[go: up one dir, main page]

RU2777761C2 - Способ производства низкоуглеродного цемента - Google Patents

Способ производства низкоуглеродного цемента Download PDF

Info

Publication number
RU2777761C2
RU2777761C2 RU2021132359A RU2021132359A RU2777761C2 RU 2777761 C2 RU2777761 C2 RU 2777761C2 RU 2021132359 A RU2021132359 A RU 2021132359A RU 2021132359 A RU2021132359 A RU 2021132359A RU 2777761 C2 RU2777761 C2 RU 2777761C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
production
cement
clay
low
portland cement
Prior art date
Application number
RU2021132359A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2021132359A (ru
Inventor
Екатерина Алексеевна Дмитриева
Екатерина Николаевна Потапова
Иван Васильевич Корчунов
Сергей Павлович Сивков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева"
Priority to RU2021132359A priority Critical patent/RU2777761C2/ru
Publication of RU2021132359A publication Critical patent/RU2021132359A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2777761C2 publication Critical patent/RU2777761C2/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при производстве строительных растворов и бетонов, используемых при производстве стеновых блоков, штукатурных основ, облицовочных и декоративных изделий. Способ производства низкоуглеродного цемента включает кальцинирование глины при температуре от 570 до 700°С в течение 60 мин, ее охлаждение, измельчение до размера частиц менее 63 мкм и смешивание с ранее измельченным до размера частиц менее 63 мкм природным известняком с получением комплексной добавки, введение полученной комплексной добавки и суперпластификатора на основе водной композиции модифицированных поликарбоксилатных эфиров в измельченный портландцементный клинкер при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцементный клинкер 60, указанная кальцинированная глина 20-29,9, указанный природный известняк 10-19,9, суперпластификатор на основе водной композиции модифицированных поликарбоксилатных эфиров 0,1-1. Технический результат – усовершенствование технологии, повышение гидравлической активности глин путем корректировки режимов термообработки, повышение прочности при изгибе и сжатии низкоуглеродного цемента. 1 ил., 3 табл.

Description

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при производстве строительных растворов и бетонов, а также в качестве отдельного материала, из которого можно будет возводить конструкции и сооружения - при производстве стеновых блоков, штукатурных основ, облицовочных и декоративных изделий. При этом строительство на основе такого композиционного вяжущего будет наносить минимальный вред окружающей среде.
В настоящее время хорошо исследованы две системы: портландцемент, содержащий до 35 % известняка (ГОСТ 31108-2020 Цементы общестроительные. Технические условия. М.: Стандартинформ, - 2021. - 19 с.) и цемент, содержащий до 20 % новой активной минеральной пуццолановой добавки метакаолин (Dmitrieva E., Potapova E. The effect of heat-treated polymineral clays on the properties of Portland cement paste // Materials Today: Proceedings, 2021, Tom 38 (№4). Pp. 1663-1668). Разработанный низкоуглеродный цемент оптимизирует синергию между двумя системами, что приводит к более высоким значениям прочности готовой продукции и улучшает другие свойства вяжущего.
Производство цемента – очень энергоемкий и энергозатратный процесс. В связи с этим, стоимость цемента довольно велика (более 4000 руб. за 1 тонну цемента). Известно, что энергозатраты составляют более 40 % в себестоимости материала. При производстве низкоуглеродного цемента часть портландцемента клинкера (до 40 %) может быть замещена на кальцинированные глины (от 20 до 30 %), которые предварительно подвергаются обжигу при более низких температурах (ниже 750 оС), чем клинкер, и природным известняком (от 10 до 20 %), который вообще не подвергается термической обработке. Ряд ранее проведенных исследований позволил доказать, что при введении в цемент кальцинированных глин в количестве более 30 %, ухудшаются свойства цемента (снижается прочность, увеличивается пористость). Меньшее же количество (менее 20 %) кальцинированных глин не дает ощутимо эффекта при наборе прочности. Аналогичные данные получены для добавки – известняка (не меньше 10 % и не больше 20 %) (Potapova E., Dmitrieva E. The metakaolin – a new hydraulically active pozzolanic additive / Materials Science Forum, 2019, Vol. 974, Рр. 319-324.).
В настоящее время, помимо бездобавочного цемента, чаще всего используют цемент с минеральной добавкой – шлаком. Если сравнивать полученное вяжущее с системой, которая состоит из портландцемента и добавки-шлака (Патент SU 903331 A1, 07.02.1982), то можно отметить, что клинкера в таком вяжущем содержится около 80 %, а добавок – 20 % (шлака – 15 %, гипса – 5 %). Недостатком такого способа является невозможность замены портландцементного клинкера на максимально возможное количество добавки, так как данный шлак способен значительно ухудшить качество цемента, поэтому нормативными документами регулируется количество вводимой минеральной добавкой. В связи с этим, снизить затраты на производство клинкера данным способ можно лишь на 20 %, кроме того, добавятся затраты на транспортировку шлака к месту производства цемента.
В случае если использовать комплекс, состоящий из минеральной добавки – известняка и кальцинированной при определенных условиях глины, которые уже имеются на каждом цементном предприятии и применяются в качестве сырьевой базы получения цементного клинкера, то необходимо будет лишь правильно подготовить данные материалы перед смешиванием с клинкером.
Наиболее близким к изобретению является способ получения вяжущего с комплексной добавкой (Патент RU 2016117452 A, 10.11.2017), которая содержит дисперсный активный минеральный компонент, не обладающий пуццолановой активностью микронаполнитель и пластификатор, отличающийся тем, что содержит термоактивированную в течение 2 часов при температуре 800 оС с подъемом температуры 10 оС в мин и с медленным охлаждением мелкодисперсную смесь полиминеральной глины с содержанием каолинита 40 % и полным минеральным составом, мас.%: кварц – 47, каолинит – 40, иллит – 13 и известняка в соотношении компонентов 2:1, а в качестве химической добавки дополнительно содержит гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе Pantarhit PC 160 Plv или нафталинформальдегидный суперпластификатор – СП-1, при следующем соотношении компонентов, мас.%: термоактивированная полиминеральная глина с содержанием каолинита 40 % – 54-66; термообработанный известняк – 30-40; пластификатор Pantarhit PC 160 Plv или СП-1 – 1-10.
Недостатком такого способа получения является медленное охлаждение термоактивированной глины, что существенно снижает ее пуццолановую активность. Кроме того, в патенте указывается конкретный минеральный состав глины, что существенно сужает область применения, поскольку в этом случае сырьевая база предприятия, выпускающего портландцемент с данной добавкой, должна соответствовать конкретным показателям, что практически невозможно, так как алюмосиликатные добавки (глины) даже с одного месторождения существенно различаются по химическому составу.
Помимо этого, в способе указан определенный вид суперпластификатора – СП-1 и Pantarhit PC 160 Plv, что также сужает сырьевую базу для производства цемента с добавками.
Изобретение направлено на усовершенствование технологии, расширение сырьевой базы алюмосиликатных материалов, а также повышение гидравлической активности глин путем корректировки режимов термообработки.
Результат достигается за счет использования алюмосиликатов разного минералогического состава. При исследовании глин с разным химико-минералогическим составом (табл. 1), установлено, что каждая из приведенных восьми проб подходит для использования в качестве активной минеральной добавки в цемент.
Таблица 1 – Химический состав алюмосиликатных компонентов
Обозначение Содержание, мас.%
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 R2O
Глина 1 64,29 14,62 6,18 2,49 1,12 0,11 2,77
Глина 2 57,79 13,50 5,42 6,32 1,93 - 2,33
Глина 3 40,56 13,01 5,59 10,18 1,58 4,27 0,61
Глина 4 71,20 10,86 4,30 4,01 1,43 0,18 0,65
Глина 5 65,76 14,32 5,44 2,29 1,68 0,56 0,17
Глина 6 72,26 12,13 4,84 1,92 1,80 0,18 2,87
Глина 7 42,28 13,25 7,40 12,72 3,22 1,00 2,27
Глина 8 60,59 17,89 7,53 1,08 1,73 - 2,30
Так, для Глин составов 1 и 5 температура обжига составляет 650 оС, для Глины 2 состава – 600 оС, для Глины 3 и 7 составов – 700 оС, Глины 4 и 6 составов – 570 оС и для Глины 8 состава – 630 оС. Все глины кальцинировались в течение 60 мин. Предварительно все образцы исследованы с помощью рентгенофазового анализа, инфракрасной спектроскопии и дифференциально-термического анализа.
После кальцинации глины необходимо быстро охладить, чтобы избежать образования кристаллической фазы. Все образцы аморфны, что доказывают показатели гидравлической активности – количество поглощенного оксида кальция методом определения степени пуццоланической активности АМД (Добавки активные минеральные для цементов. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, - 2015, - 9 с.) составляет от 450 до 620 мг/г добавки.
Кальцинированные глины, после охлаждения, необходимо измельчить до размера частиц менее 63 мкм, смешать с ранее измельченным природным известняком той же фракции и использовать в качестве комплексной минеральной добавки к портландцементному клинкеру.
Исследовано влияние суперпластификатора на основе водной композиции модифицированных поликарбоксилатных эфиров на свойства цемента. Суперпластификатор вводился в портландцементный клинкер в количестве от 0,1 до 1 % – данный диапазон обусловлен природой суперпластификатора, при отклонении от заданных процентных соотношений будет наблюдаться ухудшение прочностных характеристик цемента.
Таблица 2 – Свойства цемента в присутствии суперпластификатора
Содержание пластификатора, мас.% НГ*, мас.% Сроки схватывания, мин Прочность на изгиб в возрасте 28 сут, МПа Прочность на сжатие в возрасте 28 сут, МПа
начало конец
0 28,0 110 150 22,1 45,4
0,1 27,4 100 143 33,4 50,2
0,2 24,8 95 140 35,8 52,6
0,3 23,2 90 135 38,6 55,4
0,4 21,6 84 129 39,3 57,1
0,5 20,8 81 122 39,6 59,8
0,6 20,0 76 115 39,9 61,4
0,7 19,6 72 110 40,1 65,3
0,8 19,5 69 100 40,3 66,9
0,9 19,3 65 96 40,6 67,3
1,0 19,1 60 90 41,5 68,2
1,1 24,5 97 142 34,2 54,1
* НГ – нормальная густота
Было установлено, что нормальная густота цементного теста снижается с 28,0 % до 19,1 % при содержании добавки от 0 % до 1 % соответственно.
Также исследована прочность низкоуглеродного цемента в присутствии суперпластификатора. Установлено, что прочность цементного камня на сжатие в возрасте 28 сут максимальна (68,2 МПа) для состава с содержанием добавки 1 %. При дальнейшем увеличении – прочность начинает падать (см. табл. 2). Прочность на изгиб максимальна (41,5 МПа) для состава с содержанием пластификатора – 1 %.
При затворении портландцементного клинкера с комплексной минеральной добавкой начало схватывания цементного теста увеличивается в зависимости от количества введенной добавки (табл. 3).
При максимальном значении добавки – 40 % начало схватывания цементного теста составляет 155 мин, конец – 240 мин (табл. 3, состав 1.5). Корректировать данные показатели возможно с помощью водоредуцирующих добавок. Показатели водопоглощения и пористости при этом снижаются до 8,4 % и 8,9 % соответственно (табл. 3, состав 1.6).
Таблица 3 – Свойства цемента в присутствии комплексной добавки
Составы Состав комплексной добавки, мас.% НГ*, мас.% Сроки схватывания, мин Кв* W*, мас.% П*,
мас.%
нач кон
БД** 28,0 110 150 0,80 12,7 13,2
1.1 ТГ – 10, ИЗВ – 5** 35,0 127 180 0,87 9,8 10,4
1.2 ТГ – 10, ИЗВ – 10** 40,0 134 190 0,90 9,7 10,2
1.3 ТГ – 15, ИЗВ – 15** 46,2 145 210 0,92 9,5 9,9
1.4 ТГ – 25, ИЗВ – 15** 51,3 150 230 0,95 9,2 9,7
1.5 ТГ – 20, ИЗВ – 20** 52,5 155 240 0,96 9,1 9,8
1.6 ТГ – 20, ИЗВ – 19, СП – 1** 34,5 110 150 0,99 8,4 8,9
* НГ – нормальная густота, Кв – коэффициент водостойкости, W – водопоглощение, П – пористость
** БД – бездобавочный цемент, ТГ – кальцинированная (термообработанная) глина конкретного состава; ИЗВ – природный известняк; СП – суперпластификатор
Прочность полученного низкоуглеродного цемента достигает высоких значений 85,1 МПа при сжатии и 48,6 МПа при изгибе (см. рисунок). Все испытания проводились согласно ГОСТ 30744-2001 Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка, ГОСТ 31108-2020 Цементы общестроительные. Технические условия.
При производстве 1 т цемента в атмосферу выделяется 800-850 кг углекислого газа (Потапова Е.Н., Волосатова М.А., Производство цемента / Энциклопедия технологий. Эволюция и сравнительный анализ ресурсной эффективности промышленных технологий / [гл. ред. Д.О. Скобелев] : ФГАУ «НИИ «ЦЭПП», - М., СПб., «Реноме», 2019, С. 455-514). Колоссальные выбросы связаны, как со сжиганием топлива, с помощью которого нагревают материалы в печи до 1500 оС, чтобы образовался портландцементный клинкер, так и с декарбонизацией основного компонента сырьевой смеси – известняка. По разработанной низкоуглеродной технологии данный показатель можно уменьшить до 30-34 % (при замене 39,9 % портландцементного клинкера на комплексную добавку). Осуществляется это путем частичной замены клинкера на кальцинированные глины (из расчета – 20%) и известняк (из расчета – 19,9 %), что позволит сократить выбросы углекислого газа до 210 кг на 1 тонну цемента.
Помимо высоких технических характеристик, изобретение позволяет снизить уровень потребления энергетических и материальных ресурсов на протяжении всего жизненного цикла материалов на основе разработанного низкоуглеродного цемента.
Для реализации новой технологии на производстве по выпуску цемента, с технической точки зрения, не требуется новых инвестиций в оборудование. Так как все необходимые установки уже имеются на любом современном цементном заводе.
Если сейчас исходные материалы, такие как глина и известняк обжигаются при высоких температурах, на что расходуется колоссальное количество тепло- и электроэнергий, то по разработанной технологии часть этих компонентов будет вводиться в качестве дополнительного компонента (добавки) в измельченный портландцементный клинкер. То есть исходные компоненты все те же, изменен только способ их подготовки, но с использованием того оборудования, что уже имеется на предприятии.
Таким образом, разработан энергоэффективный способ производства низкоуглеродного цемента, при коммерциализации которого появляется возможным снизить содержание клинкера в составе цемента до 60 %, что позволит снизить выбросы углекислого газа в атмосферу до 30-34 %.
Краткое описание чертежа
На рисунке изображено изменение прочности в зависимости от количества вводимой комплексной добавки.

Claims (2)

  1. Способ производства низкоуглеродного цемента, включающий кальцинирование глины при температуре от 570 до 700 °С в течение 60 мин, ее охлаждение, измельчение до размера частиц менее 63 мкм и смешивание измельченной кальцинированной глины с ранее измельченным до размера частиц менее 63 мкм природным известняком с получением комплексной добавки, введение полученной комплексной добавки и суперпластификатора на основе водной композиции модифицированных поликарбоксилатных эфиров в измельченный портландцементный клинкер при следующем соотношении компонентов, мас.%:
  2. портландцементный клинкер 60 указанная кальцинированная глина 20-29,9 указанный природный известняк 10-19,9 суперпластификатор на основе водной композиции модифицированных поликарбоксилатных эфиров 0,1-1
RU2021132359A 2021-11-08 Способ производства низкоуглеродного цемента RU2777761C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021132359A RU2777761C2 (ru) 2021-11-08 Способ производства низкоуглеродного цемента

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021132359A RU2777761C2 (ru) 2021-11-08 Способ производства низкоуглеродного цемента

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021132359A RU2021132359A (ru) 2022-01-24
RU2777761C2 true RU2777761C2 (ru) 2022-08-09

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805439C1 (ru) * 2023-03-06 2023-10-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный архитектурно-строительный университет" (КазГАСУ) Активная минеральная добавка для портландцемента и способ ее получения

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010130511A1 (en) * 2009-05-14 2010-11-18 Aalborg Portland A/S Portland limestone calcined clay cement
RU2416579C2 (ru) * 2005-11-18 2011-04-20 Нордкалк Ойй Эйбипи Водная суспензия на основе гидравлического связующего и способ ее получения
RU2526920C2 (ru) * 2008-10-01 2014-08-27 Каутар Ой Структурированная композиция связующего агента
RU2016117452A (ru) * 2016-05-04 2017-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный архитектурно-строительный университет" КГАСУ Комплексная добавка к портландцементу
CN111662021A (zh) * 2020-06-04 2020-09-15 东南大学 一种含有废弃粘土砖粉和石灰石粉的水泥基复合胶凝材料

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2416579C2 (ru) * 2005-11-18 2011-04-20 Нордкалк Ойй Эйбипи Водная суспензия на основе гидравлического связующего и способ ее получения
RU2526920C2 (ru) * 2008-10-01 2014-08-27 Каутар Ой Структурированная композиция связующего агента
WO2010130511A1 (en) * 2009-05-14 2010-11-18 Aalborg Portland A/S Portland limestone calcined clay cement
RU2016117452A (ru) * 2016-05-04 2017-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный архитектурно-строительный университет" КГАСУ Комплексная добавка к портландцементу
CN111662021A (zh) * 2020-06-04 2020-09-15 东南大学 一种含有废弃粘土砖粉和石灰石粉的水泥基复合胶凝材料

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЕРМИЛОВА Е.Ю. и др. Комплексная добавка на основе местного сырья Республики Татарстан для композиционного цемента, Вестник технологического университета, Казань, 2016, т.19, N13, с.56 - 60. КАМАЛОВА З.А. и др. Композиционные цементы на основе минеральной бинарной добавки и суперпластификатора, Вестник Казанского технологического университета, 2014, т.17, N13, с. 216 - 220. *
ЕРМИЛОВА Е.Ю. Композиционные портландцементы с комплексными добавками термоактивированных полиминеральных глин и карбонатов, автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н., Казань, 2017, 20 с., разослан 13 апреля 2017, с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета, 20 с., с. 4 - 6, 8 - 10, 15 - 16. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805439C1 (ru) * 2023-03-06 2023-10-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный архитектурно-строительный университет" (КазГАСУ) Активная минеральная добавка для портландцемента и способ ее получения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113416013B (zh) 一种高性能混凝土抗裂剂及其制备方法
Utsev et al. Coconut shell ash as partial replacement of ordinary Portland cement in concrete production
Morsy et al. Effect of silica fume and metakaoline pozzolana on the performance of blended cement pastes against fire
CN115093150A (zh) 一种提高磷石膏基胶凝材料凝结硬化性能及抗碳化性能的改性剂
Kramar et al. Mechanical and microstructural characterization of geopolymer synthesized from low calcium fly ash
US5509962A (en) Cement containing activated belite
Abdelli et al. Influence of the pozzolanic reactivity of the Blast Furnace Slag (BFS) and metakaolin on mortars
CN110282917A (zh) 一种蔗渣灰砂浆的制备方法
CN110981369A (zh) 一种高性能膨胀预应力混凝土及其制备方法
CN114920473A (zh) 一种多元低碳少熟料复合水泥及其制备方法
CN113845323A (zh) 一种高性能核壳轻集料及其制备方法
CN114409435A (zh) 一种陶粒表面改性轻质混凝土及其制备方法
CN112062543A (zh) 一种赤泥质轻集料及其制备方法与应用
RU2777761C2 (ru) Способ производства низкоуглеродного цемента
KR102565729B1 (ko) 칼슘-실리케이트 시멘트 클링커 및 이를 이용한 경화체의 제조방법
Do et al. Effect of temperature on the physico-mechanical and microstructure properties of cement pastes containing fly ash and silica fume
CN117417135A (zh) 一种基于煅烧粘土的胶凝材料及其制备方法
CN118239703A (zh) 基于加气混凝土废料的低热硅酸盐水泥熟料及其制备方法
CN1101794C (zh) 一种膨胀混凝土及其低碱混凝土膨胀剂
RU2805439C1 (ru) Активная минеральная добавка для портландцемента и способ ее получения
RU2096362C1 (ru) Вяжущее
Ceylan EFFECTS OF VOLCANIC TUFF AS A PARTIAL REPLACEMENT FOR CEMENT ON THE COMPRESSIVE STRENGTH OF CONCRETE.
Abo-El-Enein et al. Physico-chemical and mechanical properties of blended cement pastes containing rice husk ash and metakaolin
CN112645622A (zh) 一种高活性煤矸石掺合料的制备方法
Akgün Determination of pozzolanic activity for using natural zeolite analcime in sustainability additive cement products