(57) Реферат / Формула:
Предложен новый класс способных к карбонизации белых клинкеров на основе силиката кальция и дробленый цемент, полученный из указанных клинкеров, а также способы их получения и применения. Раскрытые белые клинкеры и дробленый цемент обладают высокой яркостью и пригодны для применения в изделиях, к которым предъявляют высокие эстетические требования.
(19)
Евразийское
патентное
ведомство
(21) 201891698 (13) A1
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2019.04.30
(22) Дата подачи заявки 2017.03.03
(51) Int. Cl.
C04B 7/13 (2006.01) C04B 7/38 (2006.01)
C04B 7/44 (2006.01)
C04B 28/02 (2006.01) C04B 40/00 (2006.01) C04B 40/02 (2006.01) C04B 111/82 (2006.01)
(54)
БЕЛЫЕ СПОСОБНЫЕ К КАРБОНИЗАЦИИ ЦЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ СИЛИКАТА КАЛЬЦИЯ, СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
(31) (32)
62/304,107 2016.03.04
(33) US
(86) PCT/US2017/020778
(87) WO 2017/152120 2017.09.08 (71) Заявитель:
СОЛИДИЯ ТЕКНОЛОДЖИЗ, ИНК.
(72)
(US)
Изобретатель:
Саху Садананда, Куинн Шон, Сет Анудж, Брайант Джейсон, Равикумар Дипак (US)
(74)
Представитель: Нилова М.И. (RU)
(57) Предложен новый класс способных к карбонизации белых клинкеров на основе силиката кальция и дробленый цемент, полученный из указанных клинкеров, а также способы их получения и применения. Раскрытые белые клинкеры и дробленый цемент обладают высокой яркостью и пригодны для применения в изделиях, к которым предъявляют высокие эстетические требования.
БЕЛЫЕ СПОСОБНЫЕ К КАРБОНИЗАЦИИ ЦЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ СИЛИКАТА КАЛЬЦИЯ, СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
Притязание на приоритет и родственные патентные заявки
(0001) По настоящей заявке испрошен приоритет на основании предварительной заявки на патент США 62/304107, поданной 4 марта 2016 года, содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники
(0002) Изобретение в целом относится к цементам на основе силиката кальция. Более конкретно, настоящее изобретение относится к новым способным к карбонизации белым цементам на основе силиката кальция, а также способам их получения и применения. Белый цемент, раскрытый в данном описании, может быть использован в различных областях применения цемента и бетона, например, при создании инфраструктуры, в строительстве, для дорожных покрытий и ландшафтных работ.
Уровень техники
(3) Белые портландцемента представляют собой цементы белого или почти белого цвета, предназначенные для применений, в которых используют светлые или белые бетоны с учетом высоких эстетических требований. Для получения белого продукта необходимо тщательно контролировать содержание железа и других компонентов, которые влияют на цвет изделия. Необходимость контроля указанных компонентов путем выбора сырья и ограничений в обработке значительно увеличивает затраты на получение белого портландцемента. Кроме того, при уменьшении содержания железа и других красящих компонентов сырьевая смесь плохо поддается обжигу в печи, что приводит к снижению производительности и увеличению расхода топлива.
(4) Необходим новый подход к получению более экономичного белого цемента, обеспечивающий более широкие возможности выбора и обработки сырья.
Сущность изобретения
(0005) Настоящее изобретение обеспечивает новый класс способных к карбонизации клинкеров на основе силиката кальция и измельченный цементный
продукт из них, обладающий высокой яркостью, для применения в изделиях, к которым предъявляются высокие эстетические требования. Способные к карбонизации цементы на основе силиката кальция представляют собой новый класс негидравлических цементов, рост прочности которых происходит в основном за счет реакции с CChfe) и которые могут служить заменой обычных гидравлических цементов, таких как портландцемент. Получение и применение способных к карбонизации цементов на основе силиката кальция приводит к значительному сокращению потребления энергии и имеет очень благоприятный углеродный след в результате секвестрации СОг в бетонных изделиях.
(6) В одном из аспектов изобретение в целом относится к способной к карбонизации белой цементной композиции на основе силиката кальция. Цементная композиция содержит: одну или более дискретных фаз силиката кальция, выбранных из CS (волластонит или псевдовалластонит), C3S2 (ранкинит), C2S (белит, ларнит, бредигит), и аморфную фазу силиката кальция, причем одна или более дискретных фаз силиката кальция составляют примерно 30% масс, или более в расчете на общую массу всех фаз, элементный Са и элементный Si присутствуют в композиции в молярном отношении от примерно 0,8 до примерно 1,2; оксиды металлов Al, Fe и Mg присутствуют в количестве примерно 30% масс, или менее, при этом придающие цвет оксиды одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Мп и Сг, присутствуют совокупно в количестве примерно 2,5% масс, или менее в расчете на общую массу цементной композиции, при этом указанная цементная композиция характеризуется коэффициентом отражения (L*) более чем примерно 85%. Цементная композиция пригодна для карбонизации с помощью СО2 при температуре от примерно 30°С до примерно 90°С с получением композиционного материала, содержащего связующую матрицу, с приростом массы примерно 10% или более.
(7) В другом аспекте изобретение в целом относится к композиционному материалу, полученному путем карбонизации белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция, раскрытого в данном документе.
(8) В еще одном аспекте изобретение в целом относится к способу получения белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция. Способ включает: обеспечение набора сырьевых материалов, в основном содержащего СаО и SiCh; дробление набора сырьевых материалов для получения смеси-предшественника, в которой молярное отношение СаО к Si02 составляет от примерно 0,8 до примерно 1,2; обжиг смеси-предшественника при температуре
(6)
от примерно 800°С до примерно 1400°С с получением белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция; а также дробление белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция до тонкости помола от примерно 200 до примерно 800 м2/кг с получением белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция, который характеризуется коэффициентом отражения (L*) более чем примерно 85%.
(9) Предпочтительно смесь-предшественник содержит менее чем примерно 21,2% (например, менее чем примерно 20%, менее чем примерно 17,5%, менее чем примерно 15%, менее чем примерно 12,5%) масс, оксидов Al, Fe и Mg и (ii) менее чем примерно 1,5% (например, менее чем примерно 1,3%, менее чем примерно 1,0%, менее чем примерно 0,8%, менее чем примерно 0,5%) масс, оксидов одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Мп и Cr.
Краткое описание чертежей
(10) Цели и отличительные признаки настоящего изобретения будут более понятны из описания со ссылкой на фигуры, а также формулу изобретения. Фигуры не обязательно выполнены в масштабе, акцент сделан в основном на иллюстрирование принципов изобретения. На фигурах одинаковые цифры обозначают аналогичные детали на различных изображениях.
(ООП) Фигура 1 представляет собой фазовую диаграмму давление-температура, на которой показаны фазы, присутствующие в обратимой реакции СаСО + SiCh <-> ¦ CaSiCb (силикат кальция) +СО2.
(12) Фигура 2 представляет собой фазовую диаграмму давление-температура, на которой показаны фазы, присутствующие в обратимой реакции ЗСаСОз + 2 CaSiCb <-> 2Ca2Si04 СаСОз +С02.
(13) Фигура 3 представляет собой фазовую диаграмму системы CaO-SiCh-CCh под давлением 1 килобар (100 МПа).
(14) Фигура 4 представляет собой фазовую диаграмму давление-температура, на которой показаны фазы, присутствующие в обратимой реакции MgO + СО2 MgC03.
(15) Фигура 5 представляет собой фазовую диаграмму давление-температура, на которой показаны равновесные кривые для обратимой реакции MgO + СО2 MgC03 в зависимости от содержания СО2 в инертном газе.
(12)
(16) Фигура 6 представляет собой фазовую диаграмму температура-состав, на которой показаны области устойчивости для различных фаз в системе СаСОз-MgC03.
(17) Фигура 7 представляет собой диаграмму в виде тетраэдра, которая иллюстрирует фазовые связи между соединениями СаО, MgO, Si02 и СО2 и на которой показана область с недостаточным содержанием СО2 ниже плоскостей Cc-Di-Wo и Cc-Wo-Mo (заштрихованы), где Сс обозначает кальцит, Wo -волластонит, Ак - акерманит, Di - диопсид и Мо - монтичеллит (CaMgSi04).
(18) Фигура 8 представляет собой фазовую диаграмму давление-температура, иллюстрирующую фазовые связи между соединениями СаО, MgO, Si02 и СО2 с инвариантными кривыми, исходящими из четвертичной инвариантной точки, включающей фазы кальцит (СС), диопсид (Di), форстерит (Fo), монтичеллит (Мо), акерманит (Ак), и СО2. На вставке представлена фазовая диаграмма для трехкомпонентных систем СаСО, MgO и Si02.
(19) Фигура 9 представляет собой схематическое изображение камеры с СО2 для выдержки композиционного материала, в которой обеспечено увлажнение в соответствии с принципами настоящего изобретения.
(20) Фигура 10 представляет собой схематическое изображение камеры для выдержки с несколькими методами контроля влажности, а также возможностью контролировать и пополнять СО2 с помощью постоянного потока или регулирования давления, в которой возможно контролировать температуру в соответствии с принципами настоящего изобретения.
(21) Фигура 11 - фотография примера экспериментального цемента 1.
(22) Фигура 12 - фотография примера экспериментального цемента 2.
(23) Фигура 13 - фотография примера экспериментального цемента 3.
(24) Фигура 14 - фотография примера экспериментального цемента 4.
Подробное описание изобретения
(25) Настоящее изобретение обеспечивает новый класс способных к карбонизации белых клинкеров и дробленых цементов на основе силиката кальция, а также способы их получения и применения. Раскрытые белые клинкеры и цементы обладают высокой яркостью и пригодны для применения в изделиях, к которым предъявляют высокие эстетические требования.
(26) Способные к карбонизации цементы на основе силиката кальция представляют собой новый класс негидравлических цементов, рост прочности
(25)
которых происходит в основном за счет реакции с СО2 и которые могут служить заменой обычных гидравлических цементов. Указанные материалы могут быть получены и использованы при значительно меньшем потреблении энергии и выбросах СО2. Раскрытые способные к карбонизации композиции на основе силиката кальция получают из широко доступных и недорогих сырьевых материалов способом, подходящим для крупномасштабного производства, с гибкими требованиями к оборудованию и процессу. Использование указанных специальных цементов для получения бетонных изделий сопровождается постоянной секвестрацией СО2. Изобретение может иметь множество применений от строительства, дорожных и ландшафтных работ до создания инфраструктуры и транспортного обеспечения за счет сокращения потребления энергии и более благоприятного углеродного следа.
(27) Белые клинкеры получают и дробят в цементный порошок для обеспечения высокой яркости (L, или отражательная способность, по цветовой шкале Hunter L*a*b> 85%). Указанные белые цементы применяют для получения белых или окрашенных бетонов в соответствии с высокими эстетическими требованиями. Цвет клинкера и, соответственно цемента, контролируют с помощью химического состава сырья и обработки.
(28) Известные портландцементные клинкеры и цемент (ОРС), как правило, содержат ферритную фазу (Ca2(Al,Fe)Os), которая может быть различной, однако обычно составляет 10% масс. Указанная фаза определяет характерный серый цвет ОРС. Ферритная фаза может содержать широкий диапазон ионов замещения при различных степенях окисления. Ионы, имеющие отношение к цвету ферритной фазы в ОРС, содержат прежде всего переходные металлы с множественными валентностями, например, Fe, Ti, Mn, Сг и Zn. Было также показано, что Mg приводит к значительному потемнению при замещении ферритом в сочетании различными переходными металлами. Высокие уровни замещений и результирующие электронные эффекты в нечистой ферритной фазе способствуют высокой абсорбции видимого света и, таким образом, темному цвету ОРС.
(29) В сравнении с ОРС, способные к карбонизации цементы на основе силиката кальция, раскрытые в настоящем описании, имеют гораздо более высокую толерантность к компонентам, которые являются красителями в ОРС. Из-за химической природы способных к карбонизации цементов на основе силиката кальция, раскрытых в данном документе, феррит присутствует только в
(27)
следовых количествах, если вообще присутствует. Компоненты, которые обычно вызывают потемнение ОРС, например, Fe, Ti, Мп и Сг, в качестве альтернативы вводят в мелилитовую (Ca,Na)2(Al,Fe,Mg,Si)2SiOv) или аморфную фазы. Различия в связывании и относительном положении ионов красителя между ферритом ОРС и способными к карбонизации мелилитовой и аморфными фазами силиката кальция способствуют уменьшению влияния каждого отдельного компонента на цвет фазы и, таким образом, цемента.
(30) Ферритная фаза, присутствующая в ОРС, характеризуется высоким коэффициентом преломления, составляющим примерно 1,9 - 2,0 (средние значения показателя преломления двухосного кристалла) в зависимости от состава. Высокий коэффициент преломления способствует рассеянию света на ферритной фазе и в результате явления диффузного отражения способствует приданию цвета массе цемента.
(31) Напротив, мелилитовая фаза, присутствующая в способных к карбонизации цементах на основе силиката кальция, раскрытых в настоящем описании, характеризуется низким коэффициентом преломления, который составляет примерно 1,5 - 1,8. Указанный низкий коэффициент преломления соответствует низкой отражательной способности и рассеянию, что приводит к минимальному влиянию рассеянного отражения на цвет готового цемента.
(32) Общая композиция белого клинкера ОРС обычно содержит менее 0,5% БегОз и минимальное количество ТЮ2, МщОз и Q2O3. Среди наиболее распространенных элементов, оказывающих влияние на цвет цемента, БегОз, ТЮ2 и МщОз существенно влияют на яркость, а СггОз может привести к потемнению и придать зеленый оттенок. Соответствующее регулирование указанных компонентов может обеспечить ОРС значения L, превышающие 85%. Типичные белые цементы содержат менее 0,3%Бе2Оз и менее 0,03% МщОз Для обеспечения указанного низкого уровня красителей в ОРС, особенно железа, необходим тщательный выбор сырья. Данное требование приводит к существенному увеличению стоимости сырьевых материалов для клинкера ОРС, так как возможно использование только предшественников СаО, Si 02 и AI2O3 с низким содержанием железа.
(33) Чтобы гарантировать получение белого ОРС, кроме обеспечения композиции сырьевой смеси обычно требуются некоторые изменения в процессе получения клинкера. В некоторых случаях для обеспечения белого продукта необходимо изменить способ дробления сырьевого материала, выбор топлива,
(30)
режим обжига и охлаждение клинкера. Каждый из указанных дополнительных параметров процесса приводит к дополнительным затратам на получение белого цементного клинкера.
(34) Во многих случаях мельница для сырьевых материалов должна быть модифицирована для использования керамических или других высокотвердых шлифовальных сред и поверхностей для того, чтобы избежать загрязнения сырьевых материалов стальной средой, которую обычно используют в процессе дробления сырьевого материала и цемента. Загрязнение может привести к попаданию БегОз, МпО и СггОз в печь в ущерб цвету продукта ОРС. Аналогично зола, образовавшаяся при сжигании угля в печи, может попасть в состав клинкера ОРС. БегОз, ТЮ2, МпО, СГ2О3 и другие красители вместе с золой попадают в следовых количествах в клинкер ОРС в ущерб цвету продукта. Аналогичное негативное воздействие может быть связано со многими альтернативными видами топлива с нелетучим остаточными продуктами горения, такими как автомобильные шины или измельченные пластиковые отходы. Из-за топливной золы в некоторых случаях могут потребоваться использование более дорогого малозольного угля, отказ от альтернативных источников топлива или переход от сжигания угля к полному сжиганию нефти или природного газа для обеспечения белого продукта ОРС.
(35) Низкое содержание железа в сырьевой смеси, из-за которого белый клинкер ОРС получает свой характерный цвет, также ограничивает образование жидкой фазы при обычных температурах обработки. Для обеспечения доли жидкой фазы, необходимой для образования клинкера и образования C3S (алит, СазБЮб) в белом клинкере ОРС, температура переработки должна быть более высокой, как правило, почти 1500°С. Указанная высокая температура оказывает негативное воздействие на работу печи, которое включает увеличение расхода топлива и снижение производительности при получении клинкера. В некоторых случаях для повышения горючести сырьевой смеси белого ОРС без увеличения содержания железа добавляют флюсы, такие как плавиковый шпат (СаБг) или хлорид кальция (СаСЬ).
(36) Напротив, более низкий оптический отклик на красители в составе способного к карбонизации цементного клинкера на основе силиката кальция, раскрытого в настоящем описании, позволяет значительно расширить диапазон менее чистых и менее дорогостоящих материалов для экономичного получения белого цементного клинкера. Допустимые красящие компоненты также
(34)
накладывают некоторые ограничения при выборе мелющих сред или источников топлива для того, чтобы избежать загрязнения красителями.
(37) Степень окисления железного компонента ОРС также играет роль в определении окончательного цвета цементного клинкера. Fe3+ обладает более сильным красящим эффектом, чем Fe2+. Чтобы стимулировать восстановление Fe3+ до Fe2+ в печи и предотвратить его повторное окисление во время охлаждения, можно использовать некоторые конкретные способы обжига и охлаждения. Процесс отбеливания при обжиге с восстановлением или очень низким содержанием кислорода может быть использован или в основной горелке, или во вторичной горелке для клинкера, выходящего из печи. В некоторых случаях вторичную горелку используют для создания восстановительной атмосферы. Затем клинкер быстро охлаждают без доступа к высоким концентрациям кислорода, в некоторых случаях при водяном охлаждении, с 1400°С до 600°С для предотвращения окисления Fe2+. Указанный процесс имеет важное значение для получения белых цементов ОРС, когда обеспечение химического состава цемента с содержанием РегОз менее 0,3% затруднено, поскольку в процессе происходит эффективное уменьшение количества БегОз, влияющего на цвет. Эксплуатация печных горелок без достаточного количества кислорода может снизить эффективность сгорания, увеличить расход топлива, увеличить зольность или остаток, привести к восстановлению азота и, таким образом, к нежелательным выбросам NOx. Изменения в охлаждающем устройстве, особенно в процессе водяного охлаждения, могут уменьшить способность эффективно рециркулировать и возвращать тепло в печь и подогреватель, что снижает тепловую эффективность всего процесса.
(38) Незначительное влияние красителей на общую яркость способного к карбонизации цементного клинкера на основе силиката кальция также сокращает необходимость в специальном контроле охлаждения клинкера. Способы контроля процесса для предотвращения окисления Fe2+, образующегося при высоких температурах печи, включают быстрое охлаждение в восстановительной атмосфере или водяное охлаждение клинкера. Указанные стадии необходимы для получения белого ОРС, однако их можно пропустить при получении белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция.
(39) В настоящем описании термин "силикат кальция" в целом относится к природным минералам или синтетическим материалам, состоящим из одной или более групп фаз силиката кальция, в том числе CS (волластонит или
(37)
псевдовалластонит, иногда представлен формулой CaSiCb или CaOSiCh), C3S2 (ранинит, иногда представлен формулой CasSiiCb или 3CaO2Si02), C2S (белит Р-Ca2Si04 или ларнит, Ca?Mg(Si04)4 или бредигит, a-Ca2Si04 или Y-Ca2Si04, иногда представлен формулой Ca2Si04 или2Са0 8Ю2), аморфной фазы силиката кальция, каждая из которых может содержать один или более других ионов и оксидов металлов (например, оксиды алюминия, магния, железа или марганца), или их смеси или может содержать количество силиката магния в природной или синтетической форме (формах) в количестве от следового количества (1% масс.) до примерно 50% масс, или более.
(40) При получении способного к карбонизации цементного клинкера на основе силиката кальция комбинацию сырьевых материалов, состоящую из различных известняков, глины, сланцев, песка или других источников СаО и Si02, смешивают и дробят в такой пропорции, чтобы обеспечить молярное отношение CaO/Si02 примерно 1,0. Для получения белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция содержание Fe, Ti, Mn, Сг и Zn контролируют путем выбора сырья для ограничения суммы оксидов указанных элементов до менее 1,5% масс. Уменьшение предельного содержания оксидов Fe, Ti, Mn, Сг и Zn в сырьевой смеси ниже указанного уровня приводит к увеличению белизны полученного клинкера и позволяет более точно контролировать цвет клинкера путем выбора сырья.
(41) Восстановление оксидов переходных металлов, особенно Fe20, при получении сырьевой смеси белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция ограничивает жидкую фазу для образования клинкера во вращающейся печи. Для получения белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция температуру зоны горения выбирают от примерно 1300°С до примерно 1400°С в отличие от температуры зоны горения ниже 1300°С (1200°С - 1300°С) при получении небелого клинкера.
(42) В одном из аспектов изобретение в целом относится к белой способной к карбонизации цементной композиции на основе силиката кальция. Цементная композиция содержит: одну или более дискретных фаз силиката кальция, выбранных из CS (волластонит или псевдовалластонит), C3S2 (ранкинит), C2S (белит, ларнит, бредигит), и аморфную фазу силиката кальция, причем одна или более дискретных фаз силиката кальция составляют примерно 30% масс, или более в расчете на общую массу всех фаз, а элементный Са и элементный Si присутствуют в композиции в молярном отношении от примерно 0,8 до примерно
(40)
1,2; оксиды металлов Al, Fe и Mg присутствуют в количестве примерно 30% масс, или менее, при этом придающие цвет оксиды одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг, присутствуют совокупно в количестве примерно 2,5% масс, или менее в расчете на общую массу цементной композиции, при этом указанная цементная композиция характеризуется коэффициентом отражения (L*) более чем примерно 85%. Цементная композиция пригодна для карбонизации с помощью СО2 при температуре от примерно 30°С до примерно 90°С с получением композиционного материала, содержащего связующую матрицу с приростом массы примерно 10% или более.
(43) Композиции на основе силиката кальция могут содержать аморфные (некристаллические) фазы силиката кальция в дополнение к кристаллическим фазам, описанным выше. Аморфная фаза может дополнительно содержать ионы Al, Fe и Mg и другие примесные ионы, присутствующие в сырьевых материалах.
(44) Каждая из указанных кристаллических и аморфных фаз силиката кальция пригодна для карбонизации с помощью СО2.
(45) В некоторых вариантах реализации цементная композиция содержит одну или более остаточных фаз СаО (известь) и Si02 (диоксид кремния). Композиция на основе силиката кальция может также содержать небольшие количества СЗ S (алит, СазБЮз). Фаза C2S, присутствующая в композиции на основе силиката кальция, может существовать в любой полиморфной модификации a-Ca2Si04, Р-Ca2Si04 или y-Ca2Si04 или их комбинации.
(46) В некоторых вариантах реализации цементная композиция содержит одну или более мелилитовых фаз, имеющих общую формулу (Ca,Na,K)2[(Mg,Fe2+, Fe3+, Al, Si)3Ov].
(47) В некоторых предпочтительных вариантах реализации молярное отношение элементного Са к элементному Si в композиции цемента составляет от примерно 0,80 до примерно 1,20. В некоторых предпочтительных вариантах реализации молярное отношение Са к Si в цементной композиции составляет от примерно 0,85 до примерно 1,15. В некоторых предпочтительных вариантах реализации молярное отношение Са к Si в цементной композиции составляет от примерно 0,90 до примерно 1,10. В некоторых предпочтительных вариантах реализации молярное отношение Са к Si в цементной композиции составляет от примерно 0,95 до примерно 1,05. В некоторых предпочтительных вариантах реализации молярное отношение Са к Si в цементной композиции составляет от примерно 0,98 до примерно 1,02. В некоторых предпочтительных вариантах
(43)
реализации молярное отношение Са к Si в цементной композиции составляет от примерно 0,99 до примерно 1,01.
(48) В некоторых вариантах реализации цементная композиция содержит одну или более фаз силиката кальция в аморфном состоянии и одну или более фаз силиката кальция в кристаллическом состоянии.
(49) В некоторых вариантах реализации цементная композиция содержит фазы силиката кальция только в аморфном состоянии.
(50) В некоторых вариантах реализации цементная композиция содержит фазы силиката кальция как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии.
(51) В некоторых вариантах реализации цементная композиция представляет собой порошок, который характеризуется коэффициентом отражения (L*) более чем примерно 85%. В некоторых вариантах реализации цементная композиция представляет собой порошок, который характеризуется коэффициентом отражения (L*) более 90%. В некоторых вариантах реализации цементная композиция представляет собой порошок, который характеризуется коэффициентом отражения (L*) более 95%.
(52) В некоторых вариантах реализации цементной композиции оксиды металлов одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг, введены в мелилитовую фазу. В некоторых вариантах реализации цементной композиции оксиды металлов одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг, введены в аморфную фазу. В некоторых вариантах реализации цементной композиции оксиды металлов одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг, введены в мелилитовую фазу и аморфную фазу.
(53) В некоторых вариантах реализации цементной композиции одна или более мелилитовых фаз характеризуются показателем преломления от примерно 1,5 до примерно 1,8 (например, примерно 1,5, 1,6, 1,7, 1,8).
(54) Дискретные фазы силиката кальция в цементной композиции, пригодные к карбонизации, в данном описании называются реакционноспособными фазами. Реакционноспособные фазы могут присутствовать в композиции в любом подходящем количестве. В некоторых вариантах реализации реакционноспособные фазы присутствуют в количестве примерно 50% масс, или более. В некоторых вариантах реализации реакционноспособные фазы присутствуют в количестве примерно 60% масс, или более. В некоторых вариантах реализации реакционноспособные фазы присутствуют в количестве примерно 70% масс, или более. В некоторых вариантах реализации
(48)
реакционноспособные фазы присутствуют в количестве примерно 80% масс, или более. В некоторых вариантах реализации реакционноспособные фазы присутствуют в количестве примерно 90% масс, или более. В некоторых вариантах реализации реакционноспособные фазы присутствуют в количестве примерно 95% масс, или более.
(55) Различные реакционноспособные фазы могут составлять любые подходящие части реакционноспособных фаз в целом. В некоторых вариантах реализации реакционноспособные фазы CS присутствуют в количестве от примерно 10% масс, до примерно 60% масс, (например, от примерно 15% масс, до примерно 60% масс, от примерно 20% масс, до примерно 60% масс, от примерно 25% масс, до примерно 60 % масс, от примерно 30% масс, до примерно 60% масс, от примерно 35% масс, до примерно 60% масс, от примерно 40% масс, до примерно 60% масс, от примерно 10% масс, до примерно 50% масс, от примерно 10% масс, до примерно 40 % масс, от примерно 10% масс, до примерно 30% масс, от примерно 10% масс, до примерно 25% масс, от примерно 10% масс, до примерно 20% масс); C3S2 в количестве от примерно 5% масс, до 50% масс, (например, от примерно 10% масс, до 50% масс, от примерно 15% масс, до 50% масс, от примерно 20% масс, до 50% масс, от примерно 30% масс, до 50% масс, от примерно 40%) масс, до 50% масс, от примерно 5% масс, до 40% масс, от примерно 5%> масс, до 30% масс, от примерно 5% масс, до 25% масс, от примерно 5%> масс, до 20%) масс, от примерно 5% масс, до 15 % масс); и C2S в количестве от примерно 5%> масс, до 60% масс, (например, от примерно 10% масс, до примерно 60% масс, от примерно 20% масс, до примерно 60% масс, от примерно 25% масс, до примерно 60% масс, от примерно 30% масс, до примерно 60% масс, от примерно 35% масс, до примерно 60% масс, от примерно 40% масс, до примерно 60% масс, от примерно 5% масс, до примерно 50% масс, от примерно 5%> масс, до примерно 40% масс, от примерно 5% масс, до примерно 30% масс, от примерно 5% масс, до примерно 25% масс, от примерно 5% масс, до примерно 20% масс, от примерно 5% масс, до примерно 20% масс.) и С в количестве примерно от 0%) масс, до 3% масс, (например, 0% масс, 1% масс, или менее, 2% масс, или менее, 3% масс, или менее, от примерно 1% масс, до 2% масс, от примерно 1%> масс, до 3% масс, от примерно 2% масс, до 3% масс).
(56) В некоторых вариантах реализации реакционноспособные фазы содержат аморфную фазу силиката кальция, например, в количестве примерно 40% масс, или более (например, примерно 45% или более, примерно 50% или более,
(55)
примерно 55% или более, примерно 60% или более, примерно 65% или более, примерно 70% или более, примерно 75% или более, примерно 80% или более, примерно 85% или более, примерно 90% или более, примерно 95% или более, от примерно 40% до примерно 95%, от примерно 50% до примерно 95%, от примерно 60% до примерно 95%, от примерно 70% до примерно 95%, от примерно 40% до примерно 80%, от примерно 40% до примерно 60 %) в расчете на общее количество фаз. Аморфная фаза может дополнительно содержать примесные ионы, присутствующие в сырьевых материалах.
(57) Композиции цемента на основе силиката кальция в соответствии с изобретением могут быть подвергнуты карбонизации с помощью СО2. В частности, цементная композиция на основе силиката кальция пригодна для карбонизации с помощью СО2 при температуре от примерно 30°С до примерно 90°С с образованием СаСОз с приростом массы примерно 20% или более. Прирост массы отражает чистую секвестрацию СО2 в карбонизированных продуктах. В некоторых предпочтительных вариантах реализации композиция пригодна для карбонизации с помощью СО2 при температуре от примерно 30°С до примерно 90°С (например, от примерно 40°С до примерно 90°С, от примерно 50°С до примерно 90°С, от примерно 60°С до 90°С, от примерно 30°С до примерно 80°С, от примерно 30°С до примерно 70°С, от примерно 30°С до примерно 60°С, от примерно 40°С до примерно 80°С, от примерно 40°С до примерно 70°С, от примерно 40°С до примерно 60°С) с образованием СаСОз с приростом массы 10% или более (например, 15% или более, 20% или более, 25% или более, 30% или более).
(58) В другом аспекте изобретение в целом относится к композиционному материалу, полученному путем карбонизации белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция, раскрытого в данном документе.
(59) В еще одном аспекте изобретение в целом относится к способу получения белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция. Способ включает: обеспечение набора сырьевых материалов, в основном содержащего СаО и Si02; дробление сырьевой смеси для получения смеси-предшественника, в которой молярное отношение СаО к Si02 составляет от примерно 0,8 до примерно 1,2; обжиг смеси-предшественника при температуре от примерно 800°С до примерно 1400°С с получением белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция; а также дробление белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция до тонкости помола от примерно 200 до
(57)
примерно 800 м2/кг с получением белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция, который характеризуется коэффициентом отражения (L*) более чем примерно 85%.
(60) Предпочтительно смесь-предшественник содержит менее чем примерно 21,2% (например, менее чем примерно 20%, менее чем примерно 17,5%, менее чем примерно 15%, менее чем примерно 12,5%) масс, оксидов Al, Fe и Mg и (ii) менее чем примерно 1,5% (например, менее чем примерно 1,3%, менее чем примерно 1,0%, менее чем примерно 0,8%, менее чем примерно 0,5%) масс, оксидов одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг.
(61) В некоторых вариантах реализации смесь-предшественник получают из набора сырьевых материалов, выбранных из одного или более из известняка, песка, ила, песчаников, глин, богатых диоксидом кремния, диатомовых земель, мергеля, зольной пыли и микрокремнезема.
(62) В некоторых вариантах реализации смесь сырьевого материала выбирают таким образом, чтобы содержание оксидов переходных металлов составляло менее чем примерно 1,5% (например, менее чем примерно 1,3%, менее чем примерно 1,0%, менее чем примерно 0,8%, менее чем примерно 0,5% ) масс.
(63) В некоторых вариантах реализации набор сырьевых материалов выбирают для получения композиции предшественника с содержанием оксидов металлов одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг, менее 1,5% масс, (например, менее чем примерно 1,3%, менее чем примерно 1,0%, менее чем примерно 0,8%, менее чем примерно 0,5%).
(64) В некоторых вариантах реализации обжиг смеси-предшественника проводят при температуре от примерно 1300°С до примерно 1400°С (например, от примерно 1300°С до примерно 1330°С), от примерно 1300°С до 1350°С, от примерно 1330°С до примерно 1350°С, от примерно 1350°С до примерно 1400°С, от примерно 1350°С до примерно 1380°С, от примерно 1380°С до примерно 1400°С).
(65) В некоторых вариантах реализации после обжига белый способный к карбонизации клинкер на основе силиката кальция подвергают охлаждению нагнетаемым воздухом в интервале от 1400°С до 500°С в неконтролируемой атмосфере. В некоторых вариантах реализации после обжига белый способный к карбонизации клинкер на основе силиката кальция подвергают охлаждению нагнетаемым воздухом в интервале от 1400°С до 500°С в восстановительной атмосфере. В некоторых вариантах реализации после обжига белый способный к
(60)
карбонизации клинкер на основе силиката кальция подвергают охлаждению в интервале от 1400°С до 500°С путем закалки в воде.
(66) В некоторых вариантах реализации дробление смеси СаО и Si02 для получения смеси-предшественника осуществляют в дробилке со стальной размалывающей поверхностью.
(67) В некоторых вариантах реализации дробление белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция обеспечивает тонкость помола от примерно 200м2/кг до примерно 800 м2/кг с получением белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция. В некоторых вариантах реализации дробление белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция обеспечивает тонкость помола от 200 м2/кг до 400 м2/кг с получением белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция. В некоторых вариантах реализации дробление белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция обеспечивает тонкость помола от примерно 400 м2/кг до примерно 800 м2/кг с получением белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция. В некоторых вариантах реализации дробление белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция обеспечивает тонкость помола от примерно 400 м2/кг до примерно 600 м2/кг с получением белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция.
(68) Предпочтительно гидратация способных к карбонизации цементных композиций на основе силиката кальция в соответствии с настоящим изобретением не происходит. Однако могут присутствовать незначительные количества гидратируемых фаз силиката кальция (например, C2S, C3S и СаО). C2S характеризуется медленной кинетикой гидратации в присутствии воды и быстро превращается в СаСО во время процессов твердения в присутствии СО2. СЗ S и СаО быстро гидратируют в присутствии воды и, таким образом, количество должно быть ограничено менее чем примерно 5% масс.
(69) Фазы силиката кальция, включенные в состав композиции на основе силиката кальция, не подвергаются гидратации в присутствии воды. По указанной причине композиционные материалы, полученные с использованием композиции на основе силиката кальция в качестве связующего агента, не обеспечивают значительную прочность при соединении с водой. Обеспечение прочности контролируется путем выдерживания композиций на основе силиката кальция в конкретных режимах твердения в присутствии СО2.
(66)
(70) Следует понимать, что композиции на основе силиката кальция, фазы и способы, раскрытые в данном документе, могут быть адаптированы для использования фаз силиката магния вместо или в дополнение к фазам силиката кальция. Термин "силикат магния" в настоящем описании относится к природным минералам или синтетическим материалам, состоящим из одной или более групп соединений, содержащих магний и кремний, включая, например, Mg2Si04 (также известный как "фостерит"), Mg3Si40io(OH)2 (также известный как "тальк") и CaMgSi04 (также известный как "монтичеллит"), каждый из которых может содержать один или более других ионов и оксидов металлов (например, оксиды кальция, алюминия, железа или марганца), или их смесей или может содержать количество силиката кальция в природной или синтетической форме (формах) в количествах от следового количества (1%) до примерно 50% масс, или более.
(71) Основная практическая ценность способной к карбонизации композиции в соответствии с изобретением состоит в том, что она может быть карбонизирована с получением композиционных материалов, имеющих широкое применение. Например, карбонизацию можно осуществлять путем реакции с СОг посредством управляемого процесса гидротермального жидкофазного спекания (HLPS) для получения связующих элементов, которые удерживают различные компоненты композиционного материала. Например, в предпочтительных вариантах реализации изобретения СО2 используют в качестве реакционноспособных частиц, что приводит к секвестрации СО2 и образованию связующих элементов в полученных композиционных материалах с углеродным следом, который не имеет равных в существующих промышленных технологиях. Процесс HLPS термодинамически обусловлен свободной энергией химической реакции (реакций) и уменьшением поверхностной энергии (площади), вызванной ростом кристаллов. Процесс HLPS протекает с приемлемой скоростью при низкой температуре, так как для транспортировки реакционноспособных частиц используется раствор (водный или неводный) вместо жидкой среды при высокой температуре плавления или твердой среды при высокой температуре.
(72) Различные характеристики HLPS и связанные вопросы рассмотрены в документах: патент США 8114367, публикация США 2009/0143211 (серийный номер заявки 12/271566), публикация США 2011/0104469 (серийный номер заявки 12/984299), публикация США 2009/0142578 (серийный номер заявки 12/271513), публикация США 2013/0122267 (серийный номер заявки 13/411218),
(66)
публикация США 2012/0312194 (серийный номер заявки 13/491098), WO 2009/102360 (РСТ/США2008/083606), WO 2011/053598 (РСТ/США2010/054146), WO 2011/090967 (РСТ/США2011/021623), предварительная заявка на патент США 61/708423, поданная 1 октября 2012 года, публикация США 2014/0127450 (серийный номер заявки 14/045758), публикация США 2015/0266778 (серийный номер заявки 14/045519), публикация США 2014/0127458 (серийный номер заявки 14/045766), публикация США 2014/0342124 (серийный номер заявки 14/045540), публикация США 2014/0272216 (серийный номер заявки 14/207413), публикация США 2014/0263683 (серийный номер заявки 14/207421), заявки на патент США 14/207920, 14/209238, поданные 13 марта 2014 года, публикация США 2014/0363665 (серийный номер заявки 14/295601), публикация США
2014/0361471
(серийный
номер
заявки
14/295402),
публикация
США
2016/0355439
(серийный
номер
заявки
14/506079),
публикация
США
2015/0225295
(серийный
номер
заявки
14/602313),
публикация
США
2015/0056437
(серийный
номер
заявки
14/463901),
публикация
США
2016/0168720
(серийный
номер
заявки
14/584249),
публикация
США
2015/0336852
(серийный
номер
заявки
14/818629),
публикация
США
2016/0031757
(серийный
номер
заявки
14/817193),
публикация
США
2016/0272544
(серийный
номер
заявки
15/074659),
публикация
США
2016/0096773
(серийный
номер
заявки
14/874350),
публикация
США
2016/0340261
(серийный
номер
заявки
14/715497),
публикация
США
2016/0272545 (серийный номер заявки 15/074692), заявка серийный номер 15/290328, поданная 11 октября 2016 года, каждый из которых включен в настоящее описание посредством ссылки во всей полноте для всех целей. (0073) Фигуры 1-8 представляют собой фазовые диаграммы, на которых представлены взаимодействия различных фаз некоторых из описанных материалов. Фигура 9 представляет собой схематическое изображение камеры для выдержки композиционного материала с применением СО2, в которой обеспечено увлажнение в соответствии с принципами настоящего изобретения. На Фиг. 9 представлена подача воды и водяного пара в атмосферу, циркулирующую в камере для выдержки. Фигура 10 представляет собой схематическое изображение камеры для выдержки с несколькими способами контроля влажности, а также возможностью контролировать и пополнять СО2 с помощью постоянного потока или регулирования давления, а также с возможностью контролировать температуру в соответствии с принципами
настоящего изобретения. Данная система представляет собой пример системы, обеспечивающей контроль в замкнутом контуре или контроль с использованием обратной связи, в которой обеспечены заданные значения рабочих параметров, такие как концентрация СО2, влажность и температура, необходимые в определенные моменты времени в технологическом цикле, а также проводятся измерения для проверки соответствия фактического значения контролируемого параметра требуемому значению.
(74) В примерах осуществления карбонизации композиции в соответствии с изобретением используют дробленую композицию на основе силиката кальция. Средний размер частиц дробленой композиции на основе силиката кальция может составлять от примерно 1 мкм до примерно 100 мкм (например, от примерно 1 мкм до примерно 80 мкм, от примерно 1 до примерно 60 мкм, от примерно 1 мкм до примерно 50 мкм, от примерно 1 мкм до примерно 40 мкм, от примерно 1 мкм до примерно 30 мкм, от примерно 1 мкм до примерно 20 мкм, от примерно 1 мкм до примерно 10 мкм, от примерно 5 мкм до примерно 90 мкм, от примерно 5 мкм до примерно 80 мкм, от примерно 5 мкм до примерно 70 мкм, от примерно 5 мкм до примерно 60 мкм, от примерно 5 мкм до примерно 50 мкм, от примерно 5 мкм до примерно 40 мкм, от примерно 10 мкм до примерно 80 мкм, от примерно 10 мкм до примерно 70 мкм, от примерно 10 мкм до примерно 60 мкм, от примерно 10 мкм до примерно 50 мкм, от примерно 10 мкм до примерно 40 мкм, от примерно 10 мкм до примерно 30 мкм, от примерно 10 мкм до примерно 20 мкм, примерно 1 мкм, 10 мкм, 15 мкм, 20 мкм, 25 мкм, 30 мкм, 40 мкм, 50 мкм, 60 мкм, 70 мкм, 80 мкм, 90 мкм, 100 мкм), насыпная плотность от примерно 0,5 г/мл (500 кг/м3) до примерно 3,5 г/мл (3500 кг/м3) (рыхлый, например, 0,5 г/мл (500 кг/м3), 1,0 г/мл (1000 кг/м3), 1,5 г/мл (1500 кг/м3), 2,0 г/мл (2000 кг/м3), 2,5 г/мл (2500 кг/м3), 2,8 г/мл (2800 кг/м3), 3,0 г/мл (3000 кг/м3), 3,5 г/мл(3500 кг/м3)) и от примерно 1,0 г/мл (1000 кг/м3) до примерно 1,2 г/мл (1200 кг/м3) (уплотненный), удельная поверхность по Блейну от примерно 150 м2/кг до примерно 700 м2/кг (например, 150 м2/кг, 200 м2/кг, 250 м2/кг, 300 м2/кг, 350 м2/кг, 400 м2/кг, 450 м2/ кг, 500 м2/кг, 550 м2/кг, 600 м2/кг, 650 м2/кг, 700 м2/кг).
(75) Любые подходящие материалы могут быть использованы для получения композиционных материалов из способной к карбонизации композиции в соответствии с изобретением, например, материалы, содержащие оксид кальция или диоксид кремния. Примеры материалов включают инертные материалы, такие как трапп, строительный песок, мелкий гравий. В некоторых
(74)
предпочтительных вариантах реализации в качестве материалов могут быть использованы также легкие материалы, такие как перлит или вермикулит. В качестве тонкоизмельченных наполнителей можно использовать промышленные отходы (например, зольную пыль, шлак, микрокремнезем).
(76) Множество материалов может иметь любой подходящий средний размер частиц и распределение по размерам частиц. В некоторых вариантах реализации средний размер частиц множества материалов составляет от примерно 0,25 мм до примерно 25 мм (например, от примерно 5 мм до примерно 20 мм, от примерно 5 мм до примерно 18 мм, от примерно 5 мм до примерно 15 мм, от примерно 5 мм до примерно 12 мм, от примерно 7 мм до примерно 20 мм, от примерно 10 мм до примерно 20 мм, примерно 1/8 дюйма (примерно 0,32 см), примерно 1/4 дюйма (примерно 0,63 см), примерно 3/8 дюйма (примерно 0,95 см), примерно 1/2 дюйма (примерно 1,27 см), примерно 3/4 дюйма (примерно 1,90 см)).
(77) В композиционный материал также могут быть включены химические добавки, например, пластификаторы, замедлители, ускорители, диспергаторы и другие модификаторы реологии. Также могут быть включены некоторые коммерчески доступные химические добавки, такие как Glenium(tm) 7500 компании BASF(r) Chemicals и Acumer(tm) компании Dow Chemical. В некоторых вариантах реализации один или более пигментов могут быть равномерно или по существу неравномерно распределены в связующих матрицах в зависимости от требуемого композиционного материала. Пигмент может представлять собой любой подходящий пигмент, в том числе, например, оксиды различных металлов (например, черный оксид железа, оксид кобальта и оксид хрома). Пигмент может быть любого цвета или цветов, например, выбранных из черного, белого, синего, серого, розового, зеленого, красного, желтого и коричневого. Пигмент может присутствовать в любом подходящем количестве в зависимости от требуемого композиционного материала, например, в количестве от примерно 0,0% до примерно 10% масс.
(78) Из способных к карбонизации композиций на основе силиката кальция в соответствии с изобретением могут быть получены различные композиционные изделия способом, для которого не требуется автоклав (автоклавы) и который подходит для непрерывного крупномасштабного производства. Способы получения значительно усовершенствованы по сравнению со способами получения обычных проницаемых бетонов как с экономической точки зрения, так и с точки зрения воздействия на окружающую среду.
(76)
Примеры
(0079) Способный к карбонизации клинкер на основе силиката кальция (экспериментальный цемент 1) получали с помощью 4-ступенчатой печи предварительного нагрева. Особое внимание дроблению сырьевой смеси не уделяли, дробление осуществляли с помощью обычной шаровой мельницы с замкнутым контуром со стальной футеровкой, которую также используют для дробления серой цементной сырьевой смеси. Печь работала на смеси угля и измельченных пластиковых отходов. Температура горения в печи составляла примерно 1260°С при нормальной атмосфере горения (примерно 5% избыточного кислорода). Клинкер охлаждали с помощью холодильника с возвратно-поступательной решеткой без специальной методики охлаждения. В результате измельчения клинкера получали способный к карбонизации цемент на основе силиката кальция, который характеризуется коэффициентом отражения (L) 77,7. Результаты приведены в Таблице 1. Фотография примера экспериментального цемента 1 представлена на Фигуре 11.
Таблица 1: Состав сырья (по данным XRF), температура зоны обжига и коэффициент отражения L, определенный спектроколориметрическим методом для
экспериментального цемента 1
Fe203
Цемент (сырьевая смесь, % масс.)
Мп20з (сырьевая смесь, % масс.)
ТЮ2 (сырьевая смесь, % масс.)
Температура
обжига
(°С)
(полученный цемент)
Экспериментальный 1,66% 0,05% цемент 1
0,18%
1260°С
77,7
Fe203
Цемент (цемент, % масс.)
Мп20з (цемент, % масс.)
ТЮ2 (цемент, % масс.)
(цемент)
Экспериментальный цемент 1 2,47%
0,07%
0,27%
77,7
(0080) Способный к карбонизации клинкер на основе силиката кальция (экспериментальный цемент 2) получали с помощью 2-ступенчатой печи предварительного нагрева. Особое внимание дроблению сырьевой смеси не уделяли, дробление осуществляли с помощью обычной стальной вертикальной роликовой мельницы, которую также используют для измельчения серой цементной сырьевой смеси. Печь работала на природном газе. Температура горения в печи составляла примерно 1250°С при нормальной (примерно 5%
избыточного кислорода) атмосфере горения. Клинкер охлаждали с помощью
вращающегося холодильника без специальной методики охлаждения. В
результате дробления клинкера получали способный к карбонизации цемент на
основе силиката кальция, который характеризуется коэффициентом отражения
(L) 80,0. Результаты приведены в Таблице 2. Фотография примера
экспериментального цемента 2 представлена на Фигуре 12.
(0081) Способный к карбонизации клинкер на основе силиката кальция получали с помощью 5-ступенчатой печи с прекальцинатором. Особое внимание дроблению сырьевой смеси не уделяли, дробление осуществляли с помощью вертикальной роликовой мельницы, которую также используют для измельчения обычной серой цементной сырьевой смеси (стальные размалывающие поверхности). Печь работала на малозольном угле. Температура горения в печи составляла примерно 1350°С при нормальной (примерно 5% избыточного кислорода) атмосфере горения. Процесс отбеливания не проводили. Цементный клинкер охлаждали с помощью холодильника с возвратно-поступательной решеткой без специальной методики охлаждения. В результате дробления клинкера получали способный к карбонизации цемент на основе силиката кальция, который характеризуется коэффициентом отражения (L) 88,8. Результаты приведены в Таблице 3. Фотография примера экспериментального цемента 3 представлена на Фигуре 13.
(0082) Способный к карбонизации клинкер на основе силиката кальция получали с использованием 4-ступенчатой печи предварительного нагрева. Особое внимание дроблению сырьевой смеси не уделяли, дробление осуществляли с помощью шаровой мельницы, которую также используют для измельчения обычной серой цементной сырьевой смеси (стальные размалывающие поверхности). Печь работала на смеси угля и измельченных пластиковых отходов, аналогичной смеси для получения серого цемента. Температура горения в печи составляла примерно 1300°С при нормальной (примерно 5% избыточного кислорода) атмосфере горения. Процесс отбеливания не проводили. Цементный клинкер охлаждали с помощью холодильника с возвратно-поступательной решеткой без специальной методики охлаждения. В результате дробления клинкера получали способный к карбонизации цемент на основе силиката кальция, который характеризуется коэффициентом отражения (L) 82,1. Результаты приведены в Таблице 4. Фотография примера экспериментального цемента 4 представлена на Фигуре 14.
(83) Предпочтительные варианты реализации изобретения описаны со ссылкой на фигуры, на которых одинаковые числа представляют одни и те же или аналогичные элементы. Во всем настоящем описании ссылка на "один вариант реализации", "вариант реализации" или аналогичное выражение означает, что конкретная особенность, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом реализации, включены по меньшей мере в один вариант реализации настоящего изобретения. Таким образом, фразы "в одном варианте реализации", "в варианте реализации" и аналогичные в настоящем описании могут относиться, но не обязательно относятся, к одному и тому же варианту реализации.
(84) Описанные признаки, структуры или характеристики описания изобретения могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах реализации. В настоящем описании описаны многочисленные конкретные подробности для полного понимания вариантов реализации изобретения. Однако специалисту в данной области техники понятно, что композиция и/или способ в соответствии с изобретением могут быть осуществлены на практике без одной или более конкретных деталей или с другими способами, компонентами, материалами и так далее. В других случаях хорошо известные структуры, материалы или операции не представлены или не описаны подробно, чтобы не затруднить понимание аспектов изобретения.
(83)
(85) В настоящем описании и формуле изобретения формы единственного числа содержат ссылку на множественное число, если из контекста явно не следует иное.
(86) Если не указано иное, все технические и научные термины в данном документе имеют такое значение, как их обычно понимает специалист в данной области техники. Несмотря на то, что на практике или при тестировании настоящего изобретения могут быть использованы любые способы и материалы, аналогичные или эквивалентные тем, которые описаны в данном документе, в описании представлены предпочтительные способы и материалы. Указанные способы можно осуществлять в любом логически возможном порядке в дополнение к конкретному описанному порядку.
Включение посредством ссылки
(0087) В настоящем описании приведены ссылки и упомянуты другие документы, такие как патенты, заявки на патенты, патентные публикации, журналы, книги, статьи, информация из Интернета. Все указанные документы включены в настоящее описание посредством ссылки во всей их полноте для всех целей. Любые данные или часть данных, которые включены в настоящее описание посредством ссылки, но противоречащие существующим определениям, заявлениям или другим раскрываемым данным, прямо изложенным в настоящем описании, включены только в такой степени, чтобы не возникло никаких противоречий между включенными данными и раскрываемыми данными в настоящем описании. В случае противоречия спор должен быть решен в пользу настоящего изобретения в качестве предпочтительного раскрытия.
Эквиваленты
(0088) Представленные в настоящем описании примеры предназначены для объяснения изобретения, не ограничивают изобретение или не должны быть истолкованы как ограничивающие объем настоящего изобретения. Различные модификации изобретения и многие другие варианты реализации, в дополнение к представленным и описанным в данном документе, очевидны для специалистов в данной области техники из полного содержания данного документа, в том числе примеров и приведенных ссылок на научную и патентную литературу. Примеры содержат важную дополнительную информацию, пояснения и рекомендации,
которые можно применить к практике данного изобретения в его различных вариантах и их эквивалентах.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Белая способная к карбонизации цементная композиция на основе силиката кальция, содержащая:
одну или более дискретных фаз силиката кальция, выбранных из CS (волластонит или псевдовалластонит), C3S2 (ранкинит), C2S (белит, ларнит, бредигит), и аморфную фазу силиката кальция, причем одна или более дискретных фаз силиката кальция составляют примерно 30% масс, или более в расчете на общую массу всех фаз,
элементный Са и элементный Si присутствуют в композиции в молярном отношении от примерно 0,8 до примерно 1,2; и
оксиды металлов Al, Fe и Mg присутствуют в количестве примерно 30% масс, или менее, при этом придающие цвет оксиды одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг, присутствуют совокупно в количестве примерно 2,5% масс, или менее в расчете на общую массу цементной композиции,
при этом указанная цементная композиция характеризуется коэффициентом отражения (L*) более чем примерно 85%.
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что цементная композиция пригодна к карбонизации с помощью СО2 при температуре от примерно 30°С до примерно 90°С с получением композиционного материала, содержащего связующую матрицу, с приростом массы примерно 10% или более.
3. Композиция по пп. 1 или 2, содержащая одну или более остаточных фаз Si02 и СаО.
4. Композиция по любому из пп. 1-3, содержащая одну или более мелилитовых фаз, имеющих общую формулу (Ca,Na,K)2[(Mg,Fe2+, Fe3+, Al,Si)307].
5. Композиция по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что композиция содержит одну или более фаз силиката кальция в аморфном состоянии и одну или более фаз силиката кальция в кристаллическом состоянии.
6. Композиция по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что композиция содержит фазы силиката кальция только в аморфном состоянии.
7. Композиция по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что композиция содержит фазы силиката кальция как в кристаллическом состоянии, так и в аморфном состоянии.
8. Композиция по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что композиция представляет собой порошок, коэффициент отражения (L*) которого составляет более чем примерно 85%.
9. Композиция по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что композиция представляет собой порошок, коэффициент отражения (L*) которого составляет более чем примерно 90%.
10. Композиция по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что композиция представляет собой порошок, коэффициент отражения (L*) которого составляет более чем примерно 95%.
11. Композиция по любому из пп. 1-10, отличающаяся тем, что оксиды одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг, включены в мелилитовую фазу.
12. Композиция по любому из пп. 1-11, отличающаяся тем, что оксиды одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг, включены в аморфную фазу.
13. Композиция по любому из пп. 1-10, отличающаяся тем, что оксиды одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг, включены в мелилитовую фазу и аморфную фазу.
14. Композиция по п. 4, отличающаяся тем, что одна или более мелилитовых фаз характеризуются коэффициентом преломления от примерно 1,5 до примерно 1,8.
15. Композиционный материал, полученный путем карбонизации цементной композиции по любому из пп. 1-14.
16. Способ получения белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция, включающий:
обеспечение сырьевой смеси, содержащей СаО иБЮг;
дробление сырьевой смеси с получением смеси-предшественника, в которой молярное отношение СаО к Si02 составляет от примерно 0,8 до примерно 1,2, при этом смесь-предшественник содержит: (i) менее чем примерно 21,2% масс, оксидов Al, Fe и Mg и (ii) менее чем примерно 1,5% масс, оксидов одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг;
обжиг смеси-предшественника при температуре в интервале от примерно 800°С до примерно 1400°С с получением белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция; а также
дробление белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция до тонкости помола от примерно 200 до примерно 800м2/кг с получением белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция, коэффициент отражения (L*) которого составляет более чем примерно 85%.
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что смесь-предшественник получают из набора сырьевых материалов, выбранных из известняка, песка, ила, песчаников, глин, богатых диоксидом кремния, диатомовых земель, мергеля, зольной пыли и микрокремнезема.
18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что набор сырьевых материалов выбирают для обеспечения смеси-предшественника с содержанием оксидов переходных металлов менее чем примерно 1,5% масс.
19. Способ по п. 17, отличающийся тем, что набор сырьевых материалов выбирают для обеспечения смеси-предшественника с содержанием менее чем примерно 1,5% масс, оксидов одного или более металлов, выбранных из Fe, Ti, Mn и Сг,.
20. Способ по любому из пп. 16 - 19, отличающийся тем, что обжиг смеси-предшественника осуществляют при температуре от примерно 1300°С до примерно 1400°С.
21. Способ по любому из пп. 16 - 20, отличающийся тем, что после обжига белый способный к карбонизации клинкер на основе силиката кальция подвергают охлаждению нагнетаемым воздухом в интервале от примерно 1400°С до примерно 500°С в неконтролируемой атмосфере.
17.
22. Способ по любому из пп. 16 - 21, отличающийся тем, что после обжига белый способный к карбонизации клинкер на основе силиката кальция подвергают охлаждению нагнетаемым воздухом в интервале от примерно 1400°С до примерно 500°С в восстановительной атмосфере.
23. Способ по любому из пп. 16 - 21, отличающийся тем, что после обжига белый способный к карбонизации клинкер на основе силиката кальция подвергают охлаждению в интервале от примерно 1400°С до примерно 500°С путем закалки в воде.
24. Способ по любому из пп. 16 - 23, отличающийся тем, что дробление набора сырьевого материала для получения смеси-предшественника осуществляют в дробилке со стальной размалывающей поверхностью.
25. Способ по любому из пп. 16 - 24, отличающийся тем, что дробление белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция обеспечивает тонкость помола от примерно 200 м2/кг до примерно 400 м2/кг с получением белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция.
26. Способ по любому из пп. 16 - 25, отличающийся тем, что дробление белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция обеспечивает тонкость помола от примерно 400 м2/кг до примерно 800 м2/кг с получением белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция.
27. Способ по любому из пп. 16 - 21, отличающийся тем, что дробление белого способного к карбонизации клинкера на основе силиката кальция обеспечивает тонкость помола от примерно 400 м2/кг до примерно 600 м2/кг с получением белого способного к карбонизации цемента на основе силиката кальция.
17.
Темп. (°С) ФИГ. 1
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Темп. (°С)
ФИГ. 4 УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
СОг: Сотношения инертных газов (масс.)
Темп.
ФИГ. 5
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Магнезит s s J*.~~ Доломит s s
Кальцит s s +
Доломит s s
Доломит +
Доломит
t 1
Магнезит s s
^Ф""тч щ > mi > w'"'i i > 1i"wn mii ""№i i i""w
lv#0 WW'S
ФИГ. 6 УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Т ->
ФИГ. 8 УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Канал для рециркуляции газов
углекислого газа
Водопровод
Источник углекислого газа
-60PSIG
Подача воды
ФИГ. 11
ФИГ. 13
1 /14
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
2/14
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
5/14
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
6/14
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
7/14
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
8/14
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
11 /14
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
12/14
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
