Результат интеллектуальной деятельности: ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЙ МОДИФИКАТОР ДЛЯ ГИПСОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ И РАДИОЗАЩИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно к добавкам, используемым при изготовлении гипсовых композиций и изделий на их основе с радиозащитными свойствами.

Известна добавка для модификации гипсовых вяжущих, строительных растворов и бетонов на их основе, включающая мас. %: гидратная известь 58-70, пеногаситель (гидрофобный эфир) 9-13, гиперпластификатор 3-7, диспергатор (модифицированный полиэфиркарбоксилатный порошок) 18-22 [1]. Недостатком данного изобретения является сложная технология получения добавки, связанная с подачей в помольную камеру газа ионизированного излучения для помола компонентов с меньшим сопротивлением измельчению. При модификации гипса марки Г5БII наблюдаются сравнительно невысокие физико-механические характеристики - прочность на сжатие через 2 часа 18-24 МПа, через 7 суток 27-35МПа, водопоглощение 7-9%, коэффициент размягчения 0,75-0,8. Кроме того, изделия, изготовленные с применением данной добавки, не обладают радиозащитными свойствами, что ограничивает их эффективность в помещениях с повышенным уровнем электромагнитных излучений.

Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является органо-минеральный модификатор гипсовых вяжущих, строительных растворов, бетонов и изделий на их основе, включающий мас. %: портландцемент 42-76; активный минеральный компонент (микрокремнезем и тонкодисперсный кремнеземсодержащий компонент) 8-48; пластифицирующая добавка 2,1-11,4; регулятор сроков схватывания 0,23-3,8; стабилизатор (водорастворимый эфир целлюлозы с вязкостью 5000-20000 МПа⋅с) 0,01-1,5 [2].

Недостатками данного изобретения являются невысокие показатели пределов прочности при сжатии и водостойкости при модификации изделий на основе низкомарочного полуводного гипсового вяжущего, а также отсутствие радиозащитных свойств, что ограничивает их эффективность в помещениях с повышенным уровнем электромагнитных излучений.

Задачей предлагаемого изобретения является получение органоминерального модификатора для гипсовых композиций на основе низкомарочного полуводного гипса, позволяющего увеличить пределы прочности при сжатии и водостойкость изделий на их основе, а также придать им радиозащитные свойства. Кроме того разрабатываемый органоминеральный модификатор позволит создавать самоуплотняющиеся смеси и применять полусухой метод производства изделий на основе гипсового вяжущего с литьевым способом их формования. Повышение физико-механических характеристик изделий на основе гипсовых вяжущих, таких как пределы прочности при сжатии и водостойкость, а также придание им радиозащитных свойств позволит значительно расширить область их применения, в том числе для защиты от электромагнитных излучений.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в удлинении сроков схватывания гипсовой смеси, придании ей самоуплотняющейся способности, повышении пределов прочности и водостойкости изделий на основе гипсового вяжущего, при одновременном упрощении технологии их производства и придании им радиозащитных свойств.

Поставленная задача достигается тем, что органоминеральный модификатор для гипсовых композиций и радиозащитных изделий на их основе, включающий портландцемент, активный минеральный компонент, пластифицирующую добавку и регулятор сроков схватывания, отличающийся тем, что в качестве активного минерального компонента он содержит метакаолин, в качестве пластифицирующей добавки - водный раствор поликарбоксилатного эфира «Glenium Асе 430», в качестве регулятора сроков схватывания - суперпластификатор «БЕСТ-СПл» на основе полиметиленнафталинсульфонатных олигомеров с алкильными гидрофобными заместителями в боковой цепи и неионогенными поверхностно-активными компонентами, и дополнительно содержит водную эмульсию октилтриэтоксисилана «Пента-818» и молотый шунгит при следующем содержании компонентов, мас. %:

при этом степень помола шунгита составляет 200-300 м²/кг, гидравлическая активность метакаолина - не менее 1200 мг/г.

Применение в составе органоминерального модификатора портландцемента позволяет придать гипсовому вяжущему гидравлические свойства и повысить водостойкость готовых изделий. Применение в составе органоминерального модификатора пуццоланового компонента - метакаолина с гидравлической активность не менее 1200 мг/г, позволяет регулировать содержание высокоосновной формы гидросульфоалюмината кальция (эттрингита - 3CaO-Al₂O₄-3CaSO₄*(31-32)H₂O), образующегося при совместной гидратации гипса и портландцемента, что исключает возникновение внутренних напряжений в готовых изделиях и снижение их эксплуатационных показателей с течением времени.

Применение в составе органоминерального модификатора водного раствора поликарбоксилатного эфира «Glenium Асе 430» снижает водопотребность смеси и повышает прочностные характеристики изделий, применение регулятора сроков схватывания «БЕСТ-СПл» увеличивает время жизнеспособности готовой смеси, что выражается в удлинении сроков схватывания. Сочетание указанных выше водного раствора поликарбоксилатного эфира и регулятора сроков схватывания придает гипсовой композиции самоуплотняющуюся способность. Применение водной эмульсии октилтриэтоксисилана «Пента-818» способствует формированию плотной поровой структуры затвердевшего камня и приводит к повышению водостойкости изделий на основе гипсового вяжущего. Применение в составе органоминерального модификатора молотого шунгита со степенью помола 200-300 м²/кг позволяет придать изделиям на основе гипсового вяжущего радиозащитные свойства.

Применение в составе органоминерального модификатора для гипсовых композиций и радиозащитных изделий на их основе указанных выше компонентов в указанном соотношении приводит к возникновению синергетического эффекта и позволяет достичь требуемый технический результат.

Для изготовления органоминерального модификатора использовали следующие материалы:

- полуводный гипс марки Г7БII производства ООО «Аракчинский гипс» ГОСТ 125-79;

- портландцемент Белгородского цементного завода марки ПЦ500-Д0-Н;

- активная минеральная добавка - метакаолин с гидравлической активностью не менее 1200 мг/г (ТУ 5729-098-12615988-2013). Для приготовления образцов использовали метакаолин с гидравлической активностью 1238 мг/г, удельной поверхностью 1357 м²/кг;

- шунгит - фракционированный зажогинского месторождения S_уд=200-300 м²/кг, производства ООО Научно-производственный комплекс «КАРБОН-ШУНГИТ», г. Петрозаводск;

- водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

- водный раствор поликарбоксилатного эфира «Glenium Асе 430» производства ООО «BASF Строительные системы», коричневая жидкость плотностью 1,04 г/см³, рН при 20°С - 5,5, максимальное содержание хлоридов ≤0,01%, максимальное содержание щелочей <0,6% (Na₂O - эквивалент);

- пластификатор «БЕСТ-СПл», производства ООО «Инновационные Технологии» по ТУ 5745-001-65675677-2012 (опубликовано 29.01.2013), на основе полиметиленнафталинсульфонатных олигомеров с алкильными гидрофобными заместителями в боковой цепи и неионогенными поверхностно-активными компонентами, представляет собой жидкость коричневого цвета, с плотностью (при 20°С) 1,1-1,3 г/см³, массовая доля сухого вещества 30-40%;

- водная эмульсия октилтриэтоксисилана «Пента-818» производства компании «Пента An ITW Company», вязкотекучая 50% водная эмульсия октилтриэтоксисилана, плотность при температуре 20°С - 1000 кг/м³, содержание активного вещества - 50%.

Процесс производства органоминерального модификатора для гипсовых композиций и радиозащитных изделий на их основе включает в себя следующие этапы. Производят помол шунгита до удельной поверхности 200-300 м²/кг. Далее производят смешение молотого шунгита с метакаолином, водным раствором поликарбоксилатного эфира «Glenium Асе 430», регулятором сроков схватывания «Бест-СПл» на основе полиметиленнафталинсульфонатных олигомеров с алкильными гидрофобными заместителями в боковой цепи и неионогенными поверхностно-активными компонентами и водной эмульсией октилтриэтоксисилана «Пента-818» с последующей сушкой при температуре 100-105°С до постоянной массы. После сушки полученную смесь смешивают с гидравлическим вяжущим - портландцементом.

При изготовлении изделий с применением органоминерального модификатора для гипсовых композиций и радиозащитных изделий на их основе количество воды затворения подбирали из условия обеспечения нормальной густоты гипсовой смеси по ГОСТ 23789-79. Через 28 суток твердения во влажных условиях образцы подвергали механическим испытаниям. Прочность затвердевших образцов, водопоглощение, а также сроки схватывания смеси определяли в соответствии с ГОСТ 23789-79. Водостойкость образцов оценивали по коэффициенту размягчения, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в водонасыщенном состоянии, к пределу прочности сухого материала. За критерий самоуплотняющейся способности приняли способность гипсовой смеси занять весь объем формы с образованием ровных поверхностей под собственным весом без дополнительных внешних воздействий.

Радиозащитные свойства изделий оценивали по количеству энергии электромагнитной волны, поглощенной и отраженной образцом, в диапазонах частот 2,1 и 2,45 ГГц с помощью прибора FSH8. В качестве антенн измерительной установки использовались излучатели в виде открытого конца прямоугольного волновода, обеспечивающие коэффициент стоячей волны в диапазоне от 2 до 6 ГГц. Размеры образцов принятых для данных исследований составили 500×500×10 мм. Структурная схема измерительной установки приведена на фиг. 1. Структурная схема измерительной установки: 1 - приемная антенна; 2 - передающая антенна; 3 - анализатор; 4 - соединительные коаксиальные кабели; 5 - компьютер; 6 - исследуемый образец. Также были проведены испытания образцов по прототипу с использованием полуводного гипса марки Г7БII производства ООО «Аракчинский гипс».

Для иллюстрации получения модифицированного гипсового вяжущего ниже приведен ряд примеров, где в качестве полуводного гипсового вяжущего использован гипс марки Г7БII.

Пример 1

Для экспериментальной проверки заявляемого состава органоминерального модификатора для гипсовых композиций и радиозащитных изделий на их основе была приготовлена следующая смесь, мас. %:

1) гипсовое вяжущее: полуводный гипс - 67,95;

2) органоминеральный модификатор - 32,05,

при этом органоминеральный модификатор следующего состава, мас. %:

- гидравлическое вяжущее: портландцемент - 55,79;

- активный минеральный компонент: метакаолин с гидравлической активностью 1238 мг/г, удельной поверхностью 1357 м²/кг - 11,16;

- пластифицирующая добавка: водный раствор поликарбоксилатного эфира «Glenium Асе 430» - 4,18;

- регулятор сроков схватывания: пластификатор «БЕСТ-СПл» на основе полиметиленнафталинсульфонатных олигомеров с алкильными гидрофобными заместителями в боковой цепи и неионогенными поверхностно-активными компонентами - 0,7;

- водная эмульсия октилтриэтоксисилана «Пента-818» - 0,28;

- молотый шунгит со степенью помола 200 м²/кг - 27,89.

3) Вода - до достижения водотвердого отношения, указанного в таблице 1.

Пример 2

Для экспериментальной проверки заявляемого состава органоминерального модификатора для гипсовых композиций и радиозащитных изделий на их основе была приготовлена следующая смесь, мас. %:

1) гипсовое вяжущее: полуводный гипс - 62,37;

2) органоминеральный модификатор - 37,63,

при этом органоминеральный модификатор следующего состава, мас. %:

- гидравлическое вяжущее: портландцемент - 43,62;

- активный минеральный компонент: метакаолин с гидравлической активностью 1238 мг/г, удельной поверхностью 1357 м²/кг - 8,72;

- пластифицирующая добавка: водный раствор поликарбоксилатного эфира «Glenium Асе 430» - 3,27;

- регулятор сроков схватывания: пластификатор «БЕСТ-СПл» на основе полиметиленнафталинсульфонатных олигомеров с алкильными гидрофобными заместителями в боковой цепи и неионогенными поверхностно-активными компонентами - 0,55;

- водная эмульсия октилтриэтоксисилана «Пента-818» - 0,22;

- молотый шунгит со степенью помола 200 м²/кг - 43,62.

3) Вода - до достижения водотвердого отношения, указанного в таблице 1.

Пример 3

Для экспериментальной проверки заявляемого состава органоминерального модификатора для гипсовых композиций и радиозащитных изделий на их основе была приготовлена следующая смесь, мас. %:

1) гипсовое вяжущее: полуводный гипс - 57,64;

2) органоминеральный модификатор - 42,36,

при этом органоминеральный модификатор следующего состава, мас. %:

- гидравлическое вяжущее: портландцемент - 35,81;

- активный минеральный компонент: метакаолин с гидравлической активностью 1238 мг/г, удельной поверхностью 1357 м²/кг - 7,16;

- пластифицирующая добавка: водный раствор поликарбоксилатного эфира «Glenium Асе 430» - 2,69;

- регулятор сроков схватывания: пластификатор «БЕСТ-СПл» на основе полиметиленнафталинсульфонатных олигомеров с алкильными гидрофобными заместителями в боковой цепи и неионогенными поверхностно-активными компонентами - 0,45;

- водная эмульсия октилтриэтоксисилана «Пента-818» - 0,18;

- молотый шунгит со степенью помола 200 м²/кг -53,71.

3) Вода - до достижения водотвердого отношения, указанного в таблице 1.

Пример 4

Для экспериментальной проверки состава органоминерального модификатора для гипсовых вяжущих и радиозащитных изделий на их основе с запредельной степенью помола шунгита была приготовлена следующая смесь, мас. %:

1) гипсовое вяжущее: полуводный гипс - 67,95;

2) органоминеральный модификатор - 32,05,

при этом органоминеральный модификатор следующего состава, мас. %:

- гидравлическое вяжущее: портландцемент - 55,79;

- активный минеральный компонент: метакаолин с гидравлической активностью 1238 мг/г, удельной поверхностью 1357 м²/кг - 11,16;

- пластифицирующая добавка: водный раствор поликарбоксилатного эфира «Glenium Асе 430» - 4,18;

- регулятор сроков схватывания: пластификатор «БЕСТ-СПл» на основе полиметиленнафталинсульфонатных олигомеров с алкильными гидрофобными заместителями в боковой цепи и неионогенными поверхностно-активными компонентами - 0,7;

- водная эмульсия октилтриэтоксисилана «Пента-818» - 0,28;

- молотый шунгит со степенью помола 62 м²/кг - 27,89.

3) Вода - до достижения водотвердого отношения, указанного в таблице 1.

Состав смеси в соответствии с прототипом, мас. %:

1) гипсовое вяжущее: полуводный гипс - 70;

2) модификатор с удельной поверхностью 750 м²/кг - 30,

при этом органоминеральный модификатор следующего состава, мас. %:

- гидравлическое вяжущее: портландцемент белый - 64;

- активный минеральный компонент:

а. микрокремнезем с удельной поверхностью 1500 м²/кг - 7,5;

б. кремнеземсодержащий компонент: молотый стеклобой с удельной поверхностью 950 м²/кг - 22,5;

- пластифицирующая добавка: гиперпластификатор на основе карбоксилатов - 5,0;

- замедлитель схватывания гипса: винная кислота техническая - 0,5;

- стабилизатор: эфир целлюлозы «Culminal» вязкостью 10000 МПа*с - 0,5.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава органоминерального модификатора и запредельного состава были проведены механические и радиозащитные испытания изготовленных образцов и образцов по прототипу, результаты которых приведены в таблице 1.

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что изделия на основе низкомарочного полуводного гипсового вяжущего с использованием предлагаемого органоминерального модификатора имеют предел прочности при сжатии на 9-22,7% выше по сравнению с изделиями по прототипу, при этом водостойкость увеличивается на 5,1-10,3%, радиозащитные свойства в диапазоне частоты 2,1 ГГц увеличиваются на 6-36%, в диапазоне частоты 2,45 ГГц - на 21-34%. Кроме того гипсовые смеси, приготавливаемые с применением данного модификатора, обладают самоуплотняющимися способностями, что позволяет применять полусухой метод производства изделий с литьевым способом их формования.

Применение в составе органоминерального модификатора шунгита со степенью помола менее 200 м²/кг не приводит к значительному увеличению радиозащитных свойств готовых изделий. Помол шунгита до степени более 300 м²/кг приводит к повышенным энергетическим затратам при производстве модификатора, увеличению водопотребности смеси и снижению физико-механических характеристик готовых изделий.

Изделия, полученные с применением предлагаемого органоминерального модификатора для гипсовых композиций и радиозащитных изделий на их основе, обладают высокими прочностными характеристиками, водостойкостью и радиозащитными свойствами, что значительно расширяет область их применения, в том числе для защиты от электромагнитных излучений.

Источники информации:

1. А.С. 2572432, С04В 11/00, С04В 24/24, Добавка для модификации гипсовых вяжущих, строительных растворов и бетонов на их основе, Ефимов П.А., Полещиков С.Н., патентообладатель: общество с ограниченной ответственностью фирма "ВЕФТ" (ООО фирма "ВЕФТ"), заяв. 09.09.2014, опубл. 01.01.2016, бюл. №1.

2. А.С. 2381191, С04В 24/00, С04В 11/30, С04В 28/14, С04В 111/20, Органоминеральный модификатор гипсовых вяжущих, строительных растворов, бетонов и изделий на их основе, Коровяков В.Ф., Ферронская А.В., патентообладатели: Овсянников Г.И., Коровяков В.Ф., заяв. 27.09.2008, опубл. 10.02.2010, бюл. №4.