Результат интеллектуальной деятельности: ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНАЯ СМЕСЬ

Предлагаемое техническое решение относится к древесно-цементным смесям, которые содержат неорганические связующие и используются для изготовления конструкционных и теплоизоляционных материалов в малоэтажном строительстве, соответствует МПК С04В 28/00.

Известна арболитовая смесь по патенту RU 2455264 [1], содержащая цемент, древесную дробленку, известь, пенообразователь, жидкое стекло и листовое молотое стекло. Однако для получения данной смеси необходимы затраты ресурсов на производство древесной дробленки и молотого листового стекла, что отрицательно влияет на характеристики данной смеси по критериям ресурсосбережения и энергоэффективности.

Известен опилкобетон по патенту RU 2106322 [2] для изготовления строительных изделий, включающий, мас. %: портландцемент 30, гашеную известь 5, мелкий гравий или песок 10, опилки 30, глину 5 и воду 20. При использовании портландцемента марки 500 прочность опилкобетона при сжатии достигает 2,1 МПа. Однако гравий и песок увеличивают плотность и снижают теплоизоляционные свойства изделий из данной смеси. Кроме того, опилкобетон из данной смеси имеет низкую прочность.

Известен состав для изготовления строительных блоков по заявке RU 93058241/33 [3], содержащий (мас. % в сухом состоянии): опилки до 70%, цемент 20-50%, известь до 20%. Однако такой состав не обеспечивает достаточную прочность строительных блоков.

Известна арболитовая смесь по патенту RU 2466952 [4], которая содержит древесную дробленку, гипс, мылонафт, стекловолокно, нарезанное на отрезки 3-15 мм. В данном случае отрезки стекловолокна, распределенные в смеси, выполняют функцию дисперсного армирования изделий из данной смеси, что уменьшает трещинообразование и, как следствие, повышает прочность блоков и плит из смеси. Однако для получения данной арболитовой смеси необходимо дополнительное производство древесной дробленки, что отрицательно влияет на характеристики выпускаемой продукции по критериям ресурсосбережения и энергоэффективности. Кроме того, не достигается высокая прочность и жесткость строительных элементов из данной смеси.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения, т.е. древесно-цементной смеси для изготовления строительных материалов, является арболитовая смесь по патенту RU 2476399 [5], которая принята в качестве прототипа. Указанная смесь содержит следующие компоненты, количество которых выражено в весовых частях: портландцемент 20-25; древесная дробленка 60,5-62; гипс 1-1,5; известь 1-1,5; асбестовое волокно длиной 5-50 мм 1-1,5; предварительно обожженные и молотые асбестоцементые отходы 10-15, причем водоцементное отношение составляет 0,9-1,1.

Однако для получения данной арболитовой смеси необходимы обжиг и помол асбестоцементных отходов, что отрицательно влияет на характеристики выпускаемой продукции по критериям ресурсосбережения и энергоэффективности. Кроме того, асбест в форме волокон является канцерогенным материалом, что существенно ограничивает область применения смеси.

Технический результат от применения предлагаемого технического решения заключается в увеличении прочности блоков и плит из предлагаемой смеси, а также в улучшении экологических характеристик за счет применения канцерогенно безопасных компонентов и в повышении эффективности использования отходов камнеобработки и деревообработки.

Данный технический результат достигается за счет того, что предлагается древесно-цементная смесь, содержащая измельченную древесину, портландцемент, неорганические добавки, армирующие элементы в виде отрезков волокон, отличающаяся тем, что содержит полипропиленовые волокна, а в качестве неорганической добавки содержит отходы механической обработки талькохлорита в виде порошка с частицами крупностью не более 500 микрометров, в том числе до 0,02% частиц крупностью до 0,5 микрометров, включая наночастицы, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

причем водоцементное отношение составляет 0,8 -1,2.

На фиг. 1 изображен образец из предлагаемой древесно-цементной смеси в процессе его функционирования при испытаниях на сжатие.

На фиг. 2 изображен образец из предлагаемой древесно-цементной смеси после испытаний на сжатие в процессе его функционирования при испытаниях на теплопроводность зондовым методом.

Данные образцы изготовлены из предлагаемой древесно-цементной смеси, которая содержит компоненты в различных долях, однако находящихся в указанных выше интервалах и представленных далее в таблице 2.

Получение предлагаемой смеси включает в себя следующие технологические операции.

Выполняется дозирование компонентов смеси. При этом в момент подачи на дозирование все компоненты должны иметь положительную температуру.

Перемешивают полипропиленовое волокно в виде отрезков длиной от 8 до 30 мм и диаметром от 0,08 до 0,3 мм с ненасыщенными влагой опилками для достижения равномерного распределения данного волокна в смеси. Для перемешивания используют, например, миксер с электроприводом для приготовления строительных растворов и бетонов.

После равномерного распределения волокон в опилках добавляют воду с температурой не более 20°C с растворенным в ней хлоридом кальция.

При дальнейшем перемешивании в смесь добавляют портландцемент и отходы камнеобработки в виде порошка талькохлорита.

Затем добавляют жидкое стекло. Указанные компоненты перемешивают до получения однородной смеси, которой заполняют формы для получения блоков или плит.

В зимнее время формы должны иметь положительную температуру, но не более 40°С. Смесь в формах уплотняют, например, с помощью вибропресса. При этом частоту и амплитуду вибрирования подбирают так, чтобы избежать расслоения смеси.

Затем изделие выдерживают в формах до достижения распалубочной прочности. Признаком достижения распалубочной прочности является стабильность геометрической формы изделия при воздействии на него только его собственного веса после извлечения из формы.

Затем изделие выдерживают для набора достаточной для хранения на складе прочности в естественных условиях, при температуре воздуха 12-35°C и относительной влажности воздуха 30-70%. Отпускная прочность изделий достигается в течение 28 суток.

Прочность образцов на сжатие в возрасте 28 суток определяется экспериментально, например, с использованием испытательной машины AG 50 kNX SHIMADZU. Для испытаний использованы образцы стандартной формы в виде куба с длиной ребра 0,1 м (фиг. 1).

Прочность при сжатии образцов из предлагаемой смеси составляет не менее 3,5 МПа, что достаточно для использования при строительстве малоэтажных зданий в соответствии с установленными требованиями [6-8].

Среднее значение коэффициента теплопроводности материала из предлагаемой смеси в изделии, высушенном до постоянной плотности в естественных условиях, близких к условиям эксплуатации реальных конструкций, определенное зондовым методом (фиг. 2), равно 0,14 Вт/м·K.

Среднее значение плотности материала изделий из предлагаемой смеси в возрасте 28 суток составит 835 кг/м³.

Если доля цемента в смеси меньше 33 мас. %, то прочность блоков и плит из данной смеси будет недостаточна. С увеличением доли цемента прочность возрастает. Однако увеличение доли цемента сверх 42 мас. % неэффективно, поскольку приращение прочности становится незначительным, но существенно возрастает плотность и ухудшаются теплоизоляционные свойства блоков и плит из данной смеси.

Если доля опилок в смеси меньше 43 мас. %, то существенно возрастает плотность и ухудшаются теплоизоляционные свойства блоков и плит из данной смеси.

Если доля опилок в смеси больше 50 мас. %, то для консолидации частиц опилок требуется увеличение доли цемента, что увеличивает плотность и ухудшает теплоизоляционные свойства блоков и плит из данной смеси.

Если доля талькохлорита в смеси меньше 5 мас. %, то эффективность его применения недостаточна. С увеличением этой доли прочность материала из данной смеси растет. Однако, если доля больше 7 мас. %, то рост прочности замедляется и прекращается.

Если доля жидкого стекла в смеси меньше 5 мас. %, то эффективность его применения по критерию прочности недостаточна. С увеличением этой доли прочность материала из данной смеси растет, однако, если доля жидкого стекла в смеси больше 7,5 мас. %, то эффективность его применения уменьшается, увеличивается плотность изделия, ухудшаются теплоизоляционные свойства, а рост прочности незначителен.

Если доля хлорида кальция в смеси меньше 2,4 мас. %, то эффективность его применения недостаточна. С увеличением этой доли эффективность его применения растет, однако, если его доля больше 5 мас. %, то рост эффективности его применения прекращается.

Если доля полипропиленовых волокон в смеси меньше 0,1 мас. %, то эффективность их применения недостаточна. С увеличением их доли прочность изделия из смеси растет за счет армирования материала. Однако, если доля волокон больше 0,2 мас. %, то рост эффективности их применения прекращается.

К указанной смеси компонентов добавляется вода в количестве, необходимом для получения водоцементного отношения в пределах от 0,8 до 1,2. Такое соотношение воды и цемента (по массе) обеспечивает оптимальные условия консолидации смеси с образованием достаточно прочного материала. Уменьшение количества воды не обеспечивает полного использования свойств цемента как вяжущего компонента. Увеличение количества воды приводит к уменьшению прочности изделий из смеси.

В качестве измельченной древесины в заявляемой смеси используются отходы лесопиления в виде опилок без дополнительной их обработки, что уменьшает затраты на получение заявляемой смеси. Все компоненты заявленной смеси являются экологически безопасными.

Талькохлорит в виде порошка образуется при камнеобработке одноименного минерала, известного также как стеатит, мыльный камень или горшечный камень. По своему химическому составу талькохлорит примерно на две трети состоит из двуокиси кремния и окиси магния (http://www.o-kamne.ru/page36.php).

В заявленной смеси технический эффект достигается за счет взаимодействия компонентов, количественное соотношение которых обеспечивает получение синергетического эффекта, итоговым проявлением которого является повышение эффективности использования экологически безопасных отходов камнеобработки и деревообработки, увеличение прочности изделий (блоков и плит) из предлагаемой смеси, а также упрощение технологии и уменьшение трудоемкости изготовления смеси и изделий из нее. Эти факторы положительно влияют на характеристики изделий из предлагаемой смеси по критериям ресурсосбережения, экологической безопасности и конкурентоспособности.

Пример технической реализации древесно-цементной смеси. При технической реализации заявляемой смеси использовались пылеватые отходы механической камнеобработки в виде частиц талькохлорита, гранулометрический состав которых достаточно однороден и включает в себя частицы с характерными размерами не более 500 микрометров, в том числе до 0,02% частиц крупностью до 0,5 микрометров, включая наночастицы.

При разработке заявляемой смеси учтено, что древесные опилки отличаются большой вариабельностью физико-механических свойств, зависящих, в числе других факторов, от типа лесопильного оборудования. Заявляемое техническое решение было реализовано с использованием опилок, гранулометрический состав которых приведен в таблице 1.

При технической реализации заявляемой смеси использовался портландцемент марки М500 по ГОСТ 30515-97, жидкое стекло по ГОСТ 13078-81 плотностью 1,45 г/см³ с массовой долей двуокиси кремния 34,2% и силикатным модулем 2.6, хлорид кальция технический по ГОСТ 450-77, полипропиленовые волокна в виде отрезков длиной 18 мм по ТУ 2272-001-90345062-2012, отходы камнеобработки в виде частиц талькохлорита, вода водопроводная. В таблице 2 приведены составы предлагаемой смеси без учета воды, поскольку вода добавляется с учетом естественной влажности опилок до получения требуемого водоцементного отношения, находящегося в интервале от 0,8 до 1,2.

В соответствии с предлагаемым способом получения смеси, выполняется дозирование компонентов согласно таблице 2. Как указано выше, в момент подачи на дозирование все компоненты должны иметь положительную температуру.

Для достижения наилучшего распределения полипропиленового волокна в готовой смеси его перемешивают с не насыщенными влагой опилками. После равномерного распределения волокон в опилках следует затворить их водой с растворенным в ней хлоридом кальция. При дальнейшем перемешивании в смесь добавляют портландцемент и отходы камнеобработки в виде частиц талькохлорита. Указанные компоненты перемешивают до получения однородной смеси. Затем добавляют жидкое стекло. Процесс перемешивания прекращается в момент подачи готовой смеси в формы.

В зимнее время формы должны иметь положительную температуру, но не более 40°С. Смесь в формах уплотняют, например, с помощью вибропресса. При этом частоту и амплитуду вибрирования подбирают так, чтобы не допускать расслоения смеси. Затем изделие выдерживают до достижения распалубочной прочности. Извлекают изделие из формы и выдерживают для набора прочности в естественных условиях, при температуре воздуха 12-35°C и относительной влажности воздуха 30-70%. Отпускная прочность достигается в течение 28 суток.

Прочность образцов на сжатие в возрасте 28 суток определялась экспериментально, с использованием испытательной машины AG 50 kNX SHIMADZU (фиг. 1). Образцы имели форму куба с ребром 100 мм.

Прочность при сжатии серии образцов составила не менее 3,5 МПа, что достаточно для использования при строительстве малоэтажных зданий в соответствии с установленными требованиями [6-8].

Среднее значение коэффициента теплопроводности материала из предлагаемой смеси в изделии, высушенном до постоянной плотности в естественных условиях, близких к условиям эксплуатации реальных конструкций, определенное зондовым методом, равно 0,14 Вт/м·K.

Среднее значение плотности материала образцов в возрасте 28 суток составило 835 кг/м³.

Если исключить из смеси указанные выше отходы талькохлорита, то прочность при сжатии уменьшается примерно в два раза. Объясняется это тем, что в предлагаемой смести за счет использования отходов талькохлорита и их синергетического взаимодействия с другими компонентами при заявленном их соотношении в предлагаемой смеси существенно улучшается структура материала и прочность материала, что инструментально подтверждается механическими испытаниями на прочность при сжатии (фиг. 1).

Библиография

1. Арболитовая смесь. Патент на изобретение RU 2455264. МПК С04В 38/10. Опубликовано: 10.07.2012.

2. Опилкобетон. Патент RU 2106322. МПК С04В 28/00; С04В 28/00; С04В 18:26; С04В 111:20. Опубликовано: 10.03.1998.

3. Состав для изготовления строительных блоков, строительный элемент и способ его изготовления. Заявка: RU 93058241. МПК Е04С 2/10; B27N 3/02. Опубликовано: 10.01.1996.

4. Арболитовая смесь. Патент RU 2466952. МПК С04В 28/02. Опубликовано: 20.11.2012.

5. Арболитовая смесь. Патент RU 2476399. МПК С04В 28/04. Опубликовано: 27.02.2013

6. ГОСТ 19222-84. Арболит и изделия из него. Общие технические условия.

7. СН 549-82. Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций и изделий из арболита.

8. Наназашвили И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции // М. Стройиздат, 1990. - 415 с.