Бетонная смесь
CONCRETE MIXTURE

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано для изготовления бетонных изделий как для гражданского, так и для промышленного строительства.
Известен состав бетона повышенной прочности (Патент США 20020117090 А1) на основе портландцемента, в составе которого 0,5-40% портландцемента заменены на цеолит, причем в качестве предпочтительных вариантов указываются цеолиты типов А, X и Y. Технический результат – повышение прочности бетона – достигается за счет пуццолановой реакции цеолитов с компонентами портландцемента, которая приводит к уменьшению количества пустот в бетоне и обеспечивает более высокую прочность на сжатие. Основным недостатком изобретения является высокая стоимость цеолитов А, X и Y, которые являются синтетическими продуктами и используются в качестве компонентов адсорбентов и катализаторов.
Известна цементная композиция, используемая для тампонажа буровых скважин (патент Канады 2917286 С), в состав которой входит отработанный цеолитсодержащий катализатор каталитического крекинга, имеющий следующий состав (в пересчете на оксиды): оксид алюминия 65-95, диоксид кремния 1-15, оксид фосфора (V) 1-10, триоксид серы 1-5, оксид кальция 0,1-1,0, оксид железа (III) 2-5, оксид кобальта 0,5-1,0, оксид никеля 1-3, оксид молибдена 5-30. Основной технический результат изобретения – снижение газопроницаемости бетона.
Изобретением, наиболее близким к предлагаемому по техническому результату, является цементно-бетонная смесь на основе вяжущего, в качестве которого может использоваться портландцемент, шлаковый цемент, известь (предпочтительно портландцемент) (патент США 4231801, прототип). С целью повышения прочности цементо-бетонной смеси, а также снижения ее стоимости, 1-25% от массы вяжущего заменяется пылью отработанных алюмосиликатных катализаторов, содержащих 13-51% оксида алюминия (предпочтительно 33%). Для изготовления смеси может использоваться пыль шариковых, цилиндрических и микросферических цеолитсодержащих катализаторов крекинга, в том числе содержащих редкоземельные металлы.
Наряду с очевидными достоинствами, прототип имеет существенные недостатки. Так при приготовлении цементо-бетонных смесей по прототипу подразумевается использование пыли катализаторов крекинга в сухом виде, то есть пыли, полученной из катализаторов, выгруженных с соответствующих технологических установок, а также катализаторной пыли, отделенной в циклонах или электрофильтрах технологических установок каталитического крекинга.
X
X
2
2
2
3
2
3
2
4
3
В то же время, современные установки каталитического крекинга оснащаются системами комплексной очистки отходящих газов регенерации от SO, NO и катализаторной пыли, например по технологии BELCO EDV Wet Scrubbing (https://www.dupont.com/products-and-services/clean-technologies/producst/belco-clean-air/sub-products/edv-wet-scrubbing-systems.html, Патент EC 1663861 В). Данная технология включает в себя процесс доокисления NO до NO озоном, и очистку отходящих газов регенерации каталитического крекинга от NO, SO и SO и катализаторной пыли путем поглощения этих компонентов раствором щелочи в скруббере. В результате взаимодействия оксидов серы и азота с раствором щелочи протекают реакции образования солей - NaSO, NaSO, NaNO. Щелочной раствор, содержащий нитратные, сульфатные и сульфитные соли натрия, а также взвешенную катализаторную пыль выводится из скруббера и подвергается фильтрованию с выделением фильтровального шлама, содержащего катализаторную пыль и раствор солей в поровом и межгранульном пространстве. Получаемый фильтровальный шлам содержит не менее 42% твердого вещества, включая катализаторную пыль и растворенные соли. Фильтровальный шлам, как правило, складируется на полигонах технических отходов и далее не перерабатывается.
Предлагаемое изобретение решает задачи экономии связующего при производстве бетона, а также повышения прочности бетона.
Поставленные задачи решаются тем, что в бетонную смесь, содержащую портландцемент, песок, щебень, воду, пластификатор дополнительно вводят в количестве 1-20% от массы цемента (в пересчете на сухое вещество) фильтровальный шлам с установок каталитического крекинга с влажностью до 58 мас.%, содержащий (в пересчете на сухое вещество):
оксид натрия
0,5-4
оксид алюминия
20-45
оксиды железа
0-0,6
сульфат натрия
0-3,5
оксид кремния - остальное
В качестве пластификатора в смесь вводят ускоритель-пластификатор на лигносульфонатной основе "Штайнберг УПБС-МБ" (ТУ 20.59.59-004-45419370-2018) для ускорения схватывания и повышения удобоукладываемости бетонной смеси.
Технический результат – повышение прочности бетона - достигается за счет дополнительного образования гидросиликатов кальция при реакции компонентов портландцемента (оксида кальция) с кремнийсодержащими компонентами пыли катализатора крекинга (цеолит, аморфный алюмосиликат, монтмориллонитовая или каолиновая глина). Дополнительно за счет вовлечения в состав полезного продукта - бетона, решается задача утилизации фильтровального шлама катализатора с установок каталитического крекинга.
Приготовление бетонной смеси осуществляют путем смешения портландцемента, заполнителей (песка, щебня), добавки (фильтровального шлама каталитического крекинга), пластификатора и воды затворения в смесителе до образования однородного цементного теста, укладывают в форму и уплотняют вибрационным способом. После затвердевания изделия извлекают из форм и направляют на склад готовой продукции.
Таблица. Состав и свойства бетонных смесей.
Компонент
Массовая доля компонента, %
Пр. 1
Пр. 2
Пр. 3
Пр. 4
Пр. 5
Пр. 6
Пр. 7
Пр. 8
Портландцемент
18,3
15,6
14,6
15,6
15,6
18,1
14,6
13,7
Щебень
45,3
45,3
45,3
45,3
45,3
45,3
45,3
45,3
Песок
28,7
28,7
28,7
28,7
28,7
28,7
28,7
28,7
Добавка
0,0
2,7
8,7
6,5
6,5
0,4
8,7
10,9
Вода
7,6
7,6
2,6
3,8
3,8
7,4
2,6
1,3
Пластификатор
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
Сущность изобретения демонстрируется следующими примерами:
Пример 1. (контрольный образец). Для приготовления бетонной смеси без добавки используют портландцемент М 42,5Б, речной песок МК-2.0, щебень фракции 5-20 мм Тургоякского месторождения (г. Миасс), химическую добавку (пластификатор) "Штайнберг УПБС-МБ", воду затворения в пропорциях согласно таблице 1. Для определения предела прочности на раздавливание бетон формуют в виде кубов с ребром 10 см. После затвердевания производят распалубку образцов. Образцы подвергают твердению в нормальных условиях в течение 28 суток. Предел прочности на сжатие определяют согласно ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Предел прочности на сжатие составил 51.8 МПа.
Пример 2. (по прототипу). Бетонную смесь готовят аналогично примеру 1. В качестве добавки используют отработанный микросферический цеолитсодержащий катализатор крекинга. Добавку вводят как замену 15% от массы цемента. Состав смеси приведен в таблице 1. Предел прочности образцов на сжатие составляет 58.4 МПа.
Пример 3. (по прототипу) Бетонную смесь готовят аналогично примеру 1. В качестве добавки используют отработанный микросферический цеолитсодержащий катализатор крекинга. Добавку вводят как замену 20% от массы цемента. Состав смеси приведен в таблице 1. Предел прочности образцов на сжатие составляет 52.3 МПа.
Пример 4. Бетонную смесь готовят аналогично примеру 2. В качестве добавки для замены 15% от массы цемента используют фильтровальный шлам каталитического крекинга с влажностью 58% мас., имеющий следующий состав (в пересчете на сухое вещество): оксид натрия – 3,0; оксид алюминия – 22,7; оксиды железа – 0,6; сульфат натрия – 3,0, оксид кремния - остальное. Состав бетонной смеси приведен в таблице 1. Предел прочности образцов на сжатие составляет 60.9 МПа.
Пример 5. Бетонную смесь готовят аналогично примеру 4. Твердение смеси осуществляют в условиях тепловлажностной обработки в следующем режиме: выдержка до пропаривания при 20±3°С в течение 2 ч; равномерный подъем температуры в камере с образцами до 80±5°С в течение 2 ч; изотермический прогрев при 80±5°С - 6 ч; остывание образцов при отключенном подогреве 4 ч. Предел прочности образцов на раздавливание составил 60.1 МПа.
Пример 6. Бетонную смесь готовят аналогично примеру 4, при этом доля цемента, замененного добавкой, составляет 1%. Предел прочности образцов на раздавливание составил 59.1 МПа.
Пример 7. Бетонную смесь готовят аналогично примеру 4, при этом доля цемента, замененного добавкой составляет 20%. Предел прочности образцов на раздавливание составил 53.9 МПа.
Пример 8. Бетонную смесь готовят аналогично примеру 3, при этом доля цемента, замененного добавкой составляет 25%. Предел прочности образцов на раздавливание составил 49.5 МПа.
Таким образом, полученные образцы бетонной смеси с заменой 15 и 20% от массы вяжущего на добавку фильтровального шлама каталитического превосходят по показателю предела прочности на раздавливание как контрольный образец, приготовленный без добавки, так и образцы, приготовленные по прототипу с аналогичным содержанием добавки.