СОСТАВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО ПЕНОПОЛИСТИРОЛБЕТОНА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
COMPOSITION FOR MAKING COMPOSITE FOAMED POLYSTYRENE CONCRETE AND METHOD OF MAKING SAID COMPOSITION

Группа изобретений относится к производству пористых строительных материалов, в частности легких бетонов, полученных с использованием пенообразователей путем добавления пористых веществ, применяемых в изготовлении композитных строительных блоков.
3
Известна сырьевая смесь для приготовления пенобетона, включающая минеральное вяжущее, мелкий заполнитель, пенообразующую добавку и воду (см. патент на изобретение RU 2038340, МПК С04В 38/08). В качестве пенообразующей добавки содержит сгущенные сточные воды дрожжевого производства на основе сульфатов и хлоридов щелочных металлов и дополнительно молотую негашеную известь. Сырьевая смесь также содержит пластифицирующую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%: минеральное вяжущее 45,4-47,9; мелкий заполнитель 35-36,5; указанная добавка 3,5-8,0; молотая негашеная известь 0,3-0,4; пластифицирующая добавка 0,3-0,4; вода остальное. Плотность пенобетона 500-750 кг/м, прочность 0,5-1,2 МПа, поризующий эффект 22-25%.
Однако в состав указанной сырьевой смеси входят сточные воды на основе сульфатов и хлоридов щелочных металлов, доступные только при относительной близости дрожжевого производства.
Известна сырьевая смесь для изготовления ячеистого бетона, содержащая портландцемент, кремнеземистый компонент, суперпластификатор С-3 на основе натриевых солей продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом, алюминиевую пудру и добавку (см. патент на изобретение RU 2062772, МПК С04В 38/02). В качестве добавки смесь содержит измельченный гидратированный цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 28-50, кремнеземистый компонент 46,65-49,37, суперпластификатор С-3 на основе натриевых солей продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом 0,28-0,5, алюминиевая пудра 0,07-0,35, измельченный гидратированный цемент 3,0-22,0.
Однако использование данной сырьевой смеси и технологии связано с повышенным расходом цемента - более половины всей массы.
3
Известны состав для изготовления полистиролбетонных изделий и способ его получения, раскрытый в патенте на изобретение RU 2223931, МПК С04В 38/08. Состав содержит портландцемент, гранулированный вспененный полистирол, воздухововлекающую добавку - смолу древесную омыленную, пластифицирующую добавку лигносульфонат или суперпластификатор С3 и воду. Способ включает подачу в бетоносмеситель расчетного количества гранулированного вспененного полистирола, смачивание его частью воды затворения при перемешивании, введение цемента, оставшейся части воды затворения, воздухововлекающей и пластифицирующей добавок, перемешивание смеси, формование изделий и их термообработку. Воздухововлекающую добавку - смолу древесную омыленную -предварительно разводят водой в соотношении (1:5)-(1:10) до 8-12%-ной концентрации по сухому веществу и выдерживают до 48 часов при температуре 15-35°С. Для смачивания гранулированного вспененного полистирола, имеющего насыпную плотность 25-30 кг/м, фракций диаметром 3-5 мм, используют 1/3 часть воды затворения и перемешивают в течение 0,5-1,5 минут. После введения в смеситель портландцемента марки 400-500 смесь перемешивают 30-60 секунд, затем в смеситель подают оставшиеся 2/3 части воды затворения, предварительно разведенную смолу древесную омыленную и пластифицирующую добавку, смесь перемешивают не менее 2 минут и прогревают за счет теплоты гидратации цемента до температуры 35-75°С и получения слитной поризованной однородной структуры.
Однако указанный состав имеет малую прочность, что влечет необходимость использования металлического армирующего каркаса при изготовлении полистиролбетонных изделий. К тому же способ получения смеси является сложным и трудоемким.
3
Наиболее близкими к заявляемой группе технических решений являются состав армированной полистиролбетонной смеси и способ ее приготовления, раскрытые в описании изобретения по патенту RU 2309134, МПК С04В 38/10. В состав для получения армированной полистиролбетонной смеси входит, кг/м: портландцемент - 160-170, вспененный гранулированный полистирол с размером гранул 2,8-3,0 мм - 15-17, базальтовое волокно с длиной волокон 15-20 мм и диаметром 12-15 мкм - 0,50-0,70, смола древесная омыленная - 0,35-0,50, пластифицирующая добавка - С-3 - 1,50-2,50, гидрофобизирующая добавка - 0,4-0,5, структурообразующая добавка - полиакриламид - 0,40-0,60, регулятор твердения - лигнопан Б-2 - 0,35-0,50, вода - 50-55. Способ приготовления армированной полистиролбетонной смеси включает смешивание компонентов состава для ее получения. При этом предварительно перемешивают пенополистирол, базальтовое волокно и добавки, введенные совместно с частью воды затворения. Затем при перемешивании вводят портландцемент, продолжают перемешивать в течение 5-15 с, после чего добавляют воду и перемешивают 25-40 с.
Недостатки прототипа заключаются в том, что состав содержит большое количество дорогостоящих химических реагентов, а способ характеризуется малой производительностью по причине наличия подготовительных процедур.
Задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, состоит в снижении содержания дорогостоящих компонентов в составе пенополистиролбетона с сохранением качественных характеристик при уменьшении количества операций в способе получения состава.
Технический результат, обеспечиваемый группой изобретений, заключается в повышении прочности изделий из пенополистиролбетона заявляемого состава.
Заявленный технический результат достигается тем, что состав для изготовления композитного пенополистиролбетона, содержащий воду, гидравлическое вяжущее - цемент, легкий наполнитель - вспененный гранулированный полистирол, армирующую добавку, воздухововлекающую добавку, пластифицирующую добавку, противоусадочную добавку - базальтовое волокно, согласно решению дополнительно содержит воздушное вяжущее, тяжелый наполнитель - песок, пенообразующую добавку и железосодержащий порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%: вода 21,6-29,4; гидравлическое вяжущее 25,2-38,0; воздушное вяжущее 0,5-1,3; тяжелый наполнитель 35,5-43,9; легкий наполнитель 0,2-0,4; железосодержащий порошок 0,06-0,12; пенообразующая добавка 0,05-0,12; воздухововлекающая добавка 0,004-0,012; пластифицирующая добавка 0,08-0,12; противоусадочная добавка 0,002-0,005; армирующая добавка 0,002-0,005. В качестве воздухововлекающей добавки он содержит ацетонформальдегидную смолу АЦФ-85. В качестве пластифицирующей добавки он содержит пластификатор Полипласт СП-1. В качестве армирующей добавки он содержит фибру полипропиленовую. В качестве воздушного вяжущего он содержит известковые отходы. В качестве пенообразующей добавки он содержит пенообразователь ПБ 2000. В качестве железосодержащего порошка он содержит пиритные огарки.
Заявленный технический результат достигается тем, что в способе получения композитного пенополистиролбетона, включающем смешивание компонентов состава, согласно решению при смешивании компонентов состава по п.1 предварительно перемешивают до получения однородной массы в течение 2-5 мин гидравлическое и воздушное вяжущие вещества, тяжелый и легкий наполнители, пластифицирующую, воздухововлекающую, противоусадочную и армирующую добавки, железосодержащий порошок и воду, после чего в полученную однородную массу добавляют пенообразующую добавку и вторично перемешивают массу в течение 0,5-3 мин, затем повышают давление воздуха вокруг полученной массы и перемешивают еще раз в течение 1-2 мин, подвергая массу вибрационным воздействиям длительностью 10-25 с. По окончании перемешивания и вибрационного воздействия и перед укладкой композитного пенополистиролбетона в фору или опалубку полученную массу подвергают воздействию магнитного поля. Вибрационное воздействие осуществляют с частотой 45-50 Гц и амплитудой 0,3-0,5 мм двукратно с перерывом 10-25 с.
Композитный пенополистиролбетон содержит основные компоненты: воду, гидравлическое вяжущее вещество (цемент марки М500-ДО или портландцемент) и воздушное вяжущее вещество (известь или известковые отходы). Введение извести как добавки к цементу сокращает расход цемента и одновременно увеличивает щелочность раствора, обеспечивая энергичное протекание реакции газообразования. Для снижения водоцементного соотношения состав содержит пластифицирующую добавку (суперпластификатор Полипласт СП-1 или пластификатор С-3). Для обеспечения вспенивания бетонной смеси в нее добавлена пенообразующая добавка (например, пенообразователь марки ПБ 2000, ПБ 2007 или ПО-6), а для улучшения микропоризации, ускорения твердения, водоредуцирующего действия - воздухововлекающая добавка (например, ацетонформальдегидная смола АЦФ-75, АЦФ-85 или смола древесная смыленная). Введение в состав смолы АЦФ позволяет достичь хороших физико-механических свойств пенополистиролбетона: повышенную прочность при сжатии и изгибе, высокую морозостойкость, износостойкость, водонепроницаемость, хорошую адгезионную способность составляющих его частиц. Количество вовлеченного в состав смеси воздуха, а следовательно, и плотность пенополистиролбетона зависят от количества пенообразующей и воздухововлекающей добавок, а также давления воздуха в окружающей смесь среде. Состав содержит наполнители объема: легкий наполнитель - вспененный гранулированный полистирол (пенопласт), и тяжелый наполнитель - молотый кварцевый, речной, горный либо строительный песок, прошедший через дезинтегратор (зазор между двумя параллельно расположенными вращающимися барабанами, соответствующий среднему диаметру частиц песка). При дроблении кварца на дезинтеграторе происходит разупорядочение его кристаллической решетки, у свежеизмельченных частиц песка более высокая поверхностная энергия, что определяет их большую активность в сравнении с аморфными (немолотыми). Для улучшения прочностных характеристик бетона состав содержит армирующую добавку - полипропиленовую, полиэтиленовую фибру и другие виды полиолефиновых волокон, служащих центрами для роста кристаллов бетона. Фибра придает цементному камню повышенную стойкость к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам, позволяет создать необходимый запас прочности, сохраняя целостность конструкции, даже после появления сквозных трещин. С целью снижения усадки и придания дополнительной прочности на ранних стадиях твердения пенополистиролбетона его состав дополнительно содержит противоусадочную добавку - базальтовое волокно, к положительным свойствам которого относится устойчивость к окислению. В пенополистиролбетонную смесь дополнительно введен железосодержащий порошок, например измельченная железная стружка либо порошок окисла железа (пиритные огарки), для обеспечения возможности реструктуризации жидкого бетона под воздействием внешнего магнитного поля, при этом предпочтительным является использование пиритных огарков, которые при доступности и низкой стоимости помимо обладания необходимыми магнитными свойствами являются катализатором химических реакций.
Характеристики компонентов состава:
Смола АЦФ - целевой продукт химического производства, предназначенный в качестве эффективной добавки полуфункционального назначения, совмещающей свойства пластификации, воздухововлечения, ускорения твердения. Изготавливается по ТУ 228-006-49090685-2002.
Полипласт СП-1 - пластифицирующая добавка к бетонам, относящаяся к классу суперпластификаторов. Представляет собой смесь натриевых солей полиметилнафталинсульфокислот различной молекулярной массы. Изготавливается по ТУ 5870-005-58042865-05.
ПБ-2000 - пенообразователь для получения пенобетонов различных марок. Изготавливается по ТУ 2481-185-057-446-85-01. Марки ПБ-2000 и ПБ-2000-У представляют собой водный раствор солей алкисульфатов первичных жирных спиртов со стабилизирующими добавками. Изготавливается по ТУ 2481-185-05744685-01.
3
2
2
Известковые отходы - содержащие известь карбонатные отходы, например карбонатные шламы химической подготовки воды предприятий энергетики. Состав карбонатных шламов предприятий энергетики представлен, главным образом, карбонатом кальция. В карбонатном шламе присутствуют в основном углекислый кальций СаСО 72-75%, гидрооксид магния Mg(OH) 5,0-5,5%, оксид кремния SiO 2,0-2,5%, а также оксиды железа и алюминия
2
3
2
2
3
3
Пиритные огарки - отходы переработки серного колчедана (пирита) в серную кислоту. Химический состав пиритных огарков (%): FeO 56-77, SiO 9-22, АlO 1-18, CaO 0,8-5, MgO 0,1-0,2, SO 1-11, потери после прокаливания - до 5,5. По минералогическому составу они представляют собой смесь оксидов железа с непрореагировавшим пиритом и оксидами других металлов. В незначительных количествах содержатся примеси сернокислых солей щелочно-земельных металлов, свинца, цинка, меди, кобальта. Гранулометрический состав огарков характеризуется сравнительно высокой дисперсностью, основная масса зерен (более 90%) имеет крупность не боле 0,14 мм.
3
3
3
Указанный состав позволяет получить композитный пенополистиролбетон с плотностью от 500 до 900 кг/м в зависимости от соотношения компонентов и давления воздуха, вовлекаемого в смесь. Для приготовления смеси плотностью 700-900 кг/м в миксере объемом 1 м входящие в ее состав компоненты берут в следующем количестве, кг:
Вода
150-190
Гидравлическое вяжущее
190-250
Воздушное вяжущее
4-8
Тяжелый наполнитель
250-280
Легкий наполнитель
2-2,5
Железосодержащий порошок
0,5-0,7
Пенообразующая добавка
0,4-0,7
Воздухововлекающая добавка
0,03-0,07
Пластифицирующая добавка
0,6-0,7
Противоусадочная добавка
0,02-0,03
Армирующая добавка
0,02-0,03
3
3
Для приготовления смеси плотностью 500-700 кг/м в миксере объемом 1 м входящие в ее состав компоненты берут в следующем количестве, кг:
Вода
130-170
Гидравлическое вяжущее
170-200
Воздушное вяжущее
4-8
Тяжелый наполнитель
200-250
Легкий наполнитель
2,5-3
Железосодержащий порошок
0,5-0,7
Пенообразующая добавка
1-1,5
Воздухововлекающая добавка
0,03-0,07
Пластифицирующая добавка
0,6-0,7
Противоусадочная добавка
0,02-0,03
Армирующая доавка
0,02-0,03
Таким образом, состав для приготовления композитного пенополистиролбетона включает в себя компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Вода
21,6-29,4
Гидравлическое вяжущее
25,2-38,0
Воздушное вяжущее
0,5-1,3
Тяжелый наполнитель
35,5-43,9
Легкий наполнитель
0,2-0,4
Железосодержащий порошок
0,06-0,12
Пенообразующая добавка
0,05-0,12
Воздухововлекающая добавка
0,004-0,012
Пластифицирующая добавка
0,08-0,12
Противоусадочная добавка
0,002-0,005
Армирующая добавка
0,002-0,005
В качестве примера изготовлен состав, содержащий определенный набор ингредиентов, относящихся к компонентам, указанным в составе смеси, взятых в следующем соотношении, мас.%: вода 24,6; цемент марки М500-Д0 32,8; известковые отходы 1,2; песок кварцевый 40,8; гранулы вспененного полистирола 0,3; пиритные огарки 0,09; пенообразователь ПБ 2000 0,08; смола АЦФ 0,012; пластификатор Полипласт СП-1 0,11; фибра полипропиленовая 0,004; базальтовое волокно 0,004.
3
2
Способ получения композитного пенополистиролбетона осуществляют следующим образом. Компоненты смеси помещают в высокоскоростной вертикальный смеситель (миксер), представляющий собой герметичный корпус объемом 1 м с загрузочным отверстием в верхней части для загрузки ингредиентов, снабженный перемешивающим устройством (вертикальным валом с лопастями). Корпус миксера выполнен с возможностью дозированного подвода воды и сжатого воздуха по трубопроводам, а указанные в составе компоненты в заявленных пропорциях подают к загрузочному отверстию при помощи шнека и ленточного транспортера. Компоненты загружают в следующей последовательности. Вначале в смеситель по трубопроводу вводят воду в объеме 130 л. После заполнения смесителя водой добавляют вяжущие компоненты: при помощи шнека плавно загружают в отверстие корпуса гидравлическое вяжущее (цемент) в количестве 170 кг, а также и воздушное вяжущее (известковые отходы) в количестве 4 кг. Затем по ленточному транспортеру к загрузочному отверстию подводят тяжелый наполнитель (песок) в количестве 200 кг с добавленными в него пластифицирующей добавкой (суперпластификатором в количестве 0,6 кг), воздухововлекающей добавкой (смолой АЦФ в количестве 0,03 кг), противоусадочной добавкой (базальтовым волокном с длиной волокон 15-20 мм и диаметром 12-15 мкм в количестве 0,02 кг), армирующей добавкой (полипропиленовой фиброй в количестве 0,02 кг) и железосодержащим порошком (пиритными огарками в количестве 0,5 кг). Смола АЦФ, обладающая пластифицирующим эффектом, модифицирует структуру пенобетона на молекулярном уровне - на поверхности добавляемых в смеситель частиц образуется сольватная оболочка, обеспечивающая их легкое скольжение относительно друг друга. При этом снижается водопотребление на 30% по сравнению с известными составами, за счет чего повышаются поризация пенополистиролбетона на микро- и макроуровнях, устойчивость до набора прочности и конечная прочность. Базальтовое волокно служит для образования центров кристаллизации и направленного роста кристаллов бетона, что позволяет избежать усадки смеси при твердении и, соответственно, образования трещин на ранних стадиях созревания пенополистиролбетона. Полипропиленовая фибра выполняет армирующие функции, допуская снижение плотности бетона без ущерба прочности. Затем по ленточному транспортеру к загрузочному отверстию подводят легкий наполнитель (2 кг полистирола в гранулах диаметром 3-5 мм). Гранулы полистирола позволяют гарантированно получить поры в бетонной смеси, причем строго определенного размера и в строго определенном количестве, и, следовательно, придать изделиям из пенополистиролбетона высокие теплозвукоизоляционные свойства. После добавления легкого наполнителя все компоненты перемешивают в миксере со скоростью 800-1000 об/мин в течение 3-4 мин. В результате происходит интенсивный разогрев смеси за счет трения между твердыми компонентами, ускоряющий происходящие химические реакции, а также дополнительный мокрый помол составляющих смесь частиц, активизирующий взаимодействие их поверхностей, что позволяет получить высокогомогенную пенополистиролбетонную смесь. Затем в смеситель через загрузочное отверстие заливают пенообразователь, с которым продолжают перемешивание в течение 1 мин, после чего по трубопроводу в смеситель подают воздух до установления значения давления в смесителе на уровне 0,8-1 кгс/см. Производят дальнейшее перемешивание при постоянном высоком давлении в течение 1 мин, в процессе которого осуществляют двукратное вибрационное воздействие на бетонную смесь длительностью по 20 с с частотой 45-50 Гц и амплитудой 0,3-0,5 мм для дополнительной активации взаимодействия частиц смеси и улучшения поризации. Затем полученную смесь пенополистиролбетона выдавливают из смесителя по полиэтиленовому шлангу диаметром 80 мм, прикрепленному к перекрываемому отверстию в нижней части смесителя, за счет собственного веса и избыточного давления воздуха в смесителе. Вокруг полиэтиленового шланга рядом с выходом из смесителя расположен кольцевой электромагнит, благодаря которому создают магнитное поле, через которое пропускают приготовленную смесь. Величина напряженности поля кольцевого электромагнита, создаваемого внутри полиэтиленового шланга, превышает среднюю напряженность поля на поверхности Земли, составляющую около 50 мкТл и составляет 70 мкТл. Под воздействием поля на пиритные огарки (либо на другие магнетики, входящие в состав) происходит магнитная обработка смеси с образованием структур, что придает дополнительную прочность изделиям из смеси заявляемого состава, полученную заявляемым способом, к тому же в воде, под действие магнитного поля появляется больше свободных ионов, которые позволяют существенно ускорить гидратацию и кристаллизацию цемента. Из полиэтиленового шланга пенополистиролбетон подают в форму или опалубку и выдерживают 24 ч до набора прочности. При использовании смесителя, имеющего больший объем, для повышения производительности аналогичным образом смешивают компоненты, взятые в увеличенном количестве, сохраняя пропорции, заявленные в составе. Для получения пенополистиролбетона с другим объемным весом изменяются количества вводимых компонентов: для увеличения плотности смеси увеличивают долю содержания цемента, песка и воды, а для уменьшения плотности смеси увеличивают долю содержания пенообразователя, полистирола, а также повышают давление воздуха в смесителе.
Сравнительные характеристики образцов пенополистиролбетона
По прототипу
Заявляемый образец
Плотность, D
800
800
Прочность, В
2,5
3,5
Сравнительные показатели прочности на сжатие при равной плотности прототипа и полученных образцов:
Вид бетона
Марка бетона по средней плотности
Класс по прочности на сжатие неавтоклавного бетона по ГОСТ 25485-89
Класс по прочности на сжатие неавтоклавного бетона, полученного на ЗАО «Стройдеталь»
Превышение прочности на сжатие в сравнении с прототипом, в %
Конструкционно-
D600
В1
В2
До 50
теплоизоляционный
В2
В2,5
11.6
Конструкционно-
D800
В2
В2,5
11.6
теплоизоляционный
В2,5
В3,5
28.6
В3,5
В5
30
Конструкционный
D1000
В5
В7,5
До 33.3
В7,5
3
Использование заявленной группы изобретений позволит удешевить производство пенобетона за счет снижения количества производимых операций и повышения производительности до 8 м на одного рабочего за один час, а также за счет использования дешевого полистирола в качестве наполнителя. Указанный состав пенобетона и способ его получения позволяют увеличить прочность конечного изделия на 20-30% при снижении расхода цемента на 10-15%. К тому же применение данного технического решения в строительстве промышленно-гражданских объектов позволит получить материал с хорошими прочностными, теплоизоляционными и экологическими характеристиками. Заявляемый состав композитного пенополистиролбетона отличается долговечностью, так как входящий в него вспененный гранулированный полистирол не подвержен воздействию окружающей среды, а следовательно, время нахождения полистирола в затвердевшем пенобетоне не ограничено.