Шлакощелочной ячеистый бетон
SLAG-ALKALINE CELLULAR CONCRETE

Изобретение относится к ячеистым бетонам и может быть использовано при производстве теплоизоляционного материала - плиты теплоизоляционные и конструкционно-теплоизоляционного ячеистого бетона - стеновые блоки, плиты перекрытий, панели.
Известна сырьевая смесь для изготовления легкого бетона (авторы Глуховский В.Д. и др., Авторское свидетельство СССР N 833745, опубл. 30.05.81, МПК С04В 15/02). Сырьевая смесь содержит молотый доменный гранулированный шлак, низкомодульное жидкое стекло и пористый заполнитель, в качестве пористого заполнителя – вспученный перлит или вермикулит.
Известен шлакощелочной ячеистый бетон, взятый за прототип, на основе молотого доменного гранулированного шлака, кислой золы-уноса, щелочного компонента, порообразователя, приготовляемый в автоклаве (Руководство по изготовлению теплоизоляционных изделий из ячеистого бетона с использованием шлаков цветных металлов, М., 1983, с. 4-14, 15-24, 26, 27).
Недостатками аналога и прототипа являются: низкая трещиностойкость шлакощелочного ячеистого бетона, недостаточная стабильность производства, особенно при применении смесей низкой плотности бетона, высокая стоимость автоклавной обработки бетона, низкая термостойкость.
Техническая задача данного изобретения: повышение экономичности производства, прочности, термостойкости и трещиностойкости усадочного происхождения.
2
3
2
Решение технической задачи достигается тем, что шлакощелочной ячеистый бетон, полученный из смеси, которая включает молотый доменный гранулированный шлак, кислую золу-уноса, щелочной компонент и порообразователь, в качестве молотого доменного гранулированного шлака содержит Череповецкий молотый доменный гранулированный шлак с удельной поверхностью 380-400 м/кг, в качестве щелочного компонента используют низкомодульное жидкое стекло плотностью 1,23-1,27 кг/м, с модулем щелочного компонента равным 1,87-2,07 и с содержанием NaO в составе низкомодульного жидкого стекла 10,5% от массы доменного шлака, кислые золошлаковые отходы фракции 0-5 мм, технический углерод и в качестве порообразователя - раствор пергидроля, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Низкомодульное жидкое стекло
21,20-38,10
Череповецкий молотый доменный гранулированный
шлак и кислая зола-уноса
27,80-46,80
Кислые золошлаковые отходы фракции 0-5 мм и
технический углерод
28,30-29,10
Раствор пергидроля
2,90-5,80,
причем Череповецкий доменный гранулированный шлак относится к кислой золе-уноса в соотношении 2:1, а кислые золошлаковые отходы фракции 0-5 мм относятся к техническому углероду в соотношении 10:1.
Технология изготовления предлагаемого материала заключается в следующем.
2
3
2
2
2
2
Череповецкий основной доменный гранулированный шлак измельчают до удельной поверхности 380-400 м/кг. Снижение силикатного модуля промышленного жидкого стекла осуществляют введением водного раствора NaOH с изменением содержания его в перерасчете на NaO до 10,5% от массы Череповецкого шлака, или Ма щелочного компонента 1,87-2,07 и требуемой плотности 1,23-1,27 кг/м. Чем щелочнее раствор жидкого стекла, тем энергичнее протекает реакция взаимодействия перекиси водорода с едкой щелочью. Кроме того, прибавление к жидкому стеклу щелочного оксида NaO приводит к обогащению растворов щелочью и к переходу высокомодульных силикатов в силикаты с относительно меньшим содержанием в них кремнезема. Повышение щелочности среды способствует большей растворимости основных оксидов шлака и, в частности, CaO. Растворившиеся оксиды шлаков подвергаются в растворе жидкого стекла гидратации, а образовавшиеся гидроокиси реагируют со щелочными силикатами. При этом образуются силикаты соответствующих оксидов, обладающих меньшей растворимостью, чем растворившиеся гидроксиды. Введение NaO в виде раствора целесообразнее увеличения количества жидкого стекла, так как кроме снижения силикатного модуля, наблюдается еще эффект пластификации шлакощелочной смеси. Кроме того, увеличение NaO в смеси за счет повышения расхода жидкого стекла не снижает силикатного модуля без дополнительного введения водного раствора едкого натрия.
Наименьшим снижением прочности при нагревании до 800°С обладают бетоны на основе низкомодульного жидкого стекла и шамотного заполнителя. Золы-уноса представляют спекшуюся глину (шамот) с добавками, поэтому было логично заменить тонкомолотый шамот на золу-уноса. Зола-уноса не только дешевле шамота, но и создает дополнительный эффект повышения термостойкости. Выгорание остатков несгоревших углей (в золах-уноса) и добавок технического углерода происходит при температуре 675°С. Несгоревший уголь и технический углерод присутствуют в качестве компонента шлакощелочного ячеистого бетона в наиболее ответственный период формирования его структуры и, благодаря низкому коэффициенту линейного термического расширения, не разрушают ее. После выгорания углерода образуются микропустоты частично компенсирующие неравномерность термического расширения компонентов шлакощелочного ячеистого бетона типа «гармошки» сглаживая температурные напряжения. При первом нагреве шлакощелочного ячеистого бетона, когда углерод еще не выгорел, из-за высокой теплопроводности углерода, тепло хорошо передается во внутренние слои шлакощелочного ячеистого бетона, что способствует некоторому снижению температурных напряжений от неравномерности нагрева разных частей шлакощелочного ячеистого бетона, лучшему формированию структуры и уменьшению количества микродефектов.
Кислые золошлаковые отходы фракции 0-5 мм играют роль своеобразного каркаса, воспринимающего сжимающие и растягивающие напряжения при нагревании шлакощелочного ячеистого бетона.
Гидробность технического углерода, позволяет стабилизировать пористую структуру шлакощелочного ячеистого бетона, особенно для шлакощелочного ячеистого бетона с низкой плотностью. Это объясняется тем, что технический углерод не смачивается водой, поэтому вокруг технического углерода и образуются «невсплывающие» пузырьки воздуха, распределенные в теле бетона. Эти пузырьки закупоривают каналы Плато, препятствуя истечению жидкости из пены под действием гравитационных сил.
Снижение в цементном камне количества гидросиликатов кальция, претерпевающих при регидратации значительные объемные изменения, увеличивает термостойкость. Это достигается введением магнийсодержащей добавки, эффективность которой состоит еще и в том, что она снижает общее содержание гидратной фазы вследствие низкой гидратационной способности магния. Череповецкие шлаки отличаются от других шлаков значительным содержанием оксида магния (до 11%). Этим объясняется выбор Череповецкого доменного гранулированного шлака в качестве компонента вяжущего. Повышение модуля основности шлаков приводит к снижению прочности на 10-15 МПа по сравнению с цементом на шлаках с модулем (М) меньше единицы. Исключение составляют цементы на Череповецком шлаке (М=1), что может быть объяснено высокой степенью закристаллизованности Череповецкого шлака.
Применение пергидроля для изготовления шлакощелочного ячеистого бетона в отличие от алюминиевой пудры, упрощает технологию приготовления технологической смеси, так как он равномерно распределяется по всему объему смеси, в отличие от алюминиевой пудры, которая требует дополнительных операций: обезжиривания или ее прокаливания, приготовление высокооднородной водно-алюминиевой суспензии, что требует установки дополнительного оборудования.
2
2
2
При прибавлении к жидкому стеклу перекиси водорода происходит выделение газообразного кислорода и выпадение стекловидного геля SiC, который постепенно, примерно в течение двух часов, переходит в студнеобразное состояние. Эту реакцию следует рассматривать как взаимодействие гидролитически образующейся едкой щелочи и очень слабой кислоты - перекиси водорода. При этом происходит нейтрализация кислоты основанием и коагулирование кремнезема, образующего коллоидный осадок. Чем щелочнее раствор жидкого стекла, тем энергичнее должна протекать эта реакция нейтрализации. Концентрированная перекись водорода также способствует ускорению реакции. Растворы же высокомодульного жидкого стекла реагирует с НО менее энергично. Учитывая быструю скорость нарастания пластической вязкости смеси щелочного бетона следует не допускать опережения нарастания пластической вязкости раствора процесса газовыделения. В результате несовмещенности этих процессов в структуре шлакощелочного ячеистого бетона, отмечаются большая неоднородность и наличие пор сквозного характера. Это ухудшает его деформативные, прочностные и теплотехнические характеристики.
Процесс разложения пергидроля в щелочной среде протекает интенсивно в цементном растворе при температуре 30-40°С. Его разложение начинается через 10-30 сек. и заканчивается через 2-5 мин. Разложение пергидроля сопровождается выделением тепла в количестве 700 Ккал/кг. При разложении 1 кг пергидроля выделяется 0,144 кг кислорода или 133 л.
Зерна песка и цемента, находящиеся в турбулентном смесителе, лишены возможности, перемещаться в ту зону, в которой имеется наименьшее количество частиц с такими же свойствами, т.е. двигаться к своему оптимальному положению, поскольку рабочие органы смесителя воздействуют не на каждую частицу в отдельности, придавая ей скорость относительно других частиц, а перемещают сравнительно большие порции смеси, внутри которых сохраняется замоноличенная неоднородность.
Это позволяет сформулировать основные требования к смесителю для шлакощелочного ячеистого бетона:
3
- небольшой объем (порядка 0,1-0,2 м);
- непрерывность действия;
- наличие зон максимально возможного градиента скорости сдвига и зон активации, через которые должна обязательно проходить вся приготовленная смесь;
- время перемешивания 1 минута.
Для исключения влияния газовыделения на деструктивные процессы в случае использования пергидроля, перемешивание бетонной смеси производится в проточном скоростном смесителе небольшого объема в течение 1 минуты (Диспергидратор: пат. 2526931 Рос. Федерация: МПК В28С 5/16, B01F 7/18 Авакян А.Г., Маслов П.С., Овчинников Р.В., Евтушенко С.И., Шавлов В.П., Субботин А.И. - №2012135750/03; заявл. 20.08.2012; опубл. 27.08.2014. Бюл. №24.).
При начальной температуре 20-25°С в результате взаимодействия механического воздействия проточного активатора - смесителя, а также реакции шлакощелочных компонентов и разложения пергидроля температура шлакощелочной ячеистобетонной смеси достигает порядка 30°С. При попадании смеси в формы начинается ее вспенивание и саморазогрев, при этом, вспенивание предшествует началу экзотермического самозатвердевания шлакощелочного ячеистого бетона.
В результате применения данного состава, изготовленного с учетом повышенного градиента скорости вспенивания, саморазогрева и затвердевания, изделия не имеют усадочных трещин при хранении в воздушно-сухих условиях.
Коэффициент теплопроводности таких изделий находится в пределах, допускаемых ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые».
Термостойкость бетона повышается до 123-145 воздушных и 12-19 водных теплосмен.
В таблице 1 приведены физико-механические свойства предлагаемого материала, рассчитанные как средние значения в каждой серии, выбранные из двух, выдержавших наибольшее количество теплосмен.
Испытания плотности, прочности на сжатие, термостойкости и теплопроводности проводились в соответствии с действующими стандартами.
3
Изобретение поясняется примерами для шлакощелочного ячеистого бетона плотностью 400, 600 и 800 кг/м. Расход материалов и свойства бетонов приведены в таблице 1.
Пример 1
3
Шлакощелочной ячеистый бетон плотностью 400 кг/м.
2
3
-1
2
Предварительно Череповецкий доменный гранулированный шлак измельчается до удельной поверхности 380-400 м/кг, жидкое стекло доводится до кондиции (плотность - 1,25, модуль силикатный 1,97 или 10,5% в пересчете на NaO относительно доменного шлака по массе) добавлением едкого натрия. Температура жидкого стекла должна обеспечить температуру смеси в интервале 22-24°С, расход жидкого стекла - 38,10 мас.%, доменного шлака и золы-уноса (2:1) - 27,80 мас.%, кислых золошлаковых отходов фр. 0-5 мм и технического углерода (10:1) - 28,30 мас.%, пергидроля - 5,80 мас.%. Сырьевая смесь непрерывно подается в смеситель, перемешивается и заполняет приготовленные формы для изготовления образцов. В качестве смесителя использовался проточный смеситель - активатор (Диспергидратор: пат. 2526931 Рос. Федерация: МПК В28С 5/16, B01F 7/18, Авакян А.Г., Маслов П.С., Овчинников Р.В., Евтушенко С.И., Шавлов В.П., Субботин А.И. - №2012135750/03; заявл. 20.08.2012; опубл. 27.08.2014. Бюл. №24.) объемом 0,1 - 0,2 м, перемешивание осуществляется в течение 1 мин при частоте вращения вала 200 - 220 мин.
2
Основные показатели шлакощелочного ячеистого бетона составили: прочность при сжатии в возрасте 1 суток - 1,43 МПа и возрасте 28 суток - 1,96 МПа, коэффициент теплопроводности - 0,115 Вт/(м⋅°С), термостойкость, определенная в воздушных теплосменах 123, водных теплосменах - 12. Усадочные трещины на поверхности шлакощелочного ячеистого бетона отсутствовали.
Пример 2
3
Шлакощелочной ячеистый бетон плотностью 600 кг/м.
Технология аналогична описанной выше.
Температура жидкого стекла должна обеспечить температуру смеси в интервале 22-24°С, расход жидкого стекла - 28,90 мас.%, доменного шлака и золы-уноса (2:1) - 38,60 мас.%, кислых золошлаковых отходов фр. 0-5 мм и технического углерода (10:1) - 28,90 мас.%, пергидроля - 3,60 мас.%.
2
Основные показатели шлакощелочного ячеистого бетона составили: прочность при сжатии в возрасте 1 суток - 2,65 МПа и возрасте 28 суток - 3,75 МПа, коэффициент теплопроводности - 0,142 Вт/(м⋅°С), термостойкость, определенная в воздушных теплосменах 131, водных теплосменах - 15. Усадочные трещины на поверхности шлакощелочного ячеистого бетона отсутствовали.
Пример 3
3
Шлакощелочной ячеистый бетон плотностью 800 кг/м.
Технология аналогична описанной выше.
Температура жидкого стекла должна обеспечить температуру смеси в интервале 22-24°С, расход жидкого стекла - 21,20 мас.%, доменного шлака и золы-уноса (2:1) - 46,80 мас.%, кислых золошлаковых отходов фр. 0-5 мм и технического углерода (10:1) - 29,10 мас.%, пергидроля - 2,90 мас.%.
2
Основные показатели шлакощелочного ячеистого бетона составили: прочность при сжатии в возрасте 1 суток - 4,53 МПа и возрасте 28 суток - 6,75 МПа, коэффициент теплопроводности - 0,179 Вт/(м⋅°С), термостойкость, определенная в воздушных теплосменах 145, в водных теплосменах 19. Усадочные трещины на поверхности шлакощелочного ячеистого бетона отсутствовали.
Таблица 1
Составы шлакощелочного ячеистого бетона*
Жидкое стекло*
Молотый доменный шлак и зола-уноса (2 : 1)*
Золошлаковые отходы фр.0-5 мм и технический углерод (10 : 1)*
Пергидроль*
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Прочность, МПа
Теплопроводность, Вт/м<sup>2</sup>⋅<sup>о</sup>С
Термостойкость, <u>Воздушные т.с.</u>                              Водные т.с.
Наличие трещин
1 сут.
28 сут.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
400
<u>162</u>0,381
<u>118</u>0,278
<u>120</u>0,283
<u>24,65</u>0,058
410
1,43
1,96
0,115
<u>123</u>12
нет
600
<u>180</u>0,289
<u>240</u>0,386
<u>180</u>0,289
<u>22,38</u>0,036
612
2,65
3,75
0,142
<u>131</u>15
нет
800
<u>176</u>0,214
<u>384</u>0,466
<u>240</u>0,290
<u>23,52</u>0,030
805
4,53
6,75
0,179
<u>145</u>19
нет
3
*- в числителе содержание компонента в кг/м, а в знаменателе дольное содержание от суммы компонента