СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОБЕТОНА
RAW MATERIAL MIXTURE FOR PRODUCTION OF FOAM CONCRETE

Изобретение относится к области строительства, в частности к составам для получения пенобетона, предназначенного для устройства эффективных ограждающих конструкций.
Изобретение направлено на решение задачи повышения термической однородности и теплозащитных характеристик ограждающих конструкций из эффективных мелкоштучных элементов.
Известны составы цементных материалов с использованием в качестве наполнителя полых стеклянных, керамических, зольных, алюмосиликатных микросфер. Применение полых микросфер в цементных растворах и бетонах позволяет снизить среднюю плотность материала при достаточно высокой прочности.
3
Большинство технических решений в области строительных материалов, связанных с применением микросфер в цементных растворах, относится к сфере строительства нефтяных и газовых скважин, так как преимущественно в данной области техники требуется получение облегченных цементных растворов и достигается зримый экономический эффект. Так, известны тампонажные растворы с полыми стеклянными или алюмосиликатными микросферами в количестве 5…35%. Средняя плотность таких растворов составляет 800…1400 кг/м. Облегченные тампонажные растворы предназначены для цементирования нефтегазовых скважин и отличаются от патентуемой сырьевой смеси для получения цементного пенобетона с полыми микросферами областью применения, подвижностью и составами.
Известны строительные растворы с полыми микросферами. Так, в патенте RU 2263643 C1 (МПК C04B 28/04, C04B 111/20) представлен легкий композиционный материал для реставрационных работ. Сырьевая смесь включает, мас.%: портландцемент - 20,0…90,0, песок - не более 30,0, суперпластификатор на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом - не более 1,7, воду - 22,0…55,0, алюмосиликатные микросферы диаметром 50…250 мкм и толщиной стенки 2…10 мкм -10,0…80,0 и сополимер винилацетата - 1,0…4,0. Технический результат заключается в повышении качества ремонтно-восстановительных работ, как во внутренних помещениях, так и в условиях внешней окружающей среды.
В патенте RU 2304564 C2 (МПК C04B 28/04, C04B 111/70) описан вариант состава сухой штукатурной смеси для изготовления штукатурных растворов для внутренних и наружных штукатурных работ. Штукатурная смесь содержит, мас.%: портландцемент - 12,0…16,0, зольную микросферу - 5,0…25,0, известь строительную гидратную - 11,0…16,0, песок кварцевый необогащенный - 21,0…58,0, воду - остальное. Технический результат - получение штукатурного раствора, обладающего повышенной подвижностью.
В патенте CN 101643349 (МПК C04B 28/04) предложен теплоизоляционный кладочный раствор, содержащий, мас.%: портландцемент - 20…65, золу-унос - 5…50, гранулированный доменный шлак - 0…50, алюмосиликатные микросферы - 10…23, водоудерживающую добавку - 0,1…1, пластифицирующую добавку - 0,1…1, воду - остальное. Предлагаемое решение обеспечивает среднюю плотность раствора в высушенном состоянии 750...1000 кг/м, коэффициент теплопроводности 0,15…0,2 Вт/(м·°C), минимальную прочность при сжатии 5 МПа и линейную усадку менее 0,1%.
3
В патенте US 7658794 B2 (МПК C04B 14/24) описан фиброцементный строительный материал с облегчающими добавками. Сырьевая смесь содержит, мас.%: портландцемент - 5…80, воду, заполнитель (например, диатомиты, доменный шлак, зола-унос) - не более 80, целлюлозную фибру - 4, облегчающую добавку (вулканический пепел, полые керамические микросферы). Плотность цементного камня в высушенном состоянии составляет 500…1200 кг/м.
В патенте RU 2311397 C2 (МПК C04B 41/48, C09D 5/18, C09D 109/04, C09D 113/02) представлен состав для получения теплозащитных покрытий на основе кремнийсодержащих керамических полых микросфер, выдерживающих резкий перепад температур. Состав для получения теплозащитного покрытия, содержащий полые керамические микросферы в качестве наполнителя, полимерное связующее, технологическую добавку и воду, в качестве наполнителя содержит полые керамические микросферы с удельной массой 450-750 кг/м, твердостью по Моосу 5,0-6,0, со следующим распределением частиц по размерам, в мас.%: базовый диаметр 250…350 мкм - 30…62, диаметр 5…10 мкм - 15,0…20, диаметр 10…30 мкм - 5,0…30, диаметр 30…50 мкм - 5,0…30, диаметр 60…100 мкм - 8,0…10, диаметр 100…250 мкм - 5,0…10, в качестве полимерного связующего содержит латекс, выбранный из группы, включающей: модифицированный акрилацетатный латекс, 33…38%-ный латекс сополимера бутадиена, акрилонитрила и метакриловой кислоты, сополимер стирола и н-бутилакрилата в соотношении 1:1 по массе, в качестве технологической добавки состав содержит пеногаситель, выбранный из группы, включающей: силиконовые пеногасители, трибутилфосфат, полиэфирные производные жирных кислот, при следующем соотношении компонентов, в мас.%: вышеуказанные микросферы - 18…32, вышеуказанный пеногаситель - 0,01…1,0, вышеуказанное связующее - 8,0…12,0, вода - до 100. Технический результат - расширение ассортимента составов для получения теплозащитных покрытий, повышение теплозащитных, теплофизических характеристик покрытия при высокой однородности и прочности сцепления покрытия с основой, расширение области рабочих температур - от минус 60 до плюс 260°C.
Предлагаемая смесь для получения пенобетона отличается от перечисленных кладочных, штукатурных растворов и защитных покрытий назначением, наличием пенообразователя, предлагаемый пенобетон не содержит в своем составе песок, полимерные добавки, известь, активные минеральные добавки, фибру.
Известны сырьевые смеси для получения легких бетонов, содержащие в своем составе микросферы.
В патенте RU 2329998 C1 (МПК C04B 38/08) предложен состав сырьевой смеси для получения огнеупорного теплоизоляционного бетона с использованием керамических микросфер. Сырьевая смесь содержит, мас.%: алюмосиликатные полые микросферы - 15…40, высокоглиноземистый компонент (плотноспеченный боксит) - 40…56, высокоглиноземистый цемент 6…10, кианит 5…20, воду (сверх 100%) - 10…17,5, микрокремнезем - 3…5, пластификатор (сверх 100%) - 0,3…0,5. Технический результат заключается в повышении прочности при сжатии и получении не имеющего разупрочнения во всем интервале рабочих температур огнеупорного теплоизоляционного бетона. Описанный бетон не является пенобетоном, так как не содержит пенообразователя, этим он, в частности, отличается от предлагаемого пенобетона. Кроме того, предлагаемая сырьевая смесь для получения пенобетона не содержит высокоглиноземистый компонент, кианит, микрокремнезем, пластификатор, а вместо глиноземистого цемента содержит портландцемент.
Похожая разработка закреплена патентом RU 2289557 C1 (МПК C04B 38/08). Авторы патента предложили использовать для получения легкого теплоизоляционно-конструкционного бетона для ограждающих конструкций сырьевую смесь, включающую, мас.%: цемент - 24,9…29,3, полые микросферы - 29,8…35,1, кремнистую опал-кристобалитовую породу - опоку - 11,8…20,2, воду. Технический эффект выражается в повышении плотности и прочности бетона при сохранении коэффициента теплопроводности. Данный бетон также не относится к пенобетону, так как не содержит пенообразователя, чем отличается от предлагаемого пенобетона. Отличие также заключается в том, что предлагаемая сырьевая смесь для получения пенобетона не содержит активных минеральных добавок.
3
В патенте RU 2355656 C2 (МПК C04B 28/02, C04B 14/38, B82B 1/00, B82B 3/00, C04B 111/20) предложена бетонная смесь, включающая цемент, наполнитель, воду и базальтовое волокно диаметром 8-10 мкм и длиной 100-500 мкм, модифицированное веществом, выбранным из группы, включающей полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа, имеющие межслоевое расстояние 0,34-0,36 нм, средний размер частиц 60-200 нм и насыпную плотность 0,6-0,8 г/см, и многослойные углеродные нанотрубки, имеющие межслоевое расстояние 0,34-0,36 нм, взятым в количестве 0,0001-0,005 мас.ч. на одну мас.ч. базальтового волокна, причем в качестве наполнителя смесь содержит наполнитель, выбранный из группы, включающей смесь гравия с песком и смесь гравия с алюмосиликатными микросферами, и дополнительно бетонная смесь содержит пластификатор - полинафталинметиленсульфонат натрия при следующем соотношении компонентов (% масс): цемент 24…48, наполнитель 30…60, модифицированное базальтовое волокно 2…6, пластификатор 0,9…1,1, вода остальное. Технический результат определяется получением бетона с повышенными прочностными показателями и водостойкостью. Описанный состав также не относится к пенобетону. Предлагаемая сырьевая смесь для получения пенобетона не содержит базальтовое волокно, пластификатор, крупный заполнитель.
2
3
В патенте RU 2186749 C2 (МПК C04B 38/10, C04B 40/00) описан способ изготовления пенобетонных изделий с использованием зольных микросфер в качестве наполнителя, который включает заливку в форму и отверждение пенобетонной смеси, приготовленной перемешиванием цемента, зольного заполнителя и предварительно приготовленной пены из водного раствора воздухововлекающей добавки, отличается от известного тем, что пену готовят путем взбивания водного раствора воздухововлекающей добавки с воздухом в соотношении расходов от 1:9 до 1:11 соответственно, в полученную пену последовательно, при непрерывном перемешивании вводят диспергированный мел с удельной поверхностью 700…1200 см/г, зольный заполнитель, в качестве которого используют микросферы - наиболее легкую фракцию золы-уноса тепловых электростанций плотностью 300…500 кг/м и затем цемент, при этом соотношение компонентов в пенобетонной смеси следующее, мас.%: воздухововлекающая добавка 0,06…0,08, диспергированный мел 7…9, микросферы 4…11, цемент 36…43, вода - остальное. Технический результат: получение пенобетонов с низкой плотностью и повышенными теплоизоляционными свойствами и трещиностойкостью. Отличие предлагаемой сырьевой смеси заключается в большем расходе микросфер, соответственно в достижении более низкой средней плотности, отсутствии минеральных добавок и принципиально иной технологии вспенивания смеси.
В патенте RU 2312090 предложен способ получения теплоизоляционного строительного материала, содержащего минеральное связующее и наполнитель в виде замкнутых негорючих полых микросфер размером 15-100 мкм с нулевым водопоглощением со средним размером 50 мкм и с насыпной плотностью 350…450 кг/м, а также воду, причем минеральное связующее и наполнитель содержатся в количестве 34…38 и 16…20 соответственно процентов к массе материала, а вода - остальное. Технический результат заключается в снижении расслаиваемости смеси, водопоглощения и теплопроводности получаемого материала, повышении его прочности при снижении удельного веса и морозостойкости, обеспечении экологической чистоты и негорючести получаемого материала, снижении себестоимости с одновременным расширением диапазона применения. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Сырьевая смесь для получения пенобетона включает в себя: портландцемент, наполнитель - полые керамические микросферы, протеиновый пенообразователь и воду затворения.
В качестве вяжущего вещества применялся портландцемент ПЦ 500-Д0 Старооскольского цементного завода, соответствующий ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия». Минеральный состав портландцемента ПЦ 500-Д0: алит - 61,0…64,0; белит - 17,0…20,1; трехкальциевый алюминат - 3,55…3,8; четырехкальциевый алюмоферрит - 12,0…14,0%.
3
2
2
2
2
3
2
3
2
2
3
Наполнитель представляет собой полые керамические микросферы -KMC производства Фирмы «Стройтек» (г. Ногинск, Московская область) по ТУ-6-48-108-94. Насыпная плотность микросфер - 320…370 кг/м. Истинная плотность - 750 кг/м. Средняя плотность материала оболочки микросферы - 2450 кг/м. Диапазон размеров находится в пределах 40…100 мкм. Наличие в составе смеси микросфер размером менее 60 мкм и более 250 мкм ограничено и не превышает 10%, коэффициент теплопроводности микросфер 0,08 Вт/(м·°C) при 200°C.Состав внутренней газовой фазы CO ~ 70%, N ~ 30%. Предел прочности на сжатие - 15…29 МПа. Твердость оболочки по шкале Мооса 5…6. Усредненный химический состав KMC: SiO - 55…59%, AlO - 27…31%, FeO - 4,6…5,5%, KO - 3,2…3,7%, NaO - 1,0…2,0%, CaO - 1,1…1,8%, MgO - 1,3…1,7%, SO -0,05…0,1%.
В качестве пенообразователя применялся протеиновый пенообразователь Biofoam, который изготавливается с применением гидролизатов белоксодержащего сырья, стабилизирующих и функциональных добавок. По внешнему виду представляет собой однородную темно-коричневую прозрачную жидкость. Кратность пены рабочего раствора с объемной долей пенообразователя 3% - не менее 10. Устойчивость пены кратностью 10±1 через 60 мин - не менее 90%.
В качестве жидкости затворения использована водопроводная вода.
Соотношение компонентов сырьевой смеси, в % от общей массы сырьевой смеси, следующее:
Портландцемент -
44,44…53,47%
Полые керамические микросферы -
10,69…17,78%
Протеиновый пенообразователь -
0,025…0,03%
Вода
остальное
Таблица 1
Свойства пенобетона с полыми керамическими микросферами
№
Доля компонентов раствора (% от массы цемента)
Доля компонентов раствора (% от массы сырьевой смеси)
ρ<sub>р</sub>, кг/м
Сроки схватывания, ч-мин
ПЦ
KMC
Вода
ПО
ПЦ
KMC
Вода
ПО
начало
конец
1
100
20
67
0,056
53,47
10,69
35,81
0,03
900
1-00
1-20
2
100
40
85
0,056
44,44
17,78
37,755
0,025
700
2-00
2-25
3
прототип
36
18
46
-
1400
0-40
1-10
Примечания: ρ<sub>p</sub> - средняя плотность смеси; ПЦ - портландцемент; КМС - полые керамические микросферы; ПО - протеиновый пенообразователь.
Таблица 2
Физико-механические и теплофизические свойства пенобетона с керамическими микросферами
№
Состав раствора, мас.%
ρ<sub>p</sub>, кг/м<sup>3</sup>
ρ<sub>o</sub>, кг/м
R<sub>b</sub>, МПа
R<sub>btf</sub>, МПа
λ<sub>выс</sub>, Вт/(м·°C)
1
ПЦ - 53,47 KMC - 10,69ПО - 0,03 Вода - 35,81
900
603
2,3
1,2
0,08
2
ПЦТ - 44,44 KMC - 17,78ПО - 0,025 Вода - 37,557
700
402
2,04
1,1
0,07
12
Прототип:ПЦТ - 36KMC - 18Вода - 46
1400
800
2,5
1,3
0,35
Примечания: ρ<sub>p</sub> - средняя плотность смеси;ρ<sub>o</sub> - средняя плотность высушенного образца;R<sub>b</sub> - предел прочности на сжатие;R<sub>btf</sub> - предел прочности на растяжение при изгибе;λ<sub>выс</sub> - теплопроводность образца в высушенном состоянии
Пенобетон с керамическими микросферами приготавливается с использованием традиционного смесительного оборудования.
3
Технический эффект - получение пенобетона с KMC средней плотностью в высушенном состоянии 400…600 кг/м в зависимости от расхода микросфер и их насыпной плотности с прочностью пенобетона на растяжение при изгибе - не ниже 1,1 МПа и при сжатии - не ниже 2 МПа в возрасте 28 сут. Коэффициент теплопроводности пенобетона с KMC в сухом состоянии 0,07…0,08 Вт/(м·°C).
Пенобетоны с KMC имеют повышенную однородность во времени: не расслаиваются, отсутствует всплытие микросфер и отстой воды. Такие пенобетоны не требуют обязательного использования высокомолекулярных полимерных стабилизирующих добавок. Свойства пенобетонов предлагаемых составов выгодно отличаются от аналогичных составов по более высокой прочности водопотребности и трещиностойкости, более низкой теплопроводности. Разработанный пенобетон можно использовать для эффективной теплозащиты ограждающих конструкций зданий.
Применение предлагаемого энергоэффективного теплозащитного материала дает возможность значительно снизить трудовые, энергетические, материальные и финансовые затраты при строительстве, повысить надежность при эксплуатации.