СВЕРХЛЕГКАЯ МИНЕРАЛЬНАЯ ПЕНА
ULTRALIGHT MINERAL FOAM

Настоящее изобретение относится к сверхлёгкой минеральной пене с основой из портландцемента, способу получения таких минеральных пен и к элементам конструкции, содержащим эти пены.
В большинстве случаев минеральная пена, в частности, цементная пена, является очень выгодной во многих применениях благодаря своим свойствам, таким как теплоизоляционные свойства, звукоизоляционные свойства, долговечность, огнестойкость и простота применения.
3
Минеральная пена представляет собой материал в виде пены. Этот материал обычно является более легковесным, чем типичный бетон, из-за наличия в нём пор или пустот. Эти поры или пустоты обусловлены присутствием воздуха в минеральной пене, и они могут иметь форму пузырьков. Под сверхлёгкой пеной понимается пена, имеющая плотность в сухом состоянии от 20 до 300 кг/м.
При заливке минеральной пены в элемент она может разрушиться из-за своей недостаточной стабильности, например, в процессе её размещения или перед схватыванием. Эти проблемы могут быть вызваны явлениями коалесценции, явлениями оствальдского созревания, гидростатическим давлением или явлениями дренирования, причём последние усиливаются, в частности, в случае элементов значительной высоты.
Поэтому трудности в производстве минеральных пен связаны с получением стабильной минеральной пены, которая способна устранить указанные проблемы разрушения. Однако известные способы получения достаточно стабильных минеральных пен требуют цементных композиций, которые содержат многочисленные добавки и реализация которых является сложной и дорогостоящей.
В US 56961741 уже было предложено одновременное использование (i) катионных и (ii) анионных компонентов для получения минеральных пен. Такие цементирующие пены содержат стеараты аммония в качестве анионного компонента и катионный компонент, называемый Arquad T.
3
Заявка WO 2013/150148 описывает минеральные пены на основе цемента, содержащего различные присадки. Эти пены могут содержать кальциево-алюминатный (глинозёмистый) цемент для обеспечения быстрого схватывания или тонкие минеральные компоненты в добавление к портландцементу. Тем не менее, минимальная плотность, достигаемая с помощью этого способа, по большей части ограничена 100 кг/м.
Патентная заявка WO 2011/086333 описывает минеральные пены на основе глинозёмистых цементов. Высокая реактивность этих цементов безусловно обеспечивает образование стабильных и однородных минеральных пен, но высокие затраты и высокая реакционная способность приведут к тому, что практическое использование данного изобретения пользователем в очень многих случаях будет затруднительно.
Для удовлетворения потребностей пользователя давно возникла необходимость в разработке рецептуры сверхлёгкой и высокостабильной минеральной пены, реализация которой проста и малозатратна.
Кроме того, задача, которую намерено решить изобретение, состоит в том, чтобы найти рецептуру для стабильной и сверхлёгкой минеральной пены, которая не будет разрушаться в процессе её вертикальной заливки и реализация которой не потребует особых усилий и малозатратна.
Изобретение относится к способу получения минеральной пены, включающему следующие стадии:
(i) раздельное приготовление цементного раствора и водной пены, при этом цементный раствор содержит воду (W) и портландцемент (C), а также центры кристаллизации, представляющие собой гидросиликаты кальция (CSH);
(ii) контактирование указанного цементного раствора с указанной водной пеной с получением вспененного цементного раствора;
(iii) заливку указанного вспененного цементного раствора и оставление его в покое для схватывания.
Согласно другому признаку изобретения предлагается минеральная пена, которая получена или может быть получена способом по изобретению. Пена по изобретению может использоваться в качестве строительного материала или изолирующего материала. Например, минеральная пена может заливаться между двумя панелями гипсовых плит или между двумя кирпичными стенами либо между двумя несущими бетонными стенами.
Изобретение относится также к элементам конструкции, содержащим минеральную пену по изобретению.
Способ, предлагаемый настоящим изобретением, имеет одну или более из следующих характеристик:
- способ является универсальным, т.е. он делает возможным получение стабильной минеральной пены из любого типа цемента;
- способ прост в осуществлении;
- способ можно легко перенести на любую площадку или стройплощадку;
- способ делает возможным получение минеральной пены в непрерывном режиме. Поэтому можно непрерывно получать минеральную пену и заливать эту пену без перерывов.
Способ получения минеральной пены по изобретению может использоваться в периодической или непрерывной системе.
Минеральная пена, предлагаемая настоящим изобретением, имеет одну или более из следующих характеристик:
- минеральная пена по изобретению имеет отличную стабильность. В частности, возможно получение пены, которая не разрушается или разрушается лишь в очень малой степени при заливке её вертикально или с значительной высоты. Например, минеральная пена по изобретению не разрушается или очень незначительно разрушается при вертикальной заливке её с высоты, большей или равной 2 метрам;
- минеральная пена по изобретению имеет отличные тепловые свойства и, в частности, очень низкую теплопроводность. Снижение теплопроводности строительных материалов является крайне желательным, поскольку это делает возможным получение экономии тепловой энергии для жилых и офисных зданий. Кроме того, это снижение позволяет сократить количество тепловых мостов, в частности, при строительстве многоэтажных зданий и спроектировать внутреннюю теплоизоляцию. В частности, количество тепловых мостов снижается на промежуточных этажах.
2
2
Цемент является гидравлическим вяжущим, содержащим по меньшей мере 50 мас.% СаO и SiO. Цемент может содержать и другие компоненты в дополнение к СаO и SiO, в частности, шлак, тонкую кремнезёмную пыль, пуццоланы (природные и кальцинированные), летучую золу (кремниевую/кальциевую) и/или известняк.
Портландцемент, используемый в изобретении, может быть любым типом портландцемента независимо от его химического состава и, в частности, независимо от его щёлочности. Поэтому одним из преимуществ изобретения является отсутствие необходимости в выборе какого-то конкретного типа портландцемента. Используемый в изобретении портландцемент предпочтительно выбирается из цементов, доступных на рынке.
Подходящий цемент, используемый на стадии (i) изобретения, предпочтительно выбирается из цементов, описанных в Европейском стандарте NF EN 197-1, апрель 2012, или их смесей, предпочтительно – из цемента типов CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV или СЕМ V.
Водоцементное отношение (мас./мас. отношение) цементного раствора, полученного на стадии (i), предпочтительно составляет от 0,25 до 0,5, более предпочтительно – от 0,28 до 0,35, в частности, 0,29. Водоцементное отношение может варьироваться, например, в зависимости от водопотребности минеральных частиц, если таковые используются. Водоцементное отношение определяется как массовое отношение количества воды (W) к массе сухого портландцемента (C).
Цементный раствор, приготовленный на стадии (i), может содержать добавку, снижающую водопотребность, такую как пластификатор или суперпластификатор. Добавка, снижающая водопотребность, позволяет уменьшить количество воды затворения для заданной удобоукладываемости обычно на 10-15%. В качестве примера добавок, снижающих водопотребность, можно упомянуть лигносульфонаты, гидроксикарбоновые кислоты, углеводы и другие специфические органические соединения, к примеру, глицерин, поливиниловый спирт, алюмометилсиликонат натрия, сульфаниловую кислоту и казеин, как описано в Concrete Agmixtures Handbook [Справочное пособие по добавкам в бетон], Properties Science and Technology, V.S. Ramachandran, Noyes Publications, 1984.
Суперпластификаторы относятся к новому классу добавок, снижающих водопотребность, и способны уменьшить количество воды затворения для заданной удобоукладываемости примерно на 30 мас.%. В качестве примера суперпластификатора можно назвать суперпластификаторы PCP без пеногасителя. Термин "PCP" или "полиоксиполикарбоксилат" следует понимать в контексте настоящего изобретения как сополимер акриловых или метакриловых кислот и их сложных эфиров с полиоксиэтиленом (POE).
Предпочтительно цементный раствор содержит от 0,05 до 1%, более предпочтительно от 0,05 до 0,5% добавки, снижающей водопотребность (пластификатора или суперпластификатора); процентное количество выражено в мас.% в пересчёте на массу сухого цемента.
Предпочтительно цементный раствор не содержит пеногасителя или любого агента, обладающего свойством дестабилизировать воздухо-жидкостную эмульсию. Некоторые коммерчески доступные суперпластификаторы могут содержать пеногасители, и поэтому эти суперпластификаторы не подходят для цементного раствора, используемого для получения минеральной пены по изобретению.
Предпочтительно цементный раствор, используемый для получения минеральной пены по изобретению, содержит от 0,05 до 2,5 мас.% ускорителя твердения в пересчёте на массу сухого цемента.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения в цементный раствор или водную пену могут добавляться и другие добавки. Такими добавками могут быть загустители, добавки, увеличивающие вязкость, воздухововлекающие добавки, замедлители схватывания, окрашенные пигменты, полые стеклянные шарики, плёнкообразующие агенты, гидрофобизаторы или противозагрязняющие агенты (например, цеолиты или диоксид титана), латекс, органические или минеральные волокна, минеральные добавки или смеси перечисленного. Предпочтительно добавки не содержат пеногасителей.
Выражение "загуститель" следует понимать как любое соединение, позволяющее поддерживать гетерогенные физические фазы в равновесии или облегчать достижение этого равновесия. Подходящими загустителями предпочтительно являются камеди, целлюлоза или её производные, например, простые эфиры целлюлозы либо карбоксиметилцеллюлоза, крахмал или его производные, желатин, агар, каррагинаны или бентонитовые глины.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения цементный раствор, используемый для получения минеральной пены по изобретению, может дополнительно содержать минеральные частицы. Предпочтительно цементный раствор, используемый для получения минеральной пены по изобретению, может содержать от 0 до 50% минеральных частиц, более предпочтительно – от 5 до 40%, наиболее предпочтительно – от 5 до 35%, причём процентные количества выражены в мас.% в пересчёте на массу вспененного цементного раствора.
Подходящие минеральные частицы выбираются из карбоната кальция, кремнезёма, измельчённого стекла, сплошных или полых стеклянных шариков, стеклянных гранул, пеностеклянных порошков, кремнезёмных аэрогелей, тонкой кремнезёмной пыли, шлаков, молотых осадочных кремнистых песков, летучей золы или пуццолановых материалов либо смесей перечисленного.
Минеральные частицы, используемые согласно изобретению, могут представлять собой шлаки (например, как они определяются в Европейском стандарте NF EN 197-1, апрель 2012, параграф 5.2.2), пуццолановые материалы (например, как они определяются в Европейском стандарте NF EN 197-1, апрель 2012, параграф 5.2.3), летучую золу (например, как она определяется в Европейском стандарте NF EN 197-1, апрель 2012, параграф 5.2.4), кальцинированные сланцы (например, как они определяются в Европейском стандарте NF EN 197-1, апрель 2012, параграф 5.2.5), материал, содержащий карбонат кальция, например, известняк (например, как он определяется в Европейском стандарте NF EN 197-1, параграф 5.2.6), тонкую кремнезёмную пыль (например, как она определяется в Европейском стандарте NF EN 197-1, апрель 2012, параграф 5.2.7), кремнистые добавления (например, как они определяются в "Concrete (Бетон)" стандарта NF Р 18-509), метакаолин или смеси перечисленного.
Летучая зола обычно представляет собой порошкообразные частицы, содержащиеся в дымовых газах от тепловых электростанций, работающих на угле. Летучую золу обычно извлекают электростатическим или механическим осаждением.
Доменные шлаки обычно получают резким охлаждением расплавленного шлака, образующегося при плавлении железной руды в доменной печи.
Тонкая кремнезёмная пыль может представлять собой материал, полученный восстановлением кварца очень высокой степени чистоты каменным углем в электродуговых печах, используемых для производства кремния и сплавов ферросилиция. Тонкая кремнезёмная пыль в большинстве случаев состоит из сферических частиц, содержащих по меньшей мере 85 мас.% аморфного кремнезёма.
Пуццолановые материалы могут быть природными кремнистыми и/или кремниево-алюминиевыми материалами либо их комбинацией. Из пуццолановых материалов можно упомянуть природные пуццоланы, которые являются, как правило, материалами вулканического происхождения или осадочных пород, и природные кальцинированные пуццоланы, которые являются материалами вулканического происхождения, глины, сланцы или осадочные породы, активированные термической обработкой.
Согласно изобретению в цементном растворе, приготовленном на стадии (i), содержатся центры кристаллизации, представляющие собой гидросиликат кальция (CSH). Предпочтительно центры кристаллизации CSH содержат частицы гидросиликата кальция. Предпочтительно центры кристаллизации CSH присутствуют в виде водной суспензии.
Центры кристаллизации CSH могут присутствовать в количестве от 0,5 до 7 мас.% сухого CSH в пересчёте на массу сухого портландцемента, предпочтительно от 0,5 до 5 мас.% сухого CSH в пересчёте на массу сухого портландцемента, более предпочтительно от 0,7 до 3 мас.% сухого CSH в перерасчете на массу сухого портландцемента.
Предпочтительно центры кристаллизации CSH имеют D90 менее 5 мкм.
Установлено, что добавление центров кристаллизации (CSH) в цементный раствор оказывает стабилизирующее действие на минеральные пены на основе портландцемента и, тем самым, делает возможным производство минеральных пен сверхнизкой плотности, причём это стабилизирующее действие не зависит от типа используемого портландцемента. Таким образом, изобретение предоставляет широкий выбор различных типов портландцемента.
Дополнительным преимуществом изобретения является то, что использование центров кристаллизации CSH позволяет изготовлять стабильную пену из портландцемента без необходимости добавления ультратонких частиц известняка.
Кроме того, замечено, что средний размер пузырьков вспененного цементного раствора уменьшается при использовании центров кристаллизации CSH в цементном растворе.
Несмотря на то, что точный механизм действия центров кристаллизации CSH в способе по изобретению полностью ещё не проанализирован, предполагается, что улучшенная стабильность пены является результатом двух явлений, которые происходят в минеральной пене:
- улучшение стабилизации минеральной пены перед схватыванием цементного раствора за счёт эффекта Пикеринга благодаря малому размеру частиц центров кристаллизации CSH;
- улучшение стабилизации минеральной пены за счёт ускорения центрами кристаллизации CSH процесса схватывания раствора. Центры кристаллизации (CSH) действительно используются в настоящее время прежде всего в области бетона из-за оказываемого ими ускоряющего эффекта, а использование ускорителей является выгодным для стабильности пен. Фактически при смешивании цементного раствора и пены последняя находится в пластичном состоянии и должна быть способна выдерживать собственный вес до тех пор, пока цементный раствор не схватится.
Центры кристаллизации CSH стали известными как добавки-ускорители в способах цементирования. В частности, поверхность наночастиц гидросиликата кальция (CSH), добавленных в цементный раствор, эффективно используется для стимулирования развития ядер гидросиликата кальция.
Центры кристаллизации CSH можно закупить у BASF под торговой маркой X-Seed, но этот продукт, как таковой, не подходит для настоящего изобретения, потому что он содержит пеногасители.
Центры кристаллизации CSH, используемые в настоящем изобретении, могут быть получены различными методами, например, из следующих источников:
1. Партия разбавленных центров кристаллизации CSH, полученная осаждением CSH из нитрата кальция и силикатов натрия в лабораторных условиях 200 мл раствора силиката натрия с содержанием твёрдых веществ силиката 40%, 400 мл воды и 2 г добавки, снижающей водопотребность, которая не оказывает пеногасящего действия, отвешивали в реакторе. Затем в течение 30 секунд в условиях перемешивания при 1200 об./мин в реактор добавляли 200 мл 50%-го раствора кальциевой соли, такой как нитрат кальция. Наблюдалась мгновенная реакция с образованием центров кристаллизации CSH, присутствующих в 22%-м растворе.
2. Гидратированные цементные пасты, полученные в лабораторных условиях
В качестве оборудования для приготовления геля гидратированного цемента использовался стеклянный реактор вместимостью примерно 2 л, причём его водонепроницаемая крышка была оборудована мешалкой с электроприводом. Вращающаяся лопасть мешалки якорного типа делает возможным перемешивание на дне реактора, что отвращает отложение осадка.
Приготовление 1,5 л геля гидратированного цемента проводилось по следующей процедуре:
– введение 1,5 л суперпластификатора (такого как 20 г Mater Glenium ACE456 от BASF), пригодного для ускорения процесса гидратации,
– контролируемое перемешивание при 450 об./мин,
– добавление 200 г цемента (обычно CEM I 52.5R с завода в Port La Nouvelle компании LafargeHolcim),
– перемешивание при 450 об./мин в течение 48 часов без остановки,
– спустя 48 часов перемешивания извлечение полученного раствора и хранение его в подходящем герметично закрытом контейнере (обычно в 2-литровом полипропиленовом контейнере),
– оставление контейнера в покое на несколько суток (минимум 3 суток, предпочтительно – 7 суток).
Гель гидратированного цемента состоит из свободной воды, различных продуктов гидратации, среди которых гель гидросиликата кальция (CSH), портландита и ангидридов негидратированного цемента. Гель гидратированного цемента используется в его нативном виде и имеет содержание твёрдых веществ от 15 до 20 мас.% после потерь при прокаливании при 60°C/72 часа.
3. Осадок в отстойнике, полученный из свежеприготовленных бетонных смесей или строительных растворов
Осадок собирался из танков-отстойников, которые используются в системах управления сточными водами на производствах по изготовлению бетона. Поэтому такой осадок может происходить, например, из танков-отстойников заводов товарного бетона, в которые собирается отработанная вода от мойки бетоновозов. Осадок предпочтительно собирался с помощью одноковшового погрузчика и предпочтительно с задней стенки второго танка, поскольку в этом месте осадок содержит меньше песка и тонкодисперсных частиц.
Влажный осадок пропускался через сито 200 мкм в воде, и фракция, имеющая размер частиц менее 200 мкм, собиралась и хранилась в танках или бадьях для отстаивания. После отстаивания поверхностная вода удалялась отсасыванием. Диспергирующий агент (суперпластификатор), не обладающий пеногасящим действием, добавлялся к осадку в количестве 0,1 мас.% (в сухом состоянии) от общей сухой массы осадка при одновременном перемешивании при высокой скорости (2000 об./мин) в смесителе Turbotest (Rayneri). Конечный продукт имел содержание твёрдых веществ от 20 до 30 мас.% и состоял главным образом из центров кристаллизации CSH.
Рецептура по изобретению побеждает технический предрассудок, согласно которому использование различных добавок является необходимостью, чтобы гарантировать стабильность минеральной пены.
В частности, минеральная пена, полученная согласно изобретению, по существу не содержит тонких частиц, т.е. никаких тонких частиц не добавляется поверх малой фракции более тонких частиц, обычно содержащихся в обычном портландцементе. Термин “тонкие частицы” понимается как включающий частицы, средний диаметр D50 которых составляет менее 2 мкм. Диаметр D50 соответствует 50-му процентилю объёмного распределения частиц по размерам, т.е. 50% объёма образованы частицами, имеющими размер меньше диаметра D50, и 50% – частицами, имеющими размер, превышающий диаметр D50. Термин “по существу” означает менее 1 мас.%, предпочтительно – менее 5 мас.% в пересчёте на массу цемента.
2
Цементами, которые мало или совсем не подходят для реализации изобретения, являются кальциево-алюминатные цементы и их смеси. Кальциево-алюминатные цементы – это цементы, обычно содержащие минеральную фазу C4A3S, CA, C12A7, C3A или C11A7CaF либо их смеси, такие как, например, Ciment Fondu (гидравлическое вяжущее на кальциево-алюминатной основе), глинозёмистые цементы, сульфоалюминатные цементы и кальциево-алюминатные цементы согласно Европейскому стандарту NF EN 14647 (декабрь 2006). Такие цементы характеризуются содержанием глинозёма (Al2O3) ≥ 35 мас.%.
На стадии (i) раствор может быть приготовлен с помощью смесителей, обычно использующихся для получения цементных растворов. Это может быть смеситель для растворов, смеситель из дозировочной установки для смешивания цементных смесей, смеситель, описанный в Европейском стандарте NF EN 196-1 (апрель 2006.) – параграф 4.4, либо перемешивающая лопасть, совершающая планетарное движение.
Согласно первому варианту осуществления изобретения цементный раствор может быть приготовлен путём введения в смеситель воды, раствора центров кристаллизации CSH и необязательно добавок (таких как добавка, снижающая водопотребность). Затем в смеситель добавляются портландцемент и необязательно другие порошкообразные компоненты. Полученная таким путём паста вымешивается до получения цементного раствора. Предпочтительно в течение всего производственного процесса цементный раствор хранится при перемешивании, например, дефлокулирующей лопастью при скорости, которая может составлять от 1000 до 600 об./мин в зависимости от объёма раствора.
Согласно второму варианту осуществления цементный раствор может быть приготовлен путём введения в смеситель части воды центров кристаллизации CSH и необязательно добавок (таких как добавка, снижающая водопотребность), затем цемента, а после него дополнительных компонентов.
Согласно третьему варианту осуществления цементный раствор может быть приготовлен путём введения в смеситель цемента и затем всех других порошкообразных компонентов. Цемент и порошкообразные компоненты смешиваются до получения однородной смеси. Затем в смеситель вводятся вода, центры кристаллизации CSH и необязательно добавки (такие как добавка, снижающая водопотребность).
Согласно четвёртому варианту осуществления цементный раствор может быть приготовлен непрерывным способом путём предварительного приготовления смеси, содержащей воду, центры кристаллизации CSH и необязательно добавки (такие как добавка, снижающая водопотребность).
На стадии (i) водная пена может быть получена путём объединения воды и пенообразователя и последующего введения газа. Этим газом предпочтительно является воздух. Пенообразователь предпочтительно используется в количестве от 0,25 до 5,00 мас.%, предпочтительно – от 0,75 до 2,50 мас.% (по сухой массе) от массы воды.
Введение воздуха может осуществляться перемешиванием, барботированием или инжекцией под давлением. Предпочтительно водная пена может быть получена с использованием турбулентного пеногенератора (например, слоя стеклянных шариков). Такой тип пеногенератора делает возможным введение воздуха под давлением в водный раствор, содержащий пенообразователь.
Водная пена может генерироваться непрерывно в способе по изобретению.
Генерируемая водная пена содержит воздушные пузырьки с D50, меньше или равным 400 мкм, предпочтительно – от 100 до 400 мкм, более предпочтительно – от 150 до 300 мкм. Предпочтительно генерируемая водная пена содержит воздушные пузырьки с D50, равным 250 мкм.
D50 пузырьков измеряется методом обратного рассеяния. Используемым для этого аппаратом является Turbiscan Online от компании Formulaction. Измерения обратного рассеяния позволяют рассчитать D50 для пузырьков водной пены по заранее известной объёмной доле пузырьков и показателю преломления раствора пенообразователя.
Предпочтительно пенообразователем является органическое производное белка животного происхождения (такое как, например, пенообразователь под названием Propump26 – порошок гидролизованного кератина, реализуемый компанией Propump Engineering Ltd.) или растительного происхождения. Пенообразователями могут также быть катионное поверхностно-активное вещество (ПАВ) (например, бромид цетилтриметиламмония (CTAB)), ионное ПАВ, амфотерное ПАВ (например, кокамидопропилбетаин (CAPB)) или неионное ПАВ либо их смеси.
На стадии (ii) цементный раствор может гомогенизироваться с водной пеной любым способом для получения вспененного цементного раствора. Предпочтительно стадия (ii) способа по изобретению может включать введение цементного раствора и водной пены в статический смеситель для получения вспененного цементного раствора.
Подходящие статические смесители предпочтительно имеют элементы в форме пропеллера, обеспечивающие полное радиальное смешение и последовательные разделения потока для каждой комбинации жидкостей и газа. Подходящие статические смесители согласно изобретению предпочтительно содержат винтовые элементы, сообщающие радиальную скорость текучей среде, которая попеременно направляется к стенкам смесителя, затем к его центру. Последовательные комбинации элементов, направляющих поток по часовой стрелке и против часовой стрелки, вызывают изменение направления и разделение потока. Эти два комбинированных действия повышают эффективность смешивания. Предпочтительно статический смеситель, используемый в способе по изобретению, представляет собой смеситель, работающий по принципу разделения непрерывных потоков цементного раствора и водной пены. Гомогенность смеси основана на количестве разделений потока. Согласно способу изобретения предпочтительно используются 16 элементов для гарантирования хорошей гомогенности. Подходящими статическими смесителями для способа по изобретению предпочтительно являются смесители, реализуемые на рынке под торговой маркой Kenics.
В соответствии с частным вариантом осуществления изобретения цементный раствор закачивается при точном объёмном расходе, который является функцией целевого состава вспененного цементного раствора. Затем этот цементный раствор объединяется с водной пеной, уже циркулирующей в технологическом контуре. Тем самым генерируется вспененный цементный раствор по изобретению. Этот вспененный цементный раствор заливается и оставляется в покое для схватывания.
Преимуществом способа по изобретению является то, что он не требует проведения ни стадии автоклавной обработки, ни стадии термической обработки (например, при 60-80°C) для получения цементной пены по изобретению.
Изобретение относится также к вспененному цементному раствору, полученному, как описано, на стадии (ii) способа по изобретению.
Кроме того, изобретение относится также к минеральной пене, полученной способом по изобретению.
Помимо этого, изобретение относится также к минеральной пене, которая может быть получена способом по изобретению.
Минеральная пена по изобретению может изготовляться заводским способом. Минеральная пена по изобретению может также изготовляться непосредственно на строительной площадке при размещении пеногенерирующей системы на строительной площадке.
3
3
3
3
3
3
Предпочтительно минеральная пена по изобретению может иметь плотность от 20 до 300 кг/м, более предпочтительно – от 20 до 150 кг/м, наиболее предпочтительно – от 30 до 80 кг/м. Даже более предпочтительно минеральная пена по изобретению может иметь плотность от 20 до 70 кг/м, более предпочтительно – от 20 до 60 кг/м, наиболее предпочтительно – от 20 до 50 кг/м. Следует заметить, что плотность вспененного цементного раствора (плотность влажного материала) отличается от плотности минеральной пены (плотность затвердевшего материала).
Другое преимущество изобретения состоит в том, что минеральная пена по изобретению имеет отличные тепловые свойства и, в частности, очень низкую теплопроводность. Теплопроводность (обозначаемая также лямбдой (λ)) является физической величиной, характеризующей поведение материалов в процессе переноса тепла кондукцией. Теплопроводность обозначает количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени при единичном градиенте температуры. В международной системе единиц теплопроводность выражается в ваттах на метр·Кельвин (Вт/м·К). Типичные или традиционные бетоны имеют значения теплопроводности от 1,3 до 2,1, измеренные при 23°C и относительной влажности 50%. Теплопроводность минеральной пены по изобретению может составлять от 0,030 до 0,150 Вт/м·К, предпочтительно – от 0,030 до 0,060 Вт/м·К, более предпочтительно – от 0,030 до 0,055 Вт/м·К, при этом допустимый предел погрешности составляет ± 0,4 Вт/м·К.
Предпочтительно минеральная пена по изобретению обладает очень хорошей огнестойкостью.
Минеральная пена по изобретению может представлять собой бетон, изготовленный на стройплощадке, бетонную смесь заводского изготовления или бетон, изготовленный на заводе по производству сборных бетонных элементов. Предпочтительно минеральная пена по изобретению является бетонной смесью заводского изготовления.
Изобретение относится также к элементу конструкции, содержащему минеральную пену по изобретению.
Изобретение относится также к применению минеральной пены по изобретению в качестве строительного материала.
Минеральная пена по изобретению может использоваться для бетонирования стен, потолков и кровли на месте проведения работ. Она может также использоваться при изготовлении сборных элементов на заводе по производству сборных конструкций, таких как блоки или панели.
Изобретение относится также к применению минеральной пены по изобретению в качестве изолирующего материала.
Преимуществом изобретения является то, что минеральная пена по изобретению может заменить в некоторых случаях стекловату, минеральную вату или полистироловый изолирующий материал.
Преимуществом изобретения является то, что минеральную пену по изобретению можно использовать для заполнения пустот или полых пространств в здании, стене, перегородке, кирпиче, в полу или потолке. В этом случае она используется как заполнитель. Такие композитные строительные элементы также составляют предмет изобретения per se.
Преимуществом изобретения является то, что минеральную пену по изобретению можно использовать для облицовки фасадов в целях изоляции здания снаружи. В этом случае на минеральную пену по изобретению может быть нанесён отделочный состав.
Изобретение относится также к системе, содержащей минеральную пену по изобретению. Минеральная пена может присутствовать в системе, например, в качестве изолирующего материала. Система по изобретению представляет собой систему, способную противостоять переносу воздуха и переносам тепла и влаги, т.е. этот элемент имеет регулируемую проницаемость для переноса воздуха или воды в виде пара или в жидком виде.
Система по изобретению, которая противостоит переносу воздуха и переносам тепла и влаги в области строительства, содержит по меньшей мере каркас. Этот каркас может быть вторичным или первичным. Этот каркас может быть изготовлен из бетона (стойки или балки), металла (опоры или балки), дерева, пластика, композитного материала или синтетического материала. Этот каркас может представлять собой металлическую конструкцию, стойку или рельс.
Система по изобретению может использоваться для производства облицовки, изоляционной системы или перегородки, например, разделительной перегородки, распределительной перегородки либо внутренней перегородки.
Минеральная пена по изобретению может использоваться для заполнения полостей в строительных блоках, например, пустотелых кирпичах. Пена может заливаться в полость на любой стадии производства строительного блока.
Чтобы получить систему, минеральная пена по изобретению может заливаться вертикально между двумя стенами, например, между двумя бетонными стенами, двумя кирпичными стенами, двумя штукатурными плитами, двумя деревянными стенами.
Далее изобретение описывается со ссылкой на нижеследующие примеры, не ограничивающие его объёма.
Изготавливались следующие методы измерения.
Метод лазерной гранулометрии
В данном описании, включая прилагаемую формулу изобретения, распределение частиц по размерам и размеры частиц представлены как результат измерения с помощью лазерного гранулометра типа Mastersize 2000 (год 2008), серия MAL1020429), поставляемого компанией Malvern.
Измерение проводится в подходящей среде (например, в водной среде в случае нереакционноспособных частиц или в спирте в случае реакционноспособного материала) для диспергирования частиц. Размер частиц должен быть в пределах от 1 мкм до 2 мм. Источник света состоит из красного гелий-неонового (He-Ne) лазера (632 нм) и синего диода (466 нм). Оптическая модель является моделью Фраунгофера, а расчётная матрица является матрицей полидисперсного типа. Измерение уровня фонового шума проводится при скорости насоса 2000 об./мин и скорости мешалки 800 об./мин, измерение шума – в течение 10 с в отсутствие ультразвука. Проводится верификация того, что интенсивность лазерного света равна по меньшей мере 80% и убывание экспоненциальной кривой соответствует фоновому шуму. В противном случае необходимо провести очистку линз измерительной ячейки.
Затем выполняется первое измерение на образце при следующих параметрах: скорость насоса 2000 об./мин, скорость мешалки 800 об./мин. Образец вводится таким образом, чтобы создать оптическое затенение от 10 до 20%. После стабилизации затенения проводится измерение, причём между вступлением в тень и измерением установлен фиксированный временной интервал 10 с. Длительность измерения составляет 30 с (30000 анализируемых дифракционных изображений). При анализе полученной гранулограммы следует учитывать, что часть порошка может быть агломерирована.
После этого проводится второе измерение (без опорожнения кюветы) с использованием ультразвука. Скорость насоса устанавливается на 2500 об./мин, скорость мешалки – на 1000 об./мин., ультразвуковая эмиссия – 100% (30 Вт). Эти параметры поддерживаются в течение 3 минут, после чего вновь возвращаются к начальным параметрам: скорость насоса – 2000 об./мин, скорость мешалки – 800 об./мин, без ультразвука. Спустя 10 с (для возможного освобождения от воздушных пузырьков) проводится измерение в течение 30 с (30000 анализируемых изображений). Это второе измерение соответствует порошку, дезагломерированному ультразвуковым диспергированием.
Каждое измерение повторяется по меньшей мере дважды для подтверждения стабильности результата.
Измерение удельной поверхности по Блейну
Удельная поверхность различных материалов измеряется следующим образом. Метод Блейна используется при температуре 20°C и относительной влажности не более 65%, при этом используется аппарат Блейна Euromatest Sintco, отвечающий требованиям Европейского стандарта EN 196-6.
Перед измерением влажные образцы высушиваются в сушильной камере до достижения постоянной массы при температуре от 50 до 150°C. Затем высушенный продукт измельчается в порошок, имеющий максимальный размер частиц, меньше или равный 80 мкм.
Примеры
Способ по изобретению использовался для получения минеральных пен B, C, E, F и H, исходя из цементных растворов (рецептуры II, III, IV, VI и VIII) и водных пен 1 и 2. Проводились также сравнительные примеры, а именно с минеральными пенами A, D и G, исходя из цементных растворов (рецептуры I, IV и VII), чтобы показать выгодные аспекты изобретения.
Используемые материалы
В качестве цементов использовались портландцементы, изготовленные на разных производственных площадках компании Лафарж (Lafarge), как указано в табл. 1. Эти цементы являются цементами стандартных типов. Буквы “R” и “N” соответствуют определению, данному в Европейском стандарте NF EN 197-1, версия от апреля 2012.
Пластификатор представлял собой смесь, содержащую поликарбоксилата полиоксид (PCP) от компании Chryso под торговой маркой Chrysolab EPB 530-017, которая не содержит противопенной добавки. Содержание твёрдых веществ в Chrysolab EPB 530-017 составляло 48 мас.%.
Используемые пенообразователи представляли собой следующие производные белков животного происхождения:
- Propump 26 (от компании Propump Engineering Ltd.) с содержанием твёрдых веществ 26 мас.%,
- MAPEAIR L/LA (от компании MAPEI) с содержанием твёрдых веществ 26 мас.%.
Различные гидросиликаты кальция (CSH) в качестве центров кристаллизации, использовавшиеся в примерах, были получены в соответствии с вышеописанными протоколами:
- центры кристаллизации CSH (содержание твёрдых веществ = 20,5%)
- осадок в отстойнике (содержание твёрдых веществ = 19,5%)
- гидратированная паста (содержание твёрдых веществ = 16,6%).
Вода: водопроводная вода.
Используемое оборудование
Смеситель Rayneri:
- смеситель Turbotest (MEXP-101, модель: Turbotest 33/300, серийный № 123861), поставляемый компанией Rayneri, который представляет собой смеситель с вертикальной осью.
Насосы:
- насос с эксцентриковым шнековым транспортёром Seepex™ типа MD 006-24, комиссионная закупка № 244920,
- насос с эксцентриковым шнековым транспортёром Seepex™ типа MD 006-24, комиссионная закупка № 278702.
Пеногенерирующее устройство:
- пеногенерирующее устройство, содержащее слой стеклянных шариков типа SB30, имеющих диаметр от 0,8 до 1,4 мм, помещённых в трубку длиной 100 мм и диаметром 12 мм.
Статический смеситель:
- статический смеситель типа Kenics, состоящий из 32 геликоидальных (винтообразных) элементов, имеющих диаметр 19 мм; ссылка 16La632 в каталоге компании ISOJET.
В нижеследующих примерах были изготовлены 8 минеральных пен. Каждый цементный раствор обозначался порядковым номером с I по VIII, каждая водная пена – 1 и 2. Полученная цементная пена (минеральная пена) представляла собой комбинацию одного из цементных растворов с одной из водных пен.
Приготовление цементного раствора
Таблица 1
Составы цементных растворов
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
Марка цемента
CEM I52,5N
CEM I52,5N
CEM I52,5N
CEM I52,5N
CEM I52,5N
CEM I52,5N
CEM I52,5N
CEM I52,5N
Завод компанииLafarge
Гавр
Гавр
Гавр
Сен-Пьер-ла-Кур
Сен-Пьер-ла-Кур
Сен-Пьер-ла-Кур
Валь д Азерг
Валь д Азерг
Водоцементноеотношение(мас./мас.)
0,29
0,29
0,29
0,29
0,29
0,29
0,29
0,29
X (% экв.Na<sub>2</sub>O)растворимый
0,22
0,22
0,22
0,66
0,66
0,66
0,40
0,40
Цемент (сухой) (мас.%)
77,45
76,86
76,85
77,40
74,52
76,81
77,44
76,83
Карбонат Ca
-
-
-
-
-
-
-
-
Вода (мас.%)
22,46
19,24
18,36
22,35
6,03
19,18
22,36
19,21
Суперпластификатор(мас.%)
0,17
0,13
0,17
0,26
0,25
0,24
0,20
0,19
CSH (мас.%)
3,77
-
-
-
-
3,76
-
3,77
Осадок вотстойнике (мас.%)
-
-
-
-
19,2
-
-
-
Гидратированная паста (мас.%)
-
-
4,63
-
-
-
-
-
% CSH/цемент
1,00
1,00
5,00
1,00
1,00
В таблице 1 представлен химический состав различных цементных растворов, использовавшихся для осуществления изобретения. Цементные растворы были приготовлены с помощью смесителя Turbotest 33/300 (от Rayneri), в который сначала вводились жидкие компоненты (вода, суперпластификатор, центры кристаллизации CSH. Далее, в условиях перемешивания при 1000 об./мин постепенно добавлялись твёрдые компоненты (цемент и все порошкообразные компоненты). Затем цементный раствор вымешивался в течение двух дополнительных минут.
Приготовление водной пены
Водный раствор, содержащий пенообразователь, вводился в ёмкость. Состав этого водного раствора пенообразователя (в частности, концентрация и природа пенообразователя) приводится в таблице 2. Водный раствор пенообразователя подавался с помощью объёмного насоса с эксцентриковым шнековым транспортёром Seed TM MD-006-24 (комиссионная закупка № 278702).
Указанный раствор пенообразователя вводился в пеногенерирующее устройство через слой стеклянных шариков под давлением сжатого воздуха (1-6 бар) и T-образное разветвление. Водная пена генерировалась в непрерывном режиме при расходе, указанном в таблице 2.
Таблица 2
1
2
Пенообразователь
Propump26
MapeAIR L/LA
Концентрация (% жидкий/вода)
3,5
2,5
Концентрация (% сухой/вода)
0,91
0,65
Расход, воздух (л/мин)
8
8
Расход, раствор (л/мин)
0,41
0,41
Приготовление вспененного цементного раствора
Ранее полученные цементные растворы заливались в ёмкость для затворения при одновременном перемешивании (400 об./мин). Цементный раствор закачивался объёмным насосом с эксцентриковым шнековым транспортёром Seepex™ MD 006-24 (комиссионная закупка № 244920) при расходе 0,25 л/мин.
Закачиваемый раствор и непрерывно генерируемая водная пена приводились в контакт друг с другом в статическом смесителе для получения вспененного цементного раствора.
Приготовление минеральной пены
Вспененный цементный раствор заливался в кубики из полистирола размером 10х10х10 см и в цилиндрические колонки высотой 2,50 м и диаметром 20 см. На каждый вспененный цементный раствор приходилось по три кубика. Спустя 1 сутки материал из кубиков извлекался и хранился в течение 7 суток при относительной влажности 100% и температуре 20°C. Затем материал высушивался при температуре 45°C до достижения постоянной массы. Для некоторых вспененных цементных растворов использовались колонки. Спустя от 3 до 7 суток материал из колонки извлекался и затем разделялся на секции длиной 25 см. Секции высушивались до достижения постоянной массы.
Анализ минеральных пен
Стабильность пены измерялась визуальным осмотром кубиков перед извлечением материала. Пена описывалась как "стабильная", если кубик сохранял свою высоту 10 см после схватывания. Пена описывалась как "нестабильная", если кубик разрушался в процессе схватывания. Каждое испытание проводилось на 3 кубиках размером 10х10х10 см. Результаты показали сходные характеристики среди трёх кубиков. Соответственно результаты представляют собой среднее значение 3 кубиков.
Колонка считалась стабильной, если плотность между нижней секцией и верхней секцией не отличалась более чем на 5 кг/м.
Теплопроводность минеральных пен
Теплопроводность измерялась с помощью аппарата для измерения теплопроводности – CT-метра, поставляемого компанией Alphis-ERE (сопротивление 5 ом, провод датчика 50 мм). Измерения проводились на сухих образцах при температуре 45°C до достижения постоянной массы. Затем образец разделялся на две равные части с помощью пилы. Измерительный датчик помещался между двумя поверхностями половинок образца (на стороне распила). Тепло передавалось от источника к термоэлементу через материал, который окружает датчик; повышение температуры термоэлемента измерялось как функция времени, что позволило рассчитать теплопроводность образца.
Плотность минеральных пен
Плотность во влажном состоянии (цементный раствор) измерялась взвешиванием кубиков во время заливки в них материала.
Плотность в сухом состоянии измерялась на высушенных образцах при температуре 45°С до достижения постоянной массы при одновременном сжатии кубиков.
Результаты
Результаты представлены в таблице 3.
Таблица 3
Минеральная пена
A
B
C
D
E
F
G
H
Водная пена
2
2
2
2
2
2
1
1
Рецептура раствора
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
Плотность минеральной пены во влажном состоянии (г/л)
110
114
113
106
113
109
110
110
Плотность минеральной пены в сухом состоянии (г/л)
72
73
69
н.и.
65
64
-
68
Стабильность (кубики)
стаб.
стаб.
стаб.
нестаб.
стаб.
стаб.
нестаб.
стаб.
Размер пузырьков (мм)
>2
1<х<2
1<х<2
-
1<х<3
1<х<2
-
1<х<2
Стабильность (колонки 16*32)
н.и.
стаб.
н.и.
-
н.и.
стаб.
-
н.и.
Лямбда(Вт/м·к)
0,043
н.и.
0,041
-
н.и.
н.и.
-
н.и.
н.и. = измерения не проводились
нестаб. = нестабильная пена
стаб. = стабильная пена
“нестабильная” означает, что пена разрушилась (осела).
Результаты показали, что все пены, полученные из цементных растворов, содержащих центры кристаллизации CSH, (II, III, V,VI и VIII) являются стабильными.
Кроме того, эти стабильные пены имели уменьшенный средний диаметр содержащихся в них воздушных пузырьков, что, как известно, ассоциируется с повышенной стабильностью пены.
Помимо этого, сравнение пен D и E и пен G и H, полученных из растворов, в которых единственным переменным является присутствие центров кристаллизации CSH, показывает роль последних в генерировании стабильной минеральной пены.