Способ получения строительных изделий на основе кремнеземсодержащего связующего

Изобретение относится к производству различных прочных конструкционных строительных изделий различного назначения, включая кирпичи, камни, блоки, используемых для возведения конструкций с применением кладки и эксплуатируемых в условиях нормальной и низкой влажности, на основе кремнеземсодержащего связующего из техногенного огнеупорного сырья - динасового лома и алюмосиликатного наполнителя - шамотного лома или дешевого минерального сырья -песка.

Данная технология позволяет понизить расход материальных и энергетических ресурсов строительного комплекса за счет разработки новых видов строительных изделий с применением многотоннажных техногенных отходов, каким является огнеупорный лом (динасовый и шамотный). Только в Кемеровской области образование отходов огнеупоров в процессе ремонта и демонтажа футеровки высокотемпературных металлургических и теплоэнергетических агрегатов составляет более 105 тыс.т. в год. Поэтому направление, связанное с эффективным использованием техногенных отходов в составе строительных материалов и изделий, решает не только экономические, но и экологические задачи, такие как ликвидация отвалов, рациональное использование природных ресурсов, сохранение земельного фонда.

При производстве большой группы строительных изделий (кирпича, камня, блоков) данная технология может быть альтернативной производству традиционных материалов на основе минеральных вяжущих или керамики. Она позволяет получать различные изделия с более высоким эксплуатационными характеристиками (прочностными, стойкостью к истиранию) по сравнению с выпускаемыми по традиционным технологиям.

Известен способ изготовления строительных изделий (1. RU 2206536, опубл. 20.06.2003., Бюл. №17), включающий приготовление формовочной массы из силикатного связующего, кремнеземистого наполнителя, ускорителя твердения и воды, формование из полученной смеси изделий и их сушку, в котором используют силикатное связующее, выбранное из группы жидкое стекло, силикат-глыба, гидросиликат натрия, кремнегель, кремнеземистый наполнитель с влажностью не более 20% и дисперсностью 4-50 мкм и 0,1-2,5 мм. Приготовление формовочной массы с влажностью 6-10% осуществляют при интенсивном перемешивании до гомогенного состояния сначала путем совместного помола указанного силикатного связующего с 2-5 мас. % указанного наполнителя до его дисперсности 4-50 мкм, затем введения воды и добавления в полученную активированную смесь 20,0-46,5 мас. % указанного наполнителя с дисперсностью 4-50 мкм и 24, 5-63,9 мас. % указанного наполнителя с дисперсностью 0,1-2,5 мм, дополнительно пигмента и ускорителя твердения, формование осуществляют прессованием при давлении от 1,0 до 150 кг/см², а сушку -при 25-400°С при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанное силикатное связующее - 0, 5-15,5; указанный кремнеземистый наполнитель - 75,9-85,9; ускоритель твердения - 0,5-5, 0; вода - 8,1-13,3; пигмент - 0-5,0. Причем, используют жидкое стекло предпочтительно в количестве 0,5-15,5 мас. %, силикат-глыбу с дисперсностью 4-20 мкм, предпочтительно, в количестве 0,5-3,0 мас. %, гидросиликат натрия с дисперсностью 4-20 мкм, предпочтительно, в количестве 3,0-4,0 мас. %, кремнегель с дисперсностью 4-20 мкм, предпочтительно, в количестве 2,0-4,0 мас. %, а после сушки дополнительно осуществляют обжиг при 600-1000°С в течение 15-90 мин.

Недостатком известного способа, прежде всего, является его сложность и необходимость введения специальных отверждающих добавок.

Известен способ изготовления строительного материала (2. RU 2606741, опубл. 10.01.2017 г., Бюл. №1), включающий перемешивание кремнезема и 5%-ного щелочного раствора при соотношении сухого и жидкого компонентов 1:1 при одновременном воздействии на смесь электромагнитным полем до полного растворения кремнезема, добавление полученного раствора в количестве от 4% до 8% от общего объема смеси к кремнеземсодержащему сырью, включающему 5-10% или 15% кристобалита от общего объема смеси, затем перемешивание смеси до полного смачивания кремнеземсодержащего сырья, формование из полученной смеси изделий и обработку сушкой при температуре от 40°С до 80°С или путем пропаривания изделия при температуре 90°С-120°С, или путем воздействия на изделие СВЧ излучением.

Недостатком данного технического решения является использование электромагнитного поля для перемешивания исходных компонентов, что требует разработку и изготовления специального устройства и отрицательно сказывается на себестоимости продукции. Кроме того, для получения особых свойств отформованные изделия обрабатывают электромагнитными полями сверхвысокой частоты (СВЧ) либо существует необходимость в дополнительной стадии пропарки изделий.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу по изобретению является известный способ получения строительных изделий на основе кремнеземсодержащего связующего (3. RU 2443660, опубл. 27.02.2012 г., Бюл. №6). Способ включает приготовление кремнеземсодержащего связующего с плотностью 1,3-2,4 г/см³ модулем 15-30 из смеси, содержащей неорганическую связку, кремнеземсодержащий компонент, соль плавиковой кислоты в количестве 0,5-10,0 мас. % от смеси и воду, при их интенсивном перемешивании в высокоскоростном смесителе при скорости перемешивания их 2600-6000 об/мин, частоте колебаний частиц 3600-45000 об/мин, нагревании при 80-90°С или при воздействии электрического тока с напряженностью 15-40 Вт и силой тока до 60 А, с последующим охлаждением его при перемешивании со скоростью от 40 до 100 об/мин при 15-25°С в течение 10-12 часов или воздушной аэрации при 10-20°С в течение 6-11 часов, приготовление формовочной массы осуществляют смешением 9,0-13,5 мас. % этого полученного связующего и 86,5-91,0 мас. % кремнеземсодержащего заполнителя с влажностью не более 6% и дисперсностью 4-50 мкм или 60-150 мкм, или 0,2-25 мм, гомогенизацию масс, формование путем вибролитья или поверхностным виброуплотнением, или путем вибропрессования, или полусухого прессования с усилием от 1,0 до 400 кг/см² на прессе или на транспортере с усилием прессования от 150 до 600 кг/см², термообработку осуществляют при температуре 400-950°С, а при использовании горючих заполнителей из указанных выше термообработку осуществляют при 85-95°С.

Способ технологически достаточно сложен, требует значительных энергетических затрат в виду необходимости наличия высокоскоростных перемешивающих устройств, введения специальных отверждающих добавок.

Технической задачей заявленного изобретения является снижение его технологической сложности и энергозатрат при изготовлении строительного материала, расширение сырьевой базы и снижение себестоимости изделий за счет использования техногенных отходов (динасового и шамотного лома), получение экологически чистых строительных материалов с высокими прочностными свойствами, стойкостью к истиранию.

Технический результат достигается тем, что в заявляемом способе получения строительных изделий на основе кремнеземсодержащего связующего, включающего приготовление кремнеземсодержащего связующего, формовочной массы из кремнеземсодержащего связующего и алюмосиликатного наполнителя, формование из полученной формовочной массы изделий с последующей сушкой и термообработкой, сначала готовят кремнеземсодержащее связующее с модулем 1-3,3 и плотностью 1,25-1,35 г/см³ готовят из отходов динасового огнеупора, предварительно измельченных до зернистости не более 0,14 мм, путем их обработки 17%-м раствором гидроксида натрия из расчета Т:Ж=1:1,5-6 мас. ч., с последующей термообработкой полученной смеси в течение не более 8 часов при температуре 100°С при периодическом перемешивании, непрореагировавший остаток отделяют центрифугированием или декантацией, в качестве наполнителя при получении формовочной массы используют песок или отход огнеупоров - шамот зернистостью не более 0,14 мм, формование изделий осуществляют шликерным литьем, затем подвергают сушке при температуре 50°С в течение 2-24 часов и термообработке при температуре 150-700°С в течение не более 6 часов. При использовании песка в качестве наполнителя, предпочтительно, термообработку проводят при температуре 300-700°С. При использовании в качестве наполнителя шамота, предпочтительно, термообработку проводят при температуре 150-700°С.

Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются:

- для получения кремнеземсодеращего связующего с модулем 1-3,3 и плотностью 1,25-1,35 г/см³ используют отходы динасового огнеупора с зернистостью не более 14 мм;

- отходы динасового огнеупора обрабатывают 17%-м раствором гидроксида натрия из расчета Т:Ж=1:1,5-6 мас. ч.

- полученную смесь при перемешивании подвергают термической обработке при 100°С в течение 8 часов;

- непрореагировавший остаток отделяют центрифугированием или декантацтей;

- используют наполнитель, песок и шамот, с зернистостью не более 0.14 мм;

- формование осуществляют шликерным литьем;

- изделия подвергают сушке при температуре 50°С в течение 2-24 часов; -изделия подвергают термообработке при температуре 150-700°С в течение не более 6 часов.

Поставленная задача решается благодаря совокупности отличительных существенных признаков.

Проведенный патентный поиск не выявил технических решений, порочащих новизну заявляемому.

Для получения связующего осуществляют смешивание техногенного огнеупорного сырья - динасовый лом, например, следующего состава (мас. %): SiO₂ - 88,4; Al₂O₃ - 2,1; СаО - 2,7; Fe₂O₃ - 2,8; п.п. (примеси) - 4,0, предварительно измельченного до зернистости не более 0,14 мм, с раствором гидроксида натрия, при этом концентрация щелочного раствора 17 мас. %. Полученную смесь подвергают термической обработке при 100°С и атмосферном давлении в течение не менее 8 ч с периодическим перемешиванием при скорости перемешивания по меньшей мере 20 об/мин., после чего удаляют нерастворившийся остаток. Полученное связующее представляет собой гомогенный продукт желтого оттенка с текучестью подобной воде, силикатным модулем 1-3,3 и плотностью 1,25-1,35 г/см³.

В таблице 1 представлены примеры получения связующего, используемого в заявленном способе получения строительных изделий, и основные его характеристики.

Связующее используют для получения различных строительных изделий последующим формованием смеси его с наполнителями методом простого шликерного литья.

Приготовление формовочной массы осуществляют смешением до гомогенного состояния в смесителе миксерного типа 23 мас. % этого полученного связующего и 77 мас. % алюмосиликатного наполнителя зернистостью не более 0,14 мм. При использовании связующего менее 23% от общей массы смеси, отформованные образцы изделий местами имеют рыхлую структуру, что приводит к снижению прочности. При увеличении связующего более 23% увеличивается время сушки изделий без последующего изменения их прочности. Далее смесь укладывают в формы и подвергают сушке при 50°С в течение 2-24 ч (в зависимости от массы изделия). После сушки отформованные изделия при необходимости увеличения их водостойкости подвергают термообработке при температуре 150-700°С в течение не менее 6 ч.

В зависимости от условий термообработки способом по изобретению получают прочные (прочность при сжатии образцов на основе шамота (МПа) - 56,0-95,9; песка - 49,5-89,6; прочность при изгибе (МПа) - 5,2-12,2; 5,9-9,7 соответственно) износостойкие изделия, эксплуатация которых возможна в условиях нормальной и низкой влажности.