вяжущее
Классы МПК: | C04B11/00 Цементы на основе сульфата кальция C04B18/04 отработанные материалы; отходы C04B111/27 водостойкость,те водонепроницаемость или водоотталкивающие материалы |
Автор(ы): | Уруев Вениамин Михайлович (RU), Тугушев Роман Александрович (RU), Лисицина Ольга Николаевна (RU), Мишунина Галина Евгеньевна (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-03-24 публикация патента:
10.08.2011 |
Изобретение относится к составу гипсового вяжущего и может найти применение в промышленности строительных материалов. Технический результат - увеличение водостойкости и трещиностойкости вяжущего без снижения прочности. Вяжущее, включающее строительный гипс, железосодержащий отход доменного производства и гидрофобизирующую добавку, в качестве указанного железосодержащего отхода содержит колошниковую пыль, а в качестве гидрофобизирующей добавки - отход производства ланолина, представляющий собой смесь природных шерстяных восков из эфиров жирных кислот, кальцинированной соды и воды, в количестве 40-45% от массы на сухой остаток при следующем соотношении всех компонентов, мас.%: строительный гипс - -CaSO4·0,5H2O 94,5-98,5, колошниковая пыль 1-4, указанный отход производства ланолина 0,5-1,5. 1 табл.
Формула изобретения
Вяжущее, включающее строительный гипс, железосодержащий отход доменного производства и гидрофобизирующую добавку, отличающееся тем, что в качестве железосодержащего отхода доменного производства используют колошниковую пыль, а в качестве гидрофобизирующей добавки - отход производства ланолина, представляющий собой смесь природных шерстяных восков из эфиров жирных кислот, кальцинированной соды и воды, причем в количестве 40-45% от массы на сухой остаток и при следующем соотношении всех компонентов, % от массы:
Строительный гипс - -CaSO4·0,5H2O | 94,5-98,5 |
Колошниковая пыль | 1-4 |
Отход производства ланолина | 0,5-1,5 |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для изготовления стеновых изделий на основе гипса ( -CaSO4·0,5H2O).
Известно вяжущее на основе строительного гипса ( -CaSO4·0,5H2O) с добавлением гидрофобизирующих компонентов: мылонафт, машинное масло, и минеральной добавки - каустической соды, приведенное в авт. свид. СССР № 887505, МКИ C04B 11/09, опубликовано 07.12.81.
Вяжущее состоит из указанных компонентов в следующем соотношении, % по массе:
Строительный гипс | 98-99,5 |
Мылонафт | 0,125-0,5 |
Сода каустическая | 0,005-0,02 |
Машинное масло | остальное |
Наряду с достоинствами известного вяжущего (увеличение прочности при сжатии на 25-33% по отношению к составу прототипа) имеются и недостатки:
- мылонафт, кальцинированная сода и машинное масло относятся к дорогостоящим компонентам, что увеличивает себестоимость;
- низкая водостойкость - коэффициент размягчения Краз=0,35-0,36.
Другое изобретение, направленное на повышение прочности строительного гипса путем введения в его состав железосодержащего отхода производства, состоит из следующих компонентов, % по массе:
Полуводный гипс ( -CaSO4·0,5H2O) | 63-66 |
Осадок сточных вод гальванического производства | 1-5 |
Вода | остальное |
(авт. свид. № 857044, МКИ C04B 11/00, опубликовано в 1981).
Его недостатками являются низкая водостойкость (Краз =0,35-0,36) и низкая экологическая безопасность из-за тяжелых металлов, которые содержатся в отходах гальванического производства:
- низкая водостойкость (Краз=0,35-0,36);
- большинство отходов гальванического производства содержат тяжелые металлы, что снижает экологическую безопасность.
Известны и другие изобретения на состав гипсового вяжущего, направленные на повышение водостойкости. Следующее (заявка Франции № 2345407, МКИ 31/00; 11/00, опубликовано 25.11.1977) включает строительный гипс, гидрофобизирующую эмульсию на основе воска и битума, и добавку типа боратсодержащей или поливинилового спирта. Состав заявки США № 4094694, НКИ 106-111 или МКИ 11/00, близкий к заявке Франции, содержит следующие компоненты: гипс, гидрофобизирующую эмульсию на основе битума и воска (в пересчете на сухой битум и воск 1,6% от массы сухого вяжущего), поливиниловый спирт ( 0,015 от массы сухого вяжущего) и боратсодержащее соединение.
Достоинством известных соединений является высокая водостойкость, однако имеются существенные недостатки:
- многокомпонентность вяжущего (пять ингредиентов с учетом строительного гипса);
- незначительное повышение прочности после высушивания при t=50°C к прочности через 2 часа после конца схватывания (2-5%). Последнее объясняется склонностью к размягчению битума и воска при нагревании;
- высокая стоимость компонентов, которая ведет к увеличению себестоимости;
- сложная технология изготовления гидрофобизирующей эмульсии вследствие предварительного разогрева битума и воска;
- в затвердевшем состоянии вяжущее имеет запах продукта нефтепереработки - битума, что ограничивает область его применения;
- вяжущее склонно к растрескиванию (особенно при сушке) вследствие запоздалого процесса вступления в реакцию боратсодержащих солей с образованием нерастворимого осадка гипса BaSO4.
Например:
ВаСО3+CaSO 4·0,5H2O=BaSO4+СаСО3 +0,5H2O.
BaSO4 продолжает образовываться в процессе твердения и после конца схватывания, причем с увеличением в объеме, что приводит к возникновению внутренних напряжений, приводящих к появлению трещин.
Наиболее близким по составу к предлагаемому вяжущему является изобретение, изложенное в авт. свид. СССР № 1449554, МКИ C04B 11/00, опубликованном в 1989 г. В состав гипсового вяжущего вводится отход агломерации железной руды (шлам). Шлам образуется в процессе сплавления на агломерационной решетке гранул из молотой железной руды с известняком или известью. Часть разрушенных гранул в виде флюсованных высевок проходит через решетку и поступает в отвалы. Известный состав вяжущего содержит, % по массе:
Строительный гипс ( -CaSO4·0,5H2O) | 40-60 |
Шлам аглодоменного производства | 15-35 |
Вода | остальное |
Данное вяжущее имеет повышенную прочность при сжатии за счет армирования гипсового вяжущего железосодержащими микрочастицами (марка по прочности увеличивается с Г-3 до Г-4). Необходимо отметить и недостатки:
- низкая водостойкость - коэффициент размягчения Краз=0,35-0,38;
- низкая трещиностойкость при затвердевании.
Задача изобретения - увеличить водостойкость, трещиностойкость при высушивании без снижения прочности через 2 часа.
Для реализации задачи наряду со строительным гипсом использовались железосодержащий отход доменного производства и гидрофобизирующая добавка. В качестве отхода доменного производства использовалась колошниковая пыль, а в качестве гидрофобизирующей добавки - отход производства ланолина, представляющий собой смесь природных шерстяных восков из молекулярных эфиров жирных кислот, натриевой соли высших кислот, кальцинированной соды и воды, причем последней в количестве 40-45% по массе на сухой остаток (воска, соды и мыла). Соотношение всех компонентов, % по массе:
Строительный гипс ( -CaSO4·0,5H2O) | 94,5-98,5 |
Молотая колошниковая пыль | 1-4 |
Отход производства ланолина | 0,5-1,5 |
Характеристика компонентов, принятых для реализации задачи:
1. Строительный гипс ( -CaSO4·0,5H2O).
Марка - Г-3. Прочность при сжатии через 2 часа 3,6 МПа.
Сроки схватывания:
- начало 6-8 минут;
- конец 11-12 минут.
Нормальная густота - 0,48.
Отвечает требованиям ГОСТ 125-79.
Коэффициент размягчения 0,34.
2. Молотая колошниковая пыль ОАО «Тулачермет». Химический состав, % по массе:
SiO2 - 11,76 12,5;
Al2O3 - 1,51 1,75;
CaO - 9,97 10,77;
MgO - 1,76 2,1;
Na2O - 0,19 0,23;
K2O - 0,13 0,23;
MnO - 0,065 0,101;
P2O5 - 0,12 0,14;
P - 0,08 0,084;
Fe - 1,63 1,7;
FeO - 9,81 10,3;
Fe2O3 - 41,08 43,29;
C - 18,53 19,4;
S - 0,3 0,47.
Всего железосодержащих, % по массе 52,62 55,29.
Минералогический состав, % по массе:
- анортит (CaAl2SiO2) - 5 8;
- магнетит (FeO·Fe2O 3) - 10 12;
- фаялит (Fe2SiO3 ) - 2 4;
- окерманит (CaMgSi2O 7) - 1 3;
- силикат кальция - 10 12;
- стеклофаза - 8 14;
- свободные (Fe2O3 ; FeO; Fe) - остальное.
Удельная поверхность 2500 см2/г.
Насыпная плотность 1700-1720 кг/м3.
3. Паста ОПЛ - отход производства ланолина парфюмерно-косметических фабрик.
В опытах принята паста «ОПЛ», разработанная Всероссийским научно-исследовательским институтом синтетических и натуральных душистых веществ и отвечающая требованиям ТУ-18-16-204-78.
Химический состав «ОПЛ», отвечающий требованиям ТУ, % по массе:
- неомыляемые вещества - не более 15 (14);
- жирные кислоты - не менее 20 (24);
- массовая доля твердого остатка (воска) - не менее 40 (44,5);
- кальцинированная сода Na2CO3 - 3 9 (8,5);
рН вытяжки из пасты - не менее 9 (9,2).
Примечание: в скобках указано фактическое содержание ингредиентов пасты «ОПЛ», принятой в опытах.
Цвет пасты от светло-желтого до светло-коричневого.
Паста имеет приятный запах туалетного мыла.
«ОПЛ» легко диспергирует в воде, образуя эмульсию. В опытах применялась водная эмульсия.
Опыты реализации задачи
Опыт № 1
Дозировали по массе 2000 г полуводного гипса (98,5%) и молотую колошниковую пыль 16 г (0,8%), затем перемешивали до получения однородной массы для дальнейшего затворения. В воду затворения вводили 16 г пасты ОПЛ или в пересчете на сухое вещество (воск, сода, мыло) 8 г (0,4%). Смесь полуводного гипса и колошниковой пыли массой 2016 г затворяли эмульсией ОПЛ, необходимой для получения теста нормальной густоты. Расход воды с учетом введенной пасты составил 1124 г, а количество сухого вяжущего - 2024 г. Соответственно нормальная густота гипсового теста равна 55,5%. По отношению к принятому гипсу НГ увеличилась на 7,5%. Это можно объяснить незначительной степенью коагуляции гипсового теста под действием центров кристаллизации микрочастиц Калашниковой пыли и гидрофобизирующей эмульсии. Из полученного теста формовали в металлических формах образцы размером 40×40×160 мм. Через 20 минут после конца схватывания образцы извлекались из форм, а через 2 часа после начала затворения испытывались на прочность. Вторую партию образцов сушили до постоянной массы при t=50°C для последующего определения коэффициента размягчения.
Образцы осматривали визуально на наличие трещин на поверхности.
Данные испытаний приведены в таблице.
Опыты № 2, № 3, № 4 и № 5, соответствующие составам, приведенным в таблице 1, осуществляли аналогично опыту № 1. Результаты испытаний приведены в таблице.
Опыт № 6 (прототип).
Дозировали 1800 г полуводного гипса (45% по массе) и 1000 г сухого шлама (25% по массе) с последующим их смешением. В качестве шлама использовали шлам аглодоменного производства ОАО НПО «Тулачермет» с аналогичным химическим составом прототипа. Фракция шлама составляла 0,05-1,6 мм. Сухую смесь затворяли водой до нормальной густоты. Далее опыт проводили аналогично опыту № 1. Результаты испытаний приведены в таблице.
Анализ результатов испытаний, приведенных в таблице, показывает:
1. Коэффициент размягчения по отношению к вяжущему прототипа увеличился на 24-34%, т.е. вяжущее обладает повышенной водостойкостью.
2. Прочность при сжатии через 2 часа не уменьшилась, наоборот, наблюдается прирост прочности по отношению к исходному гипсу с Rсж =3,6 МПа.
3. На поверхности образцов затвердевшего гипса (в сухом состоянии) не обнаружено трещин, т.е. вяжущее обладает трещиностойкостью при высушивании.
Физико-химическая сущность достижения задачи
В составе известного вяжущего (прототипа) и предлагаемого использовались железосодержащие отходы доменного производства: немолотые отходы (высевки) процесса агломерации, которые представляют собой мелкодисперсные частицы флюсованной руды (фр. 0,05-1,6) и отходы газоочистки - колошниковая пыль с удельной поверхностью до 2500 см2/г, преимущественно нефлюсованной руды.
Оба отхода отличаются по химическому составу (особенно по содержанию СаО). В отходах агломерации CaO+MgO содержится 38%, а содержание СаО в колошниковой пыли - 9,97-10,77%. Соответственно в колошниковой пыли содержится в три раза меньше минералов на основе СаО - геленита, анортита, окерманита и других, но гораздо больше содержится минералов, содержащих оксиды железа и другие железосодержащие соединения, что положительно сказывается на прочности. Это нивелирует отрицательное воздействие эмульсии ОПЛ на физико-механические свойства сухого вяжущего.
Физико-химическая сущность природы действия добавок на повышение водостойкости, трещиностойкости и стабильности прочности состоит в следующем:
1. Затворитель предлагаемого вяжущего (вода + эмульсия ОПЛ) имеет щелочную среду, так как в составе ОПЛ содержится каустическая сода, а затворителем вяжущего прототипа является вода с нейтральной средой. Из физической химии силикатов известно, что в реакцию гидратации минералы, содержащие в своем составе СаО, вступают гораздо активнее в щелочной среде, чем в нейтральной.
2. В предлагаемом составе вяжущего использован механохимический процесс повышающий скорость и эффект химических реакций, в том числе и гидратации минералов, содержащихся в колошниковой пыли. В составе вяжущего прототипа минералы с основой СаО практически не гидратируются, так как находятся внутри макрочастиц и молекулы воды к ним не проникают.
На основании всего вышеизложенного, добавка к гипсу тонкомолотой колошниковой пыли способствует не только увеличению прочности, выполняя роль армирующего материала, но и повышению водостойкости, несмотря на то что гидратирующихся материалов в колошниковой пыли меньше, чем в аглодоменном шламе.
Итак, щелочная среда затворения и механохимический процесс, принятые в составе предлагаемого вяжущего, способствуют повышению водостойкости.
3. Кроме того, в состав предлагаемого вяжущего вводится с пастой ОПЛ компонент воск, причем в растворенном состоянии. Микрочастицы воска адсорбируются микрочастицами гипса, образуя защитную оболочку от воды. Часть разбавленного воска тампонирует поры гипса. Образование гидрофобизирующих защитных пленок вокруг микрочастиц гипса способствует повышению водостойкости.
4. В составе вяжущего прототипа имеет место процесс запоздалого гашения пережженных микрочастиц свободной извести, и процесс гидратации минералов продолжается после конца схватывания гипса, что приводит к возникновению внутренних напряжений. Это происходит за счет увеличения в объеме продуктов гашения извести и гидратированных минералов. Внутренние напряжения приводят к возникновению волосяных трещин.
В составе предлагаемого вяжущего процессы гашения СаО и гидратации минералов идут своевременно и завершаются до конца схватывания вяжущего за счет щелочной среды и механохимического процесса. Поэтому внутренних напряжений и соответственно трещин не возникает.
Экономическая целесообразность разработанного вяжущего заключается в повышении его качества (водостойкости) и уменьшении отпускной цены в 1,5-2 раза по отношению к прототипу. Предлагаемый состав вяжущего по водостойкости не уступает гипсоцементнопуццолановому, поэтому расширяется область его применения. Данное вяжущее можно использовать для устройства полов под линолеум, стен санитарно-технических кабин, в качестве отделочных материалов и др.
Утилизация колошниковой пыли - отхода газоочистки, и пасты ОПЛ способствует охране окружающей среды.
Класс C04B11/00 Цементы на основе сульфата кальция
Класс C04B18/04 отработанные материалы; отходы
Класс C04B111/27 водостойкость,те водонепроницаемость или водоотталкивающие материалы