СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО ЛЕГКОГО БЕТОНА
RAW MATERIAL MIXTURE FOR PRODUCTION OF HEAT INSULATING LIGHT CONCRETE

Предлагаемое изобретение относится к области строительства и может быть использовано при производстве строительных материалов для строительства промышленных объектов, жилых домов, коттеджей, сельскохозяйственных построек и т.д., в основном, для тепловой изоляции в виде плит, а также монолитной тепловой изоляции, например, кровель.
Для тепловой изоляции ограждающих конструкций промышленных и жилых зданий (стен, покрытий и перекрытий) используют неорганические и органические материалы. Применение теплоизоляционных материалов позволяет повысить степень индустриализации строительных работ. В полносборном домостроении широко применяют облегченные крупные панели с утеплителем. Это дает возможность снизить вес зданий и уменьшить потребность в основных строительных материалах - цементе, арматурной стали и древесине. В обширных северных районах нашей страны, где стоимость перевозки во много раз превосходит стоимость самого материала, наиболее эффективно строительство из легких слоистых элементов, состоящих из наружной прочной оболочки и внутреннего слоя пористого утеплителя. Например, на севере особенно важна способность материала удерживать тепло: количество топлива, расходуемое в течение 4-5 лет на отопление здания, почти равно весу его наружных стен (см. Г.И.Горчаков «Специальные строительные материалы для теплоэнергетического строительства», Изд-во литературы по строительству, Москва, 1972).
6
Известна сырьевая смесь для изготовления опилкобетонных блоков по патенту России №2039717, МКИ С04В 28/00, 1992 г., включающая в себя мас.%.
Портландцемент
20-25
Древесный заполнитель
50-55
Минеральный заполнитель
16-20
4-Хлор,2,3,5,6-фторфенолят калия
0,05-0,10
Вода
4-10
4
2
4
В качестве древесного заполнителя используют отходы обработки любых пород древесины, опилки, стружки, предварительно измельченные сучья и кора. Минеральным заполнителем служит песок с включением глинистых частиц не более 5-10%, предварительно измельченные зольные отходы топлива (шлак) ТЭЦ и котельных. Для ускорения процесса затвердевания, особенно при температуре ниже 15-16°С, в состав смеси вводят алебастр (CaSO·0.5 HO) или гипс (×CaSO·yCaO).
В качестве антисептика при обработке древесностружечных отходов используют водный раствор 4-хлор,2,3,5,6-фторфенолята калия (ХТФФК). Это вещество является менее летучим и менее токсичным, чем пентахлорфенолят натрия. ХТФФК химически стоек, не горит, хорошо растворяется в воде, обладает способностью проникать в глубинные слои древесины, имеет высокую фунгицидную активность при малых концентрациях 0,005-0,05 мас.ч.
К недостаткам данного изобретения относятся:
- использование в смеси большого содержания портландцемента;
- использование хоть и малотоксичного, но вредного для здоровья пентахлорфенолята натрия.
6
2
Известна арболитовая смесь по патенту России № 2139838, МКИ СO4В 28/02, 1998 г., предназначенная для производства легкого бетона, используемого в промышленном, сельскохозяйственном и гражданском строительстве. Данная арболитовая смесь включает в себя вяжущее, состоящее из портландцемента и добавки, древесный заполнитель, хлорид кальция и воду. В качестве добавки вяжущее содержит песок в количестве 11-24 мас.% и имеет удельную поверхность 4500-5000 см/г, при этом компоненты смеси берут в соотношении, мас.%:
Портландцемент
30,7-35,0
Песок
4,4-9,7
Древесный заполнитель
31,8-34,0
Хлорид кальция
4,2-5,7
Вода
22,5-24,0
Кроме того, в арболитовой смеси песок может содержать полевой шпат и кварц в соотношении 0,9-1,1.
Использование тонкомолотого песка в качестве добавки вяжущего обусловлено тем, что он обладает низкой водопотребностью, повышает удобоукладываемость и водостойкость бетонной смеси, способствует снижению расхода портландцемента. Введение песка в состав вяжущего в количестве менее 11 мас.% технологически нецелесообразно, а его содержание более 24 мас.% приводит к снижению прочности смеси на сжатие. При соотношении в песке полевого шпата и кварца 0,9-1,1 улучшается размалываемость компонентов вяжущего, что приводит к его более стабильному гранулометрическому составу и способствует повышению прочности в начальные сроки твердения смеси. При соотношении полевого шпата и кварца менее 0,9 и более 1,1 дополнительного повышения прочности смеси не происходит.
2
2
При величине удельной поверхности вяжущего менее 4500 см/г ухудшаются условия его гидратации, а измельчение до удельной поверхности более 5000 см/г нецелесообразно.
2
К недостаткам данного патента относятся значительные энергозатраты на измельчение песка до получения его с удельной поверхностью 4500-5000 см/г.
6
Известна композиция для изготовления теплоизоляционного материала по патенту России №2053972, МКИ СO4В 28/08, от 10.07.1992 г., используемого в производстве строительных материалов для строительных конструкций в качестве несгораемого теплоизоляционного слоя. Данная композиция для изготовления теплоизоляционного материала включает в себя рассыпающийся шлак производства низкоуглеродистого феррохрома, пыль сухой газоочистки производства кремния или кремниевых сплавов, в качестве щелочного компонента - гидроксид натрия при следующем соотношении компонентов сухой смеси, мас.%:
Рассыпающийся шлак производства низкоуглеродистого
феррохрома
5-15
Пыль сухой газоочистки производства кремния или
кремниевых сплавов
69-81
Гидроксид натрия
14-23
При водотвердом отношении в пределах
0,25-0,5
Изготовление теплоизоляционных изделий из предлагаемой композиции осуществляют следующим образом. В смеситель загружают гидроксид натрия, затем добавляют пыль сухих газоочисток производства кремния или кремниевых сплавов, измельченный рассыпающийся шлак производства низкоуглеродистого феррохрома и воду. Все эти компоненты перемешивают в течение 30 мин, в результате чего температура смеси за счет экзотермической реакции повышается до 55-65°С, затем охлаждают до +40-45°С. Композицию через бункер объемного дозирования выгружают в формы. Набранный пакет форм подвергают сушке при 310-380°С.
При всех достоинствах данной сырьевой смеси она обладает главными недостатками:
3
- относительно высокой плотностью теплоизоляционного материала (изделия) ~800 кг/м;
- высокой теплопроводностью с коэф. Вт/м·K ~ 0.470.
Наиболее близкой по своей технической сущности по составу сырья и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является «Сырьевая смесь для изготовления древесно-бетонных материалов» (в разных комбинациях). Примерный состав сырья представлен при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Минеральное вяжущее
(портландцемент)
30
Древесный заполнитель
40
Минеральный заполнитель
(вермикулит вспученный)
10
Жидкое стекло
0,6
Вода
остальное
См. Бужевич Г.А. «Легкие бетоны на пористых заполнителях», Москва, изд-во литературы по строительству, 1970 г.
В качестве минерального вяжущего используют цемент любой марки, в целях его экономии добавляют молотую известь, которая вдобавок служит антисептиком для древесного заполнителя.
В качестве древесного заполнителя по патенту могут использоваться: опилки, стружки, дробленки, он может содержать отходы производства арболита, древесного бетона, древесно-цементных плит и т.д.
В качестве минерального заполнителя может использоваться вермикулит вспученный.
Технология получения сырьевой смеси для изготовления древесно-бетонных материалов осуществляют следующим образом: в бетоносмеситель загружают древесный заполнитель и минеральное вяжущее и перемешивают насухо до однородного состояния в течение 1-1,5 минут, далее добавляют воду 3/4 от расчетного количества и жидкое стекло, все перемешивают еще 1-1,5 минут. При этом минеральное вяжущее - цемент, как более активное вещество, гидратирует воду, образуя цементный гель, который налипает на древесные частицы, а жидкое стекло, растворяясь в части воды, образует пленку, которая обволакивает частицы древесного заполнителя с частицами цементного геля и образует как бы замкнутую капсулу, в которой стабилизируется процесс схватывания цемента при незначительном колебании влажности древесного заполнителя. Далее загружают минеральный заполнитель (вермикулит) и оставшуюся часть воды и перемешивание ведут 1-2 минуты. При этом частицы минерального заполнителя, не нарушая сложившейся структуры капсулы древесного заполнителя, облепленного цементным гелем и заключенного в пленку жидким стеклом, равномерно распределяются между частицами и увлажняются за счет добавленной воды. После того как частицы минерального заполнителя напитаются водой, они под действием соматических сил прилипнут к частицам-капсулам из древесного заполнителя и цементного геля. Весь процесс перемешивания происходит непрерывно в течение 3-5 минут. При этом получается однородная рассыпчатая масса сырьевой смеси.
Из полученной сырьевой смеси можно готовить разнообразные древесно-бетонные изделия-блоки, панели, плиты, брус различных размеров и конфигураций одним из следующих способов: вибрированием с пригрузом, прессованием при температуре 15-20°С, вертикально направленной вибрацией, пневмо- и механическим тромбованием с последующей сушкой и твердением.
При всех достоинствах известной сырьевой смеси она обладает главным недостатком, а именно ее высокой стоимостью из-за значительного содержания минерального вяжущего - цемента в своем составе. Кроме того, изделия из этой сырьевой смеси имеют относительно высокую плотность.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение технико-экономических показателей производства теплоизоляционного легкого бетона.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является вовлечение в производство теплоизоляционного легкого бетона недорогих минеральных заполнителей, в том числе отходов производства кремния.
Технический результат достигается тем, что сырьевая смесь для производства теплоизоляционного легкого бетона, включающая минеральное вяжущее - портландцемент, древесный заполнитель, минеральный заполнитель - вермикулит вспученный, жидкое стекло и воду, содержит в качестве древесного заполнителя - древесный волокнистый материал и дополнительно пыль газоочистки электротермического производства кремния и/или ферросилиция при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Минеральное вяжущее - портландцемент
2-7
Древесный волокнистый заполнитель
2-7
Указанная пыль газоочистки
29-40
Вермикулит вспученный
2-8
Жидкое стекло
11-20
Вода
26-46
Кроме того, в качестве древесного волокнистого материала можно использовать древесную шерсть.
2
2
3
2
3
2
2
2
3
2
3
3
2
2
Химический состав пыли газоочистки циклонов, мас.%: SiO 57-60; SiC 15-17; Cd 16-20; FО 0,75-1; АlO 0,9-1; CaO 1,2-1,92; NaO 0,2-0,7; MgO 0,4-0,9; прочие 0,1-0,2. Гран состав: 97% частиц, крупностью менее 100 мкм. Химический состав пыли электрофильтров, мас.% потери при прокаливании - 4,57, SiO - 88,72, АlO - 0,58, FеO - 0,90, CaO - 1,37, MgO - 1,40, SО - 0,48, NaO - 0,20, KO - 1,80. Гран состав: 95% частиц крупностью менее 1000 мкм.
2
3
2
3
2
3
2
2
5
2
2
5
2
Химический состав пыли с электрофильтров производства Fe-Si в мас.%: SiO - 91,5, SО - 1/39; CaO - 1,28; АlО - 0,745; FеO - 1,459; KO - 0,399; MgO - 0,325; С - 2,45; со следами PO - 910 ppm; NaO - 660 ppm; VO - 300 ppm; MnO - 290 ppm; TiO - 200 ppm; Cl - 89 ppm; ZnO - 81 ppm; CuO - 57 ppm.
2
Обладая высокой удельной поверхностью, эти пыли газоочистки при контактировании с разбавленным водным раствором жидкого стекла (концентрированный раствор силиката натрия с кремнеземистым модулем составляет от 1.5 до 3.5) приобретает вяжущие свойства. Это вызвано тем, что в разбавленном растворе жидкого стекла присутствует щелочной компонент - гидроксид натрия. При взаимодействии активного кремнезема SiO с гидроксидом натрия имеет место постепенное загустевание смеси за счет поликонденсационных и коагуляционных процессов, проходящих в растворе образующихся гидросиликатов натрия.
Таким образом, используемая в сырьевой смеси пыль газоочистки производства кремния и/или ферросилиция выступает не только в качестве минерального заполнителя, но и дополнительного минерального вяжущего одновременно. Использование вспученного вермикулита с низкой плотностью в целом позволяет использовать его в качестве наполнителя для производства теплоизоляционного легкого бетона.
Использование древесного заполнителя в виде волокнистых материалов: стружки, древесной шерсти, древесной ваты и т.д., позволяет получать армированный легкий бетон.
Общими признаками данного предложения и прототипа являются следующие: наличие минерального вяжущего - портландцемента, минерального заполнителя - вермикулита вспученного, древесного заполнителя, жидкого стекла (водный раствор силиката натрия), воды.
Отличия заключаются:
- в том, что в качестве одного из составляющих минерального заполнителя выступает пыль газоочистки электротермического производства кремния и/или ферросилиция (пыль электрофильтров и пыль циклонов);
- в том, что в качестве древесного заполнителя используется древесный волокнистый материал;
- в содержании в сырьевой смеси всех компонентов в мас.%.
В этом заключается соответствие технического решения критерию изобретения - «новизна».
Сравнение предлагаемого технического решения, не только с прототипом, но и другими решениями, в этой области известными из патентной и научно-технической информации, показывает, что:
- известны заявленные в формуле изобретения отдельно взятые компоненты, которые используются в различных составах (комбинациях) и в различных соотношениях по мас.% в сырьевых смесях для производства теплоизоляционных материалов (см. выше обзор патентов - аналогов и прототипа по данной заявке).
В то же время новый предлагаемый сырьевой состав для производства теплоизоляционного легкого бетона с новым составом и новым процентным соотношением позволяет:
- использовать в значительных количествах отходы электротермического производства кремния и/или ферросилиция (пыль газоочистки: пыль электрофильтров и пыль циклонов);
- вовлечь в производство древесный волокнистый материал;
- повысить прочность теплоизоляционного легкого бетона.
Совокупность признаков в предложенном техническом решении, как известных, так и неизвестных (отличительных), заявленных в формуле предлагаемого изобретения по составу и содержанию компонентов, позволяет (как показали опытно-промышленные испытания):
- снизить содержание минерального вяжущего - портландцемента до 2-7 мас.%;
2
- снизить теплопроводность до 0.10 Вт/м·°C;
3
- снизить объемную плотность до 663-670 кг/м;
- снизить себестоимость производства теплоизоляционного бетона на 5-6% по сравнению с известными бетонами аналогичного назначения;
- снизить транспортные расходы.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет достичь технико-экономического результата более высокого уровня по сравнению с прототипом.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что техническое решение соответствует критерию изобретения - «изобретательский уровень».
Промышленная применимость сырьевой смеси доказана в процессе производства строительных работ («Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека» дано положительное заключение. Санитарно-эпидемиологическое заключение №38ИЦ 066.576. Т000627.07.07 от 30.07.2007 г.).
Пределы содержания компонентов в предлагаемой сырьевой смеси определены опытным путем. Данные приведены в таблице.
При содержании портландцемента в сырье менее 2% снижается влагостойкость материала и увеличивается время затвердевания, при увеличении содержания более 7% наблюдается быстрое схватывание бетона, что усложняет процесс разлива, увеличивается расход цемента, а вместе с этим стоимость материала.
При содержании жидкого стекла менее 11% снижается прочность бетона, при увеличении более 20% - прочность не увеличивается, но возрастает стоимость материала.
При содержании вермикулита менее 2% - снижаются теплоизоляционные свойства бетона, при содержании более 8% - снижается механическая прочность, а также увеличивается расход и, соответственно, стоимость материала.
При содержании древесного волокнистого материала менее 2% - снижаются армирующие свойства бетона, при содержании более 7% - армирующие свойства не увеличиваются.
При содержании пыли газоочистки менее 29% - снижаются теплоизоляционные свойства, при содержании более 40% увеличивается плотность бетона.
При содержании воды менее 26% возникают трудности в получении однородной массы сырья в процессе перемешивания, при содержании более 46% - увеличивается время затвердевания бетона.
Приготовление сырьевой смеси для производства теплоизоляционного легкого бетона заключается в следующем. Готовят цементное молоко из воды и цемента исходя из соотношения по весу 50% на 50%. Оставшуюся воду заливают в смеситель вместе с жидким стеклом. При непрерывной работе смесителя в него загружают пыль газоочистки электротермического производства кремния и/или ферросилиция, вермикулит и древесные волокнистые материалы. При получении однородной массы в смесителе в него заливают цементное молоко. Процесс смешивания ведут до окончательного получения однородной вязкой массы.