СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТНО-СТРУЖЕЧНЫХ БЛОКОВ
METHOD OF PRODUCING CEMENT-CHIP BLOCKS

Изобретение  относится к производству строительных материалов и изделий, а именно к способам изготовления легких бетонных изделий с древесным наполнителем и может быть использовано в качестве конструкционного материала при строительстве домов, технических сооружений и т.д.
В настоящее время при производстве и эксплуатации бетонных изделий и сооружений важнейшими проблемами являются повышение их качества (прочность, морозостойкость, теплопроводность, пожаростойкость), производительности при изготовлении, невысокая себестоимость изготовления, а также соблюдение экологических требований.
Одним из наиболее перспективных направлений в строительной индустрии, отвечающим вышеуказанным требованиям, является производство строительных изделий и конструкций из легкого бетона, т.е. бетонных изделий с пористым наполнителем, в качестве которого могут быть использованы как минеральные, так и органические материалы.
Известен способ производства дюризола (Перовский А.Н. «Арболит в строительстве». - М.: Московский рабочий, 1964 г., с. 30-48), заключающийся в формовке изделий из смеси минерализованного измельченного органического наполнителя древесного происхождения, цемента, специального отвердителя и воды с последующей калибровкой и температурной выдержкой в течение 4-7 суток в поддоне до достижения транспортной прочности, а затем на складе до достижения конструкционной прочности (всего в сумме 28 суток).
К недостаткам способа можно отнести длительный срок твердения до достижения конструкционной прочности, что приводит к низкой производительности технологии, особенно при возведении жилых зданий и сооружений.
Известен способ производства арболита (Буткевич Г.А. «Арболит». - М.: Изд-во литературы по строительству, 1969 г., с. 160-169), в основе которого заложена формовка изделия из смеси измельченного, увлажненного органического наполнителя с цементом, электролитом и водой с последующей температурной выдержкой в поддоне до транспортной прочности и на складе до конструкционной прочности с образованием блоков.
При данной технологии требуется большое количество воды, которая требует очистки при ее сбросе в общий водоканал.
Известен способ получения опилкобетонного блока, который ведут методом вибропрессования из смеси 18,2% вяжущего вещества (цемента не ниже марки М-400 по ГОСТ 10178-85), наполнителей - песка (54%), древесных опилок (18,2%), химических добавок (0,5%) и воды (9,1% от массы), с получением блоков в виде прямоугольного параллелепипеда, удовлетворяющего требованиям ГОСТ 6133-99. Опилки могут быть подвергнуты предварительной выдержке под навесом в течение 2-х - 3-х месяцев.
К недостаткам этого способа следует отнести необходимость использования в качестве древесного наполнителя сухих опилок. Это удорожает процесс за счет повышенного расхода электроэнергии, сужает возможную сырьевую базу, а также усложняет технологический процесс изготовления данного материала. Сам материал характеризуется повышенной плотностью при одновременном снижении прочности и теплопроводности материала из-за значительного содержания песка (54%). Значительная плотность опилкобетонных блоков влечет за собой удорожание монтажных работ и повышает требования к фундаментам.
Известен также способ получения арболита, который изготавливают из смеси органических целлюлозосодержащих заполнителей растительного происхождения (дробленых отходов деревообработки, костры конопли, льна, сечки стеблей хлопчатника, камыша и т.д.), минерального вяжущего (обычно портландцемента), химических добавок и воды (32,6:42,9:1,2:23,3% от массы соответственно). Согласно ГОСТ 19222-84 размеры древесных частиц не должны превышать по длине 40, по ширине 10, а по толщине 5 мм, содержание примесей коры в измельченной древесине не должно быть более 10%, а хвои и листьев не более 5% по массе сухой смеси заполнителя. Предварительно высушенную древесную щепу обрабатывают сульфатом аммония для полного удаления сахаров, находящихся в древесине, смешивают с остальными компонентами, формуют на формовочном прессе и сушат в опалубке около 10 дней.
К недостаткам этого способа следует отнести использование в качестве древесного наполнителя стружки определенных размеров, что способствует значительному снижению плотности блоков при сохранении прочностных показателей и снижению их теплопроводности. Усложнению технологического процесса изготовления блоков способствует существенное ограничение содержания примесей и влажности древесного наполнителя. Содержание портландцемента до 42,9% приводит к удорожанию стоимости блоков, кроме этого провоцирует высокое коробление и усадку.
Известен способ изготовления арболита, заключающийся в том, что древесный наполнитель замачивают в течение часа, затем отжимают на центрифуге в течение 5 мин, потом смешивают с добавками, цементом и водой [а.с. СССР №1534031, 1990].
Недостатками известного способа являются многокомпонентность состава, низкий коэффициент конструктивного качества и высокая энергоемкость.
Известен также способ получения бризолита для применения в качестве несъемной опалубки путем заливки раствором бетона внутренней полости блока с целью создания монолитного каркаса здания, состоящий из следующих ингредиентов: 75% древесной шерсти хвойных пород длиной 2-4 см, 15% цемента, 5% минеральных добавок, гидрофобизирующих блоки и 5% воды. При указанном соотношении получаемый материал соответствует требованиям ТУ 5767-001-15051756-2004, ГОСТ 13015-2003, ГОСТ 12730.2-78, ГОСТ 7025-91, ГОСТ 10180-90, ГОСТ 10181-2000 и ГОСТ 7076-99 (http://strovnedvizhka.ru/stroitelnve-materialy/brizolit/ 2013).
Бризолит обладает высокой прочностью и плотностью, но имеет ограниченные области применения. К недостаткам этого материала следует отнести владение специальными технологиями монтажа и высокую стоимость строительства.
Наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления стружечно-цементной плиты из смеси, включающей в мас. %: портландцемент - 27,06-37,81, измельченную древесину хвойных пород с размерами древесных частиц, не превышающих по длине 40 мм, по ширине 10 мм, по толщине 5 мм - 20,16-39,95, воду 28,39-36,24, стекло натриевое жидкое 0,71-0,90, алюминия сульфат технический очищенный 0,48-0,61, суперпластификатор СП-1 0,02-0,04 и поливинилацетат 3,37-4,26. Согласно известному способу предварительно подготовленную древесину хвойных пород направляют на передел изготовления стружки, затем перерабатывают в щепу и далее измельчают вдоль волокон до размеров частиц, не превышающих по длине 40 мм, по ширине 10 мм, по толщине 5 мм, затем подсушивают и отделяют от частиц пыли и мелкой фракции. На переделе смешивания сырьевые компоненты подают в тихоходный смеситель непрерывного действия, откуда смесь поступает на передел формирования насыпки или ковра из стружечно-цементной смеси на металлических поддонах. Прессование изделий ведут при удельном давлении до 1 МПа с фиксацией крышки кассеты с последующей выдержкой в течение 24 часов и расспресованием, созревание ведут в течение 14 суток, а затем кондиционируют и обрезают по размерам (Патент RU 2376254, 2009).
Получаемый материал обладает высокими прочностными показателями непосредственно после их изготовления, но теряет их в процессе эксплуатации за счет того, что сахара остаются в древесной стружке в активной фазе, что ведет к быстрому старению материала, снижению прочности и эксплуатационных параметров. Кроме того, к недостаткам известного способа следует отнести повышенное содержание свободной воды в смеси, которая приводит к увеличению срока созревания, а также может привести к ухудшению морозостойкости и, как следствие, ухудшению эксплуатационных характеристик.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение ассортимента цементно-стружечных блоков, применяемых в строительстве.
Технический результат - получение облегченного дешевого строительного цементно-стружечного блока повышенной прочности и плотности предпочтительно конструкционного назначения.
Поставленная задача решается тем, что заявляется способ получения цементно-стружечных блоков путем смешения наполнителей, минерального вяжущего, в качестве которого используют портландцемент, химической добавки и воды, формования полученной смеси прессованием и последующего твердения на воздухе, при этом при приготовлении смеси в качестве наполнителя берут смесь кварцевого песка и древесно-стружечный наполнитель, полученный путем силосования сырой стружки хвойных пород, получаемой после окорки и оцилиндровки круглых лесоматериалов с содержанием коры предпочтительно до 30 мас. %, в качестве химической добавки берут силикат натрия при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Указанный древесно-стружечный
наполнитель
37-43
Кварцевый песок
10-15
Портландцемент
33-38
Силикат натрия
0,7-2,0
Вода
остальное
прессование полученной смеси ведут путем вибропрессования в поддонах с получением блоков, твердение которых осуществляют в поддонах.
Твердение в поддонах осуществляют в течение не менее 7 дней, после чего блоки выгружают из поддонов и оставляют созревать на воздухе при нормальной температуре для окончательного набора прочности.
Вводимое количество древесно-стружечного наполнителя (древесной шерсти) (37-43 мас. %), больше, чем в опилкобетоне (18,2%), арболите (32,6%) и цементно-стружечной плите по прототипу - 20,16%, но меньше, чем в бризолите (75%). Заявляемое количество древесно-стружечного наполнителя способствует существенному облегчению блока, обеспечивая при этом его высокую прочность, пористость, а значит, хорошее теплосопротивление.
Предпочтительно древесно-стружечный наполнитель содержит до 30% крупной стружки - длиной до 5 см, что обеспечивает дополнительную прочность получаемому блоку. Наличие в древесно-стружечном наполнителе значительной доли коры, предпочтительно до 30 мас. %, положительно влияет на конечные свойства получаемого блока, повышая его прочность и пористость. Высокая влажность древесно-стружечного наполнителя, предпочтительно около 50%, способствует ее хорошей смачиваемости, а значит, однородности композита, а также гидратации Сахаров древесины, что способствует получению высокой прочности получаемого блока на протяжении длительного периода эксплуатации. Этой же задаче служит силосование сырой стружки хвойных пород, которое проводят при нормальной температуре в течение не менее 2-х месяцев путем выдерживания влажной стружки в силосной яме. Силосование может быть проведено под навесом или в помещении.
В процессе формирования блока в поддонах при проведении вибропрессования происходит ориентация стружки по сечению блока в разных плоскостях, что придает получаемому блоку прочность, стабильность структуры и пористость. Вибрация позволяет ориентировать горизонтально основную массу стружки, но не всю, а также равномерно распределить ее по матрице вместе с кварцевым песком и минеральным вяжущим - портландцементом. Крупная стружка длиной до 5 см ориентируется в продольном и поперечном направлениях, примерно равномерно, что позволяет обеспечить высокую прочность получаемым блокам. Дополнительно прочность и плотность получаемых блоков может быть увеличена путем применения импульсного режима прессования. Для отдельных аспектов заявляемого способа вместо импульсного режима могут быть применены статическая или циклическая нагрузки. Благодаря импульсному режиму создаются наиболее благоприятные условия для распределения давления в массе, в результате чего повышается производительность, задаются четкие геометрические размеры и форма блока, а масса в поддоне ориентируется и уплотняется настолько, что получаемые блоки имеют гарантированно конструкционное назначение с высокими показателями прочности на сжатие. Блоки, полученные с использованием статической или циклической нагрузок вибропрессования, имеют несколько меньшие значения предела прочности на сжатие, чем блоки, полученным в импульсном режиме другими режимами (1,265 МПа в импульсном режиме против 1,234 и 1,012 МПа соответственно в статическом и циклическом режимах). Режимы вибропрессования приведены на фиг. 1., где режим 1 - импульсный режим, режим 2 - статический режим и режим 3 - циклический режим). Более того, блоки, полученные в импульсном режиме, набирают регламентированные значения прочности уже через 10 суток, в статическом - через 14 суток, а в циклическом - 23 суток против 28 суток, установленных ГОСТ. Во всех режимах через 7 дней после формования блоки достигают влажность 20±2%, что ниже нормируемых значений (25%).
Силикат натрия (жидкое стекло) является гидрофобизирующей добавкой, способствующей лучшей смачиваемости древесно-стружечного наполнителя (древесной шерсти) при формировании блоков, и одновременно для гидрофобизации древесного наполнителя, что препятствует его набуханию при последующем увлажнении блока, а также лучшему схватыванию портландцемента, что исключает необходимость дополнительного конструкционного упрочнения блока. Содержание данной химической добавки должно быть более 2 мас. %, т.к. большее ее количество провоцирует деструкцию портландцемента при последующей эксплуатации блока, т.е. к значительной утрате прочности. Учитывая, что в портландцемент при его изготовлении может добавляться до 3% этой добавки, суммарное содержание ее в заявляемом способе получения цементно-стружечных блоков не является критичным в отличие от бризолита (5% химических добавок).
Силикат натрия (жидкое стекло) должен соответствовать требованиям по ГОСТ 13078-81, кварцевый песок - ГОСТ 8736-93, портландцемент - не ниже марки 400 по ГОСТ 10178-76, вода - по ГОСТ 23732-79.
Вода, добавляемая при осуществлении способа, обеспечивает лучшее распределение компонентов в массе материала, а следовательно, обеспечивает возможность применения простых способов вибропрессования блоков. Небольшое количество вводимой воды (не более 15 мас. %) по сравнению с арболитом (23,3%) и цементно-стружечной плитой по прототипу - 36,24%, в сочетании с гидрофобизирующей добавкой - силиката натрия, обеспечивает стабильность формы и размеров блока при изготовлении и при последующей эксплуатации.
Заявляемое изобретение позволяет создать относительно легкий и дешевый композиционный строительный материал конструкционного назначения, характеризующийся простой и однородной структурой, стабильной формой и размерами, а также высокой прочностью и тепловым сопротивлением, сохраняющимися на протяжении длительного срока эксплуатации, не предполагающий удорожание строительно-монтажных работ.
Между совокупностью существенных признаков заявленного способа и достигаемым техническим результатом существует прямая причинно-следственная связь, а предварительно обработанный силосованием древесно-стружечный наполнитель в виде сырой стружки хвойных пород с содержанием коры до 30 мас. %, получаемый после окорки и оцилиндровки круглых лесоматериалов в сочетании с силикатом натрия, в качестве гидрофобизирующей добавки при заявляемых соотношениях портландцемента и кварцевого песка, обеспечивает получение облегченных дешевых цементно-стружечных блоков конструкционного назначения с минимальными трудо- и энергозатратами.
Сравнение заявляемого способа с прототипом позволяет сделать вывод о его соответствии критерию новизна, т.к. заявляемый способ осуществляют с использованием нового наполнителя, который вводят в композицию в заявляемом количественном соотношении ингредиентов.
В науке и технике широко известны способы производства цементно-стружечных материалов. Заявляемый способ позволяет получить новый технический результат, выражающийся в получении конструкционного строительного материала, обладающего высокими эксплуатационными характеристиками при существенном сокращении времени твердения сформированных блоков (не более 7 суток против 14 суток по прототипу), утилизации отходов обработки древесины с минимальными трудо- и энергозатратами. Более того, блоки, полученные заявляемым способом, набирают полную прочность в течение 10 -23 суток (в зависимости от режима прессования) против 28 суток по нормативам. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного способа критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ может быть реализован с использованием известных в промышленности веществ и оборудования, а получаемый материал может быть использован в строительстве при реализации современных строительных технологий возведения зданий и сооружений. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».
Предлагаемый способ получения цементно-стружечных блоков иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.
Пример 1 (по изобретению). Влажную древесную стружку, остающуюся на деревообрабатывающих предприятиях после окорки и оцилиндровки круглых лесоматериалов хвойных пород и являющуюся отходом производства с относительной влажностью около 50%, содержащей до 30 мас. % крупной стружки - длиной до 5 см и коры до 30 мас. %, складируют в помещении и выдерживают при температуре рабочего помещения в течение 2-х месяцев. При складировании влажной древесной стружки в ее массе протекают биохимические реакции, характерные для процесса силосования. Способ осуществляют на мини-бетонном заводе РБУ-2Г-15Б. Перед началом работы оператор задает рецепт композиции в меню контроллера, на пульте управления ДК-15. В рецепте композиции указываются количество и масса ингредиентов, необходимых для приготовления смеси (см. таблицу 1).
С помощью переключателей открывается затвор первой секции первого бункера и подается на конвейер основная доза указанного древесно-стружечного наполнителя, прошедшего выдержку силосованием. За набором необходимой дозы оператор следит на цифровом индикаторе табло, которое находится на пульте управления. По мере набора и взвешивания дозы оператор включает привод конвейера-дозатора ДИ-5 и отмеренная доза указанного древесностружечного наполнителя поступает в скип бетоносмесителя РБУ-2Г-15Б. Далее в такой же последовательности осуществляются подача и взвешивание кварцевого песка из второго бункера. При полной загрузке скипа бетоносмесителя оператор приводит его в действие соответствующей кнопкой пульта управления. Скип поднимается наверх с помощью приводной лебедки и в крайнем верхнем положении ссыпает указанный древесно-стружечный наполнитель в корпус бетоносмесителя. Оператор нажатием кнопки возвращает его в исходное положение. Таким же образом осуществляется подача кварцевого песка в бетоносмеситель.
Заданное в рецепте количество воды и силиката кремния поступает в бетоносмеситель с помощью дозатора воды ДВТ-100 и дозатора химических добавок ДХД-10.
Аналогичным образом оператор следит за заполнением портландцемента в дозатор. При этом из силоса СЦ-2 с помощью шнекового транспортера портландцемент подают в дозатор ДЦ-150. Затем оператор на пульте управления нажимает кнопку «цемент», и портландцемент подают в бетоносмеситель. После загрузки последнего компонента смесь перемешивают еще в течение 2 минут. Оператор на пульте управления включает ленточный транспортер, на который ссыпается готовая смесь на ленту, и подает ее в накопительный бункер вибропресса, при заполнении которого ленточный транспортер и бетоносмеситель останавливаются.
Второй оператор на пульте управления вибропресса приводит рычагом в движение модуль подачи поддонов. Поддоны по цепному конвейеру перемещаются под матрицу. Затем оператор с пульта управления открывает затвор накопительного бункера, и смесь ссыпают в дозатор. После заполнения дозатора затвор накопительного бункера закрывают. Дозатор перемещается до положения над матрицей и, совершая циклические движения, заполняет ее. После этого дозатор возвращается в исходное положение. Далее при температуре рабочего помещения производят вибропрессование, создавая предварительную вибрацию частотой 70 Гц в течение 25-30 секунд, затем с помощью пуассона создают 6 импульсов давления на пресс-массу величиной 8 МПа и продолжительностью 4 с каждый, по окончании которого оператор поднимает матрицу, приводит в движение модуль загрузки поддонов, продвигая поддон с готовыми блоками вперед, выталкивая их на кассету следующим поддоном. После заполнения кассеты (6 поддонов) кран-балка перемещает ее в цех на свободное пространство для 7-дневного твердения в поддонах, после чего блоки выгружают и оставляют на воздухе для окончательного набора прочности (созревания). Полученный блок исследовали по утвержденным методикам на соответствие показателей, установленных ГОСТ.
Аналогично осуществляли примеры по изобретению №2 и №3, отличающиеся от примера №1 содержанием ингредиентов.
Составы получаемых композиций по примерам конкретного выполнения приведены в таблице 1.
Свойства блока по примеру 1 приведены в таблице 2.
На фиг. 2. приведена фотография древесно-стружечного наполнителя.
На фиг. 3 приведена фотография получаемого блока.
На фиг. 4 приведена фотография получаемых блоков после созревания и набора прочности - в упаковке.
Аналогичные свойства получены при изготовлении цементно-стружечных блоков по примерам 2 и 3.
Заявляемый способ позволяет получить цементно-стружечные блоки строительного назначения, которые:
- по истечении 28 дней со дня формирования блоков их влажность составляет 12,1%, что более чем в 2 раза ниже верхней допустимой границы (<25%), регламентированной ГОСТ 19222-84, и свидетельствует о хорошем просыхании блоков и окончании, в основном, химических процессов, обуславливающих набор прочности;
3
- плотность блоков составляет 733 кг/м и соответствует требованиям к конструкционным блокам марок М35 класса В2,5 и М50 класса В3,5 по ГОСТ 19222-84 «Арболит и изделия из него. Общие технические условия»;
- прочность на сжатие составляет 8,15 МПа, что в 2,5 раза выше регламентированной прочности для наиболее прочных конструкционных арболитовых блоков марки М50 класса В3,5 по ГОСТ 19222-84 и бризолита.
- коэффициент вариации прочности составляет 12,3% и соответствует значениям, регламентированным ГОСТ 18105-2010 (<20%) и ГОСТ 19222-84 для изделий и конструкций высшей категории качества (<15%), что свидетельствует о высокой однородности блоков.
В практике производства конструкционных древесно-стружечных материалов на данный момент не выявлено материалов, воспроизводящих свойства получаемых цементно-стружечных блоков, т.е. сочетающих в себе умеренную плотность, хорошее термосопротивление и беспрецедентную прочность.
Заявляемый способ позволяет обеспечить безотходную технологию получения цементно-стружечных строительных блоков на основе сырых древесных наполнителей, содержащих высокое содержание коры, которые в настоящее время не находят должного применения и в отличие от древесных опилок, которые применяются в производстве ДВП, ДСП, главным образом, сжигаются.
Как показывает опыт реализации заявляемого способа, получаемые строительные блоки превосходят по теплопроводности и экологичности многие неорганические материалы, такие как керамзитобетон, пенополистерол и кирпич. Более того, получаемые заявляемым способом строительные блоки являются экологически чистыми и экономичными материалами, что существенным образом расширяет ассортимент строительных блоков, простых в монтаже и надежных в эксплуатации.