СОСТАВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОГО БЕТОНА, СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОГО БЕТОНА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОГО БЕТОНА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно, к составам и способам изготовления легких конструкционно-теплоизоляционных и конструкционных бетонных изделий.

Известен состав для получения композиционного материала, из которого изготавливают облицовочные плиты, кровельные материалы и т.п. на основе цементного вяжущего, армирующих синтетических волокон, микронаполнителя, пластифицирующей добавки и воды (Патент РФ №2165399, опубл. 20.04.2001, МПК С04В 40/00). Способ приготовления композиционного материала включает смешение компонентов, при этом смесь берут в соотношении на 100 мас.ч. цемента 20-100 мас.ч., по крайней мере, одного микронаполнителя, 0,05-0,5 мас.ч. пластифицирующей добавки, 30-50 мас.ч. воды и 0,5-5 мас.ч. синтетического волокна. Перед смешением наполнитель или смесь наполнителей и пластифицирующей добавки, или смесь наполнителя(ей) и армирующего волокна подвергают механохимической активации в высоконапряженных аппаратах. Из композиционной смеси формировали изделия, которые имели прочность на изгиб σ_из=6,5-37,8 МПа, модуль упругости Е=3,2-40,0 ГПа, водопоглощение - 3,5-4,5%.

Недостатком данного способа является то, что активация компонентов перед формированием композиционного материала проводится в высоконапряженных аппаратах с ускорением воздействующих тел 80-600 м/с², что приводит не только к активации, но и к измельчению компонентов смеси. При этом такие наполнители, как вермикулит и зола уноса, утрачивают внутреннюю поровую структуру, что не позволяет получать композиционный материал с низкой плотностью. Минимальные плотности получаемых изделий составляют: с вермикулитом 1,59-1,68 г/см³, с золой уноса 1,65-1,70 г/см³.

Известен состав для изготовления пенобетонных изделий, содержащий, мас.%: цемент 36-43, микросферы 4-11, диспергированный мел 7-9, воздухововлекающая добавка 0,06-0,08, вода - остальное (Патент РФ №2186749, опубл. 10.08.2002, МПК С04В 38/10). Способ изготовления пенобетонных изделий включает заливку в форму и отверждение пенобетонной смеси, приготовленной перемешиванием цемента, зольного заполнителя и предварительно приготовленной пены из водного раствора воздухововлекающей добавки. Пену готовят путем взбивания водного раствора воздухововлекающей добавки с воздухом в соотношении расходов от 1:9 до 1:11 соответственно, а в полученную пену последовательно, при непрерывном перемешивании вводят диспергированный мел с удельной поверхностью 700-1200 см²/г, зольный заполнитель, в качестве которого используют микросферы - наиболее легкую фракцию золы-уноса тепловых электростанций плотностью 0,3-0,5 г/см³ и затем цемент.

Недостатком полученного легкого бетона является то, что использование воздухововлекающих добавок приводит к образованию развитой открытопористой структуры материала и, как следствие, получаемый пенобетон имеет низкую прочность и высокое водопоглощение - использование этого материала для наружных работ требует защиты от атмосферного воздействия.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату, выбранному в качестве прототипа, является легкий бетон, описанный в патенте РФ №2289557, опубл. 20.12.2006, МПК С04В 38/08, включающий цемент, полые микросферы, кремнистую опал-кристобалитовую породу - опоку и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент 24,9-29,3, опока 11,8-20,2, микросферы 29,8-35,1, вода - остальное. Способ изготовления легкого бетона заключается в предварительном смешивании компонентов в сухом состоянии (цемент, опока, микросферы) в соответствующей пропорции, перемешивании сухой смеси в течение 1 мин. Далее в смесь добавляли воду затворения и осуществляли их совместное перемешивание в течение 2 мин. Затем производили формовку и виброуплотнение смеси в форме с пригрузом (22 г/см²) в течение 1,5 мин с последующей выдержкой смеси перед тепловой обработкой в течение 4 ч. Легкий бетон, получаемый данным способом, имеет прочность при сжатии σ_сж=19,5-27,0 МПа при плотности ρ=0,965-1,11 г/см³.

Недостатком данного легкого бетона являются невысокая прочность на изгиб, что определяется отсутствием армирующего наполнителя, и высокое водопоглощение получаемого материала из-за использования в качестве наполнителя опал-кристобалитовой породы с пористостью до 50%, что приводит к формированию открытопористой структуры бетона.

Следует отметить, что прочностные показатели в прототипе достигаются в том числе и за счет использования цемента высокой марки - М 500 по ГОСТ 10178.

Задачей заявляемого изобретения является повышение прочности на изгиб и снижение влагопоглощения легкого бетона на основе цементного вяжущего при сохранении его плотности и прочности на сжатие.

Технический результат заявленного изобретения заключается в получении конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного пожаростойкого материала со следующими характеристиками:

- высокими прочностными параметрами:

- прочность на изгиб σ_из до 18,0 МПа,

- прочность на сжатие σ_сж до 22,8 МПа;

- плотностью - ρ=0,87-1,03 г/см³;

- теплопроводностью λ=0,23-0,27 Вт/(м·К);

- водопоглощением - 2-3%;

- высокой пожаростойкостью за счет использования неорганических исходных компонентов

- использование в качестве вяжущего цемента низких марок (М300).

Для решения указанной задачи и достижения технического результата предложен состав для изготовления легкого бетона, содержащий портландцемент, зольные микросферы ГРЭС, воду, который согласно изобретению дополнительно содержит армирующий наполнитель, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент - 45-50

зольные микросферы ГРЭС - 30-40

армирующий наполнитель - 0,5-11,0

вода - остальное,

при этом зольные микросферы ГРЭС и армирующий наполнитель активированы к цементному клинкеру.

Предложен также способ приготовления состава для изготовления легкого бетона, заключающийся в смешении портландцемента, зольных микросфер ГРЭС, воды, в котором согласно изобретению предварительно в портландцемент вводят армирующий наполнитель в виде неорганических разориентированных волокон и перемешивают до получения гомогенной смеси, затем вводят зольные микросферы ГРЭС, поверхность которых предварительно активируют к цементному клинкеру, и полученную смесь затворяют водой или водой с пластифицирующей добавкой С3.

Активацию поверхности зольных микросфер ГРЭС можно осуществлять нанесением аппрета или химической обработкой.

Предложен способ изготовления легкого бетона, полученного путем смешения портландцемента, зольных микросфер ГРЭС, воды, в котором согласно изобретению предварительно в портландцемент вводят микросферы, поверхность которых предварительно активируют к портландцементному клинкеру, смесь затворяют водой, а при формировании легкого бетона используют предварительно активированный к портландцементному клинкеру армирующий наполнитель в виде ориентированных волокон, при этом введение ориентированных волокон осуществляют послойно в процессе формирования, которое проводят путем послойного виброуплотнения с последующей выдержкой смеси при 100% влажности.

Активацию поверхности зольных микросфер ГРЭС и армирующего наполнителя можно осуществлять нанесением аппрета или химической обработкой.

Второй вариант способа изготовления легкого бетона, полученного путем смешения портландцемента, зольных микросфер ГРЭС, воды, в котором согласно изобретению предварительно в портландцемент вводят армирующий наполнитель в виде неорганических разориентированных волокон и перемешивают до получения гомогенной смеси, затем вводят зольные микросферы ГРЭС, поверхность которых предварительно активируют к цементному клинкеру, и полученную смесь затворяют водой, а при формировании легкого бетона используют предварительно активированный к портландцементному клинкеру армирующий наполнитель в виде ориентированных волокон.

Введение армирующего неорганического наполнителя в исходный состав, содержащий портландцемент, зольные микросферы ГРЭС и воду, такого как: разориентированные волокна или ориентированные волокна, или одновременно разориентированные и ориентированные волокна и подбор соотношения компонентов позволяют повысить прочность на сжатие и изгиб, что важно при использовании бетона как конструкционного материала. Повышению прочностных характеристик способствует и способ получения бетона, а именно активация поверхности компонентов армирующего материала и зольных микросфер ГРЭС позволяет обеспечить взаимодействие всех компонентов смеси и повысить прочность на сжатие и изгиб. Важно, что при этом получены низкая плотность и теплопроводность бетона. Использование закрытопористого легкого наполнителя - микросфер, активация поверхности наполнителей, обеспечивающих его взаимодействие с клинкером, и использование низкого водоцементного отношения позволяют минимизировать содержание пор в структуре бетона и получить его с низким водопоглощением.

Использование для получения бетона только неорганических исходных компонентов позволяет получить пожаростойкий материал, который не только устойчив к условиям пожара, но и не выделяет отравляющие или не поддерживающие дыхание газообразные продукты.

Для изготовления легкого бетона использовались следующие исходные материалы:

- портландцемент марки М-300 ГОСТ 10178-85;

- зольные микросферы Черепетской ГРЭС (размер - 40-160 мкм, истинная плотность -0,65-0,70 г/см³);

- разориентированные волокна - стекловата МС-СТВ, базальтовое волокно, фибра базальтовая диаметром 5-30 мкм и аспектным отношением >10;

- ориентированные волокна - стеклянная сетка ССКО и ССК ТУ 6-78-00204961-29-98 и сетка сварная неоцинкованная ТУ 14-4-647-95 из низкоуглеродистой холоднотянутой проволоки диаметром 1,4 мм с ячейкой 10×10 мм и размером 38×158 мм;

- пластифицирующая добавка С3 ТУ 5870-002-58042865-03.

Состав для изготовления легкого бетона и характеристики полученного легкого бетона представлены в таблицах 1-3.

Пример 1. Изготовление образцов с разориентированными волокнами.

Образцы легкого бетона изготавливались следующим образом.

Разориентированные волокна вводились в цемент путем перемешивания волокна с цементом в пестиковой мельнице в течение 5 минут. Затем добавляли микросферы, и компоненты (цемент с волокном и микросферы) перемешивались в мешалке сначала в сухом виде в течение 3 минут, а затем после затворения водой с пластифицирующей добавкой С3 - в течение 5 минут. Формирование образцов проводилось на вибростоле в формах 40×40×160 мм с пригрузом, создающим давление 25 г/см². Виброуплотнение материала (высотой 40 мм) велось послойно - через 8 мм, время уплотнения каждого слоя - 30 с. После изготовления образцы выдерживались 1 сутки в формах при 100% влажности, затем форма разбиралась и образцы помещались в воду на 27 суток.

Состав полученного легкого бетона представлен в таблице 1.

Испытание на изгиб проводились в соответствии с ГОСТ 4648-71 (СТ СЭВ 892-78) на образцах 40×40×160 мм, свободно лежащих на двух опорах, кратковременным нагружением в середине между опорами. Расстояние между опорами составляло l₀=100 мм. При этом определялись предел прочности на изгиб σ_из и величина прогиба ε_z при разрушении образца. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Испытания на сжатие проводились на образцах 40×40×62 мм в соответствии с ГОСТ 4651-82 (СТ СЭВ 2896-81). При проведении испытаний определялись: разрушающее напряжение при сжатии (σ_с) и относительная деформация при сжатии (ε_с). Результаты измерений приведены в таблице 1. Для сравнения в таблице 1 приведены характеристики образца (№1), изготовленного из микросфер и цемента. В результате введения армирующего наполнителя в виде разориентированных волокон прочность на сжатие увеличилась в 1,8 раз, а на изгиб - на 0,7 МПа.

Пример 2. Изготовление образцов с разориентированными волокнами и активированной поверхностью микросфер.

Изготовление образцов проводилось аналогично примеру 1. Отличие от примера 1 в том, что поверхность микросфер предварительно активировалась: в одних образцах на микросферы наносился аппрет - кремнезем; в других - проводилась химическая активация поверхности микросфер обработкой 1 н. HCl; в третьих - поверхность микросфер активировалась кипячением. Рецептура и результаты испытаний на изгиб и сжатие приведены в таблице 2. При активировании поверхности микросфер прочность на сжатие образцов легкого бетона увеличилась в 1,5 раза по сравнению с образцами, изготовленными в примере 1. Водопоглощение легкого бетона составило 2,7%, а теплопроводность - 0,23 Вт/(м·К).

Пример 3. Изготовление образцов с ориентированными волокнами.

Образцы легкого бетона изготавливались следующим образом.

Компоненты: цемент и микросферы - перемешивались в мешалке сначала в сухом виде в течение 3 минут, а затем после затворения водой - в течение 5 минут. Формирование образцов проводилось аналогично примеру 1.

Введение ориентированных волокон (5 слоев стеклянной сетки ССКО и СКК) проводилось послойно в момент формирования образцов. Составы и характеристики полученного легкого бетона представлены в таблице 3.

При введении ориентированных волокон относительная деформация на изгиб легкого бетона увеличилась более чем в 2 раза по сравнению с образцами, изготовленными в примере 1.

Пример 4. Изготовление образцов с ориентированными волокнами с аппретированной поверхностью.

Изготовление образцов осуществлялось аналогично примеру 3. Отличие от примера 3 в том, что в качестве ориентированных волокон использовалась металлическая сетка - 3 слоя. Для улучшения сцепления металлической сетки с цементным клинкером на поверхность металла наносилось оксидно-фосфатное покрытие, которое обладает хорошим сцеплением с основным металлом, а образующие ее оксиды железа и фосфора, присутствующие в составе портландцемента, обеспечивают высокую адгезию бетона к обработанной арматуре. В результате использования армирующей металлической сетки прочность на сжатие практически не увеличилась, но прочность на изгиб выросла более чем в 4 раза, при этом плотность увеличилась всего на 18%. Водопоглощение легкого бетона составило 2,1%, а теплопроводность - 0,27 Вт/(м·К).

Пример 5. Изготовление образцов с ориентированными волокнами, поверхность которых активирована химической обработкой.

Изготовление образцов осуществлялось аналогично примеру 4. Отличие от примера 4 в том, что для обеспечения сцепления металлической сетки с портландцементным клинкером активация поверхности металла проводилась химической обработкой 1 н. НСl. Применялись микросферы, активированные по примеру 2. В результате кислотной обработки армирующей металлической сетки и активации микросфер обеспечивалось хорошее сцепление металла и микросфер с бетоном, и прочность на изгиб составила σ_из=17.3 МПа. Водопоглощение легкого бетона составило 2,4%, а теплопроводность - 0,27 Вт/(м·К).

Пример 6. Изготовление образцов с ориентированными и разориентированными волокнами с аппретированной поверхностью.

Изготовление образцов осуществлялось аналогично примеру 4. Отличие от примера 4 в том, что поверхность разориентированных волокон предварительно активировалась кипячением в течение 5 минут.

Активирование поверхности разориентированных волокон кипячением и нанесение оксидно-фосфатного покрытия на поверхность металлической сетки увеличили прочность на изгиб и сжатие образцов легкого бетона по сравнению с образцами, изготовленными в примере 4, при этом плотность практически не изменилась. Водопоглощение легкого бетона составило 2,0%, а теплопроводность - 0,25 Вт/(м·К).

Пример 7. Изготовление образцов с разориентированными и ориентированными волокнами с аппретированной поверхностью и микросферами с активированной поверхностью.

Изготовление образцов осуществлялось аналогично примеру 6. Отличие от примера 6 в том, что поверхность микросфер предварительно активировалась кипячением в течение 10 минут.

Активирование поверхности микросфер и разориентированных волокон кипячением и нанесение оксидно-фосфатного покрытия на поверхность металлической сетки увеличили прочность на изгиб и сжатие образцов легкого бетона по сравнению с образцами, изготовленными в примере 4, при этом плотность практически не изменилась. Водопоглощение легкого бетона составило 1,5%, а теплопроводность - 0,28 Вт/(м·К).

Состав и характеристики полученного легкого бетона представлены в таблице 3.

Введение армирующего наполнителя позволяет значительно повысить прочностные характеристики легкого бетона. Так, использование разориентированных волокон приводит к увеличению прочности на сжатие в 1,8 раз, ориентированных стекловолокон приводит к увеличению относительной деформации при испытаниях на изгиб легкого бетона более чем в 2 раза, а использование армирующей металлической сетки позволяет увеличить прочность на изгиб более чем в 4 раза при сохранении прочности на сжатие. При использовании наполнителя (микросфер и волокна) в состоянии, обеспечивающем адгезионное взаимодействие наполнителя с вяжущим, прочность на сжатие образцов легкого бетона увеличилась в 1,5 раза.