цемент с минеральными добавками

Формула изобретения

Цемент с минеральными добавками, содержащий портландцементный клинкер, двуводный гипс и магнийсиликатную горную породу, отличающийся тем, что в качестве магнийсиликатной горной породы он содержит верлит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Верлит	25-30
Портландцементный клинкер	70-75
Двуводный гипс	2 от массы смеси верлита и
	портландцементного клинкера

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для получения строительных растворов и бетонов на их основе.

Известна вяжущая композиция, включающая, мас.%:

Портландцементный клинкер	15-50
Хвосты Ковдорского ГОКа	50-85

(Использование попутных продуктов обогащения железных руд в строительстве на Севере. Ленинград, Стройиздат. Ленинградское отделение, 1986, с.80-97).

Недостатком является то, что при ее получении используется метод автоклавной обработки, что существенно удорожает композиционное вяжущее. Предлагаемый цемент исключает данный способ обработки, а также обладает более высокой прочностью, выше на 67,3% по сравнению с известной композицией.

Наиболее близким к заявленному изобретению составом того же назначения по совокупности признаков является вяжущее, содержащее, мас.%:

Дунит	30-40
Двуводный гипс	3
Портландцементный клинкер	остальное

(Патент РФ №2168472 от 26.07.1999, Бюл. №16 от 10.06.2001). Известное вяжущее, принятое за прототип, отличается от предлагаемого тем, что в качестве добавки содержит магнийсиликатную породу - дунит. Предлагаемый цемент в качестве минеральной добавки содержит магнийсиликатную породу - верлит, является готовым продуктом и обладает более высокой прочностью, выше на 78,4% по сравнению с прототипом.

Технический результат предлагаемого изобретения - получение новых, готовых к использованию видов цементов с минеральной добавкой - верлитом, обладающих повышенной прочностью и низкой себестоимостью.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый цемент с минеральными добавками, содержащий портландцементный клинкер, двуводный гипс и магнийсиликатную горную породу, отличающийся тем, что в качестве магнийсиликатной горной породы он содержит верлит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Верлит	25-30
Портландцементный клинкер	70-75
Двуводный гипс	2 от массы смеси верлита и
	портландцементного клинкера

при их совместном помоле в стержневой вибрационной установке в течение 10 минут.

Известен механизм процессов гидратации и твердения портландцементов на основе магнийсодержащих хвостов Ковдорского ГОКа, представляющих собой горную породу ультраосновного состава. Большую роль в формировании механических свойств материала играют здесь параметры автоклавного синтеза. При гидротермальном синтезе в условиях автоклава силикаты магния и железистомагниевые силикаты изменяют свою структуру. В системе (Mg, Fe) ₂SiO₄-CaO-H₂ O фиксируются новообразования различного кальциево-магниевого состава, обеспечивающие прочность автоклавному камню.

Сравнение предлагаемого изобретения с другими известными из уровня техники техническими решениями позволило установить следующее. В известном техническом решении для получения вяжущего использовали хвосты Ковдорского ГОКа, входящие в состав известной смеси. Сырьевая смесь подвергалась автоклавной обработке при 1,7 МПа. Недостатком является применение данной обработки, что приводит к большому потреблению электроэнергии и, как следствие, удорожанию вяжущего.

В заявленном цементе в качестве добавки использована магнийсиликатная порода в виде верлита, которая является природным сырьем Прибайкалья. Совместный помол исходных компонентов обеспечивает не только их тонкое измельчение, но и активацию частиц, и изменение структуры их поверхностных слоев. В сырьевой смеси происходят твердофазные реакции, что влияет на гидратационную активность и увеличение прочностных показателей предлагаемых цементов.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведение об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Анализ аналогов, а также прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату - получение новых видов готовых цементов с достаточно высокими прочностными характеристиками - отличительных признаков в заявленном веществе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований. А именно: взаимодействие верлита с минералами цементного клинкера и гипсом при совместном помоле в стержневой вибрационной установке обеспечивает положительную реакцию на достижение технического результата - повышение прочности.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Верлит Йоко-Довыренского массива (Северное Прибайкалье), входящий в состав цемента, является магнийсиликатной горной породой следующего химического состава, мас.% (см. табл.1). Он представляет собой разновидность перидотита, состоящую из оливина и моноклинного пироксена, причем фаялитовая молекула в оливине составляет 10-14%.

Верлиты отделяют дунитовую зону массива от плагиодунитовой. Также они широко распространены в верхней части дунитовой зоны. Запасы их в массиве значительны.

В данном техническом решении это сырье впервые используется в качестве активного вяжущего компонента при совместном помоле с портландцементным клинкером и гипсом в течение 10 минут.

Для выбора оптимального состава были приготовлены цементные смеси, отличающиеся друг от друга содержанием составляющих компонентов, мас.%: верлита - 20, 25, 30, 35, 40; портландцементного клинкера - 60, 65, 70, 75, 80; двуводного гипса - 2 от массы смеси верлита и портландцементного клинкера.

Технология получения цемента предлагаемого состава такова.

Портландцементный клинкер, двуводный гипс, верлит смешивают в соответствующих пропорциях и измельчают в стержневой вибрационной установке типа 75Т-ДрМ с ударно-сдвиговым характером нагружения в течение 10 минут. Смесь затворяют водой при водотвердом соотношении 0,3, тщательно перемешивают в течение 5 минут и готовят образцы-кубы размером 2×2×2 (см). Образцы хранят в нормально-влажностных условиях в течение 7 и 28 суток. Затем испытывают на сжатие.

Пример 1.

Верлит, портландцементный клинкер, двуводный гипс измельчают в стержневой вибрационной установке типа 75Т-ДрМ в течение 10 минут при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Верлит	20
Портландцементный клинкер	80
Двуводный гипс	2 от массы смеси верлита и клинкера.

Смесь затворяют водой при водотвердом соотношении 0,3 и формуют образцы. После 7 и 28 суток твердения в нормально-влажностных условиях испытывают на прочность при сжатии. Образцы имели прочность после 7 суток твердения - 36,8 МПа. Прочность при сжатии после 28 суток составила 51,5 МПа. Средняя плотность - 2253 кг/м³ .

Пример 2.

Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%:

Верлит	25
Портландцементный клинкер	75
Двуводный гипс	2 от массы смеси верлита и клинкера.

Прочность при сжатии через 7 суток твердения в нормально-влажностных условиях - 43,8 МПа. После 28 суток прочность при сжатии составила 54,9 МПа, средняя плотность - 2241 кг/м³ .

Пример 3.

Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%:

Верлит	30
Портландцементный клинкер	70
Двуводный гипс	2 от массы смеси верлита и клинкера.

Прочность при сжатии через 7 суток твердения в нормально-влажностных условиях - 59,6 МПа. После 28 суток прочность при сжатии составила 61,0 МПа, средняя плотность - 2216 кг/м³ .

Пример 4.

Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%:

Верлит	35
Портландцементный клинкер	65
Двуводный гипс	2 от массы смеси верлита и клинкера.

Прочность при сжатии через 7 суток твердения в нормально-влажностных условиях - 40,7 МПа. После 28 суток прочность при сжатии составила 53,2 МПа. Средняя плотность - 2280 кг/м³ .

Пример 5

Проводится аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Верлит	40
Портландцементный клинкер	60
Двуводный гипс	2 от массы смеси верлита и клинкера

Прочность при сжатии после 7 суток - 38,5 МПа, после 28 суток - 47,9 МПа. Средняя плотность - 2345 кг/м³.

В результате исследований (см. табл.2) удалось установить, что при помоле в стержневой вибрационной установке в течение 10 минут сырьевой смеси, состоящей из 25-30% верлита, 70-75% портландцементного клинкера и 2% двуводного гипса (от массы смеси верлита и клинкера) прочность повышается по сравнению с известными видами цементов обычного состава.

Характеристики полученных вяжущих веществ приведены в табл.2 (примеры 1-5). Для сравнения приведены показатели известного прототипа в табл.3 (примеры 1-7). В таблицах 2, 3 приняты следующие обозначения основных компонентов:

К - портландцементный клинкер;

Г - двуводный гипс;

Д - минеральная добавка;

R_сж - предел прочности при сжатии.

Анализ результатов табл.2 показывает, что

- предложенный цемент, имеющий в своем составе минеральную добавку - верлит, обладает повышенной прочностью по сравнению с обычным портландцементом марки М 400;

- оптимальным является состав, содержащий 30% верлита, 70% портландцементного клинкера и 2% двуводного гипса (от массы верлита и клинкера);

- с увеличением расхода добавки верлита, начиная с 40%, снижением клинкера до 60% прочность цемента падает;

- все составы цемента набирают прочность за 7 суток хранения образцов в нормально-влажностных условиях;

- прочность цемента повышается при хранении образцов в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях, что позволяет сделать заключение о наборе прочности в более поздние сроки твердения.

Следовательно, при получении цемента с минеральными добавками совместным помолом в стержневой вибрационной установке входящих компонентов, оптимальным является состав, содержащий, мас.%: верлит - 25-30, портландцементный клинкер - 70-75, двуводный гипс - 2 от массы верлита и клинкера, обеспечивающий хорошие показатели прочности при нормально-влажностных условиях твердения.

Таблица 1
Химический состав верлита, мас.%
Компонент Верлит	SiO2	Al2O 3	FeO	Fe 2O3	CaO	MgO	K2 O+Na2O
	39,70	1,80	10,70	0,42	0,81	43,83	0,19

Таблица 2
Показатели физико-механических свойств цемента с добавкой верлита
Состав цемента, мас.%			Предел прочности при сжатии,		Средняя плотность,
			МПа, в возрасте		кг/м
К	Д	Г	7 суток	28 суток
		(от массы смеси К+Д)
80	20	2	36,3	51,5	2253
75	25	2	43,8	54,9	2241
70	30	2	59,6	61,0	2216
65	35	2	40,7	53,2	2280
60	40	2	38,5	47,9	2345
100	-	2	36,9	42,3	2032

Таблица 3
Показатели физико-механических свойств известного прототипа
Состав вяжущего, мас.%			Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте		Средняя плотность, кг/м3
К	Д	Г	7 суток	28 суток
77	20	3	8,8	8,9	1431
72	25	3	13,7	14,3	1519
67	30	3	28,8	30,1	2029
62	35	3	31,0	32,1	2076
57	40	3	33,3	34,2	2248
52	45	3	29,8	30,2	2239
47	50	3	26,7	27,1	2226
97	-	3	29,6	30,0	2095

Таким образом, предлагаемый цемент с минеральными добавками имеет следующие преимущества по сравнению с известным:

- увеличены прочностные показатели на 78,4% по сравнению с прототипом и на 44,1% по сравнению с контрольным образцом;

- отсутствует гидромеханоактивация верлита, что приводит к снижению определенных технологических затрат при производстве предлагаемого цемента;

- снижение себестоимости за счет использования отвальной породы, каковой является верлит;

- получение готового конечного продукта.

Предлагаемый цемент отличается от прототипа тем, что содержит в своем составе магнийсиликатную породу - верлит - и обладает повышенными прочностными характеристиками.

Предлагаемый цемент с минеральными добавками разработан в лаборатории химии и технологии природного сырья БИЛ СО РАН.

Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию "промышленная применимость".