СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ГЕОПОЛИМЕРНОГО ПЕНОБЕТОНА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
RAW MIXTURE FOR GEOPOLYMER FOAM CONCRETE AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Настоящее изобретение относится к легкому пенобетону из геополимерного вяжущего и способу его получения и может быть использовано в промышленности строительных материалов.
Известны сырьевые смеси и способы получения пенобетона близкие к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату (Патент № CN 201710279623.0 A, опубликован 2017-09-22, П1; Патент WO 2012092047 A1, 2012-07-05, П2).
Сырьевая смесь и способ приготовления пенобетонной смеси (П1) заключается в перемешивании сухого материала, такого как порошок сталеплавильного шлака, измененный красный шлам, модифицированный метакаолин, порошок молотого шлака; добавлении щелочного активатора и воды в смесь из твердых компонентов и их смешение до образования суспензии; параллельно с этим: приготовление пены путем смешения пенообразователя и воды в соотношении 1:15 с помощью гомогенизатора; добавлении полученной пены в суспензию и их смешение в течение 2,5-3 мин до равномерного распределения пены в суспензии.
3
Недостатками известной сырьевой смеси и способа (П1) являются многокомпонентность твердофазной составляющей, состоящей, в основном, из промышленных отходов. Это значительно усложняет технологический процесс подбора составов, а также повышает риск разброса по эксплуатационным характеристикам в связи с нестабильностью свойств сырьевых компонентов. Для обеспечения заявленных эксплуатационных характеристик требуется длительное время отверждения – в течение 28 сут, что значительно увеличивает производственный процесс. Основным недостатком известной сырьевой смеси и способа является относительно высокая средняя плотность и коэффициент теплопроводности при относительно низкой прочности на сжатие конечного ячеистого композита. При значении средней плотности пенобетона 550 кг/м и коэффициенте теплопроводности: 0,107 Вт/(м⋅К), прочность на сжатие составляет не более 2,8 МПа.
Сырьевая смесь и способ приготовления пенобетонной смеси (П2) заключается в смешении следующих компонентов: зол-уноса класса С (высококальциевая) и класса F (низкокальциевая) и их смеси, солей щелочных металлов и лимонной кислоты, силикатов щелочных металлов, пенообразователей и, предпочтительно, стабилизатора пены, такого как поливиниловый спирт. Составы, содержащие золу-уноса класса F, могут дополнительно содержать портландцемент типа III. Способ получения: силикат натрия и цитрат натрия и пенообразователь смешивают с водой для образования раствора с последующим его добавлением к твердофазному компоненту или смеси из твердофазных компонентов с последующим перемешиванием до однородной смеси.
Недостатками известной сырьевой смеси и способа (П2) также является многокомпонентность, как по твердофазным компонентам, так и по активирующим агентам. Кроме того, вводится дополнительный компонент – стабилизатор пены. Это способствует появлению дополнительных контролируемых факторов, что значительно усложняет технологический процесс. Кроме того, большое количество промышленных отходов в качестве сырьевых компонентов повышает риск расширения диапазона разброса по эксплуатационным свойствам пенобетона из-за нестабильности свойств сырья.
3
Основным недостатком известной сырьевой смеси и способа является относительно высокая средняя плотность и коэффициент теплопроводности при относительно низкой прочности на сжатие конечного ячеистого композита. При минимальной средней плотности 957 кг/м обеспечивается прочность на сжатие 3,3 МПа.
В обоих случаях (П1) и (П2) используют дополнительный компонент – стабилизатор пены.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением, принятым за прототип, является сырьевая смесь и способ изготовления ячеистой геополимерной смеси (Cong M., Zhang Sh., Sun D., Zhou K. Optimization of Preparation of Foamed Concrete Based on Orthogonal Experiment and Range Analysis. Frontiers in Materials. Vol. 8, 778173, 2021, DOI=10.3389/fmats.2021.778173), сырьевая смесь состоящая из каолина, шлака, золы-уноса, полых микросфер, комплексного щелочного активатора (жидкое стекло + натр едкий), пенообразователя, стабилизатора пены и воды и получаемая в следующей последовательности: комплекс щелочных активирующих агентов смешивают с водой до образования водного щелочного раствора; затем смешивают сухие компоненты: каолин, шлак и золу-уноса, до однородной массы в течение ≈ 3 мин; затем приготовленный водный щелочной раствор постепенно вливают в равномерно перемешанную смесь из твердых компонентов с непрерывным перемешиванием в течение ≈ 1 мин до образования геополимерной суспензии; параллельно готовят пену путем смешения пенообразователя и воды и стабилизатора пены; полученную пену помещают в смеситель, заполненный геополимерной суспензией, и быстро перемешивают в течение примерно 45 с до образования пастообразного пенобетона.
3
Недостатками известного прототипа также является многокомпонентность сырьевой смеси и относительно высокая средняя плотность и коэффициент теплопроводности при относительно низкой прочности на сжатие конечного ячеистого композита. При значении средней плотности пенобетона 510-570 кг/м и коэффициенте теплопроводности 0,075-0,082 Вт/(м⋅К), прочность на сжатие составляет не более 1,36-1,73 МПа.
Изобретение направлено на снижение многокомпонентности сырьевой смеси, а также снижение средней плотности и коэффициента теплопроводности конечного пенобетонного композита при сохранении показателя прочности на сжатие. Это достигается за счет повышения стойкости пеномассы без дополнительного стабилизирующего агента в процессе приготовления и дальнейшего твердения ячеистого композита. Повышение стойкости пеномассы позволяет обеспечить, более правильную форму пор и их более равномерное распределение в структуре пеномассы и структуре конечного (затвердевшего) геополимерного пенобетона без отягощения сырьевой смеси дополнительными компонентами.
2
2
Это достигается тем, что сырьевая смесь для геополимерного пенобетона состоит из смеси алюмосиликатных компонентов: золы-уноса низкокальциевой с удельной поверхностью 1850 см/г и метакаолина с удельной поверхностью 11700 см/г; щелочного активатора NaOH; воды; пенообразователя при следующих массовых соотношениях компонентов, мас.%:
- зола-уноса низкокальциевая - 51-53,5;
- метакаолин - 1,4-3;
- щелочной активатор NaOH - 8,5-9,1;
- пенообразователь белкового происхождения - 0,16-0,2;
- вода - остальное.
Способ получения сырьевой смеси для геополимерного пенобетона предусматривает 3 стадии: приготовление щелочного раствора (путем смешения воды и щелочи до полного растворения твердого компонента); отдельное приготовление пены в щелочной среде (путем смешения пенообразователя и 1/10 части щелочного раствора); приготовление вяжущей суспензии путем смешения оставшихся 9/10 частей щелочного раствора и твердофазных компонентов – золы-уноса низкокальциевой и метакаолина в течение 2-3 мин до однородной массы; активация однородной смеси из твердофазных компонентов щелочным раствором путем его введения в течение 3 мин и одновременным перемешиванием смеси до получения однородной суспензии; введение пены в геополимерную суспензию с перемешиванием в течение 4-5 мин до образования однородной пеномассы.
Характеристики используемых материалов.
2
1. Зола-уноса – тонкодисперсный остаток сгорания угольного топлива из его минеральных примесей, содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии с удельной поверхностью 1850 см/г (химический состав представлен в табл.1).
о
2
2. Метакаолин – это высокореакционный, метастабильный продукт дегидратации каолина, полученный обжигом при 650-850С в результате реакции дегидроксилирования, с удельной поверхностью 11700 см/г (химический состав представлен в табл.1).
3. Вода ГОСТ 23732-2011 «Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия».
4. Щелочной активатор – натр едкий NaOH, ГОСТ Р 55064-2012. «Натр едкий технический. Технические условия».
5. Пенообразователь белкового происхождения, например, Biofoam, (производитель ООО «БиоФомм»).
Таблица 1
Химический состав золы-уноса низкокальциевой и каолина
Компонент
Содержание оксидов, % вес.
Σ
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
TiO<sub>2</sub>
K<sub>2</sub>O
MgO
CaO
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
N<sub>2</sub>O
п.п.п.
Зола-уноса
56,98
25,29
4,63
0,97
0,65
1
3,74
0,36
0,63
6,07
99,75
Метакаолин
54,7
42,8
0,7
0,3
0,9
-
0,15
-
0,02
0,4
99,97
Таблица 2Характеристики предлагаемых составов геополимерного пенобетона и прототипов
Составы
Компонентный состав, мас.%:
Предел прочности при сжатии, МПа
Средняя плотность,кг/м<sup>3</sup>
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м<sup>2</sup>⋅<sup>о</sup>С)
зола-уноса
метакаолин
щелочной активатор NaOH
пенообразователь белкового происхождения
вода
1
51
3
9,1
0,16
36,74
1,68
501
0,063
2
52,2
2,3
8,8
0,18
36,52
1,76
506
0,074
3
53,5
1,4
8,5
0,2
36,4
1,92
518
0,081
Прототип
-
1,73
570
0,082
Использование данного способа приготовления геополимерной пеномассы при указанном соотношении компонентов позволяет повысить стойкость пеномассы. Это приводит к формированию более правильной формы пор и их более равномерному распределению в структуре конечного (затвердевшего) геополимерного пенобетона без отягощения сырьевой смеси дополнительными компонентами. В результате, формирование правильной поровой структуры позволяет снизить плотность пенобетона от 9 до 12 % по сравнению с прототипом при сохранении прочности на сжатие неизменной.
Пример (таблица № 2, состав № 2).
На первой стадии приготовили щелочной раствор путем смешения 551,3 кг воды и 132,5 кг щелочи до полного растворения твердого компонента. Отдельно приготовили 71,1 кг пены в щелочной среде путем смешения 2,71 кг пенообразователя, и 1/10 части щелочного раствора (т.е. 68,4 кг); приготовление смеси из твердофазных компонентов: 786,3 кг золы-уноса низкокальциевой и 34,6 кг метакаолина путем их смешения в течение 1-1,5 мин; приготовление вяжущей геополимерной суспензии путем смешения оставшейся 9/10 части щелочного раствора (т.е. 615,4 кг) и смеси из твердофазных компонентов - золы-уноса низкокальциевой и метакаолина в течение 2-3 мин до однородной массы; введение пены в вяжущую геполимерную суспензию с перемешиванием в течение 4-5 мин до образования однородной пеномассы.