Способ изготовления строительного материала
METHOD OF PRODUCING CONSTRUCTION MATERIAL

Изобретение относится к строительству и касается промышленности строительных материалов, а именно к изготовлению любых видов строительных изделий, дорожных покрытий, и может быть использовано при жилищном и промышленном строительстве, строительстве дорог, в литейном, химическом производстве и других областях.
Известны способы изготовления строительного материала с применением инертных заполнителей в виде щебня и песка, скрепленных связующими на основе портландцемента, гипса, жидкого стекла, глины и других материалов.
Известны различные технические решения получения строительного материала, различающиеся по составу смесей и способам термообработки (патенты US №3754952, US №4234347, GB №1277154, FR №7026259, DE №2031268 и JP №1007581).
-4
-3
3
Известен способ изготовления бетонных изделий (РФ №2204476, заявка №2001129477/03, 01.11.2001), при котором как минимум на одной из стадий изготовления осуществляют воздействие электромагнитным полем, новым согласно изобретению является то, что импульсное поле создают непрерывно следующими пакетами электрических видеоимпульсов, при этом длительность пакета составляет 2⋅10 с - 2⋅10 с, скважность импульсов в пакете изменяется в диапазоне 10-100, а удельная мощность составляет 0,01-0,1 Вт/м. Предпочтительное значение скважности импульсов в пакете - 20-60. Воздействие электромагнитного поля эффективно на стадии твердения изделия. Наилучший результат достигается при воздействии импульсным электромагнитным полем на стадиях и затворения бетонной смеси, и формования, и твердения изделия. При реализации способа скважность импульсов в пакете может линейно нарастать, линейно снижаться, пилообразно изменяться или изменяться по другому приемлемому закону. Однако описанный способ не позволяет значительно сократить время производства строительных материалов и требует значительных энергетических затрат, что отрицательно сказывается на себестоимости продукции.
Более дешевый и прогрессивный способ изготовления строительного материала связан с использованием связующих, изготавливаемых в отдельном технологическом процессе и вводимых в состав смеси для строительного материала при ее приготовлении.
2
2
Наиболее близким по технической сути является техническое решение, известное из патента №2239611 (заявка №2003123525/03, 29.07.2003 «Смесь для приготовления особо прочных крупногабаритных строительных изделий (варианты)»). В соответствии с патентом для изготовления строительного изделия берут тридимит-кристобалитовое вяжущее с содержанием 0,1-0,2 мол. % NaO в зернах естественной гранулометрии после обжига природного кварцевого песка во вращающейся печи и смешивают его с кварцевым песком, молотым до удельной поверхности 4800 см/г, рядовым кварцевым песком в качестве заполнителя и добавляют армирующее термообработанное минеральное волокно с диаметром нити 0,2-0,5 мм при его длине 50-150 мм при указанном в п. 1 формулы содержании компонентов смеси. Полученную сухую сырьевую смесь затворяют водным раствором едкого натрия с концентрацией 5-15%, и после окончательного перемешивания из свежеприготовленной смеси формуют образцы, которые загружают с формами в автоклав и подвергают автоклавной обработке под давлением насыщенного водяного пара 1,2 МПа в течение 16 ч. После гидротермальной обработки охлажденные до комнатной температуры образцы извлекают из форм, высушивают при 105-110°С. Полученные таким способом изделия обладают следующими характеристика: предел прочности при сжатии до 1200 МПа, предел прочности при изгибе до 250 МПа, ударная прочность до 7 МПа, модуль упругости до 5,5 МПа.
Недостатком данного технического решения является длительность процесса изготовления изделий, использование автоклавного способа обработки строительного материала, что значительно удорожает процесс изготовления. Также предложенный способ не позволяет получать строительные материалы с более высокими прочностными характеристиками.
Технической задачей настоящего изобретения является сокращение времени и энергозатрат при изготовлении строительного материала, что приводит к снижению себестоимости изделий, а также получение различных строительных материалов с повышенной огнеупорностью и водостойкостью, пониженным влагопоглощением, высокими прочностными свойствами, кислотостойкостью, нейтральных по отношению к воздействию солей и других веществ, содержащихся в атмосфере.
2
2
Технический результат настоящего изобретения заключается в получении строительного материала с повышенной прочностью (прочность на сжатие от 150 кг/см (15 МПа) до 1000 кг/см (100 МПа)), морозоустойчивостью, кислотостойкостью и огнеупорного при снижении себестоимости изготовления строительных изделий.
Технический результат достигается тем, что способ изготовления строительного материала включает перемешивание кремнезема и 5%-ного щелочного раствора при соотношении сухого и жидкого компонентов 1:1 при одновременном воздействии на смесь электромагнитным полем до полного растворения кремнезема, добавление полученного раствора в количестве от 4% до 8% от общего объема смеси к кремнеземсодержащему сырью, включающему 5-10% или 15% кристобалита от общего объема смеси. Смесь перемешивают до полного смачивания кремнеземсодержащего сырья. Из полученной смеси формуют изделия и обрабатывают сушкой при температуре от 40°С до 80°С или путем пропаривания изделия при температуре 90°С-120°С, или путем воздействия на изделие СВЧ излучением.
Предпочтительно использовать кремнезем тонкого помола с размером частиц до 0,1 мм.
Указанный технический результат достигается всей совокупностью заявленных признаков.
В последующем изобретение поясняется подробным описанием конкретных, но не ограничивающих настоящее решение, примеров его выполнения и прилагаемым чертежом, на котором схематично изображено устройство для получения связующего.
Способ изготовления строительного материала осуществляется следующим образом.
Начальным этапом способа является изготовление связующего, для этого осуществляют смешивание кремнезема и слабощелочного раствора, например гидроксида щелочного металла или гидроксида аммония, при этом концентрация слабощелочного раствора не превышает 5%.
В качестве кремнезема можно использовать отход дробления щебня - пыль или песок с содержанием кварца не менее 65%. Предпочтительно использовать кремнезем тонкого помола с размером частиц до 0,1 мм, что дополнительно сокращает время перемешивания смеси, уменьшает энергозатраты, что приводит к снижению себестоимости строительного материала.
В способе по изобретению для получения слабощелочного раствора используют пресную, например техническую, воду, воду морскую, минерализованную, что позволяет использовать способ по изобретению в различных природных условиях, а также утилизировать различную техническую воду, улучшая тем самым экологию.
Перемешивание исходных компонентов осуществляют при воздействии электромагнитным полем. Для создания таких условий было разработано и изготовлено устройство.
На чертеже представлена схема устройства для получения связующего согласно изобретению. Связующее готовят в высокоскоростном измельчительном устройстве проточного типа, осуществляя циркулирующий по замкнутому контуру поток смеси с повторным ее прохождением через вихрь ферромагнитных частиц, создаваемый электромагнитным полем, и через диспергирующий аппарат устройства.
В приемный бункер 1 через трубопровод 6 загружают кремнезем (или пыль), а через трубопровод 7 слабощелочной раствор, например раствор гидроксида щелочного металла или гидроксида аммония. После перемешивания в приемном бункере компонентов смесь, через трубопровод 8, подают в насос диспергатора гомогенезатора 2, пройдя через который смесь трубопроводом 9 подают в электромагнитный активатор 3. Здесь смесь подвергают активирующей обработке в рабочей зоне, которая выполнена в виде трубы диаметром от 50 до 150 мм, с размещенными в ней ферромагнитными игольчатыми частицами, которые постоянно удерживаются в рабочей зоне аппарата магнитным полем. Под воздействием внешнего электромагнитного поля иглы перемещаются по рабочей зоне, соударяясь с частицами смеси. При этом генерируются эффекты акустических волн (от 20000 до 40000 Гц), магнитострикции, механострикции и кавитации с большой удельной мощностью. Вследствие этого частицы смеси интенсивно перемешиваются с одновременным измельчением до микронных и субмикронных размеров, в смеси происходят активные, ускоренные физико-механические процессы аморфизации и растворения кремнезема. Мощность электромагнитного активатора в зависимости от его объема составляет от 2,6 кВт до 20 кВт. Обработка смеси в электромагнитном поле осуществляется в зависимости от объема смеси в течение от 3 мин до 10 мин. Такая электромагнитная активация смеси требует существенно меньших временных и энергетических затрат. Пройдя через фильтр 4, связующее трубопроводом 11 может подаваться на повторную обработку. Для полного растворения кремнезема в зависимости от размера частиц используемого кремнезема достаточно не более трех циклов. После полного растворения кремнезема полученное связующее через вентиль 5 трубопроводом 12 подается в дозатор, а затем в смеситель, в который уже засыпано кремнеземсодержащее сырье.
Полученное связующее используют в количестве от 4% до 8% от общего объема смеси. Перемешивание осуществляют при нормальной скорости в смесителях, исключающих налипание на стенки и рабочие органы (двухваловые, планетарные и пр.). При использовании связующего менее 4% от общего объема смеси изделия имеют места, где сухие компоненты плохо склеены друг с другом, что приводит к снижению прочности. При увеличении связующего более 8% снижается прочность получаемых изделий.
В качестве кремнеземсодержащего сырья используют любые минеральные природные вещества с содержанием кремнезема не менее 65%, наиболее приемлемыми являются отсев дробления щебня, крупный, средний и мелкий или молотый песок, диатомит, трепел, маршалит, опоки и другие. При этом в состав смеси хорошо добавлять до 15% кристобалит в виде твердых пылевидных отходов металлургических производств и угольных котельных, которые улавливают из отходящих газов и дыма (микрокремнезем). Можно получать кристобалит непосредственно в процессе производства путем кратковременного (1-3 с) обжига кремнезема (песка или пыли) при температуре от 800°С до 1200°С. Кристобалит может добавляться в формовочную смесь в количестве от 5% до 15% от объема смеси для повышения прочностных характеристик, а также для придания цвета получаемым изделиям. В качестве кристобалита используются отходы, получаемые из фильтров и циклонов очистки исходящих газов угольных котельных и доменных печей, например, такие как микрокремнезем МК 84, содержащие большое количество пылевидного кремнезема, прошедшего кратковременный нагрев до температуры свыше 1000°С. При этом изделия получаются темно-серого и черного цвета. Кристобалит можно получать из молотого трепела, опока или пылевидного кварца путем кратковременного (1-3 с) нагрева до температуры 900°С-1200°С. При этом можно получать изделия белых и светло-бежевых тонов.
Одновременно с кремнеземсодержащим сырьем в смеситель могут быть добавлены вспученный перлит или вермикулит для получения изделий с низкой теплопроводностью, то есть для получения строительного материала с хорошими теплоизоляционными свойствами, а для получения отделочных изделий с оригинальным рисунком на поверхности в смесь добавляют мраморную или гранитную крошку.
2
2
Перемешивание осуществляют до полного смачивания кремнеземсодержащего сырья связующим. Затем из полученной смеси осуществляют формование изделий методом простого или гиперпрессования, вибропрессованием, ударно-прессовым способом или другим известным методом, при этом получают строительные изделия любой формы. Отформованные изделия сушат при температуре 40-80°С в течение 1-2 ч, при необходимости или для получения особых свойств обрабатывают паром при температуре 90-120°С при атмосферном давлении или обжигают при больших температурах в зависимости от вида изделия и его назначения. Наиболее эффективное твердение строительного материала получается при обработке отформованных изделий электромагнитными полями сверхвысокой частоты (СВЧ). Так изделия, имеющие массу до 5 кг, достигают прочности на сжатие 150-200 кг/см в течение 5 мин, а 500-700 кг/см в течение 30 мин. Параметры формовочной смеси, сушки и термообработки определяются технологическим регламентом на изготовление конкретного изделия.
Для осуществления способа по изобретению используют различные измельчающие устройства и различные перемешивающие и диспергирующие устройства, обеспечивающие предварительное измельчение кремнеземсодержащего сырья и эффективное перемешивание исходной смеси. К числу таких устройств относятся центробежно-ударные, шаровые, валковые и дисковые мельницы, различные диссольверы, бисерные; высокоскоростные смесители - дисковые мешалки, дисково-пропеллерные и дисково-лопастные мешалки, смесители с якорной мешалкой, высокоскоростной роторно-статорный смеситель, планетарный смеситель, шнековые, планетарные смесители с трехмерным движением спирально-ленточных рабочих органов.
Примеры осуществления способа согласно изобретению
Пример 1. При серийном и массовом изготовлении строительных изделий (стеновых материалов - кирпича, облицовочных и тротуарных плит и т.д.) весом от 0,5 до 5 кг
Для получения связующего: в установку (в зависимости от объема производства циклически или постоянно) подается пыль дробления щебня или песка (утилизируемые отходы других производств) с содержанием кремнезема не ниже 60% и размером частиц до 1 мм и слабощелочной раствор гидроксида натрия с концентрацией 5%. Для получения раствора воду можно использовать пресную, морскую или техническую. Соотношение сухого и жидкого компонентов - 1/1. Смесь обрабатывают, как было описано выше, в течение 10 мин.
Для получения формовочной смеси: кремнеземсодержащее сырье должно иметь гранулометрический состав, необходимый для получения плотноупакованной матрицы. В зависимости от доступности источника сырья кремнеземсодержащее сырье состоит из отсева дробления щебня или крупного песка (1-3 мм) и мелкого песка в соотношении 1/1. Сырьевую смесь загружают в смеситель и добавляют кристобалит в виде микрокремнезема МК84 для получения изделий темно-серых или черных цветов, кристобалит, полученный из трепела, для изделий белых цветов, кристобалит, полученный из опоки, для изделий светло-бежевых или коричневых цветов в объеме от 5% до 10% от объема сырьевой смеси (в зависимости от необходимой прочности и интенсивности цвета изделий). Указанные компоненты предварительно перемешивают в сухом виде. После этого в сырьевую смесь добавляют связующее в объеме 4%-8% от общего объема смеси (прочностные характеристики в этом диапазоне не изменяются, а необходимый объем регулируется, исходя из влажности исходного сырья, чем выше влажность сырьевой смеси, тем меньше объем связующего). Перемешивание осуществляют до полного смачивания состава связующим в течение 5-10 мин. Полученную смесь формуют путем простого прессования, вибро- или гиперпрессования. Сушку осуществляют путем обработки формованных изделий в проходной или тупиковой СВЧ печи непосредственно после съема изделий с пресса. Получаемые изделия имеют следующие характеристики:
Предел прочности на сжатие МПа
30
Прочность на растяжение Bt, МПа
2,8
Морозостойкость F, число циклов
200
Кислотостойкость по ГОСТ 473.1-72, %, не менее
99
Водо- и кислотопоглощение, %, не более
2,4
Огнеупорность, °С
1700
Термическая стойкость, количество теплосмен (1200 град)
20
Температурный рост, %, не более
0,5
Остаточная прочность при сжатии после обжита при 1200°С, не менее
100%
Твердость по шкале Мооса
до 7
Ниже приведена Таблица, в которой приведены характеристики материалов, полученные в ходе эксперимента, которые были изготовлены, как описано в примере, но имеют разное количество связующего от 3% до 9%. Из таблицы видно, что выход за заявленные пределы по количественному составу связующего ухудшает характеристики готового материала.
Пример 2. Изготовление бетонных изделий массой до 2 тонн
Связующее получают, как описано в примере 1.
Кремнеземсодержащее сырье имеет следующее соотношение: щебень гранитный (10-30 мм) 20% от объема, отсев дробления (до 10 мм) 40% от объема, песок мелкий 17% от объема, микрокремнезем или любой другой вид кристобалита 15% от объема. Сухая смесь перемешивается в смесителе до равномерного состояния, после чего в смеситель вводят связующее 8% от объема. Перемешивание осуществляют до полного смачивания сухих компонентов связующим.
Полученную смесь формуют путем виброукладки с пригрузом или горизонтальным виброформованием. Сушку осуществляют путем пропаривания при температуре 120°С-180°С в течение 2-12 ч (в зависимости от веса изделия) или СВЧ сушкой в течение 2 ч. Досушивают при нормальных условиях в течение 2 ч.
Полученное изделие имеет следующие характеристики:
Предел прочности на сжатие МПа
100
Прочность на растяжение Bt, МПа
3,2
Морозостойкость F, число циклов
500
Кислотостойкость по ГОСТ 473.1-72, %, не менее
99
Водо- и кислотопоглощение, %, не более
2,4
Огнеупорность, °С
1700
Термическая стойкость, количество теплосмен (1200 град)
20
Температурный рост, %, не более
0,5
Остаточная прочность при сжатии после обжига, при 1200°С, не менее
100%
Твердость по шкале Мооса
до 7
Пример 3. Изготовление теплоизоляционных плит
Связующее получают, как описано в примере 1.
Для получения формовочной смеси: кремнеземсодержащее сырье состоит из крупного песка (1-3 мм) и мелкого песка в соотношении 1/1 - 60% от объема, вспученного перлита (или вермикулита) - 31% от объема, и кристобалита (микрокремнезем, трепел и т.д.) 5% от объема. Сырьевую смесь загружают в смеситель и предварительно перемешивают в сухом виде. После этого в сырьевую смесь добавляют связующее в объеме 4% от общего объема. Перемешивание осуществляют до полного смачивания состава связующим в течение 7 мин. Полученную смесь формуют путем простого прессования. Сушку осуществляют путем обработки формованных изделий в проходной или тупиковой СВЧ печи непосредственно после съема изделий с пресса. Получаемые изделия имеют теплопроводность не более 0,175 Вт/м⋅К при сохранении всех прочностных характеристик:
Предел прочности на сжатие, МПа
30
Прочность на растяжение Bt, МПа
2,8
Кислотостойкость по ГОСТ 473.1-72, %, не менее
99
Водо- и кислотопоглощение, %, не более
2,4
Термическая стойкость, количество теплосмен (1200 град)
20
Температурный рост, %, не более
0,5
Остаточная прочность при сжатии после обжига при 1200°С, не менее
100%
Твердость по шкале Мооса
до 7
Изделия, получаемые заявленным способом, могут использоваться в качестве любых строительных материалов с высокими техническими характеристиками, а именно с повышенной огнеупорностью и водостойкостью, пониженным влагопоглощением, высокими прочностными свойствами, кислотостойкостью, нейтральных по отношению к воздействию солей и других веществ, содержащихся в атмосфере. При этом заявленный способ позволяет сократить время изготовления изделий и сократить энергозатраты на их изготовление. При высоких прочностных характеристиках изделия имеют низкую себестоимость.