СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОФОБНОГО ЦЕМЕНТА С УЛУЧШЕННЫМИ ПРОЧНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
METHOD OF PRODUCING HYDROPHOBIC CEMENT WITH IMPROVED STRENGTH CHARACTERISTICS

Изобретение относится к области производства строительных материалов на основе портландцемента и может найти применение при изготовлении растворных и бетонных смесей, сухих строительных смесей, обладающих гидрофобным эффектом.
Для улучшения гидрофобных свойств цемента используются различные добавки, в том числе и битуминозные. Известен способ получения гидрофобного цемента по авторскому свидетельству на изобретение СССР №58128, в котором в качестве битуминозной добавки для придания гидрофобности цементу предлагается применять тонкоизмельченный богхед в количестве не менее 10-15%. Хотя богхед и является веществом, содержащим битум, но в авторском свидетельстве не указана температура его предварительного нагрева для получения гидрофобной добавки, поэтому не ясно, как будет влиять это вещество, вводимое в цемент в количестве 10-15%, на прочность вяжущего. Последний может также быть подвергнут предварительной термической обработке или действию минеральных кислот.
Известен способ получения гидрофобного цемента, в котором используются добавки 0,1…0,2; мылонафта, асидола, окисленного петралатума и др. гидрофобизирующих ПАВ (Вяжущие вещества, бетоны и изделия из них. /Под ред. Г.И.Горчакова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1976, с.51-54/. Эти вещества, адсорбируясь на частицах цемента, понижают его гигроскопичность. Однако прочность цементного камня и бетона не увеличивается.
4
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному результату является способ получения гидрофобного цемента по патенту РФ №2220924, опубл. 10.01.2004. Цемент имеет следующий состав, мас.% сухого вещества: портландцемент 90-99,5, гидрофобная добавка (углеродсодержащий природный материал - торф, графит, уголь 0,5-10. Способ по прототипу включает сначала смешение цемента и гидрофобной добавки, предварительно раздробленной до пылевидного состояния (диспергированной добавки). Затем смесь подвергают нагреву при температуре 180-350°С в течение 30-60 минут. Смесь, полученная таким способом, обладает высокой водоотталкивающей способностью. Недостатком прототипа является то, что вместе с добавкой производится нагрев цемента до температуры 180-350°С. Известно, что нагрев цемента приводит к необратимым изменениям его состава и свойств. В портландцементе всегда содержится, например, добавка гипсового камня (CaSO·2HO), которая необходима для регулирования свойств цементного камня (скорость твердения, прочность, морозостойкость). Известно, что при нагревании уже в интервале температур 80-120°С двуводный гипс переходит в полуводный, что отрицательно сказывается на свойствах цемента /А.В.Волженский. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат. - 1986. - с.19-24/. Увеличивается скорость схватывания цемента, нарушаются процессы структурообразования в цементном камне, образуются соединения, приводящие к снижению прочности, морозостойкости, коррозионной стойкости.
Задача изобретения - используя торфяную добавку, получить цемент, обладающий наряду с гидрофобными свойствами улучшенными прочностными показателями. Технический результат от реализации способа заключается в повышении прочности цементного камня, полученного из цемента по заявляемому способу, при изгибе и сжатии при высоких показателях гидрофобности цемента.
Задача решена следующим образом:
Общим с известным способом, принятым за прототип, является смешивание портландцемента с диспергированным торфом в качестве добавки, взятым в количестве не более 10% в пересчете на абсолютно сухое вещество. В отличие от прототипа согласно заявляемому способу в качестве диспергированной торфяной добавки к портландцементу используют термомодифицированный торф, для этого перед смешиванием нагреву подвергают непосредственно торф, причем нагрев торфа осуществляют при температуре 400-800°С, после чего полученный после нагрева до соответствующей температуры торф измельчают до пылевидного состояния и затем смешивают с цементом в количестве не менее 4% в пересчете на абсолютно сухое вещество. В качестве добавки может быть использован термомодифицированный низинный или верховой торф.
Известно, что одним из эффективных способов получения модифицирующих добавок на основе торфа является его термоактивация /Мисников О.С., Пухова О.С. и др. Гидрофобизация сухих строительных смесей добавками из органических биогенных материалов.- «Строительные материалы. 2004. - №10. - c.2-4/. Оптимальные режимы термоактивации и характер изменения группового состава торфа зависят от его типа. При термическом воздействии на торф органическая часть деструктурирует с образованием новых соединений. В этой связи необходимо обратить внимание на то, как указано в прототипе, что при термическом распаде органической составляющей торфа появляется значительное количество дополнительных гидрофобных веществ, наличие которых не фиксировалось в первоначальном продукте.
Закономерности, связанные с изменением состава и структуры в торфе, при нагревании известны. Из литературных источников известно, что наиболее существенные изменения в составе торфа при нагревании происходят при нескольких температурных интервалах: 200-400°С, 400-600°С и 600-800°С. Таким образом, варьируя режимы термообработки торфа, можно получать продукт с разным вещественным составом. Дополнительный процесс диспергирования торфа после термообработки позволяет получить однородное мелкодисперсное вещество. В результате, можно выделить четыре температурных интервала, при которых целесообразно получение термомодифицированной добавки разного состава на основе торфа: 200-400°С; 400-600°С и 600-800°С. При проведении экспериментальных исследований низинный и верховой торф подвергался термической обработке при указанных температурах, затем измельчался в лабораторной мельнице до остатка на сите 008 не более 10%. Для определения прочностных свойств цемента термомодифицированный торф (ТМТ) в необходимом количестве смешивался с цементом до однородного состояния, из полученного вяжущего (по стандартной методике) готовились образцы, твердеющие в нормальных условиях 28 суток. После затвердевания определялись физико-механические характеристики цементного камня. Результаты сравнивались с цементным камнем, содержащим 100% портландцемента (контрольный образец). Анализ полученных результатов показал, что смешивание цемента с термомодифицированным торфом, полученным при нагреве в интервале температур 400-800°С, в количестве 4-10%, привело к неожиданному результату: помимо гидрофобных свойств цемента, повысились его прочностные характеристики, (в описании изобретения по прототипу сказано, что при нагреве смеси из цемента и торфа более 350°С снижаются прочностные и гидрофобные свойства цемента).
Характер влияния исследуемых видов добавок на свойства цементного камня различен, но во всех случаях прочностные характеристики оставались высокими. По мнению авторов, это можно объяснить следующим. При нагреве торфа выше 400°С поверхностное натяжение частиц добавки становится больше, чем поверхностное натяжение частиц цемента. Частицы цемента, адсорбируясь на поверхности торфяной добавки, приобретают лучшие адгезионные свойства, что ведет к увеличению прочности цементного камня. Поскольку известно, что адгезия частиц всегда выше, если поверхностное натяжение на межфазной границе понижается. Реализация этих условий, как считают авторы, в заявляемом изобретении и приводит к техническому результату - повышению прочности цементного камня. Наиболее существенный прирост прочности цемента (на 29%) наблюдается с введением 10% ТМТ-800 (с использованием низинного торфа, нагретого до 800°С), что связано, по мнению авторов, с физико-химическим взаимодействием минеральной части низинного торфа, представленной преимущественно СаО, с минералами портландцемента в процессе гидратации и гидролиза. В результате чего появляются дополнительные центры кристаллизации при твердении цементных систем, что способствует образованию гидросиликатов кальция разной степени основности. Гидрофобные свойства цемента при этом соответствуют нормативам (ГОСТ 10178-76).
Увеличение (до 10%) прочности цементного камня при введении 10% добавки торфа, нагретого до 600°С (ТМТ-600), по мнению авторов, объясняется разложением большей части органических веществ, формированием на цементных частицах оболочек из сорбированных на их поверхности компонентов органического вещества торфа. При этом гидрофобные свойства цемента выше установленных нормативов. Гидрофобный эффект в цементе, наряду с высокими прочностными показателями, проявлялся в большей степени при введении 6% ТМТ-400. Этот результат был характерен при использовании добавок термомодифицированного торфа, верхового и низинного, в пределах указанного диапазона. За пределами указанных интервалов 4-10 мас.% и температурах менее 400°С технический результат не достигнут.
Гидрофобность цемента при введении термомодифицированных добавок на основе торфа оценивалась по времени смачивания поверхности водой.
Сведения о предварительном нагреве торфа при температуре 400-800°С и дальнейшем смешивании цемента с полученной после такого нагрева термомодифицированной торфяной добавкой для получения прочного гидрофобного цемента в известных источниках информации не обнаружены, а значит, явным образом не следуют из уровня техники. К тому же, хотя и известны изменения состава и структуры торфа при нагревании, сведения о влиянии готовых термомодифицированных торфяных добавок, полученных при указанных температурах, на прочностные характеристики цементного камня не выявлены. Все это подтверждает соответствие заявляемого способа критерию «изобретательский уровень». Для пояснения способа получения гидрофобного цемента с улучшенными прочностными показателями приведены таблица и примеры.
Пример 1. В качестве сырьевого материала применяли верховой торф. Торф подвергали термической обработке при температуре 400°С в течение 10 мин в лабораторной муфельной печи. Высушенный торф измельчали в планетарной мельнице и просеивали через сито №008. Просеянный торф добавляли в портландцемент в количестве 10 мас.%. Полученный цемент обладал высокими гидрофобными свойствами. Капля воды на поверхности цемента не впитывалась в течение 90 мин. Затвердевший цементный камень (из цемента, полученного по заявляемому способу) обладал высокой прочностью на сжатие - 55 МПа (не ниже контрольного).
Пример 2. В качестве сырьевого материала применяли низинный торф. Торф подвергали термической обработке при температуре 800°С в течение 10 мин в лабораторной муфельной печи. Высушенный торф измельчали в планетарной мельнице и просеивали через сито №008. Просеянный торф добавляли в портландцемент в количестве 10 мас.%. Затвердевший цементный камень (из цемента полученного по заявляемому способу) обладал высокой прочностью на сжатие - 72 МПа (без добавки 55 МПа) и при изгибе - 6,4 МПа (без добавки 7,6 МПа). Капля воды на поверхности цемента не впитывалась в течение 7 мин.
Пример 3. В качестве сырьевого материала применяли низинный торф. Торф подвергали термической обработке при температуре 400°С в течение 10 мин в лабораторной муфельной печи. Высушенный торф измельчали в планетарной мельнице и просеивали через сито №008. Просеянный торф добавляли в портландцемент в количестве 10 мас.%. Затвердевший цементный камень (из цемента полученного по заявляемому способу) обладал высокой прочностью на сжатие - 62 МПа (без добавок 55 МПа) и при изгибе - 6,6 МПа (без добавки 6,2 МПа). Капля воды на поверхности цемента не впитывалась в течение 65 мин.
Характеристики модифицированных цементов
№ пп
Наименование состава
Температура термической обработки торфа, °С
Время смачивания поверхности водой, мин
Прочность цементного камня при сжатии, МПа
Прочность цементного камня при изгибе, МПа
1
Портландцемент - 100%
0
2 сек
55,0
6,2
2
Портландцемент - 90% Низинный торф - 10%
400
65
62,0
6,6
3
Портландцемент - 94% Низинный торф - 6%
400
40
66,0
7,0
4
Портландцемент - 96% Низинный торф - 4%
400
25
60,0
6,1
5
Портландцемент - 90% Низинный торф - 10%
600
45
59,0
6,2
6
Портландцемент - 94% Низинный торф - 6%
600
25
57,0
6,1
7
Портландцемент - 98% Низинный торф - 4%
600
10
56,0
6,2
8
Портландцемент - 90% Низинный торф - 10%
800
7
72,0
7,6
9
Портландцемент - 94% Низинный торф - 6%
800
5
65,0
6,9
10
Портландцемент - 96% Низинный торф - 4%
800
5
63,0
6,7
11
Портландцемент - 90% Верховой торф - 10%
400
90
55,0
5,2
12
Портландцемент - 94% Верховой торф - 6%
400
80
55,0
6,0
13
Портландцемент - 96% Верховой торф - 4%
400
60
55,0
5,9
14
Портландцемент - 90% Верховой торф - 10%
600
55
50,0
5,8
15
Портландцемент - 94% Верховой торф - 6%
600
30
52,0
5,9
16
Портландцемент - 96% Верховой торф - 4%
600
15
53.0
6,0
17
Портландцемент - 90% Верховой торф - 10%
800
10
50,0
5,7
18
Портландцемент - 94% Верховой торф - 6%
800
8
54,0
6,1
19
Портландцемент - 96% Верховой торф - 4%
800
5
55,0
6,2
Как видно из таблицы, оптимальное соотношение характеристик цемента соответствует составам №2, 8, 11. Исследования показали, что в сравнении с прототипом композиция по заявляемому способу имеет более высокую прочность при сжатии при высоких значениях времени смачивания поверхности цемента водой. Характеристики композиции соответствует нормативным данным для строительных растворов и бетонов, поэтому композиция, полученная по заявляемому способу, промышленно применима. Следовательно, эту композицию можно использовать в строительстве при изготовлении строительных изделий.