Комплексный модификатор бетона и способ его приготовления

1 Область техники Группа изобретений относится к технологии получения бетонных смесей и бетона, а именно к составам комплексных модификаторов бетона и способам их приготовления. Предшествующий уровень техники Известен комплексный модификатор бетона, включающий микрокремнезем, суперпластификатор, нитрилотриметилфосфоновую кислоту и воду (RU, патент 2096389, кл. С 04 В 40/00, 1997). Наиболее близким к заявленному является комплексный модификатор бетона, включающий содержащий диоксид кремния дисперсный минеральный компонент, например, микрокремнезем (77,2-94,0 мас.%), химическую добавку (4,7-15,7 мас.%) в виде пластификатора и/или его смеси с регулятором твердения, воздухововлекающей и противоморозной добавками и воду (остальное) (RU, патент 2096372,кл. С 04 В 28/02, 1997). Недостатком этих модификаторов является их невысокая пластифицирующая способность и недостаточная прочность полученных с их помощью бетонов. Известен способ получения комплексного модификатора бетона, заключающийся в том,что смешивают микрокремнезем (40-70 мас.%),суперпластификатор (4,0-9,5 мас.%), нитрилотриметилфосфоновую кислоту (0,01-0,4 мас.%) и воду (остальное) с получением суспензии, которую подвергают сушке в воздушном потоке при 160-360 С с доведением влажности полученного продукта до 1-8% (RU, патент 2096389, кл. С 04 В 40/00, 1997). Наиболее близким к заявленному является способ приготовления комплексного модификатора бетона, заключающийся в том, что смешивают содержащий диоксид кремния дисперсный минеральный компонент, например, микрокремнезем (25-70 мас.%), с химической добавкой (2-10 мас.%), включающей пластификатор и/или его смесь с регулятором твердения, воздухововлекающей и противоморозной добавками и с водой (остальное), затем сушат и гранулируют полученную смесь в газовоздушном потоке при температуре 120-270 С при расходе потока 3,0-15,0 м 3/с (RU, патент 2096372, кл. С 04 В 28/02, 1997). Недостатком способа является большая длительность процесса сушки суспензии с момента подачи ее в сушильный агрегат до получения готового продукта. Раскрытие изобретения Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение пластифицирующей способности комплексного модификатора бетона и повышение прочности полученных с его использованием бетонов, а также сокращение длительности процесса приготовления модификатора. 2 Данный технический результат достигается тем, что комплексный модификатор бетона по первому варианту, включающий содержащий диоксид кремния дисперсный минеральный компонент, химическую добавку и воду, в качестве дисперсного минерального компонента содержит горную породу и/или продукт газоочистки печей, выплавляющих кристаллический кремний и/или ферросиликохром и/или сжигающих каменный уголь, или смесь, по крайней мере, одного из вышеуказанных компонентов с продуктом газоочистки печей, выплавляющих ферросилиций, а в качестве химической добавки он содержит продукты на основе солей органических кислот при следующем соотношении компонентов, мас.%: Дисперсный компонент,содержащий диоксид кремния 51,9-94,1 Химическая добавка 4,7-45,5 Вода Остальное Кроме того, в качестве продуктов на основе солей органических кислот он может содержать пластификатор на основе соли поликонденсата -нафталинсульфокислоты и формальдегида и/или пластификатор на основе соли лигносульфоновой кислоты или смесь, по крайней мере, одного из указанных пластификаторов с нитрилотриметилфосфоновой кислотой и/или с комплексной солью нитрилотриметилфосфоновой кислоты и/или с оксиэтилидендифосфоновой кислотой и/или с динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты. Технический результат достигается также тем, что комплексный модификатор бетона по второму варианту, включающий продукт газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащий сплав - ферросилиций, химическую добавку на основе солей органических кислот и воду, содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: Указанный продукт газоочистки печей 51,9-77,2 Химическая добавка 15,8-45,5 Вода Остальное Кроме того, в качестве продукта на основе солей органических кислот он содержит пластификатор на основе соли поликонденсата нафталинсульфокислоты и формальдегида и/или пластификатор на основе соли лигносульфоновой кислоты или смесь, по крайней мере, одного из указанных пластификаторов с нитрилотриметилфосфоновой кислотой и/или с комплексной солью нитрилотриметилфосфоновой кислоты и/или с оксиэтилидендифосфоновой кислотой и/или с динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты. Технический результат достигается также тем, что комплексный модификатор бетона,включающий содержащий диоксид кремния дисперсный минеральный компонент, химическую добавку и воду, в качестве дисперсного минерального компонента он содержит продукт газоочистки печей, выплавляющих ферросилиций, а в качестве химической добавки он содержит смесь пластификатора на основе соли нафталинсульфокислоты и формальдегида и/или пластификатора на основе соли лигносульфоновой кислоты с комплексной солью нитрилотриметилфосфоновой кислоты и/или с оксиэтилидендифосфоновой кислотой и/или с динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты при следующем соотношении компонентов,мас.%: Дисперсный компонент, содержащий диоксид кремния 51,9-94,1 Химическая добавка 4,7-15,7 Вода Остальное Технический результат достигается также тем, что в способе приготовления комплексного модификатора бетона, заключающемся в том,что смешивают содержащий диоксид кремния дисперсный минеральный компонент с химической добавкой и водой, затем сушат и гранулируют полученную смесь в газовоздушном потоке, в качестве дисперсного минерального компонента используют продукты газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы и/или сжигающих каменный уголь, и/или горную породу, в качестве химической добавки используют продукты на основе солей органических кислот, а в качестве газовоздушного потока используют продукты сгорания природного газа и/или газы, отходящие от печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы или сжигающих каменный уголь и содержащие твердые частицы в количестве не более 2,5 г/нм 3. Кроме того, смешивание компонентов осуществляют в количествах, определяемых из следующего соотношения компонентов модификатора, полученного после сушки и гранулирования, мас.%: Содержащий диоксид кремния дисперсный минеральный компонент 51,9-94,1 Химическая добавка 4,7-45,5 Вода Остальное Кроме того, в качестве продуктов газоочистки печей используют продукты сухой газоочистки печей, выплавляющих кристаллический кремний и/или ферросилиций и/или ферросиликохром, и/или золу-уноса, а в качестве горной породы - каолин. Кроме того, в качестве продуктов на основе солей органических кислот используют пластификатор на основе соли поликонденсата нафталинсульфокислоты и формальдегида и/или его смесь с нитрилотриметилфосфоновой кислотой и/или с комплексной солью нитрилотриметилфосфоновой кислоты и/или оксиэтили 4 дендифосфоновой кислотой и/или с динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты и/или пластификатор на основе соли лигносульфоновой кислоты. Предложенный способ позволяет сократить длительность процесса сушки суспензии и гранулирования. Это достигается за счет двух факторов:- использования в качестве минерального компонента как ультрадисперсных, так и грубодисперсных материалов техногенного происхождения (пыль газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, и зола-уноса) и обработанной горной породы (каолина), в качестве химической добавки - комплекса солей органических кислот,- использования в качестве газовоздушного потока топочных газов (продуктов сгорания природного газа) и отходящих от печей газов, в которых содержатся твердые частицы. Первый фактор позволяет, не повышая вязкости суспезии, увеличить ее концентрацию за счет менее водопотребного грубодисперсного компонента или химической добавки, второй интенсифицирует процесс сушки и гранулирования за счет присутствия в газообразном теплоносителе нагретых пылевидных частиц. Так как минеральный компонент модификатора состоит из ультрадисперсных (размер частиц менее 1 мкм) и грубодисперсных (размер частиц 10-200 мкм) материалов, то можно ожидать его меньшей водопотребности. При определенном соотношении между минеральным компонентом и химической добавкой это должно способствовать повышению пластифицирующей способности модификатора по сравнению с прототипом, что выразится и в меньшей водопотребности бетонных смесей и в повышенной прочности бетона, соответственно. Присутствие в составе модификатора соли поликонденсата -нафталинсульфокислоты и формальдегида, а также лигносульфоната, предназначено для обеспечения пластификации цементной системы, а фосфорорганических соединений и динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты - для стабилизации суспензии из минерального компонента на стадии приготовления модификатора, а также для длительного сохранения консистенции бетонных смесей на стадии приготовления бетона. Указанные эффекты на цементных системах значительно усиливаются, так как в составе модификатора изменен баланс между минеральным и органическим компонентами в сторону увеличения последнего. Предпочтительные варианты выполнения Способ приготовления комплексного модификатора бетона осуществляется в последовательности, которая изложена ниже. В смеситель загружаются вода, химические добавки, пылевидные продукты газоочистки печей, в которых выплавляются кристалли 5 ческий кремний, ферросилиций, ферросиликохром, зола-уноса и обогащенный каолин, которые перемешиваются до получения текучей и гомогенной суспензии. Полученная суспензия подается в сушильный агрегат, в котором подвергается сушке и гранулированию. В качестве сушильного агента используются продукты сгорания в топках природного газа - топочные газы- или газы, отходящие от печей, выплавляющих ферросплавы или сжигающих каменный уголь. Концентрация пылевидных твердых частиц в газах, отходящих от печей, выплавляющих ферросплавы и сжигающих каменный уголь, находится в пределах 2,5 г/нм 3 (концентрация в газах приводится с учетом нормальной температуры(20 С); единица измерения: г/нм 3). Для приготовления комплексного модификатора использовались материалы, характеристики которых приводятся ниже: 1. В качестве минеральных компонентов:- пылевидные материалы, состоящие из ультрадисперсных (размером менее 1 мкм) частиц сферической формы, являющиеся отходами производства кремнийсодержащих сплавов продуктами сухой газоочистки печей, в которых выплавляются кристаллический кремний (Кр),ферросилиций (ФС) и ферросиликохром (ФСХ);- зола-уноса тепловых электростанций, состоящая из частиц сферической формы размером 10-200 мкм,- каолин, являющийся переработанной горной породой и представляющий собой дисперсный материал. Общим признаком перечисленных материалов является преобладание в их составе диоксида кремния аморфной модификации (см. табл.1). 2. В качестве химических добавок:- суперпластификатор марки С-3 на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида,- лигносульфонат технический (ЛСТ) на основе натриевой соли лигносульфоновой кислоты,- нитрилотриметилфосфоновая кислота- динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты- комплексная соль (АМФО), состоящая из смеси аммониевой соли нитрилотриметилфосфоновой кислоты (95%), N(СН 2 РО 3)3 Н 3(NН 4)3 и оксиэтилидендифосфоновой кислоты - ОЭДФ(5%). Из вышеприведенных материалов в скоростном смесителе готовили водные суспензии,которые подавали в сушильный агрегат. Соотношения между минеральными компонентами суспензии и химической добавкой варьировались от 51,9 :45,5 до 94,1:4,7. 6 Суспензии распылялись с помощью форсунок и подвергались сушке встречным газовоздушным потоком, выполняющим функцию сушильного агента. Использовали три разновидности сушильного агента: топочные газы(ТГ) - продукты сгорания в топках природного газа, при температуре 120-270 С и расходе потока 2,5-8,0 м 3/с; газы, отходящие от печей, выплавляющие кремнийсодержащие сплавы (КГ),концентрацией пылевидных частиц 0,1-2,0 г/нм 3,температурой 140-180 С при расходе потока 4,0-15,0 м 3/с; газы, отходящие от печей тепловых электростанций, в которых сжигается каменный уголь (УГ), концентрацией частиц 0,42,5 г/нм 3, температурой 120-270 С при расходе потока 8,0-15,0 м 3/с. Сушка суспензии осуществлялась в агрегате емкостью 35 м 3 с инертным носителем. Продолжительность сушки предопределялась необходимостью обеспечить влажность готового продукта в пределах 5%. Образцы модификатора - прототипа готовили по тому же способу,используя в качестве минерального компонента микрокремнезем, которому соответствует образец Кр, в качестве химической добавки - смесь С-3 и НТФ, в качестве сушильного агента топочный газ (ТГ). Характеристики образцов суспензии модификатора с параметрами технологии их приготовления, приведены в табл.2, из которой следует, что предлагаемый способ позволяет сократить время сушки по сравнению с прототипом на 27-52%. Сокращение продолжительности сушки, как отмечено выше, связано с комплексным действием ряда факторов: использованием в качестве сушильного агента содержащих нагретые пылевидные частицы газов (отходящих от печей, выплавляющих ферросплавы и сжигающих каменный уголь), использованием в качестве минерального компонента золы-уноса,каолина, пылевидных отходов производства кремнийсодержащих сплавов и их смесей, а также использованием в качестве химических добавок пластификаторов в сочетании с комплексонами (НТФ, ОЭДФ, АМФО, Трилон Б). В табл. 3 приведены соотношения компонентов модификаторов после сушки. С использованием полученных образцов модификатора (за исключением образцов 5 и 22, которые не решают поставленную задачу в части сокращения продолжительности сушки) были приготовлены бетонные смеси. В качестве вяжущего использовали портландцемент М 500 Д 5, в качестве заполнителей - кварцевый песок с Мкр=2,0 и гранитный щебень фр.5-20 мм. Доля песка в смеси заполнителей песок / песок + щебень составляла 0,37-0,40. Подвижность бетонных смесей оценивалась по осадке конуса (ОК),а прочность бетона в возрасте 28 суток нормального хранения - по результатам испытаний образцов-кубов 10 х 10 х 10 см. Характеристики полученных бетонов, в зависимости от состава модификаторов и их дозировок, приведены в табл. 4. Из представленной в ней информации следует, что бетонные смеси, приготовленные с использованием модификатора, полученного по предлагаемому способу, отличаются повышенной на 28-33 % подвижностью (сравним образцы 1 и 6, а также 2 и 8), а бетоны - повышенной на 15-22% прочностью при аналогичных прототипу подвижности и составу бетонной смеси (сравним образцы 1 и 7, а также 2 и 9). 8 Промышленная применимость Предложенный комплексный модификатор, полученный по предложенному способу,позволяет получать более пластичные бетонные смеси и бетоны повышенной прочности. А предложенный способ приготовления модификатора позволяет получать продукт высокого качества при сокращенной продолжительности технологического процесса. Таблица 1. Химический состав дисперсных минеральных компонентов Содержание компонентов, мас. % ОбозначеНаименование ние комК 2O+ компонентовNa2O Отход производства кристалличеКр 91,7 0,4 0,5 1,2 4,2 ского кремния марок Кр-1. Кр-2 То же, ферросилиция марок ФС-45,ФС 81,4 3,2 2,9 4,4 3,4 1,4 0,5 ФС-65 То же, ферросиликохрома марки ФСХ 70,8 3,9 1,8 3,0 14,6 1,0 0,5 ФСХ-40 Зола-уноса 3-У 59,9 5,5 30,5 0,2 1,0 0,6 0,1 Каолин КЛН 50,7 1,5 35,7 3,2 0,2 Таблица 2. Характеристики суспензии модификатора с параметрами технологии Вид сушильного Соотношение компонентов модификатора перед сушкой, мас.% агента и конце нтрация, г/н.м 3 Обра минеральный компонент химическая добавка КГ, УГ,зца ТГ,вода 0,1- 0,4.ТриАМ 0,0 Кр ФС ФСХ 3-У КЛН С-3 ЛСТ НТФ ОЭДФ 2,0 2,5 лон Б ФО По прототипу 1 40,0 2,0 0,01 57,99+ По предлагаемому способу 3 25,0 3,5 1,5 70,00 Таблица 3. Соотношение компонентов модификатора после сушки Соотношение компонентов модификатора мас.% минеральный компонент химическая добавка в том числе в том числе всего Кр ФС ФСХ 3-У КЛН С-3 ЛСТ НТФ ОЭДФ По прототипу 1 94,0 94,0 2 88,9 88,9 По предлагаемому способу 3 79,1 79,1 4 83,5 41,7 41,8 5 89,6 89,6 6 94,1 94,1 7 94,1 58,8 Параметры сушильного агента расTC ход,м 3/с Вре мя суш ки,мин Таблица 4. Характеристики бетонов Соотношение компонентов бетонной смеси, кг/м 3 / мас. % Модификатор Цемент Заполнитель Вода 2 3 4 5 1 По прототипу 1 20/0,8 250 10,6 2 100/4,3 500 21,3 По предлагаемому способу 3 30/1,3 370/15,7 4 45/1,9 400/17,0 5 Образец 5 не использовали 6 20/0,8 250/10,6 7 20,1/0,8 254/10,8 8 100/4,3 500/21,3 9 101/4,2 503/21,4 10 47/2,0 430/18,3 11 10/0,4 400/17,0 12 30/1,2 400/17,0 13 45/1,9 400/17,0 14 120/5,1 430/18,3 15 60/2,5 400/17,0 16 30/1,2 350/14,9 17 15/0,6 550/23,4 18 10/0,4 400/17,0 19 30/1,2 400/17,0 20 15/0,6 550/23,4 21 30/1,2 400/17,0 22 Образец 22 не использовали ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Комплексный модификатор бетона,включающий содержащий диоксид кремния дисперсный минеральный компонент, химическую добавку и воду, отличающийся тем, что в качестве дисперсного минерального компонента он содержит горную породу и/или продукт газоочистки печей, выплавляющих кристаллический кремний и/или ферросиликохром и/или сжигающих каменный уголь, или смесь, по крайней мере, одного из вышеуказанных компонентов с продуктом газоочистки печей, выплавляющих ферросилиций, а в качестве химической добавки он содержит продукты на основе солей органических кислот при следующем соотношении компонентов, мас.%: Дисперсный компонент,содержащий диоксид кремния 51,9-94,1 Химическая добавка 4,7-45,5 Вода Остальное 2. Комплексный модификатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве продуктов на основе солей органических кислот он содержит пластификатор на основе соли поликонденсата-нафталинсульфокислоты и формальдегида,и/или пластификатор на основе соли лигносульфоновой кислоты, или смесь, по крайней мере, одного из указанных пластификаторов с нитрилотриметилфосфоновой кислотой, и/или с комплексной солью нитрилотриметилфосфоновой кислоты, и/или с оксиэтилидендифосфоновой кислотой, и/или с динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты. 3. Комплексный модификатор бетона,включающий продукт газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащий сплав - ферросилиций, химическую добавку на основе солей органических кислот и воду, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: Указанный продукт газоочистки печей 51,9-77,2 Химическая добавка: 15,8-45,5 Вода Остальное 4. Комплексный модификатор по п.3, отличающийся тем, что в качестве продуктов на основе солей органических кислот он содержит пластификатор на основе соли поликонденсата-нафталинсульфокислоты и формальдегида,и/или пластификатор на основе соли лигносульфоновой кислоты, или смесь, по крайней мере, одного из указанных пластификаторов с нитрилотриметилфосфоновой кислотой, и/или с комплексной солью нитрилотриметилфосфоновой кислоты, и/или с оксиэтилидендифосфоновой кислотой, и/или с динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты. 5. Комплексный модификатор бетона,включающий содержащий диоксид кремния дисперсный минеральный компонент, химическую добавку и воду, отличающийся тем, что в качестве дисперсного минерального компонента он содержит продукты газоочистки печей, выплавляющих ферросилиций, а в качестве химической добавки он содержит смесь пластификатора на основе соли -нафталинсульфокислоты и формальдегида, и/или пластификатора на основе соли лигносульфоновой кислоты с комплексной солью нитрилотриметилфосфоновой кислоты, и/или с оксиэтилидендифосфоновой кислоты, и/или с динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%: Дисперсный компонент, содержащий диоксид кремния 51,9-94,1 Химическая добавка 4,7-15,7 Вода Остальное 6. Способ приготовления комплексного модификатора бетона, заключающийся в том,что смешивают содержащий диоксид кремния дисперсный минеральный компонент с химической добавкой и водой, затем сушат и гранулируют полученную смесь в газовоздушном потоке, отличающийся тем, что в качестве дисперсного минерального компонента используют 12 продукты газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы и/или сжигающих каменный уголь, и/или горную породу, в качестве химической добавки используют продукты на основе солей органических кислот, а в качестве газовоздушного потока используют продукты сгорания природного газа и/или газы,отходящие от печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы или сжигающих каменный уголь, и содержащие твердые частицы в количестве не более 2,5 г/нм 3. 7. Способ приготовления комплексного модификатора бетона по п.6, отличающийся тем, что смешивание компонентов осуществляют в количествах, определяемых из следующего соотношения компонентов модификатора, полученного после сушки и гранулирования,мас.%: Содержащий диоксид кремния дисперсный минеральный компонент 51,9-94,1 Химическая добавка 4,7-45,5 Вода Остальное 8. Способ приготовления комплексного модификатора бетона по п.6 или 7, отличающийся тем, что в качестве продуктов газоочистки печей используют продукты сухой газоочистки печей, выплавляющих кристаллический кремний, и/или ферросилиций, и/или ферросиликохром, и/или золу-уноса, а в качестве горной породы - каолин. 9. Способ приготовления комплексного модификатора бетона по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что в качестве продуктов на основе солей органических кислот используют пластификатор на основе соли поликонденсата-нафталинсульфокислоты и формальдегида и/или его смесь с нитрилотриметилфосфоновой кислотой, и/или с комплексной солью нитрилотриметилфосфоновой кислоты, и/или с оксиэтилидендифосфоновой кислотой, и/или с динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты, или пластификатор на основе соли лигносульфоновой кислоты.