СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ ДЛЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО АВТОКЛАВНОГО ГАЗОБЕТОНА
CRUDE MIXTURE AND METHOD OF PRODUCING SAID MIXTURE FOR NANOSTRUCTURED AUTOCLAVE FOAMED CONCRETE

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных бетонов автоклавного твердения различного назначения.
Известна смесь для ячеистых бетонов, включающая цемент, известь, полуводный гипс, алюминиевую пудру и воду, дополнительно содержит водорастворимый кремнийорганический гидрофобизатор и лактамное масло при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент - 50-55; известь - 3-5; полуводный гипс - 0,5-2,0; алюминиевая пудра - 0,03-0,05; водорастворимый кремнийорганический гидрофобизатор - 0,05-0,1; лактамное масло - 0,05-0,1; вода - остальное. (RU 2191760 C1, (51) МПК7 C04B 38/02). Недостатком приведенного аналога является высокий расход цемента и низкие физико-механические характеристики получаемого материала.
Известны состав и способ получения газобетона, состав содержит цемент, песок, алюминиевую пудру, каустическую соду и воду, в качестве песка содержит немытый и немолотый песок, при следующем соотношении компонентов, в мас.%: цемент - 15-50, указанный песок - 31-42, алюминиевая пудра - 0,10-1,0, каустическая сода - 0,05-0,45, вода - остальное. Способ получения указанного газобетона заключается в том, что растворяют в воде щелочной компонент, перемешивают полученный раствор, цемент, песок и алюминиевую пудру, заливают полученную смесь в форму и выдерживают для вспучивания и затвердевания, в качестве щелочного компонента используют каустическую соду, которую растворяют в воде с температурой 65-90°C, затем добавляют в раствор цемент, немытый и немолотый песок, алюминиевую пудру с одновременным перемешиванием всех компонентов (RU 2255073 C1, (51) МПК7 C04B 38/02).
Известные состав и способ получения газобетона предусматривают включение в смесь кремнезема в виде природного песка. В силу особенностей твердения смеси по этому составу микропористость цементного камня сравнительно невелика. Пониженная микропористость материала межпоровых перегородок является препятствием при получении ячеистого бетона с повышенными теплоизолирующими свойствами, в то время как ячеистый бетон в основном применяется в наружных конструкциях зданий для теплозащиты.
1
2
2
1
B
Известен способ приготовления сырьевой смеси, включающей цемент, песок, воду, алюминиевую пудру и известь, причем песок в виде шлама с регламентированным размером частиц, сырьевая смесь содержит в составе шлама бетон-сырец, полученный при срезании "горбушки" в состоянии пластической прочности A, соотносящейся с пластической прочностью А бетона-сырца при резке его на блоки заданных размеров как A/A=3,2-4,1, при этом количество воды P при приготовлении смеси выбирают из условия:
B
сух
шл.п
шл.г
шл.п
шл.г
ал.с
где P - количество воды, кг; Р - количество сухих материалов, кг; Р - расход песчаного шлама, л; Р - расход шлама, полученного из "горбушки" и промывных вод, л; B/T - заданное водотвердое отношение формовочной смеси; В - количество воды в 1 литре песчаного шлама, кг/л; B - количество воды в 1 литре шлама, полученного из "горбушки", кг/л; B - количество воды, вводимое с алюминиевой суспензией, кг. В процессе помола в известь вводят триэтаноламин в количестве 0,05% от массы извести. (RU 2253567, С2, B28B 1/50, C04B 38/02). Недостатком указанного способа является низкая степень механоактивации кремнеземистого компонента, а также высокая энергоемкость и сложность технологического исполнения.
В качестве прототипа выбирается сырьевая бесцементная смесь для изготовления теплоизоляционного газобетона, содержащая молотую негашеную известь, гипс, алюминиевую пудру, кремнеземистый компонент и воду. В качестве кремнеземистого компонента используют молотый и просеянный через сито №0,63 бой силикатного кирпича, при следующем соотношении компонентов, вес.ч.: указанная негашеная известь 86-88; гипс 2,7-2,76; алюминиевая пудра 0,65-0,67; указанный бой силикатного кирпича 270-276; вода 90-92 (RU 2385306, C04B 38/02). Недостатком данного прототипа является использование кремнеземистого компонента с относительно низкой удельной поверхностью, что может послужить серьезным препятствием для протекания полноценного процесса структурообразования в получаемом материале.
3
Наиболее близким способом приготовления сырьевой смеси для ячеистого бетона является способ изготовления изделий из пенобетона, включающий подготовку технической пены путем механической обработки в пеногенераторе-смесителе водного раствора пенообразователя, перемешиванием ее с бесцементным наноструктурированным вяжущим - высококонцентрированной суспензией кремнеземсодержащего сырья, формование из полученной пеномассы изделий, упрочнение и сушку, отличающийся тем, что используют указанную суспензию с содержанием частиц менее 5 мкм, составляющих 20-50% и влажностью 12-20%, предварительно подвергнутую модификации путем последовательного введения органо-минеральной добавки и пластифицирующей добавки. Технологическую операцию по упрочнению изделий осуществляют путем погружения с кратковременной выдержкой изделия после сушки в раствор щелочного силиката с плотностью 1,06-1,08 г/см продолжительностью до 3 мин, в зависимости от вида и габаритных размеров изделий, или же путем обработки поверхности изделия вышеупомянутым раствором методом орошения и последующей окончательной сушкой (Павленко Н.В., Череватова А.В., Строкова В.В. Особенности получения рациональной поровой структуры на основе наноструктурированного вяжущего. - М.: Строительные материалы. №10. 2009. С.33-36.). Недостатком данного прототипа является невозможность получить по предложенному способу высокоэффективный теплоизоляционно-конструкционный ячеистый бетон без дополнительной операции по упрочнению.
Одним из актуальных направлений развития промышленности строительных материалов является создание новых и совершенствование существующих технологий, которые связаны с получением наносистем и применением нанотехнологических подходов.
На сегодняшний день основным вяжущим при производстве большинства видов строительных материалов является портландцемент. В связи с возрастающими потребностями в эффективных вяжущих веществах, в том числе вяжущих негидратационного типа твердения и материалов на их основе, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками и экологической безопасностью, как при производстве, так и при эксплуатации, актуальны разработка и применение нового класса наноструктурированных вяжущих, способных частично или полностью заменить в формовочных системах цемент в максимально широком диапазоне классов строительных материалов.
Направленное формирование структуры новых материалов на основе наносистем, оптимизация физико-химических процессов производства и проектирование оптимальных технологических решений требуют общего научно обоснованного подхода и детального изучения закономерностей и кинетики структурообразования дисперсных систем в ходе их технологической переработки и применения. Не менее важной является проблема равномерного распределения активного нанодисперсного компонента в сырьевых смесях, что особенно важно в производственных масштабах.
Решение этой проблемы может заключаться не во введении нанодисперсных добавок в общую массу, а в создании наноструктурированной системы в самой композиционной массе в процессе технологического передела - «in situ».
Применение наноструктурированных вяжущих систем позволит решить как проблему агрегативной устойчивости, так и проблему гомогенизации нанодисперсного активного вещества по всему объему с целью стабильного структурирования на всех размерных уровнях организации композита.
Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного автоклавного газобетона на основе принципиально нового вида бесцементного наноструктурированного вяжущего с улучшенными физико-механическими и теплофизическими свойствами, изготовление из него технологичных, экономичных и экологически безопасных изделий для возведения теплоэффективных ограждающих конструкций современных зданий.
В заявляемом составе сырьевой смеси и способе ее получения для нано-структурированного автоклавного газобетона также ставились следующие задачи:
- наиболее полно использовать эффект гидратационного твердения CaO и структурообразования в силикатной системе за счет применения кремнеземистого компонента с повышенной степенью реакционного взаимодействия;
- осуществить возможность механохимической активации кремнеземистого компонента за счет мокрого помола по принципу получения высококонцентрированной вяжущей суспензии (ВКВС).
- получить высококачественные изделия автоклавного типа твердения с направленно регулируемыми свойствами.
Изобретение направлено также на повышение конкурентоспособности получаемых газосиликатных автоклавных изделий в результате повышения при сжатии в 1,8-2 раза по сравнению с промышленными изделиями, совершенствование технологии и расширение арсенала средств для получения газосиликатных автоклавных изделий.
2
Указанные задачи достигаются способом получения сырьевой смеси для наноструктурированного автоклавного газобетона, включающим получение известково-кремнеземистого вяжущего, последующее перемешивание в смесителе полученного известково-кремнеземистого вяжущего, гипса, суспензии алюминиевой пасты или пудры и тонкомолотого кремнеземсодержащего компонента, в котором, согласно предлагаемому решению, получение известково-кремнеземистого вяжущего осуществляют путем совместного сухого помола негашеной извести и кварцевого песка до удельной поверхности 9000 см/г, а подготовку тонкомолотого кремнеземсодержащего компонента осуществляют путем мокрого помола кварцевого песка, с получением высококонцентрированной суспензии влажностью 12-20% и содержанием частиц менее 5 мкм 20-50 % и последующим разбавлением полученной суспензии водой до плотности 1,75-1,80 кг/л, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
указанная суспензия (на сухое вещество)
62,5-72,5
указанное известково-кремнеземистое вяжущее,
при соотношении компонентов
негашеная известь 75-85 и кварцевый песок 15-25,
25-35
гипс
1,5-2,5
алюминиевая паста или пудра
0,05-0,1
вода
до плотности 1,75-1,80 кг/л
Задачи достигаются также сырьевой смесью для наноструктурированного автоклавного газобетона, полученной указанным выше способом и включающей известково-кремнеземистое вяжущее, гипс, алюминиевую пудру или пасту и тонкомолотый кремнеземсодержащий компонент, согласно предлагаемому решению, в качестве кремнеземсодержащего компонента используется высококонцентрированная суспензия с влажностью 12-20% и содержанием частиц менее 5 мкм 20-50%, полученная мокрым помолом кварцевого песка, при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанная суспензия (на сухое вещество) 62,5-72,5, указанное известково-кремнеземистое вяжущее, при соотношении компонентов, мас.%: известь 75-85 и кварцевый песок 15-25, 25-35, гипс 1,5-2,5, алюминиевая паста или пудра 0,05-0,1, вода до плотности 1,75-1,80 кг/л.
Примеры конкретного выполнения.
Пример конкретного выполнения 1
Для получения силикатной смеси и испытания ее пригодности для производства автоклавного газобетона был выполнен ряд операций в соответствии с заявляемым составом сырьвой смеси и способом ее получения для наноструктурированного автоклавного газобетона.
Цемент не является обязательным компонентом ячеистого бетона. Установлено, что добавка цемента повышает прочность ячеистого бетона, морозостойкость и ускоряет схватывание ячеистой смеси.
В представленном составе бесцементной сырьевой смеси и способе ее получения планируется за счет присутствия нанодисперсной составляющей в тонкомолотом кремнеземсодержащем компоненте, осуществить реальную возможность оптимизировать процессы структурообразования в получаемом материале и соответственно существенно повысить физико-механические и эксплуатационные характеристики.
Для производства газобетона используется экологически чистое минеральное сырье: песок, известь, гипс, алюминиевая паста или пудра и вода.
2
Для получения известково-кремнеземистого вяжущего применялся песок Карнауховского месторождения, с содержанием 92,65% SiO, химический состав которого приведен в таблице 1, и удовлетворяет требованиям ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия».
Также применялась негашеная комовая известь, характеристики которой приведены в таблице 2 и удовлетворяют ГОСТ 9179-77 «Известь строительная. Технические условия»; гипс по ГОСТ 4013 и вода по ГОСТ 23732, таблица 3.
2
Для получения известково-кремнеземистого вяжущего известь совместно с песком измельчалась по сухому в шаровой мельнице до удельной поверхности 9000 см/г.
В качестве кремнеземистого сырья для получения тонкомолотого кремнеземсодержащего компонента в виде высококонцентрированной суспензии кремнеземсодержащего сырья в данном случае использовали тот же песок Карнауховского месторождения.
Для получения высококонцентрированной суспензии кремнеземсодержащего сырья осуществляли мокрый помол в шаровой мельнице с постадийной загрузкой материала, соблюдая основные принципы получения высококонцентрированных суспензий (Пивинский Ю.Е. Керамические вяжущие и керамобетоны. / Ю.Е.Пивинский. - М.: Металлургия, 1990. 270 с.).
Выбор концентрации системы на первом этапе измельчения осуществлялся с учетом коэффициента упаковки исходного материала и других его характеристик, а также габаритных размеров мельницы. На первой стадии помола обычно вводят всю жидкость, рассчитанную по конечной концентрации суспензии. Продолжительность этой стадии процесса в зависимости от многих факторов колеблется в пределах от 1 до 5 часов. В данном случае продолжительность этой стадии процесса составила 2 часа. Степень дисперсности при этом должна быть такой, чтобы средний размер частиц был, по крайней мере, в 10-20 раз меньше размера вводимого при очередной загрузке материала. Оптимальные результаты, как правило, могут быть получены в том случае, когда на первой стадии помола достигается дисперсность, характеризуемая значительным (до 30-50%) содержанием частиц фракции менее 5 мкм. В этом случае суспензия является как бы сжатой, ускоряющей процесс последующего измельчения после введения очередной порции материала.
При постадийной загрузке материала по мере повышения объемной концентрации уменьшается эффективная плотность мелющих тел и существенно возрастает влажность. Благодаря постепенному понижению объемного содержания жидкости, увеличению сил трения возрастает температура процесса, которая в значительной степени определяет реологические свойства системы непосредственно в процессе измельчения, а также свойства высококонцентрированной суспензии кремнеземсодержащего сырья после измельчения. Так, с ростом температуры значительно уменьшается как общая вязкость системы, возрастает ее текучесть, так и дилатантные свойства, что позволяет вести процесс помола при повышенных концентрациях.
После окончания мокрого помола полученная высококонцентрированная суспензия кремнеземсодержащего сырья имела влажность 14,0%, с содержанием частиц менее 5 мкм 42%.
Далее осуществляли разбавление полученной суспензии водой до плотности 1,80 кг/л.
Сравнительный анализ эффективности применения мокрого помола песка по методу ВКВС показал, даже на начальной стадии помола тонкомолотый компонент, полученный по методу ВКВС, имеет более высокую степень дисперсности частиц твердой фазы с более развитой морфологией поверхности, а следовательно, и существенно более высокую реакционную способность, что подтверждается в конечном итоге существенным улучшением технико-эксплуатационных характеристик силикатного материала (рис.1 - результаты сопоставительного анализа дисперсности тонкомолотого компонента, полученного по методу ВКВС, и заводского шлама; рис.2 - сопоставительные данные по микроструктуре).
В системе ВКВС в результате механохимической активации основной твердой фазы уже на стадии помола формируется порядка 1-3% частиц наноразмерного уровня. Наличие в ВКВС наночастиц оказывает комплексное положительное влияние. Последнее касается как микроструктуры и технологических аспектов производства ВКВС, так и технико-эксплуатационных характеристик получаемых на их основе материалов. Кроме того, при мокром помоле мельницы потребляют меньше электроэнергии, их производительность на 10-15% больше.
При введении ВКВС вместо кварцевого шлама прочность по сравнению с заводским составом увеличилась на 50%.
Далее сырьевую смесь для газобетона получали путем смешивания подготовленного тонкомолотого кремнеземсодержащего компонента - заменителя шлама, извесково-кремнеземистого вяжущего и гипса.
Далее в уже подготовленную смесь вводили водную суспензию газобразователя (алюминиевую пасту или пудру).
В данном случае использовали водную суспензию алюминиевой пасты ГПБ-2, отвечающую требованиям ГОСТ 5494 (таблица 4).
Процесс газообразования происходит в результате химического взаимодействия алюминия с гидроксидом кальция по реакции:
2
2
2
3
2
2
2Al+3Ca(OH)+6HO=3CaO·AlO·6HO+3H
Выделяющийся водород вспучивает минеральную композицию, которая, затвердевая, сохраняет ячеистую структуру.
Далее подготовленную сырьевую смесь для автоклавного газобетона подавали на участок формовки.
3
3
Необходимое расчетное количество составляющих компонентов формовочной смеси (для экспериментального состава и заводского аналога) при плотности конечного продукта 500 кг/м и производительности 1080 м в сутки (378000 м в год); расход материалов приведен в таблицах 5, 6.
По разработанным составам были заформованы образцы-кубы размером 100×100×100 мм. Далее образцы при температуре 183°C и избыточном давлении 10 атмосфер по режиму: пуск давления - 2 ч, изотермическая выдержка - 6 ч, сброс давления - 2 ч. Далее образцы-кубы испытывались на прочность, плотность и водопоглощение, морозостойкость, паропроницаемость, теплопроводность. Результаты испытаний представлены в таблице 7.
При использовании указанного тонкомолотого кремнеземсодержащего компонента в виде высококонцентрированной суспензии, появляется возможность повысить эффективность производства силикатных автоклавных прессованных материалов путем оптимизации зернового состава исходной смеси, за счет регулирования содержания в системе определенного количества нанодисперсных частиц; установить взаимосвязь между способом помола вяжущего компонента, скоростью процесса образования гидросиликатов кальция и их типом в силикатных системах; за счет повышения степени дисперсности (в 1,5 раза) вяжущих компонентов, достигаемой мокрым измельчением по принципу ВКВС, более высокой степени аморфизации и механической активации частиц, существенно понизить температуру и давление при автоклавной обработке и на 40-50% повысить физико-механические характеристики материала.
С учетом проведенных исследований следует сделать вывод о высокой технологичности и перспективности наноструктурированного силикатного автоклавного материала, так как по предварительной оценке продолжительность периода гашения сокращается фактически в 2 раза и, соответственно, возможно существенное снижение энергоемкости режима автоклавной обработки, что даст дополнительный экономический эффект на существующем производстве.
Таблица 1
Химический состав песка Карнауховского месторождения
Соединение
SiO<sub>2</sub>
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SO<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
Cl<sub>2</sub>
глина
п.п.п.
Содержание, %
92,65
следы
1,72
0,19
0.06
0.69
0.69
следы
следы
1,23
Таблица 2
Характеристики негашеной комовой извести
Показатели
Значение
Содержание активных СаО+MgO, % не менее
85
Содержание MgO, % не более
5
Содержание недожженной извести, % не более
7
Скорость гашения, мин.
20
Таблица 3
Основные требования к воде затворения
Наименования
Показатели
pH
6-8
Жесткость, не менее
18° dH
Хлориды, не менее мг/литр
500
Сульфаты, не менее мг/литр
200
Таблица 4
Технические характеристики газопаст для бетонов
Газопаста для бетонов
ГПБ-1
ГПБ-2
Массовая доля активного алюминия, %, не менее
75-80
80-85
Остаток на сите, %, не более (номера сеток по ГОСТ 6613)
+008
1,0
1,0
+0056
-
-
+0045
15,0
5,0
Смачиваемость водой
Да
Да
Таблица 5
Расход материалов, заводской состав
Наименование материала
Расход, мас.%:
Расход на 1080 м<sup>3</sup> в сутки
Расход на 378000 м<sup>3</sup> в год
Песок
65,5
383,4 т
134,2 тыс.т
Цемент
15,7
91,8 т
32,13 тыс.т
Известь
15,7
91,8 т
32,13 тыс.т
Гипс
2,8
16,2 т
5,67 тыс.т
Алюминиевая паста
0,15
0,864 т
302,4 т
Вода
0,05
270 м<sup>3</sup>
94,5 тыс.м<sup>3</sup>
Пар с давлением 12 бар
150 кг
162000 кг
56,7 тыс.т
Электроэнергия
30 кВтч
32400 кВтч
11340 тыс.кВтч
Смазка для форм
0,15 л
162 л
56,7 тыс.л
Размалывающие тела для мельницы
1-3 кг/т песка в зависимости от тонины помола
-
-
Таблица 6
Расход материалов, экспериментальный состав
Наименование материала
Расход, мас.%:
Расход на 1080 м<sup>3</sup> в сутки
Расход на 378000 м<sup>3</sup> в год
Песок
72,5
475,2 т
173,5 тыс.т
Цемент
-
-
-
Известково-кремнеземистое вяжущее:известь 85 мас.%песок 15 мас.%
25,9
91,8 т
32,13 тыс.т
Гипс
1,5
16,2 т
5,67 тыс.т
Алюминиевая паста
0,1
0,864 т
302,4 т
Вода до плотности 1,75 кг/л
Пар с давлением 12 бар
150 кг
162000 кг
56,7 тыс.т
Электроэнергия
30 кВтч
32400 кВтч
11340 тыс.кВтч
Смазка для форм
0,15 л
162 л
56,7 тыс.л
Размалывающие тела для мельницы
1-3 кг/т песка в зависимости от тонины помола
-
-