ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-КОНСТРУКЦИОННЫЙ ПОЛИСТИРОЛБЕТОН
HEAT-INSULATING CONSTRUCTIVE POLYSTYRENE CONCRETE

3
Изобретение относится к строительным материалам, в частности к полистиролбетонам плотностью 225-350 кг/м, используемым в теплосберегающих ограждающих конструкциях зданий и сооружений.
Известен полистиролбетон (ГОСТ Р 51263-99, разработанный ВНИИжелезобетоном), состоящий из пенополистирольного заполнителя (полистирола вспененного гранулированного - ПВГ), портландцемента или шлакопортландцемента, добавок и воды.
В этом ГОСТе нормированы характеристики ПВГ и показатели полистиролбетона по плотности и прочности в широких диапазонах, нечетко увязанные друг с другом, что не позволяет гарантированно получить оптимизированные показатели качества материала (повышенные значения прочности при пониженных марках по плотности).
Наиболее близким по технической сути предлагаемого материала является конструкционно-теплоизоляционный экологически чистый полистиролбетон (патент РФ №2230717), который принят в качестве прототипа.
3
Согласно указанному патенту полистиролбетон изготавливается из смеси, включающей (в % по массе): минеральное вяжущее (портландцемент или шлакопортландцемент) - 49÷73,5, пенополистирольный заполнитель (ПВГ) насыпной плотностью 5-20 кг/м - 1,2÷12, комплексную добавку - 0,75÷1,50 и воду (остальное).
При этом минеральное вяжущее из портландцента или шлакопортландцемента может содержать минерально-полимерную добавку (до 5%) и тонкомолотый шлак (до 55%). Комплексная добавка включает воздухововлекающую (15-100%), пластифицирующую (0,35%) добавки и ускоритель твердения (0-50%).
9
14
10
16
10
16
Воздухововлекающая добавка содержит смолу древесную омыленную или смолу нейтрализованную воздухововлекающую в твердом или жидком состоянии в количестве 0,2-0,5% от массы вяжущего или хостапур в количестве 0,005-0,0175% от массы вяжущего, а также добавку из группы смесь натриевых или триэтаноламиновых солей сульфатов моноэтаноламидов синтетических жирных кислот фракции C-C, или смесь натриевых или триэтаноламиновых солей алкилсерных кислот фракции C-C, или смесь натриевых или триэтаноламиновых солей алкилсульфатов первичных жирных спиртов фракций C-C, или смесь полиоксиэтилированных нонилфенолов с числом оксиэтиленовых групп от 3 до 18, или смесь натриевых солей нонилфенилполиоксиэтиленуксусных кислот с содержанием оксиэтиленовых групп от 5 до 15, или их бинарные или тройные смеси в соотношении 1:(0,1-1) или 1:1:1 соответственно.
Пластифицирующая добавка содержит модифицированные лигносульфонаты в количестве 0,15-0,3% от массы вяжущего или продукты химической поликонденсации сульфированных углеводородов ароматического ряда на основе нафталина, меламина или отходов их производств в количестве 0,3-0,5% от массы вяжущего.
Ускоритель твердения содержит водорастворимую соль - сульфат или хлорид щелочного или щелочноземельного металла в количестве 0,5-1% от массы вяжущего.
Изготовление ПВГ осуществляют вспениванием по одно или многостадийной технологии при температуре 60-105°C.
Прототип имеет следующие недостатки:
2
- состав полистиролбетона при использовании ПВГ с насыпной плотностью широкого диапазона - 5-20 кг/м не увязан со средним размером гранул заполнителя и его объемным содержанием (концентрацией) в полистиролбетоне;
- так как на качество ПВГ и связанные с ним показатели полистиролбетона влияет комплекс характеристик, в частности исходный размер гранул полистирольного бисера, средневзвешенный размер (диаметр), насыпная и средняя плотность полученных гранул, а также особенности технологии и используемого оборудования для получения заполнителя, то это, вероятно, должно отражаться комплексным показателем, который не приводится;
- применение шлакопортландцемента или добавки тонкомолотого шлака, хотя и способствует некоторому снижению теплопроводности полистиролбетона, однако не позволяет получать повышенные и стабильные показатели материала по прочности для заданной плотности;
- применение воздухововлекающих добавок типа омыленной или нейтрализованной древесной смолы или хостапура и пластифицирующих добавок на основе лигносульфонатов не обеспечивает получение полистиролбетона со стабильной по размерам мелкопористой структурой, а использование добавки ускорителя твердения на основе сульфатов или хлоридов щелочного или щелочноземельного металла ухудшает условия труда при производстве изделий из полистиролбетона и снижает защитные свойства полистиролбетона в армированных стальной арматурой изделиях.
3
Задачей изобретения является создание теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона плотностью 225-350 кг/м с оптимальными свойствами.
Задача решается тем, что повышенные прочностные и теплоизоляционные свойства полистиролбетона обеспечиваются использованием ПВГ с объемным содержанием в полистиролбетоне - φ в пределах 0,40-0,60, полученного после 3-кратного вспенивания исходного полистирольного бисера крупностью 0,7-1,0 мм, и характеризующегося комплексным безразмерным показателем качества ПВГ - n в пределах 1,5-1,75, значения которого определяются при проектировании состава полистиролбетона по формуле
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1,5</mn><mo>+</mo><msub><mi>К</mi><mn>1</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>К</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>d</mi><mi>б</mi></msub><msubsup><mi>ρ</mi><mrow><mi>П</mi><mi>В</mi><mi>Г</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><msubsup><mi>ρ</mi><mrow><mi>П</mi><mi>В</mi><mi>Г</mi></mrow><mrow /></msubsup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
1
2
б
ср
ПВГ
<mrow><msubsup><mi>ρ</mi><mrow><mi>П</mi><mi>В</mi><mi>Г</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow>
3
где K и K - коэффициенты, отражающие особенности технологии получения ПВГ, значения которых находятся соответственно в пределах 1,1-1,3 и 8,0-10,8; d - средний диаметр исходного полистирольного бисера, мм; d - средневзвешенный диаметр гранул ПВГ, мм;
- насыпная и ρ - средняя плотности гранул ПВГ, кг/м.
9
12
При этом используют комплексную воздухововлекающую и модифицирующую добавку КВМД многофункционального действия, обладающую эффектом воздухововлечения и пластификации полистиролбетонной смеси, представляющую собой однородную гармонично сбалансированную смесь в сухом или жидком виде, состоящую из воздухововлекающей добавки на основе продуктов окисления отходов пищевой промышленности в виде натриевых солей алкилсульфатов органических кислот фракции C-C и пластификатора поликарбоксилатного типа или сульфированного продукта поликонденсации меламина с формальдегидом с числом звеньев в молекулярной цепи 18-27 при массовом соотношении компонентов воздухововлекающая добавка:пластификатор, равном 1:0,3, при удельном расходе комплексной добавки 0,12 мас.% по активному веществу от массы портландцемента.
Примерами добавок, которые могут использоваться как составляющие КВМД, являются воздухововлекающая добавка ПО-01Б, пластификатор ГЛЕНИУМ АСЕ430, пластификатор F-10. ГЛЕНИУМ АСЕ430 является пластификатором поликарбоксилатного типа, пластификатор F-10 представляет собой продукт поликонденсации сульфированного меламина с формальдегидом.
Использование комплексного показателя качества ПВГ - n и его объемного содержания в полистиролбетоне - φ позволяет оценивать и оптимизировать характеристики материала, а применение для полистиролбетона исключительно портландцемента вместо шлакопортландцемента и добавок граншлака, добавки КВМД вместо добавок по прототипу обеспечивает стабильность структуры полистиролбетонной смеси и получение повышенных и оптимизированных показателей полистиролбетона по прочности для заданной плотности материала и способствует снижению его характеристик по плотности и теплопроводности при прочих равных условиях. Кроме того, использование добавок типа КВМД, обладающих свойствами ускорения твердения бетона, позволяет отказаться от применения специальных добавок-ускорителей.
Предлагаемый расчетный метод определения комплексного показателя качества ПВГ - «n» позволяет получать материал пониженной теплопроводности с заданной прочностью при сокращении трудоемкости работ по проектированию и подбору состава полистиролбетона в заводских условиях.
Поставленная задача решается следующим образом.
Пример 1
б
cp
ПВГ
3
<mrow><msubsup><mi>ρ</mi><mrow><mi>П</mi><mi>В</mi><mi>Г</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>8,65</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>г</mi><mo>/</mo><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow>
Для изготовления полистиролбетона марки по средней плотности D300 используется ПВГ, полученный вспениванием полистирольного бисера с исходной крупностью зерен d=0,77 мм. В результате 3-кратного вспенивания получен ПВГ со средневзвешенным размером гранул d=3,81 мм, средней плотностью гранул ПВГ ρ=16,3 кг/м и насыпной плотностью
.
1
2
При средних значениях K=0,5(1,1+1,3)=1,2 и K=0,5(8,0+10,8)=9,4 комплексный показатель качества ПВГ будет равен
.
3
Расход материалов на 1 м полистиролбетона был принят:
ц
- портландцемента активностью R=40 МПа Ц=244 кг;
- воды - 116 л;
3
- ПВГ - 0,8 м (при объемной концентрации в полистиролбетоне φ=0,45);
- порообразующей добавки ПО-01Б - 0,02 (2%) от массы цемента.
Цементно-водное отношение Ц/В=:244:116=2,1.
ПСБ
ПСБ
o
п
3
Без использования добавок-пластификаторов получен полистиролбетон плотностью ρ=287 кг/м (марка по средней плотности D300) и прочностью в 28-дневном возрасте R=0,93 МПа с теплопроводностью в сухом состоянии λ=0,082 Вт/(м·°C). При коэффициенте вариации полистиролбетона по прочности V=12% достигнутая прочность соответствует классу B0,75.
Пример 2
3
Использование пластифицирующей добавки ГЛЕНИУМ АСЕ430 при дозировке 0,07% от массы портландцемента при одинаковой (как и для смеси без добавки-пластификатора) удобоукладываемости полистиролбетонной смеси позволило уменьшить расход воды до 104 л/м.
3
При том же Ц/В=2,1 расход цемента составил Ц=2,1·104≈218 кг/м.
3
3
3
Ц
ПСБ
ПСБ
o
При концентрации ПВГ φ=0,55 (расход ПВГ - 1,0 м/м) и применении портландцемента с активностью R=50 МПа получен полистиролбетон плотностью ρ=259 кг/м (марка по средней плотности D250) с той же прочностью R=0,93 МПа (класса B0,75), имеющего теплопроводность в сухом состоянии λ=0,072 Вт/(м·°С).
Пример 3
3
3
3
3
При совместном использовании порообразующей и пластифицирующей добавок ПО-01Б и F-10 при дозировках 0,02% и 0,07% от массы цемента при прочих равных условиях позволило уменьшить расход ПВГ с 1,0 м/м до 0,8 м/м при одновременном снижении теплопроводности на 7,5% и сохранении физико-химических характеристик полистиролбетона.
Другие примеры конкретной реализации предложенных технических решений приведены в таблице 1.
Реализация заявленного теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона позволяет (по сравнению с прототипом) для заданного класса по прочности материала снизить его среднюю плотность на 1 ступень и теплопроводность на 12-24%.
Источники информации
1. ГОСТ P 51263-99. Полистиролбетон. Технические условия.
2. Патент №2230717, кл. C1.04B 38/08, 38/10.
Таблица 1
Показатели ПВГ и теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона
№№ пп
Наименование показателей
Ед. изм.
Значения показателей
1
2
3
4
5
6
7
8
9
(прототип)
(запредельные значения)
I. Параметры ПВГ
1.
Диаметр исходного полистирольного бисера, d<sub>б</sub>
мм
не нормирован
0,7-1,0
0,7-1,0
0,7-1,0
0,7-1,0
0,5
1,3
1,3
2.
Количество (кратность) вспениваний
раз
не менее 1
3
3
3
3
3
2
4
3.
Средневзвешенный диаметр гранул, d<sub>ср</sub>
мм
3,7-4,1
3,5-6,0
3,5-6,0
3,5-6,0
3,5-6,0
2,5
5,2
7,5
4.
Средняя плотность гранул, ρ<sub>ПВГ</sub>
кг/м<sup>3</sup>
не нормирована
12-16
12-16
12-16
12-16
21
32
11
5.
Насыпная плотность, <maths num="4"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>ρ</mi><mrow><mi>П</mi><mi>С</mi><mi>Б</mi></mrow><mi>н</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000005.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
кг/м<sup>3</sup>
5-20
7-10
7-10
7-10
7-10
13,2
12,0
10,5
6.
Технологические коэффициенты:
K<sub>1</sub>
-
не нормированы
1,1-1,3
1,1-1,3
1,1-1,3
1,1-1,3
1,0
1,4
1,5
K<sub>2</sub>
-
8,0-10,8
8,0-10,8
8,0-10,8
8,0-10,8
7,0
11,6
14,9
7.
Комплексный показатель качества, n
не нормирован
1,5-1,75
1,5-1,75
1,5-1,75
1,5-1,75
2,1
1,9
2,5
8.
Концентрация ПВГ в полистиролбетоне, φ
доля от 1
не нормирована
0,4-0,6
0,4-0,6
0,4-0,6
0,4-0,6
0,38
0,39
0,35
II. Материалы для полистиролбетона
9.
Вяжущее
ПЦ, в т.ч. с добавкой граншлака, или ШПЦ
ПЦ
ПЦ
ПЦ
ПЦ
ПЦ
ПЦ
ПЦ
10.
Вспенивающая добавка
СДО или СНВ
ПО-01Б
ПО-01Б
ПО-01Б
11.
Пластифицирующая добавка
C-3 или Лигнопан
F-10
Глениум АСЕ 430
-
ГЛЕНИУМ АСЕ 430
12.
Добавка - ускоритель твердения
Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> или CaCl<sub>2</sub>
-
-
-
-
-
-
-
III. Физико-механические показатели полистиролбетона
13.
Марка по средней плотности
D (кг/м<sup>3</sup>)
300
350
225
250
300
350
250
250
300
14.
Прочность на сжатие
МПа
0,72
0,91
0,62
0,93
0,93
1,42
0,46
0,44
0,65
15.
Класс по прочности
B
B0,5
B0,75
B0,5
B0,75
B0,75
B1,0
B0,35
B0,35
B0,5
16.
Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии
Вт/(м·°C)
0,085
0,095
0,068
0,072
0,084
0,095
0,072
0,072
0,084
Примечание: ПЦ - портландцемент, ШПЦ - шлакопортландцемент.