Результат интеллектуальной деятельности: ГРАНУЛИРОВАННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ДИАТОМИТА ДЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ И БЕТОННОЕ СТРОИТЕЛЬНОЕ ИЗДЕЛИЕ

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.

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 м²/кг) и осадка станции аэрации биологической очистки промышленных сточных вод со связкой - молотой известью (дисперсностью 500-600 м²/кг) и гипсом (маркой не менее 100 и дисперсностью не менее 350 м²/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°C с изотермической выдержкой в течение одного часа [Патент РФ №2077517, кл. 6 С04В 20/10, 1993].

Недостатком известного гранулированного заполнителя является то, что получаемые бетонные изделия, подвергающиеся тепловлажностной обработке при твердении, имеют невысокую теплоизолирующую способность и прочность, не могут обеспечить повышенную водонепроницаемость получаемых 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 диатомита 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 тепловую обработку их в пропарочной камере по режиму 2+6+2 при атмосферном давлении и температуре изотермической выдержки 85-95°C 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 теплопроводность; обеспечить повышенную водонепроницаемость бетонных изделий.

Предлагаемое изобретение направлено на снижение теплопроводности при повышении и сохранении прочностных показателей бетонных изделий, снижение их водонепроницаемости.

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 м²/кг диатомита 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/см³ 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 после указанного окатывания осуществляют дополнительно распыление 40%-ного водного раствора глиоксаля в количестве 0,1-8,0 мас.% (на 100%-ное вещество) от массы компонентов оболочки.

Глиоксаль - органическое соединение с формулой ОСНСНО. Имеет вид желтой жидкости с запахом формалина. Является простейшим диальдегидом - веществом, содержащим две альдегидные группы.

Обычно продается 40% жидкость.

Бифункциональная молекула глиоксаля обеспечивает его специфическую активность по отношению ко многим материалам, что широко используется в строительной отрасли. Из практики известно, что введение в состав бетонов глиоксаля позволяет придать им влагостойкость, повысить их адгезию к растворам. Глиоксаль применяют при производстве прочных и водостойких марок бетона.

Заявляемое бетонное 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.

3. Для изготовления ядра заполнителя использовали диатомит Вязовского месторождения, Ульяновская область. Химический состав, мас.%: SiO₂ - 82,4; Al₂O₃ - 6,2, Fe₂O₃ - 2,4, CaO - 0,9; MgO - 0,8; R₂O - 0,3; п.п.п. - 5,1.

4. Гидроксид натрия по ГОСТ 2263-79.

5. Для изготовления защитной оболочки заполнителя использовали известь негашеную строительную производства ОАО «Стройматериалы», г.Белгород по ГОСТ 9179-77.

6. Глиоксаль по ТУ 2633-003-67017122-2011, CAS-номер 107-22-2, продается в виде 40% водного раствора.

7. Натрий кремнефтористый Na₂SiF₆ по ТУ 6-09-1461-91.

8. Вода водопроводная по ГОСТ 23732-79.

9. При гранулировании порошка совместно молотого диатомита 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/см³.

Для получения ядер гранулированного заполнителя при реализации заявляемого способа получения бетонных строительных изделий дробленый диатомит дозировали с гидроксидом натрия весовым методом. Полученную смесь загружали в шаровую мельницу и производили смешивание и помол до достижения удельной поверхности 200 м²/кг. Гранулирование полученной шихты осуществляли с помощью тарельчатого гранулятора путем разбрызгивания на поверхность порошка водного раствора силиката натрия плотностью 1,25 г/см³. 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.

Через форсунку из отдельной емкости на поверхность опудренных известью и натрием кремнефтористых гранул распыляли 40%-ный водный раствор глиоксаля. Количество его регулировалось расходомером. В процессе хранения производился контроль набора прочности гранулированного заполнителя путем испытания в цилиндре по ГОСТ 9758.

Пример. Приготовление ядер гранулированного заполнителя. Диатомит (8 кг) и гидроксид натрия (2 кг), т.е. в соотношении 0,80:0,20 по массе, мололи в мельнице совместно до удельной поверхности 200 м²/кг. Полученный порошковый материал подавали на тарельчатый гранулятор. На поверхность порошка путем разбрызгивания наносился водный раствор силиката натрия плотностью 1,25 г/см³. 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 (8,57 кг) молотой совместно с кремнефтористым натрием (0,93 кг) до получения гранул размером 5,0 мм. Опудривание производили в барабанном смесителе. На сите с размером ячеек 0,5 мм отделяли гранулированный опудренный материал и направляли на обработку водным раствором глиоксаля. Обработка заключалась в равномерном распылении над поверхностью полученных гранул 40%-ного водного раствора глиоксаля. Распыление жидкости производили из отдельной емкости через расходомер, распыляли глиоксаль в количестве 0,5 кг в пересчете на 100%-ное вещество (5% по массе), т.е. 1,25 кг раствора (смесь 1, табл.).

Часть полученного гранулированного материала после хранения в течение 7 часов при температуре окружающей среды испытывали на прочность путем сдавливания в цилиндре по ГОСТ 9758, уделялось внимание сохранению целостности оболочки; остальной использовали при приготовлении бетонных смесей для изготовления образцов изделий. Прочность гранул при сжатии составляла 0,29 МПа, оболочка гранул при этом сохраняла свою целостность.

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°C. 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 №11) не содержало алкилсульфонат и в среднем гранулированный заполнитель имел прочность при раздавливании в цилиндре 0,3 МПа.

Образцы бетонных изделий испытывали на прочность (по ГОСТ 10180), определяли водонепроницаемость (по ГОСТ 12730.5-84). Результаты испытаний приведены в табл. (смесь 1).

Таким же образом были получены бетонные изделия с другими соотношениями компонентов в оболочке 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 диатомита и гидроксида натрия, которое покрыто оболочкой из молотой извести, кремнефтористого натрия с добавкой 5,0 мас.% глиоксаля, позволяет получать прочные бетонные изделия с повышенной водонепроницаемостью (смесь 1).

2. Снижение количества глиоксаля в оболочке гранулированного заполнителя до 0,1 мас.% уменьшает упрочняющую способность оболочки получаемых гранул при тепловлажностной обработке, что повышает прочность получаемых бетонов в меньшей степени (смесь 2), данный состав принят как граничный.

Дальнейшее уменьшение количества глиоксаля в составе оболочки ядра гранулированного заполнителя бетонных изделий приводит к существенному снижению эффективности этой добавки по упрочнению оболочки ядра гранулированного заполнителя и повышению прочности бетонных изделий в целом, поэтому состав смеси 4 выходит за рамки заявляемых.

Состав и свойства гранулированного заполнителя на основе диатомита, состав бетонной смеси и свойства полученных из них бетонных изделий даны в таблице.

3. Увеличение количества глиоксаля в оболочке ядра гранулированного заполнителя до 8,0 мас.% показывает его эффективность по увеличению прочности и снижению водопроницаемости получаемых бетонов. Бетонные изделия характеризуются повышенной механической прочностью и водонепроницаемостью, низкой теплопроводностью. Однако при этом наблюдается снижение механической прочности оболочки гранулированного материала, что является чрезвычайно важным показателем при изготовлении бетонной смеси. Поэтому данный состав принят как граничный (смесь 3).

Дальнейшее увеличение глиоксаля в оболочке ядра гранулированного заполнителя приводит к существенному снижению механической прочности оболочки гранулированного заполнителя, целостность оболочки нарушается, теплопроводность изделий увеличивается. Такой гранулированный заполнитель 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 повышенную на 30-35% механическую прочность, водонепроницаемость и низкую теплопроводность за счет создания развитой системы замкнутых упрочненных водонепроницаемых сфер в массиве бетонного изделия.

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 пропитывают оболочку гранулы и в присутствии глиоксаля в заявляемых количествах создают прочную водонепроницаемую пленку. Часть гидросиликатов натрия проникает в бетонную матрицу, что благотворно сказывается на процессах силикатообразования структуры бетона, и упрочняет ее. Создание системы замкнутых упрочненных пор в матрице бетона позволяет не только получать упрочненные изделия, но и существенно снизить их теплопроводность и водопроницаемость.

Практика показывает, что использование заявляемых гранулированных заполнителей существенно снижает теплопроводность и водопроницаемость получаемых бетонных изделий, повышает их прочность.