СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕКОРАТИВНОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОЙ МОРОЗОСТОЙКОЙ ФАСАДНОЙ ПЛИТКИ
METHOD FOR PRODUCING DECORATIVE HIGH-STRENGTH WATERPROOF FROST-RESISTANT FACADE TILES

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для получения защитно-декоративных покрытий на поверхностях строительных бетонных, железобетонных и металлических конструкций ручным и механизированным способом.
Известен способ получения защитно-декоративного покрытия, заключающийся в подготовке поверхности строительной конструкции и нанесения на нее композиции, содержащей фосфатную соль 1 - 10 мас.%, гидрофлогопит 30 - 50 мас.%, вспученный перлит 5 - 10 мас.%, жидкое стекло плотностью 1,36 - 1,41 - остальное, при этом композицию наносят слоями, чередуя со слоями слюды, причем на первый слой композиции наносят слюду фракции 0,5 - 1 мм, на второй слой композиции наносят слюду фракции 5 - 15 мм (патент РФ № 2093357, опубл. 20.10.1997 по классу МПК В28В19/00). Слой слюды закрепляют нанесением на него лака. Толщина слоев композиции составляет 2 - 4 мм. Известный способ обладает следующими недостатками: сложность изготовления покрытия (каждый слой наносится отдельно), многокомпонентность, а также не приведены точные данные по прочности и водостойкости.
Известна сухая строительная смесь, содержащая известь пушонка 4,0-12,0, портландцемент 18,0-36,0, песок кварцевый 40,0-60,0, слюда 3,3-5,0 (патент РФ № 2122532, опубл. 27.11.1998 по классам МПК С04В28/04, С04В111/20). Получение покрытия заключается в нанесении полученной смеси кисточкой на заштукатуренную поверхность.
Перечисленные аналоги имеют в составе слюду, что позволяет использовать получаемые покрытия в качестве декоративных покрытий для украшения фасадов зданий. Покрытия имеют вид переливающейся разными оттенками, напоминающие чешую, в зависимости от цвета добавляемого пигмента.
(
Технической проблемой заявляемого изобретения является создание способа получения декоративной высокопрочной водонепроницаемой морозостойкой фасадной плитки и декоративных железобетонных изделийЖБИ) с приданием высокого декоративного эффекта, а также обладающей высокими показателями морозостойкости, водонепроницаемости и прочности.
Технический результат - увеличение морозостойкости, водонепроницаемости, прочности с одновременнымприданием декоративного эффекта.
Технический результат достигается за счет заявляемого способа получения декоративной высокопрочной водонепроницаемой морозостойкой фасадной плитки, заключающегося в предварительной  смазке поверхности формы трансмиссонным маслом, затем по смазанной поверхности формы равномерно распределяют частицы слюды с размером фракций 0,1-30 мм в один слой толщиной 0,1-2 мм, после чего устанавливают форму на вибростол и заполняют бетонной смесью с одновременным осуществлением процесса вибрации, содержащей, вес. %:
цемент  22,7-32,4
отсев гранита 68,2-60,2 с размером фракций 0,05-10 мм
пластифицирующая добавка   0,34-0,49
вода остальное,
после чего смесь оставляют до полного высыхания на воздухе.
В состав бетонной смеси может быть добавлен дополнительно пигмент в количестве 0,1-1 вес. % сверх 100%.
В качестве пигмента может быть использован пигмент любого цвета в зависимости от необходимых цветовых условий, дизайнерских решений при облицовке зданий или конструкций фасадной плиткой.
Формы для изготовления плиток могут быть использованы из любого материала, как правило, из материалов, устойчивых к большому количеству заливок и обладающих высокой прочностью и долговечностью. Предпочтительно, чтобы пластиковые формы для изготовления плиток были выполнены с дополнительными ребрами жесткости для устойчивости на ровной поверхности вибростола. Формы могут быть изготовлены из различных материалов, например, высокопрочный пластик, металл, гипс, силикон, любой полимер. Размер, фактуру и рисунок лицевой поверхности форм подбирают в зависимости от предъявляемых  требований к получаемым плиткам и области их применения.
Частицы слюды насыпают вручную сверху на дно смазанной маслом формы, образуя при этом равномерное покрытие. Частицы слюды сразу же прилипают к поверхности масла и немного утопают в нем. Некоторые частицы прижимают к поверхности масла, слегка утопив их, чтобы образовалось равномерное по толщине покрытие.
С помощью заявляемого способа получения декоративной высокопрочной водонепроницаемой морозостойкой фасадной плитки можно изготавливать также и сразу несколько плиток при использовании соответствующей формы.
Благодаря заявляемому способу снижается себестоимость изготавливаемой плитки или изделия с декоративным покрытием, энергетические и финансовые затраты за счет использования отходов производства дробильных установок классификаторов фракционированного гранитного щебня на природных карьерах гранитной породы минералов (отсев гранита) и отходов стекольного производства (слюдяная масса от пыли слюды до крупных частиц слюды).
.
Применение отсева гранита в составе бетонной смеси для получения фасадной плитки обеспечивает высокие показатели по морозостойкости и водонепроницаемости получаемой фасадной плитки. Использование частиц отсева гранита в составе бетонной смеси автором не было выявлено из уровня техники. Как правило, частицы отсева гранита по большей части имеют кубовидную форму (вследствие его высокой твердости) в отличие от окатанных частиц песка за счет чего обеспечивается более высокая плотность между частицами, которая влияет на увеличение водонепроницаемости и прочности, т.к. частицы кубовидной формы плотно прилегают к граням других частиц аналогичной формы (со всех шести граней) и к стенкам формы в отличие от шаровидных частиц песка с гладкой поверхностью, вокруг которых будут образовываться зазоры со всех сторон между шаровидными частицами песка. Шаровидные частицы песка будут прилегать к стенкам формы по касательной, т.е. площадь соприкосновения частиц песка друг с другом и со стенками формы будет намного меньше за счет чего снижается плотность укладки цементно-песчаного раствора. В образующихся межзерновых пустотах между частицами песка частиц воды скапливается больше, что существенно снижает прочность готового изделия (или образующего бетона) при замораживании (низких температурах эксплуатации), что в свою очередь приводит к низкой морозостойкости Таким образом, частицы отсева гранита в совокупности с пластифицирующей добавкой, обладающей также водоредуцирующими и стабилизирующими свойствами, позволяет создать плотную структуру получаемой фасадной плитки с минимальной  межзерновой пустотностью. Благодаря использованию отсева гранита с комплексной добавкой для ЖБИ в составе бетонной смеси снижается количество воды, необходимое для приготовления бетонной смеси, что в свою очередь приводит к повышению прочности, морозостойкости и водонепроницаемости получаемой фасадной плитки, т.е. увеличению срока ее эксплуатации, что очень актуально при облицовке зданий, расположенных в областях с агрессивными климатическими условиями окружающей среды: повышенной влажностью, попеременным замораживанием – оттаиванием, напр., в Санкт-Петербурге.
Отличительный признак заявляемого способа заключается в том, что слюда не является дополнительным слоем на поверхности получаемого изделия, а находится в толще поверхностного слоя получаемого покрытия (плитки), являясь частью цементно-минеральной кристаллической решетки искусственного камня, что подтверждает новизну заявляемого способа. Особенность технологии удержания легких частиц слюды на поверхности плотного состава бетонной смеси под действием вибрации заключается в изменении параметра вязкости трансмиссионного масла при изменении температуры изделия. При 20°С вязкость трансмиссионного масла высокая, за счет чего частицы слюды приклеиваются к форме, благодаря чему в процессе вибрации частицы слюды будут оставаться на лицевой поверхности готового изделия. Таким образом, цементное молочко не скроет декоративные частицы слюды на готовом изделии, т.е. они не будут находиться в толще цементного раствора после высыхания. При заполнении формы бетонной смесью, начинается образование минеральной кристаллической решетки  искусственного камня - химическая реакция цемента и воды с интенсивным тепловыделением, увеличивается температура смеси в форме при переходе в гель и последующее образование твердой фазы минералов цемента с заполнителем. Вязкость трансмиссионного масла снижается, и частицы слюды освобождаются. Вязкое  трансмиссионное масло выступает в роли разделительной смазки между получаемым изделием (затвердевающим раствором со слюдой на поверхности) и формой. После заливки бетонной смеси формы оставляют до полного затвердевания на воздухе. Как правило, срок набора 100% прочности после высыхания бетонной смеси в среднем составляет 28 суток, без прогрева или ТВО.  Для ускорения набора прочности формы с залитым бетонным составом могут быть подвержены тепло-влажностной обработке (ТВО). Режим ТВО может быть подобран индивидуально в зависимости от используемого оборудования на производстве и требуемых свойств готового изделия или технических условий.
В пропарочной камере при усадке изделия при повышении температуры (до 60°С) излишки потерявшего вязкость масла выдавливаются за пределы изделия и формы. Частицы слюды остаются на лицевой поверхности изделия и вступают в химическую реакцию при затвердевании и наборе прочности изделия с минералами, из которых состоит цемент (алит, белит, целит и четырех кальциевый алюмоферрит), становятся одним целым с готовым изделием на его поверхности.
Изобретение поясняется фотографиями полученной декоративной высокопрочной водонепроницаемой морозостойкой фасадной плитки, где на фигуре 1 представлена фотография фасадной плитки в темноте с направленным на плитку светом, на фигуре 2 – фотография фасадной плитки в дневное время, на фигуре 3 – фотография фасадной плитки в вечернее время.
Осуществление изобретения.
В качестве цемента был использован цемент марки М500 ЦЕМ I 42,5 Н ГОСТ 31108-2020 производства ОАО «Мордовцемент».
В качестве пигмента была использован пигмент черная сажа (технический углерод) Toda N 330, АО «Афая».
В качестве пластифицирующей добавки был использован Цемактив Р - пластификатор, стабилизатор на основе фракционированных лигносульфонатов производства ООО «Цемактив».
В качестве слюды были использованы отходы слюды флогопит с размером фракций 0,1-30 мм производства АО «Слюдяная фабрика»(г. Колпино, Санкт-Петербург).
В качестве отсева гранита был использован отсев гранита, полученный при производстве гранитного щебня, (ОАО «Гранит-Кузнечное») с размером фракций 0,05-10 мм.
2
В качестве трансмиссионного масла может быть использовано масло любого производителя (полусинтетическое или минеральное), предназначенное для использования в механических коробках передач легковой, грузовой и внедорожной техники. Предпочтительно, чтобы кинематическая вязкость трансмиссионного масла по вискозиметру ВЗ-246, сопло 4, при 20°C находилась в пределах 100-200 мм/с.
Способ получения декоративной высокопрочной водонепроницаемой морозостойкой фасадной плитки осуществляют следующим образом.
Формы необходимого размера раскладывают на твердую, ровную поверхность. Для изготовления образцов фасадной плитки были использованы формы для изготовления тротуарной плитки производства «ФормаДон» (Россия) размером 26,8х33х2 см. Предпочтительно, чтобы пластиковые формы для изготовления плиток были выполнены с дополнительными ребрами жесткости для устойчивости на ровной поверхности вибростола. Матрицы форм изготовлены из качественного и прочного материала - полипропилена со специальными добавками, что позволяет их использовать большое количество раз с сохранением того же качества готовой продукции.
2
Затем наносят кистью на рабочую поверхность форм трансмиссионное масло, выполняющее роль разделительной смазки, в несколько слоев до общей толщины покрытия 0,5-1,5 мм. Для изготовления образцов и проведения испытаний было использовано трансмиссионное мало Gazpromneft 80W-90В, кинематическая вязкость, заявленная производителем, 14,5 мм/с при 100°C.  В качестве трансмиссионного масла может быть использовано масло другого производителя  с повышенной вязкостью. Затем укладывают частицы слюды фракцией 0,1-30 мм на рабочую поверхность форм, смазанную маслом. Предпочтительно, чтобы частицы слюды немного (слегка) были вдавлены в слой масла, тем самым, приклеивая их, к вязкому слою масла и обеспечивая их плотную фиксацию к форме в вязком слое масла.
Формы с равномерно распределенным декоративным компонентом (слюдой) устанавливают на вибростол. Наполняют бетонной смесью смазанные маслом формы с распределенными по этому слою частицами слюды, после чего формы с бетонной смесью подвергаются вибрации на вибростоле параметры вибрации: амплитуда А=0,2…0,4 мм, частота f=50 Гц. Продолжительность вибрации 1-3 минуты. В процессе вибрации из смеси высвобождаются излишки воздуха в виде пузырей, что обеспечивает плотную структуру готовых изделий. Вибрацию осуществляют до полного прекращения выхода пузырей воздуха из бетонной смеси. Контроль за выходом пузырей воздуха ведут визуально. В процессе вибрации частицы масла отталкивают от себя частицы воды, вытесняя тем самым излишки воды из бетонной смеси (с лицевой поверхности изделия), а частицы слюды еще плотнее прилипают к слою масла на поверхности форм.
После завершения вибрации формы с виброуплотненной бетонной смесью оставляют до полного затвердевания на воздухе при комнатной температуре (на 28 суток). В среднем по нормативной документации технологии бетонов (ГОСТ, СП) процесс схватывания бетонной смеси происходит за 1 сутки без ТВО (для извлечения изделий из форм прочность не достаточна, изделия сломаются), процесс затвердевания (полного набора 100% прочности) без ТВО бетонной смеси происходит в течение 28 суток. Для ускорения процесса затвердевания (набора 100% прочности) можно осуществить ТВО. После виброуплотнения формы с залитой бетонной смесью помещают в пропарочную камеру для обеспечения заформованным изделиям необходимого режима ТВО. Конкретные режимы ТВО зависят от типа используемого оборудования на производстве и требуемых свойств готового изделия. Автором для ускорения процесса набора прочности бетонной смеси был использован режим ТВО: влажность 95±5% в течение 10 часов при температуре 60°С. Применение выбранного режима  ТВО позволяет ускорить процесс набора 100% прочности до одних суток.
2
2
2
2
В пропарочной камере наполненные формы выдерживали при влажности 95±5% в течение 10 часов при температуре 60°С. После чего из форм извлекают готовые изделия. В процессе ТВО ведут измерения кинематической вязкости трансмиссионного масла. В технологии производства используется трансмиссионное масло, которое меняет свое свойство «вязкость» при изменении температуры (на низких температурах масло вязкое «как клей для частиц слюды к форме», на высоких температурах масло становится более жидким, схожим по консистенции с водой, и работает как «разделительная смазка между готовой плиткой со слюдой на поверхности и формой» для извлечения готовой плитки из формы). Кинематическая вязкость по вискозиметру ВЗ-246, сопло 4, при 10°C равна 220-240 мм/с, при 20°C 100-200 мм/с, при 40°C 60-80 мм/с, при 60°C 30-50 мм/с. При повышении температуры происходит изменение вязкости масла, что приводит в свою очередь к тому, что слой с частицами слюды оказывается на нижней стороне плитки, прилегающей к дну формы и являющейся лицевой, и удерживается на ее поверхности, но при этом остается в толще бетонной смеси. Таким образом, получаемая с помощью заявляемого способа плитка приобретает высокий декоративный эффект (фиг. 1, 2, 3). Кроме этого, при повышении температуры в процессе ТВО излишки масла вытесняются на нерабочие неиспользуемые поверхности формы, и масло приобретает функцию разделительной смазки, благодаря чему после набора прочности получаемая плитка легко извлекается из формы, не оставляя остатков бетонной смеси и частиц слюды на поверхности формы. Применение трансмиссионного масла при изготовлении декоративной фасадной плитки и других бетонных изделий при температуре 20°C как клеящего слоя для легких декоративных частиц слюды к форме за счет высокой вязкости масла и последующего изменения функции слоя (изменение вязкости масла при увеличении температуры до 60°C) масла с клеящего слоя на разделительный слой, подтверждает наличие у заявляемого способа изобретательского уровня. Автором не выявлены из уровня техники технические решения, относящиеся к составам декоративных бетонных смесей со слюдой и способам получения из них изделий, в способах изготовления которых применено трансмиссионное масло.
По заявляемому способу были изготовлены образцы по составу бетона фасадной плитки (по ГОСТ 10180-2012) размером 100х100х100 мм.
В таблице 1 представлены конкретные примеры осуществления способа с указанием количественного содержания компонентов бетонной смеси.
Таблица 1. Конкретные примеры составов
Номер образца
Цемент, вес. %
Отсев гранита (фракции 0,05-10 мм), вес.%
Черная сажа, вес. %(сверх 100 %)
Цемактив Р, вес. %
Вода, вес.%
1
22,7
68,2
0,1
0,34
8,66
2
27,5
64,2
0,3
0,41
7,59
3
32,4
60,2
1,0
0,49
5,91
Изготовленные образцы были испытаны на прочность по ГОСТ 18105-2018, методика испытаний по ГОСТ 10180-2012.
Изготовленные образцы были испытаны на морозостойкость по ГОСТ 10060-2012.
Изготовленные образцы были испытаны на водонепроницаемость по ГОСТ 12730.5-2018.
В таблице 2 представлены результаты испытаний на прочность, водонепроницаемость и морозостойкость.
Таблица 2. Результаты измерений свойств получаемой плитки
Номер образца
Предел прочности на сжатие, R, МПа
Водонепроницаемость, W
Морозостойкость,             F
123
75,8 В5576,3 В5578,9 В55
W14W14W14
(72,2 В55) F3 300(74,5 В55) F3 300(77,1 В55) F3 300
В соответствии с ГОСТ 10060-2012 (третий ускоренный метод в солевом растворе) изделия, полученные заявляемым способом, относится к маркам по морозостойкости F3 300.
Кроме этого, полученные образцы были исследованы на световозвращение и светоотражение (исследования были проведены компанией ООО «ПитерДорНИИ» с помощью ретрорефлектометра ZRM 6006 Standard S/N: 522836006). Для этого в соответствии с составами, перечисленными в таблице 1, были изготовлены образцы плиток размером 26х33 см с одинаковым количеством пигмента 0,3 вес.% сверх 100%. В таблице 3 представлены результаты исследования.
Таблица 3. Результаты измерений коэффициентов световозвращения и светоотражения
Образец
Коэффициент световозвращения для условий темного времени суток при сухом покрытии RL мкд лк<sup>-1</sup> ⋅м<sup>-2 </sup>(не менее 100 мкд лк<sup>-1</sup> ⋅м<sup>-2</sup>)
Коэффициент светоотражения при диффузном дневном или искусственном освещении при сухом покрытииQd мкд   лк<sup>-1</sup> ⋅м<sup>-2</sup>(не менее 100 мкд лк<sup>-1</sup> ⋅м<sup>-2</sup>)
Контрольный образец без слюды
Диапазон показаний на приборе в ходе испытания0 RL
Диапазон показаний на приборе в ходе испытания0 Qd
Образец 1
Диапазон показаний на приборе в ходе испытания28 RL
Диапазон показаний на приборе в ходе испытания37 Qd
Образец 2
Диапазон показаний на приборе в ходе испытания41 RL
Диапазон показаний на приборе в ходе испытания45 Qd
Образец 3
Диапазон показаний на приборе в ходе испытания54 RL
Диапазон показаний на приборе в ходе испытания53 Qd
Зеркало
Эталонный показатель при калибровке прибора перед началом испытания                                                 136 RL
Эталонный показатель при калибровке прибора перед началом испытания           137 Qd
Результаты проведенных исследований свойств изготовленной фасадной плитки по заявляемому способу показывают, что фасадная плитка обладает высокой морозостойкостью, водонепроницаемостью, прочностью, а за счет равномерного распределения слюды на лицевой поверхности плитки высоким декоративным эффектом. Кроме этого, заявляемый способ изготовления фасадной плитки является простым, недорогим и экологически безопасным, позволяя при этом использовать в составе бетонной смеси отходы производств слюды и гранитного щебня, и может найти широкое применение в гражданском и промышленном строительстве.