Патент на изобретение №2372302

(54) ВЯЖУЩЕЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для укрепления грунтов оснований автомобильных и железных дорог, для устройства фундаментов жилых и гражданских сооружений, для получения ячеистых бетонов, а также для укрепления отвалов тонкодисперсных промышленных отходов горнорудных и других предприятий. Вяжущее, содержащее шлак цветной металлургии, жидкое стекло и наполнитель, содержит в качестве шлака цветной металлургии шлак медной плавки, в качестве наполнителя – хвосты обогащения медно-колчеданных руд, жидкое стекло – с плотностью 1,18-1,23 г/см³ и дополнительно – лигносульфонат технический и сталеплавильный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%: шлак медной плавки 48,0-74,0, указанное жидкое стекло 6,0-9,0, лигносульфонат технический 0,1-0,4, сталеплавильный шлак 1,8-3,6, указанные хвосты – остальное. Технический результат – повышение прочности, скорости твердения, водо- и морозостойкости. 2 табл.

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для укрепления грунтов оснований автомобильных и железных дорог, для устройства фундаментов жилых и гражданских сооружений, для получения ячеистых бетонов, а также для укрепления отвалов промышленных отходов горнорудных и других предприятий.

Известно вяжущее на основе молотого вторичного гранулированного шлака цветной металлургии, содержащее следующие компоненты, вес.ч.:

Молотый вторичный граншлак
цветной металлургии	2-3
Отходы обогащения металлургических
руд с содержанием SiO2 не менее 30%	0,5-1
Щелочной возбудитель схватывания	0,2-1

В качестве щелочного возбудителя схватывания вяжущее содержит известь или портландцемент (см. Авт.св. СССР 316665, С04В 7/14).

Недостатком известного вяжущего является низкая прочность, морозостойкость и водостойкость за счет того, что входящий в его состав щелочной возбудитель (известь или портландцемент) при взаимодействии с гранулированным шлаком и отходами обогащения металлургических руд образуют химические соединения, которые под воздействием воды и отрицательных температур разрушаются, снижая вышеуказанные свойства вяжущего.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является вяжущее, содержащее следующие компоненты, мас.%:

Никелевый гранулированный шлак	52-78
Едкий натр или дисиликат натрия
в пересчете на Na2O	2-8
Горелая порода	20-40

(см. Авт.св. СССР 925895, С04В 7/14)

Недостатком известного вяжущего является низкая скорость твердения в естественных условиях за счет того, что входящий в состав никелевый шлак проявляет гидравлическую активность только при повышенной (более 40°С) температуре, что приводит к медленному твердению состава и, следовательно, к его низкой прочности. Также известное вяжущее имеет низкую морозостойкость и водостойкость за счет того, что входящие в состав никелевого шлака железистые силикаты при твердении образуют химические соединения, активно разрушающиеся при взаимодействии с водой и в условиях попеременного замораживания и оттаивания.

В основу изобретения поставлена задача разработать состав вяжущего, одновременно обладающего комплексом свойств: высокой прочностью, скоростью твердения в естественных условиях, водостойкостью и морозостойкостью.

Поставленная задача решается тем, что известное вяжущее, включающее шлак цветной металлургии, жидкое стекло и наполнитель, согласно изобретению содержит в качестве шлака цветной металлургии шлак медной плавки, в качестве наполнителя – хвосты обогащения медно-колчеданных руд, жидкое стекло – с плотностью 1,18-1,23 г/см³ и дополнительно – лигносульфонат технический и сталеплавильный шлак, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Жидкое стекло – водный раствор стекловидных силикатов щелочных металлов (натрия или калия), представляет собой густую вязкую прозрачную жидкость без механических включений и примесей (см. Кузнецова Т.В и др. Специальные цементы. – СПб.: Стройиздат, 1997. – С.220-226).

Лигносульфонат технический (ЛСТ) – является продуктом переработки отходов основного производства целлюлозно-бумажных комбинатов. Представляет собой кальциевую соль лигносульфоновой кислоты, содержащую активные функциональные группы разной полярности (-SO₃H, -ОН, >С=О), перемежающиеся с неполярными радикалами. Содержит в своем составе различные углеводороды, свободную серную кислоту и сульфаты. Выпускается в виде жидкого или твердого концентрата, хорошо растворимого в воде (см. Андреева А.Б. Пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки в бетонах и растворах. – М.: Высшая школа, 1988. – С.34-35).

Сталеплавильный шлак является отходом при производстве стали, который образуется за счет окисления примесей шихты специально вводимыми раскислителями, а также растворения флюса (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. – Киев: Вища школа, 1975. – С.314).

Сталеплавильный шлак имеет следующий химический состав, мас.%: СаО – 35,3; SiO₂ – 20,9; Аl₂О₃ – 12,2; Fe₂O₃ – 23,3; MgO – 6,93; SO₃ – 1,37.

В состав кристаллической фазы сталеплавильного шлака входят двухкальциевый силикат (2CaO·SiO₂), мервинит, алюмоферриты кальция.

Хвосты обогащения медно-колчеданных руд представляют собой тонкодисперсную минеральную массу с размером частиц не более 0,074 мм. Хвосты обогащения медно-колчеданных руд имеют следующий химический состав, мас.%: Сu – 0,16; Zn – 0,43; S – 15,96; Fe – 26,2; SiO₂ – 31,34; As – 0,09; Ca – 3,3; Mg – 4,82; Co – 0,01; прочие – 17,69.

Известно использование лигносульфоната технического в качестве пластификатора бетонных и растворных смесей (см. Добавки в бетон. Справочное пособие. – М.: Стройиздат, 1988. – С.95-99) и в качестве связующего материала в литейном производстве (см. Борсук П.А. Жидкие самотвердеющие смеси. – М.: Машиностроение, 1979. – С.87-94).

В заявляемом вяжущем лигносульфонат технический (ЛСТ) одновременно проявляет комплекс новых технических свойств, заключающихся:

– в регулировании процесса полимеризации жидкого стекла путем образования при гидролизе ЛСТ сложных эфиров лигносульфоновой кислоты, являющихся активизаторами полимеризации жидкого стекла, что обеспечивает повышение прочности заявляемого состава;

– в нейтрализации избыточной щелочности состава, что способствует снижению тепловыделения при его затвердевании, а следовательно, приводит к увеличению плотности, прочности, водостойкости и морозостойкости вяжущего;

– в ускорении окисления пирита (FeS₂), содержащегося в шлаке цветной металлургии и хвостах обогащения медно-колчеданных руд, за счет со держания в ЛСТ свободной серной кислоты, что способствует образованию в качестве конечного продукта окисления – гидроксида железа, обладающего цементирующими и уплотняющими свойствами, обеспечивающими увеличение прочности, водостойкости и морозостойкости вяжущего.

Сведений о вышеуказанном комплексе новых технических свойств, проявляемых лигносульфонатом техническим (ЛСТ), в известных источниках информации не обнаружено.

Известно использование сталеплавильного шлака в качестве компонента вяжущих веществ совместно с известью, гипсом или портландцементным клинкером, твердеющих при автоклавной обработке (см. Пащенко А.А. и др. Вяжущие материалы. – Киев: Вища школа, 1975. – С.315-321).

В заявляемом вяжущем сталеплавильный шлак проявляет новое техническое свойство, заключающееся в ускорении твердения жидкого стекла за счет того, что входящий в состав сталеплавильного шлака двухкальциевый силикат (2CaO·SiO₂₎) вступает во взаимодействие с жидким стеклом, вследствие чего в составе вяжущего уменьшается количество влаги, что приводит к возрастанию плотности материала, ускорению его твердения в естественных условиях, а также к увеличению прочности, водостойкости и морозостойкости вяжущего.

Сведений о вышеуказанном новом техническом свойстве сталеплавильного шлака в известных источниках информации не обнаружено.

На основании вышеизложенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемая вяжущая композиция не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует уровню патентоспособности – «изобретательский уровень».

Пример конкретного выполнения

Заявляемое вяжущее готовят следующим образом.

Предварительно смешивают в течение 5 минут лигносульфонат технический (ЛСТ) и жидкое стекло с плотностью 1,18-1,23 г/см³ в заявляемых соотношениях. Затем в полученную смесь вводят тонкоизмельченный шлак медной плавки и наполнитель, в качестве которого используют хвосты обогащения медно-колчеданных руд, а затем вводят ускоритель твердения жидкого стекла – молотый сталеплавильный шлак. Полученную смесь перемешивают в течение 1 минуты до получения однородной массы, после чего она готова к применению.

Для обоснования преимущества заявляемого вяжущего по сравнению с прототипом, а также для обоснования количественного содержания компонентов в заявляемом составе вяжущего в лабораторных условиях было приготовлено и испытано шесть составов вяжущего:

составы 1-3 с заявляемым содержанием компонентов;

состав 4 с содержанием компонентов, выходящим за минимальные заявляемые пределы;

состав 5 с содержанием компонентов, выходящим за максимальные заявляемые пределы;

состав 6 был приготовлен по прототипу.

Для приготовления заявляемого вяжущего (составы 1-5) были использованы следующие исходные материалы:

– шлак медной плавки с удельной поверхностью 400 м²/кг;

– жидкое стекло по ГОСТ 13079-81 плотностью 1,20 г/см³;

– лигносульфонат технический (ЛСТ) по ОСТ 13-183-83;

– ускоритель твердения жидкого стекла – тонкоизмельченный сталеплавильный шлак с удельной поверхностью 400 м²/кг.

– наполнитель – хвосты обогащения медно-колчеданных руд крупности – 0,074+0 мм;

Для приготовления вяжущего, взятого за протопит, были использованы материалы:

– никелевый гранулированный шлак;

– жидкое стекло по ГОСТ 13079-81 плотностью 1,20 г/см³;

– горелая порода.

Составы вяжущих приведены в таблице 1.

Готовили составы вяжущего по вышеописанной технологии.

Для определения прочности из вяжущего изготавливали образцы-кубы с ребром 70 мм, которые после твердения при температуре 20°С и относительной влажности воздуха 98% испытывали на сжатие в возрасте 2 и 28 суток. Испытание на прочность проводили в соответствии с ГОСТ 10180-90 «Методы определения прочности по контрольным образцам». Водостойкость вяжущего определяли по величине коэффициента размягчения, равного отношению прочности вяжущего в водонасыщенном состоянии к прочности сухих образцов. Водостойкими считаются материалы, имеющие коэффициент размягчения не ниже 0,7.

Испытание на морозостойкость проводилось в соответствии с ГОСТ 10060-87 «Методы определения морозостойкости»

Результаты испытаний вяжущих приведены в таблице 2.

Таблица 1
Наименование компонентов	Содержание компонентов, мас.%, в составах
1	2	3	4	5	6 (прототип)
Наполнитель:						30,0
– горелая порода
– хвосты обогащения медно-колчеданных руд	44,1	28,55	13	30,05	27,85	–
Шлак цветной металлургии тонкоизмельченный:
– никелевый гранулированный шлак	–	–	–	–	–	65,0
– шлак медной плавки	48	61	74	61	61	–
Жидкое стекло	6	7,5	9	7,5	7,5	5,0
Лигносульфонат технический	0,1	0,25	0,4	0,05	0,45	–
Ускоритель твердения жидкого стекла
– сталеплавильный шлак	1,8	2,7	3,6	1,4	3,2

Анализ результатов испытаний показал, что заявляемое вяжущее (составы 1-3) по сравнению с вяжущим, взятым за прототип, позволяет:

– повысить прочность на 10-45,5%;

– увеличить водостойкость на 11,5-20,5%;

– повысить морозостойкость на 17,4-34,8%.

При этом скорость твердения заявляемого вяжущего по сравнению с прототипом возрастает в 1,45 раза.

Использование вяжущего составов 4 и 5 нецелесообразно, так вяжущее состава 4 имеет низкую водостойкость и морозостойкость, а вяжущее состава 5 хотя и имеет достаточно высокую прочность и морозостойкость, однако обладает низкой водостойкостью.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемое вяжущее работоспособно и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе, что подтверждается примерами конкретного выполнения. Соответственно заявляемое вяжущее, обладая комплексом высоких строительно-технических свойств, может найти широкое применение в различных областях строительства и геотехнологии.

Следовательно, заявляемое вяжущее соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Формула изобретения

Вяжущее, содержащее шлак цветной металлургии, жидкое стекло и наполнитель, отличающееся тем, что оно содержит в качестве шлака цветной металлургии шлак медной плавки, в качестве наполнителя – хвосты обогащения медно-колчеданных руд, жидкое стекло – с плотностью 1,18-1,23 г/см³ и дополнительно – лигносульфонат технический и сталеплавильный шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%: