СМЕСЬ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА С МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКОЙ
MIXTURE OF PORTLAND CEMENT WITH MINERAL ADDITIVE

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при производстве портландцемента с использованием минеральных добавок.
Известна сухая строительная смесь (Патент РФ №2278082, опубл. 20.06.2006), включающая измельченный керамзитобетон в количестве 30-95 мас.% и неорганический наполнитель, в качестве которого взят измельченный до получения зерен игольчатой формы природный или синтетический волластонит в количестве 5-70 мас.%. Недостатком описанного изобретения является то, что необходимо применять дезинтегратор, реализующий преимущественно эффект расщепления по природным направлениям спайности исходного сырьевого материала, и то, что добавка вводится в керамзитобетон.
Известен цемент с минеральной добавкой, содержащий портландцементный клинкер, двуводный гипс и магнийсиликатную породу - верлит (Патент РФ №2320592, опуб. 27.03.2008). Недостатком данного цемента является достаточно продолжительное время измельчения вышеуказанной смеси в стержневой вибрационной установке.
Известен патент на « Добавку с обработанной поверхностью к бетонной смеси с портландцементом »(Патент РФ №2167839, опуб. 27.05.2001 г.), где композиция содержит портландцемент, воду и добавку, имеющую поверхность, обработанную полимером, где полимер является сурфактантом и включает гидрофобный и гидрофильный компоненты. В качестве добавки используется силикат, который содержит волластонит. Основным недостатком данной композиции является то, что добавку обрабатывают полимером, при этом прочность на сжатие готового продукта увеличивается незначительно.
Известен дисперсноармированный тампонажный раствор для цементирования скважин и способ его получения (SU №1006713, опубл. 23.03.83, БИ №11), содержащий силикатный и/или хлорсиликатный портландцемент, воду, механохимически активированный волластонит и/или волокнистые кристаллы синтетических гидросиликатов кальция или магния, смесь волокнистых кристаллов природных или синтетических минералов, или металлических волокон, или стекловолокон, или базальтовых волокон, с полипропиленовыми или капроновыми, или нейлоновыми, или поливинилспиртовыми волокнами, жидкие кремнийорганические полимеры типа олигоорганогидросилоксанов. Недостатком является то, что активация волластонита происходит при совместном помоле вяжущего с микроармирующей добавкой и полимерным модификатором в помольно-смесительной установке типа дезинтеграторов. Минералы волокнистого строения типа волластонита под действием ударных механических воздействий расщепляются по линиям спайности на элементарные иголки, приобретая при этом размеры, соизмеримые с размером новообразований цементной матрицы. В процессе помола происходит механохимическая активация компонентов на атомарном и молекулярном уровнях, что проявляется в обнажении активных реакционно-способных центров. Такая обработка не приводит к значительному повышению прочности на сжатие тампонажного раствора. Недостатком данного изобретения является также сложный компонентный состав тампонажного раствора.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению того же назначения по совокупности признаков является смесь портландцемента с воллостонитом со среднеобъемным размером зерен 33,9 мкм, при этом оптимальное количество волластонита составляет от 7 до 9% от массы цемента (см. Бердов Г.И. и др., «Влияние минеральных добавок на свойства цементных материалов». Современные наукоемкие технологии, №1, 2011).
Основным недостатком данной композиции является то, что используется природный волластонит неактивированный и замена портландцемента на волластонит составляет всего 7-9%. При дальнейшем ее увеличении (до 11%) прочность на сжатие цементного камня снижается и значение прочности лишь незначительно превышает прочность цемента без добавки, а смешение компонентов происходит в шаровой мельнице периодического действия в течение 2 часов.
Технический результат - повышение прочности при сжатии портландцемента при удовлетворяющих требованиям стандарта сроках схватывания, дисперсности и равномерности изменения объема за счет введения механоактивированного природного волластонита с размером частиц менее 40 мкм; упрощение процесса получения сырьевой смеси минеральной добавки с портландцементом. Получение цемента с повышенным содержанием данной добавки является экономически эффективным, так как затраты на механоактивацию волластонита ниже, чем на обжиг портландцементного клинкера, т.е. экономятся топливо-энергетические ресурсы. Кроме того, при этом улучшаются и качественные характеристики цемента (значение прочности к сжатию по сравнению с прототипом возрастает в большей степени).
2
Технический результат достигается тем, смесь портландцемента с минеральной добавкой включает портландцемент и минеральную добавку - волластонит с размером частиц менее 40 мкм, отличающаяся тем, что в качестве минеральной добавки используют природный волластонит с содержанием, мас.% SiO 47,00-50,00; CaO 44,00-47,00, механоактивированный в активационной зоне электромассклассификатора, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 85-90%, природный волластонит механоактивированный - 10-15%.
Применение механоактивации позволяет получать волластонит измененной структуры с оптимальной дисперсностью, использование которого с портландцементом в количестве 10-15% приводит к увеличению прочностных свойств в отличие от прототипа, где добавка 11% волластонита снижает прочностные свойства цементного камня. Улучшение процесса обработки добавки и смешения ее с цементом заключается в проведении операции измельчения, активации и смешения в одном аппарате - электромассклассификаторе. Данный аппарат работает в непрерывном режиме и время обработки в нем не превышает 30 минут. Электромассклассификатор представляет класс аппаратов, где реализован способ активации и улучшения качественных характеристик материала, основанный на использовании совокупности электрофизических и инерционных характеристик частиц. На данном аппарате в результате ударно-истирающего действия происходят измельчение и структурные изменения сырья в режиме трибоэлектрического образования газопылевой «плазмы». Возникающие при этом наивысшие возбужденные состояния, называемые трибоплазмой, характеризуются наиболее сильно нарушенной кристаллической структурой и наличием нестационарных высоковозбужденных фрагментов кристалла и окружающей реакционной сферы в виде компонентов решетки, ионов, электронов и т.д. В отличие от дезинтегратора здесь действует несколько другой механизм активации и обработка минералов в электромассклассификаторе с точки зрения улучшения прочности при сжатии является более эффективной. Разделение материалов в электромассклассификаторе осуществляется по параметру отношения заряда к массе частицы в собственных квазистационарных электрических полях, возникающих под действием вихрей.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из отобранных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемой смеси портландцемента с минеральной добавкой, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, в заявляемой смеси портландцемента с минеральной добавкой. Результаты поиска показали, что из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- описываемое изобретение не основано на изменении только количественного признака.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Вещества, используемые в способе:
Товарный портландцемент без добавок ПЦ-ДО (изготовитель ОАО «Ульяновскцемент»);
2
2
2
3
2
3
2
2
2
5
3
Природный волластонит. Химический состав, мас.%: SiO 47,00-50,00, TiO 0,04-0,06, АlO 0,80-1,00, FeO 1,00-1,90, CaO 44,00-47,00, MnO 0,15-0,25, MgO 0,3-0,5, NaO 0,05-0,04, KO 04-0,08, PO 0,05-0,07, SO<0,05, ппп 2,45-2,84.
Пример 1
2
2
2
3
2
3
2
2
2
5
3
Минеральную добавку подготавливают следующим образом: измельченный предварительно природный волластонит до размеров частиц менее 600 мкм с химическим составом, мас.%: SiO 48,34, TiO 0,05, АlО 0,92, FeO 1,39, CaO 45,83, MgO 0,43, NaO 0,03, KO 0,06, РO 0,06, SO<0,05, ппп 2,64, подвергают механоактивации в активационной зоне электромассклассификатора типа СМГ -ЭМК 005-1.
После процесса активации получают волластонит 2-х фракций с размерами частиц менее 40 мкм, и менее 70 мкм. Волластонит с размером частиц менее 40 мкм является механоактивированной минеральной добавкой, с которой смешивается портландцемент. В портландцемент в количестве 95% вводят механоактивированный природный волластонит в количестве 5%.
Как видно из таблицы, увеличение прочности происходит практически на ту же величину (на 16%), что и при добавке неактивированного волластонита по прототипу (на 12%).
Примеры 2, 3, 4
Смесь готовят, как описано в примере 1, с той лишь разницей, что портландцемента берут 90, 85, 80 мас.% соответственно, и 10, 15, 20% механоактивированного природного волластонита соответственно каждому примеру (см. табл.).
Портландцемент с активированным волластонитом испытывали по ГОСТ 310.1-310.4 и сравнивали с контрольным товарным портландцементом без добавки, с добавкой неактивированного волластонита, с прототипом (см. табл.).
Как видно из таблицы, добавка 10, 15% механоактивированного волластонита повышает прочность при сжатии волластонита на 19 и 21% соответственно. По прототипу оптимальным количеством введения природного неактивированного волластонита в портландцемент является 7-9% (добавка 11% снижает прочность цементного камня). При этом прочность при сжатии повышается на 15-20%, в то время как применение механоактивированного волластонита позволяет достичь подобного увеличения и даже несколько большего (на 19-21%) значения прочности при сжатии при большем его содержании в портландцементе, а именно 10 и 15%.
Добавка 20% механоактивированного волластонита не приводит к значительному увеличению прочности при сжатии относительно портландцемента без добавки, а прочность при изгибе несколько снижается.
Примеры 5, 6, 7, 8
Смесь готовят, как описано в примере 1, 2, 3, 4, с той лишь разницей, что механоактивированный природный волластонит берут с размером частиц менее 70 мкм.
Как видно из таблицы, увеличение прочности портландцемента происходит в незначительной степени (на 3-9%), а при содержании 20% - снижается на 5%.
Пример 9
Смесь готовят, как по примеру 1, с той разницей, что портландцемент смешивают с 15% неактивированного волластонита. Как видно из таблицы, добавка неактивированного волластонита не приводит к заметному увеличению (на 4%) прочности при сжатии по сравнению с контрольным портландцементом без добавок, в то время как добавка такого же количества механоактивированного волластонита повышает прочность портландцемента при сжатии на 21%.
Результаты исследований представлены в таблице.
Из представленных данных следует, что портландцемент с добавкой механоактивированного природного волластонита в количестве 10-15% имеет улучшенные прочностные свойства. Прочность при сжатии превышает на 19-21% прочность контрольного портландцемента. При этом значения прочности при изгибе, сроки схватывания и результаты испытаний на равномерность изменения объема удовлетворяют требованиям стандарта.
Таким образом, смесь портландцемента с добавкой - механоактивированным природным волластонитом, имеет более высокую прочность при сжатии при удовлетворяющих требованиям стандарта значениях сроков схватывания и менее сложную технологию обработки добавки.
Свойства портландцемента с минеральной добавкой
Примеры №
Содержание добавки, %
Сроки схватывания, мин
Дисперсость, мкм
Увеличение (+) или снижение (-) прочности после 28 суток нереального твердения, %
начало
конец
при сжатии
при изгибе
1
5
170
310
<40
+16
0
2
10
200
320
<40
+19
+8
3
15
250
350
<40
+21
0
4
20
310
420
<40
+7
-2
5
5
180
300
<70
+3
-5
6
10
210
310
<70
+7
0
7
15
240
370
<70
+9
-5
8
20
320
430
<70
-5
-26
9
15
270
380
-
+4
0
Портландцемент ПЦ-ДО
-
210
295
9,9
Прототип
-
-
-
-
-
-
2
-
-
-
+6
-
5
-
-
-
+12
-
7
-
-
-
+15
-
9
-
-
-
+20
-
11
-
-
-
+11
-
Примечание: 1. Прочность при сжатии портландцемента ПЦ-ДО без добавки механоактивированного волластонита равна 48,0 МПА, при изгибе 8,2 МПа, прочность при сжатии портландцемента марки ПЦ 400 Д-20 без добавки природного волластонита (прототип) - 62,4 Мпа.
2. Все образцы выдержали испытание кипячением на равномерность изменения объема по ГОСТ 310.3-76.
Предлагаемое изобретение является промышленно применимым, т.к. удовлетворяет следующим условиям:
- средство, воплощающее заявленную смесь портландцемента с минеральной добавкой при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности строительных материалов, а именно для изготовления штукатурных и кладочных строительных растворов;
- заявленная смесь портландцемента с минеральной добавкой обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно повышение прочности портландцемента при сжатии и упрощение технологии;
- для заявленной смеси портландцемента с минеральной добавкой, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его получения с помощью описанных в заявке примеров.