ГРАНУЛИРОВАННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ОПОКИ ДЛЯ БЕТОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И БЕТОННОЕ СТРОИТЕЛЬНОЕ ИЗДЕЛИЕ
GRANULATED COMPOSITE FILLER BASED ON MOULDING FLASK FOR CONCRETE BUILDING PRODUCTS AND CONCRETE BUILDING PRODUCT

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для получения бетонных строительных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке при твердении, для гражданского и промышленного строительства.
2
Известен гранулированный заполнитель для получения бетонной смеси, состоящий из ядра и защитной оболочки. Ядро изготавливают грануляцией на тарельчатом грануляторе смеси дисперсных кремнеземсодержащих компонентов - золы ТЭС (дисперсностью не менее 200 м кг) и осадка станции аэрации биологической очистки промышленных сточных вод со связкой
2
2
- молотой известью (дисперсностью 500-600 м/кг) и гипсом (маркой не менее 100 и дисперсностью не менее 350 м/кг) в соотношении компонентов смеси соответственно 0,3:0,5:0,15:0,05 по массе. После грануляции на ядро наносится защитная оболочка толщиной 3-5 мм путем смачивания ядра гранулы жидким стеклом и опудривания или окатывания на тарельчатом или барабанном грануляторе сухой пылевидной смесью извести, гипса и минерального дисперсного наполнителя (золы ТЭЦ, ГРЭС, суглинка и т.д.) в соотношении компонентов смеси соответственно 0,35:0,10:0,55 по массе. После формирования гранул с целью их отверждения применяется тепловлажностная обработка при температуре 90°С с изотермической выдержкой в течение одного часа [Патент РФ №2077517, кл. 6 С04В 20/10, 1993].
Недостатком известного гранулированного заполнителя является то, что при изготовлении бетонных изделий требуются повышенные расходы тепловой энергии для тепловлажностной обработки: сначала тепловлажностной обработке подвергается гранулированный заполнитель, затем - сформованное строительное изделие, включающее вышеназванный заполнитель, а также то, что получаемые бетонные строительные изделия, подвергающиеся тепловлажностной обработке при твердении, имеют невысокую водонепроницаемость и прочность. Использование данного заполнителя не способствует сокращению продолжительности тепловлажностной обработки бетонных изделий.
Наиболее близким к предлагаемому решению является использование безобжигового гранулированного заполнителя для получения бетонной смеси. Бетонная смесь помимо портландцемента и мелкого заполнителя (кварцевого песка) включает композиционный заполнитель в виде безобжиговых гранул на основе опоки и гидроксида натрия. Технология изготовления бетонных изделий по прототипу включает в себя перемешивание компонентов - композиционного гранулированного заполнителя, портландцемента, кварцевого песка и воды, формование изделий и тепловая обработка их в пропарочной камере по режиму 2+6+2 при атмосферном давлении и температуре изотермической выдержки 85-95°С в течение 6 часов [Патент РФ №2361834, кл. С04В 28/04, 2007].
Недостатками указанного гранулированного заполнителя и бетонного изделия является то, что используемый заполнитель не позволяет существенно снизить время тепловой обработки бетонных изделий; обеспечить их повышенную водонепроницаемость.
Предлагаемое изобретение направлено на снижение продолжительности тепловлажностной обработки при твердении при повышении и сохранении прочностных показателей бетонных изделий, снижение их водопроницаемости.
2
3
о
Такой результат достигается с помощью гранулированного композиционного заполнителя для бетонных изделий размером 0,5-10,0 мм, состоящего из ядра и оболочки, где ядро получено гранулированием смеси совместно молотых до удельной поверхности 150-250 м/кг опоки и гидроксида натрия, при их массовом соотношении 0,70-0,95:0,05-0,30 со связкой - водным раствором силиката натрия плотностью 1,2-1,3 г/см в количестве 0,1-7,0 мас.% от смеси, а оболочка сформирована на поверхности ядра его окатыванием сухой пылевидной смесью совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого в массовом соотношении 0,85-0,95:0,05-0,15, с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа, в котором согласно предлагаемому решению при получении ядра одновременно с указанной связкой используют подогретый до 50С алкилсульфонат в количестве 0,1-7,0 мас.% от массы компонентов ядра.
Алкилсульфонат при комнатной температуре - паста беловатого цвета, однако при нагревании до 50°С - разжижается и допускает распыление форсунками.
11
18
2
Алкилсульфонат является смесью натриевых солей алкилсульфоновых кислот с длиной цепи алкильного радикала С-C, из н-парафинов; имеет химическую формулу R-SONa. Эксперименты показывают, что эффективность по снижению вязкости гидросиликатов натрия с помощью алкилсульфонатов чрезвычайно высока, присутствие малых количеств реагента увеличивает подвижность ионов кремния.
Состояние кристаллической структуры бетонов в процессе тепловлажностной обработки контролировалось при помощи сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения Supra 50 VP (LEO, Германия), кинетику усвоения извести - электронным дифрактометром ДРОН.
Заявляемое бетонное строительное изделие характеризуется тем, что оно получено с использованием указанного заполнителя.
Характеристика компонентов:
1. В качестве вяжущего при получении бетонных образцов использовали портландцемент ЗАО «Белгородцемент» по ГОСТ 10178-85. Марка цемента 400. Нормальная густота цементного теста по ГОСТ 310.4-81 - 27,12%, активность при пропаривании 38,4 МПа, активность при нормальном твердении в возрасте 28 суток - 43,7 МПа.
2. В качестве мелкого заполнителя бетонных смесей использовали природный кварцевый Вольский песок по ГОСТ 6139-2003.
2
2
3
2
3
2
2
3. Для изготовления ядра заполнителя использовали опоку, отобранную из открытого карьера Коркинского месторождения. Челябинская область. Химический состав, мас.%: SiO - 76,3; AlO - 8,4, FeO - 3,1, TiO - 0,2, CaO - 2,2; MgO - 1,0; RO - 1,7; п.п.п. - 3,3.
4. Гидроксид натрия по ГОСТ 2263-79;
5. Алкилсульфонат по ТУ 2481-308-05763458-2001.
6. Для изготовления защитной оболочки заполнителя использовали известь негашеную строительную производства ОАО «Стройматериалы», г.Белгород по ГОСТ 9179-77.
2
6
7. Натрий кремнефтористый NaSiF по ТУ 6-09-1461-91.
8. Вода водопроводная по ГОСТ 23732-79.
3
9. При гранулировании порошка совместно молотой опоки с гидроксидом натрия на тарельчатом грануляторе в качестве связки использовали водный раствор силиката натрия (жидкое стекло) по ТУ 2385-001-54824507-2000 плотностью 1,25 г/см.
2
3
Для получения ядер гранулированного заполнителя при реализации заявляемого способа получения бетонных изделий опоку дозировали с гидроксидом натрия весовым методом. Полученную смесь загружали в шаровую мельницу и производили смешивание и помол до достижения удельной поверхности 200 м/кг. Гранулирование полученной шихты осуществляли с помощью тарельчатого гранулятора путем разбрызгивания на поверхность порошка водного раствора силиката натрия плотностью 1,25 г/см. Через дополнительную форсунку из отдельной, подогреваемой до 50°С емкости на тарелку гранулятора распылялся алкилсульфонат. Количество его регулировалось расходомером. Скоростью вращения и углом наклона тарелки гранулятора регулировали диаметр гранулированного материала. Полученные ядра направляли на окатывание порошком извести, молотой совместно с натрием кремнефтористым при их соотношении 0,9:0,1 по массе. На сите с размером ячеек 0,5 мм отделяли гранулированный материал и направляли на хранение при температуре окружающей среды. Контроль набора прочности гранулированного заполнителя при температуре окружающей среды производили путем испытания в цилиндре по ГОСТ 9758.
3
Пример. Приготовление ядер гранулированного заполнителя. Опоку (7,4 кг) и гидроксид натрия (1,8 кг), (табл., смесь 1) мололи в мельнице совместно до удельной поверхности 200 м /кг. Полученный порошковый материал подавали на тарельчатый гранулятор. На поверхность порошка путем разбрызгивания наносили водный раствор силиката натрия плотностью 1,25 г/см. Одновременно из обогреваемой до 50°С емкости через расходомер распыляли алкилсульфонат в количестве 0,4 кг (4% по массе). Скоростью вращения и углом наклона тарелки гранулятора регулировали диаметр получаемых ядер, который составлял в данном случае 4,4-4,5 мм.
Получение защитной оболочки на ядрах. Полученные ядра направляли на опудривание порошком извести (9 кг), молотой совместно с кремнефтористым натрием (1 кг), т.е. в соотношении 0,90:0,10, до получения гранул размером 5,0 мм (табл., смесь 1). Опудривание производили в барабанном смесителе.
Часть полученного гранулированного материала после хранения в течение 7 часов при температуре окружающей среды испытывали на прочность путем сдавливания в цилиндре по ГОСТ 9758; остальную - использовали при приготовлении бетонных смесей для изготовления образцов строительных изделий. Прочность гранул при сжатии составляла 0,3 МПа.
Приготовление бетонной смеси. Дозировку компонентов производили весовым способом: 2 кг портландцемента (20 мас.%, табл., смесь 1), 2,5 кг (25 мас.%) кварцевого песка и 3,5 кг (35 мас.%) гранулированного заполнителя перемешивали в шнековом смесителе до однородного состояния и добавляли 2 кг (20 мас.%) воды.
Формование образцов производили традиционным способом путем заполнения стандартных форм 2ФК-100 по ГОСТ 10181-2000. Время выдержки в формах - 6 часов.
Тепловлажностную обработку бетонных образцов производили в пропарочной камере при атмосферном давлении по режиму 2+6+2 и температуре изотермической выдержки 90°С, таким образом, приготовление бетонной смеси, формовку образцов и их тепловлажностную обработку производили согласно прототипу [Патент РФ №2361834, кл. С04В 28/04, 2007]. Время изотермической выдержки варьировали от 3 до 6 часов, контролируя состояние внутренней структуры бетонных образцов по приборам.
Ядро заполнителя по прототипу (см. патент РФ №2361834, пример №1) не содержало алкилсульфонат, и в среднем гранулированный заполнитель имел прочность при раздавливании в цилиндре 0,31 МПа.
Образцы бетонных изделий испытывали на прочность (по ГОСТ 10180), определяли водонепроницаемость (по ГОСТ 12730.5-84). Результаты испытаний приведены в таблице (смесь 1).
Таким же образом были получены бетонные изделия с другими соотношениями компонентов ядра гранулированного заполнителя.
Анализ результатов испытаний свойств образцов бетонных строительных изделий показывает следующее.
1. Введение в состав бетонной смеси заявляемого гранулированного заполнителя, состоящего из ядра в виде связанных между собой жидким стеклом совместно молотых опоки, гидроксида натрия и добавкой алкилсульфоната, которое покрыто оболочкой из молотой извести и кремнефтористого натрия, позволяет получать прочные водонепроницаемые бетонные изделия, при этом сокращается время тепловлажностной обработки почти на 60% и значительно снижается энергоемкость получения бетонных изделий.
2. Уменьшение количества алкилсульфоната в ядре гранулированного заполнителя до 0,1 мас.%, уменьшает реакционную способность получаемых гранул, что позволяет снизить время тепловлажностной обработки почти на полчаса (смесь 2), удалось немного повысить водонепроницаемость получаемых бетонных изделий, данный состав принят как граничный.
Дальнейшее уменьшение количества алкилсульфоната в составе ядра заполнителя бетонных изделий не приводит к снижению продолжительности обработки, поэтому состав смеси 4 выходит за рамки заявляемых.
Состав и свойства гранулированного заполнителя, бетонных смесей и полученных из них изделий
Таблица
Состав ядра гранулированного заполнителя, мас.%
Прочность при сжатии в цилиндре через 7 часов естественного твердения, МПа
Состав бетонной смеси, мас.%
Физико-механические свойства бетонных изделий после тепловлажностной обработки
№ смеси
Опока
Гидроксид натрия
Водный раствор силиката натрия плотностью 1,25 г/см<sup>3</sup>
Алкилсульфонат
Портландцемент
Кварцевый  песок
Гранулированный заполнитель
Вода
Марка бетона по водонепроницаемости
Предел прочности при сжатии, МПа
Продолжительность тепловлажностной обработки до получения максимальной прочности при сжатии, час
1.
74,0
18,0
4,0
4,0
0,30
20
25
35
20
В8
45,6
4,0
2.
76,72
19,18
4,0
0,1
0,31
20
25
35
20
В7
36,9
5,5
3.
71,0
18,0
4,0
7,0
0,12
20
25
35
20
В9
45,2
3,7
4.
76,76
19,19
4,0
0,05
0,31
20
25
35
20
В6
36,3
6,0
5.
70,5
17,5
4,0
8,0
0,06
20
25
35
20
ВЗ
35,1
-
6 (прототип).
76,8
19,2
4,0
-
0,31
20
25
35
20
В6
36,3
6,0
3. Увеличение количества алкилсульфоната в ядре гранулированного заполнителя до 7,0 мас.% показывает его эффективность по увеличению подвижности силикатов натрия, что способствует ускоренному силикатообразованию, залечиванию дефектов структуры, росту прочности бетонных материалов, существенному сокращению продолжительности тепловлажностной обработки. Однако при этом наблюдается снижение механической прочности гранулированного материала, что является чрезвычайно важным показателем при использовании шнекового смесителя при приготовлении бетонных смесей. Поэтому данный состав принят как граничный (смесь 3).
Дальнейшее увеличение алкилсульфоната в ядре гранулированного заполнителя приводит к существенному снижению механической прочности гранулированного заполнителя и он становится непригодным для производства бетонных изделий, поэтому состав смеси 5 выходит за рамки заявляемых.
При оптимальном соотношении компонентов (смесь 1, табл.) полученные бетонные изделия имеют следующие преимущества по сравнению с известными: при увеличении прочностных характеристик за счет снижения дефектности структуры и ускоренного образования гидросиликатов повышается водонепроницаемость получаемых бетонных изделий и на 60% сокращается время тепловлажностной обработки, это существенно снижает необходимые энергозатраты при их производстве.
При использовании бетонных смесей с граничными соотношениями компонентов (смесь 2 и 3, табл.) полученные бетонные изделия практически сохраняют водонепроницаемость и прочностные характеристики по сравнению с аналогичными свойствами прототипа.
В процессе тепловлажностной обработки бетонных изделий в ядрах гранулированного заполнителя синтезируются водорастворимые силикаты натрия, которые в присутствии алкилсульфоната в заявляемых количествах приобретают высокую подвижность и, проникая сквозь защитную оболочку гранул, обеспечивают насыщение бетонной матрицы водорастворимыми ионами кремнезема на глубину 6-12 мм и более, чрезвычайно ускоряют процессы минералообразования и способствуют набору прочности структуры. Известно, что наличие подвижных ионов кремнезема способствует ускоренному росту кристаллов, ускоряются процессы минералообразования в целом, они благотворно влияют на силикатную структуру бетона. Подвижные ионы кремния производят силикатирование, т.е. химическое закрепление структуры бетонной матрицы, взаимодействуют с портландитом - несвязанным оксидом кальция, переводя его в связанное кристаллическое состояние, повышая водостойкость и водонепроницаемость бетонных изделий в целом.
Практика показывает, что использование заявляемых композиционных гранулированных заполнителей существенно сокращает время тепловлажностной обработки бетонных изделий.
Присутствие подвижных ионов кремния в процессе тепловлажностной обработки бетонных изделий способствует более полному связыванию свободного оксида кальция, повышает водостойкость и водонепроницаемость бетона.
Композиционный заполнитель по прототипу при введении его в состав бетонных изделий в процессе тепловлажностной обработки также выделяет силикаты натрия, однако они проявляют невысокую подвижность, проникают в окружающую их бетонную матрицу на глубину не более 0,2-0,5 мм, т.е. работают только в граничных зонах контакта бетонной матрицы с гранулируемым материалом, пропитывают только оболочку гранулы и почти не взаимодействует с бетонной матрицей по объему.
Заявляемый гранулированный заполнитель, входящий в состав бетонной смеси, а значит и бетонных изделий, в процессе тепловлажностной обработки частично растворяется, выделяя гидросиликаты, которые почти полностью поглощаются бетонной матрицей. На месте гранул остаются каверны, которые повышают адгезию к штукатурным растворам.