Сырьевая смесь для изготовления легкого бетона

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к легким бетонам, и может быть использовано в строительстве и в промышленности строительных материалов, а также для устройства монолитных теплоизоляционных полов, кровель. Техническим результатом является повышение прочности полистиролбетона, снижение его средней плотности и повышение эксплуатационных свойств конструкций и изделий из полистиролбетона. Сырьевая смесь для изготовления легкого бетона содержит, мас.%: цемент 61,50-62,30, пенополистирол 5,8, смолу нейтрализованную воздухововлекающую SDO 0,15, никельсодержащий шлам 3,0-5,0, воду остальное и получена смешением гранул пенополистирола, воды и никельсодержащего шлама с последующим введением при перемешивании цемента, затем раствора указанной смолы. 1 табл.

 

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к легким бетонам, и может быть использовано в строительстве и в промышленности строительных материалов, а также для устройства монолитных теплоизоляционных полов, кровель.

Известны: сырьевая смесь для изготовления легкого бетона (RU 2255920) на основе цемента, золы-уноса ТЭС, гранулированного пеностекла, которая имеет пониженную прочность, что влечет за собой усложнение технологии изготовления; сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционного материала (SU 1208755A) на основе жидкого стекла, кремнефтористого натрия, волокнистого асбеста, гранул полистирола и кристаллического кремния, недостатком которой является многокомпонентность и сложность изготовления, которая состоит из обработки в термошкафу и дополнительного высушивания материала, а также пониженная прочность и повышенное водопоглощение.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому техническому решению является сырьевая смесь для легкого бетона (SU 1680674), содержащая, мас.%: цемент - 71,39-71,42; пенополистирол - 4,23; смола нейтрализованная воздухововлекающая (SDO) - 0,08; натриевая соль полиэтиленполиаминополиметилфосфоновой кислоты (ПАФ) - 0,01-0,05; вода - остальное.

Недостатком известной смеси является повышенная средняя плотность и малая прочность при сжатии, повышенный расход цемента.

Задачей изобретения является повышение прочности полистиролбетона, снижение его средней плотности и повышение эксплуатационных свойств конструкций и изделий из полистиролбетона.

Указанные задачи достигаются тем, что сырьевая смесь для изготовления легкого бетона, содержащая цемент, гранулы пенополистирола, нейтрализованную воздухововлекающую смолу SDO и воду, согласно изобретению содержит никельсодержащий шлам при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- цемент - 61,50-62,30;

- пенополистирол - 5,8;

- указанная смола -0,15;

- никельсодержащий шлам - 3,0-5,0;

- вода - остальное,

и получена смешением гранул пенополистирола, воды и никельсодержащего шлама, с последующим введением при перемешивании цемента, затем раствора указанной смолы.

При осуществлении изобретения использовали следующие компоненты:

- портландцемент марки М400 Д20 (г.Топки, Кемеровская область);

- вспененный пенополистирол фракции 0-10 мм с насыпной плотностью 10-15 кг/м³ следующего гранулометрического состава: фр. 0-5 мм - 30-40% по объему, фр. 5-10 мм - 70-60%;

- смола нейтрализованная воздухововлекающая SDO, отвечающая требованиям ТУ-2453-013-10644738-00;

- никельсодержащий шлам - отход производства капролактама, представляющий собой тонкодисперсный порошок черного цвета с удельной поверхностью 3000-3500 см²/г, истиной плотностью 3,5-3,7 г/см³, средней плотностью 2,5-2,7 г/см³. Шлам содержит оксида никеля - 92-93%, оксида алюминия - 5-6%, нерастворимого остатка - 2-3%, прокаленного остатка 85%, рН водной вытяжки 8-9.

Для решения рецептурно-технологических задач получения полистирола использовали вероятностно-статистические, в том числе математические методы планирования и обработки эксперимента.

Введение никельсодержащего шлама в цементную композицию позволяет интенсифицировать процесс гидратации цемента, особенно в начальные сроки твердения, при этом период формирования структуры ускоряется на 32-38%. Высокая удельная поверхность никельсодержащего шлама позволяет ему распределиться по поверхности гранул полистирола в виде тонкого мономолекулярного слоя и способствует дезагломерации пузырьков воздуха от воздействия воздухововлекающей смолы. Следствием этого является повышение вспучивающей способности SDO и более равномерное распределение последней в бетонной смеси, за счет чего снижается плотность бетона и достигается более высокое качество макро-, и микропористости структуры полистиролбетона. Гидроксид кальция, выделяющийся при гидратации трехкальциевого силиката цемента, способствует хемосорбционному взаимодействию гранул полистиролбетона с цементным камнем, что приводит к повышению прочности полистиролбетона без увеличения его средней плотности.

Сырьевая смесь для легкого бетона в качестве модифицирующей добавки содержит никельсодержащий шлам при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

- цемент - 61,50-62,30;

- пенополистирол - 5,8;

- смола нейтрализованная воздухововлекающая SDO - 0,15;

- никельсодержащий шлам - 3,0-5,0;

- вода - остальное.

Для экспериментальной проверки заявляемой смеси для изготовления легкого бетона ее готовили в смесителе принудительного действия с горизонтально расположенными лопастями. Сначала в смеситель подавали отдозированный вспененный полистирол с 1/3 частью воды затворения, смешанный с никельсодержащим шламом, и перемешивали в течение 30 с. После этого в смеситель подавали отдозированный цемент и смесь перемешивали еще 30 с, затем подавали рабочий раствор воздухововлекающей добавки с остатком воды затворения. Смесь перемешивали еще не менее 1 минуты до получения слитной поризованной структуры.

Предварительное смешивание гранул пенополистирола с частью воды затворения проводили для снятия с гранул пенополистирола статического электричества. При этом вводимый никельсодержащий шлам равномерно распределялся во всем объеме смеси. Затем вводили цемент, и его частицы при перемешивании равномерно обволакивали влажные гранулы пенополистирола, создавая однородную смесь, которую окончательно затворяли оставшейся водой с добавкой воздухововлекающей смолы.

Определение реологических и физико-механических свойств производили по известным методикам. Для определения прочностных характеристик формовали образцы-кубы с размером ребер 10 см и балочки 10×10×30 см. Образцы испытывали после затвердевания при температуре 20°±2°С в течение 28 суток.

Пример 1.

Гранулы полистирола смешивали с частью воды затворения, смешанной с никельсодержащим шламом, затем добавляли цемент и смесь еще перемешивали, далее подавали раствор воздухововлекающей добавки с оставшейся водой затворения и перемешивали окончательно. Соотношение входящих компонентов следующее, мас.%:

- цемент - 61,50;

- пенополистирол - 5,80;

- смола нейтрализованная воздухововлекающая SDO - 0,15;

- никельсодержащий шлам - 3,0;

- вода - 29,55.

Физико-механические свойства полученного материала следующие: средняя плотность - 300 кг/м³, разрушающие напряжения при сжатии - 2,3 МПа, разрушающие напряжения при изгибе - 1,7 МПа, водопоглощение - 3,3 мас.%, коэффициент теплопроводности - 0,08 Вт/м·К, морозостойкость - 37 циклов, потеря массы в огневой трубе - 12-15%.

Пример 2.

Сырьевую смесь готовили также как и в примере 1 при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

- цемент - 61,80;

- пенополистирол - 5,80;

- смола нейтрализованная воздухововлекающая SDO - 0,15;

- никельсодержащий шлам - 3,5;

- вода - 28,75.

Свойства полученного материала следующие: средняя плотность -310 кг/м³, разрушающие напряжения при сжатии - 2,2 МПа, разрушающие напряжения при изгибе - 1,2 МПа, водопоглощение - 3,3 мас.%, коэффициент теплопроводности - 0,08 Вт/м·К, морозостойкость - 37 циклов, потеря массы в огневой трубе - 12-15%.

Пример 3.

Отдозированные гранулы вспененного полистирола смешивали с водой и никельсодержащим шламом, цементом и с раствором воздухововлекающей добавки (SDO) при следующих соотношениях, мас.%:

- цемент - 61,90;

- пенополистирол - 5,80;

- смола нейтрализованная воздухововлекающая SDO - 0,15;

- никельсодержащий шлам - 4,0;

- вода - 28,15.

Свойства полученного материала следующие: средняя плотность - 318 кг/м³, разрушающие напряжения при сжатии - 2,4 МПа, разрушающие напряжения при изгибе - 1,4 МПа, водопоглощение - 3,1 мас.%, коэффициент теплопроводности - 0,08 Вт/м·К, морозостойкость - 39 циклов, потеря массы в огневой трубе - 12-15%.

Экспериментальные составы полистиролбетона №4, 5, 6 готовили подобным образом. Соотношение компонентов и свойства полученных материалов приведены в таблице.

Как видно из таблицы, введение названного шлама позволяет повысить прочность полистиролбетона, понизить среднюю плотность и повысить морозостойкость. Оптимальным количеством вводимого никельсодержащего шлама является 3-5 мас.%. Изменение количества других компонентов в смеси легкого бетона за пределы интервалов, указанных в примерах, нецелесообразно.

Как показали рентгеноструктурные исследования составов с никельсодержащим шламом, его введение интенсифицирует образование гидросиликатов томерборитовой группы и кристаллов гидроксида кальция, причем ускоряется образование фазы переменного алюмоферритного состава. Повышение щелочности среды за счет быстрого образования гидроксида кальция приводит к расщеплению кремнекислородных связей и развитию процессов с переносом зарядов. Этому способствуют условия существования структурированной воды с повышенной диэлектрической проницаемостью, а также высокой степенью дефективности минералов. Ион вводимого трехвалентного никеля является хорошим акцептором электронов в щелочной среде. Принимая электроны на 4d-подуровень, он способствует протеканию окислительно-восстановительного процесса.

Из рентгеноструктурного анализа образцов, изготовленных из сырьевой смеси для изготовления легкого бетона, видно, что возрастает интенсивность линий, характерных для цеолитоподобных минералов, с замещением алюмокислородных тетраэдров на тетраэдры с переходным элементом - никелем.

Ускорение процесса гидратации в присутствии оксида никеля подтверждается и результатами дифференциального термического анализа: на термограммах происходит смещение температурных максимумов, характерных для процессов гидратации алюмосиликатов, от 673 до 970°К, что указывает на повышенное содержание цеолитовой воды в твердеющем цементном камне. У образцов с добавкой увеличивается и потеря массы.

Инфракрасная спектроскопия также подтверждает интенсификацию процессов гидратации цемента в присутствии оксида переходного металла - никеля. Широкая полоса поглощения в области 700...1700 см^-1 характерна для низкоосновных гидросиликатов кальция и связана с числом различных колебаний, ассоциированных со связями Si-O. Полосы поглощения около 3590 и 3690 см^-1 указывают на валентные колебания гидроксила и интенсификацию процесса гидратации цементного камня в присутствии добавки переходного металла - никеля.

Введение никельсодержащего шлама в состав легкого бетона позволяет повысить прочность бетона на 84%, снизить среднюю плотность на 11%, уменьшить водопоглощение на 25% и повысить морозостойкость.

Таблица
Сырьевая смесь для изготовления легкого бетона
	Содержание компонентов, %	Средняя плотность, кг/м3	Прочность, МПа	Водопоглощение, %	Кф. Теплопроводности, Вт/мК	Морозостойкость, цикл	Потеря массы в огневой трубе, %	Осадка конуса, см
Цемент	Никель-содержащий шлам	Пенополистирол	SDO	ПАФ	Вода	при сжатии	при изгибе
Известный	71,40	-	4,23	0,08	0,03	24,26	360	1,3	0,6	4,0	0,08	36	12-15	10
1	61,50	3,0	5,80	0,15	-	29,55	300	2,1	1,2	3,3	0,08	37	12-15	10
2	61,80	3,5	5,80	0,15	-	28,75	310	2,2	1,2	3,3	0,08	37	12-15	11
3	61,90	4,0	5,80	0,15	-	28,15	315	2,3	1,3	3,2	0,08	38	12-15	10
4	62,00	4,3	5,80	0,15	-	27,75	317	2,3	1,3	3,2	0,08	39	12-15	10
5	62,30	4,5	5,80	0,15	-	27,25	318	2,4	1,4	3,1	0,08	39	12-15	9
6	62,30	5,0	5,80	0,15	-	26,75	320	2,4	1,4	3,0	0,08	40	12-15	8

Сырьевая смесь для изготовления легкого бетона, содержащая цемент, гранулы пенополистирола, нейтрализованную воздухововлекающую смолу SDO и воду, отличающаяся тем, что она содержит никельсодержащий шлам при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цемент	61,50-62,30
пенополистирол	5,8
смола нейтрализованная воздухововлекающая SDO	0,15
никельсодержащий шлам	3,0-5,0
вода	остальное

и получена смешением гранул пенополистирола, воды и никельсодержащего шлама с последующим введением при перемешивании цемента, затем раствора указанной смолы.