ПОРИСТЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ БЕТОНА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
POROUS FILLER OF CONCRETE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области производства строительных материалов, а именно к производству искусственных пористых заполнителей с развитой контактной поверхностью из кремнистых пород для легких бетонов, теплоизоляционных засыпок и других изделий.
Известен способ изготовления теплоизоляционного материала на основе кремнистых пород (патент РФ на изобретение №2154618), относящийся к производству неорганических строительных материалов на основе природного сырья, включающий перемешивание предварительно отдозированной кремнистой породы из группы: трепел, диатомит, опока и щелочной компонент, укладку смеси в формы и ее термическую обработку нагреванием при температуре 40-60°C в течение 30-60 мин и дальнейшим нагревом до температуры 800-900°C со скоростью 50-150°C/мин, выдерживанием при данной температуре 20-30 мин. Технический результат данного решения - повышение водостойкости теплоизоляционного материала. Однако теплоизоляционный материал, полученный данным способом, имея агломерационную структуру, не может быть использован как гранулированный легкий заполнитель бетона или в виде теплоизоляционной засыпки без дополнительных операций дробления и классификации, разделения по фракциям.
Известен также способ получения заполнителя из кремнистых камневидных пород для конструкционных бетонов (патент РФ на изобретение №2160722), включающий их дробление, обработку поверхности водным раствором натриевой соли адипиновой кислоты, обжиг и охлаждение. При этом дробление ведут до получения зерен фракции 10-15 мм, а обработку осуществляют водным раствором щелочного стока производства капролактама концентрации 5-10% в течение 3-5 мин при перемешивании. Недостатком данного способа является то, что легкий заполнитель бетона, полученный за счет частичной кольматации пор и «залечивания» структурных дефектов и трещин легкоплавкими стеклофазами, несмотря на приобретаемую повышенную прочность и морозостойкость, из-за большого процента оставшихся открытых и сообщающихся пор обладает значительным водопоглощением.
Наиболее близкими к изобретению являются обожженный пустотелый или пористый гранулированный заполнитель и способ его получения (патент РФ на полезную модель №74384). Заполнитель состоит из ядра с нанесенным на него покрытием из глинистого материала, при этом в качестве ядер он содержит дробленое теплоизоляционное пеностекло либо дробленое звукоизоляционное пеностекло с размером зерен 3-30 мм. Способ получения заполнителя включает подачу увлажненного дробленого теплоизоляционного пеностекла с размером зерен 3-30 мм на вибролоток на слой измельченного до дисперсности частиц менее 0,1 мм Шебекинского суглинка с формированием в процессе продвижения зерен пеностекла по вибролотку, гранул с размером 4-32 мм, обжиг полученных гранул в муфельной печи при температуре 790-1050°С с последующим охлаждением вместе с муфелем до комнатной температуры.
Недостатком известных технических решений является необходимость применения в качестве ядер при формировании сырцовых гранул - дробленого пеностекла, не нашедшего широкого распространения и являющегося дорогостоящим материалом (уже изначально из-за высокой энергоемкости производства). Кроме того, сформированные полые гранулы обладают низкими показателями прочности и морозостойкости.
Задачей изобретения является получение прочного и морозоустойчивого гранулированного заполнителя с развитой волокнистой контактной поверхностью.
Техническим результатом является повышение прочности и морозостойкости заполнителя, повышение его удельной поверхности.
3
Поставленная задача решается тем, что способ получения пористого заполнителя бетона включает дробление кремнистой опоки с выделением ядер с размером фракции 5-20 мм, обработку полученных ядер 40-50% водной суспензией шликера, образованной смесью водного раствора метасиликата натрия с силикатным модулем 1,7-2,0 и плотностью 1,2-1,3 г/см и легкоплавкой монтмориллонитовой глины или бентонитовой глины, взятых в соотношении 1:10, с формированием оболочки на поверхности ядра, последующее опудривание влажной оболочки пылевидно-волокнистыми отходами производства термостойкого базальтового волокна и обжиг при температуре 800-900°С и в течение времени, обеспечивающих вплавление базальтовых волокон с формированием плотной стеклокерамической оболочки. При этом обработку ядер шликером могут осуществлять методом окунания или полива. Обжиг ведут при температуре 800-900°С с изотермической выдержкой в течение 15 мин.
Поставленная задача также решается тем, что пористый заполнитель бетона, полученный по вышеописанному способу, выполнен в виде гранул размером 5-20 мм с развитой контактной поверхностью, состоящих из ядра и оболочки, при этом в качестве ядра содержит зерна дробленой кремнистой опоки, а оболочка выполнена в виде стеклокерамического покрытия толщиной 1-2 мм с вплавленными базальтовыми волокнами.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Осуществляют приготовление пористых ядер из кремнистой опоки путем дробления горной породы, например, на щековой дробилке с последующим разделением ядер по фракциям крупности от 5 до 20 мм (например, с помощью вибросита или виброгрохота). Образованные ядра обрабатывают шликером, например, посредством погружения или поливом с помощью нисходящей струи. При этом шликер представляет собой 40-50% водную суспензию, образованную смесью водного раствора метасиликата натрия (жидкого стекла) и легкоплавкой монтмориллонитовой или бентонитовой глины, взятых в соотношении 1:10 соответственно. В результате такой обработки за счет фильтрационных процессов отбора влаги и обезвоживания шликера на границе контакта с ядрами на их пористой поверхности формируется оболочка (пленка) толщиной 1-2 мм в виде глиняной корки (толщина образующейся пленки набирается в течение не более 1 мин). Затем осуществляют опудривание влажной поверхности оболочки пылевидно-волокнистыми отходами производства термостойкого базальтового волокна с последующим обжигом сформированных сырцовых гранул в печи при температуре 800-900°С с образованием плотной стеклокерамической оболочки на поверхности гранулы. При обжиге обеспечивается совмещение процесса тридимитизации кремнезема и сохранение природной микропористой структуры в ядре, формирование плотной стеклокерамической оболочки гранулы, а вплавленные в ее поверхность волокна повышают удельную поверхность, увеличивая у заполнителя контактную зону и сдвиговую устойчивость. Образованные в процессе обжига гранулы заполнителя в результате огневой усадки имеют размер от 5 до 20 мм.
В примерах реализации заявляемого способа изготовления заполнителя в качестве сырья использованы следующие исходные компоненты и технологические операции.
3
Опоки - лёгкие сцементированные тонкопористые породы, состоящие в основном из мельчайших (менее 0,005 мм) частиц кремнезёма. Средняя плотность составляет около 900 кг/м, пористость достигает 60%. Постоянной составляющей опок являются опаловый кремнезем 54-80%, глинистые минералы 10-40% и до 10% песчаные частицы.
В качестве сырья для получения ядер заполнителя использовали опоку Вольского месторождения Саратовской области, химический состав которой приведен в табл. 1.
2
Эффективный диаметр пор у относительно крупнопористых и трепеловидных опок колеблется в пределах от 80 до 110 Ǻ, а удельная поверхность - от 90 до 130 м/г.
Таблица 1. Химический состав опок Вольского месторождения Саратовской области, мас.%
SiO<sub>2</sub>
AI<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
SO<sub>3</sub>
К<sub>2</sub>О
Na<sub>2</sub>O
ппп
Сумма
79,41
8,03
3,82
1,03
1,05
0,35
1,29
0,42
4,41
99,81
2
Мелкопористые опоки имеют эффективный диаметр пор менее 60 Ǻ и удельную поверхность менее 90-60 м/г. Использовали монофракционные ядра опоки размером 5 и 20 мм соответственно.
3
В основу глиняного шликера входила глина Елшанского месторождения (г. Саратов) - легкоплавкая, монтмориллонитовая, морского происхождения, среднеюрского возраста, синевато-серой окраски, среднепластичная (число пластичности 13-40). Химический состав: оксид кремния 38-70%, оксид алюминия 10-21%, оксид железа 4-9%, оксид кальция 1-7%, оксид магния 1-2%. Температура обжига 750-1050°С. В качестве щелочного компонента шликера использовали натриевое жидкое стекло по ТУ 2385-001-54824507-2000 с силикатным модулем 1,7-2,0 и плотностью 1,2-1,3 г/см. Шликер приготавливали в два этапа. Сначала смешивали 10 мас.ч. глины и 1 мас.ч. жидкого стекла, в полученную смесь добавляли воду до получения суспензии с 40-50% влажностью. При этом допускается первоначальное растворение отмеренной дозы жидкого стекла в воде и дальнейшее перемешивание с необходимым количеством глины. Количество жидкого стекла в шликере не менее 10% подобрано таким образом, чтобы обеспечить стабильное, не склонное к расслаиванию состояние суспензии с 40-50% влажностью. Количество жидкого стекла в шликере более 10% в процессе последующего обжига гранул может привести к повышенному содержанию плавней в составе стеклокерамической оболочки, что негативно повлияет на технологические параметры термообработки и качество конечной продукции.
2
2
2
3
2
3
2
2
2
5
2
Средний химический состав базальтового волокна, мас.%: SiO -49,06; TiO - 1,36; AlO - 15,7; FeO - 5,38%; FeO - 6,37; MgO - 6,17; CaO - 8,95; NaO - 3,11; KO -1,52; MnO - 0,31; PO - 0,45; HO - 1,62. Температура плавления 1100-1250°С.
Для опудривания влажной глиняной поверхности оболочки (после погружения ядер в шликер) использовали пылевато-волокнистые отходы, образованные в  производстве базальтового волокна на Саратовском заводе стройматериалов. Основные характеристики отходов приведены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристика пылевато-волокнистых отходов, образованных в производстве базальтового волокна на Саратовском заводе стройматериалов
Плотность,г/см<sup>3</sup>
Прочность на растяжение, МПа
Диаметр волокна, мкм
Удлинение при разрыве, %
2,6
1800
200
1,4
Опудривание влажной поверхности сырцовых гранул пылевидно-волокнистыми отходами производства термостойкого базальтового волокна производили в барабанном смесителе, их последующий обжиг производили в муфельной печи при атмосферном давлении в интервале температур 800-900°С по режиму: нагрев до 600°С за 20 мин, последующий нагрев до 800-900°С со скоростью 100°С/мин, изотермическая выдержка при данной температуре в течение 15 мин, охлаждение до комнатной температуры со скоростью 100°С/мин.
В стеклокерамическом покрытии гранул в процессе их обжига при 800-900°С и изотермической выдержке в течение 15 мин, вплавленные базальтовые волокна претерпевают кристаллизацию с образованием минералов пироксеновой группы (авгит, диопсид, геденбергит). Изотермическая выдержка в течение интервала времени более 15 мин приводит к полнообъемной кристаллизации базальтовых волокон, что приводит к повышению их хрупкости, и, как следствие, снижению удельной поверхности гранул.
Свойства полученных заполнителей в сравнении с прототипом приведены в табл. 3.
Таблица 3. Свойства полученных заполнителей
№п/п
Размер ядер (гранул), мм
Насыпная плотность, кг/м<sup>3</sup>
Прочность при сжатии в цилиндре, МПа
Удельная поверхность зерна (метод парафинирования), м<sup>2</sup>/л
Марка по морозостойкости
В сухом состоянии
После выдержки в воде
Температура обжига менее 800°С - недожог (осыпание необожженных компонентов оболочки)
Температура обжига 800°С
11
3
500
5,3
5,1
19
F10
22
5
450
6,2
6,0
17
F20
33
20
400
7,5
7,3
13
F15
44
30
380
4,9
4,7
11
F10
Температура обжига 900°С
55
3
450
5,7
5,5
15
F10
66
5
400
6,8
6,6
13
F30
77
20
380
8,0
7,8
11
F20
88
30
350
5,2
4,9
10
F10
Температура обжига более 900°С пережог (образование на гранулах участков совместного оплавления ядра, оболочки и волокон, сплавление гранул)
Прототип: материал ядра - дробленое пеностекло и температура обжига 920°С
99
3-30
392
2,6
2,4
0,8*
F5*
* - параметры определены экспериментально на модельных образцах, так как в прототипе они не указаны
Исследование свойств полученных материалов проводилось в соответствие с требованиями ГОСТ 9758-86 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ» Методы испытаний.
Анализ данных табл. 3 результатов испытаний полученных заполнителей показывает следующее.
3
1. Полученный пористый заполнитель бетона c насыпной плотностью 380-450 кг/м, морозостойкостью не менее F15 и прочностью при сжатии в цилиндре до 8 МПа в соответствии c ГОСТ 9757-90 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ» отвечает марке П400.
2. Увеличение размера гранул более 20 мм (примеры 4 и 8) приводит к снижению их прочности как в сухом, так и в насыщенном водой состоянии, а также падению морозостойкости.
3. Уменьшение размера гранул менее 5 мм (примеры 1 и 5) приводит к возрастанию насыпной плотности, за счет перераспределения соотношения кремнистой и стеклокерамической составляющих частей гранулы (увеличение стеклокерамической доли и уменьшение кремнистой).
4. Температура обжига менее 800°С недостаточна для перехода опаловидной структуры ядра в кристаллическое состояние, а также для формирования прочного керамического черепка скорлупы. Температура обжига выше 900°С приводит к образованию значительного количества стекловидной фазы в керамическом слое гранулы и опасности оплавления базальтовых волокон (ассимиляции со стеклокерамической массой), что приводит к снижению величины удельной поверхности зерна. Возникает также опасность сплавления гранул.
Примеры 2, 3, 6, 7 отвечают поставленному техническому результату, отличаются от прототипа улучшенными эксплуатационными показателями и имеют преимущества по прочности, морозостойкости и удельной поверхности. Полученные в соответствии с предлагаемым техническим решением заполнители обладают развитой волокнистой контактной поверхностью, позволяющей обеспечить лучшую адгезию и равномерное объемное распределение зерен в композиции с цементным камнем.
Таким образом, предлагаемое техническое решение расширяет сырьевую базу производства теплоизоляционных засыпок и гранулированных легких заполнителей бетонов, обладающих улучшенными характеристиками по прочности и морозостойкости.