способ приготовления строительных растворов и бетонов на их основе
| Классы МПК: | C04B11/30 с гидравлическими цементами, например портландцементом |
| Автор(ы): | Лобов Олег Иванович (RU), Эпп Александр Арнович (RU), Иваненко Виктор Иванович (RU), Филаретов Александр Александрович (RU) |
| Патентообладатель(и): | Лобов Олег Иванович (RU), Эпп Александр Арнович (RU), Иваненко Виктор Иванович (RU), Филаретов Александр Александрович (RU) |
| Приоритеты: |
подача заявки:
2008-08-27 публикация патента:
27.08.2009 |
Изобретение относится к производству строительных материалов и касается способа приготовления строительных растворов и бетонов на их основе. Смешивают цемент, негашеную известь, кварцевый песок, измельченное диатомитовое сырье и воду. Диатомитовое сырье используют в виде фракции 1-3 мм не менее мас.%: 50 и не более 5 мм - остальное. Смешивание осуществляют путем введения водной суспензии указанного сырья в предварительно приготовленную смесь цемента, извести, кварцевого песка и крупного заполнителя, при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент 20-30, негашеная известь 4-6, крупный заполнитель 0-20, кварцевый песок остальное, диатомитовое сырье 5-30 от массы цемента, вода до осадки конуса 1-9 см. Изобретение обеспечивает получение строительных смесей и бетонов на их основе с использованием существующих технологических линий, без снижения качества конечных изделий. 2 табл.
Формула изобретения
Способ приготовления строительной смеси, характеризующийся тем, что смешивают цемент, негашеную известь, кварцевый песок, измельченное диатомитовое сырье и воду, отличающийся тем, что диатомитовое сырье используют в виде фракции 1-3 мм не менее мас.%: 50, не более 5 мм - остальное, смешивание осуществляют путем введения водной суспензии указанного сырья в предварительно приготовленную смесь цемента, извести, кварцевого песка и дополнительно крупного заполнителя при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Цемент | 20-30 |
| Негашеная известь | 4-6 |
| Крупный заполнитель | 0-20 |
| Кварцевый песок | Остальное |
| Диатомитовое сырье | 5-30 от массы цемента |
| Вода | До осадки конуса 1-9 см |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области строительных материалов, а именно к смесям, используемым при производстве строительных растворов и приготовлении бетонов на их основе.
Известен способ приготовления строительных растворов, заключающийся в размоле составляющих и приготовлении сухой смеси смешением следующих компонентов в соотношении: (объемные части)
- портландцемент любой разновидности - 1;
- активные и инертные тонкодисперсные кремнеземсодержащие материалы - золу уноса, керамическую пыль, пемзу, золы и шлаки ТЭЦ, стеклянный бой, отходы производства кирпича и других керамических изделий, мелкий кварцевый песок, микрокремнезем, кремнегель и т.п. материалы: от 1 до 2; суперпластификатор - (0,1 0,25) (1). Максимальное значение удельной поверхности полученного строительного раствора приведенного сырьевого состава составляет около 500 м2/кг.
Однако данный показатель, определяющий остальные физико-механические свойства строительных растворов, не всегда достаточен для приготовления бетонов и строительных изделий на их основе. Кроме того, недостатком является и сложность состава смеси. Исключение из состава смеси некоторых компонентов отрицательно сказывается на механических свойствах получаемого раствора.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому способу приготовления строительного раствора и бетонов на их основе является способ приготовления строительных растворов, применяемых в качестве связующего при кладке блоков из ячеистых бетонов, в котором готовится сухая строительная смесь, включающая цемент, известь, песок, а в качестве наполнителя добавляют предварительно измельченный и высушенный до постоянной массы диатомит при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент 25-30, известь 4-6, диатомит 20-30, песок остальное (2).
Недостатком известного способа приготовления строительного раствора является неоднородность смеси из-за присутствия в ней частиц диатомитовой глины различного размера, обусловленная измельчением массы диатомита до сушки. В процессе сушки возможно дополнительное слипание частиц глины. Наличие различных по размеру частиц диатомитовой глины в строительном растворе обуславливает его повышенную пластичность и ограничивает его использование, в частности, для приготовления бетонов.
Кроме того, необходимость контроля параметров процесса сушки диатомита, что определяется требованием высушивания диатомита до постоянства массы, накладывает ограничения на возможность использования способа в условиях строительной площадки.
Техническим результатом использования заявляемой сырьевой смеси для приготовления строительных растворов и бетонов на их основе является удешевление последних без снижения качества конечных изделий.
Поставленная задача достигается тем, что в способе приготовления строительной смеси, характеризующемся тем, что смешивают цемент, негашеную известь, кварцевый песок, измельченное диатомитовое сырье и воду, согласно изобретению, диатомитовое сырье используют в виде фракции 1-3 мм не менее мас.%: 50, не более 5 мм - остальное, смешивание осуществляют путем введения водной суспензии указанного сырья в предварительно приготовленную смесь цемента, извести, кварцевого песка и дополнительно крупного заполнителя при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Цемент | 20-30 |
| Негашеная известь | 4-6 |
| Крупный заполнитель | 0-20 |
| Кварцевый песок | остальное |
| Диатомитовое сырье | 5-30 от массы цемента |
| Вода | до осадки конуса 1-9 см |
Высокую дисперсность частиц диатомитового сырья, которые поддаются классификации известными механическими способами, позволяя отобрать, например, посредством ряда сит, необходимую фракцию, в которой не менее 50% по массе составляют частицы, с размерами 1,0-3,0 мм и не более 5 мм - остальное, позволяет обеспечить измельчение диатомитового сырья после сушки. Помол высушенного диатомитового сырья производится до практической однородности частиц, что позволяет использовать весь объем диатомитового сырья.
Известно, что диатомитовые глины по зерновому составу относятся к пылеватым суглинкам, характеризующимся невысоким удельным сцеплением внутри зерновых элементов. Приготовление водной суспензии диатомита идет при активном механическом перемешивании, и намокшие частицы диатомитовой глины распадаются на более мелкие частицы, обеспечивая устойчивость суспензии, в которой преобладают частицы диатомита, эквивалентные или сопоставимые по размерам с частицами цемента, используемого для приготовления бетона. Экспериментально установлено, что частицы диатомита указанного диапазона размеров, при попадании в воду, распадаются на более мелкие фракции даже без перемешивания, что обусловлено пониженными прочностными характеристиками частиц перемятой при помоле глины. В частности, размеры частиц диатомита в водной суспензии составляют уже от 10 до 500 мкм, т.е. они эквивалентны или сопоставимы с размерами частиц цемента, используемого для приготовления бетона. Эквивалентные или сопоставимые с размерами частиц цемента частицы диатомита, являющегося активным минеральным материалом с большим содержанием аморфного кремнезема, обладающего пуццолановой активностью, наряду с частицами цемента вступают в реакции с гидроокисью кальция Са(ОН)2 извести, аналогичные реакциям, в которых участвуют частицы цемента. При этом вяжущие соединения образуются одновременно на поверхности микрочастиц диатомитового сырья и цемента. При введении водной суспензии диатомитового сырья в цементную смесь в процессе приготовления бетонов реактивные сферические микрочастицы диатомитового сырья, активизированные водой, окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями бетона. Происходит замещение частиц цемента активными частицами диатомитового сырья, что позволяет уменьшить процентное содержание цемента в составе бетонной смеси без понижения технических характеристик последней. Введение добавки диатомитового сырья в виде водной суспензии обеспечивает высокую степень смешивания компонентов, которой не удается достичь при «сухом» смешивании.
Достоинством заявляемого состава сырьевой смеси для приготовления строительных растворов и бетонов на их основе является, также, использование существующих технологических линий, практически без реконструкции: для приготовления водной суспензии диатомитового сырья устанавливается дополнительный смесительный узел, из которого в смеситель для приготовления бетонов, через бак объемной дозировки воды, насосом подается водная суспензия диатомитового сырья. При необходимости, дополнительный смесительный узел отключается и в технологическом цикле можно использовать воду.
Использование диатомитового сырья в водной суспензии, как источника кремнезема с высоким содержанием окиси кремния, известно, в частности в способе получения гидросиликата кальция (см. описание изобретения к авторскому свидетельству № 268390 по Кл. С01b, опубликовано 09.07.1970 г. (3) и в способе получения связующих металлорганических соединений при изготовлении минераловатных или стекловолоконных материалов, приведенном в (4).
В способе получения гидросиликата кальция водная суспензия, с 20%-ным содержанием диатомита, смешивается с известковым молоком с 27,5% содержанием СаО и четырехкратным объемом воды, и к суспензии добавляют низкомолекулярную сульфонафтеновую кислоту. Реакцию образования гидросиликата кальция проводят в автоклаве при повышенной температуре, затем полученный продукт отфильтровывают, высушивают и измельчают, и в последующем полученный продукт используется в качестве наполнителя при вулканизации резиновых смесей, т.е. в конечном процессе связующее, полученное с добавлением сульфонафтеновой кислоты, распределяется по поверхности частиц продуктов резиновых смесей.
В способе получения связующих по патенту США № 6866709 в водной суспензии кремнеземсодержащих пород, при интенсивном перемешивании последней, получают металлосодержащие кремнийорганические соединения, которые в последующем используют для изготовления теплоизоляционных материалов из минеральных волокон.
В обоих известных технических решениях процессы получения связующих и использования их для получения конечного продукта являются самостоятельными процессами, разнесены во времени, а частицы диатомитового сырья в водной суспензии не вступают в химические реакции с компонентами, являющимися основой для получения конечного продукта.
В заявляемом способе приготовления строительных растворов и бетонов на их основе, при приготовлении водной суспензии, в которой использована фракция диатомита с преобладающими по массе частицами с размерами от 1 до 3 мм, и с остальными частицами, размеры которых не превышают 5 мм, образуется устойчивая суспензия с размерами частиц от 10 до 500 мкм, т.е. эквивалентными или сопоставимыми с размерами частиц цемента, и, при использовании водной суспензии диатомита для затворения бетонной смеси, связующее образуется на поверхности микрочастиц и цемента и диатомита, что позволяет использовать диатомит в качестве заместителя цемента. Пуццолановая реакция на поверхности частиц цемента и кремнезема приводит к образованию геля с высоким содержанием связующего и связанной воды, повышая пластичность приготовленной бетонной смеси. При этом, не смотря на явную экономию цемента в бетонном тесте, технические характеристики получаемого бетона не ухудшаются. Диатомитовая добавка с размерами частиц, эквивалентными или сопоставимыми с размерами частиц цемента, вводимая в виде водной суспензии, обеспечивает достаточное количество вяжущих соединений, определяющих технические характеристики получаемого бетонного камня.
Предлагаемый способ приготовления строительного бетона был реализован в лабораторных условиях. Для приготовления опытных образцов бетонных смесей марок от М50 до М300 использовались портландцементы марок М300, М400 и М500. В качестве диатомитового сырья брали природное сырье - диатомит Камышловского месторождения. По химическому составу природные диатомиты (в частности, диатомиты Камышловского месторождения, Свердловская область) содержат от 65 до 85% SiO2, в том числе до 39-55% аморфного кремнезема; от 4,3 до 15,7% - Al2O3; от 2 до 5,3% Fe2O 3; от 0,15 до 1,8% - СаО и от 1 до 2% окислов щелочных металлов: Na2O, K2O, что приближает диатомиты по составу к микрокремнеземам, получаемым техногенным путем.
Экспериментально установлено, что при содержании диатомита в водной суспензии от 5 до 30% от массы цемента на сухое вещество обеспечивается изменение соотношения CaO/SiO 2 от 0,9 до 1,3, что определяет активизацию реакций гидратации. Уровень водородного показателя рН воды в порах бетона на обычном портландцементе равен 14. При добавлении даже умеренного количества аморфного кремнезема он очень быстро снижается до 13. При добавлении диатомита в виде водной суспензии, содержащей свыше 15% от массы цемента, окись кремния забирает из воды в порах практически все ионы окиси кальция, понижая уровень рН до 12,5. При добавлении диатомита около 25-30% окись кремния нейтрализует всю свободную известь, освобожденную силикатами портландцемента. Дальнейшее увеличение содержания диатомитового сырья нецелесообразно из-за законченности реакций нейтрализации гидроокиси кальция.
Опытным путем также установлено, что измельчение диатомитового сырья в большей степени нецелесообразно из-за резкого увеличения энергетических затрат, а при отборе фракций с частицами больших размеров снижается пуццолановая активность добавки.
Сухие смеси из цемента, извести и песка затворялись водной суспензией диатомита, для приготовления которой диатомитовое сырье подвергалось сушке и помолу, и для приготовления суспензии использовались фракции, в которых содержание частиц с размерами от 1 до 3 мм составляло не менее, мас.%, 50, а остальное - частицы с размерами не более 5 мм. Такая классификация частиц диатомитового сырья обеспечивает эквивалентность или сопоставимость частиц, получаемых в водной суспензии, с размерами частиц цемента, используемого для приготовления определенной бетонной смеси.
Пример поясняется таблицами (Приложение 1 к описанию и Приложение 2), в которых приведены результаты лабораторных испытаний различных марок легких бетонов, используемых в несущих конструкциях промышленных и гражданских зданий и изготавливаемых посредством заявленного способа.
Приведенные в Приложении 1 данные относятся к бетонным смесям на песке с Мк=2-2,5, без крупного заполнителя (при нулевом содержании крупного заполнителя) и с нормальной густотой 26-28%, обеспечивающей осадку конуса в пределах 1-9 см.
Средняя масса высушенного бетонного камня составила 1000 кг/м3.
В Приложении 2 приведены примеры смесей с крупным заполнителем при максимальном его содержании в бетонном камне. При составлении смесей использовались природные крупные заполнители (пемза, туф, пористые известняки и др.), с удельным весом около 1500 кг/м3. Плотность образцов полученных бетонов приведена в таблице.
Удобоукладываемость опытных образцов бетонных смесей составляла 5-10 сек.
При подборе состава бетона оптимальная дозировка диатомита устанавливалась экспериментально в указанном диапазоне соотношений цемента и диатомитового сырья, вводимого в виде водной суспензии.
Анализ приведенных в таблицах данных позволяет сделать вывод об обеспечении полученных составов бетонов необходимой удобоукладываемостью и подвижностью при значительной экономии цемента.
Для примера, только в Свердловской области, при использовании диатомитов Камышловского месторождения можно достичь экономии до 400-450 тысяч тонн цемента в год, т.е. высвободить мощности Невьянского цементного завода.
Источники информации
1. Ю.М.Баженов, В.Ф.Коровяков, Г.А.Денисов - Технология сухих строительных смесей, М., 2003, Изд. Ассоциации строительных вузов, стр.20-25, 48.
2. Описание к патенту РФ № 2297991 по Кл. С04В 28/02, опубликовано 27.04.2007 г. (прототип).
3. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 268390 по Кл. С01b, опубликовано 09.07.1970 г.
4. Описание изобретения к патенту США № 6866709 по Кл. НКИ 106/38.3; 106/600; 106/602; 106/644; 106/711; 501/80, МКл. С03С 25/42, опубликовано 30.04.2001 г.
| Приложение 1 к описанию. Примеры сырьевой смеси и физико-механические свойства полученных образцов бетонных смесей без крупного заполнителя. | ||||||||
| Марка портландцемента по ГОСТ 10178 (УД. вес кг/м3) | Класс (Марка) бетона / Плотность образца после набора твердости (кг/м3)/ | Расход цемента без добавления диатомита и крупного заполнителя кг/м3 (мас.%) | Оптимальный вес диатомита (% массовый на сухое вещество цемента) | Расход цемента при использовании диатомита кг/м3 (мас.%) | Расход негашеной извести, Уд. вес 1000 кг/м3 (мас.%) | Расход песка Мк 2-2,5 Уд. вес 1500 кг/м3 | Расход воды (мас.% на сухой объем цемента) | Осадка конуса, см |
| М-300 | В3,5 (М50) | 265 (26,5) | 5,0 | 240 (24,0) | 40 (4,0) | 700-650 | 40-45 | 1-6 |
| (1100) | /1000/ | 255 (25,5) | 7,5 | 220 (22,0) | 50 (5,0) | 710-660 | ||
| 245 (24,5) | 10,0 | 210 (21,0) | 60 (6,0) | 705-665 | | |||
| М-400 | В7,5 (М100) | 245 (24,5) | 10,0 | 190 (19,0) | 40 (4,0) | 750-755 | 40-45 | 1-6 |
| (1200) | /1000/ | 235 (23,5) | 15,0 | 180 (18,0) | 50 (5,0) | 740-745 | ||
| | 200 (20,0) | 20,0 | 160 (16,0) | 60 (6,0) | 745-750 | | ||
| В10 (М150) | 265 (26,5) | 20,0 | 210 (21,0) | 40 (4,0) | 705-710 | 45-50 | 5-9 | |
| /1000/ | 245 (24,5) | 22,5 | 200 (20,0) | 50 (5,0) | 705-710 | |||
| | 235 (23,5) | 25,0 | 170 (17,0) | 60 (6,0) | 715-720 | | ||
| В15 (М200) | 310 (31) | 25,0 | 220 (22,0) | 40 (4,0) | 680-685 | 45-50 | 5-9 | |
| /1000/ | 285 (28,5) | 27,5 | 210 (21,0) | 50 (5,0) | 680-685 | |||
| | 270 (27,0) | 30,0 | 200 (20,0) | 60 (6,0) | 680-685 | | ||
| В20 (М250) | 355 (35,5) | 25,0 | 260 (26,0) | 40 (4,0) | 630-640 | 45-50 | 5-9 | |
| /1000/ | 325 (32,5) | 27,5 | 240 (24,0) | 50 (5,0) | 640-645 | |||
| | 305 (30,5) | 30 | 210 (21,0) | 60 (6,0) | 660-670 | | ||
| В22,5 (М300) | 400 (40,0) | 25,0 | 280 (28,0) | 40 (4,0) | 605-610 | 45-50 | 5-9 | |
| /1000/ | 365 (36,5) | 27,5 | 260 (26,0) | 50 (5,0) | 615-620 | |||
| 345 (34,5) | 30,0 | 210 (21,0) | 60 (6,0) | 660-670 | | |||
| М-500 | В15 (М200) | 235 (23,5) | 20,0 | 190 (19,0) | 40 (4,0) | 730-735 | 45-50 | 5-9 |
| (1300) | /1000/ | 210 (21,0) | 22,5 | 170 (17,0) | 50 (5,0) | 740-745 | ||
| | 200 (20,0) | 25,0 | 150 (15,0) | 60 (6,0) | 745-750 | | ||
| В20 (М250) | 275 (27,5) | 25,0 | 200 (20,0) | 40 (4,0) | 710-715 | 45-50 | 5-9 | |
| /1000/ | 250 (25,0) | 27,5 | 180 (18,0) | 50 (5,0) | 710-715 | |||
| | 235 (23,5) | 30,0 | 170 (17,0) | 60 (6,0) | 715-720 | | ||
| В22,5 (М300) | 315 (31,5) | 25,0 | 210 (21,0) | 40 (4,0) | 690-700 | 45-50 | 5-9 | |
| /1000/ | 290 (29,0) | 27,5 | 200 (20,0) | 50 (5,0) | 690-700 | |||
| 270 (27,0) | 30,0 | 190 (19,0) | 60 (6,0) | 690-700 | |
| Приложение 2 к описанию. Примеры сырьевой смеси и физико-механические свойства полученных образцов бетонных смесей с крупным заполнителем. | ||||||||
| Марка портландцемента по ГОСТ 10178 (уд. вес кг/м3) | Класс (Марка) бетона /Плотность образца после набора твердости (кг/м3)/ | Расход цемента при добавлении диатомита, кг/м3 | Оптимальный вес диатомита кг (% массовый на сухое вещество цемента) | Расход негашеной извести, Уд. вес 1000 кг/м3 кг, (мас.%) | Расход песка Мк 2-2,5 Уд. вес 1500 кг/м3 | Расход крупного заполнителя Уд. Вес 1500 кг/м3 кг/м 3 (мас.%) | Расход воды (мас.% на сухой объем цемента) | Осадка конуса, см |
| М-300 | В3,5 (М50) | 285 | 15,0 (5,0) | 60 (4,0) | 840-830 | 300 (20,0) | 40-45 | 1-6 |
| (1100) | /1500/ | 277,5 | 22,5 (7,5) | 75 (5,0) | 825-820 | | ||
| 270 | 30,0 (10,0) | 80 (6,0) | 820-815 | | ||||
| М-400 (1200) | В7,5 (М100) | 225 | 25 (10,0) | 60 (4,0) | 890-860 | 300 (20,0) | 40-45 | 1-6 |
| | /1500/ | 212,5 | 37,5 (15,0) | 75 (5,0) | 875-870 | | ||
| | 200 | 50,0 (20,0) | 80 (6,0) | 870-860 | | |||
| В10 (М150) | 288 | 32,0 (10,0) | 64 (4,0) | 900-890 | 320 (20,0) | 50-55 | 5-9 | |
| | /1600/ | 272 | 48,0 (15,0) | 80 (5,0) | 885-880 | | ||
| | 256 | 64,0 (20,0) | 96 (6,0) | 880-870 | | |||
| В15 (М200) | 306 | 34,0 (10,0) | 68 (4,0) | 960-950 | 340 (20,0) | 50-55 | 5-9 | |
| | /1700/ | 289 | 51,0 (15,0) | 85 (5,0) | 940-930 | | ||
| | 272 | 68,0 (20,0) | 102 (6,0) | 920-910 | | |||
| В22,5 (М300) | 324 | 36,0 (10,0) | 72 (4,0) | 1010-1000 | 360 (20,0) | 50-55 | 5-9 | |
| | /1800/ | 316 | 54,0 (15,0) | 90 (5,0) | 990-980 | | ||
| 288 | 72,0 (20,0) | 102 (6,0) | 970-960 | | ||||
| М-500 | В15 (М200) | 214 | 25,0 (10,0) | 64 (4,0) | 980-970 | 320 (20,0) | 60-65 | 5-9 |
| (1300) | /1600/ | 206 | 40,0 (15,0) | 80 (5,0) | 960-950 | |||
| | 197 | 49,0 (20,0) | 96 (6,0) | 940-930 | | |||
| В20 (М250) | 235 | 26,5 (10,0) | 68 (4,0) | 1020-1010 | 340 (20,0) | 60-65 | 5-9 | |
| | /1700/ | 207 | 39,0 (15,0) | 85 (5,0) | 1010-1000 | | ||
| | 197 | 49,0 (20,0) | 102 (6,0) | 1000-990 | | |||
| В22,5 (М300) | 276 | 36 (10,0) | 72 (4,0) | 1050-1040 | 360 (20,0) | 60-65 | 5-9 | |
| | /1800/ | 235 | 54 (15,0) | 90 (5,0) | 1060-1050 | | ||
| 221 | 72 (20,0) | 102 (6,0) | 1040-1030 | | ||||
| Природные крупные заполнители (пемза, туф, пористые известняки и др.). |
Класс C04B11/30 с гидравлическими цементами, например портландцементом