ПУСТОТЕЛЫЙ ИЛИ ПОРИСТЫЙ ГРАНУЛИРОВАННЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ ДЛЯ БЕТОНОВ

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к производству теплоизоляционных засыпок и заполнителей для бетонов.
Известны пустотелый гранулированный заполнитель и способ его изготовления, включающий приготовление ядра путем вспучивания гранулированной смеси золы и жидкого стекла при 350...550°С, покрытия ядра раствором жидкого стекла и цементно-зольной смесью и последующую термообработку [А.с. СССР №1573009, кл. С 04 В 14/24, 1986].
Недостатками этого способа и изделия являются: низкая водостойкость и прочность получаемого заполнителя.
Наиболее близкими к предлагаемому решению являются пористый гранулированный заполнитель и способ его изготовления, включающий приготовление смеси из жидкого стекла и добавки - аморфного кремнезема и пенообразователя; получении ядер, покрытие их порошкообразным глинистым материалом и последующий обжиг [Патент РФ №2263084, кл. 7 С 04 В 28/26, 2002].
Недостатками прототипа являются: невысокая прочность (до 0,51 МПа при сдавливании в цилиндре) и низкая водостойкость получаемого пористого гранулированного заполнителя (разрушается водой через 8 часов), высокая насыпная плотность, использовать можно только ограниченные типы глин.
Предлагаемое изобретение решает задачу получения прочного и водостойкого гранулированного заполнителя (при использовании даже слабо- и невспучивающихся глин) с сохраненной или пониженной насыпной плотностью, расширить сырьевую базу для производства теплоизоляционных
засыпок и заполнителей для бетонов.
Технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления пустотелого или пористого гранулированного заполнителя, включающем приготовление ядер, покрытие их порошкообразным глинистым материалом и последующий обжиг, согласно предлагаемому решению, в качестве ядер используют дробленое теплоизоляционное пеностекло либо дробленное звукоизоляционное пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм, а обжиг проводят при 790-1050°С.
Результат достигается с помощью полученного пустотелого или пористого гранулированного заполнителя, состоящего из обожженного ядра с нанесенным на него покрытием из глинистого материала, в котором, согласно предлагаемому решению, в качестве ядра служит дробленое теплоизоляционное пеностекло либо дробленое звукоизоляционное пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм.
Сравнение предлагаемого способа получения пустотелого гранулированного заполнителя с прототипом позволило установить, что предлагаемое решение отличается заменой ядер, приготовленных из смеси жидкого стекла, аморфного кремнезема и пенообразователя на дробленое пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм. Введение предлагаемого дробленого пеностекла и последующий обжиг при 790-1050°С позволяет получить прочный и водостойкий пустотелый или пористый гранулированный заполнитель (при использовании даже слабо- и невспучивающихся глин) с пониженной насыпной плотностью. Таким образом, предлагаемое решение обладает критерием «новизна».
При изучении других технических решений, использование предложенного авторами дробленого пеностекла с размером зерен 3,0-30,0 мм при изготовлении пустотелого или пористого гранулированного заполнителя путем обжига при 790-1050°С и аналогичных материалов не выявлено, таким образом заявляемое решение не следует явным образом из уровня техники,
что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».
При реализации заявляемого способа изготовления пустотелого гранулированного заполнителя в качестве сырья использованы следующие компоненты:
3
3
1. Дробленое теплоизоляционное пеностекло (порообразователь - сажа) и звукоизоляционное пеностекло (порообразователь - мел), фракцию с размером зерен от 3,0 до 30,0 мм, полученную путем дробления и отсева пеностекла по ТУ 5914-003-02066339-98 "Материалы и изделия строительные теплоизоляционные", произведенного в БГТУ им. В.Г.Шухова (г.Белгород). Насыпная плотность дробленного теплоизоляционного пеностекла фракции от 3,0 до 30,0 мм составляет 170...200 кг/м, звукоизоляционного - 260...280 кг/м в зависимости от пористости. Для приготовления дробленого продукта можно использовать обрезки и бой блоков пеностекла.
2
2
3
2
2
3
2
3
2. В качестве глинистого материала использовали суглинок Шебекин-ского месторождения, Белгородская обл. Огнеупорность 1195...1290°С. Водозатворяемость - 28,7% (по ГОСТ 9169-75). Основной глинистый минерал - монтмориллонит. Цвет после обжига зеленовато-желтый. Химический состав суглинка Шебекинского месторождения, мас.Уо: SiO. - 59,9, АlО - 8,6, ТiО - 0,4, FеО - 1,2, CaO - 10,1, MgO - 1,8, RО - 3,4, SO - 0,4, П.п.п. - 14,2. Данная глина относится к слабовспучивающимся глинам (увеличение объема 1,1...1,3) и сама не может быть сырьем для получения легких пористых заполнителей.
Анализируя результаты физико-механических испытаний серии экспериментальных образцов, можно сделать вывод, что по способности формировать сырцовые гранулы оптимального размера для производства пустотелого гранулированного заполнителя необходимо использовать дробленое пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм.
Способ нанесения глинистой составляющей гранул при изготовлении пустотелого или пористого гранулированного заполнителя можно
осуществлять разными путями: например, увлажнением дробленого пеностекла с последующим нанесением на его поверхность порошкообразного глинистого материала путем опудривания, либо окунанием сухих дробленных частиц пеностекла в глиняную суспензию. На качество получаемого конечного продукта способ нанесения глинистой составляющей не влияет.
В предлагаемом решении увлажненное (до влажности 2,0-2,5 мас.%) дробленое теплоизоляционное пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм подавали на вибролоток на слой измельченного до дисперсности частиц менее 0,1 мм Шебекинского суглинка. В процессе продвижения зерен пеностекла по вибролотку формировались гранулы с размером 4,0...32,0 мм, которые, благодаря низкой влажности (менее 2,2%), сразу подавались на обжиг в муфельную печь. Подъем температуры производился со скоростью 3° в минуту до температуры 920°С с выдержкой 0,5 часа, т.е. моделировались производственные условия получения керамзита [Мороз И.И. Технология строительной керамики. Киев: «Вища школа», 1980. - С.89-128]. После этого муфель отключался, обожженные гранулы охлаждались вместе с муфелем со скоростью 2° в минуту до комнатной температуры. После охлаждения гранул определялись их плотность, водостойкость и прочность; прочность гранул определялась также и после суточной выдержки их в воде по ГОСТ 9758 (пример 1, табл.).
Составы 2 и 3 готовились аналогичным образом, при этом в качестве дробленого теплоизоляционного пеностекла использовались монофракционные зерна размером 3,0 и 30,0 мм соответственно.
Аналогичным образом приготавливали пустотелый или пористый гранулированный заполнитель с использованием в качестве ядра дробленые звукоизоляционные пеностекла (составы 6-10), а также известный состав 11 (прототип - по патенту РФ №2263084, кл. 7 С 04 В 28/26, 2002, смесь 11).
Состав и свойства полученных пустотелых или пористых гранулированных заполнителей приведены в таблице.
Состав и свойства гранулированного заполнителя
№ п/п
Размер пористогоядра, мм
Плотность пористого ядра сырцовой гранулы, кг/м<sup>3</sup>
Температура обжига, °С
Насыпная плотность гранул пустотелого или пористого заполнителя, кг/м<sup>3</sup>
Предел прочности при сжатии в цилиндре, МПа
Тип гранулированного заполнителя
После обжига
После выдержки в воде в течение суток
Материал ядра: дробленое теплоизоляционное пеностекло
1.
3,0...30,0
170
920
327
1,97
1,88
пустотелый
2.
3,0
170
790
745
0,50
0,31
пористый
3
30,0
170
1050
302
0,59
0,58
пустотелый
4.
менее 3,0
170
780
809
0,28
0,09
пористый
5.
более 30,0
170
1100
368
0,19
0,18
пустотелый
Материал ядра: дробленое звукоизоляционное пеностекло
6.
3,0...30,0
260
920
392
2,61
2,47
пустотелый
7.
3,0
260
790
782
0,59
0,41
пористый
8.
30,0
260
1050
381
0,68
0,61
пустотелый
9.
менее 3,0
260
780
874
0,39
0,11
пористый
10.
более 30,0
260
1100
469
0,21
0,20
пустотелый
Материал ядра, мас.%: опока - 53, жидкое стекло - 40, пенообразователь - 7
11 (прототип
15,0
250
780*
750
0,51
разрушились
пористый
* - температура обжига подобрана авторами экспериментально, т.к. в прототипе не указана, но исходя из состава материала ядра, можно предположить, что температура по прототипу не должна превышать 780°С, т.к. при увеличении температуры наблюдаются деформации и разрушение глинистой оболочки гранул заполнителя за счет появления обширных выплавов.
Анализ полученных данных результатов испытаний свойств образцов пустотелых гранулированных заполнителей, изготовленных по заявляемому способу, показывает следующее.
1. Смеси составов 1-3 и 6-8 отвечают требованиям ГОСТ 9758 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ».
2. Использование дробленого пеностекла в качестве ядер при формировании сырцовых гранул и последующий обжиг позволяет получить качественный водостойкий и прочный гранулированный заполнитель, способный найти применение в качестве теплоизоляционных засыпок и заполнителей для бетонов (составы 1-3 и 6-8).
3. Уменьшать размер ядер пеностекла менее 3,0 мм нецелесообразно, т.к. получаемый пустотелый или пористый гранулированный заполнитель имеет повышенную насыпную плотность и не позволяет получать качественные легкие бетоны и отвечает граничным требованиям ГОСТ 9758, поэтому составы 2 и 7 приняты как граничные.
Увеличение размера ядер пеностекла более 30,0 мм нецелесообразно т.к. происходит падение прочности получаемого пористого гранулированного заполнителя из-за избыточного образования стеклофазы при плавлении ядра гранул и появления поверхностных дефектов структуры керамического покрытия в процессе обжига, поэтому данный размер ядер (составы 3 и 8) принят как граничный.
4. Снижать температуру обжига дробленных частиц пеностекла с нанесенной на их поверхность глинистой составляющей менее 790°С нецелесообразно, т.к. не происходит достаточно интенсивного взаимодействия стекло-фазы ядра с глиной при обжиге, поэтому снижается прочность и водостойкость получаемого заполнителя (смеси 4 и 9).
Повышать температуру обжига выше 1050°С также нецелесообразно, т.к. наблюдается нарушение геометрических размеров изделий при обжиге и снижение прочности (составы 3 и 6).
5. Использование дробленого звукоизоляционного пеностекла в качестве ядер при формировании сырцовых гранул приводит к повышенному содержанию стеклофазы во внутреннем объеме гранулы оптимального размера (3,0-30,0 мм), т.к. его плотность исходного пеностекла выше, чем теплоизоляционного, что позволяет получать более прочный и водостойкий заполнитель.
6. Изменяя температуру обжига при получении пустотелого гранулированного или пористого заполнителя, можно формировать не только внутреннюю структуру получаемых гранул (пористую либо пустотелую), но и регулировать весь комплекс физико-механических характеристик получаемого продукта - прочность, теплопроводность, насыпную плотность, водостойкость и др.
Заявляемый способ изготовления пустотелого гранулированного или пористого заполнителя в сравнении с прототипом имеет следующие преимущества:
1) прочностные свойства в отдельных случаях сохраняются, а при оптимальных условиях увеличиваются в 2,2...3,4 раза; водостойкость при этом имеет высокие показатели;
2) насыпная плотность при сохранении требуемых физико-механических характеристик либо сохраняется, либо уменьшается в 1,2...1,5 раза по сравнению с прототипом, что позволяет получать бетоны с пониженной плотностью;
3) полученный в результате обжига пустотелый или пористый гранулированный заполнитель имеет замкнуто-остеклованную внутреннюю поверхность с минимальными объемными дефектами, внешнее керамическое покрытие гранул имеет высокую адгезию к любым органическим и неорганическим вяжущим.
4) формование сырцовых гранул на основе прочного пеностекольного ядра осуществлять гораздо проще, чем при использовании ядер по прототипу.
Физико-химическая сущность технического решения достижения задачи заключается в следующем: использование дробленого пеностекла в качестве ядер при формировании сырцовых гранул позволяет получить прочное сцепление с внешним глинистым покрытием за счет развитой внешней поверхности пеностекла, сформированной пористой структурой. По этой причине сформированные сырьевые гранулы легко формуются на вибролотке и переносят транспортировку без потери керамического слоя.
При обжиге глинистая составляющая сырцовой гранулы, находясь на поверхности, легко подсушивается, процессы подготовки к спеканию происходят без участия медленных диффузионных процессов. При достижении температуры размягчения стекла и дальнейшем нагреве гранулированного материала, керамическая поверхность гранулы в достаточной степени упрочняется и стеклофаза равномерно распределяется по внутренней поверхности гранулы. При дальнейшем повышении температуры стекло переходит в жидкое состояние и активно взаимодействует с частицами глины по всей внутренней поверхности гранулы (доказано микроскопическими и петрографическими исследованиями). Авторами установлено, что высокая прочность ос-теклованной внутренней поверхности гранул и результат взаимодействия глины с расплавленной стеклофазой пеностекольного ядра при температурах 790...1050°С определяет высокие эксплуатационные характеристики получаемого гранулированного заполнителя.
Способ получения гранулированного заполнителя по прототипу, включающий использование ядер, состоящих преимущественно из жидкого стекла, не позволяет достичь высокого результата, реализованного в заявляемом способе, т.к. получаемые композиты имеют невысокую стойкость по отношению к воде.
Использование заявляемого способа изготовления пустотелого или пористого гранулированного заполнителя и получаемых при этом изделий в промышленности строительных материалов позволит не только получать качественный продукт, но и расширить материальную базу, используя слабовспучивающиеся и невспучивающиеся глины, а также решить проблему утилизации обрезков и боя блоков, образующихся при производстве и механической обработки пеностекла, причем данная технология не требовательна к чистоте исходных материалов.