бетонная смесь

Формула изобретения

1. Бетонная смесь, включающая цемент, инертный наполнитель, хвосты переработки минерального сырья и воду затворения, отличающаяся тем, что в качестве указанных хвостов она содержит хвосты серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья в количестве 1-3% от массы смеси, а вода затворения содержит подщелачивающую добавку в количестве, обеспечивающем ее pH не менее 11.

2. Бетонная смесь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит указанные хвосты, предварительно прогретые при температуре 100-120°С до получения полуводного гипса.

3. Бетонная смесь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве подщелачивающей добавки она содержит гидроксид натрия, или гидроксид кальция, или карбонат натрия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составам бетонов, преимущественно для изготовления бетонных конструкций как монолитных, так и сборных, используемых в строительстве.

Известна бетонная смесь, включающая цемент, кварцевый песок, фибру и воду (см. Маркарян Т.Г. и др. О новой технологии приготовления стеклофибробетонной смеси. - сб. "Фибробетон. Свойства, технология, конструкции". Рига, 1988 г., с.130).

Изделия из известного состава обладают недостаточной морозостойкостью и значительной усадкой. Кроме того, состав дорогостоящий из-за наличия в нем фибры в качестве которой используют щелочестойкое стекловолокно.

Известна бетонная смесь, принятая в качестве прототипа, включающая цемент, инертный наполнитель, хвосты переработки минерального сырья и воду затворения (см. RU 2288198, С04В 28/02, 2005).

В качестве цемента использован высокомарочный портландцемент, а в качестве хвостов переработки минерального сырья использованы отходы производства базальтового волокна.

К недостаткам бетонной смеси можно отнести необходимость использования высокомарочных портландцементов.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в повышении прочности бетонов без необходимости применения высокомарочных цементов.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности получения бетонов более высоких марок, чем получаемые известными способами при известных технологиях формирования бетонных смесей. Кроме того, обеспечивается эффективная утилизация отходов горно-химического (борного) производства, объем которых составляет в настоящее время свыше 15 млн. тонн, и отпадает необходимость завоза гипса в Дальневосточный регион, поскольку названные отходы находятся в районе Дальнегорского месторождения датолит-волластонитовых скарнов (Приморский край).

Поставленная задача решается тем, что бетонная смесь, включающая цемент, инертный наполнитель, хвосты переработки минерального сырья и воду затворения, отличающаяся тем, что в качестве указанных хвостов она содержит хвосты серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья, в количестве 1-3% от массы смеси, а вода затворения цемента содержит подщелачивающую добавку в количестве, обеспечивающем ее pH не менее 11. Кроме того, она содержит указанные хвосты, предварительно прогретые при температуре 100-120°С, до получения полуводного гипса. Кроме того, в качестве подщелачивающей добавки использованы гидроксид натрия или гидроксид кальция или карбонат натрия.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "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 влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований, а именно взаимодействие отходов серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья с компонентами бетонной смеси обеспечивает положительную реакцию на достижение технического результата - повышение прочности бетонов.

Отходы серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья (Дальнегорское месторождение датолит-волластонитовых скарнов - Приморский край), входящие в состав цемента, являются тонкодисперсным материалом, содержащим CaSO₄·2H ₂O в смеси с SiO₂ следующего химического состава и незначительного количества других минеральных примесей, мас.% (см. табл.1).

Таблица 1
Химический состав, мас.%	Минералогический состав, мас.%
СаО	23-28	Двуводный гипс	50-56
SiO2	20-28	Аморфный кремнезем	16-22
SO 3	27-36	Недоразложившиеся минералы	4-12
В2О3	0,7-1,2	Борная кислота	1-2
Fe2O3	0,7-3,0	Ангидрит (при хранении на воздухе переходит в двуводный гипс)	11-20
H2 O (кристаллическая)	12-15

Отходы - результат производственной деятельности производственного объединения «БОР» (г.Дальнегорск). Их объем составляет в настоящее время свыше 15 млн. тонн.

В данном техническом решении это сырье используется в качестве активного вяжущего компонента в количестве 1-3% от массы смеси впервые.

При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач:

Признаки « в качестве указанных хвостов она содержит хвосты серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья» обеспечивают возможность использования в качестве активирующей добавки для производства бетонной смеси тонкодисперсного материала (измельченного в процессе переработки), содержащего CaSO₄·2H ₂O в смеси с SiO₂, как базовых ингредиентов, обеспечивающих повышенную активность цемента и высокую прочность цементного камня.

Признаки, определяющие содержание добавки в составе смеси, обеспечивают возможность получения цементов более высоких марок, чем получаемые известными способами при технологических параметрах подготовки и обработки сырья (например, степени измельчения сырья), соответствующих известным способам.

Признаки «вода затворения цемента содержит подщелачивающую добавку в количестве, обеспечивающем ее pH не менее 11» позволяют максимизировать «прибавку» прочности цементного камня (или повышение марки портландцемента).

Признаки указывающие на то, что используют хвосты «предварительно прогретые при температуре 100-120°С, до получения полуводного гипса» задают режим дополнительной обработки отходов серно-кислой переработки боросодержащего минерального сырья оптимальный, необходимый с позиции конверсии CaSO₄·2H₂O в CaSO ₄·0,5Н₂О, т.е. обеспечивают возможность получения максимально активной модификации гипса, при этом снижение температуры ниже заданного предела не обеспечит обезвоживание массы, а существенное (например, свыше 120°С) превышение этого предела нецелесообразно с позиций расхода энергии на процесс и снижения выхода активной модификации гипса.

Признаки третьего пункта формулы конкретизируют возможные варианты подщелачивающей добавки.

Технология получения бетонной смеси заключается в следующем.

Процедура подготовки отходов серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья включает их просеивание сквозь сито с сеткой N 005, соответствующей требованиям ГОСТа для производства цементов марки 400. Далее просеянную фракцию отходов используют для приготовления бетонной смеси.

Целесообразно, чтобы отходы серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья были термообработаны прогревом до 100-120°С для обеспечения конверсии CaSO ₄·2H₂O в CaSO₄·0,5Н ₂О, т.е. для получения максимально активной модификации гипса, при этом снижение температуры ниже заданного предела не обеспечит обезвоживание массы, а существенное (например, свыше 120°С) превышение этого предела нецелесообразно с позиций расхода энергии на этот процесс.

Продолжительность этой операции определяется рабочими параметрами оборудования (в основном толщиной слоя прогреваемых отходов) и для каждого типоразмера печей определяется экспериментально, с отбором и анализом проб материала на содержание CaSO₄·0,5Н ₂О (при различных продолжительностях термообработки), после чего используется для управления ею. Данная операция может быть реализована в рамках отдельного технологического блока, обеспечивающего прогрев отходов в заданных пределах.

В качестве инертного наполнителя используется смесь щебня (материал крупностью от 10 до 40 мм) и песка.

Прочность (марка) щебня должна быть выше, нежели расчетная марка бетона. Известны характеристики щебня, изготовленного из различных материалов.

- Известняк. Средняя прочность 50-60 МПа. Отдельные виды известняковых наполнителей (до 80 МПа) вполне пригодны, чтобы изготовить бетон вплоть до марки М-350, но, в виду более низкой морозостойкости, известняк как правило используют для производства бетонов марок М-100 - М-300.

- Гравий. Прочность основных видов гравия (80-100 МПа) достаточна для изготовления марки бетона вплоть до М-450 (обычно, не выше М-400). Самый распространенный вид наполнителя. Обладает всеми хорошими качествами, необходимыми для получения большинства бетонных смесей.

- Гранит. Наиболее прочный из перечисленных наполнителей. Из дополнительных преимуществ перед предыдущими имеет более высокие показатели (до 140 МПа), низкое водопоглощение и в следствие этого - повышенную морозостойкость. Песок - материал с фракцией не более 3 мм, кварцевый или кварц-полевошпатовый (отмытый от глинистых частиц).

Весовое соотношение компонентов в инертной смеси - Щебень:Песок от 2:1 до 0:1 (в последнем случае речь идет о пескобетоне, при этом размер фракции песка увеличивается до 5 мм).

Процедура приготовления бетонной смеси не отличается от известных и заключается в дозировании компонентов в заявленных пропорциях и:

- подготовке воды для затворения цемента по известной технологии (для этого в м³ воды размешивают 1000 г NaOH или 1200 г Na₂CO₃ или 1500 г Са(ОН)₂;

- затворении сухой смеси водой и ее перемешивание в течение известного времени в бетоносмесителях известной конструкции.

Процесс укладки готовой смеси в формы или опалубку не отличается от известных.

Для выбора оптимального состава были приготовлены пескобетонные смеси, отличающиеся друг от друга содержанием, отходов серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья 0, 1, 2, 3, 4, 5 от массы смеси (при этом содержание портландцемента марки 400 от массы смеси - 22%, наполнителя - 66%, а вода, pH которой доведена не менее чем до 11, - остальное).

Отходы серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья, в оговоренной пропорции, перемешивают с портландцементом и мелким заполнителем - кварц-полевошпатовым песком крупностью до 3 мм, после чего смесь тщательно перемешивают в течение 5 мин, а затем вводят необходимое количество воды. Образцы - кубы размером 2×2×2 (дм) готовят из приготовленной смеси, при водоцементном отношении не менее 0,4 и консистенции раствора, характеризуемой расплавом конуса на встряхивающем столике не менее 105 мм. Формование образцов проводят на виброуплотняющей установке. Образцы в формах хранят 24 часа во влажных условиях, после чего подвергают термо-влажностной обработке или хранят в течение 28 суток в лабораторных условиях.

Пример 1. Отходы серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья (далее, в рецептуре указывается - Отходы) перемешивают с цементо-песчаной смесью: отходы - 0%, раствор цементно-песчаной смеси 100%. Через 7 суток хранения в нормальных условиях образцы испытывают на прочность. Образцы имели прочность при сжатии 13,7 МПа. Также образцы хранили 28 суток в нормальных условиях. При этом прочность при сжатии составила 14,3 МПа.

Пример 2. Аналогичен примеру 1 при следующем содержании компонентов, мас.%: отходы - 1%, раствор цементно-песчаной смеси - 99%. Прочность при сжатии через 7 суток - 30,7 МПа. Прочность при сжатии через 28 суток - 36,3 МПа.

Пример 3. Проводится аналогично примеру 2 при следующем соотношении компонентов, мас.%: отходы - 2%, раствор цементно-песчаной смеси - 98%. Прочность при сжатии через 7 суток - 37,5 МПа. Прочность при сжатии через 28 суток - 46,3 МПа.

Пример 4 аналогичен примеру 2 при следующем содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 3%, раствор цементно-песчаной смеси - 97%. R_сж через 7 суток равна 39,3 МПа. R_сж после 28 суток равна 48,2 МПа.

Пример 5 проводится аналогично примеру 2 при содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 4%, раствор цементно-песчаной смеси - 96%. Прочность при сжатии через 7 суток равна 35,8 МПа, R_сж через 28 суток равна 43,2 МПа.

Пример 6 проводится аналогично примеру 2 при содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 5%, раствор цементно-песчаной смеси - 95%. Прочность при сжатии через 7 суток равна 34,6 МПа, R_сж через 28 суток равна 40,2 МПа.

В результате исследований удалось установить, что при введении в пескобетонную смесь отходов серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья в количестве 1-3% от ее массы прочность бетона повышается по сравнению с известными видами цементов обычного состава.

Аналогично были отработаны образцы, изготовленные на комбинированном наполнителе гранитном щебне крупностью 20, и 40 мм и отсеве крупностью до 10 мм, в смеси с песком крупностью до 3 мм в соотношении Щебень:Песок 2:1. Полученные результаты коррелируют с результатами, полученными для пескобетона, с увеличением R_сж через 7 суток на 40-45% и с увеличением R _сж через 28 суток до 20-25%.

Анализ результатов показывает, что

- бетонная смесь, из портландцемента и наполнителя, обладает пониженной прочностью по сравнению с предложенным составом, включающим кроме указанных компонентов минеральную добавку - отходы серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья;

- с увеличением расхода добавки, начиная с 3%, прочность бетона существенно не возрастает;

- все составы смеси набирают прочность за 7 суток хранения образцов в лабораторных условиях.

Далее рецептура отрабатывалась по содержанию подщелачивающей добавки на пескобетоне. Методология приготовления составов цемента соответствовала описанной для пескобетона, кроме этапа изготовления смеси - подщелачивающая добавка вводилась непосредственно в состав воды затворения, перед приготовлением смеси. Таким образом, были приготовлены водные растворы NaOH с pH 8, 10, 11 и 14. Кроме того, после установления оптимальной pH, для Na₂CO₃ и Са(ОН) ₂ дополнительно были приготовлены водные растворы с pH 11 и 14.

Пример 7 проводится аналогично примеру 4 при содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 3, раствор цементно-песчаной смеси - 97, при использовании для затворения водных растворов NaOH с pH 8. R_сж через 7 суток равна 28,3 МПа, R_сж после 28 суток равна 34,5 МПа.

Пример 8 проводится аналогично примеру 7 при содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 3, раствор цементно-песчаной смеси - 97, при использовании для затворения водных растворов NaOH с pH 10. R_сж через 7 суток равна 34,5 МПа, R_сж после 28 суток равна 38,7 МПа.

Пример 9 проводится аналогично примеру 7 при содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 3, раствор цементно-песчаной смеси - 97, при использовании для затворения водных растворов NaOH с pH 11. R_сж через 7 суток равна 39,3 МПа. R_сж после 28 суток равна 48,2 МПа.

Пример 10 проводится аналогично примеру 7 при содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 3, цементно-песчаная смесь - 97, при использовании для затворения водных растворов NaOH с pH 14. R_сж через 7 суток равна 42,1 МПа, R _сж после 28 суток равна 48,7 МПа.

Пример 11 проводится аналогично примеру 9 при содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 3, раствор цементно-песчаной смеси - 97, при использовании для затворения водных растворов Na₂CO ₃ с pH 11. R_сж через 7 суток равна 39,1 МПа, R_сж после 28 суток равна 47,3 МПа.

Пример 12 проводится аналогично примеру 11 при содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 3, раствор цементно-песчаной смеси - 97, при использовании для затворения водных растворов Na ₂CO₃ с pH 14. R_сж через 7 суток равна 40,6 МПа, R_сж после 28 суток равна 46,5 МПа.

Пример 13 проводится аналогично примеру 9 при содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 3, раствор цементно-песчаной смеси - 97, при использовании для затворения водных растворов Са(ОН) ₂ с pH 11. R_сж через 7 суток равна 39,9 МПа, R_сж после 28 суток равна 46,1 МПа.

Пример 14 проводится аналогично примеру 13 при содержании основных компонентов, мас.%: отходы - 3, раствор цементно-песчаной смеси - 97, при использовании для затворения водных растворов Са(ОН) ₂ с pH 14. R_сж через 7 суток равна 40,3 МПа, R_сж после 28 суток равна 46,4 МПа.

Предлагаемый состав смеси отличается от прототипа тем, что не содержит отходы обогащения руд, а содержит отходы серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья.

Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию "промышленная применимость".