Водозатворимый композиционный материал-полуфабрикат для изготовления объемных изделий
WATER-SOLUBLE COMPOSITE MATERIAL-SEMI-FINISHED PRODUCT FOR THE MANUFACTURE OF BULK PRODUCTS

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, и представляет собой цемент-содержащий композиционный материал-полуфабрикат, модифицированный функциональными добавками, затворяемый водой без дополнительных манипуляций для получения изделий. Может быть использован в качестве полуфабриката для изготовления объемных строительных изделий, таких, например, как строительные профили, листовые цемент-содержащие изделия, черепица, трубы, а также изделий малых архитектурных форм, таких, например, как уличная мебель, урны, песочницы и т.п.
2
2
Наиболее близким к заявляемому изобретению является отверждаемый композиционный материал-полуфабрикат (патент РФ на изобретение RU 2736673, опубл. 19.11.2020). Исходя из описания к данному патенту, а также рисунков к нему (фиг. 1, фиг. 2. фиг. 3), известный материал включает объемный каркас, содержащий горизонтальные базальтовые сетки, выполненные из пересеченных нитей и ровингов, собранные в каркас послойно друг над другом. Каркас расположен между слоем материала, непроницаемого для воды и цемент-содержащей смеси, и слоем материала, проницаемого для воды, но непроницаемого для цемент-содержащей смеси, сетки каркаса соединены посредством вертикальных базальтовых нитей, соединяющих соседние горизонтальные сетки в местах пересечения нитей и ровингов. Каркас заполнен цемент-содержащей смесью, включающей связующее - белый цемент марки не ниже 500 фракции 4000-5000 см/грамм, с влажностью не более 0,1% и глиноземный цемент, домолотый до фракции 4000-5000 см/грамм, инертный заполнитель - кварцевый песок фракции не более 0,4 мм, осушенный до влажности не более 0,5%, обезглиненный и очищенный от пылевых частиц, а также функциональные добавки при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Белый цемент марки не ниже 500 фракции 4000-5000 см<sup>2</sup>/грамм, с влажностью не более 0,1%.
5-10 (10-30% объема)
Глиноземный цемент, домолотый до фракции 4000-5000 см<sup>2</sup>/грамм
0,05-0,5
Кварцевый песок фракции не более 0,4 мм, осушенный до влажности не более 0,5%, обезглиненный и очищенный от пылевых частиц
5-30
Целлюлоза/нитроцеллюлоза
0,05-5
Минеральный порошок, домолотый до фракции не более 4000-5000 см<sup>2</sup>/грамм
0,05-0,5
Пуццолановый компонент с фракцией 4000-5000 см<sup>2</sup>/грамм
5-10
Поливинилацетат
0,005-0,02
Слюда, молотая до фракции 4000-5000 см<sup>2</sup>/грамм
5-10
Известный материал предназначен для изготовления строительных изделий простых форм, таких, например, как садовая дорожка, парковочное место и им подобные. Прочностные показатели готовых изделий из него составляют:
Модуль упругости - 20000-120000 МПа;
2
Прочность при сжатии - 160-1000 см/м;
Прочность при растяжении - 1200 МПа.
Исходя из назначения, изобретение по RU 2736673 направлено на повышение предела прочности при сжатии и прочности при растяжении на изгиб готового изделия, в то время как изготовление изделий более сложных объемных форм, таких, например, как трубы, уличная мебель, урны, песочницы и т.п. требует от материала-полуфабриката еще и формообразующих свойств, тогда как известный материал по RU 2736673 не обладает функцией самоподдерживания формы до набора прочности цемент-содержащей смеси.
Задачей изобретения является разработка водозатворимого композиционного материала с повышенными формообразующими свойствами для изготовления объемных изделий с повышенными прочностными характеристиками.
Для этого предложен водозатворимый композиционный материал для изготовления объемных изделий, который, как и прототип, включает объемный каркас, содержащий горизонтальные базальтовые сетки, выполненные из пересеченных нитей и ровингов, собранные в каркас послойно друг над другом, каркас расположен между слоем материала, непроницаемого для воды и цемент-содержащей смеси, и слоем материала, проницаемого для воды, но непроницаемого для цемент-содержащей смеси, сетки каркаса соединены посредством вертикальных базальтовых нитей, соединяющих соседние горизонтальные сетки в местах пересечения нитей и ровингов, при этом каркас заполнен цемент-содержащей смесью, содержащей связующее, инертный заполнитель и функциональные добавки.
3
3
В отличие от прототипа, предложенный материал содержит как минимум одну дополнительную горизонтальную сетку, выполненную из полужесткой металлической проволоки, расположенную между двумя соседними базальтовыми сетками и соединенную с ними в каркас также посредством вертикальных базальтовых нитей в месте пересечения проволок металлической сетки. При этом каркас заполнен цемент-содержащей смесью, которая в качестве связующего содержит белый портландцемент Д0, в качестве инертного заполнителя - песок фракции 0,4-0,8 мм, а в качестве функциональных добавок - метилцеллюлозу, молотый известняк CaCO (MgCO) 40-100 мкм, гипс, редиспергирующийся дисперсионный сополимер винилацетата и этилена, винную кислоту, гиперпластификатор, полигликоль на неорганическом носителе и антивысольную добавку при следующем соотношении компонентов в масс. %:
Белый портландцемент Д0 - 30
Песок фракции 0,4-0,8 мм - 44,3
Метилцеллюлоза - 0,2
3
3
Молотый известняк CaCO (MgCO) 40-100 мкм - 14
Гипс - 5,
Редиспергирующийся дисперсионный сополимер винилацетата и этилена - 1
Винная кислота - 0,3
Гиперпластификатор - 0,2
Полигликоль на неорганическом носителе - 4
Антивысольная добавка - 1
Армирование объемного каркаса горизонтальными сетками из полужесткой металлической проволоки создает в его структуре формоудерживающий слой, что повышает формообразующие свойства композиционного материала-полуфабриката за счет способности удерживать заданную форму до затворения его водой, а также позволяет повысить жесткость изделий, изготовленных из этого материала.
Создание в заявляемом материале формоудерживающего слоя с учетом требований к прочности изготавливаемых из него готовых изделий, потребовало подбора рецептуры цемент-содержащей смеси. Так, портландцемент Д0 без добавок характеризуется высокой прочностью и скоростью затвердевания, а потому положительно влияет на прочностные характеристики изделия, выполненного из заявленного материала. В то же время, использование этого связующего позволяет моделировать состав цемент-содержащей смеси путем включения подходящих добавок с целью получения изделий с заданными эксплуатационными характеристиками. Песок фракции 0,4-0,8 мм, используемый в качестве инертного заполнителя, также влияет на достижение необходимых прочностных характеристик готового изделия. При этом в состав смеси входят следующие функциональные добавки.
Метилцелюллоза в качестве водоудерживающей добавки улучшает процесс гидратации цемента, что положительно влияет на прочностные и эксплуатационные характеристики изделия, такие как равномерность состава, водопоглощение, мороустойчивость, прочность.
3
3
Молотый известняк CaCO (MgCO) 40-100 мкм в качестве стабилизатора кислотности исключает негативное влияние кислой среды на свойства портландцемента.
Гипс обеспечивает набор первичной прочности готового изделия.
Редиспергирующийся дисперсионный сополимер винилацетата и этилена увеличивает адгезию цемент-содержащей смеси к сеткам из полужесткой металлической проволоки, что повышает прочностные показатели готового изделия. На прочность готовых изделий также положительно влияет гиперпластификатор в совокупности с редиспергирующимся сополимером винилацетата и этилена. Винная кислота позволяет замедлить процесс гидратации цемента, что способствует противодействию образования трещин на поверхности готового изделия.
Полигликоль на неорганическом носителе позволяет избежать образования пузырьков газа в процессе химических реакций при затворении, а антивысольная добавка, как регулятор ощелачивания, позволяет избежать выделения солей на поверхности готового изделия.
Таким образом, армирование объемного каркаса горизонтальными сетками из полужесткой металлической проволоки создает в его структуре формоудерживающий слой, который повышает формообразующие свойства композиционного материала-полуфабриката за счет способности удерживать заданную форму до затворения его водой, а также позволяет повысить жесткость объемных изделий, изготовленных из этого материала. При этом заполнение объемного каркаса, армированного сетками из полужесткой металлической проволоки, цемент-содержащей смесью заявленного состава, позволяет повысить прочность объемных изделий, изготавливаемых из этого материала.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в способности водозатворимого композиционного материала-полуфабриката удерживать заданную форму, повышении жесткости объемных изделий, изготавливаемых из этого материала, и повышении прочности этих изделий.
Изобретение иллюстрируется фиг. 1-6, где:
На фиг. 1 приведена схема композиционного материла с одной сеткой из полужесткой металлической проволоки в разрезе.
На фиг. 2 - схема объемного каркаса с одной сеткой из полужесткой металлической проволоки.
На фиг. 3 - схема соединения горизонтальных сеток в каркас (узел каркаса).
На фиг. 4-6 - схемы объемного каркаса и композиционного материала с тремя сетками из полужесткой металлической проволоки с их различным расположением относительно друг друга.
На фиг 1-6 изображены: 1 - нити, составляющие базальтовую сетку; 2 - ровинги, составляющие базальтовую сетку; 3 - сетка, выполненная из полужесткой металлической проволоки; 4 - слой материала, проницаемого для воды, но непроницаемого для цемент-содержащей смеси; 5 - слой материала, непроницаемого для воды и цемент-содержащей смеси; 6 - цемент-содержащая смесь; 7 - вертикальные базальтовые нити.
Для получения заявляемого композиционного материала используют следующие материалы.
Базальтовые сетки и вертикальные базальтовые нити 7 изготовлены предпочтительно из щелочностойких базальтовых микроволокон. Общее количество базальтовых сеток в объемном каркасе может составлять до 11 штук. Горизонтальную сетку 3, выполненную из полужесткой металлической проволоки диаметром от 0,5 до 2 мм, можно изготовить известным методом контактной сварки. Количество сеток из проволоки в каркасе может достигать до 4 штук. Размер ячеек горизонтальных базальтовых сеток и сеток 3 из полужесткой металлической проволоки составляет не менее 0,3 мм и предпочтительно не более 10 мм.
Слой материала, проницаемого для воды, но непроницаемого для цемент-содержащей смеси может быть выполнен в виде трикотажной ткани из хлопчатобумажных нитей. Слой материала, непроницаемого для воды и цемент-содержащей смеси, предпочтительно выполнен в виде полиэтиленовой пленки и использован для предотвращения вымывания сухих компонентов в процессе затворения композиционного материала водой. Толщина пленки составляет 50-300 мкм.
Слой цемент-содержащей смеси в объемном каркасе имеет толщину 0,5-2 мм.
В составе цемент-содержащей смеси используют следующие компоненты:
- белый портландцемент марки Cimsa 52/5 (600ДО) производства Турции;
- песок фракции 0,4-0,8 мм;
- метилцеллюлоза марки Mecellose 60150 производителя LotteFineChemicals;
3
3
- молотый известняк CaCO (MgCO) 40-100 мкм, представляющий собой молотые отходы доломитовой щебенки;
- гипс марки Г16, ГОСТ 125-2018, ТУ 21-РСФСР-153-90;
- редиспергирующийся дисперсионный сополимер винилацетата и этилена, марки Vinnapas 5111, производитель WACKERHEMIEAG;
- винная кислота марки L+, производитель Perdomini-IOC SpA;
- гиперпластификатор марки Melflux 5581F производителя BASF;
- полигликоль на неорганическом носителе марки AgitanP843, производитель  Chemie AG,
- антивысольная добавка марки ElotexERA100, производитель CelaneseSwitzerland AG.
Заявляемый композиционный материал изготавливают следующим образом.
Готовят сухую цемент-содержащую смесь 6 экспериментально подобранного состава, масс. %:
Белый портландцемент Д0 - 30
Песок фракции 0,4-0,8 мм - 44,3
Метилцеллюлоза - 0,2
3
3
Молотый известняк CaCO (MgCO) 40-100 мкм - 14
Гипс - 5,
Редиспергирующийся дисперсионный сополимер винилацетата и этилена - 1
Винная кислота - 0,3
Гиперпластификатор - 0,2
Полигликоль на неорганическом носителе - 4
Антивысольная добавка - 1
Базальтовые сетки, состоящие из нитей 1 и ровингов 2, изготавливают методом 3D объемного ткачества или методом плетения. Полученные базальтовые сетки, а также сетку 3 из жесткой металлической проволоки, укладывают послойно, пересыпая их цемент-содержащей смесью 6. Сетки соединяют вертикальными базальтовыми нитями 7 в объемный каркас на прошивном станке. Каркас формируют между слоем 4 трикотажной ткани, а также слоем 5 из полиэтиленовой пленки. Полученный материал толщиной 6-40 мм и шириной до 1800 мм, сматывают в рулон, герметизируют, упаковывают и маркируют. Для изготовления объемных изделий материалу придают заданную форму, затворяют водой и выдерживают около 2 часов до затвердевания, т.е. достижения эксплуатационного состояния.
Прочностные показатели готовых изделий из заявляемого материала составляют:
Модуль упругости 80000-150000 МПа
2
Прочность при сжатии 700-1100 см/м
Прочность при растяжении - до 1300 МПа
Использование заявленного изобретения позволяет получить водозатворимый композиционный материал с повышенными формообразующими свойствами, обусловленными способностью материала к поддержанию заданной формы, а также обеспечить высокие прочностные характеристики готовых изделий, изготовленных из материала.