CZ2005211A3

CZ2005211A3 - Pojivová smes obsahující druhotnou surovinu, zpusob její výroby a její pouzití

Info

Publication number: CZ2005211A3
Application number: CZ20050211A
Authority: CZ
Inventors: Hanzlícek@Tomás; Perná@Ivana; Steinerová@Michaela; Straka@Pavel
Original assignee: Hanzlícek@Tomás; Perná@Ivana; Steinerová@Michaela; Straka@Pavel
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-11-15
Also published as: CZ299539B6

Abstract

Pojivová smes podle vynálezu sestává z lozového popela z fluidního spalování uhlí a/nebo úletového popílku, obsahujících nejméne 5 hmotn. % volného oxidu vápenatého, z hydratovaného Na-montmorilonitu, a z vody jako prekursoru iontové výmeny iontu sodíku Na.sup.+.n. a iontu vápníku Ca.sup.2+.n. meziNa-montmorilonitem a lozovým popelem a/nebo úletovým popílkem, pricemz merný povrch cástic smesi ciní 600 az 2000 m.sup.2.n./kg. Zpusob výroby pojivové smesi spocívá v tom, ze lozový popel z fluidního spalování uhlí a/nebo úletový popílek a Na-montmorilonit se samostatne nebo ve vzájemné smesi melou na merný povrch 600 az 2000 m.sup.2.n./kg, nacezse do smesi mletých látek zamísí voda, takze se hydratuje Na-montmorilonit a dochází k iontové výmene iontu sodíku Na.sup.+.n. a iontu vápníku Ca.sup.2+.n. mezi lozovým popelem a/nebo úletovým popílkem a Na-montmorilonitem, nacez se takto vzniklá formovací smes aplikuje do formy, nebo na podkladní vrstvu, nebo se pomocí mechanických prostredku tvaruje. Pojivová smes je prednostne vhodná k pouzitípro výrobu stavebních hmot a stavebních výrobku nebo pro výrobu keramických výrobku, jako jsou kvetináce nebo odpadkové kose.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká pojivové směsi obsahující druhotnou surovinu a tuhnoucí pří teplotě okolí a atmosférickém tlaku, pro výrobu pevných, ve vodě stálých a nehořlavých výrobků, způsobu její výroby a jejího použití.

Dosavadní stav techniky

Nejrozšířenějšími pojivovými směsmi jsou betony a malty používané ve stavebnictví, které obsahují jako pojivo nejčastěji cement a/nebo vápno. Cement může obsahovat, jak bude ještě níže blíže objasněno, jako příměsi popílek. Betony a malty mohou obsahovat druhotné suroviny, nejčastěji popílek, také jako plniva.

Jako pojivo se však mohou použít i jiné materiály. Například v US 4 410 365 je popsáno pojivo na bázi mleté granulované vysokopecní strusky a alkalického aktivátoru, například hydroxidu nebo síranu sodného. Pojivo obdobného složení je rovněž popsáno například v US 4 303 912.

Z CZ 291443 je známá pojivová geopolymerní směs pro výrobu kaší, malt a betonů, která sestává z elektrárenského popílku, z látky vybrané ze skupiny tvořené mletým slínkem portlanského cementu a vysokopecní granulovanou struskou, z alkalického aktivátoru a z hlinité přísady.

Elektrárny a teplárny používají pro výrobu páry nebo tepla v současné době převážně technologii fluidního spalování za atmosférického tlaku. Při něm se mleté palivo s přísadou vápence, případně dolomitu, spaluje ve fluidní vrstvě při teplotě cca 850 °C- 920 °C. Přitom vznikají pevné odpady ve formě ložového popela a úletového popílku. Ložový popel, který představuje popel z prostoru ohniště, je zachycován na roštu pod fluidní vrstvou, popílek se získává z úletu a zachycuje se například na elektrofíltrech. Ložový popel a popílek se liší jak

4

4444 • 4 4

4 444

4 4 ·· 44

4 4

4 4 4 4

ve fyzikálních vlastnostech, jako jsou například granulometrie, měrný povrch, hustota a sypná hmotnost, tak také v chemickém a mineralogickém složení. Vlivem nestability spalovacího procesu i nehomogenity vlastností vstupních komponent, to znamená uhlí a odsiřovacího činidla, však chemické složení, měrná hmotnost i ostatní vlastnosti jak ložového popela tak i úletového popílku kolísají v závislosti na lokalitě těžby.

Ložový popel i úletový popílek se dosud jednak deponují na deponiích a jednak se využívají, jak již bylo shora řečeno, jako druhotné suroviny zejména ve stavebnictví. Používají se jednak jako stavební hmoty například jako podkladní vrstvy pod vozovky, různé zásypy a podobně, ale také jako složky stavebních materiálů jako cementů, betonů a malt, u nichž však tvoří vesměs pouze malý podíl. Jsou například známé cementy s přísadou křemičitého nebo vápenatého popílku. Součástí směsných portlandských cementů jsou kromě jiného také vysokopecní struska a elektrárenský popílek. Tyto cementy jsou charakterizovány vyšší pevností po delších dobách zrání z něho vyrobeného betonu ve srovnání s betonem vyrobeným z cementu bez přídavku popílku. U betonů a malt je příměs popílku vhodná jen tam, kde je zabezpečeno dostatečné množství vody pro hydrataci, takže malta může mít stejnou, nebo i vyšší pevnost, než vykazuje malta bez příměsi popílku.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je navrhnout pojivovou směs, která bude z větší části obsahovat úletový popílek nebo ložový popel a bude bez přídavku cementu nebo vápna, včetně způsobu její výroby. Pojivová směs přitom musí tuhnout při teplotě okolí a atmosférickém tlaku a musí být vhodná pro výrobu pevných, ve vodě stálých a nehořlavých výrobků, to znamená musí mít pevnost v tlaku prostém více než 30 MPa.

Uvedené požadavky splňuje pojivová směs, která sestává z ložového popela z fluidního spalování uhlí a/nebo úletového popílku obsahujícího nejméně 5 hmotn. % volného oxidu vápenatého, z hydratováného Na-montmorilonitu, a z vody jako prekursoru iontové výměny iontů sodíku Na⁺ a iontů vápníků Ca²⁺ mezi Na-montmorilonitem a ložovým popelem a/nebo úletovým popílkem, přičemž měrný povrch částic směsi činí 600 až 2000 m /kg.

φφ φφ φφ · φφφ φ · φ φ φ φ · φφ φ · φ φ φ • · · φ φ φ · φφφφ φφφ φ φφφφ φφ φ φφ · φφ φφ φφ · φφφφ* ·· φφφφ • φ • φφφ

Tvorba pevných, ve vodě nerozpustných látek je způsobena na počátku reakce iontovou výměnou Na⁺ za Ca²⁺ v mřížkovém prostoru trojvrstvého jílového mineriálu montmorilonitu působením vody jako prekursoru výměnné reakce. Jemný podíl montmorilonitu (s měrným povrchem ne menším než 800 m²/kg) vyplňuje prostor mezi částicemi popela a působí jako pojivo a současně dochází působením vody k výměně iontů Na⁺ za Ca²⁺, přičemž dochází k výraznému přiblížení trojvrstvé struktury montmorilonitu tím, že vápenatý iont vytváří tenčí iontovou hydratační dvojvrstvu ve struktuře montmorilonitu. Voda jako prekursor reakce zabezpečuje spolu s podílem jílového minerálu plasticitu směsi, potřebnou pro získání tvaru hmoty, dále hydratuje jílovou složku a současně se zúčastňuje iontové výměny mezi částicemi popela a montmorilonitu. Při mechanickém zpracování ve vodě se velmi jemné částice, mikrobloky montmorilonitu, lehce rozštěpují do elementárních vrstev, čemuž dopomáhají hydrofilní Na-kationy. Struktury minerálů skupiny montmorilonitu se podle V.A. Frank-Kamenského skládají ze třech vrstev, dvě tetraedrické Si-O- sítě uzavírají mezi sebou jednu okatedrickou (Al, Mg)-O-vrstvu. Mezi trojvrstvím silikátu jsou umístěny výměnné hydratované kationy Na⁺, Ca²⁺ a Mg²⁺ doplňované molekulami vody. Neutralizace náboje vrstev montmorilonitu je dána kationty umístěnými mezi vrstvami a ukazuje se jako důvod kationtové sorpce. Čím je vyšší valence iontu, tím vyšší je jeho schopnost zaměnitelnosti a tím nesnadněji se dostává z výměnných pozic.

Výhodou řešení podle vynálezu je, že směs neobsahuje žádné aktivující alkalické složky, jako je tomu v případě geopolymerní směsi a není ani třeba teplotně iniciovat přechod kaolinitických jílových materiálů na meta-kaolinitické podíly. Využívá se přirozených vlastností trojvrstvých jílových materiálů schopných výměny s popílky, které takové ionty poskytují při současné hydrataci jílových materiálů. Pevné látky vznikají při teplotě okolí a za atmosférického tlaku. Výraznou výhodu představuje vznik pevných látek bez jakéhokoliv přídavku cementu nebo vápna.

Z hlediska dosahovaných mechanických vlastností produktu je výhodné, když ložový popel z fluidního spalování uhlí obsahuje od 28,2 do 44,7 hmotn. % oxidu křemičitého, od 18,32 do 26,1 hmotn. % oxidu hlinitého, od 11,0 do 34,6 hmotn. % oxidu vápenatého, do 0,72 hmotn.

9 »9 »999 • 9

9 ·· • ·

99 • 9 9 9 9 9

9999 9 999

99 99* 9 9999

9 9 9 9 9 9

999 oxidu hořečnatého, od 2,52 do 4,11 hmotn. % oxidu titaničitého, od 3,77 do 5,6 hmotn. % oxidu železitého, do 0,51 hmotn. % oxidu sodného.

Ze stejného důvodu je rovněž výhodné, když úletový popílek obsahuje od 45,2 do 46,3 hmotn. % oxidu křemičitého, od 30,3 do 32,8 hmotn. % oxidu hlinitého, od 2,2 do 2,0 hmotn. % oxidu vápenatého, od 0,62 do 0,83 hmotn. oxidu hořečnatého, od 3,52 do 7,26 hmotn. % oxidu titaničitého, od 7,4 do 8,0 hmotn. % oxidu železitého, méně než 1,0 hmotn. % oxidu sodného, od 0,46 do 0,55 hmotn. % oxidu draselného.

Způsob výroby shora uvedené pojivové směsi obsahující druhotnou surovinu spočívá v tom, že ložový popel z fluidního spalování uhlí a/nebo úletový popílek a Na-montmorilonit se samostatně nebo ve vzájemné směsi melou na měrný povrch 600 až 2000 m /kg, načež se do směsi mletých látek zamísí voda, takže se hydratuje Na-montmorilonit a dochází k iontové výměně iontů sodíku Na⁺ a iontů vápníků Ca²⁺ mezi ložovým popelem a/nebo úletovým popílkem a Na-montmorilonitem. Nakonec se takto vzniklá tekutá směs aplikuje do formy, nebo na podkladní vrstvu, nebo se pomocí mechanických prostředků tvaruje. Do ložového popela z fluidního spalování uhlí a/nebo úletového popílku a/nebo do Na-montmorilonitu a/nebo do jejich směsi před mletím a/nebo po mletí se může přimísit anorganické a/nebo organické plnivo a/nebo barvivo a/nebo ztužovací přísada a/nebo ztekucovací přísada.

Shora definovaná pojivová směs obsahující druhotnou surovinu je přednostně vhodná pro výrobu stavebních hmot a stavebních výrobků, přednostně určených pro výstavbu protipožárních příček a obkladů, jako například ostění uvnitř tunelů. Tuto pojivovou směs lze však s výhodou použít také pro výrobu keramických výrobků, jako jsou květináče nebo odpadové koše.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

9999 ·

• 999

9 «Φ • * · * · · 9

9 999 9999 9 • 9 9 9 9 9 9 9999 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9 9

99 99 9 99 999

Ke směsi sestávající z ložového popela a popílku zachyceného na textilních filterech v hmotnostním poměru 1:9 se přidal bentonit (Na-montmorilonit), takže hmotnostní poměr bentonitu a směsi ložového popela a popílku činil 3 : 7. Složky směsi ložového popela a popílku měly následující molární poměry SiO₂: AI2O31 : 0,452, SiO₂: CaO 1 : 0,1363, Na₂O : CaO 1 : 14,745 a CaO : H₂O 1 : 27,42. Směs ložového popela, popílku a bentonitu se mlela na měrný povrch 600 až 2000 m²/kg a potom se do ní zamíchalo 35 hmotn. % vody, vztaženo na směs ložového popela, popílku a bentonitu.

Příklad 2

K lóžovému popelu, jehož složky měly následující molární poměry SiO₂ : A1₂C>3 1 : 0,3087, SiO₂ : CaO 1 : 0,4250 a Na₂O : CaO 1 : 46,386 a CaO : H₂O 1 : 11,566, se přidal bentonit. Hmotnostní poměr ložového popela a bentonitu činil 9:1. K této směsi se jako plnivo přidalo 48 hmotn. % křemenného písku z plavení kaolinu, vztaženo na celkový obsah směsi. Potom se směs mlela na měrný povrch 600 až 2000 m²/kg. Během míchání se do směsi vpravilo 33 hmotn. % vody.

Příklad 3

K lóžovému popelu, jehož složky měly následující molární poměry SiO₂ : A1₂C>3 1 . 0,3235, SiO₂ : CaO 1 : 0,4755, Na₂O : CaO 1 : 47,7802 a CaO : H₂O 1 : 8,4624, se přidal bentonit. Hmotnostní poměr ložového popela a bentonitu činil 9:1. K této směsi se jako plnivo přidalo 40 hmotn. % kamenné drti, vztaženo na celkový obsah směsi. Potom se směs mlela na měrný povrch 600 až 2000 m²/kg. Během míchání se do směsi vpravilo 33 hmotn. % vody.

Příklad 4

K lóžovému popelu, jehož složky měly následující molární poměry SiO₂ : Α1₂θ3 1 : 0,3389, SiO₂ : CaO 1 : 0,5278, Na₂O : CaO 1 : 49,0027 a CaO : H₂O 1 : 6,9696, se přidal bentonit. Hmotnostní poměr ložového popela a bentonitu činil 9:1. Ktéto směsi se jako plnivo přidalo hmotn. % vysokopecní strusky, vztaženo na celkový obsah směsi. Potom se směs mlela na měrný povrch 600 až 2000 m²/kg. Během míchání se do směsi vpravilo 33 hmotn. % vody.

·» »» ·* · ·» ···« • *· ··· ··· • · ··· · · · · · · ··.

• · · · · · · ···» · · · · • · · · ··· ·· · ·· ·· ·· · ·· ···

Příklad 5

K lóžovému popelu, jehož složky měly následující molární poměry S1O2 : AI2O3 1 : 0,3547, SiO₂ : CaO 1 : 0,5817, Na₂O : CaO 1 : 50,090 a CaO : H₂O 1 : 5,9952, se přidal bentonit. Hmotnostní poměr ložového popela a bentonitu činil 9:1. Ktéto směsi se jako plnivo přidalo 20 hmotn. % ocelářské strusky, vztaženo na celkový obsah směsi. Potom se směs mlela na měrný povrch 600 až 2000 m²/kg. Během míchání se do směsi vpravilo 33 hmotn. % vody.

Jako plnivo lze však například i použít 4 až 8 hmotn. % jemného obrusu slídy, nebo do 25 hmotn. % přírodního lupku.

Pojivové směsi podle příkladů 1 až 5 byly aplikovány do forem pro stavební tvarovku, přičemž byly měřeny mechanické vlastnosti. Všechny pojivové směsi tuhly za teploty okolí a za atmosférického tlaku. V dřevěných nebo plastových formách ztuhly za 16 až 24 hodin. Při tuhnutí při 20 °C činilo smrštění pojivové směsi méně než 2,0 objemových %. Při tuhnutí při teplotě 850 °C činilo smrštění pojivové směsi 3,8 objemových %. Pojivové směsi, jsou-li dostatečně zbaveny záměsové vody, tj. po 30 dnech od jejich výroby, při této teplotě neztrácejí pevnost ani se nerozpadají. Pevnost v tlaku přesahovala ve všech případech 10 MPa a po 30 až 45 dnech dosáhla trojnásobku. Vyrobená tvarovka je nehořlavá a teplem neuvolňuje žádné zplodiny.

.. .. yv aooú , - 2-η ··· ··· · · · • · ··· · ··· · · ··· • · · · · · ······· · · • · · · · · · 9 9 · ·· ·· ·· · ·· ···

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Pojivová směs obsahující druhotnou surovinu a tuhnoucí při teplotě okolí a atmosférickém tlaku, pro výrobu pevných, ve vodě stálých a nehořlavých výrobků, vyznačující se tím, že sestává z ložového popela z fluidního spalování uhlí a/nebo popílku obsahujícího nejméně 5 hmotn. % volného oxidu vápenatého, z hydratovaného Na-montmorilonitu, a z vody jako prekursoru iontové výměny iontů sodíku Na⁺ a iontů vápníků Ca²⁺ mezi Namontmorilonitem a ložovým popelem a/nebo úletovým popílkem, přičemž měrný povrch částic směsi činí 600 až 2000 m²/kg.
2. Pojivová směs obsahující druhotnou surovinu podle nároku 1, vyznačující se tím, že ložový popel z fluidního spalování uhlí obsahuje od 28,2 do 44,7 hmotn. % oxidu křemičitého, od 18,32 do 26,6 hmotn. % oxidu hlinitého, od 11,0 do 34,6 hmotn. % oxidu vápenatého, do 0,72 hmotn. oxidu hořečnatého, od 3,52 do 4,11 hmotn. % oxidu titaničitého, od 3,77 do 4,7 hmotn. % oxidu železitého, do 0,51 hmotn. % oxidu sodného, od 0,23 do 0,54 hmotn. % oxidu draselného a od 5,3 do 6,75 hmotn. % oxidu sírového.
3. Pojivová směs obsahující druhotnou surovinu podle nároku 1, vyznačující se tím, že úletový popílek obsahuje od 45,2 do 46,3 hmotn. % oxidu křemičitého, od 30,3 do 32,8 hmotn. % oxidu hlinitého, od 2,2 do 2,0 hmotn. % oxidu vápenatého, od 0,62 do 0,83 hmotn. oxidu hořečnatého, od 3,52 do 7,26 hmotn. % oxidu titaničitého, od 7,4 do 8,0 hmotn. % oxidu železitého, méně než 1,0 hmotn. % oxidu sodného, od 0,46 do 0,55 hmotn. % oxidu draselného a od 0,58 do 0,76 hmotn. %oxidu sírového.
4. Způsob výroby pojivové směsi obsahující druhotnou surovinu podle alespoň jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že ložový popel z fluidního spalování uhlí a/nebo úletový popílek a Na-montmorilonit se samostatně nebo ve vzájemné směsi melou na měrný povrch 600 až 2000 m²/kg, načež se do směsi mletých látek zamísí voda, takže se hydratuje Na-montmorilonit a dochází k iontové výměně iontů sodíku Na⁺ a iontů vápníků Ca²⁺ mezi ložovým popelem a/nebo popílkem a Na-montmorilonitem, načež se takto vzniklá formovací směs aplikuje do formy, nebo na podkladní vrstvu, nebo se pomocí mechanických prostředků tvaruje.
5. Způsob výroby pojivové směsi obsahující druhotnou surovinu podle nároku 4, vyznačující se tím, že do ložového popela z fluidního spalování uhlí a/nebo úletového popílku a Na-montmorilonitu a/nebo do jejich směsi před mletím a/nebo po mletí se přimísí anorganické a/nebo organické plnivo a/nebo barvivo a/nebo ztužovací přísada a/nebo ztekucovací přísada.
6. Použití pojivové směsi obsahující druhotnou surovinu podle alespoň jednoho z nároků 1 až 3 pro výrobu stavebních hmot a stavebních výrobků.
7. Použití podle nároku 6 pro výrobu stavebních hmot a stavebních výroku pro výstavbu protipožárních příček a obkladů, jako například ostění uvnitř tunelů
8. Použití pojivové směsi obsahující druhotnou surovinu podle alespoň jednoho z nároků 1 až 3 pro výrobu keramických výrobků, jako jsou květináče nebo odpadové koše.