сырьевая смесь для получения силикатных изделий с использованием отходов алмазодобывающей промышленности

Формула изобретения

Сырьевая смесь для получения силикатных изделий, состоящая из вяжущего, включающего известь негашеную, песок и магнийсодержащие отходы горно-добывающей промышленности, и песка-заполнителя, отличающаяся тем, что она содержит в качестве магнийсодержащих отходов горно-добывающей промышленности отходы алмазодобывающей промышленности при следующем соотношении компонентов сырьевой смеси, мас.%:

указанное вяжущее	26-55
песок-заполнитель	45-74,

при этом вяжущее содержит следующее количество компонентов, мас.%:

известь негашеная	11,77-33,33
песок	11,11-41,67
указанные отходы	37,5-73,17

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к изготовлению силикатных изделий: кирпича, камней, плиток и др., с использованием отходов алмазодобывающей промышленности.

Известна сырьевая смесь для изготовления силикатных изделий (US 1738786, С04В 28/18, 15.10.1990), содержащая, мас.%: известь 8-11; молотый песок 6-12; глину 17-25; пыль-унос керамзитового производства 7-12; пыль-унос электродного производства 0,5-1; песок остальное. Недостатком смеси является сложность приготовления добавки.

Известна сырьевая смесь для производства силикатных материалов (RU 2077518, С04В 28/20, 20.04.1997), содержащая песок и гашеную известь, причем она дополнительно содержит карбидную известь или карбидную пыль при следующем соотношении компонентов, мас.%: гашеная известь 2-10; карбидная известь или карбидная пыль 8-10; песок остальное. Недостатками вышеупомянутой смеси являются большие затраты времени на автоклавную обработку и низкая водостойкость силикатного кирпича.

Наиболее близкой по технической сущности является сырьевая смесь (US 912707, С04В 15/06, 15.03.1982) для изготовления силикатных изделий, состоящая из вяжущего, включающего известь, песок и магнийсодержащие отходы горнодобывающей промышленности, и песка-заполнителя при следующем соотношении компонентов, вес.%: известково-кремнеземистое вяжущее 10-20, песок 64-75 и молотый серпентинит с S=4900-5000 см ²/г 5-20, при этом серпентинит является продуктом переработки асбестосодержащих горных пород.

Недостатком сырьевой смеси является использование в составе смеси молотого серпентинита с удельной поверхностью 4900-5000 см/г, который не обеспечивает получение сырца с прочностью выше 0,93 МПа и силикатных изделий с водопоглощением менее 12,6%, а также использование сокращенных режимов автоклавной обработки, при сохранении физико-механических характеристик силикатных изделий на высоком уровне: предела прочности при сжатии порядка 21-43 МПа и морозостойкости порядка 35-50 циклов.

Задачей настоящего изобретения является повышение прочности сырца, снижение водопоглощения силикатного кирпича, снижение затрат времени и энергозатрат на автоклавную обработку, повышение производительности процесса производства, при сохранении физико-механических характеристик силикатных изделий на высоком уровне, а также использование отходов алмазодобывающей промышленности и способствование созданию технологии комплексного использования минерального сырья алмазных месторождений кимберлитового генезиса вместо существующей затратной, так как для извлечения только одного минерала - алмаза, содержание которого в самых богатых месторождениях не превышает 3 г/т, перерабатывается и выбрасывается в отвалы громадная масса пород.

Указанная задача достигается тем, что сырьевая смесь для получения силикатных изделий состоит из вяжущего, включающего известь, песок и магнийсодержащие отходы горнодобывающей промышленности, и песка-заполнителя, согласно предлагаемому решению вяжущее содержит в качестве магнийсодержащих отходов горнодобывающей промышленности отходы алмазодобывающей промышленности при следующем соотношении компонентов сырьевой смеси, мас.%:

вяжущее - 26-55;

песок-заполнитель - 45-74,

при этом вяжущее содержит следующее количество компонентов, мас.%:

негашеная известь - 11,77-33,33;

песок - 11,11-41,67;

указанные отходы - 37,5-73,17.

Отходы алмазодобывающей промышленности представлены накапливающимися при открытой разработке алмазных месторождений Архангельской алмазоносной провинции (ААП) магнийсодержащими сопутствующими породами, которые по минеральному составу относятся к породам сапонит-серпентинового состава.

Химический состав отходов алмазодобывающей промышленности ААП представлен в табл.1.

Таблица 1
Химический состав отходов
Компоненты	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	ППП	CaO
Отходы алмазодобывающей промышленности ААП	51,8	6,24	6	17,4	6,16	8,86

Минералогический состав отходов алмазодобывающей промышленности ААП следующий: сапонит - 61-74%; оливин - 3-6%; серпентин - 20-26%; клинопероксен - 0,3-1,5%; гранаты - 0,2-0,7%; хлорит - 0,1-0,5%; рудные минералы - 0,4-1%. Минералогический состав серпентиновых отходов представлен антигоритом и хризотилом (Хвостенков С.И. Силикатный кирпич с применением серпентинитовых отходов / С.И.Хвостенков, В.Н.Гусаров // Автоклавные силикатные материалы и конструкции. Вяжущие материалы: Сб. тр. ВНИИстром. - М., 1981. -Вып.44(72). С.46-53).

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая сырьевая смесь отличается от известной введением в качестве магнийсодержащих отходов горнодобывающей промышленности отходов алмазодобывающей промышленности и, как следствие, новыми количественными данными, обеспечивающими более полное использование возможностей сырья для получения силикатных изделий. Содержание компонентов вяжущего в количествах, мас.%: негашеной извести менее 11,77, песка менее 11,11 и отходов алмазодобывающей промышленности менее 37,5, не обеспечивает достаточные физико-механические характеристики, а содержание компонентов вяжущего в количествах, мас.%: негашеной извести более 33,33, песка более 41,67 и отходов алмазодобывающей промышленности более 73,17, ухудшает характеристики конечного материала, поэтому экономически нецелесообразно. Сырьевая смесь также отличается новым количественным соотношением, при котором содержание вяжущего и песка-заполнителя соответственно менее 26 мас.% и более 74 мас.%, а также более 55 мас.% и 45 мас.% не приводит к заметному улучшению характеристик конечного материала или ухудшает их. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

Анализ известных сырьевых смесей (А.С. СССР №912707, С04В 15/06, 15.03.1982), используемых при производстве силикатных изделий, показал, что использование магнийсодержащих отходов горнодобывающей промышленности (продукта переработки асбестосодержащих горных пород) повышает прочность сырца до 0,93 МПа, прочность на сжатие силикатных изделий до 42 МПа, морозостойкость до 50 циклов, снижает водопоглощение до 12,6%. Реальное же повышение прочности сырца составило до 2,82 МПа, прочности на сжатие силикатных изделий до 43,04 МПа, морозостойкости до 50 циклов, снижение водопоглощения до 8,43% свидетельствует о неожидаемом приращении физико-механических характеристик силикатных изделий, связанном с особенностями минералогического состава отходов алмазодобывающей промышленности в сочетании с другими компонентами сырьевой смеси и количественным содержанием этих компонентов. Это подтверждает, что заявляемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Пример 1.

Предварительно готовят вяжущее путем совместного помола негашеной извести (с содержанием активной СаО - 80%) с высушенным до влажности 1-1,5% песком и отходом алмазодобывающей промышленности до удельной поверхности 4500-5000 см²/г в соотношении соответственно 23,08%:19,23%:57,69%.

Затем к вяжущему добавляют песок-заполнитель с модулем крупности 1,54 и влажностью 1-1,5% в соотношении соответственно 26%: 74% и перемешивают массу до полной однородности. Полученную массу увлажняют до влажности 10% и тщательно перемешивают. Далее смесь выдерживают в герметичной камере до полного гашения смеси в течение 2-3 часов.

После гашения смесь подвергают повторному перемешиванию с некоторым перетиранием частиц друг о друга, в результате чего происходит разрушение комьев силикатной смеси, а также коллоидно-кристаллизационной структуры схватывающейся извести. При этом некоторое количество воды высвобождается из межзернового пространства смеси, повышая ее подвижность и однородность.

Затем приступают к процессу формования сырца при прессовом давлении 20 МПа. После прессования сырец выдерживают перед автоклавной обработкой. Время выдерживания зависит от скорости гашения применяемой извести, содержания в массе активной окиси кальция и колеблется в пределах 0,5-1,0 часа. В это время известь, проявляя тиксотропные свойства, после разрушения первоначальной коллоидно-кристаллизационной структуры под воздействием повторного перемешивания смеси вновь проявляет вяжущие свойства и схватывается, благодаря чему происходит нарастание прочности кирпича-сырца. Повышение прочности за счет гидратационного твердения извести позволяет увеличить скорость подъема давления пара в автоклаве без опасений образования внутренних напряжений в сырце, превышающих его прочность на растяжение. Далее осуществляют автоклавную обработку по режиму: подъем давления - 1,5 часа, изотермическая выдержка - 6 часов (при давлении 1,0 МПа), спуск давления - 1,5 часа.

Пример 2.

Готовят вяжущее, как в примере 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

негашеная известь - 18,18 (активной СаО - 80%);

кварцевый песок в вяжущее - 27,27;

отходы алмазодобывающей промышленности - 54,55.

Сырьевую смесь с влажностью 12% готовят, как в примере 1, при соотношении вяжущего и кварцевого песка-заполнителя соответственно 55% и 45%. Кирпич-сырец формуют, как и в примере 1. Гидротермальную обработку сырца в автоклаве проводят по режиму: подъем давления - 1,4 часа, изотермическая выдержка - 4 часа (при давлении 0,8 МПа), спуск давления - 1,4 часа.

Пример 3.

Готовят вяжущее, как в примере 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

негашеная известь - 11,77 (активной СаО - 80%);

кварцевый песок в вяжущее - 29,41;

отходы алмазодобывающей промышленности - 58,82.

Сырьевую смесь с влажностью 12% готовят, как в примере 1, при соотношении вяжущего и кварцевого песка-заполнителя соответственно 51% и 49%. Кирпич-сырец формуют, как и в примере 1. Гидротермальную обработку сырца в автоклаве проводят по режиму: подъем давления - 1,5 часа, изотермическая выдержка - 6 часов (при давлении 1,0 МПа), спуск давления - 1,5 часа.

Пример 4.

Готовят вяжущее, как в примере 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

негашеная известь - 33,33 (активной СаО - 80%);

кварцевый песок в вяжущее - 16,67;

отходы алмазодобывающей промышленности - 50.

Сырьевую смесь с влажностью 10% готовят, как в примере 1, при соотношении вяжущего и кварцевого песка-заполнителя соответственно 30% и 70%. Кирпич-сырец формуют, как и в примере 1. Гидротермальную обработку сырца в автоклаве проводят по режиму: подъем давления - 1,2 часа, изотермическая выдержка - 4 часа (при давлении 0,6 МПа), спуск давления - 1,2 часа.

Пример 5.

Готовят вяжущее, как в примере 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

негашеная известь - 22,22 (активной СаО - 80%);

кварцевый песок в вяжущее - 11,11;

отходы алмазодобывающей промышленности - 66,67.

Сырьевую смесь с влажностью 12% готовят, как в примере 1, при соотношении вяжущего и кварцевого песка-заполнителя соответственно 45% и 55%. Кирпич-сырец формуют, как и в примере 1. Гидротермальную обработку сырца в автоклаве проводят по режиму: подъем давления - 1 час, изотермическая выдержка - 6 часов (при давлении 0,4 МПа), спуск давления - 1 час.

Пример 6.

Готовят вяжущее, как в примере 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

негашеная известь - 16,66 (активной СаО - 80%);

кварцевый песок в вяжущее - 41,67;

отходы алмазодобывающей промышленности - 41,67.

Сырьевую смесь с влажностью 10% готовят, как в примере 1, при соотношении вяжущего и кварцевого песка-заполнителя соответственно 36% и 64%. Кирпич-сырец формуют, как и в примере 1. Гидротермальную обработку сырца в автоклаве проводят по режиму: подъем давления - 1,35 часа, изотермическая выдержка - 6 часов (при давлении 0,8 МПа), спуск давления - 1,35 часа.

Пример 7.

Готовят вяжущее, как в примере 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

негашеная известь - 25 (активной СаО - 80%);

кварцевый песок в вяжущее - 37,5;

отходы алмазодобывающей промышленности - 37,5.

Сырьевую смесь с влажностью 10% готовят, как в примере 1, при соотношении вяжущего и кварцевого песка-заполнителя соответственно 40% и 60%. Кирпич-сырец формуют, как и в примере 1. Гидротермальную обработку сырца в автоклаве проводят по режиму: подъем давления - 1,35 часа, изотермическая выдержка - 6 часов (при давлении 0,8 МПа), спуск давления - 1,35 часа.

Пример 8.

Готовят вяжущее, как в примере 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

негашеная известь - 14,63 (активной СаО - 80%);

кварцевый песок в вяжущее - 12,2;

отходы алмазодобывающей промышленности - 73,17.

Сырьевую смесь с влажностью 10% готовят, как в примере 1, при соотношении вяжущего и кварцевого песка-заполнителя соответственно 41% и 59%. Кирпич-сырец формуют, как и в примере 1. Гидротермальную обработку сырца в автоклаве проводят по режиму: подъем давления - 1,35 часа, изотермическая выдержка - 4 часа (при давлении 0,8 МПа), спуск давления - 1,35 часа.

Результаты физико-механических испытаний представлены в табл.2.

Таблица 2 Физико-механические характеристики силикатных изделий
Показатель	Пример								Прототип
	1	2	3	4	5	6	7	8
Предел прочности при сжатии, МПа	21,43	40,89	23,69	25,14	29,47	24,3	43,04	33,77	28,0-42,0
Средняя плотность, кг/м3	1894	1917	1907	1915	1921	1907	1925	1911	-
Водопоглощение, %	8,51	9,74	9,58	8,43	9,76	9,1	8,76	9,79	12,6-13,4
Коэффициент размягчения	0,7	0,74	0,69	0,76	0,72	0,7	0,74	0,72	-
Морозостойкость, в циклах, не менее	35	50	35	50	50	35	50	35	45-50
Предел прочности при сжатии сырца, МПа	1,83	2,82	2,61	1,95	2,76	1,91	2,07	1,89	0,41-0,93

Из табл.2 видно, что при введении в состав вяжущего в качестве магнийсодержащих отходов горнодобывающей промышленности отходов алмазодобывающей промышленности прочность сырца возрастает в 1,96-6,87 раза, прочность изделий сопоставима с прочностью изделий по прототипу, морозостойкость не изменяется, водопоглощение снижается в 1,28-1,58 раза. Заявляемые составы сырьевой смеси обладают высокой реакционной способностью, что позволяет получать изделия при сокращенных режимах автоклавной обработки (изотермическая выдержка (2-6 часов) и сниженном давлении (от 1,0 до 0,4 МПа)), что в свою очередь позволит снизить энергозатраты на автоклавную обработку, тем самым уменьшить энергоемкость и повысить производительность процесса производства. Использование предлагаемых составов сырьевых смесей позволит решить проблему утилизации отходов месторождения алмазов Архангельской алмазоносной провинции, основная масса вскрышных пород - до 200 тыс.тонн в год, и при этом получить различные силикатные строительные изделия, необходимые для строительства технологических линий ГОКа и сооружения жилья в регионе.