ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2283292

СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МИКРОГРАНУЛ КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКИ В ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИТЫ

СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МИКРОГРАНУЛ
КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКИ В ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИТЫ

Имя изобретателя: Белых Светлана Андреевна (RU); Фадеева Анастасия Михайловна (RU); Мясникова Анастасия Юрьевна (RU); Попова Виктория Григорьевна 
Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Братский государственный университет"
Адрес для переписки: 665709, Иркутская обл., г. Братск, ул. Макаренко, 40, БрГУ, патентный отдел, С.В. Кварацхелия
Дата начала действия патента: 2005.04.12 

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. Техническим результатом изобретения является снижение энергоемкости и упрощение технологического процесса приготовления комплексной гранулированной добавки воздухововлекающего действия в виде микрогранул. В способе приготовления микрогранул комплексной добавки в цементные композиты, включающем получение смеси тонкодисперсного минерального компонента с раствором поверхностно-активного вещества ПАВ, ее осушение с последующим распадом на микрогранулы, осуществляют 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

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 b -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 b -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 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 s 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 s 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, s *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.

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.

Версия для печати
Дата публикации 12.05.2007гг


вверх