Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОТОУПОРНОГО ВЯЖУЩЕГО

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении кислотоупорных бетонов и растворов на основе безобжигового вяжущего.

Известен способ получения вяжущего (RU 2273610 от 15.11.2004 г., опубл. 10.04.2006 г.), полученного совместным помолом шлака с добавкой цеолитсодержащей породы Татарско-Шатршанского месторождения РТ в соотношении 1:(0,05-0,1) с последующим затворением раствором жидкого стекла.

Недостатком данного способа получения вяжущего являются неравномерное распределение зерен кремнезема на частицах шлака, и в процессе приготовления шлакощелочного раствора наблюдается коагуляция щелочных компонентов, что приводит к снижению физико-механических свойств и сокращению сроков схватывания шлакощелочного теста.

Известно шлакощелочное вяжущее (RU 2370465 от 21.05.2008 г., опубл. 20.10.2009 г.), полученное совместным измельчением гранулированного шлака доменного или электротермофосфорного и вулканического пепла до фракции 0-80 мкм и удельной поверхности 2800-5000 см²/г с дальнейшим затворением щелочным активатором состава, мас. %: 20-25 водный раствор гидроксида натрия NaOH или кальцинированной соды 20-75, жидкое стекло плотностью 1,15-1,26 г/см³ 25-75, при последующем соотношении компонентов, мас. %: указанный шлак 81,80-94,20, щелочной активатор 3,85-7,27, вулканический пепел 1,92-9,09.

Недостатком данного вяжущего является то, что при полученных высоких показателях физико-механических характеристик, не исследована коррозионная стойкость шлакощелочного материала.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения алюмосиликатного кислотостойкого вяжущего (RU 2554981 от 06.08.2014 г, опубликовано 10.07.2015 г.), включающий мокрый помол гранитного отсева до удельной поверхности 1500-7300 м²/кг с получением суспензии влажностью 14-22% и содержанием частиц менее 5 мкм 30-50%, перемешивание ее с кремнефтористым натрием в течение 5 мин с последующим перемешиванием с жидким стеклом с силикатным модулем 2,6-3,0 в течение 3 мин при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанное жидкое стекло 25-30, указанная суспензия 62-71, указанный кремнефтористый натрий 4-8.

Недостатком является незначительно высокие показатели прочности при достаточно сложном и энергоемком способе, заключающемся в приготовлении мокрой алюмосиликатной суспензии с соблюдением определенной влажности, что снижает эффективность прототипа.

Техническим результатом является повышение эффективности получения кислотоупорного вяжущего с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Технический результат достигается за счет предлагаемого способа, заключающегося в том, сначала каолинитовую глину активируют до удельной поверхности 640 м²/кг и подвергают обжигу при температуре 600-650°С; полученный метакаолин смешивают с вулканическим туфом, высушенного перед измельчением (до удельной поверхности 520 м²/кг) при температуре 105°С в течение 2-х часов, далее в полученную смесь вводят кремнефтористый натрий Na₂SiF₆ и перемешивают до выпадения геля кремневой кислоты, а затем в полученную смесь вводят щелочной активатор, содержащее жидкое стекло Na₂SiO₃ с модулем крупности 2,8 и плотностью 1,24 г/см³, гидроксид натрия NaOH, гидрофобизирующую жидкость ГКЖ-11, и осуществляют перемешивание в течение 2-3 минут при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Для приготовления кислотоупорного вяжущего щелочной активации на основе метакаолина применяют минеральные материалы (жидкое натриевое стекло, гидроксид натрия, кремнефтористый натрий) удовлетворяющие ГОСТ 25192-82. Для повышения водостойкости предлагаемого вяжущего используют кремнийорганическую гидрофобизирующую жидкость ГКЖ-11 (ТУ 2229-276-05763441-99). Для приготовления кислотоупорного тонкодисперсного наполнителя используют высокоалюминатную каолинитовую глину (Дуба-Юртовский карьер, ЧР) и вулканический туф (Каменский карьер, КБР)

Способ приготовления кислотоупорного вяжущего щелочной активации на основе метакаолина включает следующие операции:

Привезенные с карьеров высокоалюминатная каолинитовая глина (минерал каолинит Al₂O₃-2SiO₂-2H₂O более 80%, монтмориллонит до 17%, остальное примеси) и вулканический туф после предварительной сушки в сушильном шкафу при температуре 105°С в течение 2 часов измельчают раздельно в лабораторной роликовой мельнице, вулканический туф предварительно дробят в щековой дробилке. Глина в естественном виде является уже дисперсным материалом и содержит не менее 50% частиц размером меньше 0,01 мм, в том числе не менее 25-30% частиц меньше 0,001 мм, а подвергнув ее до обжига механоактивации в роликовой мельнице в течение 10 минут мы дополнительно повышаем ее дисперсность (S_уд составляет 640 м²/кг). Вулканический туф тоже является по природе активной минеральной добавкой (до 46% аморфизованного стекла), а после того как его подвергают измельчению реакционная активность его значительно повышается. Вулканический туф измельчают в роликовой мельнице в течение 15 минут (S_уд составляет 520 м²/кг). На следующем этапе высокоалюминатную каолинитовую глину обжигают в муфельной печи при температуре 600-650°С, в результате получают высокоактивный метакаолин, что доказано соответствующими исследованиями.

Активность полученных порошков доказана по методике определения обменной емкости по отношению к ионам кальция с целью выявления бренстедовских активных центров кристаллизации на поверхности минерального порошка. В результате проведенных исследований установлена высокая поверхностная концентрация ионообменных центров: предложенный метакаолин 48 мг⋅экв/г, вулканический туф 37 мг⋅экв/г.

Полученные порошкообразные тонкодисперсные реакционно активные компоненты, в соответствующем количестве, смешивают с ускорителем гидролиза и выпадения геля кремниевой кислоты - кремнефтористым натрием Na₂SiF₆ (ТУ 113-08-587-86) в течение 5 минут. Далее в подготовленные композиции добавляют щелочной активатор следующего состава: жидкое стекло натриевое с силикатным модулем 2,8 плотностью 1,24 г/см³, гидроксид натрия, гидрофобизирующая добавка и перемешивают в течение 2-3 минут.

Формирование структуры и прочности кислотоупорных вяжущих осуществляется в результате протекания сложных физико-химических процессов. В композициях на жидком стекле твердение происходит только при выделении в осадок геля кремниевой кислоты, который и обладает вяжущими свойствами: Na₂⋅SiO₃+СО₂+2Н₂₀=Si(OH)₄+Na₂CO₃.

Ускорению данного процесса способствует кремнефтористый натрий: Na₂SiF₆+2Na₂SiO₃+6H₂O=6NaF+3Si(OH)₄.

В предлагаемом кислотоупорном материале, в комплексе с щелочным активатором, роль вяжущего играет метакаолин и вулканический туф. Объяснению этому служит то, что при температуре 600-650°С основной компонент глин каолинит (Al₂O₃⋅2SiO₂⋅2H₂O) - обезвоживается и переходит в активный каолинитовый ангидрид - метакаолин (Al₂O₃⋅2Si0₂), аморфизованный в результате удаления гидратной воды. Далее синтезированный активный силикат алюминия и аморфный кремнезем вступают в химическое взаимодействие с NaOH и Na₂SiO₃, в результате чего в щелочной среде возникают соединения алюмосиликатных компонентов с появлением алюминатных и полимерных силикатных анионов, из которых в дальнейшем формируются связи Si-O-Al-O-Si и образуется трехмерный полимерный каркас (алюмосиликатный гидрогель). Щелочные катионы натрия входят в состав каркаса и компенсируют отрицательный заряд, создаваемый при выстраивании тетраэдров AlO₄ между кремнекислородными тетраэдрами, а алюминий создает дефицит положительного заряда, который компенсируется вхождением в структуру каркаса щелочных катионов. Таким образом, катионы натрия, находятся защемленными в прочной связи алюмосиликатного каркаса, способствуя синтезу водостойкого и кислотоупорного материала.

Далее из кислотоупорного вяжущего изготавливают лабораторные образцы размером 40×40×160 мм. Приготовленное вяжущее укладывают в открытые трехгнездные формы. Образцы твердеют в нормальных условиях при температуре 20±2°С в течение 28 суток.

Полученные таким образом лабораторные образцы подвергают испытанию на кислотоупорность и водостойкость. Прочностные характеристики (предела прочности при сжатии и растяжение при изгибе) определены на гидравлическом прессе МП-100 «Шелкунчик». Результаты испытаний, в сравнении с аналогом, представлены в таблице 1. Результаты испытаний лабораторных образцов показали высокую водостойкость вяжущего (К_р=0,99) с использованием гидрофобизирущей жидкости ГКЖ-11, у образцов без метилсиликоната натрия К_р=0,97; показатели кислотостойкости довольно высокие и превышают значения прототипа.

Область применения предложенного кислотоупорного вяжущего щелочной активации на основе метакаолина - это производство кислотоупорных бетонов и растворов, но предполагаемый результат будет достигнут при строгом соблюдении рецептуры.

В представленной рецептуре кислотоупорного вяжущего и способе его получения, за счет присутствия в его составе реакционно активных компонентов, оптимизированы процессы формирования структуры и прочности в проектируемом материале и, соответственно, тем самым повышены физико-механические и эксплуатационные характеристики.

Таким образом, использование указанного кислотоупорного вяжущего щелочной активации на основе высокоактивных минеральных компонентов позволяет повысить эффективность получения кислотоупорных материалов.