Конструкционно-теплоизоляционный материал

Изобретение относится к гипсовым строительным материалам, обладающим теплоизоляционными свойствами, которые могут найти применение в строительстве малоэтажных зданий при изготовлении межквартирных и межкомнатных перегородок.

Известно листовое строительное изделие на основе сульфата кальция по патенту РФ на полезную модель №43496. Это изделие выполнено из материала, который является продуктом твердения сырьевой смеси, содержащей вяжущее на основе сульфата кальция, ускоритель схватывания (смесь отработанных электролитов кислотных и щелочных аккумуляторов), пластификатор (сульфанол), пористый заполнитель (молотый золошлак ТЭС) и воду. Это изделие используется для облицовки стен, потолков жилых помещений и обладает повышенной механической прочностью, но низкими тепло- и звукоизоляционными свойствами.

Известно пористое строительное изделие (патент РФ на полезную модель №59658), материалом которого является продукт твердения смеси из модифицированного техногенного ангидрита (серного ангидрита), ускорителя схватывания и пластификатора. В состав материала строительного изделия входит также измельченный или гранулированный пенополистирол. За счет введения пенополистирола тепло- и звукоизоляционные свойства изделия повышаются. Однако, однородность такого материала снижается, что приводит к снижению прочности и неоднородности теплосопротивления.

Известно строительное изделие из поризованного гипсобетона (патент РФ на полезную модель №74385), в котором в качестве порообразующего компонента использован фторангидрит совместно с карбонатным наполнителем. При взаимодействии остаточной кислоты и карбонатной муки в процессе протекания химической реакции выделяется углекислый газ, который образует поры в строительном изделии. Компоненты, входящие в состав материала строительного изделия, находятся в следующем соотношении:

- строительный гипс - 29,4-29,6%;

- фторангидрит - 14,7-18,5%;

- карбонатная мука - 11,5-24,5%;

- технический крахмал - 2-2,9%;

- вода - 29,4-34,4%.

Материал этого известного строительного изделия обладает высокими прочностными и теплоизоляционными свойствами. Недостатком полученного материала является наличие неровностей, появление которых обусловлено увеличением объема формовочной поромассы в 2-3 раза. В процессе изготовления изделий образующиеся «горбушки» срезают, что ведет к перерасходу материала и дополнительным трудовым затратам. Изделие является теплоизоляционным, однако обладает низкой прочностью.

Прототипом заявляемого конструкционно-теплоизоляционного материала является строительный материал из гипсовой смеси, который содержит мас. %: фторангидрит 13,0; строительный гипс 34, 8; жидкое стекло 4,3; 25% водную дисперсию нановолокна оксида алюминия, стабилизированную 0,5% гидроксидом натрия, - 1,7 или 2,6 и воду - 46,1 или 45,2 (О.В. Никитина, Л.А. Аниканова, А.И. Курмангалиева, О.В. Малчиева. Влияние нанодобавок на свойства гипсовых смесей. Перспективные материалы в строительстве и технике (ПМСТ-2014). Материалы Международной научной конференции молодых ученых. Издательство ТГАСУ, Томск, 15-17 октября 2014, с. 113). Материал по прототипу обладает повышенными прочностными свойствами при низкой плотности, однако имеет пористую структуру с неравномерным распределением мезапор, что оказывает влияние на величину теплопроводности, составляющую 0,25 Вт/м°С. Как известно, чем выше коэффициент теплопроводности строительных материалов, тем больше интенсивность потери тепла. Поэтому в строительстве лучше и экономичнее применять материалы с более низким показателем этой величины.

Техническая проблема, решаемая изобретением, направлена на улучшение теплоизоляционных качеств конструкционно-теплоизоляционного строительного материала при сохранении высоких прочностных свойств прототипа.

Технический результат заключается в снижении коэффициента теплопроводности.

Техническая проблема с достижением указанного технического результата решается следующим образом.

Заявляемый в качестве изобретения конструкционно-теплоизоляционный материал, как и материал по прототипу, включает строительный гипс, фторангидрит, жидкое стекло, 25% водную дисперсию нановолокна оксида алюминия, стабилизированную 0,5% гидроксидом натрия, и воду.

В отличие от прототипа заявляемый материал дополнительно содержит карбонат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- строительный гипс - 32,0-34,7

- фторангидрит - 13,2-20,0

- жидкое стекло - 4,5-7,6

- карбонат натрия - 0,2-0,4

- стабилизированная дисперсия нановолокна оксида алюминия - 1,8-2,59

- вода - остальное.

Высокая прочность материала, как и в прототипе, обеспечивается гидратацией строительного гипса и фторангидрита с образующимся в результате реакции активатором твердения, а достаточные (как у прототипа) теплоизоляционные свойства формируются за счет пористости изделия, полученной выделением углекислого газа и водорода при взаимодействии «кислого» фторангидрита с карбонатом натрия и дисперсией нановолокна оксида алюминия, сопровождающегося процессом порообразования.

Соотношение количества компонентов при изготовлении заявляемого строительного изделия получено экспериментальным путем. Именно в таком соотношении достигаются высокие прочностные характеристики материала. Важную роль в ингредиентном составе играет жидкое стекло и водная дисперсия алюминиевого волокна. Повышение прочности при наличии указанных компонентов связана с образованием силикатов кальция различной основности и их гидратов, за счет добавки нановолокна на основе стабилизированного гидроксидом натрия оксида алюминия, которая представляет на самом деле смесь оксида алюминия и AlOOH в определенных соотношениях. Итогом взаимодействия наночастиц с ионами кальция является образование алюминатов и гидроалюминатов кальция. Силикаты (гидросиликаты) и алюминаты (гидроалюминаты) кальция формируют основной пространственный каркас структуры гипсового камня. Кроме того, в процессе взаимодействия компонентов предлагаемой строительной смеси образуются ускорители твердения (Na₂SO₄), т.е система способна к автокатализу, а также образуются нерастворимые и малорастворимые продукты, которые наряду с волокнами армируют структуру камня настолько, что обильное газовыделение на ранних стадиях, обеспечивающее низкую плотность и порообразование, не приводит к резкому снижению прочности и обеспечивает должное качество материала. При нарушении оксидной пленки волокон металлического алюминия, последний бурно реагирует с водосодержащими компонентами сырьевой смеси с выделением водорода. Однако, учитывая невысокую концентрацию нановолокна, объем выделенного водорода будет незначительным. Основной вклад в газовыделение системы вносит реакция взаимодействия карбоната натрия с кислотным компонентом фторангидрита. Происходит химическое взаимодействие карбоната натрия с адсорбированной на зернах фторангидрита серной кислотой с выделением углекислого газа в достаточно большом объеме, который обеспечивает дополнительное образование в системе ускорителя твердения в виде Na₂SO₄ и обеспечивает образование материала с мелкопористой однородной ячеистой структурой, с низкой теплопроводностью. Введение карбоната натрия приводит к снижению коэффициента теплопроводности до 0,14-0,16 Вт/м°С.

Изготовление конструкционно-теплоизоляционного материала включает следующие стадии:

- предварительное дозирование исходных компонентов: фторангидрита, жидкого стекла, стабилизированной дисперсии нановолокна оксида алюминия, карбоната натрия и воды. В качестве дозаторов для сыпучих компонентов могут использоваться типовые дозаторы бункерного типа для гипсовых вяжущих, для жидких - типовые дозаторы воды;

- перемешивание указанных компонентов в типовом смесителе с водой в течение 1-2 мин;

- затем совместное перемешивание со строительным гипсом;

- заливку готовой смеси бетоноукладчиком в разъемные формы согласно размерам требуемого изделия;

- твердение в камерах при температуре 40-60°С в течение 24 часов.

Из смеси конструкционно-теплоизоляционного материала были изготовлены образцы - кубики с ребром 2 см методом заливки в формы с последующим твердением в формах и распалубкой образцов. Было использовано жидкое стекло плотностью 1,16 г/см² и стабилизированная дисперсия нановолокна оксида алюминия производства ООО «Новосибирские наноматериалы».

После затвердевания образцов определены основные свойства образцов по показателям предела прочности при сжатии, средней плотности и коэффициенту теплопроводности.

В таблице приведены лучшие результаты по заявляемому материалу (образцы 2, 3) и результаты материала, значения которых находятся за пределами значений входящих компонентов (образцы 1, 4).

По результатам, представленным в таблице, образцы 1, 4 не достигают соответствующего результата по прочности на сжатие.

Образцы №2 и №3 имеют высокую прочность на сжатие и низкие коэффициенты теплопроводности.

Результаты испытаний свидетельствуют, что предложенные строительные материалы могут быть использованы при возведении стен в строительстве жилых зданий для межкомнатных и межквартирных перегородок и обладают высокими прочностными и теплоизоляционными свойствами. Снижение коэффициента теплопроводности строительных материалов при сохранении прочностных характеристик прототипа позволяет экономить минеральное сырье за счет снижения толщины стен и массы квадратного метра изделия. Из полученного материала изготавливают стеновые блоки, плиты и панели для воздушно-сухих условий эксплуатации.