СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕНОВЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ КАМНЕЙ
CRUDE MIXTURE AND METHOD OF MAKING WALL AND BUILDING STONES

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к составам смесей для приготовления стеновых и строительных камней методом прессования, и направлено на оптимизацию вещественного состава и повышение качества изделий.
Известна легкая бетонная смесь, включающая портландцемент, пористый заполнитель - обожженный пористый песок из кремнеземистого мергеля, природный кварцевый песок [1].
Наиболее близкой к заявленной является сырьевая смесь для приготовления легкого бетона, включающая цемент, золу, растворенный пенообразователь, химическую добавку и пористый заполнитель - гранулированное пеностекло шарообразной формы [2].
Недостатки этих смесей заключаются в использовании искусственных заполнителей бетона, а именно обожженного пористого песка и пеностекла. Производство этих заполнителей является сложным и дорогим, что резко повышает стоимость продукции. Полученные изделия из этих смесей обладают высокой теплопроводностью и требуют повышенного расхода связующего, например цемента. Пеностекло практически не вяжется цементом. Изделия из известных сырьевых смесей обладают низкой механической прочностью.
Известен вибропрессовый способ изготовления стеновых и строительных камней, сущность которого заключается в укладке сырьевой смеси в форму с последующим вибрированием смеси и уплотнением путем прессования [3]. Недостаток вибропрессового способа изготовления заключается в том, что при вибрировании формы с бетоном происходит расслоение бетонной смеси, и на дно оседают наиболее тяжелые частицы (например, песок), а легкие частицы (например, обожженный пористый песок и гранулированное пеностекло шарообразной формы) концентрируются в верхней части формы. В результате нижняя часть изделия является более плотной и более прочной, чем верхняя часть изделия.
Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении механической прочности, усреднении состава бетона в изделии, снижении плотности и теплопроводности строительных камней.
Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в оптимизации вещественного состава строительной смеси, равномерности состава в объеме строительных камней и снижении теплопроводности изделий.
2
2
3
2
1
3
2
2
Для достижения указанного технического результат сырьевая смесь для изготовления стеновых и строительных камней методом вибропрессования содержит бесклинкерное шлакощелочное вяжущее, в качестве заполнителя - горный песок состава, мас.%: SiO 34,1-39,9; АlO 9,8-11,0; FeO+FeO 12,8-26,1; СаО 11,3-13,7; MgO 4,2-5,7; SO 1,7-3,2; NaO+KO 1,3-3,2; потери при прокаливании п.п.п. 8,5-15; шлак сухопотушенный котельный каменноугольный, добавку - глину или древесные опилки, или микрокремнезем, или их смеси при следующем соотношений компонентов, мас.%:
указанное вяжущее
25-35
указанный песок
5-15
указанная добавка
3-15
указанный шлак
остальное
Способ изготовления стеновых и строительных камней из указанной смеси включает затворение указанной смеси раствором, содержащим структурированную воду и полимер, укладку в формы, вибропрессование, распалубку и сушку камней.
Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что предлагается сырьевая смесь, содержащая в качестве вяжущего бесклинкерное шлакощелочное вяжущее взамен клинкерных вяжущих (портландцемента, шлакопортландцемента). Согласно исследованию авторов, шлакощелочное вяжущее обладает такими же свойствами, как и клинкерные вяжущие, но при этом также обладает низкой стоимостью, позволяет более интенсивно связывать строительную смесь, в которой основным компонентом является котельный каменноугольный шлак. При этом более активно протекают реакции гидратации шлакощелочного вяжущего с котельным шлаком, увеличивается скорость твердения бетона, сокращаются сроки изготовления стеновых и строительных камней.
Котельный шлак является фактически бросовым отходом котельных, не находит эффективного использования, в небольших количествах в сельской местности применяется для подсыпки и выравнивания дорог.
Вторым компонентом в качестве заполнителя предлагается использовать горный песок - отход обогащения железных руд, запасы которого только в г.Новокузнецке составляют 90000000 т. Эффективного применения горный песок не находит. Авторами установлено, что горный песок обладает вяжущими свойствами, что позволяет повысить качество изделия с добавками горного песка. В горном песке содержатся минералы граната, обладающие высокой твердостью, что способствует повышению прочности и твердости бетонов, изготовленных с добавками указанного песка.
2
2
В котельном шлаке и в горном песке присутствуют щелочные металлы NaO, KO, которые взаимодействуют с минералами и стекловидной массой шлаков с образованием комплексных соединений, обладающих высокой прочностью. Поэтому предлагается в котельных отбирать шлак, потушенный (охлажденный) сухим способом. При охлаждении шлака водой происходят реакции щелочных металлов натрия и калия с водой, что снижает их качество как вяжущего материала.
Стеновые камни, изготовленные на основе вяжущего (цемента) и шлаков, полученных от сжигания углей кокса Канско-Ачинского бассейна, при сушке подвергаются растрескиванию и разрушаются. Поэтому шлаки, получаемые при сжигании углей кокса Канско-Ачинского бассейна, не применяют для производства стеновых камней. В предлагаемом изобретении эта проблема решена путем введения в состав сырьевой смеси глины или древесных опилок, или микрокремнезема от выплавки ферросилиция, или их смесей в любых отношениях. Например, в качестве добавки используют смесь, содержащую, мас.%: глина 20, древесные опилки 60, указанный микрокремнезем 10, или смесь, содержащую, мас.%: глина 34, древесные опилки 66. Добавка в сырьевую смесь древесных опилок или микрокремнезема до 15% позволяет снизить плотность стеновых камней, и соответственно снижается теплопередача.
Применение структурированной воды при изготовлении стеновых и строительных камней усиливает реакцию гидратации, соответственно ускоряется твердение бетона и повышается его качество. Применяют природную или техническую структурированную воду. В качестве природной структурированной воды используют водный раствор соков растений, например, свежеприготовленных соков травы, овощей, например огурцов, березового сока. Техническую структурированную воду получают, например, замораживанием, а затем оттаиванием, облучением ультразвуком.
Использование полимерных материалов в составе бетона сопровождается увеличением плотности, изолируются пустоты в теле стеновых камней, сокращается диффузия водяного пара и воздуха через камни. В качестве полимеров используют карбамидоформальдегидную смолу КЖ-Ф, фурано-эпоксидную смолу ФАД (Кременецкая О.Н. SN 525-80. Инструкция по технологии приготовления полимербетонов, Министерство высшего и среднего образования, НИИЖЕЛЕЗОБЕТОНА, 1981, с.2).
Для затворения сухой смеси используют раствор, содержащий мас.%: полимер 4-6, структурированную воду остальное, в количестве 13-31% от общей массы сухой смеси и раствора.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет комплексно решить проблемы утилизации котельных шлаков и горного песка (отходов обогащения железных руд) с получением высококачественных стеновых и строительных камней, которые являются наиболее востребованным строительным материалом и обладают низкой стоимостью.
Пример. Для экспериментов применяли в качестве вяжущего шлакопортландцемент марки М 400 (для сравнения) и шлакощелочное вяжущее, содержащее, например, мас.% (на сухое): NaOH или KаОН 3, гипс 4-6, шлак остальное. Горный песок - отходы обогащения железных руд Абагурской агломерационной фабрики г.Новокузнецка. Шлак - от сжигания в котельной Абагурской аглофабрики каменного угля Кузбасского бассейна. Микрокремнезем - Кузнецкого ферросплавного завода. Составы материалов приведены в таблице 1. Эксперименты выполнялись в лабораторных условиях с применением лабораторного оборудования. Качество полученных образцов определялось по ГОСТовским методикам (Таблица 2).
В исследованиях преимущественно изучали влияние состава сырьевой смеси на качество стеновых камней. Приготовили смесь для каждого опыта (таблица 1). Затем в установку заливали раствор, содержащий мас.%: полимер 5, структурированная вода 95. Затем загружали смесь. Продолжительность перемешивания была во всех опытах одинаковая. Количество структурированной воды и полимера во всех опытах было одинаковое. Жесткость затворенной смеси во всех опытах менялась незначительно и контролировалось ручным способом. Смесь укладывалась в форму и прессовалась с приложением одинаковой нагрузки в каждом опыте. Твердение выполнялось при стандартных условиях при 23-25°С в течение 28 суток. Прочность образцов менялась от М50 до М75.
Для сравнения приведены результаты опыта (8), в котором смесь содержала, мас.%: речной песок 15, шарики из пеностекла 20, золошлаковую смесь 18, шлакопортландцемент остальное. Затворялась смесь водой питьевого качества без применения полимеров. Качество бетона было ниже в 3 раза по сравнению с предлагаемым изобретением.
Предлагаемая смесь и способ ее приготовления позволяет эффективно использовать отходы производства: горный песок и котельный шлак, древесные опилки и микрокремнезем от выплавки ферросилиция и при этом получать качественные строительные и стеновые камни.
Источники информации
1. Патент РФ 2259331 МПК 8 С04В 28/04, 2004.
2. Патент РФ 2255920 МПК 8 С04В 38/00, 2005.
3. «РИФЕЙ-УНИВЕРСАЛ». Инструкция по эксплуатации, г.Златоуст, завод Стройтехника, 1995.
Таблица 1
№ опыта
Состав бетона, мас.%
Механическая прочность
Вяжущее
Шлак котельный
Песок горный
Глина
Опилки
Микрокремнезем
Предлагаемый
1
25
55
5
10
5
М50
2
30
45
10
5
10
М75
3
35
35
15
5
10
М75
4
30
45
10
15
М60
5
35
35
15
10
5
М75
6
30
50
5
5
5
5
М65
7
25
50
10
15
М50
По прототипу
8
47
Золо-шлаковая смесь18
Песок речной15
Пеностекло 20
-
-
М25
Таблица 2
Материал
Химический состав, мас.%
Si<sub>2</sub>O
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+TiO<sub>2</sub>
FeO+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
SO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>О
п.п.п
Горный песок
34,1-39,9
9,8-11,0
12,8-26,1
11,3-13,7
4,2-5,7
1,7-3,2
1,3-3,2
8,5-15
Шлак котельный
24
9,4
13,86
45,84
0,54
1,06
0,41