СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОИЗВОДСТВА МИНЕРАЛЬНОГО ПЕНОМАТЕРИАЛА НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ
METHOD OF CONTINUOUS PRODUCTION OF MINERAL FOAM LOW DENSITY

Настоящее изобретение относится к способу непрерывного производства минерального пеноматериала низкой плотности на основе цементов, а также к применению этого пеноматериала в качестве изоляционного материала.
3
3
3
Вообще говоря, минеральный пеноматериал очень выгоден для многочисленных применений благодаря своим теплоизоляционным свойствам. Минеральный пеноматериал означает материал в виде пены. Этот материал легче обычного бетона из-за пор или пустот, которые он содержит, его также можно назвать цементной пеной. Эти поры или пустоты обусловлены наличием газа в минеральной пене и могут иметь форму пузырьков. Фактически из 1 м исходного материала можно получить примерно 5 м готового продукта, то есть материала, состоящего из 20% вещества и 80% газа (для материала с плотностью 400 кг/м). Таким образом, минеральный пеноматериал содержит сеть пузырьков, более или менее отдаленных друг от друга, то есть газовых карманов, содержащихся в твердой оболочке минерального вяжущего.
Производство минеральных пеноматериалов требует осторожности, поскольку оно является результатом затвердевания жидкого пеноматериала в твердый пеноматериал. Этот твердый пеноматериал является сначала жидким пеноматериалом, то есть сетью пузырьков воздуха или газа, окруженных раствором гидравлического вяжущего, который со временем превращается в твердый минеральный пеноматериал. Также производство минеральных пеноматериалов включает в себя превращение, включающее стадию получения жидкого пеноматериала, который должен быть стабильным. Таким образом, стабильность жидкого пеноматериала важна, и необходимо, чтобы в способе производства можно было контролировать явления дестабилизации пеноматериалов во время схватывания, такие как, например, коалесценция, оствальдовское созревание или дренаж. Эти трудности усугубляются, когда способ производства является непрерывным способом, то есть конечный продукт производится непрерывным образом. Непрерывные способы производства хорошо подходят для промышленности и рекомендованы для заводов или производственных участков.
Трудность непрерывного производства минеральных пеноматериалов в промышленном контексте состоит в том, чтобы получить стабильный пеноматериал, где нивелированы указанные явления дестабилизации. Однако известные способы получения пеноматериалов не позволяют получить достаточно стабильные пеноматериалы.
Кроме того, когда минеральный пеноматериал используют в качестве изоляционного материала, выгодно, чтобы его можно было установить на подложке, причем эта подложка легко может быть горизонтальной, наклонной или вертикальной. Также является интересным, что пеноматериал приклеивается к этой подложке и остается соединенным с подложкой до его затвердевания. Действительно, когда пеноматериал находится в жидком состоянии, он может течь под действием силы тяжести, и важно, что когда пеноматериал находится на подложке, он не течет или не находится под действием силы тяжести.
Для соответствия требованиям потребителя необходимо разработать способ непрерывного производства минерального пеноматериала для промышленности и для использования на производственных участках с облегченным применением этого пеноматериала.
Таким образом, задача, которую изобретение ставит своей целью решить, заключается в разработке способа непрерывного производства минерального пеноматериала, который способен оставаться на месте, когда он нанесен на подложку, не зависимо от формы и наклона подложки.
Это изобретение также относится к минеральному пеноматериалу, который можно получить способом согласно изобретению.
Согласно другой задаче изобретения минеральный пеноматериал согласно изобретению может использоваться в качестве строительного материала. Например, минеральный пеноматериал может использоваться в качестве изоляционного материала, установленного на подложке или нет, или в качестве элемента для заполнения конструкций.
Настоящее изобретение направлено на получение новых минеральных пеноматериалов, которые имеют одну или более следующих характеристик:
- минеральный пеноматериал согласно изобретению имеет превосходные свойства стабильности. В частности, можно получить пеноматериал, который может быть установлен на подложке и приклеен к ней, независимо от положения этой подложки и независимо от силы тяжести;
- минеральный пеноматериал согласно изобретению имеет отличные тепловые свойства и, в частности, очень низкую теплопроводность. Снижение теплопроводности строительных материалов является очень желательным, поскольку оно позволяет получать экономию тепловой энергии в жилых или рабочих зданиях. Кроме того, это снижение позволяет уменьшать тепловые мостики, особенно в конструкциях зданий с несколькими этажами, и обеспечивать теплоизоляцию изнутри, в частности, тепловые мостики промежуточных этажей.
3
Настоящее изобретение относится к способу непрерывного производства минерального пеноматериала, плотность которого в сухом состоянии (d) составляет от 40 до 600 кг/м, включающему следующие стадии:
(i) смешивают:
цемент;
добавку, уменьшающую водопотребность;
от 0,5 до 10 масс. % относительно общей массы цемента ультратонких частиц, имеющих контактный угол между поверхностью жидкости и поверхностью твердого вещества, составляющий от 30 до 140°, и для которых D50 составляет от 10 до 600 нм;
воду, где массовое отношение вода/цемент составляет от 0,3 до 2,5;
ii) добавляют к смеси от 0,5 до 10 масс. % порообразующего агента по отношению к массе цемента;
(iii) наносят смесь, полученную на стадии (ii), на подложку;
(iv) оставляют смесь для расширения на подложке.
Цемент, подходящий для производства минерального пеноматериала согласно способу изобретения, предпочтительно представляет собой цемент, описанный в соответствии с европейским стандартом NF EN 197-1 от апреля 2012 года, или их смеси. Предпочтительным цементом, подходящим для изобретения, является портландцемент СЕМ I, отдельно или смешанный с другими цементами, такими как описанные в соответствии с европейским стандартом NF EN 197-1 от апреля 2012 года.
Предпочтительно смесь стадии (i) способа согласно изобретению содержит от 60 до 95% цемента, предпочтительно от 65 до 90%, где проценты являются массовыми процентами по отношению к общей массе смеси стадии (i) без воды.
4
3
12
7
3
11
7
2
Кальциево-алюминатный цемент может также быть подходящим для производства минерального пеноматериала согласно изображению. Это может быть цемент, содержащий минералогическую фазу СА$, СА, CA, СА или CACaF, или их смеси, такой как, например, цементы Fondu, сульфоалюминатные цементы, кальциево-алюминатные цементы в соответствии с европейским стандартом NF EN 14647 от декабря 2006 года, цемент, полученный из клинкера, описанный в патентной заявке WO 2006/018569, или их смеси. Кальциево-алюминатный цемент, пригодный для производства минерального пеноматериала согласно изобретению, может быть либо в кристаллизованной форме, либо в аморфной форме.
Предпочтительным кальциево-алюминатным цементом согласно изобретению является цемент Fondu.
2
2
2
Предпочтительно цемент смеси на стадии (i) способа согласно изобретению имеет удельную площадь поверхности по Блейну, которая больше или равна 5000 см/г, более предпочтительно больше или равна 6500 см/г. Предпочтительно цемент смеси на стадии (i) способа согласно изобретению является цементом, удельная площадь поверхности которого составляет от 5000 до 9000 см/г.
2
2
Можно предусмотреть использование нескольких цементов в смеси стадии (i) способа согласно изобретению, имеющих другую удельную площадь поверхности по Блейну. Например, можно использовать цемент с удельной площадью поверхности по Блейну, которая больше или равна 5000 см/г, смешанный с цементом с удельной площадью поверхности по Блейну, которая меньше или равна 5000 см/г, например, портландцемент.
2
Цемент, который можно использовать в настоящем изобретении, можно измельчить и/или сепарировать (с помощью динамического сепаратора) с получением цемента, имеющего удельную площадь поверхности по Блейну, большую или равную 5000 см/г.Этот цемент можно квалифицировать как сверхтонкий. Цемент можно измельчить с использованием двух способов.
2
В соответствии с первым способом цемент или клинкер можно измельчить до удельной площади поверхности по Блейну от 5000 до 9000 см/г. На этой первой стадии можно использовать сепаратор с высоким коэффициентом полезного действия второго или третьего поколения, или с очень высоким коэффициентом полезного действия для отделения цемента, имеющего требуемую степень дисперсности, от цемента, не имеющего требуемой степени дисперсности. Этот цемент затем возвращают в мельницу.
2
В соответствии со вторым способом цемент можно пропускать через высокоэффективный сепаратор, обозначенный VHF (очень высокая дисперсность), чтобы отделить частицы цемента, имеющие удельную площадь поверхности по Блейну, большую или равную целевой дисперсности (целевая дисперсность составляет более 5000 см/г), и частицы цемента, имеющие удельную площадь поверхности по Блейну, меньшую, чем целевая дисперсность. Частицы цемента, имеющие удельную площадь поверхности по Блейну, превышающую или равную целевой дисперсности, могут быть использованы как таковые. Частицы цемента, имеющие удельную площадь поверхности по Блейну, меньшую, чем целевая дисперсность, можно отделять и перемалывать отдельно до тех пор, пока не будет получена желаемая удельная площадь поверхности по Блейну. Мельницы, которые могут быть использованы для этих двух способов, представляют собой, например, шаровую мельницу, вертикальную мельницу, роликовый пресс, горизонтальную мельницу (например, типа Horomill©) или вертикальную мельницу с перемешиванием (например, типа башенной мельницы).
Смесь стадии (i) способа согласно изобретению может также содержать сульфат кальция, который может представлять собой гипс, безводный сульфат кальция или полугидрат сульфата кальция.
Смесь стадии (i) способа согласно описанию включает в себя добавку, уменьшающую водопотребность, пластификатор или суперпластификатор. Добавка, уменьшающая водопотребность, позволяет уменьшить количество воды для затворения примерно до 10-15 масс. % в течение заданного времени обработки. В качестве примера добавки, уменьшающей водопотребность, можно упомянуть лигносульфонаты, гидроксикарбоновые кислоты, углеводы и другие специфические органические соединения, такие как глицерин, поливиниловый спирт, алюминометилсиликонат натрия, сульфаниловая кислота и казеин (см. Concrete Admixtures Handbook, Properties Science and Technology, V.S. Ramachandran, Noyes Publications, 1984).
Суперпластификаторы принадлежат к новому поколению добавок, уменьшающих водопотребность, и позволяют уменьшить количество воды для затворения примерно до 30 масс. % в течение заданного времени обработки. В качестве примера суперпластификатора можно упомянуть суперпластификаторы ПКП, не содержащие противовспенивателей. Под термином "ПКП" или "поликарбоксилатполиоксид" в соответствии с изобретением подразумевается, среди прочего, сополимер акриловой или метакриловой кислоты и их сложных эфиров полиэтиленоксида (ПЭО).
Предпочтительно смесь стадии (i) способа согласно изобретению включает от 0,01 до 1%, более предпочтительно от 0,05 до 0,5% добавки, уменьшающей водопотребность, пластификатора или суперпластификатора, где проценты являются массовыми процентами по отношению к массе смеси стадии (i).
Когда в растворе используют добавку, уменьшающую водопотребность, пластификатор или суперпластификатор, их количество выражают в активном ингредиенте в растворе.
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения смесь стадии (i) или стадии (ii) способа согласно изобретению не содержит противовспенивающего агента или любого агента, обладающего свойством дестабилизации воздушной эмульсии в жидкости. Некоторые коммерчески доступные суперпластификаторы могут содержать противовспенивающие агенты, и, следовательно, эти суперпластификаторы не будут подходить для изобретения.
Смесь стадии (i) или стадии (ii) способа согласно изобретению может содержать замедлитель схватывания. Замедлитель схватывания соответствует определению замедлителя схватывания, упомянутого в европейском стандарте NF EN 934-2 от сентября 2002 года.
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения смесь стадии (i) или стадии (ii) способа согласно изобретению не содержит вспенивающего агента.
Предпочтительно смесь стадии (i) или стадии (ii) способа согласно изобретению дополнительно включает соль переходного металла, например, соль марганца или соль железа. Можно предположить, что соль переходного металла может быть предшественником катализатора, способствующего разложению порообразующего агента в кислород. В качестве примера предшественника катализатора можно назвать соли и оксиды марганца, такие как, например, перманганаты и манганаты, соли и оксиды железа, кобальта, меди, молибдена, вольфрама, хрома, серебра, и ферменты, предпочтительно каталазы. В некоторых случаях соль переходного металла может поставляться самим цементом, когда это, например, цемент, содержащий много железа, независимо от того, находится ли оно в форме оксида или нет.
2
Предшественник катализатора может быть выбран из солей марганца (II), растворимых в воде, таких как ацетат марганца (II), сульфат марганца (II), хлорид марганца (II) и нитрид марганца (II). Эти соли могут разлагаться в основной среде с получением нерастворимых соединений, содержащих марганец со степенью окисления +4, таких как MnO, который является известным катализатором разложения пероксидов.
Смесь стадии (i) способа согласно изобретению включает от 0,5 до 10 масс. % относительно общей массы цемента ультратонких частиц, имеющих контактный угол между поверхностью жидкости и поверхностью твердого вещества, составляющий от 30 до 140°, и у которых D50 составляет от 10 до 600 нм.
Предпочтительно смесь стадии (i) способа согласно изобретению включает от 1 до 9 масс. % относительно общей массы цемента ультратонких частиц, имеющих контактный угол между поверхностью жидкости и поверхностью твердого вещества, составляющий от 30 до 140°, и у которых D50 составляет от 10 до 600 нм.
Предпочтительно смесь стадии (i) способа согласно изобретению включает от 2 до 8 масс. % относительно общей массы цемента ультратонких частиц, имеющих контактный угол между поверхностью жидкости и поверхностью твердого вещества, составляющий от 30 до 140°, и у которых D50 составляет от 10 до 600 нм.
Предпочтительно ультратонкие частицы смеси стадии (i) способа согласно изобретению являются частично гидрофобными, например, за счет стеариновой кислоты. Можно также говорить о функционализации.
Ультратонкие частицы смеси стадии (!) способа согласно изобретению имеют контактный угол между поверхностью жидкости и поверхностью твердого вещества, составляющий от 30° до 140°, предпочтительно от 40° до 130°, даже более предпочтительно от 70° до 130°.
Этот контактный угол также называется углом смачивания. Выражение «контактный угол» или «угол смачивания» означает угол, образованный между поверхностью раздела жидкость/пар и поверхностью твердого вещества. Это угол, образованный между поверхностью раздела жидкости и поверхностью твердого вещества, на которую наносится жидкость. Обычно считается, что стенка является гидрофильной, когда статический контактный угол капли воды, нанесенной на стенку, составляет менее приблизительно 30 градусов, и стенка является гидрофобной при переменных гидрофобных уровнях, когда статический контактный угол капли дистиллированной воды, нанесенной на стенку, превышает приблизительно 30 градусов и менее приблизительно 140°. Стенка называется сверхгидрофобной, когда статический контактный угол капли дистиллированной воды, нанесенной на стенку, составляет более приблизительно 140 градусов. Чтобы получить пеноматериал способом согласно изобретению, было бы желательно, чтобы ультратонкие частицы смеси стадии (i), не были сверхгидрофобными, то есть не имели контактного угла, явно превышающего 140°.
Предпочтительно ультратонкие частицы смеси стадии (i) способа согласно изобретению не являются гидрофильными.
V
Ультратонкие частицы, подходящие для способа согласно изобретению, имеют D50 от 10 до 600 нм, предпочтительно от 20 до 500 нм, более предпочтительно от 30 до 200 нм. D50, также обозначаемый D50, соответствует 50-ти процентам объемного распределения частиц размерам, т.е. 50% объема состоит из частиц, имеющих размер меньше D50, и 50% объема состоит из частиц, имеющих размер больше D50.
Можно отметить, что ультратонкие частицы обычно содержат элементарные частицы, имеющие диаметр от 10 до 50 нм. Эти элементарные частицы могут агломерироваться с образованием агломерированных частиц, имеющих диаметр от 40 нм до 150 нм. Эти агломерированные частицы могут агломерироваться с образованием агрегатов диаметром от 100 нм до 600 нм.
Ультратонкие частицы, подходящие для способа согласно изобретению, могут быть получены из одного или более материалов, выбранных из известковых порошков, осажденных карбонатов кальция, природных и искусственных пуццоланов, пемзы, измельченной летучей золы, гидратированного диоксида кремния, в частности, продуктов, описанных в документе FR 2708592, и их смесей.
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения смесь стадии (i) способа согласно изобретению дополнительно включает минеральную добавку, такую как пуццолан, шлак, карбонат кальция, летучая зола, песок или их смеси, частицы которой имеют D50 от 0,1 до 4 мм.
Предпочтительно смесь стадии (i) способа согласно изобретению может содержать от 15 до 50% минеральных добавок, предпочтительно от 15 до 40%, еще более предпочтительно от 20 до 35%, причем проценты выражены по массе относительно смеси стадии (i).
Предпочтительно D50 частиц минеральных добавок, подходящих для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, составляет от 0,2 до 500 мкм, например, от 0,25 до 250 мкм. D50 минеральных частиц составляет предпочтительно от 0,1 до 150 мкм, более предпочтительно от 0,1 до 100 мкм.
Минеральные добавки, подходящие для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, выбирают из карбоната кальция, диоксида кремния, измельченного стекла, сплошных или полых стеклянных бусин, стеклянных гранул, порошков вспененного стекла, аэрогелей с диоксидом кремния, микрокремнеземов, шлаков, измельченных осадочных кремнеземных песков, летучей золы или пуццолановых материалов, или их смесей.
Минеральные добавки, подходящие для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, могут представлять собой пуццолановые материалы (например, как определено в Европейском стандарте NF EN 197-1 от февраля 2001 года, пункт 5.2.3), микрокремнеземы (например такие, как определено в Европейском стандарте NF EN 197-1 от февраля 2001 года, пункт 5.2.7), шлаки (например, как определено в Европейском стандарте NF EN 197-1 от февраля 2001 года, пункт 5.2.2), материалы, содержащие карбонат кальция, например известковые материалы (например, как определено в Европейском стандарте NF EN 197-1, пункт 5,2,4), кремниевые добавки (например, как определено в стандарте «Concrete NF Р 18-509»), летучую золу (например такую, как описано в Европейском стандарте NF EN 197-1 от февраля 2001 года, пункт 5.2.4) или их смеси.
Летучая зола, как правило, представляет собой порошкообразную частицу, содержащуюся в отходящих газах от угольных тепловых электростанций. Ее обычно собирают электростатическим или механическим осаждением. Химический состав летучей золы в основном зависит от химического состава сжигаемого угля и от способа, используемого на электростанции, из которой он поступает. То же самое верно и для его минералогического состава. Летучая зола, используемая согласно изобретению, может иметь кремнистую или кальциевую природу.
Шлаки обычно получают путем быстрого охлаждения расплавленного шлака, поступающего из доменной печи при плавлении железной руды. Шлаки, подходящие для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, могут быть выбраны из гранулированных доменных шлаков в соответствии с европейским стандартом NF EN 197-1 от февраля 2001 года, пункт 5.2.2.
Микрокремнеземы, подходящие для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, могут быть материалом, полученным путем восстановления кварца высокой чистоты углеродом в электродуговых печах, используемых для производства кремнезема и ферросиликатных сплавов. Микрокремнеземы обычно образуются в виде сферических частиц, содержащих по меньшей мере 85 масс. % аморфного диоксида кремния.
Предпочтительно диоксид кремния, подходящий для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, может быть выбран из микрокремнеземов в соответствии с Европейским стандартом NF EN 197-1 от февраля 2001 года, пункт 5.2.7.
Поццолановые материалы, подходящие для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, могут быть природными кремнеземными или кремнезем-глиноземными веществами, или их комбинацией. Среди пуццолановых материалов можно назвать природные пуццоланы, которые в основном представляют собой материалы вулканического происхождения или осадочные породы, и природные кальцинированные пуццоланы, которые являются материалами вулканического происхождения, глинами, сланцами или осадочными породами, активированными термической обработкой.
Предпочтительно пуццолановые материалы, подходящие для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, могут быть выбраны из пуццолановых материалов в соответствии с Европейским стандартом NF EN 197-1 от февраля 2001 года, пункт 5.2.3.
Предпочтительно, минеральные добавки, подходящие для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, могут быть известковыми порошками и/или шлаками, и/или летучей золой, и/или микрокремнеземами. Предпочтительно минеральные добавки, подходящие для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, представляют собой известковые порошки и/или шлаки.
Другими минеральными добавками, подходящими для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, являются известковые, кремнистые или кремнеизвестковые порошки или их смеси.
Минеральные добавки, подходящие для смеси стадии (i) способа согласно изобретению, могут быть частично или полностью поступать из цемента, когда он представляет собой смешанный цемент.
Смесь стадии (i) способа согласно изобретению включает воду. Массовое отношение вода/цемент составляет от 0,45 до 1,3, предпочтительно от 0,5 до 1,2, более предпочтительно от 0,4 до 0,8. Это общее массовое отношение вода/цемент может изменяться из-за потребности воды для ультратонких частиц или минеральных добавок, если их используют. Это общее массовое отношение вода/цемент представляет собой отношение массового количества воды (Е) к массе всех цементов (С).
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения смесь стадии (i) способа согласно изобретению может содержать гидравлическую известь.
Предпочтительно смесь стадии (i) способа согласно изобретению не содержит легких агрегатов, как описано в соответствии с Европейским стандартом NF EN 206-1 от апреля 2004 года, например, перлита.
Согласно другому альтернативному варианту осуществления изобретения смесь стадии (i) способа согласно изобретению не содержит легких наполнителей, например гранул полистирола.
Стадия (ii) способа согласно изобретению включает добавление к смеси стадии (i) от 0,5 до 10 масс. % порообразующего агента по отношению к массе цемента.
Предпочтительно стадия (ii) способа согласно изобретению включает добавление от 2 до 8% порообразующего агента.
Порообразующий агент, добавляемый на стадии (ii) способа согласно изобретению, может представлять собой раствор перекиси водорода, раствор пероксомоносерной кислоты, раствор пероксодисерной кислоты, раствор щелочных пероксидов, раствор щелочноземельных пероксидов или раствор органического пероксида, такого как пероксиуксусная кислота или пероксибензойная кислота, или суспензию частиц алюминия, или их смеси.
Предпочтительно порообразующий агент представляет собой перекись водорода. Предпочтительно - это перекись водорода, концентрация которой составляет от 8% до 35%.
В конце стадии (ii) способа согласно изобретению получают смесь. Эта смесь может быть получена согласно способу изобретения с использованием устройства, содержащего трубы потенциально разного размера, которые образуют трубопровод. Этот трубопровод может содержать или не содержать механического вспомогательного средства для смешивания, такого как статический смеситель. Реакция между порообразующим агентом и солью переходного металла (предшественником катализатора) и/или цементом начинается немедленно, и часть всего кислорода немедленно высвобождается таким образом, что трубопровод содержит пузырьки. На выходе трубопровода смесь, содержащая фракцию пузырьков, должна быть немедленно вылита в форму или помещена на подложку. Во время этой операции, когда смесь выходит из трубопровода, эту смесь не фракционируют.
Предпочтительно смесь, полученную на стадии (ii) способа согласно изобретению, не фракционируют.
Выражение «не фракционируют», как правило, означает, что смесь выходит из трубопровода в виде струи и сохраняет свою целостность, и, в частности, ее не распыляют в форме или на подложке, даже если несколько случайных капель могут образоваться во время контакта с подложкой.
Стадия (iii) способа согласно изобретению включает нанесение смеси, полученной на стадии (ii), на подложку. Эту стадию нанесения можно осуществлять без использования распылительных сопел или их эквивалентов. Кроме того, эту стадию нанесения можно осуществлять без использования элементов на выходе устройства.
Фактически, распыление, как правило, будет приводить к фракционированию смеси или к образованию капель. Нанесение можно осуществлять, оставляя полученную на стадии (ii) смесь естественным образом растекаться на подложке. Таким образом, естественным образом растекающаяся смесь не приводится в движение или не ускоряется, что может дестабилизировать смесь и образовать капли.
Предпочтительно на стадии (iii) смесь наносят без использования распылительного сопла.
Предпочтительно стадию (iii) способа согласно изобретению осуществляют без распыления.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения стадию (iii) можно повторять для получения последовательных или наложенных слоев. Предпочтительно последний осажденный слой осаждается на слой, уже получивший механическую прочность за счет гидратации цемента.
Подложка, используемая на стадии (iii) способа согласно изобретению, может быть вертикальной, горизонтальной, наклонной или находиться в любом положении. Она также может представлять собой емкость, форму, полый или сплошной строительный блок, полую или сплошную стену, потолок, пол (находящуюся под полом форму или изоляционную стяжку).
Подложка, используемая на стадии (iii) способа согласно изобретению, может быть обработана перед нанесением смеси, полученной на стадии (ii).
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения способ согласно изобретению дополнительно включает использование ускорителя гидратации цемента, который присутствует либо в смеси стадии (i) или (ii), либо на поверхности подложки на стадии (iii).
Предпочтительно смесь стадии (i) способа согласно изобретению дополнительно включает ускоритель гидратации цемента, например хлорид кальция.
Когда ускоритель гидратации цемента присутствует в смеси стадии (i) или (ii), он предпочтительно представляет собой соль кальция, такую как, например, хлорид кальция. Ускоритель гидратации цемента можно вводить непрерывно перед стадией (iii) способа согласно изобретению.
Когда на поверхности подложки на стадии (iii) присутствует ускоритель гидратации цемента, он предпочтительно представляет собой сульфат алюминия.
Ускоритель гидратации цемента можно вводить на стадии (i) до или после добавления воды, или распылять на подложку на стадии (iii).
Воду можно наносить на подложку, используемую на стадии (iii) способа согласно изобретению, перед стадией (iii).
В способе согласно изобретению также могут быть использованы другие добавки, такие как, например, цветные пигменты, гидрофобные агенты, очищающие агенты (например цеолиты или диоксид титана).
На стадии (iv) способа согласно изобретению смесь расширяется. Это расширение начинается, как только порообразующий агент начинает химически реагировать, то есть на стадии (ii), и заканчивается на стадии (iv). Полученный таким образом аэрированный минеральный пеноматериал можно выровнять, и он может иметь толщину более 1 см. Затем происходит схватывание до получения твердого минерального пеноматериала.
Это расширение соответствует высвобождению газов после химической реакции порообразующего агента, потенциально в присутствии катализатора. Когда порообразующий агент представляет собой пероксид, реакция разложения порообразующего агента, осуществляемая в присутствии катализатора, представляет собой экзотермическую реакцию, образующую молекулы кислорода и воду. Фактически известно, что разложение пероксидов ускоряется в присутствии металла.
Смесь стадии (i) может быть получена с использованием смесителей, обычно используемых для производства цементных растворов. Это может быть смеситель для раствора, бетономешалка, смеситель, описанный в европейском стандарте NF EN 196-1 от апреля 2006 года - параграф 4.4, или смеситель-взбивалка с планетарным движением.
Смесь стадии (i) может быть получена путем введения в смеситель различных материалов в виде порошков. Порошки смешивают для получения однородной смеси. Затем в смеситель вводят воду. Затем вводят минеральные частицы, адъюванты, такие как, например, добавка, уменьшающая водопотребность, пластификатор, суперпластификатор, ускоритель, тиксотропный агент, загуститель, удерживающий воду агент или замедлитель, если они присутствуют в композиции минерального пеноматериала. Полученную смесь перемешивают с получением смеси цементного раствора.
Предпочтительно смеси стадий (i) или (ii) поддерживают при перемешивании с использованием дефлокулирующей лопатки на протяжении всего времени выполнения способа производства минерального пеноматериала согласно изобретению.
Способ согласно изобретению можно осуществлять на производственном участке путем установки системы изготовления пеноматериала непосредственно на производственном участке, либо на заводе по предварительному производству.
Изобретение также относится к минеральному пеноматериалу, который может быть получен способом в соответствии с изобретением.
3
3
3
Предпочтительно минеральный пеноматериал, полученный способом в соответствии с изобретением, имеет плотность в сухом состоянии от 50 до 600 кг/м, более предпочтительно от 60 до 500 кг/м, даже более предпочтительно от 70 до 450 кг/м. Можно отметить, что плотность минерального пеноматериала в свежем состоянии (влажная плотность) отличается от плотности минерального пеноматериала в сухом состоянии, то есть после схватывания (плотность затвердевшего материала). Плотность минерального пеноматериала в свежем состоянии всегда больше плотности пеноматериала в сухом состоянии.
Изобретение предлагает в качестве преимущества то, что минеральный пеноматериал согласно изобретению имеет значительную легкость и, в частности, очень низкую плотность.
Изобретение предлагает в качестве другого преимущества то, что минеральный пеноматериал согласно изобретению обладает отличными свойствами стабильности. Примечательно, что пузырьки, которые содержатся в минеральном пеноматериале в свежем состоянии, немного разлагаются после заливки в форму или осаждения на подложке.
Подложка может иметь различную природу и различные формы.
Подложка может представлять собой емкость для заполнения. В этом случае предполагается заполнять строительные блоки минеральным пеноматериалом согласно изобретению. Например, это могут быть строительные блоки, терракотовые блоки, ячеистые бетонные блоки, которые желательно заполнить пеноматериалом согласно изобретению.
Подложка может представлять собой стену для покрытия минеральным пеноматериалом согласно изобретению. Например, это может быть бетонная литая стена, бетонная смесь, укладываемая в опалубку, стена из строительных блоков, стена из терракотовых блоков, стена из ячеистых бетонных блоков, стена, покрытая раствором или покрытием.
Подложка может иметь различную природу, такую как бетон, терракота, штукатурка, необработанная древесина, гипсокартон, картонный лист или любой другой материал, используемый в строительстве.
Подложку можно обрабатывать или покрывать первым слоем минерального пеноматериала согласно изображению. Подложку можно обрабатывать перед осаждением пеноматериала. Обработка может состоять, например, из одной или более операций разбрызгивания воды, разбрызгивания растворов ускорителей схватывания, таких как сульфат алюминия, или из осаждения связующих грунтовок, или любого другого раствора физической или химической природы, которые позволяют ускорить схватывание цемента на границе раздела подложки и смеси, или для обеспечения лучшей адгезии смеси на подложке, или для увеличения шероховатости подложки.
-1
-1
Изобретение предлагает в качестве другого преимущества то, что минеральный пеноматериал согласно изобретению имеет отличные термические свойства и, в частности, очень низкую теплопроводность. Снижение теплопроводности строительных материалов крайне желательно, поскольку оно позволяет экономить тепловую энергию в жилых или рабочих зданиях. Кроме того, минеральный пеноматериал согласно изобретению позволяет получить хорошие характеристики изоляции при малой толщине и тем самым сохранить поверхности и жилые объемы. Теплопроводность (также называемая лямбда (λ)) представляет собой физическую величину, характеризующую поведение материалов при переносе тепла из счет проводимости. Теплопроводность представляет собой количество тепла, переносимого через единицу площади поверхности и за единицу времени под действием разности температур. В международной системе единиц теплопроводность выражается в ваттах на метр-кельвин (Вт≥м⋅K). Классические или традиционные бетоны имеют теплопроводность от 1,3 до 2,1, измеренную при 23°С и 50% относительной влажности.
Минеральный пеноматериал согласно изобретению имеет теплопроводность в диапазоне от 0,03 до 0,5 Вт/(м⋅К), предпочтительно от 0,04 до 0,15 Вт/(м⋅К), более предпочтительно от 0,045 до 0,10 Вт/(м⋅К).
Изобретение предлагает еще одно преимущество, заключающееся в том, что минеральный пеноматериал согласно изобретению имеет хорошие механические свойства и, в частности, хорошую прочность на сжатие по сравнению с известными минеральными пеноматериалами. Минеральный пеноматериал согласно изобретению имеет прочность на сжатие от 0,04 до 5 МПа, предпочтительно от 0,05 до 2 МПа, более предпочтительно от 0,05 до 1 МПа.
Изобретение также относится к применению минерального пеноматериала согласно изобретению в качестве строительного материала. Например, минеральный пеноматериал согласно изобретению можно использовать для отливки стен, полов, крыш на производственном участке. Предусматривается также изготовление элементов, предварительно изготовленных на заводе предварительной подготовки, из пеноматериала согласно изобретению, таких как блоки, панели.
Минеральный пеноматериал согласно изобретению можно отливать на стены на производственном участке.
Изобретение также относится к применению минерального пеноматериала согласно изобретению в качестве изоляционного материала, в частности термо- или звукоизоляционного материала.
Преимущественно минеральный пеноматериал согласно изобретению позволяет в некоторых случаях заменить стекловату, минеральную вату, асбест или изоляционные материалы из полистирола и полиуретана.
Преимущественно минеральный пеноматериал согласно изобретению можно использовать для обратного заполнения или заполнения пустого или полого пространства здания, стены, перегородки, стенного блока, например шлакоблока, кирпича, пола или потолка. Такие материалы или композиционные строительные элементы, содержащие минеральный пеноматериал согласно изобретению, также являются объектами настоящего изобретения.
Преимущественно минеральный пеноматериал согласно изобретению можно использовать в качестве закупоривающего (тампонажного) материала.
Преимущественно минеральный пеноматериал согласно изобретению можно использовать в качестве фасадного покрытия, например, для изоляции здания снаружи. В этом случае минеральный пеноматериал согласно изобретению можно покрыть финишным покрытием.
Предметом изобретения также является система, содержащая минеральный пеноматериал согласно изображению. Пеноматериал может присутствовать в системе в качестве изоляционного материала. Его можно отливать вертикально между двумя стенками, выбранными, например, из бетонных литых стен, кирпичных стен, гипсокартона, деревянного листа, например деревянных панелей с ориентированными тонкими полосками, волокнисто-цементных панелей, в целом образуя систему.
Система согласно изобретению преимущественно способна противостоять переносу воздуха, тепла и влаги, или уменьшать этот перенос, то есть система имеет контролируемую проницаемость для переноса воздуха, воды в виде пара или жидкости.
Система согласно изобретению предпочтительно включает по меньшей мере один каркас или структурный элемент. Этот каркас может быть выполнен из бетона (колонны/балки), металла (стойки или рельсы), дерева, пластмассы или композиционного материала, или синтетического материала. Минеральный пеноматериал согласно изобретению может также покрывать структуру, например, типа проволочной сетки (из пластика, металла), или столбы или балки здания.
Систему согласно изобретению можно использовать для производства или изготовления облицовки, изоляционной системы или перегородки, например, разделительной перегородки, внутренней перегородки или жесткой облицовки стен.
Изобретение также относится к строительному элементу, содержащему минеральный пеноматериал согласно изобретению.
Если предполагается, что минеральный пеноматериал согласно изобретению набрызгивают на вертикальную стенку, эта стенка может быть снабжена элементами, которые облегчают сцепление пеноматериала, например, металлическими проволочными сетками или проволочными сетками на основе пластмассовых материалов, которые установлены на стенке или на некотором расстоянии от стенки, и соединены или не соединены со стенкой. Вдоль стенки можно установить вертикальную арматуру, которая будет служить опорными точками для проволочных сеток. Эти проволочные сетки могут представлять собой простую горизонтальную проволоку.
На фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая принцип измерения контактного угла между каплей воды и поверхностью.
На фиг. 2 представлена схема, на которой показан иллюстративный вариант осуществления устройства для реализации способа согласно изобретению.
В примере, показанном на фиг. 2, устройство включает резервуар (1), снабженный мешалкой, первый насос (3), первую трубу (4), статический смеситель (5), второй насос (6), емкость (7), второй трубопровод (8), выпускной элемент (9) и подложку (10). Смесь (2) представляет собой смесь стадии (i) и содержится в резервуаре (1). Порообразующий агент содержится в емкости (7). Их независимо непрерывно накачивают насосами (3) и (6), и смешивают с помощью статического смесителя (5). Труба (8) и выпускной элемент (9) образуют трубопровод, который может содержать дополнительные элементы различного сечения и различной длины. Размеры (L1) и (D1) трубы (8) и размеры (L2) и (D2) выпускного элемента (9) выбирают таким образом, чтобы потери напора в трубопроводе оставались совместимыми с характеристиками выходящего материала, такими как скорости потока и скорости на выходе трубопровода, и с насосными средствами. Трубу (8) и выпускной элемент (9) также выбирают в зависимости от скорости высвобождения кислорода в трубопроводе и, в частности, от соотношения между высвобождением, ожидаемым в трубопроводе и ожидаемым после выпуска (11) из трубопровода, и от равномерности потока. Как правило, диаметр (D2) конечной части трубопровода (выпуска (11)) выбирают как средство регулирования скорости выпуска пеноматериала с сохранением целостности струи. В диапазоне плотности согласно изобретению расширение не является полным на выпуске (11) трубопровода и заканчивается на подложке (10). Как правило, по меньшей мере 20% расширения происходит на подложке (10).
Могут быть предусмотрены другие варианты осуществления устройства для применения в способе согласно изобретению.
Способ измерения угла смачивания или контактного угла:
На фиг. 1 показан принцип измерения угла смачивания между твердой поверхностью 10 образца 12, изготовленного из бетона, и каплей 14 жидкости, помещенной на поверхность 10. Цифра 16 обозначает границу раздела жидкость/газ между каплей 14 и окружающим воздухом. На фиг. 1 представлено поперечное сечение вдоль плоскости, перпендикулярной поверхности 10. В плоскости сечения угол смачивания а соответствует углу, измеренному внутри капли 14 жидкости между поверхностью 10 и касательной Т до границы раздела 16 в точке пересечения между твердой поверхностью 10 и границей раздела 16.
Для проведения измерения угла смачивания образец 12 помещают в камеру при температуре 20°С и относительной влажности 50%. Каплю воды 14, имеющую объем 2,5 мкл, помещают на поверхность 10 образца 12. Измерение угла осуществляют оптическим методом, например, с использованием устройства для анализа формы капли, например, устройства DSA 100, продаваемого компанией Kriiss. Измерения повторяют пять раз, а значение контактного угла, измеренного между каплей воды и подложкой, равно среднему из этих пяти измерений.
Лазерное измерение размера частиц
Кривые размеров частиц для различных порошков получали с использованием лазерного анализатора размеров типа Mastersizer 2000 (2008 год, серия MAL1020429), продаваемого компанией Malvern.
Измерение проводят в подходящей среде (например водной среде) для диспергирования частиц; размер частиц должен быть в пределах от 1 мкм до 2 мм. Источником света является красный He-Ne лазер (632 нм) и синий диод (466 нм). Оптический режим представляет собой модель Фраунгофера со стандартом определения размеров полидисперсных частиц.
Измерение фонового шума сначала выполняют при частоте вращения насоса 2000 оборотов в минуту, частоте вращения мешалки 800 оборотов в минуту и при измерении шума в течение 10 сек, при отсутствии ультразвука. Затем удостоверяются в том, что интенсивность света лазера составляет по меньшей мере 80% и достигнута убывающая экспонентная кривая для фонового шума. Если это не так, следует очистить линзы в камере.
Первое измерение проводят на образце со следующими параметрами: частота вращения насоса - 2000 оборотов в минуту, частота вращения мешалки -800 оборотов в минуту, без ультразвука, предел затенения от 10 до 20%. Вставляют образец для получения затенения немного выше, чем 10%. После стабилизации затенения проводят измерение со временем 10 сек между погружением и серией измерений. Время измерения составляет 30 сек (анализировали 30000 дифракционных изображений). На полученном графике распределения по размерам следует учитывать тот факт, что часть порошка может быть агломерированной.
Затем проводят второе измерение (без опорожнения резервуара) с использованием ультразвука. Частоту вращения насоса увеличивают до 2500 оборотов в минуту, частоту вращения мешалки - до 1000 оборотов в минуту, и используют 100% ультразвуковое излучение (30 Вт). Этот режим поддерживают в течение 3 минут, прежде чем вернуться к исходным параметрам: частота вращения насоса 2000 оборотов в минуту, частота вращения мешалки 800 оборотов в минуту, без ультразвука. Через 10 сек (для удаления воздушных пузырьков) выполняют 30 сек измерение (анализировали 30000 изображений). Это второе измерение соответствует порошку, деагломерированному с помощью ультразвукового диспергирования.
Каждое измерение повторяют по меньшей мере дважды, чтобы проверить стабильность результата. Устройство калибруют перед каждой рабочей сессией с использованием стандартного образца (СЮ диоксид кремния Sifraco), имеющего известную кривую размеров частиц. Все измерения и диапазоны, приведенные в этом описании, соответствуют значениям, полученным с использованием ультразвука.
Способ измерения удельной площади поверхности по Блейну
Величину удельной площади поверхности различных материалов измеряют следующим образом:
Метод Блейна при 20°С и относительной влажности не более 65% с использованием аппарата Блейна Euromatest Sintco, соответствующего европейскому стандарту EN 196-6. Перед измерением удельной площади поверхности влажные образцы высушивают до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре от 50 до 150°С (высушенный продукт затем измельчают, чтобы получить порошок, имеющий максимальный размер частиц 80 мкм или менее).
Примеры
Для получения минеральных пеноматериалов, имеющих композиции 391, 390-а, 390-b и 400, выполняли способ согласно изобретению. Также выполняли сравнительный пример 389, чтобы подчеркнуть выгодные аспекты способа согласно изобретению.
Материалы:
Используемым цементом был портландцемент CEMI 52. R с цементного завода Lafarge Saint Pierre la Cour. Буква "R" соответствует определению в стандарте NF EN 197-1, версия от апреля 2012 года.
2
Этот цемент измельчали до получения удельной площади поверхности по Блейну 8000 см/г.
Добавка, уменьшающая водопотребность - это суперпластификатор нового поколения, сильно понижающий количество воды для затворения, на основе модифицированного поликарбоксилата, продаваемый под названием Chryso Fluid Premia 180 и поставляемый компанией Chryso. Сухое вещество в Premia 180 составляет 50 масс. %. Добавка, уменьшающая водопотребность, не содержит противовспенивающего агента.
Ультратонкие частицы представляют собой частицы осажденного карбоната кальция, продаваемого под названием Socal 312 и поставляемого компанией Solvay РСС. Эти ультратонкие частицы имеют контактный угол от 90° до 130°, измеренный в соответствии со способом, описанным выше, и D50 равен 40 нм, как измерено способом, описанным в документе ЕР 1740649.
Соль переходного металла представляет собой моногидрат сульфата марганца, поставляемый компанией Sigma Aldrich.
Минеральная добавка представляет собой известковый порошок, продаваемый под названием BL200 Orgon и поставляемый компанией Omya, для композиций 389, 391, 390-а и 390-b, и шлак Dunkirk (Origin Arcelor) - для композиции 400. D50 добавки BL200 составляет 6 мкм, a D50 шлака - 14,2 мкм.
2
Ускоритель гидратации цемента представляет собой сульфат алюминия с концентрацией 1 моль/л, полученный из гидратированного сульфата алюминия (14HO) в порошке, поставляемый компанией VWR.
Порообразующий агент представляет собой 30% перекись водорода, поставляемую компанией VWR.
Вода представляет собой водопроводную воду.
Используемое оборудование:
Смесители Rayneri:
- Смеситель модели R 602 EV (2003), поставляемый компанией Rayneri. Смеситель состоит из шасси, на котором расположены барабаны объемом от 10 до 60 литров. Барабан на 10 л использовали с мешалкой типа лопатки, адаптированной к объему барабана. Эта лопатка вращается вокруг своей оси и сопровождается планетарным движением вокруг вала барабана.
Насосы:
- Эксцентричный винтовой насос Seepex™ типа MD 006-24, комиссионный №244920.
- Эксцентричный винтовой насос Seepex™ типа MD 006-24, комиссионный №278702.
Статический смеситель:
- Статический смеситель, состоящий из 32 спиральных элементов типа Kenics, диаметром 19 мм, ссылка 16La632, от компании ISOJET.
I. Получение минеральных пеноматериалов
Получение пасты для композиций 389, 391, 390-а и 390-b:
Пасту получают смешиванием соединений из таблицы I в соответствующих соотношениях, указанных в таблице. Затем пасту смешивают с водой в планетарном смесителе (марка Rayneri) в течение 5 мин. Измеряют плотность пеноматериала в свежем состоянии после расширения.
* значения представляют собой проценты, выраженные по массе относительно массы
** массовые проценты по отношению к массе цемента
*** массовое отношение
Перед нанесением пеноматериала на стенку из шлакоблоков, служащую подложкой, стенку обрабатывают с помощью распылителя путем аспирации 1 моль/л раствора сульфата алюминия.
Затем пасту непрерывно закачивают с помощью винтового насоса (марки Seepex (I)) в главный трубопровод диаметром 15 мм. Одновременно водный раствор перекиси водорода закачивают с помощью другого винтового насоса (марки Seepex (II)) и непрерывно вводят в трубопровод, в который течет паста. Соответствующие скорости закачивания указаны в таблице 2. Смешивание пасты и раствора ускоряется из-за наличия статического смесителя, размещенного в главном трубопроводе и расположенного непосредственно после точки введения раствора перекиси водорода. Труба ниже по потоку от статического смесителя имеет длину 5,5 м.
Труба оснащена аппликатором (адаптером диаметра), который увеличивает диаметр выпускной трубы до 20 мм на длине 20 см.
Следует отметить, что паста, полученная на выходе аппликатора, только частично аэрирована (менее 50% от общей доли кислорода включено в пасту на этой стадии), и ее расширение продолжается после осаждения. Пасту наносят на стену только посредством выпускаемой струи, которая сохраняет свою целостность до точки осаждения. Измеряют плотность пеноматериала в свежем состоянии после расширения.
Стену покрывают путем постепенного изменения положения точки осаждения до тех пор, пока стена полностью не покроется пеноматериалом после полного расширения. Таким образом получается слой приблизительно 3 см. Систему оставляют в том состоянии, как она есть, до тех пор, пока не начнется схватывание цемента, то есть примерно на 2,5 часа при температуре окружающей среды.
Операцию осаждения пеноматериала повторяют второй раз точно в тех же условиях, что и в первый раз. Наносят второй слой приблизительно 3 см. Затем пасту разравнивают, чтобы сгладить неровности и придать ей законченное состояние.
Получение пасты для композиции 400:
Пасту получают путем смешивания следующих соединений, причем проценты выражены по массе:
2
71,46% цемента, измельченного до достижения удельной площади поверхности по Блейну 8000 см/г.
22,2% шлака Dunkirk
4,80% обработанных ультратонких частиц (Socal 312 от Solvay РСС)
1.4% моногидрата сульфата марганца
0,4% суперпластификатора Premia 180
2
2
4.5% HO, в расчете на цемент, добавляют в виде 30% раствора.
II. Анализ минерального пеноматериала
II, 1 Теплопроводность минеральных пеноматериалов Теплопроводность измеряли с использованием устройства измерения теплопроводности: ТП-метра, поставляемого компанией Alphis-ERE (сопротивление 5 Ом, проволочный зонд 50 мм). Измерения проводили на образцах, высушенных при температуре 45°С до постоянного веса. Образец затем распиливали на две части одинакового размера, используя пилу. Измерительный зонд помещали между двумя плоскими поверхностями этих двух половинных образцов (распиленных сторон). Тепло передавали от источника к термопаре через материал, окружающий зонд. Повышение температуры термопары измеряли в зависимости от времени и вычисляли теплопроводность образца.
II, 2 Плотность минеральных пеноматериалов
Плотность растворов вспененного цемента во влажном состоянии измеряли путем взвешивания кубиков во время литья и после полного расширения.
Плотность образцов в сухом состоянии измеряли на сухих образцах, высушенных при 45°С до постоянного веса, также путем взвешивания кубиков.