Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления полистиролбетонного изделия

Изобретение относится к технологии строительных материалов, а именно, к способам изготовления теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных строительных изделий с использованием вспененного полистирола.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик полистиролбетонных изделий необходимо обеспечить равномерное распределение гранул пенополистирола в растворной смеси и прочное их сцепление с цементным камнем. В соответствии с ГОСТ Р 51263-2012 при плотности 400, 500, 600 кг/м³ класс прочности полистиролбетона на сжатие должен быть не ниже В 1,5, В2 и В2,5, что соответствует прочности на сжатие не ниже 1,9, 2,5 и 3,1 МПа. Однако выполнение этих требований связано с реализацией весьма продолжительных и энергоемких процессов.

Известен способ изготовления полистиролбетонного изделия с использованием негашеной извести (см. пат. 2132835 РФ, МПК⁶ С04В 38/10, 40/00, 1999), согласно которому приготавливают пенобетонную смесь, содержащую портландцемент, гранулированный пенополистирол, золу ТЭС, известь-кипелку, техническую пену и воду. При приготовлении смеси вначале перемешивают в скоростном пенобетоносмесителе портландцемент, гранулы пенополистирола и воду, после чего при перемешивании добавляют техническую пену, золу ТЭС и известь-кипелку. Приготовленную пенобетонную смесь заливают в форму и после суточного твердения в комнатных условиях подвергают тепловой обработке в течение 12 часов при температуре 80-85°С. Полученные образцы полистиролбетона имели при плотности 250-350 кг/м³ прочность на сжатие 0,25-0,64 МПа.

Недостатком данного способа является длительная тепловая обработка и использование в качестве порообразователя технической пены, не обеспечивающей надежное сцепление гранул пенополистирола с портландцементом, что снижает прочность бетона.

Известен также способ изготовления полистиролбетонного изделия с использованием негашеной извести (см. пат. 1551704 РФ, МПК⁵ С04В 40/02, 1990), включающий приготовление бетонной смеси, содержащей минеральное вяжущее в виде извести-кипелки, подвспененный полистирол, молотый песок, 3% раствор соляной кислоты или трепел и воду. Приготовленную бетонную смесь укладывают в форму с металлическими перфорированными поддоном и крышкой, выдерживают в течение 6-10 минут и прогревают токами промышленной частоты по режиму: подъем температуры до 70-80°С в течение 3-4 минут и выдержка в течение 10-12 минут. За счет гидратации извести температуры бетонной смеси повышается до 95-98°С и происходит до-вспенивание полистирола. Затем температуру смеси повышают электропрогревом до 108-110°С в течение 4-5 минут, после чего форму помещают в предварительно разогретую до 60-70°С пропарочную камеру и пропаривают в течение 3-4 часов с последующим охлаждением изделия в течение 1,5-2,5 часов. Продолжительность технологического цикла составила 5-7,2 часа. Полученные образцы изделия при плотности 400-500 кг/м³ имели прочность 4,2-4,8 МПа.

Недостатками известного способа, при высоких показателях прочности, являются повышенные энергозатраты, обусловленные наличием двухстадийного электропрогрева бетонной смеси токами промышленной частоты, и значительная длительность способа. Электропрогрев бетонной смеси во влажных условиях сопряжен с возможностью короткого замыкания, что снижает электробезопасность способа.

Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении энергозатрат и длительности способа при обеспечении высоких прочностных характеристик изделий.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления полистиролбетонного изделия с использованием негашеной извести, включающем подвспенивание полистирола, приготовление бетонной смеси, содержащей минеральное вяжущее, кремнеземистый компонент, подвспененный полистирол и воду, укладку смеси в форму с крышкой, подъем температуры смеси, довспенивание гранул полистирола, размещение формы в предварительно разогретой пропарочной камере, изотермическую выдержку смеси в камере и охлаждение изделия, согласно изобретению, подвспенивание полистирола осуществляют в процессе гидратации негашеной извести до обеспечения коэффициента вспенивания К_всп=8-10, в состав бетонной смеси вводят газообразующую добавку в виде алюминиевой пудры, в качестве минерального вяжущего используют портландцемент, воду берут с температурой 5-15°С, пропарочную камеру предварительно разогревают до температуры 40-45°С, после размещения формы в камере температуру повышают до 90-100°С в течение 0,5-1 часа со вспучиванием газобетонной смеси, после чего осуществляют изотермическую выдержку в течение 2,5-3,5 часов с до-вспениванием гранул полистирола.

Технический результат достигается также тем, что подвспенивание полистирола осуществляют при массовом соотношении известь : полистирол : вода, равном 1:0,9-1,0:1,1-1,2, в течение 3,0-3,5 минут.

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Подвспенивание полистирола в процессе гидратации негашеной извести до обеспечения коэффициента вспенивания К_всп=8-10 позволяет использовать для вспенивания полистирола теплоту взаимодействия негашеной извести с водой, что исключает энергозатраты на подвспенивание полистирола. При этом температура гидратации извести достигает 90-105°С, что является достаточным для вспенивания полистирола. Образующаяся гидратированная известь может быть выведена из процесса или использована для приготовления бетонной смеси.

Подвспенивание полистирола до коэффициента вспенивания менее 8 может привести к недовспениванию полистирола при последующей тепловой обработке, а подвспенивание до коэффициента вспенивания более 10 - к недостаточному обжатию гранул полистирола.

Введение в состав бетонной смеси газообразующей добавки в виде алюминиевой пудры обеспечивает увеличение объема газобетонной смеси и способствует всестороннему обволакиванию гранул полистирола с обжатием и надежным сцеплением гранул с растворной смесью. Для этого необходимо формовать изделия в форме, закрытой сверху крышкой, поскольку в результате химической реакции алюминиевой пудры с известью, содержащейся в портландцементе, либо в специально введенном известьсодержащем компоненте, выделяется газ - водород, который вспучивает и увеличивает в объеме растворную составляющую бетонной смеси. Вследствие этого, при формовании изделия в закрытой форме происходит уплотнение и упрочнение бетонных перегородок между гранулами полистирола, что способствует повышению прочности полистиролбетона.

Использование портландцемента в качестве минерального вяжущего позволяет получать полистиролбетон с высокими прочностными характеристиками, а также повышенными морозо-, водо- и атмосферостойкостью.

Использование холодной воды с температурой 5-15°С позволяет исключить затраты тепловой энергии на разогрев воды (50-70°С по традиционной технологии газобетона) и замедлить газообразование и вспучивание смеси, так как эти процессы напрямую зависят от температуры бетонной смеси, которая является оптимальной в диапазоне 40-45°С. Замедление этих процессов позволяет исключить преждевременное вспучивание газобетонной смеси и выполнить операции, необходимые для формования изделия, в спокойном режиме. Температура воды ниже 5°С нежелательна ввиду удлинения процесса разогрева газобетонной смеси до требуемой температуры газообразования и вспучивания, а при температуре воды выше 15°С газобетонная смесь может начать вспучиваться до окончания операции формования изделия.

Предварительный разогрев пропарочной камеры до температуры 40-45°С обеспечивает ускоренный нагрев бетонной смеси до требуемой температуры газообразования. Разогрев пропарочной камеры до температуры ниже 40°С удлиняет нагревание смеси, а разогрев до температуры выше 45°С может привести к повышенным температурным градиентам и неравномерному вспучиванию газобетонной смеси по сечению заформованного изделия.

Повышение температуры после размещения формы в камере до 90-100°С в течение 0,5-1 часа и изотермическая выдержка в течение 2,5-3,5 часов обеспечивают пропаривание изделия со вспучиванием газобетонной смеси и довспениванием гранул полистирола, что в итоге приводит к повышению прочности полистиролбетонного изделия.

Подъем температуры до 90-100°С в течение менее 0,5 часа может привести к неравномерному разогреву изделия по сечению, а более 1 часа - к удлинению процесса тепловой обработки.

Изотермическая выдержка в течение менее 2,5 часов не обеспечивает требуемую прочность полистиролбетонного изделия, а более 3,5 часов не обеспечивает заметного увеличения прочности и ведет к необоснованным затратам энергии.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в снижении энергозатрат и длительности способа при обеспечении высоких прочностных характеристик изделий.

В частном случае осуществления изобретения предпочтительны следующие режимные параметры.

Подвспенивание полистирола при массовом соотношении известь : полистирол : вода, равном 1:0,9-1,0:1,1-1,2, в течение 3-3,5 минут позволяет получить пенополистирол с коэффициентом вспенивания К_всп=8-10.

Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют осуществить способ в оптимальном режиме с точки зрения достижения технического результата.

Сущность и преимущества предлагаемого способа изготовления полистиролбетонного изделия могут быть пояснены следующими Примерами конкретного выполнения изобретения.

Пример 1. При осуществлении способа предварительно подвспенивают полистирол в смеси негашеной извести с водой. Для этого берут 6 г негашеной извести активностью 88% по содержанию СаО, 5,4 г невспененного бисерного полистирола с насыпной плотностью γ=90 кг/м³ и 6,6 мл воды при массовом соотношении компонентов 1:0,9:1,1. Подвспенивание полистирола осуществляют в течение 3 минут в процессе гидратации негашеной извести до обеспечения коэффициента вспенивания К_всп=8. Насыпная плотность подвспененного полистирола составила 70 кг/м³.

Для определения показателей плотности и прочности бетона на сжатие формуют образцы-кубы с размерами 7,07×7,07×7,07 см. Объем замеса бетонной смеси на одну форму составляет 1 л. Приготавливают бетонную смесь при следующем расходе компонентов на расчетную плотность бетона в сухом состоянии 400 кг/м³: портландцемент марки ЦЕМ II/А-З 42,5-144 г, известково-песчаное вяжущее ИПВ, получаемое путем совместного помола песка с известью в соотношении 1:1 и вводимое для активизации процесса газообразования - 36 г, кремнеземистый компонент в виде золошлаковой смеси ЗШС из золоотвала Апатитской ТЭЦ с насыпной плотностью 1000 кг/м³ - 180 г, полистирол, подвспененный до К_всп=8,-5,25 г, алюминиевая пудра ПАП-1 - 0,55 г, вода с температурой 5°С - 200 мл. Соотношение твердых минеральных компонентов составляет, мас. %: портландцемент : ИПВ : ЗШС=40:10:50.

При смешении компонентов в смеситель вначале наливают воду, затем засыпают перемешанные в сухом состоянии портландцемент, известково-песчаное вяжущее и золошлаковую смесь и перемешивают в течение 2 минут. Затем засыпают гранулы подвспененного полистирола, перемешивают 2 минуты, заливают водную суспензию алюминиевой пудры и перемешивают еще 1 минуту. Приготовленную таким образом бетонную смесь укладывают в форму, которую закрывают крышкой. Форму размещают в предварительно разогретой до 40°С пропарочной камере. После размещения формы в камере температуру повышают до 90°С в течение 0,5 часа со вспучиванием газобетонной смеси. Затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 3 часов с довспениванием гранул полистирола. После этого температуру в пропарочной камере снижают до 35°С в течение 1,5 часов с охлаждением изделия. Длительность технологического цикла составила 5,1 часа. После охлаждения образцы распалубливают, взвешивают и помещают в сушильный шкаф при температуре 100°С. После высушивания до постоянной массы образцы испытывают для определения показателей плотности и прочности полистиролбетона на сжатие. Прочность полученного блочного полистиролбетонного изделия составила 1,98 МПа при плотности в сухом состоянии 400 кг/м³, что удовлетворяет требованиям ГОСТ.

Пример 2. При осуществлении способа предварительно подвспенивают полистирол в смеси негашеной извести с водой. Для этого берут 5 г негашеной извести активностью 88% по содержанию СаО, 4,75 г невспененного бисерного полистирола с насыпной плотностью γ=90 кг/м³ и 5,5 мл воды при массовом соотношении компонентов 1:0,95:1,1. Подвспенивание полистирола осуществляют в течение 3,3 минут в процессе гидратации негашеной извести до обеспечения коэффициента вспенивания К_всп=9. Насыпная плотность подвспененного полистирола составила 58 кг/м³.

Далее процесс приготовления смеси и формования изделия ведут аналогично Примеру 1. Отличие заключается в том, что при приготовлении бетонной смеси берут полистирол, подвспененный до К_всп=9, в количестве 4,35 г, а бетонную смесь затворяют водой с температурой 10°С.

Форму размещают в предварительно разогретой до 43°С пропарочной камере. После размещения формы в камере температуру повышают до 95°С в течение 0,7 часа со вспучиванием газобетонной смеси. Затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 2,5 часов с довспениванием гранул полистирола. После этого температуру в пропарочной камере снижают до 35°С в течение 1,5 часов с охлаждением изделия. Длительность технологического цикла составила 4,8 часа. После охлаждения образцы распалубливают, взвешивают и помещают в сушильный шкаф при температуре 105°С. После высушивания до постоянной массы образцы испытывают для определения показателей плотности и прочности полистиролбетона на сжатие. Прочность полученного блочного полистиролбетонного изделия составила 2,13 МПа при плотности в сухом состоянии 400 кг/м³, что превышает требования ГОСТ.

Пример 3. При осуществлении способа предварительно подвспенивают полистирол в смеси негашеной извести с водой. Для этого берут 5 г негашеной извести активностью 88% по содержанию СаО, 5 г невспененного бисерного полистирола с насыпной плотностью γ=90 кг/м³ и 6 мл воды при массовом соотношении компонентов 1:1:1,2. Подвспенивание полистирола осуществляют в течение 3,5 минут в процессе гидратации негашеной извести до обеспечения коэффициента вспенивания К_всп=10. Насыпная плотность подвспененного полистирола составила 47 кг/м³.

Далее процесс приготовления смеси и формования изделия ведут аналогично Примеру 1. Отличие заключается в том, что при приготовлении бетонной смеси берут полистирол, подвспененный до К_всп=10, в количестве 3,5 г, а бетонную смесь затворяют водой с температурой 15°С.

Форму размещают в предварительно разогретой до 45°С пропарочной камере. После размещения формы в камере температуру повышают до 100°С в течение 1 часа со вспучиванием газобетонной смеси. Затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 2,5 часов с довспениванием гранул полистирола. После этого температуру в пропарочной камере снижают до 35°С в течение 2 часов с охлаждением изделия. Длительность технологического цикла составила 5,6 часа. После охлаждения образцы распалубливают, взвешивают и помещают в сушильный шкаф при температуре 105°С. После высушивания до постоянной массы образцы испытывают для определения показателей плотности и прочности полистиролбетона на сжатие. Прочность полученного блочного полистиролбетонного изделия составила 2,37 МПа при плотности в сухом состоянии 400 кг/м³, что превышает требования ГОСТ.

Пример 4. При осуществлении способа берут полистирол, подвспененный по Примеру 1. Для определения показателей плотности и прочности бетона на сжатие формуют образцы-кубы с размерами 7,07×7,07×7,07 см. Объем замеса бетонной смеси на одну форму составляет 1 л. Приготавливают бетонную смесь при следующем расходе компонентов на расчетную плотность бетона в сухом состоянии 500 кг/м³: портландцемент марки ЦЕМ II/А-З 42,5-180 г, известково-песчаное вяжущее ИПВ, получаемое путем совместного помола песка с известью в соотношении 1:1 и вводимое для активизации процесса газообразования - 45 г, кремнеземистый компонент в виде золошлаковой смеси ЗШС из золоотвала Апатитской ТЭЦ с насыпной плотностью 1000 кг/м³ - 225 г, полистирол, подвспененный до К_всп=8,-5,25 г, алюминиевая пудра ПАП-1 - 0,47 г, вода с температурой 10°С - 180 мл. Соотношение твердых минеральных компонентов составляет, мас. %: портландцемент : ИПВ : ЗШС=40:10:50.

Далее смешение компонентов бетонной смеси производят аналогично Примеру 1. Форму размещают в предварительно разогретой до 40°С пропарочной камере. После размещения формы в камере температуру повышают до 90°С в течение 1 часа со вспучиванием газобетонной смеси. Затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 3 часов с довспениванием гранул полистирола. После этого температуру в пропарочной камере снижают до 35°С в течение 1,5 часов с охлаждением изделия. Длительность технологического цикла составила 5,6 часа. После охлаждения образцы распалубливают, взвешивают и помещают в сушильный шкаф при температуре 100°С. После высушивания до постоянной массы образцы испытывают для определения показателей плотности и прочности полистиролбетона на сжатие. Прочность полученного блочного полистиролбетонного изделия составила 2,86 МПа при плотности в сухом состоянии 500 кг/м³, что превышает требования ГОСТ.

Пример 5. При осуществлении способа берут полистирол, подвспененный по Примеру 3. Расход и смешение компонентов осуществляют согласно Примеру 4 на расчетную плотность бетона в сухом состоянии 500 кг/м³. Отличие заключается в том, что при приготовлении бетонной смеси берут полистирол, подвспененный до К_всп=10, в количестве 3,5 г, а бетонную смесь затворяют водой с температурой 15°С.

Форму размещают в предварительно разогретой до 45°С пропарочной камере. После размещения формы в камере температуру повышают до 100°С в течение 1 часа со вспучиванием газобетонной смеси. Затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 3,5 часов с довспениванием гранул полистирола. После этого температуру в пропарочной камере снижают до 35°С в течение 2 часов с охлаждением изделия. Длительность технологического цикла составила 6,6 часа. После охлаждения образцы распалубливают, взвешивают и помещают в сушильный шкаф при температуре 105°С. После высушивания до постоянной массы образцы испытывают для определения показателей плотности и прочности полистиролбетона на сжатие. Прочность полученного блочного полистиролбетонного изделия составила 3,37 МПа при плотности в сухом состоянии 500 кг/м³, что превышает требования ГОСТ.

Из вышеприведенных Примеров видно, что предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет сократить длительность технологического цикла и снизить энергозатраты за счет исключения расхода тепла на подвспенивание полистирола и электропрогрева бетонной смеси при обеспечении высоких прочностных характеристик изделий. Заявляемый способ относительно прост, технологичен и может быть реализован в промышленных условиях.