Теплоизоляционный строительный материал и способ его получения
Теплоизоляционный строительный материал содержит минеральное связующее и наполнитель в виде замкнутых негорючих полых микросфер размером 15-100 мкм с нулевым водопоглощением со средним размером 50 мкм и с насыпной плотностью 0,35-0,45 г/см3, а также воду, причем минеральное связующее и наполнитель содержатся в количестве 34-38 и 16-20, соответственно, процентов к массе материала, а вода - остальное. Охарактеризован также способ получения теплоизоляционного материала. Технический результат: снижение расслаиваемости смеси, водопоглощения и теплопроводности получаемого материала, повышение его прочности при снижении удельного веса и морозостойкости, обеспечение экологической чистоты и негорючести получаемого материала, снижение себестоимости с одновременным расширением диапазона применения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы.
Заявляемая группа изобретений относится к области строительства, в частности к производству ненесущих внешних стен и перегородок, и предназначена для применения в строительстве как в качестве конструкционного теплоизоляционного бетона, так и в качестве штукатурного и фасадного теплоизоляционного раствора.
Современное монолитное домостроение ведется по принципу литья конструкционных бетонов в опалубку. В тоже время конструкционные теплоизоляционные части строений (например, внешние стены), как правило, возводятся из доставляемых отдельно готовых материалов. Это приводит к удлинению технологического цикла, сроков работ и, как результат, удорожанию строительства.
Известны конструкционные теплоизоляционные материалы керамзитобетон и пенобетон.
Достаточно крупный по размеру и легкий наполнитель керамзит проявляет сильный флотационный эффект как при заливке в опалубку, так при последующем виброуплотнении, что приводит к градиенту свойств по высоте.
Принципиальным же свойством пенобетонов является структура их строения - открытые поры. Для структур с открытыми (сообщающимися) порами характерно высокое водопоглощение и, как результат, резкое падение теплоизоляционных характеристик, низкая морозостойкость. К общим недостаткам данных материалов следует отнести достаточно низкую прочность на сжатие 15-20 кг/см3, что сильно ограничивает их применение в качестве конструкционных.
Показатели пенобетона: плотность 0,6 г/см3, коэффициент теплопроводности 0,19 Вт/м°С, предел прочности при сжатии 15 кгс/см2, морозостойкость - 10 циклов.
Известны сырьевые смеси для изготовления теплоизоляционного материала (заявка RU №94011774/04), а также для изготовления строительных изделий (патент RU №2200138), содержащие зольные алюмосиликатные микросферы. Известен способ изготовления пеносиликатного теплоизоляционного материала (заявка RU №97102578/03) с применением полых стеклянных микросфер и микросфер золы-уноса тепловых электростанций.
Недостатком этих материалов и способов является обязательная стадия термообработки или обжига составов при температурах от 200°С до 950°С, что делает невозможным изготовление строительных изделий по стандартным технологиям для растворов и бетонов. Полые зольные микросферы золы-уноса каменноугольных ТЭЦ неизбежно включают в себя много микросфер с нарушенной (незамкнутой) оболочкой, что не позволяет обеспечить влагозащищенность и равномерность свойств материала по всему объему.
Известен также теплоизоляционный строительный материал и способ его получения (патент RU №2086516). Теплоизоляционный материал включает гидрофобное связующее, преимущественно битум, и наполнитель, в качестве которого берут полые зольные микросферы в соотношении 5-10 к 90-95 объемных % частей соответственно.
Недостатком этого материала является низкий предел прочности при сжатии, равный 7,18 кгс/см 3, сложность процесса смешивания, что делает невозможным его применение в качестве конструкционного материала, а также низкая влагозащищенность и неравномерность свойств материала по всему объему.
Наиболее близким к заявляемым теплоизоляционному материалу и способу является сырьевая смесь для изготовления легкого бетона (заявка RU №93052682/33). Сырьевая смесь для изготовления легкого бетона содержит минеральное вяжущее 33-61%; алюмосиликатные микросферы 30-50; смолу воздухововлекующую пековую 0,1-0,2 и вода - остальное.
Недостатками этого материала также являются низкий предел прочности при сжатии, равный 7,18 кгс/см 3, что делает невозможным его применение в качестве конструкционного материала, а также низкая влагозащищенность и неравномерность свойств материала по всему объему, слабая доступность применяемого в нем минерального вяжущего ввиду отсутствия его промышленного производства. Как и все известные способы и материалы на базе микросфер, он требует неординарного для полевых условий оборудования, т.е. невоспроизводим в условиях обычного строительства.
Технической задачей изобретения является создание эффективных конструкционного теплоизоляционного материала и способа его получения, а также расширение арсенала теплоизоляционных материалов и способов его получения.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в том, что обеспечены низкое водопоглощение, низкая расслаиваемость, низкая теплопроводность, высокая прочность и низкий удельный вес получаемого материала, экологическая чистота, высокая морозостойкость и негорючесть, снижение его себестоимости благодаря выполнению из доступных технологически совместимых компонентов и простоте получения смеси, с одновременным расширением диапазона применения для использования в монолитном домостроении, например для конструкционно-теплоизоляционных строительных изделий, в частности в качестве конструкционно-теплоизоляционного бетона для ненесущих внешних стен, а также штукатурного и фасадного теплоизоляционных растворов, используемых в климатических условиях, характеризующихся большим разбросом температуры и влажности воздуха. Обеспечивается возможность производить построение теплового контура, как и ненесущих внутренних перегородок, единым циклом в момент заливки основной конструкции путем подачи в опалубку данного (т.е. того же) конструкционного теплоизоляционного материала тем же оборудованием. Обеспечивается возможность создания замкнутых, практически безотходных производств вблизи ТЭЦ.
Сущность изобретения в части теплоизоляционного строительного материала состоит в том, что он содержит минеральное связующее и наполнитель в виде замкнутых негорючих полых микросфер размером 15-100 мкм с нулевым водопоглощением, а также воду, причем минеральное связующее и наполнитель содержатся в количестве 34-38 и 16-20, соответственно, процентов к массе материала, а вода - остальное.
В качестве наполнителя он содержит полые микросферы из группы: стеклянные микросферы, зольные микросферы, например флотационно-сепарированные алюмосиликатные зольные микросферы. При этом в качестве наполнителя он содержит полые микросферы со средним размером 50 мкм и с насыпной плотностью 0,35-0,45 г/см3, в частных случаях в качестве минерального связующего он содержит, например, портландцемент, а дополнительно может содержать поверхностно-активное вещество в количестве 0,1-2 процента к массе воды.
Сущность изобретения в части способа получения теплоизоляционного строительного материала состоит в том, что способ включает перемешивание с водой минерального связующего и наполнителя в виде замкнутых негорючих полых микросфер размером 15-100 мкм с нулевым водопоглощением, взятых в количестве 34-38 и 16-20, соответственно, процентов к массе материала, а вода - остальное, причем перемешивание осуществляют в течение 15-20 мин до достижения однородного состава смеси, с последующим литьем в опалубку.
В качестве наполнителя берут полые микросферы со средним размером 50 мкм и насыпной плотностью 0,35-0,45 г/см3, из группы: стеклянные микросферы, зольные микросферы, в качестве минерального связующего в частных случаях берут, например, портландцемент, а при литье в опалубку добавляют поверхностно-активное вещество в количестве 0,1-2 процента к массе воды.
Изобретения реализуются следующим образом.
Готовится необходимое количество минерального связующего, предпочтительно портландцемента, и наполнителя в виде замкнутых негорючих полых микросфер размером 15-100 мкм с нулевым водопоглощением. Связующее и наполнитель берутся в количестве 34-38 и 16-20, соответственно, процентов к массе материала. Вода берется до полной массы материала. Перемешивание связующего, наполнителя и воды осуществляют механически общепринятыми в строительстве способами в течение 15-20 мин до достижения однородного состава смеси. Смесь заливается в форму (опалубку). При литье в опалубку возможно добавление поверхностно-активного вещества (ПАВ) в количестве 0,1-2 процента к массе воды.
В качестве наполнителя берут полые микросферы со средним размером 50 мкм и насыпной плотностью 0,35-0,45 г/см3 из группы: стеклянные микросферы, зольные микросферы.
Обычно под термином «полые зольные микросферы» понимают неочищенную часть золы-уноса каменноугольных ТЭЦ, которая включает в себя также и «микросферы» с нарушенной (незамкнутой) оболочкой.
Флотационно-сепарированные зольные микросферы последних не содержат, а отделяются в процессе сепарации, поскольку являются замкнутыми негорючими полыми микросферами с нулевым водопоглощением. Поэтому следует отличать применение в составах микросферной золы ТЭЦ, что широко используется в известных тампонажных растворах, и флотационно-сепарированных зольных микросфер. В заявляемой группе изобретений применяются последние, т.к. именно они являются замкнутыми негорючими полыми микросферами с нулевым водопоглощением и размером 15-100 мкм.
Примеры выполнения теплоизоляционного материала и реализации способа его получения.
Пример 1.
На 1 тонну материала взяты портландцемент (минеральное связующее) и наполнитель в виде замкнутых негорючих полых флотационно-сепарированных алюмосиликатных зольных микросфер с нулевым водопоглощением, средним размером (диаметр) 50 мкм, преимущественно 15-65 мкм, и насыпной (кажущейся) плотностью 0,41 г/см3. Портландцемент и наполнитель содержатся в количестве 340 кг и 200 кг, соответственно, т.е. 34 и 20 процентов к массе материала. Добавлена вода до общей массы материала 1000 кг. Смешивание производилось в ротационном смесителе барабанного типа. Условия смешения применялись утвержденные для приготовления портландцементных растворов.
Перемешивание осуществлялось в течение 15 минут до достижения однородной массы, которая заливалась в опалубку (форму).
Конкретное время перемешивания зависит от исходного материала и определяется объемом и степенью наполненности смесителей или реакторов, применяемых в данной области техники. Полученная смесь выдерживалась в форме в течение 28 дней, серии образцов подвергались испытаниям, а результаты усреднялись.
При этом были достигнуты следующие показатели полученного материала: плотность 0,88 г/см3, коэффициент теплопроводности 0,18 Вт/м°С, предел прочности при сжатии 32 кгс/см2, морозостойкость - 50 циклов.
Пример 2.
Для увеличения подвижности смеси, полученной в соответствии с примером 1, при литье материала в опалубку добавляют ПАВ, например этоксилированный тетраметилдециндиол, в количестве 9,2 кг, т.е. 2 процента к массе воды.
Пример 3.
На 1 тонну материала взяты гипс полуводный (минеральное связующее) и наполнитель в виде замкнутых негорючих полых флотационно-сепарированных алюмосиликатных зольных микросфер с нулевым водопоглощением, средним размером (диаметр) 50 мкм, преимущественно 15-65 мкм, и насыпной (кажущейся) плотностью 0,45 г/см3. Гипс полуводный и наполнитель содержатся в количестве 380 кг и 160 кг, соответственно, т.е. 38 и 16 процентов к массе материала. Раствор ПАВ, например этоксилированного тетраметилдециндиола, добавлен до общей массы материала 1000 кг. Смешивание производилось в ротационном смесителе барабанного типа в два этапа.
1.Смешение порошков гипса и микросфер в течение 60 минут.
2. В полученную смесь добавлялось расчетное количество раствора ПАВ и перемешивалось в течение 5 минут.
Полученная смесь выдерживалась в форме в течение 28 дней, серии образцов подвергались испытаниям, а результаты усреднялись.
При этом были достигнуты следующие показатели полученного материала: плотность 0,94 г/см3, коэффициент теплопроводности 0,19 Вт/м°С, предел прочности при сжатии 35 кгс/см2, морозостойкость - 40 циклов.
Пример 4.
На 1 тонну материала взяты магнийаммонийфосфат (минеральное связующее) и наполнитель в виде замкнутых негорючих полых флотационно-сепарированных алюмосиликатных зольных микросфер с нулевым водопоглощением, средним размером (диаметр) 50 мкм, преимущественно 15-65 мкм, и насыпной (кажущейся) плотностью 0,41 г/см3. Магнийаммонийфосфат и наполнитель содержатся в количестве 350 кг и 190 кг, соответственно, т.е. 35 и 19 процентов к массе материала. Раствор ПАВ, например этоксилированного тетраметилдециндиола, добавлен до общей массы материала 1000 кг. Смешивание производилось в ротационном смесителе барабанного типа в два этапа.
1.Смешение порошков магнийаммонийфосфата и микросфер в течение 60 минут.
2. В полученную смесь добавлялось расчетное количество раствора ПАВ и перемешивалось в течение 5 минут.
Полученная смесь выдерживалась в форме в течение 28 дней, серии образцов подвергались испытаниям, а результаты усреднялись.
При этом были достигнуты следующие показатели полученного материала: плотность 0,95 г/см3, коэффициент теплопроводности 0,19 Вт/°мС, предел прочности при сжатии 39 кгс/см2, морозостойкость - 40 циклов.
Пример 5.
На 1 тонну материала взяты просеянный портландцемент (минеральное связующее) и наполнитель в виде замкнутых негорючих полых высушенных стеклянных микросфер с нулевым водопоглощением, средним размером (диаметр) 50 мкм, преимущественно 30-90 мкм, и насыпной (кажущейся) плотностью 0,37 г/см3. Портландцемент и наполнитель содержатся в количестве 380 кг и 160 кг, соответственно, т.е. 38 и 16 процентов к массе материала. Добавлена вода до общей массы материала 1000 кг. Смешивание производилось в ротационном смесителе барабанного типа. Условия смешения применялись утвержденные для приготовления портландцементных растворов.
Перемешивание осуществлялось в течение 20 минут до достижения однородной массы, которая заливалась в опалубку (форму).
Полученная смесь выдерживалась в форме в течение 28 дней, серии образцов подвергались испытаниям, а результаты усреднялись.
При этом были достигнуты следующие показатели полученного материала: плотность 0,89 г/см3, коэффициент теплопроводности 0,17 Вт/м°С, предел прочности при сжатии 32,5 кгс/см2, морозостойкость - 60 циклов.
Пример 6.
Для увеличения подвижности смеси, полученной в соответствии с примером 3, при литье материала в опалубку добавляют ПАВ, например этоксилированный тетраметилдециндиол, в количестве 0,46 кг, т.е. 0,1 процента к массе воды.
Таким образом, созданы эффективный конструкционный теплоизоляционный материал и способ его получения, а также расширен арсенал теплоизоляционных материалов и способов его получения.
При этом обеспечены низкое водопоглощение, низкая расслаиваемость, низкая теплопроводность, высокая прочность и низкий удельный вес получаемого материала, экологическая чистота, высокая морозостойкость и негорючесть, снижение его себестоимости благодаря выполнению из доступных технологически совместимых компонентов и простоте получения смеси, с одновременным расширением диапазона применения для использования в монолитном домостроении, например для конструкционно-теплоизоляционных строительных изделий, в частности в качестве конструкционно-теплоизоляционного бетона для ненесущих внешних стен, а также штукатурного и фасадного теплоизоляционных растворов, используемых в климатических условиях, характеризующихся большим разбросом температуры и влажности воздуха. Обеспечивается возможность производить построение теплового контура, как и ненесущих внутренних перегородок, единым циклом в момент заливки основной конструкции путем подачи в опалубку данного (т.е. того же) конструкционного теплоизоляционного материала тем же оборудованием. Обеспечивается возможность создания замкнутых, практически безотходных производств вблизи ТЭЦ.
1. Теплоизоляционный строительный материал, содержащий минеральное связующее и наполнитель в виде замкнутых негорючих полых микросфер размером 15-100 мкм с нулевым водопоглощением, со средним размером 50 мкм и с насыпной плотностью 0,35-0,45 г/см3, а также воду, причем минеральное связующее и наполнитель содержатся в количестве 34-38 и 16-20% соответственно к массе материала, а вода - остальное.
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит полые микросферы из группы стеклянные микросферы, зольные микросферы.
3. Материал по п.2, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит флотационно сепарированные алюмосиликатные зольные микросферы.
4. Материал по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве минерального связующего он содержит портландцемент.
5. Материал по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит поверхностно активное вещество в количестве 0,1-2% к массе воды.
6. Способ получения теплоизоляционного строительного материала, включающий перемешивание с водой минерального связующего и наполнителя в виде замкнутых негорючих полых микросфер размером 15-100 мкм с нулевым водопоглощением, со средним размером 50 мкм и насыпной плотностью 0,35-0,45 г/см3, взятых в количестве 34-38 и 16-20% соответственно к массе материала, а вода - остальное, причем перемешивание осуществляют в течение 15-20 мин до достижения однородного состава смеси с последующим литьем в опалубку.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве наполнителя берут полые микросферы из группы стеклянные микросферы, зольные микросферы.
8. Способ по любому из пп.6 и 7, отличающийся тем, что в качестве минерального связующего берут портландцемент.
9. Способ по любому из пп.7 и 8, отличающийся тем, что при литье в опалубку добавляют поверхностно-активное вещество в количестве 0,1-2% к массе воды.
