КОМПОЗИЦИОННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
COMPOSITE CONSTRUCTION MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к составу композиционных строительных материалов, включающих цементную матрицу, армированную целлюлозосодержащими материалами, и может быть использовано в промышленности строительных материалов при изготовлении сборных, монолитных и сборно-монолитных бетонных и железобетонных конструкций, изделий для зданий и сооружений различного назначения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна армированная волокном цементная композиция, модифицированная полимером. Указанная композиция содержит смесь 0,1-15% эмульсии полимера (в расчете на сухой остаток) с температурой стеклования -25-(+150)°, цемента, целлюлозных волокон, песка и воды. Так, например, композит получают из смеси, содержащей, масс. ч.: 200 песка, 100 цемента, 30 волокон, 44 воды и 10 полимера, содержащего 4% ПАВ. Введение устойчивого к цементу полимера повышает прочность на изгиб композита после отверждения в автоклаве почти в 2 раза [Polymer-modified fiber-cement composition: Патент США 7148270. Опубл. 12.12.2006 г.].
Однако процесс формования композита из этой смеси требует длительного времени: в течение 1 недели удаляют воду сушкой при 25°C и 55% относительной влажности, затем обрабатывают в автоклаве при температуре на 10° выше температуры стеклования полимера (например, 7 ч при 170° для акрилового сополимера).
Известен фиброцементный композиционный материал [Fiber cement composite materials using cellulose fibers loaded with inorganic and/or organic substances: Патент США 6676744. Опубл. 13.01.2004 г.] с целлюлозными волокнами, заполненными неорганическими и/или органическими веществами, содержащий цементную матрицу, в которой распределены целлюлозные волокна, поры которых частично заполнены преимущественно нерастворимыми неорганическими или органическими веществами, препятствующими прониканию воды, в котором исходные компоненты взяты в следующих соотношениях, масс.%:
Цементное связующее
10-80
Заполнитель
20-80
Модификатор плотности
0-50
Целлюлозные волокна, заполненные неорганическими
или органическими веществами
0,5 20
Добавки
0-10
Вода
до 100
Однако данный композиционный материал имеет недостаточно высокие показатели: предел прочности при сжатии; прочность при растяжении при изгибе; модуль упругости, осадка конуса и удобоукладываемость, а также включает дополнительную операцию по заполнению целлюлозных волокон неорганическими и/или органическими материалами.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, то есть прототипом, является композиционный строительный материал, предназначенный для изготовления бетонных изделий [Композиционный строительный материал: Патент РФ 2410345. Опубл. 27.01.2011 г.], содержащий цементное связующее, заполнитель, модификатор плотности, лигноцеллюлозные материалы и добавку, который в качестве модификатора плотности содержит концентрированные отходы производства капролактама, в качестве лигноцеллюлозных материалов - отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов и представляющие собой целлюлозосодержащие отходы агропромышленного комплекса, а в качестве добавки - сухую барду при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Цементное связующее
17-25
Заполнитель
50-65
Модификатор плотности
0,5-2
Лигноцеллюлозные материалы
2,45-13,75
Добавка
1-3
Вода
до 100
Для приготовления композиционного строительного материала используют следующие ингредиенты:
- цементное связующее: портландцемент и шлакопортландцемент, цемент для строительных растворов, цементы сульфатостойкие;
- заполнитель: гравий и песок керамзитовые, гравий шунгизитовый, природные и дробленые пески, песок для строительных работ, щебень и песок из пористых горных пород, смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов;
- модификатор плотности: концентрированные отходы производства капролактама;
- лигноцеллюлозные материалы: древесные опилки, лузга подсолнечника, измельченные стебли топинамбура, солома, содержащие соли тяжелых металлов, например, сульфаты, хлориды, нитраты, ацетаты Cu(II), Zn(II), Cd(II), Ni(II), Fe(II) и др.;
- добавка: сухая барда, представляющая собой отход при выработке этилового спирта из смеси пшеницы и ржи - коричневый мелкодисперсный порошок темно-коричневого цвета с приятным (хлебным) запахом, содержащий белковую (до 30%) и целлюлозную (около 13-21%) составляющие;
- вода для бетонов и растворов.
Недостатками прототипа являются недостаточно высокие: предел прочности при сжатии; осадка конуса; прочность на растяжение при изгибе; модуль упругости и высокое водопоглощение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Задачей изобретения является создание состава композиционного строительного материала для изготовления бетонных изделий, позволяющего повысить предел прочности при сжатии; осадку конуса; прочность на растяжение при изгибе; модуль упругости и снизить водопоглощение.
Поставленная задача решена композиционным строительным материалом, содержащим цементное связующее, заполнитель, лигноцеллюлозные материалы и добавку, который в качестве добавки содержит смесь низкомолекулярного полиэтилена и мочевины в соотношении 1:1 и дополнительно содержит неионогенное ПАВ при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Цементное связующее
20-30
Заполнитель
44-56
Неионогенное ПАВ
0,5-2
Лигноцеллюлозные материалы
5-12
Смесь низкомолекулярного полиэтилена и мочевины
в соотношении 1:1
0,5-3,5
Вода
до 100
Для приготовления заявленного цементного композиционного строительного материала, предназначенного для изготовления бетонных изделий, используют следующие ингредиенты:
- Цементное связующее: портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия. [ГОСТ 10178-85]; цемент для строительных растворов. Технические условия. [ГОСТ 25328-82]; цементы сульфатостойкие. Технические условия. [ГОСТ 22266-94].
- Заполнитель: гравий и песок керамзитовые. Технические условия. [ГОСТ 9759-76]; гравий шунгизитовый. Технические условия. [ГОСТ 19345-73]; природные и дробленые пески. Технические условия. [ГОСТ 8736-77 и ГОСТ 10268-80]; песок для строительных работ. Технические условия. [ГОСТ 8736-93]; щебень и песок из пористых горных пород. Технические условия. [ГОСТ 22263-76]; смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия. [ГОСТ 25592-91].
3
6
- Неионогенное ПАВ поливинилпирролидон - аморфный линейный полимер с молекулярной массой от 10 до 10. Гигроскопичен, растворим в воде, нетоксичен, имеет сродство к органическим полимерам.
Водные растворы обладают слабокислой реакцией (pH 5) [ТУ 9365 002-46270704-2001. Поливинилпирролидон высокомолекулярный «Полидон»]. Полидон представляет собой воднополимерный состав в виде золя или геля высокомолекулярного поливинилпирролидона.
- Лигноцеллюлозные материалы: древесные опилки, лузга подсолнечника, измельченные стебли топинамбура, солома, содержащие соли тяжелых металлов, например, сульфаты, хлориды, нитраты, ацетаты Cu(II), Zn(II), Cd(II), Ni(II), Fe(H) и др.
2
2
- Добавка: смесь низкомолекулярного полиэтилена НМПЭ-1 (отходы производства полиэтилена высокого давления) - [ТУ 2211-060-00203521 - 2002] и мочевины (карбамид) (Технические условия [ГОСТ 2081-92] - (NH)(CO)) в соотношении 1:1.
- Вода для бетонов и растворов. Технические условия. [ГОСТ 23732-79].
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТИЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1
В смеситель загружают цементное связующее 20 масс.% и заполнитель 56 масс.% и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 7 масс.% и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят неионогенное ПАВ Полидон 1,5 масс.% и лигноцеллюлозные материалы, представляющие собой отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов (древесные опилки) 12 масс.% и смесь низкомолекулярного полиэтилена и мочевины в соотношении 1:1-3,5 масс.%, после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24 ч при температуре +130°C с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.
Пример 2
В смеситель загружают цементное связующее 23 масс.% и заполнитель 57 масс.% и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 7 масс.% и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят неионогенное ПАВ Полидон 1 масс.%, лигноцеллюлозные материалы, представляющие собой отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов (измельченные стебли топинамбура) 10 масс.% и смесь низкомолекулярного полиэтилена и мочевины в соотношении 1:1-2 масс.%, после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 36 ч при температуре +5°C с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.
Пример 3
В смеситель загружают цементное связующее 30 масс.% и заполнитель 50 масс.% и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 11 масс.% и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят неионогенное ПАВ Полидон 0,5 масс.%, лигноцеллюлозные материалы, представляющие собой отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов (короткое льняное волокно) 8 масс.%, и смесь низкомолекулярного полиэтилена и мочевины в соотношении 1:1-0,5 масс.%, после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 28 ч при температуре +100°C с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.
Пример 4
В смеситель загружают цементное связующее 22 масс.% и заполнитель 60 масс.% и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 10 масс.% и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят неионогенное ПАВ Полидон 0,8 масс.%, лигноцеллюлозные материалы, представляющие собой отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов (лузга подсолнечника) 5 масс.% и смесь низкомолекулярного полиэтилена и мочевины в соотношении 1:1-2,2 масс.%, после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 30 ч при температуре +75°C с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.
Пример 5
В смеситель загружают цементное связующее 28 масс.% и заполнитель 44 масс.% и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 12 масс.% и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят неионогенное ПАВ Полидон 2 масс.%, лигноцеллюлозные материалы, представляющие собой отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов (солома) 11 масс.% и смесь низкомолекулярного полиэтилена и мочевины в соотношении 1:1-3 масс.%, после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 32 ч при температуре +50°C с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.
Заявляемый композиционный строительный материал, а также бетоны на его основе были испытаны по следующим показателям: осадка конуса бетонной смеси - по [ГОСТ 10181-2000: Смеси бетонные. Методы испытаний]; предел прочности при сжатии (через 3, 7 и 28 суток) и прочность на растяжение при изгибе - по [ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам]; модуль упругости - по [ГОСТ 24452-80. Бетоны. Методы испытаний].
В таблице приведены результаты испытаний составов заявленного композиционного строительного материала и состава-прототипа.
Из таблицы видно, что при испытании образцов бетонов, изготовленных из заявляемого композиционного строительного материала, такие показатели, как предел прочности при сжатии, прочность на растяжение при изгибе, модуль упругости и осадка конуса возрастают в среднем на 5-14%; водопоглощение снижается на 40-47% по сравнению с прототипом.
Заявленный композиционный строительный материал сохраняет все преимущества прототипа, такие как хорошие огнезащитные свойства, низкая скорость адсорбции воды и пониженная водопроницаемость за счет присутствия в целлюлозосодержащих материалах солей металлов, так как эти вещества проникают вглубь волокон и ингибируют миграцию воды в цементном композиционном материале. Присутствие ионов металлов придает также инсектофунгицидные и бактерицидные свойства. Добавка, содержащая низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ) и мочевину, дополнительно придает бетону гидрофобные (водоотталкивающие) и пластические свойства, а Полидон способствует стабилизации дисперсной системы.