Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ БЕТОНА

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для получения бетонных строительных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке при твердении, для гражданского и промышленного строительства.

Известен способ изготовления гранулированный заполнителя для бетона, состоящий из ядра и защитной оболочки. Ядро изготавливают грануляцией на тарельчатом грануляторе смеси дисперсных кремнеземсодержащих компонентов - золы ТЭС (дисперсностью не менее 200 м²/кг) и осадка станции аэрации биологической очистки промышленных сточных вод со связкой - молотой известью (дисперсностью 500-600 м²/кг) и гипсом (маркой не менее 100 и дисперсностью не менее 350 м²/кг) в соотношении компонентов смеси соответственно 0,3:0,5:0,15:0,05 по массе. После грануляции на ядро наносится защитная оболочка толщиной 3-5 мм путем смачивания ядра гранулы жидким стеклом и опудривания или окатывания на тарельчатом или барабанном грануляторе его сухой пылевидной смесью извести, гипса и минерального дисперсного наполнителя (золы ТЭЦ, ГРЭС, суглинка и т.д.) в соотношении компонентов смеси соответственно 0,35:0,10:0,55 по массе. После формирования гранул с целью их отверждения применяется тепловлажностная обработка при температуре 90°C с изотермической выдержкой в течение одного часа [Патент РФ №2077517, кл. 6 C04B 20/10, 1993].

Недостатком данного способа изготовления гранулированного заполнителя является то, что для отверждения его требуются повышенные затраты рабочего времени: сначала тепловлажностной обработке подвергается гранулированный заполнитель, затем сформованное строительное изделие, включающее вышеназванный заполнитель, а также то, что получаемые бетонные строительные изделия, подвергающиеся тепловлажностной обработке при твердении, имеют невысокую водостойкость, прочность и теплоизолирующую способность.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ изготовления заполнителя для бетонной смеси в виде гранул размером 0,5-10,0 мм, состоящих из ядра и оболочки, где ядро получено гранулированием смеси совместно молотых до удельной поверхности 150-250 м²/кг кремнеземсодержащего компонента - природного перлита и гидроксида натрия при их массовом соотношении 0,70-0,95:0,05-0,30 со связкой - водным раствором силиката натрия плотностью 1,2-1,3 г/см³ в количестве 0,1-7,0% от смеси, а оболочка сформирована на поверхности ядра его окатыванием сухой пылевидной смесью совместно молотой негашеной извести с натрием кремнефтористым при их массовом соотношении 0,85-0,95:0,05-0,15 с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа. [Патент РФ №2358937, кл. 7 C04B 28/04, 2007].

Недостатками способа изготовления гранулированного заполнителя по прототипу являются большие затраты времени на выдержку полученных гранул для набора необходимой прочности, что снижает производительность производства, а также то, что реакции между природным перлитом и щелочью в ядре гранулы при тепловлажностной обработке бетонного изделия происходят не в полном объеме, т.к. разная твердость совместно размалываемых компонентов не позволяет получить достаточно высокореакционные гомогенные ядра гранулированного заполнителя для бетона, при этом в готовом бетонном изделии наблюдается до 50-55 мас.% непрореагировавшего перлита, что ухудшает качество, не позволяет получить проектируемые показатели прочности, теплопроводности и гидроизоляционных характеристик получаемых бетонных строительных изделий.

Предлагаемое изобретение решает задачу расширения арсенала технических средств для производства ячеистых бетонов пониженной теплопроводности, позволяет сократить время производства, повысить реакционную способность гранулированного заполнителя, уменьшить теплопроводность, повысить прочностные показатели бетонных строительных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке при твердении.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления гранулированного заполнителя для бетона, состоящего из ядра и оболочки, включающий формирование ядра в присутствии жидкого стекла из смеси совместно молотых природного перлита и гидроксида натрия, накатку оболочки на поверхность ядра из совместно молотой негашеной извести с натрием кремнефтористым, отверждение гранул, согласно предлагаемому решению в качестве перлита используют предварительно вспученный перлит, а отверждение гранул производят в сверхвысокочастотном поле с удельным расходом энергии 41-86 Дж/см³.

Характеристика компонентов:

1. В качестве вяжущего использовали портландцемент ЗАО «Белгородцемент» по ГОСТ 10178-85 следующего минералогического состава, мас.%: C₃S - 66,8; C₂S - 17,4; C₃A - 4,0; C₄AF - 11,8. Тонкость помола - 345 м²/кг. Нормальная густота цементного теста по ГОСТ 310.4-81 - 27,12%. Активность при пропаривании 38,9 МПа, активность при нормальном хранении в возрасте 28 суток - 44,2 МПа.

2. В качестве кремнеземсодержащего компонента для изготовления ядра заполнителя использовали пыль, уловленную циклонами при вспучивании дробленого перлита Мухор-Талинского месторождения. Химический состав пыли перлита, мас.%: SiO₂ - 71,7; Al₂O₃ - 14,4, Fe₂O₃ - 1,7, TiO₂ - 0,6, CaO - 0,8; MgO - 1,9; R₂O - 8,9. В настоящее время перлитовая пыль не используется, вывоз ее на свалку загрязняет окружающую среду.

3. Гидроксид натрия по ГОСТ 2263-79.

4. Натрий кремнефтористый Na₂SiF₆ по ТУ 6-09-1461-91.

5. В качестве известьсодержащего компонента для изготовления защитной оболочки заполнителя использовали известь негашеную строительную производства ОАО «Стройматериалы», г.Белгород по ГОСТ 9179-77.

6. В качестве мелкого заполнителя бетонных смесей использовали природный кварцевый Вольский песок по ГОСТ 6139-2003.

7. Вода водопроводная по ГОСТ 23732-79.

8. При гранулировании смеси перлитовой пыли с гидроксидом натрия на тарельчатом грануляторе в качестве связки использовали водный раствор жидкого стекла по ТУ 2385-001-54824507-2000 плотностью 1,2-1,3 г/см³.

Для получения ядер гранулированного заполнителя перлитовую пыль дозировали с гидроксидом натрия весовым методом в соотношении 0,70-0,95:0,05-0,30. Полученную смесь загружали в шаровую мельницу и производили помол до удельной поверхности 150-250 м²/кг. Полученную смесь подавали на стандартный тарельчатый гранулятор, где при распылении водного раствора жидкого стекла плотностью 1,2-1,3 г/см³ получали ядра заполнителя заданного размера.

Полученные ядра заполнителя направляли на формирование защитной оболочки путем окатывания в барабанном смесителе, в который подавали также совместно молотые известь и натрий кремнефтористый при их массовом соотношении 0,85-0,95: 0,05-0,15, т.е. аналогично способу, описанному в патенте РФ №2358937.

Полученные гранулы направляли на отверждение в резонатор сверхвысокочастотной печи (СВЧ-поле) с удельным расходом энергии 41-86 Дж/см³ и частоте 150-314 МГц в течение 8-17 мин. Время упрочнения подбиралось исходя из максимальных значений прочностных показателей гранул. Энергонапряженность обработки гранул можно изменять как частотой СВЧ-поля, так и скоростью ленты транспортера.

Контроль прочности гранулированного заполнителя производили путем раздавливания в цилиндре по ГОСТ 9758-86.

Пример. Приготовление ядер гранулированного заполнителя. Перлитовую пыль (8 кг) и гидроксид натрия (2 кг), т.е. в соотношении 0,80:0,20 по массе мололи в мельнице до удельной поверхности 200 м²/кг. Полученный порошковый материал подавали на тарельчатый гранулятор. На поверхность порошка путем разбрызгивания наносили водный раствор силиката натрия

плотностью 1,25 г/см³ в количестве 4% по отношению к массе ядра заполнителя. Скоростью вращения и углом наклона тарелки гранулятора регулировали диаметр получаемых ядер, который составлял в данном случае 4,4-4,5 мм (аналогично способу, описанному в патенте РФ №2358937).

Получение защитной оболочки на ядрах. Полученные ядра направляли на опудривание порошком извести (9 кг), молотой совместно с кремнефтористым натрием (1 кг), т.е. в соотношении 0,90:0,10 до получения гранул размером 5,0 мм. Опудривание производили в барабанном смесителе (аналогично способу, описанному в патенте РФ №2358937).

Полученные гранулы направляли на отверждение в резонатор сверхвы-сокочастотной печи с удельным расходом энергии 74 Дж/см³ и частотой 270 МГц в течение 10 мин. Температура гранул на выходе 95°C, скорость транспортера 8 см/мин.

Часть полученного гранулированного заполнителя испытывали на прочность путем сдавливания в цилиндре по ГОСТ 9758, прочность составила 2,92 МПа; остальной - использовали при приготовлении бетонных смесей для изготовления стандартных образцов строительных изделий.

Приготовление бетонной смеси. Дозировку компонентов производили весовым способом: 2 кг портландцемента (20 мас.%), 2,5 кг кварцевого песка (25 мас.%) и 3,5 кг (35 мас.%) гранулированного заполнителя перемешивали в шнековом смесителе до однородного состояния и добавляли 2 кг (20 мас.%) воды.

Формование образцов производили традиционным способом путем заполнения стандартных форм 2ФК-100 по ГОСТ 10181-2000. Время выдержки в формах - 6 часов.

Тепловлажностную обработку всех бетонных образцов производили в пропарочной камере при атмосферном давлении по режиму 2+6+2 и температуре изотермической выдержки 90°C, таким образом, приготовление бетонной смеси, формовку образцов и их тепловлажностную обработку производили по известной методике [Гершберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. - М: Стройиздат, 1971, с.98-102, 305-313].

Образцы изделий испытывали на прочность (по ГОСТ 10180), определяли теплопроводность (по ГОСТ 7076-99) и водонепроницаемость (по ГОСТ 12730.5-84). Отношение массы непрореагировавшего перлита в гранулах после тепловлажностной обработки бетона к исходной определялась как отношение остаточной массы перлита в гранулах после тепловлажностной обработки бетона к начальной массе перлита в грануле перед введением ее в состав бетонной смеси (в массовых процентах), чем эта величина меньше, тем выше реакционная способность ядра гранулы заполнителя.

Таким же образом были получены стеновые бетонные изделия с другими характеристиками гранулированных заполнителей из-за варьирования параметров СВЧ-поля при их отверждении. Содержание гранул в бетонных смесях 1-6 было постоянно и составляло 35 мас.%. При формировании гранулированного заполнителя для получения сопоставимых результатов выполнялись следующие условия: соотношение между перлитом и гидроксидом натрия по массе в ядре гранулы - 0,80:0,20; соотношение между известью и натрием кремнефтористым в защитной оболочке гранулы по массе - 0,90:0,10; количество водного раствора силиката натрия по отношению к массе ядер заполнителя - 4,0%; диаметр гранул 5 мм. Результаты испытаний физико-механических свойств полученных бетонных строительных изделий приведены в табл.2, смеси 1-6.

Ядро гранулированного заполнителя по патенту РФ №2358937 изготавливали из совместно молотого природного перлита и гидроксида натрия; выдерживали после изготовления для набора прочности при 19°C в сухих условиях 7 часов.

Анализ результатов испытаний свойств образцов бетонных строительных изделий, приведенных в табл.2, показывает следующее.

1. Введение в состав бетонной смеси гранулированного заполнителя, изготовленного по заявляемому способу, использование для отверждения его сверхвысокочастотного поля с частотой 150-314 МГц и удельным расходом энергии 41-86 Дж/см³, замена природного перлита на предварительно вспученный позволяет получать прочные водонепроницаемые бетонные строительные изделия с пониженной теплопроводностью, при этом, за счет исключения процесса длительной выдержки заполнителя для твердения, сокращается время его изготовления до 20-30 минут, значительно повышается реакционная способность ядра.

2. Снижение удельного расхода энергии до 41 Дж/см³ и частоты сверхвысокочастотного поля до 150 МГц при отверждении гранулированного заполнителя приводит к появлению деформаций и уменьшению его прочности из-за размягчения ядра, реакционная способность заполнителя снижается. Бетонные образцы, приготовленные с использованием данного заполнителя, характеризуются повышенной теплопроводностью, пониженной прочностью и водонепроницаемостью (смесь 2, табл.2), данный состав принят как граничный.

Дальнейшее уменьшение названных параметров СВЧ-поля приводит к существенному снижению физико-механических показателей бетонных строительных изделий, поэтому состав смеси 4 выходит за рамки заявляемого способа изготовления гранулированного заполнителя для бетона.

3. Увеличение удельного расхода энергии до 86 Дж/см³ и частоты сверхвысокочастотного поля до 314 МГц при отверждении гранулированного заполнителя приводит к уменьшению его прочности, появлению деформаций сферических ядер, зонального вспучивания из-за перегрева и интенсивного удаления влаги из ядра гранулы, наблюдается уменьшение реакционной способности заполнителя. Бетонные образцы, приготовленные с использованием полученного заполнителя, характеризуются повышенной теплопроводностью, пониженной прочностью и водонепроницаемостью (смесь 3, табл.2), данный состав принят как граничный.

Дальнейшее увеличение названных параметров СВЧ-поля приводит к существенному снижению физико-механических показателей бетонных строительных изделий и гранулированного заполнителя из-за его вспучивания, поэтому состав смеси 5 выходит за рамки заявляемого способа изготовления гранулированного заполнителя для бетона.

При оптимальных характеристиках СВЧ-поля, используемого для отверждения гранулированного заполнителя (смесь 1, табл.1), полученные бетонные строительные изделия имеют следующие преимущества по сравнению с известными:

1) прочностные показатели увеличиваются на 12-14%, теплопроводность уменьшается на 23%, марка по водонепроницаемости при этом увеличивается с B6 до B8 за счет более полного растворения материала ядра и, значит, более плотной пропитки окружающего гранулу бетона;

2) получаемый гранулированный заполнитель по заявляемому способу не требует больших затрат времени на изготовление, за счет этого снижаются трудозатраты при получении конструкционно-теплоизоляционных бетонных строительных изделий.

При использовании гранулированных заполнителей, полученных с граничными параметрами СВЧ-поля (смеси 2 и 3, табл.1), полученные бетонные строительные изделия практически сохраняют марку по водонепроницаемости и прочностные характеристики, сравнимые с аналогичными свойствами прототипа.

Замена природного перлита на отходы производства вспученного перлита при изготовлении гранулированного заполнителя для бетона позволяет существенно повысить производительность мельниц, используемых для совместного помола перлита и щелочи, либо использовать вместо них шнековые смесители. Присутствие вспученного перлита в ядре обеспечивает необходимую капиллярную пористость, позволяющую свободный выход образующихся паров воды.

Утилизация не находящих применения объемных отходов производства вспученного перлита позволит не только улучшить окружающую среду, но и получать качественный экологически чистый конструкционно-теплоизоляционный бетон с хорошими потребительскими характеристиками.