Цемент с минеральными добавками

Изготовление портландцемента — сложный энергоемкий процесс, требующий больших затрат топлива. На обжиг 1 т клинкера затрачивается около 226 кг условного топлива, на помол — до 30 кВт/ч электроэнергии. Чтобы снизить энергетические и материальные затраты, изготовляют цементы составного типа, т.е. такие, которые кроме клинкерной части содержат минеральные добавки. Расход топлива на сушку 1 т этих добавок составляет всего 20. 25 кг, т.е. более чем в 10 раз меньше, чем на обжиг клинкера. Заменяя часть клинкера минеральной добавкой, значительно экономят топливо и электроэнергию.
Среди веществ этой группы различают активные минеральные добавки и добавки-наполнители.
Активными минеральными добавками называют вещества, которые при смешивании с воздушной известью придают ей после затвердевания водостойкость. Воздушную известь нельзя применять во влажных условиях, но при введении активных минеральных добавок она приобретает гидравлические свойства. Такие добавки (называемые иначе гидравлическими, или пуццолановыми) содержат кремнезем в аморфном состоянии. Он активно взаимодействует с гидроксидом кальция, содержащимся в извести или выделяющимся при гидратации портландцемента. Возникающие при этом гидросиликаты кальция практически не растворимы в воде. Таким образом, растворимая составляющая цементного камня Са(ОН)2 переводится в нерастворимое соединение. В этом смысл использования активных минеральных добавок: экономя клинкерную часть, они в то же время придают цементу ряд особых свойств.
Добавки-наполнители не обладают гидравлическими свойствами (либо эти свойства выражены у них в очень слабой степени). Активность смешанного вяжущего уменьшается пропорционально количеству введенных добавок-наполнителей. Их используют для снижения расхода цемента в растворах и бетонах низких марок, а также при изготовлении специального цемента для строительных растворов.
Портландцемент с минеральными добавками близок по свойствам к обычному, поскольку количество добавок в нем невелико. Он имеет те же марки и область применения, что и портландцемент, но благодаря добавкам несколько дешевле.
Пуццолановый портландцемент изготовляют путем совместного помола клинкера, активной минеральной добавки и необходимого количества гипса. Благодаря связыванию Са(ОН)2 в нерастворимые гидросиликаты кальция такой портландцемент обладает повышенной стойкостью к химической коррозии и поэтому входит в группу сульфатостойких цементов. Наиболее целесообразная область его применения — подводные и подземные части сооружений. Зачастую используют пуццолановый портландцемент в бетонах внутренних частей массивных сооружений, поскольку у него сравнительно небольшое тепловыделение.
Однако бетоны на пуццолановом портландцементе обладают низкой морозостойкостью и не пригодны для возведения сооружений, подвергающихся частому замораживанию и оттаиванию. На воздухе, особенно в жарком климате, бетон на пуццолановом портландцементе дает большую усадку и частично теряет прочность. При зимних бетонных работах пуццолановый портландцемент нецелесообразно применять, так как он твердеет медленнее, чем портландцемент.
Шлакопортландцемент способен твердеть как на воздухе, так и в воде. Это вяжущее общестроительного назначения, используемое в основном для тех же целей, что и портландцемент. Его получают путем совместного измельчения портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака и необходимого количества гипса. Содержание доменного шлака может достигать 80 % от массы цемента. Такая большая дозировка шлака возможна вследствие особенностей его химического состава, близкого к клинкеру. В доменных шлаках преобладают оксиды кальция (30. 50 %), кремния (28. 30 %), алюминия (8. 24 %), т.е. те же компоненты, что и в клинкере портландцемента. Поэтому некоторые шлаки в тонкоразмолотом виде обладают способностью к самостоятельному гидравлическому твердению.
Шлак, применяемый как добавка к цементу, обязательно переводят из огненно-жидкого в твердое состояние путем быстрого охлаждения в воде или с помощью водяного пара. Эта операция называется грануляцией, так как шлаковый расплав распадается на отдельные гранулы. Получаемый таким путем шлак обладает стекловидной, т.е. химически активной, структурой. Поэтому гранулированный шлак является активным компонентом шлакопортландцемента.
Шлаки — ценнейший материал для строительства. Известный металлург академик И.П. Бардин указывал, что шлак — это вовсе не отход, это тысячи новых домов, это база для дальнейшего расширения строительства. Использование шлаков для изготовления цементов позволяет, с одной стороны, получать высококачественные и недорогие цементы, бетоны, строительные растворы; с другой стороны, оно имеет важное экологическое значение, так как высвобождает ранее занятые шлаковыми отвалами ценные земельные площади.
Шлакопортландцемент рекомендуется применять в бетонах для возведения надземных и подземных конструкций, а также в подводных сооружениях, подвергающихся действию пресных и минерализованных вод. Тепловыделение его в 2. 2,5 раза меньше, чем у портландцемента, поэтому его часто используют в бетоне массивных конструкций.
Однако шлакопортландцемент имеет тот же недостаток, что и пуццолановый портландцемент: он медленно набирает прочность в первые дни твердения, в особенности при пониженной температуре. Процесс твердения значительно ускоряют, применяя тепловую обработку бетона.
Экономически применять шлакопортландцемент очень выгодно, поскольку он на 15. 20 % дешевле портландцемента.
Цемент для строительных растворов (ГОСТ 25328-82) изготовляют путем совместного измельчения портландцементного клинкера, активных минеральных добавок и добавок-наполнителей. Содержание клинкера в цементе должно быть не менее 20 % (считая от массы всего вяжущего). Для регулирования сроков схватывания при помоле компонентов вводят 3. 5 % гипса от массы цемента.
При изготовлении этого цемента употребляют активные минеральные добавки — трепел, вулканический пепел, доменный гранулированный шлак. Особенность цемента для строительных растворов — наличие в его составе тонкомолотых добавок-наполнителей: кварцевого песка, мрамора или кристаллического известняка. Такие добавки необходимы идя снижения активности вяжущего, поскольку в строительных растворах применять высокомарочные цементы экономически невыгодно. Для улучшения качества цемента допускается вводить при его помоле пластифицирующие (не более 0,5 %) или гидрофобизирующие (до 0,3 %) добавки (ЛСТ, мылонафт, кубовые остатки синтетических жирных кислот).
Такой цемент характеризуется следующими сроками схватывания: мчало не ранее 45 мин, конец — не позднее 12 ч от момента затворения. Цемент должен хорошо удержипать воду: водоотделение теста, изготовленного из равных количеств цемента и воды, должно быть не более 30 % по объему. Выпускают цемент одной марки — 200.
В связи с замедленным твердением этот цемент используют, как правило, при температуре окружающей среды не ниже 10 °С для изготовления кладочных и штукатурных растворов, а также низкомарочных бетонов, к которым не предъявляют особых требований по морозостойкости.

Читайте также:  Корпус фильтра для воды нержавейка

Цементы с минеральными добавками

К этой группе гидравлических вяжущих веществ принадлежат цементы, получаемые совместным помолом портландцементного клинкера и активной минеральной добавки или тщательным смешиванием указанных компонентов после раздельного измельчения каждого из них. В зависимости от вида исходного вяжущего компонента и добавки цементы с активными минеральными добавками делят на пуццолановые и шлакопортландцементы.

Активными минеральными (гидравлическими) добавками называют природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с известью-пушонкой и затворении водой придают ей гидравлические свойства, а при смешивании с портландцементом повышают его водостойкость. Гидравлические добавки в порошкообразном состоянии, будучи смешаны с водой, самостоятельно не затвердевают. Активные минеральные добавки подразделяют на природные и искусственные.

Активные минеральные добавки содержат вещество, способ ное в обычных условиях вступать в химическое взаимодействие с гидратом оксида кальция и давать труднорастворимые продукты реакции. В диатомитах, трепелах и других добавках осадочного происхождения этим веществом является водный кремнезем, а в вулканических и искусственных — преимущественно алюмосиликаты.

Минеральная добавка считается активной, если она обеспечивает конец схватывания теста, приготовленного на основе добавки и извести-пушонки, не позднее 7 сут после затворения и обеспечивает водостойкость образца не позднее 3 сут после конца его схватывания. Активность минеральных добавок характеризуется также количеством СаО, поглощенной из раствора на 1 г добавки в течение 30 сут. Отдельные виды минеральных добавок имеют активность не менее (мг/л): трепелы и диатомиты — 150, трассы — 60, пемзы, туфы, пеплы — 50, глиеижи — 30.

Пуццолановый портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера, необходимого количества гипса (до 3,5%) и активной минеральной добавки или тщательным смешиванием раздельно измельченных тех же материалов. Добавок вулканического происхождения — обожженной глины, глиежа или топливной золы — вводят 25. 40% от массы цемента, а добавок осадочного происхождения диатомитов, трепелов — 20. 30%. В зависимости от активности гидравлической добавки и минералогического состава клинкера учитывается соотношение между ними. Чем активнее побавка, тем больше она способна связывать гидраты оксида кальция и тем меньше потребуется ее в пуццолановом портландцементе, и наоборот.

Водопотребность пуццолановых портландцементов с плотными и твердыми добавками (трассы, туфы) почти такая же, как и у портландцемента, а при использовании мягких пористых добавок (диатомитов и трепелов) значительно увеличивается. По этой причине необходимая подвижность бетонной смеси обеспечивается более высокой добавкой воды, что вызывает соответственно увеличение расхода цемента, чтобы не снизить прочность бетона.

Сроки схватывания и тонкость помола пуццоланового цемента такие же, как и для обыкновенного портландцемента, однако пуццолановые портландцементы характеризуются замедленным нарастанием прочности в начальный период твердения по сравнению с портландцементом без добавок, изготовленным из того же клинкера. Пуццолановый портландцемент выпускают М200, 300, 400.

При твердении пуццоланового портландцемента происходят два процесса: 1) гидратация минералов портландцементного клинкера и 2) взаимодействие активной минеральной добавки с гидратом оксида кальция, выделяющимся при твердении клинкера. При этом Са(ОН)2 связывается в нерастворимый в воде гидросиликат кальция.

В результате пуццолановый портландцемент оказывается более водостойким, чем обыкновенный портландцемент.

При схватывании и твердении пуццоланового цемента выделяется меньше тепла, что позволяет использовать этот цемент для массивных бетонных конструкций. Непригоден пуццолановый портландцемент для изготовления элементов, предназначенных служить в условиях попеременного систематического увлажнения и замораживания или высушивания. Пуццолановые цементы имеют меньшую водопроницаемость, чем портландцемент. Объясняется это набуханием добавки, уплотняющей бетон.

Пуццолановые цементы целесообразно применять для подводных и подземных бетонных и железобетонных конструкций, особенно тогда, когда от бетонов требуется большая водонепроницаемость и высокая водостойкость.

Изобретение относится к составам цементов и может быть использовано для получения новых видов цементов, используемых в строительстве. Цемент с минеральными добавками содержит портландцементный клинкер, двуводный гипс и магнийсиликатную горную породу — верлит — при следующем соотношении компонентов, мас.%: верлит — 25-30, портландцементный клинкер — 70-75, двуводный гипс — 2 от массы смеси верлита и портландцементного клинкера. Цемент получают совместным помолом компонентов в стержневой вибрационной установке в течение 10 минут. Технический результат — повышение прочности и снижение себестоимости цемента. 3 табл.

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

Известна вяжущая композиция, включающая, мас.%:

Классы МПК: C04B7/13 их смеси с неорганическими вяжущими материалами, например портландцементом
Автор(ы): Худякова Людмила Ивановна (RU) , Войлошников Олег Васильевич (RU) , Нархинова Бальжит Лундуковна (RU)
Патентообладатель(и): Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Приоритеты:
Читайте также:  Рябина из бисера схема плетения
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) 2 SiO 4 -CaO-H 2 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.

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.
Читайте также:  Марки сотовых телефонов рейтинг

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/м 3 .

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/м 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/м 3 .

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/м 3 .

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/м 3 .

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 SiO 2 Al 2 O 3 FeO Fe 2 O 3 CaO MgO K 2 O+Na 2 O
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/м 3
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".

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.%:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector