Результат интеллектуальной деятельности: Способ модифицирования целлюлозосодержащего заполнителя легкого бетона

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно к изготовлению конструкционно-теплоизоляционных изделий и конструкций из легкого бетона - арболита с использованием отходов растительного сырья, а именно борщевика Сосновского в качестве заполнителя.

Известен способ подготовки древесного заполнителя для арболита, включающий замачивание и выдерживание древесного заполнителя в 20%-ном водном растворе золя кремнезема с размерами частиц 20-40 нм в течение 20 минут при температуре 20±2°С. В способе предусматривают использование древесного заполнителя из осиновых, березовых и смешанных пород (патент RU 2732164 С1, 14.09.2020, С04В 18/26, С04В 20/10).

Недостатком данного способа является продолжительное время обработки для насыщения древесного заполнителя.

Известен способ подготовки растительного сырья, например древесных опилок, для изготовления строительного материала, включающий размельчение растительного сырья, просеивание, очищение от примесей, обработку известковым молоком в течение 10-15 мин, сушку при температуре 90-105°С до остаточной влажности 6-9%, выдерживание высушенного растительного сырья в атмосфере углекислого газа в течение 18-24 ч при относительной влажности воздушной среды 80-90% с последующей промывкой его проточной водой (авторское свидетельство SU 270233 А1, 11.08.1970, С04В 18/26).

Недостатками этого способа является длительность и сложность процесса предварительной обработки древесного заполнителя, связанная с большим числом технологических операций.

Известен способ подготовки растительного сырья в виде древесных опилок для ксилолита, включающий просеивание, очистку от примесей (щепы, коры и т.п.), высушивание до влажности 3-4%, увлажнение высушенных древесных опилок водным раствором хлоридов металла, например магния, кальция, или водным раствором сульфатов металлов, например сернокислого магния, железного купороса, имеющих плотность в пределах 1,09-1,15 г/см³ (авторское свидетельство SU 216217 А1, 22.07.1968, С04В 18/26).

Недостатками данного способа модификации заполнителя являются высокое водопоглощение и горючесть заполнителя растительного происхождения.

Наиболее близким аналогом является способ модифицирования целлюлозосодержащего заполнителя из растительного сырья на основе борщевика Сосновского для легкого бетона - арболитовых блоков, включающий измельчение стеблей борщевика Сосновского на фрагменты длиной 15-20 мм, шириной около 10 и толщиной 2-3 мм, обработку до насыщения жидким модификатором - 15%-ным водным раствором гашеной извести Са(ОН)₂ в течение четырех суток с последующей сушкой (Мусихин П.В. и др., Арболитовые блоки из борщевика Сосновского, Сборник материалов, Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава Сыктывкарского лесного института по итогам научно-исследовательской работы в 2016 году, Сыктывкар, Сыктывкарский лесной институт, 20-28 февраля 2017 г., с. 356-358).

Недостатками данного способа являются высокое водопоглощение и горючесть целлюлозосодержащего заполнителя из растительного сырья на основе борщевика Сосновского, а также длительность его обработки.

Технический результат, положенный в основу заявляемого изобретения, состоит в снижении горючести и водопоглощения целлюлозосодержащего заполнителя - борщевика Сосновского - при сокращении времени его обработки, а также направлен на ресурсосбережение, улучшение экологии и прекращение засорения плодородных почв из-за колоссального распространения борщевика Сосновского на территории РФ.

Поставленный технический результат достигается способом модифицирования целлюлозосодержащего заполнителя легкого бетона из растительного сырья на основе борщевика Сосновского, включающем измельчение стеблей борщевика Сосновского и обработку их жидким модификатором, согласно изобретению, перед измельчением указанные стебли борщевика высушивают до влажности 2%, а измельчение осуществляют до размера 0,01-5 мм, после чего стебли помещают в вакуумную камеру и осуществляют вакуумирование при разряжении от 0,133 до 0,266 бар в течение 1-2 мин, затем осуществляют обработку в течение 1 мин жидким модификатором в виде водной суспензии, содержащей, мас. %: антипирен - полифосфат аммония 15,5, водорастворимый кремнийорганический гидрофобизатор "Аквасил" 1,3, дисперсный интеркалированный графит с размерами частиц от 0,01 до 1 мм 6,2, воду 77.

Полифосфат аммония представляет собой высокомолекулярную неорганическую соль, получаемую из фосфорной кислоты.

Кремнийорганический гидрофобизатор "Аквасил" представляет собой водный раствор на основе силикона и соды, выпускается в виде концентрата (ТУ 2229-003-60543126-2014).

Дисперсный интеркалированный графит представляет соединения графита, получаемые внедрением в межслоевое пространство кристаллической решетки графита молекул и ионов азотной или серной кислоты.

Пример 1

Стебли борщевика Сосновского высушивают до влажности 2% и измельчают в роторной дробилке до размера 0,01-5 мм. Измельченное сырье помещают в вакуумную камеру и подвергают вакуумированию при разряжении 0,133 бар в течение 1 мин. Далее приготавливают водную суспензию путем растворения в 77 мас.% воды 15,5 мас.% полифосфата аммония, 1,3 мас.% гидрофобизатора "Аквасила" и 6,2 мас.% дисперсного интеркалированного графита с размерами частиц от 0,01 до 1 мм. Для модификации заполнителя в вакуумную камеру вводят указанную выше водную суспензию и осуществляют обработку в течение 1 мин.

Пример 2

Стебли борщевика Сосновского высушивают до влажности 2% и измельчают в роторной дробилке до размера 0,01-5 мм. Измельченное сырье помещают в вакуумную камеру и подвергают вакуумированию при разряжении 0,266 бар в течение 2 мин. Далее приготавливают водную суспензию путем растворения в 77 мас.% воды 15,5 мас.% полифосфата аммония, 1,3 мас.% гидрофобизатора "Аквасила" и 6,2 мас.% дисперсного интеркалированного графита с размерами частиц от 0,01 до 1 мм. Для модификации заполнителя в вакуумную камеру вводят указанную выше водную суспензию и осуществляют обработку в течение 1 мин.

Для определения свойств арболита, изготовленного на основе модифицированного целлюлозосодержащего заполнителя на основе борщевика по предложенному способу, формовали образцы-кубы с размерами ребра 7 см при следующем расходе компонентов из расчета на 1 м³ формовочной смеси: вяжущее - портландцемент - 280 кг/м³, заполнитель - измельченный модифицированный борщевик Сосновского - 520 кг/м³, вода - 80 кг/м³. Твердение образцов осуществлялось в нормальных условиях при температуре 20°С и влажности воздуха 90% (ГОСТ 7473-2010). Испытания проводились через 28 суток твердения.

Результаты испытаний образцов арболита, изготовленных как на модифицированном измельченном борщевике по предложенному способу, так и на модифицированном измельченном борщевике по прототипу, приведены в таблице. В таблице приведены результаты получения образцов при различном разряжении и времени вакуумировании и обработки.

НГ - негорючий строительный материал;

Г1 - горючий строительный материал, температура дымовых газов не более 135°С, продолжительность самостоятельного горения 0 с, степень повреждения по массе не более 20%;

Г2 - горючий строительный материал, температура дымовых газов не более 235°С, продолжительность самостоятельного горения не более 30 с, степень повреждения по массе не более 50%;

Г3 - горючий строительный материал, температура дымовых газов не более 450°С, продолжительность самостоятельного горения не более 300 с, степень повреждения по массе не более 50%.

Примечание: время обработки для образцов 1-5 составляло 1 минуту. Образцы 5-7 изготавливались на заполнителе, не подвергавшемуся предварительному вакуумированию. Образец 1 - изготовлен по примеру 1, образец 4 - изготовлен по примеру 2.

Предварительное вакуумирование заполнителя при разряжении от 0,133 до 0,266 бар позволяет сократить время его обработки в водной суспензии.

При вакуумировании со значением ниже 0,133 бар не происходит проникновение дисперсного интеркалированного графита, входящего в состав водной суспензии жидкого модификатора, во внутренние поры заполнителя. Вакуумирование при значении разряжения свыше 0,266 бар не рационально вследствие прекращения роста эффективности насыщения заполнителя модифицирующими добавками.

Содержание полифосфата аммония в количестве менее 15,5 мас.% и содержании дисперсного интеркалированного графита в количестве менее 6,2 мас.% не обеспечивает минимального значения потери массы при горении, что снижает эффект от их введения. При содержании полифосфата аммония в количестве более 15,5 мас.% и содержании дисперсного интеркалированного графита в количестве более 6,2 мас.% не целесообразно, так как не приводит к существенному снижению горючести материала.

Содержание кремнийорганического гидрофобизатора "Аквасил" в количестве менее 1,3 мас.% не обеспечивает активное снижение водопоглощения, а при содержании кремнийорганического гидрофобизатора "Аквасил" в количестве выше 1,3 мас.% происходит значительное увеличение начала и окончания твердения материала, что негативно влияет на производительность при изготовлении изделий.

Предложенный способ модификации заполнителя позволяет снизить время обработки и получить заполнитель пониженной горючести и с низким водопоглощением, что обеспечивает изготовление легкого бетона - арболита с более плотной равномерной структурой, с улучшенными огнезащитными свойства и с более низким коэффициентом водопоглощения.