Результат интеллектуальной деятельности: ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-КОНСТРУКЦИОННЫЙ ПОЛИСТИРОЛБЕТОН

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к полистиролбетонам плотностью 225-350 кг/м³, 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.

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/м³ - 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%).

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 C₉-C₁₄, или смесь натриевых или триэтаноламиновых солей алкилсерных кислот фракции C₁₀-C₁₆, или смесь натриевых или триэтаноламиновых солей алкилсульфатов первичных жирных спиртов фракций C₁₀-C₁₆, 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:

- состав полистиролбетона при использовании ПВГ с насыпной плотностью широкого диапазона - 5-20 кг/м² 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.

Задачей изобретения является создание теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона плотностью 225-350 кг/м³ 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

где K₁ и K₂ - коэффициенты, отражающие особенности технологии получения ПВГ, значения которых находятся соответственно в пределах 1,1-1,3 и 8,0-10,8; d_б - средний диаметр исходного полистирольного бисера, мм; d_ср - средневзвешенный диаметр гранул ПВГ, мм; - насыпная и ρ_ПВГ - средняя плотности гранул ПВГ, кг/м³.

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 C₉-C₁₂ 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

Для изготовления полистиролбетона марки по средней плотности D300 используется ПВГ, полученный вспениванием полистирольного бисера с исходной крупностью зерен d_б=0,77 мм. В результате 3-кратного вспенивания получен ПВГ со средневзвешенным размером гранул d_cp=3,81 мм, средней плотностью гранул ПВГ ρ_ПВГ=16,3 кг/м³ и насыпной плотностью .

При средних значениях K₁=0,5(1,1+1,3)=1,2 и K₂=0,5(8,0+10,8)=9,4 комплексный показатель качества ПВГ будет равен

.

Расход материалов на 1 м³ полистиролбетона был принят:

- портландцемента активностью R_ц=40 МПа Ц=244 кг;

- воды - 116 л;

- ПВГ - 0,8 м³ (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.

Без использования добавок-пластификаторов получен полистиролбетон плотностью ρ_ПСБ=287 кг/м³ (марка по средней плотности D300) и прочностью в 28-дневном возрасте R_ПСБ=0,93 МПа с теплопроводностью в сухом состоянии λ_o=0,082 Вт/(м·°C). При коэффициенте вариации полистиролбетона по прочности V_п=12% достигнутая прочность соответствует классу B0,75.

Пример 2

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/м³.

При том же Ц/В=2,1 расход цемента составил Ц=2,1·104≈218 кг/м³.

При концентрации ПВГ φ=0,55 (расход ПВГ - 1,0 м³/м³) и применении портландцемента с активностью R_Ц=50 МПа получен полистиролбетон плотностью ρ_ПСБ=259 кг/м³ (марка по средней плотности D250) с той же прочностью R_ПСБ=0,93 МПа (класса B0,75), имеющего теплопроводность в сухом состоянии λ_o=0,072 Вт/(м·°С).

Пример 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 м³/м³ до 0,8 м³/м³ 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, dб 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, dср 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, ρПВГ кг/м3 не нормирована 12-16 12-16 12-16 12-16 21 32 11 5. Насыпная плотность, кг/м3 5-20 7-10 7-10 7-10 7-10 13,2 12,0 10,5 6. Технологические коэффициенты:                   K1 - не нормированы 1,1-1,3 1,1-1,3 1,1-1,3 1,1-1,3 1,0 1,4 1,5 K2 - 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   Na2SO4 или CaCl2 - - - - - - -   III. Физико-механические показатели полистиролбетона 13. Марка по средней плотности D (кг/м3) 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.