СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ЭТИМ СПОСОБОМ
METHOD OF PRODUCING PRODUCTS FROM LIGHT-WEIGHT CONCRETES AND PRODUCTS FROM LIGHT-WEIGHT CONCRETES, PRODUCED BY THEREOF

Изобретение относится к строительству, а более точно - к изготовлению изделий из бетонов, в которых используются легкие пористые заполнители и цементные вяжущие с добавками из полимерных материалов.
Легкие бетоны с использованием пористых заполнителей находят в строительстве все большее применение. Снижая плотность бетона, строители достигают снижения массы конструкций, увеличения теплоизоляционных свойств, уменьшения стоимости строительства, снижения трудозатат.
Одной из разновидностей легких бетонов является полистиролбетон (ПСБ) - композиционный материал, в состав которого входит цемент, пористый заполнитель, в качестве которого выступают гранулы вспененного полистирола, а также модифицирующие добавки (ускорители схватывания, пластификаторы и т.д.). В настоящее время выпускается следующие виды изделий из ПСБ: теплоизоляционные плиты с маркой по средней плотности Д150-Д250, пустотелые блоки для сборно-монолитных стен Д250-Д350, сплошные блоки ненесущие Д250-Д400, самонесущие Д350-Д450, несущие Д450-Д600.
По сравнению с используемыми в настоящее время аналогичными материалами, такими, как газобетон, пенополимеры, минераловатные плиты, ПСБ обладает рядом существенных преимуществ. Так, он не боится воды и годами плавает, морозостойкость может превышать 100 циклов, экологически безопасен, имеет низкий удельный вес, пожаробезопасен, группа горючести Г1. Значение коэффициента теплопроводности ПСБ марки Д200 соответствует значению теплопроводности минераловатной плиты марки ППЖ 200 - 0,07 кВт/м°C. Для обеспечение одних и тех же теплотехнических характеристик стен здания из ПСБ марки Д500 необходимая толщина составляет 360 мм, для ячеистого бетона - 460 мм. Стоимость квадратного метра стены из ПСБ ниже в 1,5-1,7 раза чем из ячеистого бетона. ПСБ имеет хорошие звукоизоляционные показатели -для стен толщиной 100 мм - 36 дБ, для 150 мм - 55 Дб.
Изделия из ПСБ, а также из других легких бетонов изготавливают обычно способом, при котором приготавливают цементный раствор, перемешивают его с легким заполнителем, помещают полученную смесь в опалубку, уплотняют смесь, производят распалубку и выгружают полученные изделия.
Изготовление изделий из ПСБ, однако, встречается с рядом технологических трудностей. Так, при перемешивании гранул из пенополистирола с цементным раствором происходит расслаиваивание смеси, что приводит к неоднородным свойствам по объему ПСБ. При производстве изделий из ПСБ, например, таких как блоки, экономически целесообразно производить распалубку сразу после их уплотнения вибропрессованием, однако изделия с плотностью ниже Д200 разваливаются или деформируются после снятия опалубки, в связи с чем некоторые производители восстанавливают геометрию изделий фрезерованием, другие для увеличения прочности изделия замораживают его. Ясно, что такие методы значительно увеличивают стоимость изделий ПСБ. Более целесообразным представляется увеличение прочности введением в состав смеси микрофибры. Чаще всего микрофибру изготавливают из полимерных волокон, однако, цементный раствор плохо смачивает такие волокна, в связи с чем микрофибра должна иметь значительную длину. В то же время, длинные волокна микрофибры препятствуют плотной упаковке пенополистирольных гранул, что приводит к увеличению количества цементного раствора и увеличению теплопроводности. Для снижения теплопроводности в смесь вводят воздухововлекающие добавки, например, омыленный древесный деготь. Такие добавки, однако, снижают морозостойкость ПСБ и уменьшают степень гидратации цементных зерен, что приводит к снижению прочности формируемого бетонного камня, что имеет особенно большое значение при производстве изделий из ПСБ низкой плотности.
При производстве изделий из ПСБ каждая гранула должна быть покрыта тонким слоем цементного раствора, что, учитывая ее сферическую форму и гладкую гидрофобную поверхность, реализовать достаточно сложно, а без химических добавок практически невозможно. Некоторые из добавок, применяемых при производстве полистиролбетонов, описаны, например, в патентах RU 2082695, RU 2100322, RU 2143413, RU 2292317, RU 2390510.
Вместо гранул из пенополистирола в качестве легкого заполнителя для производства легких бетонов могут быть использованы частички вспученных минералов, таких, как перлит, вермикулит, шлаки ТЭЦ и др. Проблемы, возникающие при производстве изделий из легкого бетона, содержащего такие заполнители, те же, что и при производстве полистиролбетона. К ним добавляются проблемы, обусловленные тем, что поверхность таких частичек вспученных минералов гидрофильна и они часто имеют открытые поры. Вода, находящаяся в составе цементного раствора, диффундирует в объем частичек, это приводит к непредсказуемости свойств бетонного камня, его высокому водопоглощению и необходимости высушивания полученного бетона.
В основу изобретения поставлена задача разработать способ изготовления изделий из легких бетонов, при котором за счет придания цементному раствору высоких тиксотропных свойств, обеспечения высокой адгезии и смачивания цементным раствором гранул или частиц легкого заполнителя и микрофибры, предотвращения диффузии воды из цементного раствора в объем частиц легкого минерального заполнителя обеспечивается: уменьшение расслаивания бетонной смеси, устойчивость размеров свежеотформованных изделий даже при малом содержании раствора в смеси, использование короткой микрофибры, уменьшение теплопроводности изделий из легких бетонов без уменьшения их прочности.
В способе изготовления изделий из легких бетонов, при котором приготавливают цементный раствор с полимерной добавкой, перемешивают его с легким заполнителем, помещают полученную смесь в опалубку, уплотняют смесь, производят распалубку и вигружают полученные изделия, поставленная задача решена тем, что в качестве полимерной добавки в цементный раствор вводят по отношенияю к массе цемента 0,05-0,5% олигомерного сложного полиэфира и 0,025-0,5% полиакриламида.
Предпочтительно в качестве олигомерного сложного полиэфира использовать полиэтиленгликоль малеинатфталат, полидиэтиленгликоль малеинатфталат, политриэтиленгликоль малеинатфталат, полиэтиленгликоль малеинат или продукт конденсации оксипропилированного дифенилолпропана с малеиновым ангидридом, полидиэтиленгликоль фумарат, поли1,2-пропиленгликоль адипинат, полидиэтиленгликоль хлормалеинат или политриэтиленгликольизофталат.
Использование каждого из компонентов, вводимого в бетонную смесь согласно изобретению, отдельно или в составе других комплексных добавок известно. Так, например, в SU 1065370 описан способ приготовления бетонной смеси, по которому в состав бетонной смеси среди прочих ингредиентов вводят полимерную композицию, содержащую в своем составе сложный полиэфир, а использование в бетонной смеси полиакриламида известно из US 2009/0197991 A1.
Механизм влияния сложных эфиров на механические свойства бетона представляется следующим. Сложноэфирные группы в олигомерах при контакте с поверхностью стекла, бетона и некоторых других щелочных материалов гидролизуются и происходит хемосорбция продуктов гидролиза на поверхности твердого тела, при этом эти процессы протекают с очень высокой скоростью. (R.A. Veselovsky, V.N. Kestelman. Adhesion of Polymers, McGraw Hill, New-York, 400 p; Adamson A.W. Physical Chemistry of Surfaces, third edition (John Willey and Sons, New York), p.134.). При введении в бетонную смесь ограниченного количества сложноэфирного олигомера произойдет его хемосорбция на поверхности цементных зерен. Количество вводимого олигомера должно быть таким, чтобы он заполнил только часть поверхности зерна, она при этом приобретет мозаичную структуру, состоящую из чередующихся гидрофильно-гидрофобных участков. В этом случае агрегация цементных зерен будет вызывать не образование крупных глобул, сравнительно слабо связанных друг с другом, а фибрилл. Это приведет к увеличению тиксотропии бетонной смеси и ее адгезии к легкому заполнителю и микрофибре.
Можно предположить, что при введении в цементную смесь полиакриламида полимер образует пространственную фазовую сетку, что приводит к формированию в смеси коагуляционной структуры, обеспечивающей тиксотропные свойства смеси. Тем самым увеличивается устойчивость свежеотформованных блоков. Кроме того, полиакриламид выполняет и другие функции, прямо связанные со свойствами легких заполнителей.
Так, в полиакриламиде происходит частичное омыление амидных групп, образующиеся карбоксильные группы реагируют с гидроксидом кальция, находящемся на поверхности цементных зерен. Такое взаимодействие приводит к иммобилизации реликтовых цементных зерен, это затрудняет их соединение в крупные глобулы, что связано с расслаиванием бетонной смеси и с прочностью образующегося бетонного камня. Кроме того, вода имеет высокое сродство к полиакриламиду, что исключает возможность ее отделения из бетонной смеси и проникновение внутрь частиц легкого минерального заполнителя, одновременно полиакриламид кальматирует поры в таком заполнителе. Часть карбоксильных групп полиакриламида реагирует с растворенным в воде гидроксидом кальция, при этом резко увеличивается дифильность полимера и, следовательно, увеличивается его поверхностная активность. Можно предположить, что такое поверхностно-активное вещество, адсорбируясь на поверхности пенополистирольных гранул или частиц перлита, вермикулита и/или шлака ТЭЦ, а также микрофибры, приводит к значительному увеличению смачивания этих материалов цементным раствором и их адгезии к бетонному камню.
3
3
В таблице 1 приведены данные о влиянии добавок на некоторые свойства ПСБ. Для изготовления образцов был использован портландцемент марки 500 и смесь (1:1) гранул пенополистирола с размером частиц 1 и 4-6 мм. Водоцементное отношение составляло 0,5 для ПСБ плотностью 150 кг/м с постепенным снижением до 0,4 для ПСБ с плотностью 400 кг/м. Полиакриламид использовали в виде его 2,5%-й концентрации в воде. Цифра после наименования типа полиэфира указывает на его молекулярную массу. Количество добавки приводится по отношению к цементу. Отдельные ингредиенты добавки смешивали друг с другом, затем с помощью ультразвука диспергировали в воде затворения, после чего воду смешивали с цементом и цементный раствор перемешивали с заполнителем. Бетонную смесь уплотняли вибропрессованием. Прочность ПСБ на растяжение при изгибе определяли по ГОСТ 10180 на образцах 100×100×100 мм и 100×100×400 мм. Коэффициент теплопроводности определяли по ГОСТ 7076 на образцах 50×250×250 мм.
Таблица 1
№ п/п
Плотность ПСБ, кг/м<sup>3</sup>
Тип добавки
Количество добавки, %
Расслаиваемость, %
Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа
Коэффициент теплопродности, Вт/м·°C
1
140
-
-
16
0,10
0,05
2
140
Полиакриламид
0,025
14
0,12
0,05
3
140
Полиакриламид
0,05
11
0,13
0,05
4
140
Полиакриламид
0,1
10
0,13
0,05
5
140
Полиакриламид
0,2
8
0,12
0,05
6
140
Полидиэтиленгликоль малеинатфталат - 960
0,01
15
0,13
0,05
7
140
Полидиэтиленгликоль малеинатфталат -  960
0,1
14
0,14
0,05
8
140
Полидиэтилнгликоль малеинатфталат - 960
0,5
13
0,14
0,05
9
140
Полиэтиленгликоль малеинатфталат - 840
0,1
14
0,12
0,05
10
140
Политриэтиленгликоль малеинатфталат - 890
0,1
13
0,13
0,05
11
140
Полиэтиленгликоль малеинат - 760
0,1
15
0,12
0,05
12
140
Продукт конденсации окси-пропилированного дифенилолпропана с малеиновым ангидридом - 1100
0,1
12
0,14
0,05
13
140
Полидиэтиленгликоль фумарат - 770
0,1
13
0,12
0,05
14
140
поли1,2-пропиленгликоль адипинат - 680
0,1
13
0,12
0,05
15
140
Полидиэтиленгликоль хлормалеинат - 790
0,1
13
0,13
0,05
16
140
Политриэтиленгликоль изофталат - 840
0,1
13
0,13
0,05
17
140
Политриэтиленгликоль изофталат - 980
0,1
12
0,14
0,05
18
140
Политриэтиленгликоль изофталат - 1200
0,1
10
0,16
0,05
19
140
Полиакриламид
0,1
6
0,19
0,05
Политриэтиленгликоль изофталат - 1200
0,1
20
200
-
-
19
0,15
0,065
21
200
Полиакриламид
0,1
8
0,24
0,060
Политриэтиленгликоль изофталат - 1200
0,1
22
400
-
-
23
0,60
0,11
23
400
Полиакриламид
0,1
9
0,76
0,10
Политриэтиленгликоль изофталат - 1200
0,1
В примерах осуществления способа 1, 20, 23 добавка не применялась, в примерах 2-5 применялся только полиакриламид, в примерах 6-18 применялся талько олигомерный сложный полиэфир, в примерах 19, 21 и 22 применялась согласно изобретению комплексная добавка из полиакриламида и олигомерного сложного полиэфира.
3
3
Как видно из таблицы, введение в бетонную смесь комплексной добавки согласно изобретению приводит к уменьшению расслаиваемости бетонной смеси, увеличению прочности бетона и снижению его теплопроводности. Так, по примеру №19 ПСБ плотностью 140 кг/м имеет прочность выше, чем ПСБ плотностью 200 кг/м при значительно более низкой теплопроводности. Блоки, свежеотформованные из смеси №19 после снятия опалубки не разваливаются и не меняют форму, аналогичные примеры для такой плотности ПСБ никем из производителей ПСБ не отмечены. Этот же пример показывает, что прирост прочности ПСБ при введении в состав смеси комплексной добавки выше, чем сумма приростов прочности ПСБ при введении в смесь каждой добавки отдельно.
Введение в состав бетонной смеси комплексной добавки не исключает возможность использования добавок других типов, обычно применяемых при производстве ПСБ: сульфата натрия, пластификаторов, воздухововлекающих добавок, аэросила, молотого песка и др., так как механизм их влияния на свойства ПСБ отличен от механизма влияния предлагаемой комплексной добавки.
В таблице 1 приведены свойства ПСБ, изготовленного без микрофибры.
Для определения влияния комплексной добавки на адгезию бетонной смеси к полимеру, из которого состоит микрофибра, использовали пластину из полипропилена толщиной 10 мм. На эту пластину наформовывали бетонный раствор толщиной 10 мм. Через 28 дней эпоксидным клеем к бетону приклеивали металлический грибок, слой бетона, выходящего за пределы периметра грибка удаляли и с помощью адгезиометра определяли усилие его отрыва. Для бетонной смеси, не содержащей комплексной добавки усилие отрыва составило 0,2 МПа. Введение в смесь добавки по примеру №19 увеличило усилие отрыва до 1,4 МПа. Такое высокое значение адгезии позволяет использовать для упрочнения ПСБ короткую фибру, не препятствующую плотной упаковке гранул в объеме ПСБ. Так, введение в состав бетонной смеси 10% фибры из полипропилена длиной 2 мм привели к снижению прочности ПСБ Д200 на 15%, при введении в смесь №19 такой фибры привело к увеличению прочности ПСБ на 10%.
3
3
3
3
3
Для изготовления образцов ячеистого бетона с использованием в качестве заполнителя вспученных минералов были использованы частички перлита, вермикулита и шлака ТЭЦ. Размер частичек составлял 1-10 мм, насыпная плотность перлита составляла 30 кг/м, вермикулита 40 кг/м и шлака 200 кг/м. Для приготовления бетонной смеси был использован портландцемент марки 500, водоцементное отношение составляло 0,65. Образцы уплотняли вибрацией. Прочность образцов на сжатие определяли по ГОСТ 10180, размер образцов 100×100×100 мм. Из перлита и вермикулита готовили образцы с плотностью 200 кг/м, из шлака - 400 кг/м. Испытания образцов проводили через 28 дней после их формования. При изготовлении образцов из вермикулита и шлака в качестве полиэфира был использован политриэтиленгликоль изофталат с ММ 1200 в количестве 0,1%, общее количество добавки составляло 0,4%.
При использовании бетонной смеси без комплексной добавки прочность образов составила при перлитном заполнителе 0,1 МПа, при заполнителе из вермикулита - 0,3 МПа, при заполнителе из шлака - 4 МПа. Введение в бетонную смесь комплексной добавки позволило увеличить прочность образцов, содержащих вермикулит - до 0,5 МПа, шлак - до 6 МПа. Влияние добавки на прочность образцов, содержащих перлит, представлено в таблице 2.
Таблица 2
№№ п/п
Тип добавки
Количество добавки, %
Предел прочности при сжатии, МПа
1
Полидиэтиленгликоль малеинатфталат - 840
0,1
0,1
Полиакриламид
0,025
2
Полидиэтиленгликоль малеинатфталат - 840
0,1
0,2
Полиакриламид
0,1
3
Полидиэтиленгликоль малеинатфталат - 840
0,1
0,3
Полиакриламид
0,3
4
Полидиэтиленгликоль малеинатфталат - 840
0,1
0,3
Полиакриламид
0,5
5
Полиэтиленгликоль малеинат - 740
0,1
0,2
Полиакриламид
0,1
6
Полидиэтиленгликоль адипинат - 760
0,1
0,2
Полиакриламид
0,3
7
Политриэтиленгликоль изофталат 1200
0,1
0,1
Полиакриламид
0,025
8
Политриэтиленгликоль изофталат - 1200
0,1
0,3
Полиакриламид
0,1
9
Политриэтиленгликоль изофталат - 1200
0,1
0,4
Полиакриламид
0,3
10
Политриэтилгликоль изофталат - 1200
0,1
0,1
11
Полиакриламид
0,3
0,2
Как видно из таблицы, использование в качестве добавки отдельно олигомерного сложного полиэфира или полиакриламида не приводит к значительному увеличению прочности бетона, только введение комплексной добавки увеличивает прочность бетона в несколько раз. Так как одной из основных функций добавки является блокирование процесса диффузии воды в объем частиц пористого заполнителя, наибольшую эффективность добавка проявляет при сравнительно большом содержании полиакриламида - 0,3-0,5%.