вяжущее
Классы МПК: | C04B7/153 его смеси с другими неорганическими вяжущими материалами или другими активаторами |
Автор(ы): | Гаркави Михаил Саулович (RU), Шадрунова Ирина Владимировна (RU), Колодежная Екатерина Владимировна (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-12-24 публикация патента:
10.11.2009 |
Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для укрепления грунтов оснований автомобильных и железных дорог, для устройства фундаментов жилых и гражданских сооружений, для получения ячеистых бетонов, а также для укрепления отвалов тонкодисперсных промышленных отходов горнорудных и других предприятий. Вяжущее, содержащее шлак цветной металлургии, жидкое стекло и наполнитель, содержит в качестве шлака цветной металлургии шлак медной плавки, в качестве наполнителя - хвосты обогащения медно-колчеданных руд, жидкое стекло - с плотностью 1,18-1,23 г/см3 и дополнительно - лигносульфонат технический и сталеплавильный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%: шлак медной плавки 48,0-74,0, указанное жидкое стекло 6,0-9,0, лигносульфонат технический 0,1-0,4, сталеплавильный шлак 1,8-3,6, указанные хвосты - остальное. Технический результат - повышение прочности, скорости твердения, водо- и морозостойкости. 2 табл.
Формула изобретения
Вяжущее, содержащее шлак цветной металлургии, жидкое стекло и наполнитель, отличающееся тем, что оно содержит в качестве шлака цветной металлургии шлак медной плавки, в качестве наполнителя - хвосты обогащения медно-колчеданных руд, жидкое стекло - с плотностью 1,18-1,23 г/см3 и дополнительно - лигносульфонат технический и сталеплавильный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:
шлак медной плавки | 48,0-74,0 |
указанное жидкое стекло | 6,0-9,0 |
лигносульфонат технический | 0,1-0,4 |
сталеплавильный шлак | 1,8-3,6 |
указанные хвосты | остальное |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для укрепления грунтов оснований автомобильных и железных дорог, для устройства фундаментов жилых и гражданских сооружений, для получения ячеистых бетонов, а также для укрепления отвалов промышленных отходов горнорудных и других предприятий.
Известно вяжущее на основе молотого вторичного гранулированного шлака цветной металлургии, содержащее следующие компоненты, вес.ч.:
Молотый вторичный граншлак | |
цветной металлургии | 2-3 |
Отходы обогащения металлургических | |
руд с содержанием SiO2 не менее 30% | 0,5-1 |
Щелочной возбудитель схватывания | 0,2-1 |
В качестве щелочного возбудителя схватывания вяжущее содержит известь или портландцемент (см. Авт.св. СССР № 316665, С04В 7/14).
Недостатком известного вяжущего является низкая прочность, морозостойкость и водостойкость за счет того, что входящий в его состав щелочной возбудитель (известь или портландцемент) при взаимодействии с гранулированным шлаком и отходами обогащения металлургических руд образуют химические соединения, которые под воздействием воды и отрицательных температур разрушаются, снижая вышеуказанные свойства вяжущего.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является вяжущее, содержащее следующие компоненты, мас.%:
Никелевый гранулированный шлак | 52-78 |
Едкий натр или дисиликат натрия | |
в пересчете на Na2O | 2-8 |
Горелая порода | 20-40 |
(см. Авт.св. СССР № 925895, С04В 7/14)
Недостатком известного вяжущего является низкая скорость твердения в естественных условиях за счет того, что входящий в состав никелевый шлак проявляет гидравлическую активность только при повышенной (более 40°С) температуре, что приводит к медленному твердению состава и, следовательно, к его низкой прочности. Также известное вяжущее имеет низкую морозостойкость и водостойкость за счет того, что входящие в состав никелевого шлака железистые силикаты при твердении образуют химические соединения, активно разрушающиеся при взаимодействии с водой и в условиях попеременного замораживания и оттаивания.
В основу изобретения поставлена задача разработать состав вяжущего, одновременно обладающего комплексом свойств: высокой прочностью, скоростью твердения в естественных условиях, водостойкостью и морозостойкостью.
Поставленная задача решается тем, что известное вяжущее, включающее шлак цветной металлургии, жидкое стекло и наполнитель, согласно изобретению содержит в качестве шлака цветной металлургии шлак медной плавки, в качестве наполнителя - хвосты обогащения медно-колчеданных руд, жидкое стекло - с плотностью 1,18-1,23 г/см3 и дополнительно - лигносульфонат технический и сталеплавильный шлак, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Шлак медной плавки | 48,0-74,0 |
Указанное жидкое стекло | 6,0-9,0 |
Лигносульфонат технический | 0,1-0,4 |
Сталеплавильный шлак | 1,8-3,6 |
Указанные хвосты | Остальное |
Жидкое стекло - водный раствор стекловидных силикатов щелочных металлов (натрия или калия), представляет собой густую вязкую прозрачную жидкость без механических включений и примесей (см. Кузнецова Т.В и др. Специальные цементы. - СПб.: Стройиздат, 1997. - С.220-226).
Лигносульфонат технический (ЛСТ) - является продуктом переработки отходов основного производства целлюлозно-бумажных комбинатов. Представляет собой кальциевую соль лигносульфоновой кислоты, содержащую активные функциональные группы разной полярности (-SO3H, -ОН, >С=О), перемежающиеся с неполярными радикалами. Содержит в своем составе различные углеводороды, свободную серную кислоту и сульфаты. Выпускается в виде жидкого или твердого концентрата, хорошо растворимого в воде (см. Андреева А.Б. Пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки в бетонах и растворах. - М.: Высшая школа, 1988. - С.34-35).
Сталеплавильный шлак является отходом при производстве стали, который образуется за счет окисления примесей шихты специально вводимыми раскислителями, а также растворения флюса (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. - Киев: Вища школа, 1975. - С.314).
Сталеплавильный шлак имеет следующий химический состав, мас.%: СаО - 35,3; SiO 2 - 20,9; Аl2О3 - 12,2; Fe2 O3 - 23,3; MgO - 6,93; SO3 - 1,37.
В состав кристаллической фазы сталеплавильного шлака входят двухкальциевый силикат (2CaO·SiO2), мервинит, алюмоферриты кальция.
Хвосты обогащения медно-колчеданных руд представляют собой тонкодисперсную минеральную массу с размером частиц не более 0,074 мм. Хвосты обогащения медно-колчеданных руд имеют следующий химический состав, мас.%: Сu - 0,16; Zn - 0,43; S - 15,96; Fe - 26,2; SiO2 - 31,34; As - 0,09; Ca - 3,3; Mg - 4,82; Co - 0,01; прочие - 17,69.
Известно использование лигносульфоната технического в качестве пластификатора бетонных и растворных смесей (см. Добавки в бетон. Справочное пособие. - М.: Стройиздат, 1988. - С.95-99) и в качестве связующего материала в литейном производстве (см. Борсук П.А. Жидкие самотвердеющие смеси. - М.: Машиностроение, 1979. - С.87-94).
В заявляемом вяжущем лигносульфонат технический (ЛСТ) одновременно проявляет комплекс новых технических свойств, заключающихся:
- в регулировании процесса полимеризации жидкого стекла путем образования при гидролизе ЛСТ сложных эфиров лигносульфоновой кислоты, являющихся активизаторами полимеризации жидкого стекла, что обеспечивает повышение прочности заявляемого состава;
- в нейтрализации избыточной щелочности состава, что способствует снижению тепловыделения при его затвердевании, а следовательно, приводит к увеличению плотности, прочности, водостойкости и морозостойкости вяжущего;
- в ускорении окисления пирита (FeS2), содержащегося в шлаке цветной металлургии и хвостах обогащения медно-колчеданных руд, за счет со держания в ЛСТ свободной серной кислоты, что способствует образованию в качестве конечного продукта окисления - гидроксида железа, обладающего цементирующими и уплотняющими свойствами, обеспечивающими увеличение прочности, водостойкости и морозостойкости вяжущего.
Сведений о вышеуказанном комплексе новых технических свойств, проявляемых лигносульфонатом техническим (ЛСТ), в известных источниках информации не обнаружено.
Известно использование сталеплавильного шлака в качестве компонента вяжущих веществ совместно с известью, гипсом или портландцементным клинкером, твердеющих при автоклавной обработке (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. - Киев: Вища школа, 1975. - С.315-321).
В заявляемом вяжущем сталеплавильный шлак проявляет новое техническое свойство, заключающееся в ускорении твердения жидкого стекла за счет того, что входящий в состав сталеплавильного шлака двухкальциевый силикат (2CaO·SiO2)) вступает во взаимодействие с жидким стеклом, вследствие чего в составе вяжущего уменьшается количество влаги, что приводит к возрастанию плотности материала, ускорению его твердения в естественных условиях, а также к увеличению прочности, водостойкости и морозостойкости вяжущего.
Сведений о вышеуказанном новом техническом свойстве сталеплавильного шлака в известных источниках информации не обнаружено.
На основании вышеизложенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемая вяжущая композиция не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует уровню патентоспособности - «изобретательский уровень».
Пример конкретного выполнения
Заявляемое вяжущее готовят следующим образом.
Предварительно смешивают в течение 5 минут лигносульфонат технический (ЛСТ) и жидкое стекло с плотностью 1,18-1,23 г/см3 в заявляемых соотношениях. Затем в полученную смесь вводят тонкоизмельченный шлак медной плавки и наполнитель, в качестве которого используют хвосты обогащения медно-колчеданных руд, а затем вводят ускоритель твердения жидкого стекла - молотый сталеплавильный шлак. Полученную смесь перемешивают в течение 1 минуты до получения однородной массы, после чего она готова к применению.
Для обоснования преимущества заявляемого вяжущего по сравнению с прототипом, а также для обоснования количественного содержания компонентов в заявляемом составе вяжущего в лабораторных условиях было приготовлено и испытано шесть составов вяжущего:
составы № 1-3 с заявляемым содержанием компонентов;
состав № 4 с содержанием компонентов, выходящим за минимальные заявляемые пределы;
состав № 5 с содержанием компонентов, выходящим за максимальные заявляемые пределы;
состав № 6 был приготовлен по прототипу.
Для приготовления заявляемого вяжущего (составы 1-5) были использованы следующие исходные материалы:
- шлак медной плавки с удельной поверхностью 400 м2/кг;
- жидкое стекло по ГОСТ 13079-81 плотностью 1,20 г/см3;
- лигносульфонат технический (ЛСТ) по ОСТ 13-183-83;
- ускоритель твердения жидкого стекла - тонкоизмельченный сталеплавильный шлак с удельной поверхностью 400 м2/кг.
- наполнитель - хвосты обогащения медно-колчеданных руд крупности - 0,074+0 мм;
Для приготовления вяжущего, взятого за протопит, были использованы материалы:
- никелевый гранулированный шлак;
- жидкое стекло по ГОСТ 13079-81 плотностью 1,20 г/см3;
- горелая порода.
Составы вяжущих приведены в таблице 1.
Готовили составы вяжущего по вышеописанной технологии.
Для определения прочности из вяжущего изготавливали образцы-кубы с ребром 70 мм, которые после твердения при температуре 20°С и относительной влажности воздуха 98% испытывали на сжатие в возрасте 2 и 28 суток. Испытание на прочность проводили в соответствии с ГОСТ 10180-90 «Методы определения прочности по контрольным образцам». Водостойкость вяжущего определяли по величине коэффициента размягчения, равного отношению прочности вяжущего в водонасыщенном состоянии к прочности сухих образцов. Водостойкими считаются материалы, имеющие коэффициент размягчения не ниже 0,7.
Испытание на морозостойкость проводилось в соответствии с ГОСТ 10060-87 «Методы определения морозостойкости»
Результаты испытаний вяжущих приведены в таблице 2.
Таблица 1 | ||||||
Наименование компонентов | Содержание компонентов, мас.%, в составах | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 (прототип) | |
Наполнитель: | 30,0 | |||||
- горелая порода | ||||||
- хвосты обогащения медно-колчеданных руд | 44,1 | 28,55 | 13 | 30,05 | 27,85 | - |
Шлак цветной металлургии тонкоизмельченный: | ||||||
- никелевый гранулированный шлак | - | - | - | - | - | 65,0 |
- шлак медной плавки | 48 | 61 | 74 | 61 | 61 | - |
Жидкое стекло | 6 | 7,5 | 9 | 7,5 | 7,5 | 5,0 |
Лигносульфонат технический | 0,1 | 0,25 | 0,4 | 0,05 | 0,45 | - |
Ускоритель твердения жидкого стекла | ||||||
- сталеплавильный шлак | 1,8 | 2,7 | 3,6 | 1,4 | 3,2 |
Анализ результатов испытаний показал, что заявляемое вяжущее (составы № 1-3) по сравнению с вяжущим, взятым за прототип, позволяет:
- повысить прочность на 10-45,5%;
- увеличить водостойкость на 11,5-20,5%;
- повысить морозостойкость на 17,4-34,8%.
При этом скорость твердения заявляемого вяжущего по сравнению с прототипом возрастает в 1,45 раза.
Использование вяжущего составов № 4 и 5 нецелесообразно, так вяжущее состава № 4 имеет низкую водостойкость и морозостойкость, а вяжущее состава № 5 хотя и имеет достаточно высокую прочность и морозостойкость, однако обладает низкой водостойкостью.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемое вяжущее работоспособно и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе, что подтверждается примерами конкретного выполнения. Соответственно заявляемое вяжущее, обладая комплексом высоких строительно-технических свойств, может найти широкое применение в различных областях строительства и геотехнологии.
Следовательно, заявляемое вяжущее соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Класс C04B7/153 его смеси с другими неорганическими вяжущими материалами или другими активаторами