сырьевая смесь для синтеза сульфатированного цемента

Формула изобретения

Сырьевая смесь для синтеза сульфатированного цемента, содержащая известняк, глинистый и сульфатный компоненты, отличающаяся тем, что в качестве сульфатного компонента смесь содержит гидратный шлам, включающий, мас.%: СаО 24,8-25,2, SiO₂ 0,38-0,43, Аl₂О₃ 4,8-4,9, Fе₂О₃ 8,7-8,9, SO₃ 33,5-34,1, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Известняк	54,8-70,8
Глинистый компонент	16,5-25,2
Гидратный шлам	4,0-28,7

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства цемента и может быть использовано в промышленности строительных материалов.

Известна сырьевая смесь для приготовления портландцемента, состоящая из известняка и глины (Тейлор, X. Химия цемента / Х.Тейлор. Пер с англ. - М.: Мир, 1996. - 560 с) [1]. Для ускорения клинкерообразования цементов на основе известной сырьевой смеси используют природный гипс, положительное влияние которого на процессы клинкерообразования сводится к взаимодействию сульфата кальция с имеющимися в сырьевой смеси примесями Na₂O и KiO. При этом образуются легкоплавкие и летучие сульфаты щелочных элементов, способствующие образованию маловязкой жидкой фазы при более низких температурах и превращению сульфата кальция в эффективный плавень, способствующий ускоренному образованию клинкерных минералов. Недостатком введения природного гипса в портландцемент при его синтезе является стабилизация свободной извести и белита, являющаяся причиной торможения или даже отсутствия образования алита в продуктах обжига.

Известна сырьевая смесь для синтеза сульфосиликатного цемента, содержащая глину, известняк и фосфогипс (Атакузиев, Т.А. Сульфоминеральные цементы на основе фосфогипса / Т.А.Атакузиев, Ф.М.Мирзоев. - Т.: Из-во «ФАН», 1979. - 152 с.) [2]. Синтезируемый на основе известной сырьевой смеси цемент относится к малоэнергоемким, т.к. синтезируется при температуре до 1350°С. Данный цемент обладает повышенной сульфатостойкостью и скоростью твердения, но низкой прочностью, составляющей в среднем 20-30 МПа. Для повышения прочности получаемого цемента авторы использовали дорогие и дефицитные бокситы вместо глины, однако достичь существенного повышения прочности цемента им не удалось.

Известно применение низкоалюминатных сырьевых материалов для синтеза сульфосиликатного цемента (Сычева Л.И. Получение и свойства сульфатсодержащих цементов на основе низкоалюминатных сырьевых материалов / Л.И.Сычева, Д.В.Бакеев // Цемент и его применение, 2009. № 6, с.117-120) [3]. Известная сырьевая смесь содержит известняк, фосфогипс, глину или золу уноса. За счет высокого содержания в клинкере цемента сульфат иона синтезируемый цемент является сульфатостойким и быстротвердеющим. Прочность цемента в 28 суточном возрасте при Sn=1 достигает 70 МПа. Используемая для приготовления данного цемента сырьевая смесь содержит в качестве сульфатирующего агента фосфогипс, который в своем составе содержит значительное количество фосфатов в растворимом состоянии. Фосфаты, попадая в клинкер цемента, являются причиной замедленного схватывания и набора прочности цемента. Кроме СаО и SO₃ в составе фосфогипса не содержится в достаточном количестве иных, полезных для синтеза цемента, оксидов. Имеет значение и то, что не во всех регионах имеются запасы фосфогипса, достаточные для производства цемента в промышленных масштабах.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке сырьевой смеси для синтеза малоэнергоемкого, высокопрочного и сульфатостойкого цемента. Для решения поставленной задачи сырьевая смесь содержит известняк, глинистый и сульфатный компоненты, при этом в качестве сульфатного компонента смесь содержит гидратный шлам, включающий, мас. % СаО - 24,8 25,2, SiO₂ - 0,38 0,43, Аl₂О₃ - 4,8 4,9, Fе₂О₃ 8,7 8,9, SO₃ - 33,5 34,1, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Известняк - 54,8-70,8;

Глинистый компонент - 16,5-25,2;

Гидратный шлам - 4,0-28,7.

Сущность заявленного изобретения заключается в вовлечении в производство цемента сульфатсодержащих отходов промышленного производства, в составе которых помимо сульфата содержатся иные, полезные для производства цемента, оксиды, в частности оксиды алюминия и железа, и совсем не содержится фосфатов, которые могут отрицательно влиять на сроки схватывания и твердения цемента. Полезные для технологии цемента оксиды Аl₂O₃ и Fе₂О ₃ учитываются при расчете сырьевой смеси и способствуют повышению прочности сульфатированных цементов на основе такой сырьевой смеси. Комплексное воздействие полезных оксидов и отсутствие фосфатов в сырьевой смеси позволяет получить цемент с высокими механическими свойствами и хорошей кинетикой твердения. При максимальном содержании в сырьевой смеси известняка и минимальном содержании гидратного шлама смесь шихтуется на получение в цементе минимального количества сульфатированных минералов, только сульфоалюмината кальция С₄А₃СS, при этом по содержанию сульфатов цемент удовлетворяет требованиям действующих нормативных документов, а модульные характеристики цемента составляют Кн=1. Сн=0. При минимальном содержании в сырьевой смеси известняка и максимальном содержании гидратного шлама смесь шихтуется на получение в цементе максимального количества сульфатированных минералов, а модульные характеристики цемента составляют Кн=1. Сн=1. При этом цемент по содержанию сульфатов не отвечает требованиям действующих нормативных документов, но является высокопрочным, быстротвердеющим и сульфатостойким.

ПРИМЕР.

Для приготовления сульфатированного цемента использовались компоненты, химический состав которых приведен в табл.1.

Сырьевая смесь для приготовления цемента с модульными характеристиками: Кн=1, Сн=1 на основе гидратного шлама имела в своем составе, мас.%:

Известняк - 54,8;

Глина - 25,2;

Гидратный шлам - 28,7.

Сырьевая смесь для приготовления цемента с модульными характеристиками: Кн=1, Сн=1 на основе фосфогипса имела в своем составе, мас.%:

Известняк - 59,2;

Глина - 20,1;

Фосфогипс - 20,7.

Сырьевая смесь для приготовления цемента с модульными характеристиками: Кн=1, Сн=0 на основе гидратного шлама имела в своем составе, мас.%:

Известняк - 70,8;

Глина - 16,5;

Гидратный шлам - 4,0.

Сырьевая смесь для приготовления цемента с модульными характеристиками: Кн=1, Сн=0 на основе фосфогипса имела в своем составе, мас.%:

Известняк - 71,4;

Глина - 25,6;

Фосфогипс - 3.

В качестве гидратного шлама использовались отходы (осадки) от реагентной очистки сточных вод. Сырьевые смеси для приготовления цементов гомогенизировались путем совместного помола, прессовались при усилии прессования 200 МПа и подвергались обжигу при температуре 1300°С. Полученный подобным образом клинкер измельчался до остатка на сите № 008 не более 15% и у них определялись физико-механические свойства. Результаты определения физико-механических свойств цементов представлены в табл.2 и табл.3.

Результаты испытаний свидетельствуют, что цемент на основе гидратного шлама имеет меньшие сроки схватывания и ускоренный набор прочности, чем цемент на основе фосфогипса. Прочностные свойства цемента, синтезированного из сырьевой смеси с гидратным шламом выше, чем у цемента на основе фосфогипса, приблизительно на 10%.

Сырьевая смесь для синтеза сульфатированного цемента

Таблица 1
Химический состав сырьевой смеси и клинкера, мас.%
Компонент	СаО	SiO2	Al2O 3	Fе2 О3	SO 3	P2 O5	mпрк	Сумма
Известняк	56,35	0,041	0,064	0,038	0,01	0,014	42,8	99,4
Глина	1,21	50,7	20,9	12,8	1,4	0,17	12,5	99,68
Гидратный шлам	24,82	0,38	4,82	8,74	33,57	0	27,14	99,47
Фосфогипс	31,6	0,87	0,02	1,22	44,8	1,32	20,1	99,93
Клинкер на основе гидратного шлама	52,37	17,93	8,85	7,48	13,02	0,336	0	99,98
Клинкер на основе фосфогипса	52,99	19,66	7,65	4,91	14,29	0,488	0	99,98

Сырьевая смесь для синтеза сульфатированного цемента

Таблица 2
Результаты испытаний портландцемента*
Тип клинкера	Вещественный состав	SO3, %	S, м2/кг	R008, %	НГ, %	Сроки схватывания, ч-м	В/Ц	РК
клинкер	гипс	нач.	кон.
На основе гидратного шлама с Кн=1, Сн=0	96,0	4,0	3,8	349	9,6	28,3	2-35	4-45	0,4	115
На основе фосфогипса с Кн=1, Сн=0	96,0	4,0	3,8	342	12,5	26,2	6-25	7-45	0,4	115
На основе гидратного шлама с Кн=1, Сн=1	100	0	13,0	348	5,6	31,9	2-15	3-45	0,4	116
На основе фосфогипса с Кн-1, Cн=1	100	0	14,3	336	8,9	32,3	4,25	7-40	0,4	114

* S - удельная поверхность; R008 - остаток на сите № 008; В/Ц - водоцементное соотношение; НГ - нормальная густота; РК - расплыв конуса

Таблица 3
Результаты испытаний цемента
Тип клинкера	Предел прочности при сжатии, МПа, через, суток
2	7	14	28
На основе гидратного шлама с Кн=1, Сн=0	21,8	31,1	42,5	48,2

На основе фосфогипса с Кн=1, Сн=0	19,4	27,8	38,5	43,3
На основе гидратного шлама	23,5	34,5	45,3	49,9
На основе фосфогипса	20,6	28,1	39,4	44,2