Способ приготовления смеси для аэрированного легкого бетона и аэросмеситель турбулентного действия

 

Использование: способы и устройства для приготовления легкого аэрорированного бетона. Сущность изобретения: способ включает перемешивание в турбулентном смесителе воды и воздухововлекающей добавки с кратностью пены более 30 л на 100 м³ добавки, например, оксиэтилированного алкилфенола ОП-7 до образования мелкоячеистой пены, перемешивание полученной пены с гидравлическим вяжущим, золой-унос ТЭЦ и мелкозернистым песком с последующим окончательным перемешиванием с легким заполнителем с насыпкой плотностью менее 300 кг/м³ в фракции с размером частиц менее 5 мм, например, вспученным вермикулитом. Перемешивание осуществляют в турбулентном смесителе с тремя системами лопастей, pасположенных - первая у дна, вторая - на уровне 1/3 - 2/5 и третья - на уровне 0,7 - 0,8 высоты барабана, при скорости 900 - 1100 об./мин, а окончательное перемешивание при скорости 100 - 200 об./мин, при следующем соотношении компонентов смеси, мас. ч.: вода 0,8, воздухововлекающая добавка 0,05 - 0,06, гидравлическое вяжущее 0,85 - 1, зола-унос ТЭЦ 0,4 - 0,5, мелкозернистый песок 2 - 2,5, легкий заполнитель 0,2 - 0,4.

Устройство содержит барабан с загрузочным и выгрузочным отверстиями, трубу, расположенную в центральной части барабана. Труба охватывает вал. На верхнем конце трубы установлен с возможностью вращения цилиндр с размещенными у дна барабана лопастями пропеллерного типа соответственно для перемешивания и пенообразования. Устройство содержит электродвигатель с пускателем, связанный с валом посредством шкива. Устройство снабжено дополнительными лопастями, смонтированными на цилиндре на расстоянии от днища барабана, равном 0,7 - 0,8 высоты барабана. Лопасти для перемешивания установлены на расстоянии днища барабана, равном 1/3 - 2/5 высоты барабана. Вал смонтирован с возможностью изменения скорости вращения, 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретения относятся к области производства строительных материалов и предназначены для изготовления стеновых камней и монолитного бетонирования стен домов, а также устройства "теплых" оснований полов под покрытие линолеумом и другими пластиковыми материалами.

Указанные объекты должны обладать необходимым пределом прочности при сжатии и в то же время достаточно невысокой плотностью массы при одновременном обеспечении высоких теплоизоляционных свойств, а также иметь ровную и гладкую поверхность.

Этим требованиям в известной мере удовлетворяют аэрированные легкие бетоны на основе цемента, содержащие также легкий заполнитель, мелкозернистый песок, воду и воздухововлекающую добавку.

Известны способы приготовления смесей для аэрированных легких бетонов, в которых осуществляют перемешивание указанные выше составляющих с специальных аэросмесителях турбулентного действия, имеющих высокие скорости перемешивания, при которых достигается равномерное вовлечение воздуха и распределение всех компонентов.

Так в способе приготовления аэрированных бетонных смесей [I] воду с воздухововлекающей добавкой с кратностью пены более 30 л на 100 м³, например, ОП-7 или НП-1, перемешивают в турбулентном смесителе в течение 1 мин до образования мелкоячеистой пены, затем вводят золу-унос, портландцемент, кварцевый песок и перемешивают вместе с пеной 1 1,5 мин, последним вводят вспученный вермикулит с насыпной плотностью менее 300 кг/м³ фракцией менее 5 мм, т всю массу перемешивают 1 мин.

При данном способе скорость перемешивания остается постоянной и составляет 1000 об./мин, в результате чего зерна вспученного вермикулита разрушаются, бетонная смесь уплотняется, что приводит к увеличению теплопроводности, а следовательно, к снижению теплозащитных свойств бетона (коэффициент теплоусвоения колеблется от 3,9 до 4,2 (Вт/м)·К). При этом полученная таким способом бетонная смесь хотя имеет частично высокие прочностные показатели от 5 до 8 МПа, обладает повышенным переуплотнением - 1250 1300 кг/м³.

Улучшение соотношения между характеристиками плотности и прочности бетонной смеси достигнуто в способе [2] при котором используется двухступенчатое перемешивание. При этом вначале перемешивают вяжущее, в качестве которого взят портландцемент, золу-унос, кварцевый песок, воду и воздухововлекающую добавку в скоростном турбулентном смесителе при скорости вращения 900 1100 об./мин в течение 2 3 мин, затем в полученную смесь вводят мелкий пористый заполнитель, в качестве которого используют вспученный патент при вращении вала 100 150 об.мин в течение 1 2 мин.

Полученные таким способом смеси имеют среднюю плотность на 15 25 ниже, поскольку зерна легкого заполнителя практически не разрушаются, и смесь не переуплотняется, повышаются теплоизоляционные свойства бетона. Однако достигнуть требуемого соотношения между прочностью при сжатии и плотностью все-таки не удается. Кроме того способ является чрезвычайно трудоемким, т. к. помимо аэросмесителя требуется применение растворомешалки. При этом использование скоростного турбулентного смесителя с двумя системами лопастей не обеспечивает качественного перемешивания смеси.

За прототип выбран способ, описанный в [I] Из вышесказанного следует, что в описанных способах приготовления бетонных смесей для перемешивания компонентов (в способе, описанном в [2] на первой стадии используют скоростные аэросмесители турбулентного действия.

Так в известном роторном смесителе СБ-138А (активатор) [3] в барабане емкостью 1500 л установлен вертикально закрепленный на валу лопастный ротор. Вал установлен в подшипниках для обеспечения его вращения. Компоненты подаются в смеситель сверху по патрубку в крышке барабана, а разгружается готовая смесь через затвор в нижней части барабана, управляемый пневмоцилиндром. Стенки барабана очищаются от налипших на них остатков смеси лопастями, подвешенными на шарнирах к крестовине. Во время смешения эти лопасти свободно плавают на поверхности, а по мере выхода смеси опускаются и очищают стенки. Вал ротора вращается со скоростью до 500 об./мин двигателем, связанным с валом приводом.

Этот смеситель не обеспечивает необходимой плотности смеси, так как в нем происходит разрушение зерен легкого заполнителя, кроме того сложность конструкции лопастей снижает надежность его использования.

Известна также более совершенная конструкция скоростного аэросмесителя турбулентного действия, выбранного за прототип, меньшей скорости, что удобно для транспортировки и монтировки вместе с растворомешалкой [2] который представляет собой барабан емкостью 80 л, в центре которого расположена вертикальная труба, которая охватывает вал, опирающийся на шарикоподшипник. На верхний конец вала надет подвижный цилиндр с тремя малыми пенообразующими лопастями, расположенными у дна барабана, и тремя большими смешивающими лопастями пpопеллерного типа, которые находятся на 1/3 высоты барабана. Смеситель приводится в действие электродвигателем, оборудованным пускателем. Электродвигатель связан с валом приводным шкивом, расположенным в нижней части барабана. Над вращающимся валом в центре смесителя установлен загрузочный конус, чтобы загружаемый материал падал на концы параллельных лопастей, а не на вал. Имеется также выгрузочное устройство. Этот аэросмеситель является модификацией аэросмесителя английской фирмы "АЭРОЦЕМ" (изготовитель трест 35 Главзапстроя). Скорость перемешиванием в нем 1000 об./мин. Большая скорость перемешивания позволяет диспергировать пузырьки воздуха, увеличить их количество за счет уменьшения размера пузырька и равномерно распределять в массе цементного раствора, создавая более толстые и более прочные оболочки вокруг пузырьков воздуха. по сравнению с обычными пенобетонами.

Известно, что из условий высокой степени гидростанции цемента является достижение достаточного уровня энергии адсорбции жидкой фазы на поверхности вяжущего, площади контакта жидкой фазы и вяжущего. Значительное трение частиц в таком смесителе, абразивное действие частиц песка на гидратационные оболочки цементных зерен повышают температуру дополнительную энергию активации. Имеет место "сдирание" гидратационных оболочек с поверхности зерен цемента за счет скорости частиц твердой фазы в турбулентном потоке, создаваемом второй системой лопастей пропеллерного типа. Все это способствует активации цемента и сокращению его расхода при достижении необходимой прочности легкого бетона. Но за счет частичного измельчения зерен легкого заполнителя смесь переуплотняется, и снижаются теплозащитные свойства получаемого бетона. Поэтому для исключения явления размолачивания частиц легкого заполнителя после перемешивания всех компонентов, кроме легкого заполнителя в описанном аэросмесителе турбулентного действия, эта смесь поступает в обычный растворосмеситель, например, С-317, куда вводят и легкий заполнитель, и где перемешивание осуществляется при вращении вала с меньшей скоростью (100 150 об./мин).

Таким образом, известные способы перемешивания при приготовлении бетона не только не обеспечивают необходимого соотношения между прочностью при сжатии и плотностью бетонной массы, но и представляют собой сложный технологический процесс, требующий значительного времени его проведения из-за наличия двух стадий перемешивания и необходимости предварительного прессования отходов в случае использования их в качестве легкого заполнителя. В значительной степени это обусловлено конструкцией используемого в способе скоростного аэросмесителя турбулентного действия.

Поэтому, помимо выбора необходимого количественного соотношения компонентов бетонной смеси в способе ее приготовления необходимо обеспечить упрощение технологии при одновременном обеспечении необходимого соотношения между прочностью при сжатии и плотностью массы бетона.

Данную задачу предлагается решить единым изобретательским замыслом, при котором предлагается определенное соотношение компонентов легкого аэрированного бетона, обеспечивающие образование необходимой поровой структуры бетонной смеси, что стало возможным благодаря выбору в способе предлагаемого соотношения воздухововлекающей добавки по отношению к вяжущему и использованию особо легкого заполнителя в фракции с частицами размером < 5 мм, а также осуществлению перемешивания компонентов в разработанном аэросмесителе турбулентного действия с тремя системами лопастей, расположенных на трех разных уровнях высоты барабана.

В силу этого способ приготовления смеси для аэрированного легкого бетона заключается в том, что осуществляют перемешивание в турбулентном смесителе воды и воздухововлекающей добавки с кратностью пены более 30 л на 100 м³ добавки, например, оксиэтилированного алкилфенола ОП-7 до образования мелкоячеистой пены, перемешивание полученной пены с гидравлическим вяжущим, золой унос ТЭЦ и мелкозернистым песком с последующим окончательным перемешиванием с легким заполнителем с насыпной плотностью менее 300 кг/м³ фракцией менее 5 мм, например, вспученным вермикулитом, и отличается тем, что перемешивание осуществляют в турбулентном смесителе, выполненном тремя системами лопастей, расположенных первая у дна, вторая - на уроне 1/3 2/5 и третья на уровне 0,7 0,8 высоты барабана, при скорости 900 1100 об./мин, а окончательное перемешивание при скорости 100 200 об./мин, при следующем соотношении компонентов смеси (в мас. ч): Вода 0,8 0,95, воздухововлекающая добавка 0,05 0,06, гидравлическое вяжущее 0,85 1, зола-унос 0,4 0,5, мелкозернистый песок 2 2,5, легкий заполнитель 0,2 0,4.

Аэросмеситель турбулентного действия, содержащий барабан с загрузочным и выгрузочным отверстиями, в центральной части которого расположена труба, охватывающая вал, на верхнем конце которой установлен с возможностью вращения цилиндр с размещенными у дна барабана лопастями пропеллерного типа соответственно для перемешивания и пенообразования и электродвигатель с пускателем, связанный с валом посредством шкива, отличается тем, что он снабжен дополнительными лопастями, смонтированными на цилиндре на расстоянии от днища барабана, равном 0,7 0,8 высоты барабана, а лопасти для перемешивания установлены на расстоянии от днища барабана, равном от 1/3 до 2/5 высоты барабана, причем вал смонтирован с возможностью изменения скорости вращения.

Указанное в способе соотношение компонентов смеси для приготовления легкого аэрированного бетона было получено в результате проведенного исследования по определению доли пор, сформированных при воздухововлечении: - технической пеной, полученной аэрированием при смешении воды и воздухововлекающей добавки, зернами легкого заполнителя; избыточной водой затворения, в общем объеме пор бетона при необходимых средней плотности ρ_o 900 1100 кг/м³ к прочности при сжатии R_cж 3,5 15 МПа.

Полученные результаты сведены в таблицу.

Далее, на основании полученных данных о поровой структуре бетона, обеспечивающей требуемые R_сж и ρ_o, был произведен расчет расхода компонентов, обеспечивающий поровую структуру заданного процентного состава. Любой объем высушенного до постоянной массы затвердевшего аэрированного легкого бетона, принятый за единицу, представляет собой сумму: I = V^п_в.з+V^п_л.з+V^п_пав+V^с_ц.к+V^а_п+V^а_л.з где V^g_в.з объем пор от воды затворения; V^g_л.з объем пор от легкого заполнителя; V^g_пав объем пор от аэрирования введения воздухововлекающей добавки; V^g_ц.к+V^f_п+V^f_л.з абсолютные объемы цементного камня, песка, легкого заполнителя соответственно.

Далее последовательно определялись: V^g_в.з+V^g_л.з+V^g_пав, а также объем твердой фазы V_тв.ф.. Анализ найденных объемов позволил перейти к определению доли пор, сформированных воздухововлечением (26,8 32,8 от суммарной пористости или 50 55 от общего объема пор в материале), доли пор, образованных в результате избыточного водозатворения (1/3 1/4 всего объема пор) и доли пор, сформированных легким заполнителем (17 20 всего объема пор). После этого был проведен расчет соотношения расходов компонентов, необходимых для получения требуемых R_сж и ρ_o при одновременном обеспечении теплоизоляционных свойств бетона.

В способе приготовления аэрированного легкого бетона вышеприведенные соотношения компонентов, а также использование предлагаемой конструкции аэросмесителя турбулентного действия с тремя системами лопастей, обеспечивающего возможность изменения скорости вращения вала при перемешивании, исключает необходимость перемешивания смеси в растворомешалке. Это упрощает технологию приготовления бетонной смеси. При этом перемешивание вначале на большой скорости воды и воздухововлекающей добавки, а затем уже введение легкого заполнителя и других компонентов и перемешивание их с полученной пеномассой при меньшей скорости не вызывает переуплотнения смеси. Снижение плотности смеси обеспечивается также использованием в способе заполнителя с насыпной плотностью < 300 кг/м³ и с размерами частиц < 5 мм. Действительно, при насыпной плотности более 300 кг/м³ сказывается трение частиц заполнителя, что приводит к увеличению средней плотности, а частицы легкого заполнителя размером < 5 мм действует абразивно и снижают пластичность получаемого бетона. Кроме того необходимое соотношение между прочностью при сжатии R_сж и средней пластичностью ρ_o бетонной смеси, обеспечиваемое в способе за счет образования большего количества пор, сформированных воздухововлечением, дает выбор воздухововлекающей добавки с кратностью пены > 30 л на 100 см³ воздухововлекающей добавки и увеличение ее количества до 0,2 0,3 от массы вяжущего вместо 0,15 0,2 в прототипе. При этом увеличение количества воздухововлекающей добавки и воды, а также предлагаемого способа перемешивания обеспечивает создание мелкоячеистой массы бетона, смесь получается подвижная, литая, что исключает, в том числе, например, необходимость предварительного прессования органических отходов при их использовании в качестве легкого заполнителя.

Конструкция аэросмесителя турбулентного действия не только позволяет отказаться от использования растворомешалки, поскольку в нем предусмотрена возможность изменения скорости перемешивания, но и исключить возникновение абразивной нагрузки и стирание лопастей двух нижних систем, т. к. третья система лопастей, расположенная над жидкой фазой, служит своеобразным вентилятором, разгоняющим массу при ее загрузке, не давая ей сразу упасть на две другие системы лопастей. Эксперименты показатели, что при наличии третьей системы лопастей верхней вторая система лопастей пропеллерного типа может располагаться на уровне от 1/3 до 2/5 высоты барабана, обеспечивая необходимое вовлечение воздуха в смесь из пространства. Возможность изменения скорости вращения вала, приводящая к упрощению технологии приготовления аэрированного легкого бетона, может быть обеспечена, например, путем изменения параметров редукторов электродвигателя или использованием приводных шкивов с различным передаточным числом.

На фиг. 1 приведена схема аэросмесителя турбулентного действия.

Смеситель содержит барабан 1, емкость которого может быть от 80 до 1500 л, в центре которого расположена вертикальная труба, которая охватывает вал 2, выполненный с возможностью вращения, например, опираясь на шаpикоподшипники. На верхний конец вала надет подвижный цилиндр 3 с укрепленными на нем системой 4 пенообразующих лопастей, расположенных у дна барабана, системой 5 лопастей пропеллерного типа, которая устанавливается на уровне 1/3 2/5 высоты барабана, с системой 6 лопастей, установленной в верхней части барабана таким образом, чтобы ее касаться уровня жидкой фазы, не погружаться в нее, т. е. на уровне 0,7 0,8 высоты барабана. Смеситель содержит также электродвигатель 7, снабженный пускателем, связанный с валом 2 приводным шкивом 8. Причем возможность изменения скорости вращения вала 2 может осуществляться, например, использованием шкивов с различным передаточным числом или иным другим способом. Барабан 1 имеет загрузочное отверстие 9 и выгрузочное отверстие 10, место расположения которых и конструкция не имеют принципиального значения.

Приготовление аэрированной легкой бетонной смеси в этом смесителе осуществляется следующим образом.

Через загрузочное отверстие 9 в барабан 1 заливается вода в количестве 0,8 0,95 мас. ч. с воздухововлекающей добавкой в количестве 0,2 0,3 от массы используемого в способе вяжущего, в качестве которой наиболее экономичным является применение оксиэтилированного алкифенола ОП-7, который содержит около 100 активного вещества и обеспечивает высокую кратность пены. С помощью пускателя электродвигатель 7 приводится в рабочее состояние и вместе с приводным шкивом 8 приводит во вращение вал 2 со скоростью 900 1100 об./мин. При этом происходит перемешивание воды и воздухововлекающей добавки до образования мелкоячеистой пены. Вовлечение воздуха в смесь из пространства над ее поверхностью происходит вследствие образования воздушных коверн системами лопастей смесителя. Большая скорость перемешивания позволяет диспергировать пузырьки воздуха и увеличить их количество за счет уменьшения размера пузырьков. Затем вводят гидравлическое вяжущее, в качестве которого могут быть использованы портландцемент, пуццолановый цемент, глиноземистый цемент. Использование гидравлического вяжущего обеспечивает твердение во влажных и сухих условиях. Кроме того вводят зольный накопитель, например, золу-унос ТЭЦ (для сокращения расхода цемента и как пластифицирующую добавку), мелкозернистый песок (для снижения усадки благодаря армирующему действию, создающему жесткий каменный скелет) и легкий заполнитель с насыпной плотностью < 300 кг/м³ в фракции с размером частиц < 5 мм. В качестве такого легкого заполнителя можно использовать вспученный перлит, вермикулит или органические отходы. А перемешивание всех компонентов далее проводят при скорости 100 200 об. /мин. При этом при загрузке третья дополнительная система лопастей 6 в верхней части барабана 1 предотвращает падение сухой массы на две другие системы лопастей 4 и 5, защищая их от возникновения абразивной нагрузки и стирания, а также предотвращает разбрасывание смеси в углы барабана, в результате чего не происходит нарушения теплофизических процессов приготовления смеси, а также уменьшения объема материала на выходе. Процессы, происходящие в барабане 1 смесителя, содержащего три системы лопастей, находящихся на разных уровнях высоты барабана 1, схематически показаны на фиг. 2, где на позиции а) представлены процессы, происходящие при перемешивании и обусловленные работой нижней системы 4 пенообразующих лопастей, расположенной у дна барабана 1, на позиции б) представлены процессы, происходящие при перемешивании и обусловленные действием системы 4 пенообразующих лопастей и системы 5 смешивающих лопастей пропеллерного типа, на позиции в) представлены процессы, происходящие при перемешивании и обусловленные действием системы 4 пенообразующих лопастей, системы 5 смешивающих лопастей пропеллерного типа и системы 6 лопастей, установленной в верхней части барабана 1.

В результате приготовленная бетонная смесь в таком смесителе за счет абразивного действия природного песка (содержащего 80 95 SiO₂), турбулентного движения частиц, неодинаковой угловой скорости их движения и создания мелкопористой структуры, получается высокопластичная (высокоподвижная) смесь t 30 33^oC, которая самотеком заливается в форму-опалубку, быстро схватывается. Поэтому форма рамки, формирующей стеновые камни из аэрированного бетона (СКАБ) дает возможность снимать готовый продукт с поддона несколько раз в смену. Это значительно снижает металлоемкость формы. Заливка в форму из смесителя производится через выгрузочное отверстие 10. Подготовленные стеновые камни из приготовленного предлагаемым способом бетона в дальнейшем проходят термическую обработку режим пропаривания, при котором в течение 3-х ч осуществляется подъем до 80 100^oC, затем осуществляется выдержка в течение 6-ти ч при этой температуре, после чего в течение 3-х ч производят постепенное снижение до 0^oC. Весь процесс занимает 10 12 ч. Полученные таким способом камни легко поддаются фрезерованию, гвоздятся, пилятся, имеют гладкую поверхность, которая не требует штукатурки, и после шпаклевки поверхность готова к покраске. Наиболее оптимальные размеры получаемых изделий: 190 х 190 х 390 мм и 190 х 240 х 500 мм с технологическими пустотами и без них.

Формула изобретения

1. Способ приготовления смеси для аэрированного легкого бетона, включающий перемешивание в турбулентном смесителе воды и воздухововлекающей добавки с кратностью пены более 30 л на 100 м³ добавки, например, оксиэтилированного алкилфенола ОП-7, до образования мелкоячеистой пены, перемешивание полученной пены с гидравлическим вяжущим, золой-унос ТЭЦ и мелкозернистым песком с последующим окончательным перемешиванием с легким заполнителем с насыпной плотностью менее 300 кг/м³ фракции менее 5 мм, например вспученным вермикулитом, отличающийся тем, что перемешивание осуществляют в турбулентном смесителе, выполненном с тремя системами лопастей, расположенных первая у дна, вторая на уровне 1/3 2/5 и третья на уровне 0,7 0,8 высоты барабана, при скорости 900 1100 об/мин, а окончательное перемешивание при скорости 100 200 об/мин при следующем соотношении компонентов смеси, мас.ч.

Вода 0,8 0,95
Воздухововлекающая добавка 0,05 0,06
Гидравлическое вяжущее 0,85 1
Зола-унос ТЭЦ 0,4 0,5
Мелкозернистый песок 2 2,5
Легкий заполнитель 0,2 0,4
2. Аэросмеситель турбулентного действия, содержащий барабан с загрузочным и выгрузочным отверстиями, в центральной части которого расположена труба, охватывающая вал, на верхнем конце которой установлен с возможностью вращения цилиндр с размещенными у дна барабана лопастями пропеллерного типа соответственно для перемешивания и пенообразования, и электродвигатель с пускателем, связанный с валом посредством шкива, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными лопастями, смонтированными на цилиндре на расстоянии от днища барабана, равном 0,7 0,8 высоты барабана, лопасти для перемешивания установлены на расстоянии от днища барабана, равном 1/3 2/5 высоты барабана, причем вал смонтирован с возможностью изменения скорости вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3