способ приготовления микрогранул комплексной добавки в цементные композиты

Формула изобретения

Способ приготовления микрогранул комплексной добавки в цементные композиты, включающий получение смеси тонкодисперсного минерального компонента с раствором поверхностно-активного вещества ПАВ, ее осушение с последующим распадом на микрогранулы, отличающийся тем, что осуществааяют получение смеси введением во взбитую пену, приготовленную из 10-35%-ного раствора ПАВ - сырого сульфатного мыла, стабилизированную жидким стеклом в количестве 15% от массы указанного раствора, тонкодисперсного минерального компонента - микрокремнезема в массовом соотношении указанного раствора и микрокремнезема, равном 1:0,09-1,2, а осушение - сушкой при температуре 20-110°С уложенной в формы указанной смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и производству строительных материалов, а именно к способам приготовления комплексных добавок для бетонных смесей, и может быть использовано при производстве сборного и монолитного бетона и железобетона, сухих строительных смесей, а также в производстве минеральных вяжущих веществ.

Известен способ приготовления комплексного модификатора бетонной смеси, включающий увлажнение микрокремнезема и смешение с суперпластификатором на основе натриевой соли продукта конденсации -нафталинсульфокислоты и формальдегида с доведением до требуемой влажности получаемого порошкообразного продукта, при смешении дополнительно вводят нитрилотриметилфосфоновую кислоту и увлажняют водой до получения суспензии состава, мас.%: микрокремнезем 40-70; суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации -нафталинсульфокислоты и формальдегида 4,0-9,5; нитрилотриметилфосфоновая кислота 0,01-0,40; вода - остальное, а доведение до влажности 1-8% осуществляют сушкой в воздушном потоке при температуре 160-300°С [Патент RU 2096389, МПК 6 С 04 В 40/00, 1997].

Наиболее близким по технической сущности является способ приготовления комплексной добавки для бетонной смеси путем смешения лигносульфонатов технических с сульфатом натрия и щелочесодержащим минеральным компонентом и нагрева до 90°С, причем в качестве сульфата натрия используют гранулированный до фракции 5 мм сульфат натрия, в качестве щелочесодержащего минерального компонента цементную пыль и дополнительно вводят 50%-ный раствор кубовых остатков синтетических жирных кислот в уайт-спирите. Указанные компоненты смешивают в соотношении по массе на сухое вещество технические лигносульфонаты: гранулированный сульфат натрия: 50%-ный раствор кубовых остатков синтетических жирных кислот в уайт-спирите, 1,0:(0,6-1,5):(0,05-0,15):(0,05-0,1), а затем перетирают до пастообразной консистенции, гранулируют и охлаждают до температуры не выше 30°С, причем количество комплексной добавки в бетон составляет 0,5-0,9% от массы цемента [Патент RU 2032641, МПК 6 С 04 В 28/04, 1995].

Недостатками известных способов приготовления комплексных добавок для строительных композитов являются: сложность технологического процесса, высокий расход электроэнергии на процесс сушки и невозможность использования некоторых комплексных добавок в составах сухих строительных смесей из-за трудностей, связанных с равномерным распределением таких добавок в смеси.

Технической задачей изобретения является снижение энергоемкости и упрощение технологического процесса приготовления комплексной гранулированной добавки воздухововлекающего действия в виде микрогранул. Микросферические гранулы на основе минерального компонента позволяют использовать свойства поверхностно-активного вещества и применять тонкодисперсные многотоннажные отходы промышленности в качестве минерального компонента цементных композитов.

Технический результат достигается тем, что способ приготовления микрогранул комплексной добавки в цементные композиты, включающий перемешивание тонкодисперсных минеральных материалов с раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ) и сушку, осуществляют путем разрушения малопрочных массивов минерализованной пены; причем пену готовят из водных растворов пенообразующего поверхностно-активного вещества 10-35%-ной концентрации, стабилизируют жидким стеклом в количестве 15% от массы раствора ПАВ, а минеральный тонкодисперсный компонент вводят во взбитую пену в массовом соотношении раствор ПАВ : минеральный компонент - 1:0,09-1,2. Минерализованную пену укладывают в формы и сушат при температуре 20-110°С.

После осушения вспененный материал самопроизвольно по мере высушивания или при слабом сжатии (0,01-0,08 кгс/см² ) распадается на микросферы и представляет собой порошок, который обладает меньшей удельной поверхностью по сравнению с исходным тонкодисперсным материалом, не пылит.

Пример.

Способ приготовления микрогранул комплексной добавки осуществляли методом сухой минерализации пены. Приготовили водный раствор воздухововлекающей добавки сырого сульфатного мыла с концентрацией 10, 23, 35%. Отдозированный раствор взбивали в пену. Кратность пены по объему тем выше, чем меньше концентрация поверхностно-активного вещества, и для растворов выбранной концентрации она составила 7, 5, 3 соответственно. При постоянном перемешивании во взбитую пену вводили жидкое натриевое стекло (ГОСТ 13078-81) в количестве 15% от массы раствора поверхностно-активного вещества. Далее в полученную пену вводили тонкодисперсное вещество, а именно микрокремнезем - отход производства кристаллического кремния. Сырую массу минерализованной пены укладывали в формы и сушили. Сушку осуществляли при температуре 20-110°С. Наиболее оптимальным получили режим сушки до постоянной массы при температуре 65-70°С. Так, при комнатной температуре отформованные материалы высохли до постоянной массы за 28 часов, при 105-110°С - за 3 часа, при 65-70°С - за 3,5 часа, а при 50°С - за 7 часов.

Характеристика веществ, используемых для примера осуществления предлагаемого способа.

Сырое сульфатное мыло (ТУ 13-0281078-28-118-28) - промежуточный продукт производства целлюлозы. Добавка сырого сульфатного мыла (ССМ) представляет собой пастообразный продукт темно-коричневого цвета, имеет концентрацию 45-70% в пересчете на сухое вещество, легко растворима в воде. ССМ является поверхностно-активным веществом ионогенного типа.

Сырое сульфатное мыло обладает сильным стабильным воздухововлекающим эффектом при приготовлении цементных смесей (бетонных, растворных), описанным в различных источниках научно-технической информации. При оптимальных дозировках добавка ССМ обеспечивает 3-5% вовлеченного воздуха в тяжелые бетоны, улучшает формуемость смесей, снижает их водоотделение и расслаиваемость, увеличивает морозостойкость и водонепроницаемость цементных материалов. В сухих строительных смесях добавку ССМ используют для улучшения удобоукладываемости.

Таблица 1 Химический состав ССМ
Название	Содержание, % от сухих веществ
	Смоляные жирные кислоты и их соли	Неомыляемые вещества	Лигнин и его соединения	Свободная щелочь, сульфат и карбонат	Вода
Сырое сульфатное мыло (ССМ)	45-55	4-8	2-3	1 -3	ост.

Растворы добавки ССМ различной концентрации готовили из пасты 67%-ной концентрации.

Микрокремнезем (МК) является многотоннажным отходом производства кристаллического кремния Братского алюминиевого завода (БрАЗ), ежегодный выход которого достигает 32 тыс. тонн. В таблице 2 приведены основные физико-технические свойства МК БрАЗа.

Гранулометрический состав МК по данным технического паспорта отходов БрАЗа представлен в таблице 3, химический анализ - в таблице 4.

Таблица 2 Физико-технические свойства микрокремнезема
Насыпная плотность, кг/м3		Истинная плотность, кг/м3			Удельная поверхность, м2/г			Влажность, %		Водородный показатель (рН)
150...380		2000...2180			25...34			2...3		5...7
Таблица 3 Гранулометрический состав микрокремнезема
Размер частиц, мкм	менее 0,1		0,1...0,2	0.2...0,4		0,4...1,0	1,0...10		10...50		50...100	более 100
Содержание по массе, %	8,5		34,5	30,0		8,0	2,5		1,0		5,0	11,0

Таблица 4 Химический анализ микрокремнезема
Содержание соединений, мас.%
SiO 2	Fe2O 3	CaO	MgO	Na2O+K 2O	Al2O 3	SO2	SiC
90-94	1-3	0,7-1,4	0,2-0,4	0,1-0,5	0,7-1,5	до 0,09	до 3

В соответствии с ГОСТ 9169-78 микрокремнезем относится к кислому сырью.

Химический и гранулометрический состав МК, улавливаемого разными полями электрофильтров, неодинаков (см. табл.5).

Таблица 5 Химический состав МК (мас.%) по полям (данные БрАЗа за 1998 г.)
Поле	SiO2	Fe2O3	MgO	Na2O	К2O	Al 2O3	CaO	П.П.П.
4	93,00	0,14	1,03	0,41	0,36	0,70	0,26	3,96
3	90,70	0,19	1,02	0,41	0,36	0,76	0,34	6,14
2	84,30	0,28	0,98	0,42	0,36	0,86	0,48	12,24
1	70,60	0,48	1,00	0,43	0,40	0,98	0,78	25,28
среднее	84,65	0,27	1,00	0,48	0,37	0,83	0,46	11,9

Проба МК (смесь 1-4 полей в равном количестве), использованная для примера осуществления предлагаемого способа, характеризуется:

1) Истинной плотностью - 2,63 г/см³;

2) Насыпной плотностью - 210 кг/м³;

3) Остатком на сите №008-0 мас.%;

4) П.П.П. - 14 мас.%.

Содержание компонентов поверхностно-активного вещества и тонкодисперсного материала в исходной сырьевой смеси для приготовления комплексных добавок представлено в табл.6, а фракционный состав полученных гранул добавки представлен в табл.7.

Таблица 6 Содержание компонентов ПАВ и тонкодисперсного материала в исходной сырьевой смеси
№ состава	Раствор ПАВ,%		Соотношение, мас.%
	ССМ	Вода	Раствор ПАВ	Микрокремнезем	Жидкое стекло
1	35	65	43	50,55	6,45
2	35	65	57	34,45	8,55
3	35	65	69	20,65	10,35
4	23	77	52	40,2	7,8
5	23	77	65	25,25	9,75
6	23	77	74	14,9	11,1
7	10	90	66	24,1	9,9
8	10	90	75	13,75	11,25
9	10	90	81	6,85	12,15

При использовании пенообразователя с концентрацией раствора менее 10% кратность вспениваемых растворов значительно увеличивается, но при минерализации данная пена быстро разрушается и неэффективна с точки зрения получения микрогранул. Растворы ПАВ с концентрацией более 35% имеют низкую кратность вспенивания, а при сушке большое количество органического вещества приводит к слипанию гранул и их агломерированию.

Таблица 7 Фракционный состав гранул добавки
Вещество	Полный остаток на сите мм, %
	0,6	0,315	0,14	0,08
Микрокремнезем	0	0	0	0
Пробы гранул из состава №
1	Слитный (агломерированный) материал, требует дополнительного измельчения
2	0	32,54	89,31	100
3	0	60,26	93,03	100
4	0	33,85	81,98	100
5	0	22,20	71,08	100
6	0	29,05	78,04	100
7	0	46,05	77,39	100
8	0	27,94	60,33	100
9	Микрогранулы не образуются по причине малой концентрации минеральной части

Технический результат оценивали по величине поверхностного натяжения водных растворов исходной добавки и водных вытяжек из гранулированных комплексных добавок, для того чтобы установить, сохраняются ли поверхностно-активные свойства добавки ССМ после грануляции по предлагаемому способу.

Величину измеряли на катетометре KM - 8 по высоте поднятия жидкости в капиллярах.

Среднеквадратическое отклонение результатов измерений колебалось в пределах 0,019...0,34, коэффициент вариации - 0,24...8,98%.

Установили, что при эквивалентном содержании поверхностно-активные свойства гранулированных добавок соотносятся с поверхностно-активными свойствами исходного сырого сульфатного мыла.

Величины поверхностного натяжения водных растворов при концентрации сырого сульфатного мыла 1% в пересчете на сухое вещество представлены в табл.8.

Таблица 8 Величина поверхностного натяжения водных растворов при концентрации ССМ 1% в пересчете на сухое вещество
Добавка	Коэффициент поверхностного натяжения, *10-3 Н/м
Вода - без добавки	73,47
ССМ	27,45
Состав №2 по табл.6	28,46
Состав №5 по табл.6	27,95
Состав №7 по табл.6	28,14

Предлагаемый способ позволяет управлять соотношением поверхностно-активного вещества и тонкодисперсного материала, регулируя как концентрацию исходного раствора ПАВ, так и количество вводимого сухого минерализатора. Например, если необходимо получить добавку, удобную для применения в тяжелых бетонах с целью регулирования воздухосодержания смеси, микрогранулы готовят из более концентрированных водных растворов ПАВ, для приготовления сухих строительных смесей, низкомарочных вяжущих или вяжущих низкой водопотребности соотношение веществ увеличивают в сторону тонкодисперсного материала.