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 [Polymer-modified fiber-cement composition: Патент США 7148270. Опубл. 12.12.2006 г.]. 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, мас.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.
Однако процесс формования композита из этой смеси требует длительного времени: в течение 1 недели удаляют воду сушкой при 25°С 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 обрабатываемый механическим способом легкий бетонный конструкционный строительный материал на основе волокон текстильных агав [Machinable light weight sisal-based concrete structural building material: Патент США 6881257. Опубл. 19.04.2005]. Бетон содержит 22-33 об.% обработанных коротких (длиной 1,9-5 см) волокон текстильных агав (сизаль), 12-22 об.% цемента и 51-59 об.% легкого минерального вещества (перлит). Метод включает следующие стадии: смешение цемента и перлита с образованием твердой смеси, добавление воды и ее перемешивание с твердой смесью с образованием густой массы, добавление волокон сизаля и их перемешивание с густой массой до образования однородной конечной композиции, выливание конечной композиции в форму и ее отверждение с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.
Однако на территории России агавы культивируются только в южных регионах (Черноморское побережье Кавказа, Южный берег Крыма) как декоративное растение, поэтому использование сизаля при изготовлении легкого бетонного материала не является экономически оправданным.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, то есть прототипом, является фиброцементный композиционный материал с целлюлозными волокнами, заполненными неорганическими и/или органическими веществами [Fiber cement composite materials using cellulose fibers loaded with inorganic and/or organic substances: Патент США 6676744. Опубл. 13.01.2004 г.], 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, мас.%:
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
В качестве цементного связующего используют портландцемент, высокоалюминатный, высокофосфатный цемент, известь, глинозем, доменный шлак или их смеси;
в качестве заполнителя используют кварцевый песок, аморфный, геотермальный кварц, кремнезем, доменный шлак, глины, оксиды и гидроксиды металлов, магнезит, доломит, стальной шлак, полимерные шарики, диатомитовую землю, каменный уголь, угольную пыль и золу и др.;
3
в качестве модификатора плотности используют легкие вещества с плотностью менее 1,5 г/см, пластмассы, вспененный полистирол или другие вспененные материалы, стекло, керамику, гидраты силиката кальция, вулканический пепел, включая перлит, пемзу, базальт, цеолиты во вспененных формах и их смеси;
в качестве целлюлозных волокон используют волокна, изготовленные из лигноцеллюлозных материалов, представляющие собой предпочтительно индивидуальные волокна, частично или полностью делигнифицированные, хотя бы частично заполненные неорганическими или органическими веществами, ингибирующими миграцию воды;
в качестве неорганических веществ применяют соли натрия, калия, кальция, цинка, меди, алюминия, бария и неорганических и органических кислот - карбонаты, силикаты, хроматы, алюминаты, ацетаты, пальмитаты, олеаты, стеараты, сульфаты, фосфаты, бораты или их смесь, а также глину, цемент, каолин, гидрат силиката кальция и их смеси; в качестве органических наполнителей используют воски, полиолефины, акриловые волокна, эпоксидные смолы, бутадиенстирольный каучук, пластмассы, смолы или их смеси (масса заполняющих веществ составляет 0,5-150% от сухого веса целлюлозных волокон. Композиционный строительный материал, кроме того, может включать также незаполненные целлюлозные волокна или неорганические или синтетические волокна);
в качестве добавок используют следующие материалы:
модификаторы вязкости, огнезащитные материалы, водостойкие агенты, наполнители, пигменты, красители, пластификаторы, диспергаторы, силиконовые материалы, порошок алюминия, глину, каолин, слюду, карбонат кальция, полимерные смолы и их смеси.
Процесс изготовления фиброцементного композиционного материала, в соответствии с прототипом, включает следующие стадии: 1) приготовление индивидуальных волокон целлюлозы; 2) заполнение целлюлозных волокон неорганическими и/или органическими материалами; 3) смешение всех ингредиентов до получения густого раствора или пасты; 4) формовка смеси одним из методов (выдавливание, экструзия, ручная отливка и др.); 5) отверждение паром при 60-200°С в течение 3-30 ч.
Недостатками прототипа являются недостаточно высокие: предел прочности на сжатие; осадка конуса; прочность на растяжение при изгибе; модуль упругости.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание состава композиционного строительного материала для изготовления бетонных изделий, позволяющего повысить: предел прочности на сжатие; осадку конуса; прочность на растяжение при изгибе; модуль упругости.
Поставленная задача решена композиционным строительным материалом, содержащим 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, мас.%:
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 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. [ГОСТ22266-94].
- 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].
- Модификатор плотности: концентрированные отходы производства капролактама.
- Щелочной сток производства капролактама (ЩСПК) [ТУ 2433-039-00205311-08] - представляет собой водный раствор натриевых солей кислых побочных продуктов воздушного окисления циклогексана. По внешнему виду - жидкость от коричневого до темно-коричневого цвета, непрозрачная, без видимых механических примесей.
3
Массовая доля сухого вещества - 25-45%; массовая доля натриевых солей органических кислот (в пересчете на адипинат натрия) - 18-30%; массовая доля циклогексанола - не более 0,8%; Массовая доля циклогексана - не более 0,2%; массовая доля смолы - не более 10%; рН раствора 10-13; плотность при 20°С - 1,1-1,2 г/см.
- Отработанный раствор, образующийся при промывке оборудования производства капролактама и полиамида-6 триэтаноламином [ТУ 2423-168-00203335-2007], представляющий собой жидкость от коричневого до темно-коричневого цвета, непрозрачный, без видимых механических примесей, содержащий до 85% триэтаноламина и до 15% капролактама [ГОСТ 7850-86] и его полимерных форм [ТУ 6-05-988-87] в разных соотношениях.
- 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 [Вторичные материальные ресурсы пищевой промышленности: образование и использование. Справочник. - М.: Экономика, 1984. - 328 с.].
- Вода для бетонов и растворов. Технические условия. [ГОСТ 23732-79].
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1
В смеситель загружают портландцемент - 17 мас.% (17 кг) и гравий и песок керамзитовые - 65 мас.% (65 кг) и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду - 9,35 мас.% (9,35 кг) и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят ЩСПК - 1 мас.% (1 кг) и древесные опилки, представляющие собой отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов, - 5,15 мас.% (5,15 кг) и сухую барду - 2,5 мас.% (2,5 кг), после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24-36 ч при температуре от +5 до 130°С с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.
Пример 2
В смеситель загружают шлакопортландцемент - 23 мас.% (23 кг) и гравий шунгизитовый - 57 мас.% (57 кг) и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 12,65 мас.% (12,65 кг) и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят ЩСПК - 1,5 мас.% (1,5 кг), измельченные стебли топинамбура, представляющие собой отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов, - 3,85 мас.% (3,85 кг) и сухую барду - 2 мас.% (2 кг), после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24-36 ч при температуре от +5 до 130°С с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.
Пример 3
В смеситель загружают цемент для строительных растворов - 25 мас.% (25 кг) и песок для строительных работ - 50 мас.% (50 кг) и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 13,75 мас.% (13,75 кг) и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят отработанный раствор, образующийся при промывке оборудования производства капролактама и полиамида-6 триэтаноламином - 0,5 мас.% (0,5 кг), короткое льняное волокно, представляющее собой отработанный сорбент очистки сточных или технологических вод, содержащий соли тяжелых металлов, - 9,25 мас.% (9,25 кг) и сухую барду 1,5 мас.% (1,5 кг), после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24-36 ч при температуре от +5 до 130°С с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.
Пример 4
В смеситель загружают цементы сульфатостойкие 19 мас.% (19 кг) и щебень и песок из пористых горных пород - 55 мас.% (55 кг) и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 10,45 мас.% (10,45 кг) и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят ЩСПК - 0,8 мас.% (0,8 кг), лузгу подсолнечника, представляющую собой отработанный сорбент очистки сточных или технологических вод, содержащий соли тяжелых металлов - 13,75 мас.% (13,75 кг) и сухую барду 1 мас.% (1 кг), после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24-36 ч при температуре от +5 до 130°С с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.
Пример 5
В смеситель загружают портландцемент - 21 мас.% (21 кг) и природные и дробленые пески - 60 мас.% (60 кг) и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 11,55 мас.% (11,55 кг) и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят отработанный раствор, образующийся при промывке оборудования производства капролактама и полиамида-6 триэтаноламином - 2 мас.% (2 кг), солому, представляющую собой отработанный сорбент очистки сточных или технологических вод, содержащий соли тяжелых металлов, - 2,45 мас.% (2,45 кг) и сухую барду - 3 мас.% (3 кг), после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24-36 ч при температуре от +5 до 130°С 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 (после затворения через 5, 30, 60, 90 и 180 мин) - по [ГОСТ 10181-2000. Смеси бетонные. Методы испытаний]; предел прочности на сжатие (через 3, 7 и 28 суток) и прочность на растяжение при изгибе - по [ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности]; 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 на сжатие, прочность на растяжение при изгибе и модуль упругости возрастают по сравнению с прототипом; осадка конуса остается примерно на том же уровне через 5, 30 и 60 мин, но увеличивается - через 90 и 180 мин.
Кроме того, изобретение позволяет использовать лигноцеллюлозные материалы, представляющие собой отходы агромпромышленного комплекса, без проведения предварительной процедуры делигнификации; исключить дополнительную операцию по заполнению целлюлозных волокон неорганическими и/или органическими материалами; утилизировать отработанные сорбенты, содержащие соли металлов.
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 в глубь волокон и ингибируют миграцию воды в цементном композиционном материале. Присутствие ионов металлов придает также инсектофунгицидные и бактерицидные свойства.
Таблица
Примеры № п/п
Показатели качества
Предел прочности на сжатие, МПа, через сут:
Прочность на растяжение при изгибе, МПа
Модуль упругости
Осадка конуса, см, после затворения, через мин
3
7
28
5
30
60
90
180
1.
16,1
26,8
35,9
3,63
3,1·10<sup>4</sup>
22,5
22,0
19,6
18,1
16,3
2.
16,8
27,4
37,4
3,89
3,3·10<sup>4</sup>
23,4
22,9
20,2
18.5
16,1
3.
17,7
27,9
41,5
4,25
3,9·10<sup>4</sup>
23,8
23,2
20,1
18,3
15,0
4.
16,2
27,2
35,8
3,71
3,4·10<sup>4</sup>
22,7
21,9
18,9
17,4
14,8
5.
16,5
27,8
36,8
3,69
3,3·10<sup>4</sup>
22,8
22,1
18,6
17,3
14,6
Прототип
15,8
26,5
35,7
3,61
3,0·10<sup>4</sup>
22,5
21,9
18,4
16,6
12,1