Результат интеллектуальной деятельности: Химическая добавка для цементных изделий

Изобретение относится к составу химической добавки для цементных изделий и может быть использовано в технологии производства бетонов и строительных растворов.

В работе [1] исследована возможность применения отработанных травильных растворов сталепрокатных заводов (OTP), содержащих серную кислоту и сульфат железа(II), для получения гидросульфоферритного вяжущего, используемого в качестве добавок для грунтобетонов OTP. Для этого OTP нейтрализуют оксидом кальция, выделяют влажную суспензию - смесь гидроксидов железа, кальция и сульфата кальция. Суспензию выветривают на полях сушки, при этом происходит окисление железа(II) в железо(III) кислородом воздуха. Использование полученного таким способом гидросульфоферрита кальция в качестве вяжущего для грунтобетонов приводит к повышению их водостойкости.

Недостатком этого способа является его низкая эффективность при высоких трудо-, энерго- и ресурсозатратах. Выделенный продукт - гидросульфоферрит кальция обеспечивает незначительный прирост прочности грунтобетонов.

В работе [2] в качестве добавок в бетонную смесь используют кислые отработанные растворы для печатных плат, содержащие (мас. %): соляную кислоту (1-1,5), хлорид меди (12-15), хлорид железа(II) - (8-13), хлорид железа(III) - (1-1,5).

Недостатками этого способа являются незначительный прирост прочности (7,2% по отношению к прототипу) при содержании добавки в количестве 2%, а также содержание в отработанных травильных растворах высокотоксичного катиона меди(II).

В рассмотренных выше работах объектами исследований являются бетонные смеси.

Известна химическая добавка для ускорения твердения цемента [3], представляющая собой водный раствор плавиковой кислоты, при следующем соотношении компонентов, мас. %: кислота (0,25-1,5); вода (98,5-99,75).

При введении добавки с водой затворения в количестве 0,25% от массы цемента (В/Ц=0,25) прочность цементного камня на 3 сутки естественного твердения возрастает на 40%, а на 28 сутки - на 52% и составляет 76 МПа.

Недостатком этой добавки является ее низкая эффективность. Кроме этого применение и хранение плавиковой кислоты представляет собой технические сложности, так как она разъедает стекло и другие силикатные материалы, она ядовита, обладает наркотическим действием. Возможны острые и хронические отравления парами этой кислоты и как результат - отек легких. Плавиковая кислота обладает раздражающим действием на кожу и слизистые оболочки глаз (вызывает болезненные ожоги и образование язв), мутагенным и кумулятивным действием. Она относится к первому классу опасности (ПДК_СС=0,05 мг/м³).

Наиболее близкой к настоящему изобретению является добавка в строительную смесь [4], которая содержит смесь при соотношении (14:1)-(10:1) бокситового шлама и отработанного раствора серно-кислотного травления стали плотностью 1,015-1,06 (г/мл), содержащего (мас. %) серную кислоту - 11,8-15,5 и сульфат железа(II) - 14,6-19,8.

При введении добавки в количестве 1,17-6,8% увеличивается подвижность и водоудерживающая способность.

Недостатком этой добавки является ее низкая эффективность.

Задачей настоящего изобретения является создание доступной, высокоэффективной химической добавки для повышения прочности цементных изделий.

Это достигается тем, что в качестве добавки применяют сернокислые отработанные травильные растворы сталепрокатных заводов плотностью 1,23 г/см³, содержащие (мас.%) 19,8-20,5 кислых веществ при следующем соотношении компонентов (г/л):

Кислые вещества, входящие в состав сернокислых отработанных травильных растворов (ТР_С), взаимодействуя с продуктами гидратации цементного теста, образуют на молекулярном уровне микрокристаллы, которые выполняют роль центров кристаллизации. Это способствует формированию цементного камня высокой прочности.

Химизм и механизм действия добавки следует разделить на три этапа.

1. Разрушение гидроксидов (на примере Ca(OH)₂ и Al(OH)₃), образующихся при гидратации цемента, кислотами, входящими в состав добавки, с образованием соответствующих хлоридов и сульфатов.

Ca(OH)₂+2Al(OH)₃↓+4H₂SO₄→CaSO₄↓Al₂(SO₄)₃+8H₂O

2. Смещение равновесия гидролиза солей железа в сторону продуктов в щелочной среде:

Fe²⁺+HOH↔Fe(OH)⁺+H⁺

Fe³⁺+HOH↔Fe(OH)²⁺+H⁺

H⁺+OH^-→H₂O

3. Образование нерастворимых соединений, выполняющих роль центров кристаллизации:

Fe(OH)⁺+Fe(OH)²⁺+3OH^-→Fe(OH)₂↓+Fe(OH)₃↓

влияние на прочность цементного камня будет обусловлено сбалансированным содержанием кислых веществ.

Из цементного теста нормальной густоты (В/Ц=0,28), приготовленного смешением цемента с водой затворения, содержащей ТР_С различного качественно-количественного состава, изготавливали образцы размером 2×2×2 см. Испытание образцов при сжатии проводили на 3 и 28 сутки твердения в воздушно-влажностных условиях.

Было исследовано влияние пропаривания на прочность при сжатии отдельных образцов. Пропаривание проводили в лабораторной пропарочной камере по режиму: подъем температуры до 70°C в течение 3 ч, выдержка при температуре 70°C - 4 ч, снижение температуры в течение 3 ч. Испытание образцов проводили на следующие сутки после пропаривания и на 28 сутки после него.

Результаты исследований представлены в таблице 1.

Как видно из данных таблицы 1, образцы цементного камня на 3 сутки воздушно-влажностных условий твердения при различном количественном содержании ТР_С обладают большей прочностью при сжатии, чем образец без добавки. Максимальное повышение прочности при сжатии на 3 сутки (42,3%) наблюдается у образца под номером 4, при содержании добавки 0,35% от массы цемента, тогда как у прототипа за это же время и при тех же условиях твердения прирост прочности цементного камня составляет 4,83%.

Таким образом, показатели прироста прочности при сжатии на 3 сутки воздушно-влажностных условий твердения цементного камня по нашему изобретению превосходят показатели прототипа.

Максимальное увеличение прочности на 28 сутки твердения наблюдается у образца под номером 4. При этом максимальное увеличение прочности при сжатии (73,1%) наблюдается при содержании добавки в количестве 0,35% от массы цемента (0,045% кислых веществ).

Результаты исследования влияния пропаривания на прочность при сжатии показывают, что максимальную прочность набирает образец под номером 4. При этом, прочность этого образца на 28 сутки после пропаривания возрастает в 2,2 раза по отношению к образцу без добавки, т.е. на 120%.

Эффективность ТР_С по сравнению с прототипом приведена в таблице 2.

Таким образом, добавки на основе ТР_С ускоряют процесс твердения и повышают прочность цементного камня на 28 сутки твердения в воздушно-влажностных условиях на 73,0% по сравнению с составом без добавки, что выше, чем в прототипе.

При сравнении показателей прочности образцов цементного камня, полученных с применением предложенных нами добавок, с прототипом настоящего изобретения можно заключить, что прочность при сжатии цементного камня по настоящему изобретению увеличивается.

Приведенные выше данные показывают, что в качестве добавок для цементных изделий могут быть применены ТР_С.

Источники информации

1. Коломиец Р.А. Грунтобетоны и строительные растворы с вяжущими на основе гидросульфоферритов кальция: дис. … канд. техн. наук: 05.23.05 / Р.А. Коломиец. - Белгород, 2001 - 150 с.

2. АС №814927 СССР, М. Кл. С04В 13/22. Бетонная смесь / В.М. Смолянский, Ю.М. Анин, З.Д. Рохлина и др.; Всесоюзный научн.-исслед. ин-т транспорта, строит. - заявл. 23.03.1979; опубл. 23.03.1981, бюл. №11 - 2 с.

3. Пат. 2467969, Российская Федерация, МПК С04B 22/8. Химическая добавка для ускорения твердения цемента / В.А. Лотов, Е.А. Сударев; Нац. исслед. Томский политехнич. ун-т. - заявл. 03.03.2011; опубл. 27.11.2012, бюл. №33 - 4 с.

4. SU №1278329 А1, М. Кл. С04В 28/02, 22/08. Композиция для строительных работ / В.В. Куклинский, М.С. Бисерова, И.В. Кравченко, П.Н. Тыква, В.В. Коваль, Д.Н. Гонтарь, О.Т. Мулько. - заявл. 28.06.1982; опубл. 23.12.1986, бюл. №47 - 4 с.