупорный материал.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Технологический процесс производства бесцементных жаростойких композитов (бетонов) и изготовления изделий и конструкции из них включает в себя приготовление формовочной массы, формование изделий и термообработку.
Следует отметить, что для своего затвердения и набора марочной прочности жаростойкие композиты (бетоны) требуют особую термообработку.
Для композитов (бетонов) на ортофосфорной кислоте с компонентами, представленными в таблице 3 - нагревание до 500°С с подъемом температуры до 200°С со скоростью 60°С/час и до 500°С - 150°С/час, выдерживание в течение 4 часов, охлаждение вместе с печью.
В таблице 4 представлены физико-механические показатели жаростойкого композита (бетона).
Таблица 4
Физико-механические показатели жаростойкого композита (бетона), после твердения и нагревания до температуры 1200°С
Показатели
Составы
Прототип
1
2
3
Термостойкость, °С
30
32
33
29
Механическая прочность на сжатие, МПа
46,8
47,9
48,2
46
Огнеупорность, °С
1420
1460
1450
-
Температура под нагрузкой 0,2 МПа, °С.
1360
1380
1370
-
Как видно из таблицы 4, жаростойкий композит (бетон) из предложенных составов имеет более высокие показатели по механической прочности и термостойкости, чем прототип.
Полученное техническое решение при использовании алюмосодержащих шламов, полученных при очистке стоков производств этил- и изопропилбензола позволяет повысить показатели по механической прочности и термостойкости жаростойкого композита (бетона).
Использование техногенного сырья при получении жаростойкого бетона способствует утилизации промышленных отходов, охране окружающей среды, расширению сырьевой базы для строительных материалов.
Источники информации
1. Пат. Российской Федерации №2440312, МПК С04В 14/24. Композиция для производства пористого заполнителя /Абдрахимова Е.С., Рощупкина И.Ю., Абдрахимов В.З., Куликов В.А.; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева. - №2010122114. Заявл. 31.05.2010. Опубл. 20.01.2012. Бюл. №2.
2. Хлыстов А.И. Повышение эффективности жаростойких композитов за счет применения химических связующих /А.И. Хлыстов, С.В. Соколова, А.В. Власов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2012. - №9. - С.38-42.