ГИДРОФОБИЗИРУЮЩИЙ ГРАНУЛИРОВАННЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ ДЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ, СОСТАВ БЕТОННОЙ СМЕСИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕКОРАТИВНЫХ БЕТОННЫХ ФАСАДНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ДЕКОРАТИВНОЕ БЕТОННОЕ ФАСАДНОЕ ИЗДЕЛИЕ
HYDROPHOBIC GRANULATED FILLER FOR CONCRETE MIXTURE, COMPOSITION OF CONCRETE MIXTURE FOR OBTAINING DECORATIVE CONCRETE FACADE PRODUCTS, DECORATIVE CONCRETE FACADE PRODUCTS

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для получения декоративных бетонных фасадных изделий, твердеющих при тепловлажностной обработке.
2
Известны бетонные фасадные изделия, получаемые из бетонной смеси с водоцементным отношением 0,2-0,4, где в качестве вяжущего используется предварительно молотая до удельной поверхности 3000-5000 см/г смесь, мас. %: портландцемент 80-97; С-3 0,5-2,0; расширяющая добавка 2,5-18. Полученное вяжущее перемешивают с песком, функциональными добавками и водой затворения. Смесь формуют «лицом вниз» путем заливки бетонной смеси в формы и вибрирования. Изделия выдерживают до набора бетоном распалубочной прочности, а затем осуществляют их распалубку [Патент RU №2245784 С2, МПК В28В 1/14, 7/02, С04В 28/02, 7/52, опубл. 10.02.2005, бюл. №4].
2
3
Известно бетонное строительное изделие со сниженными теплопроводностью и водопроницаемостью, повышенной прочностью, получаемое с использованием гранулированного композиционного заполнителя. Гранулированный композиционный заполнитель для бетонных изделий размером 0,5-10,0 мм, состоящий из ядра и оболочки, где ядро получено гранулированием смеси совместно молотых до удельной поверхности 150-250 м/кг диатомита и гидроксида натрия при их массовом соотношении 0,70-0,95:0,05-0,30 со связкой - водным раствором силиката натрия плотностью 1,2-1,3 г/см в количестве 0,1-7,0 мас. % от смеси, а оболочка сформирована на поверхности ядра его окатыванием сухой пылевидной смесью совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого в массовом соотношении 0,85-0,95:0,05-0,15 с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа, отличающийся тем, что после указанного окатывания осуществляют дополнительно распыление 40%-ного водного раствора глиоксаля в количестве 1,0-8,0 мас. % (на 100%-ное вещество) от массы компонентов оболочки. [Патент RU №2530816 С1, МПК С04В 20/00, С04В 28/04, С04В 111/27, опубл. 10.10.2014, бюл. №28].
Недостатками предложенных решений является невысокая прочность изделий, невозможность получения тонких декоративных изделий.
2
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ получения бетонных строительных изделий и бетонное строительное изделие с использованием гидрофобизирующего гранулированного заполнителя на основе кремнеземистого сырья. Гидрофобизирующий гранулированный заполнитель для бетонной смеси, выполненный в виде гранул, состоящих из ядра и оболочки, где ядро получено гранулированием смеси совместно молотых до удельной поверхности 250-450 м/кг компонентов: 1. опоки или золы-уноса; 2. стеарата кальция или ГКЖ-11 БСП, 3. гидроксида натрия, со связкой - водным раствором силиката натрия. Защитная оболочка формируется на поверхности ядра путем опудривания в сухой пылевидной среде портландцемента или шлакопортландцемента с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа. Бетонная смесь для изготовления строительных изделий, включает мас. %: указанный заполнитель 10-40; вяжущее 15-25; кварцевый песок 30-50; Полипласт СП-1 0,05-0,15; вода остальное. Способ получения бетонных строительных изделий включает смешение компонентов вышеуказанной бетонной смеси, формование строительных изделий, выдержку в формах и последующую тепловлажностную обработку изделий при атмосферном давлении и температуре 70-90°С [Патент RU №2602436 С1, МПК С04В 20/00, С04В 28/04, С04В 40/02, C04B 111/27, опубл. 20.11.2016, бюл. №32].
Недостатками бетонного изделия по прототипу является низкая прочность изделий, что снижает долговечность конструкций, низкие декоративные характеристики, в частности, невозможность получения изделий с широкой гаммой цветов. Не уделено внимание повышению морозостойкости. Низкое водопоглощение не позволяет обеспечить достаточную адгезию к кладочному раствору.
Стоит отметить, что при производстве и использовании декоративных бетонных фасадных изделий одним из важных условий является обеспечение высокой прочности их сцепления с кладочным раствором, что определяет целостность и долговечность отделочного слоя.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении прочности на сжатие, растяжение при изгибе и раскалывании, прочности сцепления с кладочным раствором (адгезии) и морозостойкости декоративного бетонного фасадного изделия с использованием разработанного гидрофобизирующего гранулированного заполнителя.
Это достигается тем, что: гидрофобизирующий гранулированный заполнитель для бетонной смеси выполнен в виде гранул размером 0,16-2,5 мм, состоит из ядра и оболочки, где ядро получено скатыванием при перемешивании в лопастной мешалке тонкомолотого диатомита при опрыскивании смесью 50-% водного раствора щелочи с водным раствором силиката натрия при следующем соотношении диатомита, щелочи -гидроксида натрия и водного раствора силиката натрия: 0,67-0,82:0,09-0,165:0,09-0,165, а защитная оболочка сформирована на влажной поверхности ядра путем опудривания в сухой пылевидной смеси белого портландцемента с пигментом в лопастной мешалке, последующим отсеиванием полученных гранул и их опрыскиванием этилсиликатом-40 при следующем соотношении белого портландцемента, пигмента и этилсиликата-40: 0,75-0,85:0,01-0,07:0,14-0,18. Бетонная смесь для изготовления декоративных бетонных фасадных изделий включает гидрофобизирующий гранулированный заполнитель, вяжущее, мелкий заполнитель - кварцевый песок, воду, суперпластификатор - Полипласт СП-1, содержит в своем составе вышеуказанный гидрофобизирующий гранулированный заполнитель, в качестве вяжущего белый портландцемент, неорганический пигмент, фиброволокно, при следующем соотношении компонентов, мас. %: гидрофобизирующий гранулированный заполнитель 10-40; белый портландцемент 20-25; пигмент 0,5-1,5; кварцевый песок 28-48; Полипласт СП-1 0,07-0,17; фиброволокно 0,1-0,15; вода остальное. Декоративное бетонное фасадное изделие получено из вышеуказанной бетонной смеси.
Для получения гидрофобизирующего гранулированного заполнителя использовали:
1) в качестве материалов ядра:
2
2
3
2
3
2
2
3
2
2
5
- кремнеземный компонент - порошок диатомитовый тонкодисперсный Diasil (ТУ 5716-013-25310144-2008). Химический состав, мас. %: SiO - 86,81; AlO - 5,91; FeO - 2,67; MgO + CaO - 2,76; KO+NaO - 1,457; SO - 0,007; TiO - 0,278; PO - 0,040; п.п.п. - 0,068. Удельная поверхность 11,2 м /г.
- гидроксид натрия по ГОСТ 2263-79;
3
- водный раствор силиката натрия (жидкое стекло) по ТУ 2385-001-54824507-2000 плотностью 1,2-1,3 г/см;
2) в качестве материалов оболочки:
- белый портландцемент ПЦБ 2-400-ДО производства группы компаний UNIS (Россия) по ГОСТ 965-89. Белый портландцемент без добавок, 2 сорта, марки 400. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут не менее 39,2 МПа. Коэффициент отражения света не менее 75%;
2
3
2
2
3
- пигмент неорганический концерна Bayer (Германия) «Bayferrox» 610 (коричневый); синтетический оксид железа; состав FeO 90-94%. SiO+Al0 не более 3%, потери при прокаливании не более 4%; средний размер частиц 0,1-0,6 мкм; CAS-номер 1309-37-1 / 1317-61-9 / 51274-00-1, http://bayfeirox.com/en/products-applications-bfx/product-search/bayfe [дата обращения 05.09.2017];
- этилсиликат-40 - гомогенная смесь олигоэтоксисилоксанов по ГОСТ 26371-84, ТУ 2435-427-05763441-2004. Массовая доля тетраэтоксисилана 10-15%, массовая доля двуокиси кремния 40-42%, плотность при 20°С 1,05-1,07 г/см, оптическая плотность (400 нм) не более 1,4.
Для получения бетонных смесей с указанным гидрофобизирующим гранулированным заполнителем использовали:
1. вяжущее - белый портландцемент, указанный выше (п.2);
2. пигмент неорганический концерна Bayer (Германия) «Bayferrox» 610 (коричневый), указанный выше (п. 2);
3. мелкий заполнитель - песок кварцевый строительный производства ООО «Формматериалы», г. Воронеж по ГОСТ 8736-93;
4. дисперсный компонент - фиброволокно из поливинилового спирта производства фирмы Kuraray - Kuralon К II RESC 15/8, диаметр волокна 38 мкм, длина фиброволокна 8 мм, прочность на растяжение 1600 МПа, прочность на изгиб 40 ГПа, http://www.kuraray.co.jp/kii/english/ [дата обращения 05.09.2017];
5. суперпластификатор Полипласт СП-1 по ТУ 5870-005-58042865-05;
6. вода водопроводная по ГОСТ 23732-2011.
Пример (табл. 1, №1). Приготовление ядер гидрофобизирующего гранулированного заполнителя. Готовили щелочной раствор для опрыскивания: смешивали 0,5 л воды, 0,5 кг гидроксида натрия. Охлаждали до комнатной температуры. В раствор добавляли 0,5 кг водного раствора силиката натрия. Полученным раствором опрыскивали 2,5 кг диатомита, перемешивающегося в лопастной мешалке. Скоростью вращения и глубиной погружения смесителя регулировали диаметр получаемых ядер.
Получение защитной оболочки на ядрах. После формирования гранул в мешалку добавляли смесь 1,25 кг белого портландцемента с 0,025 кг неорганического пигмента. Процесс смешивания продолжался без опрыскивания для осуществления накатывания оболочки. Затем остатки смеси белого портландцемента с пигментом отсеивались на сите с размером ячейки 0,16 мм, а полученный заполнитель равномерно опрыскивался 0,25 кг этилсиликата-40. Заполнитель выдерживался не менее 1 суток до использования в составе бетонной смеси.
Приготовление бетонной смеси. Дозировку компонентов производили весовым способом. Смешивание компонентов осуществлялось в смесителе в следующем порядке:
1. 9,65 кг кварцевого песка с 0,30 кг пигмента,
2. 5,03 кг белого портландцемента,
3. 2,01 кг гидрофобизирующего гранулированного заполнителя,
4. 3,05 кг воды с 0,03 кг суперпластификатора - Полипласт СП-1 (предварительно растворяется в воде);
5. 0,03 кг фиброволокна.
Процесс формования изделий сопровождали вибрированием. Через 10 часов предварительного твердения тепловлажностную обработку бетонных образцов производили в пропарочной камере при атмосферном давлении по режиму 2+6+2 часа и температуре изотермической выдержки 80°С, таким образом, приготовление бетонной смеси, формовку образцов и их тепловлажностную обработку производили по стандартной методике [Гершберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. - М.: Стройиздат, 1971. - С. 98-102, 305-313].
2
Преимущество использования в составе бетонной смеси предложенного гидрофобизирующего гранулированного заполнителя заключается в повышении прочности и морозостойкости бетонных изделий. В отличие от прототипа, в предложенном техническом решении щелочная активность диатомита сохраняется вплоть до момента тепловлажностной обработки декоративного бетонного фасадного изделия. Это обеспечивает формирование большего количества раствора полисиликатов натрия при реакции диатомита и гидроксида натрия в процессе производства изделий, а, следовательно, приводит к увеличению их прочности и морозостойкости в результате равномерной пропитки вышеуказанным раствором. При получении же гидрофобизирующего гранулированного заполнителя по прототипу совместный помол кремнеземистого сырья и гидроксида натрия приводит к частичному протеканию реакции взаимодействия SiO и NaOH за счет повышения температуры в объеме смеси, что негативно сказывается на реакционной способности гидрофобизирующего гранулированного заполнителя при тепловлажностной обработке бетона.
При перемешивании бетонной смеси с фиброволокном в ее объем вовлекается дополнительное количество воздуха, что обеспечивает формирование равномерно распределенной микро- и нанопористости, выступающей демпфером при замерзании воды в объеме материала.
При тепловлажностной обработке изделия в ядре заполнителя происходит реакция между кремнеземным и щелочным компонентами с образованием раствора полисиликатов натрия, который через защитную оболочку гидрофобизирующего гранулированного заполнителя попадает в бетонную матрицу, пропитывает ее и придает гидрофобные свойства. Присутствие этилсиликата-40 в составе оболочки гидрофобизирующего гранулированного заполнителя способствует отверждению раствора полисиликатов натрия после тепловлажностной обработки декоративного бетонного фасадного изделия, повышению его прочности и морозостойкости. Система «раствор полисиликатов натрия - этилсиликат-40» распределяется в объеме бетонной матрицы, оседает на поверхности пор и пустот конечного изделия, гидрофобизируя их, что предохраняет изделие от избыточной циркуляции воды.
Вводимое фиброволокно повышает устойчивость материала к растрескиванию, что позволяет ему выдерживать большее количество циклов замораживания-оттаивания без потери прочности. Формируемая пористость обеспечивает также лучшую адгезию кладочного раствора к изделию.
У полученных образцов определяли прочность по ГОСТ 10180, прочность сцепления (адгезию) по ГОСТ 31356, морозостойкость по ГОСТ 10060.
Анализ результатов испытаний свойств образцов бетонных строительных изделий (табл. 1) показал, что применение в составе бетонной смеси разработанного гидрофобизирующего гранулированного заполнителя, белого портландцемента, пигмента, кварцевого песка, Полипласта СП-1, фиброволокна и воды согласно предложенному техническому решению (в указанных выше соотношениях) позволяет получать бетонные строительные изделия с высокой прочностью: на сжатие, на растяжение при изгибе, на растяжение при раскалывании, сцепления (адгезии); морозостойкостью. Наилучшие результаты по показателям прочности на сжатие, прочности на растяжение при изгибе, прочности на растяжение при раскалывании, прочности сцепления (адгезии), морозостойкости наблюдаются у образцов №1 и №2. По сравнению с прототипом прочность на сжатие образца состава №1 увеличивается на 8%, состава №2 - на 2%. Значения прочности на растяжение при изгибе, прочности на растяжение при раскалывании, прочности сцепления (адгезии), морозостойкости не указаны для прототипа, однако, достигнутые результаты для составов №1 и №2 превышают показатели изделий, представленных в других технических решениях. Образцы составов №3 и №4 по своим характеристикам значительно хуже прототипа. Снижение количества гидрофобизирующего гранулированного заполнителя менее 10 мас. % не обеспечивает достаточную пропитку матрицы раствором полисиликатов натрия, что неблагоприятно для фасадных изделий, так как не обеспечивает достаточной защиты от миграции атмосферной влаги, и как следствие снижает морозостойкость и долговечность. Повышение количества гранулированного заполнителя более 40 мас. % приводит к росту пористости композита, а, следовательно, снижению прочности. Варьирование содержания неорганического пигмента в пределах 2-7,5% от массы белого портландцемента в составе оболочки гидрофобизирующего гранулированного заполнителя, а также в составе бетонной смеси для фасадного изделия позволяет варьировать его цвет. Снижение содержания фиброволокна менее 0,1 мас. % смеси не приводит к формированию достаточной пористости, что снижает морозостойкость изделий и адгезию к кладочному раствору, не обеспечивает достаточного повышения прочности изделий, что требует увеличения их толщины для обеспечения достаточной прочности для эксплуатации. Увеличение содержания фиброволокна выше 0,15 мас. % смеси повышает пустотность изделий и негативно сказывается на внешнем виде, структура изделия неравномерна, физико-механические характеристики снижаются.
Использование предложенного технического решения позволяет получить следующие положительные результаты:
1. Повышение морозостойкости.
2. Улучшение взаимодействия изделий с кладочным раствором, т.е прочности сцепления (адгезии).
3. Повышение декоративных характеристик изделия, получение широкой палитры их цветов. Смесь «белый портландцемент - пигмент» должна быть использована не только в качестве вяжущего, но и в качестве материала оболочки гидрофобизирующего гранулированного заполнителя.
4. Повышение прочности, гибкости изделий и обеспечение возможности достижения низкой толщины изделий без трещинообразования для расширения областей их использования.
5. Снижение трудо- и энергоемкости, упрощение технологии производства гидрофобизирующего гранулированного заполнителя и конечных изделий на его основе за счет использования тонкодисперсного диатомита при получении, а также лопастной мешалки вместо гранулятора.
6. Использование фиброволокна из поливинилового спирта наиболее благоприятно для щелочной среды, формируемой при реакции в ядре гидрофобизирующего гранулированного заполнителя и объемной пропитке бетонного изделия. Предлагаемое фиброволокно обладает стойкостью к УФ излучению, что обусловливает возможность его использования в фасадных изделиях.
Таким образом, представленное техническое решение в виде гидрофобизирующего гранулированного заполнителя и составов бетонных смесей позволяет получить декоративное бетонное фасадное строительное изделие с прочностью на сжатие 52-55 МПа, прочностью на растяжение при изгибе 4,2-6,2, прочностью сцепления 3,5-3,7 МПа и маркой по морозостойкости 200-300 циклов.
Получаемое декоративное бетонное фасадное изделие для промышленного и гражданского строительства характеризуется высокой адгезией к кладочному раствору, а также улучшенными прочностными характеристиками и морозостойкостью, что особо актуально при производстве тонкостенных бетонных изделий, эксплуатируемых на открытом воздухе во влажной среде и определяет целостность и долговечность отделочного слоя.