Результат интеллектуальной деятельности: ПОЛИДИСПЕРСНАЯ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНАЯ СМЕСЬ С НАНОМОДИФИКАТОРОМ

Предлагаемое техническое решение относится к древесно-цементным смесям, которые содержат неорганические компоненты и органические компоненты растительного происхождения и используются в производстве конструкционных и теплоизоляционных строительных материалов для малоэтажного домостроения, а также для самонесущих стен и перегородок каркасных многоэтажных зданий.

Известен наномодификатор строительных материалов, в том числе бетонных смесей, по патенту RU 2482082 [1], включающий углеродный наноматериал в виде нанотрубок «Таунит», наполнитель в виде полиэтиленгликоля и пластификатор в виде поливинилпирролидона. Однако технология получения данной смеси является сложной, что отрицательно влияет на характеристики смеси как наномодификатора по критериям технико-экономической эффективности и ресурсосбережения. Кроме того, поливинилпирролидон не является экологически безопасным, поскольку его воздействие может приводить к нарушениям метаболизма.

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.

Известна сырьевая смесь для получения опилкобетонных кирпичей методом полусухого вибропрессования по патенту RU 2570726 [3], включающая опилки хвойных пород (ель, сосна), воду, природный речной или карьерный песок, минеральное вяжущее в виде портландцемента, суперпластификатор, причем опилки хвойных пород используются без предварительной обработки химическими добавками для их минерализации. Однако · применение песка увеличивает плотность и снижает теплоизоляционные свойства изделий из данной сырьевой смеси.

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, как и в указанной выше сырьевой смеси.

Наиболее близким аналогом предлагаемой древесно-цементной смеси для изготовления строительных блоков является арболитовая смесь по патенту RU 2476399 [5], которая принята 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 усложняет технологию изготовления смеси и ограничивает область ее применения по условиям экологии.

Технический результат от применения предлагаемого технического решения заключается в повышении прочности и улучшении экологических характеристик за счет применения экологически безопасных компонентов.

Данный технический результат достигается за счет того, что полидисперсная древесно-цементная смесь с наномодификатором, содержащая измельченную древесину в виде опилок, портландцемент, жидкое стекло, хлорид кальция, элементы дисперсного армирования в виде отрезков волокон, диоксид кремния, причем в качестве модификатора использован аморфный диоксид кремния с нанопористой структурой частиц и удельной их поверхностью от 150 до 450 м²/г, а в качестве элементов дисперсного армирования использованы отрезки базальтового волокна при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент 35,5-50,8; опилки 45-60,3; хлорид кальция 1-4; жидкое стекло 2-8; аморфный диоксид кремния 0,05-1,0; базальтовое волокно 0,1-0,2, причем добавка воды к указанной смеси выполнена до получения водоцементного соотношения в пределах от 0,4 до 1,2.

Предлагаемая полидисперсная древесно-цементная смесь с наномодификатором представляет собой сыпучий материал, компонентами которого являются частицы различной крупности указанных выше минеральных и органических веществ. Данной смесью после добавления воды и перемешивания заполняют опалубку или формы для получения строительных изделий после затвердевания смеси и набора прочности.

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. В воду добавляют указанный аморфный диоксид кремния, перемешивают, в полученную суспензию добавляют базальтовое волокно в виде отрезков. Для перемешивания до получения однородной смеси используют, например, миксер с электроприводом для строительных смесей. Готовят раствор хлорида кальция. Готовят смесь опилок и цемента, в которую добавляют жидкое стекло и указанную выше суспензию с добавкой базальтового волокна и раствор хлорида кальция. Указанные компоненты перемешивают до получения однородной смеси, которой заполняют формы для получения блоков, плит или изделий другой 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 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.

Извлеченное из формы изделие выдерживают для набора достаточной для хранения на складе прочности в естественных условиях, при температуре воздуха 16-35°С.

Прочность при сжатии образцов из предлагаемой смеси зависит от соотношения компонентов и может составлять 2,5-5,0 МПа, что в соответствии с установленными требованиями [6-8] достаточно для изготовления самонесущей теплоизоляции и внутриквартирных перегородок, а также для несущих стен малоэтажных зданий.

Коэффициент теплопроводности материала из предлагаемой смеси в изделии, высушенном до постоянной плотности в естественных условиях, близких к условиям эксплуатации реальных конструкций, определенный зондовым методом, зависит от конкретного соотношения компонентов смеси в заявленных пределах и может составлять от 0,09 до 0,15 Вт/(м⋅К).

Плотность материала строительных блоков из предлагаемой смеси зависит от соотношения компонентов, от степени уплотнения, а также от условий хранения, и через 28 суток после изготовления может составлять 550-690 кг/м³.

Если доля цемента в смеси меньше 35,5 мас. %, то прочность блоков из данной смеси будет недостаточна. С увеличением доли цемента прочность возрастает. Однако увеличение доли цемента сверх 50,8 мас. % неэффективно, поскольку приращение прочности становится незначительным, но существенно возрастает плотность и ухудшаются теплоизоляционные свойства блоков и плит из данной смеси.

Если доля опилок хвойных пород в смеси меньше 45 мас. %, то существенно возрастает плотность и ухудшаются теплоизоляционные свойства изделий из данной смеси. Однако, если доля опилок хвойных пород в смеси больше 60,3 мас. %, то для консолидации частиц опилок требуется увеличение доли цемента, что также увеличивает плотность и ухудшает теплоизоляционные свойства. Заявленный технический результат достигается в случае применения опилок хвойных пород.

Если доля хлорида кальция в смеси меньше 1 мас. %, то эффективность его применения недостаточна. С увеличением этой доли эффективность его применения растет, однако, если его доля больше 4 мас. %, то рост эффективности его применения прекращается.

Тонкий слой жидкого стекла, образующийся на поверхности древесных частиц, повышает адгезию к цементу, что увеличивает прочность, а также увеличивает огнестойкость, поскольку указанный слой прекращает доступ воздуха к горящему материалу, и пламя гаснет. Если доля жидкого стекла в смеси меньше 2 мас. %, то эффективность его применения недостаточна. С увеличением этой доли прочность материала из данной смеси растет, однако, если доля жидкого стекла в смеси больше 8 мас. %, то эффективность его применения уменьшается, поскольку увеличивается плотность материала, ухудшаются теплоизоляционные свойства блоков, а рост прочности незначителен.

Аморфный диоксид кремния в виде порошка марки «Ковелос» способствует увеличению поверхности, приходящейся на единицу массы смеси, и по этой причине повышает прочность изделий из предлагаемой смеси. Если доля аморфного диоксида кремния в смеси меньше 0,05 мас. %, то эффективность его применения недостаточна. С увеличением этой доли прочность материала из данной смеси растет. Однако, если доля больше 1 мас. %, то рост прочности прекращается.

Базальтовое волокно в виде отрезков выполняют функции армирующих элементов, что повышает прочность блоков из предлагаемой смеси. Если доля 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 незначителен.

К указанной смеси компонентов добавляется вода в количестве, необходимом для получения водоцементного отношения в пределах от 0,4 до 1,2. Уменьшение количества воды не обеспечивает полного использования свойств цемента как вяжущего компонента. Увеличение количества воды приводит к уменьшению прочности изделий из смеси. Количество добавляемой воды зависит от влажности опилок и других компонентов 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.

В заявленной смеси технический эффект выражается в повышении прочности и жесткости блоков и других строительных изделий, изготовленных из предлагаемой смеси, достигается за счет взаимодействия компонентов, количественное соотношение которых обеспечивает получение синергетического эффекта, итоговым проявлением которого является повышение эффективности использования экологически безопасных компонентов, в том числе отходов лесопиления, 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, прочности, плотности, теплопроводности, экологической безопасности и конкурентоспособности, что дополняет указанный выше технический эффект.

Пример технической реализации древесно-цементной смеси. 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.

В таблице 2 приведены варианты сырьевой смеси для изготовления строительных блоков.

При технической реализации заявляемой смеси могут быть использованы, например: 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; базальтовое волокна в виде отрезков длиной отрезки длиной от 3 мм до 130 мм диаметром диаметра до 22 мкм [http://kamni.ws/?p=304]; в качестве модификатора аморфный диоксид кремния, марки «Ковелос» с нанопористой структурой частиц и удельной их поверхностью от 120 до 450 м²/г, [http://aerosil.su/dokumentaciya]. Выше в таблице 2 приведены составы предлагаемой смеси без учета воды, поскольку вода добавляется с учетом начальной влажности опилок до получения требуемого водоцементного отношения.

Источники информации

1. Наномодификатор строительных материалов и способ его получения. Патент на изобретение RU 2482082. МПК С04В 24/00; В82В 1/00. Опубликовано: 20.05.2013.

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

3. Сырьевая смесь для получения опилкобетонных кирпичей методом полусухого вибропрессования. Патент RU 2570726. МПК С04В 18/26; С04В 28/04 Опубликовано: 10.12.2015.

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.