Способ изготовления строительных материалов на гипсо-магнезиальном вяжущем
Изобретение относится к области производства строительных материалов на магнезиальном вяжущем. Технический результат - повышение прочности и водостойкости. Способ получения строительных материалов включает смешивание активированного порошка на основе каустического магнезита, раствора хлорида магния и заполнителя. Активированный порошок получают совместным помолом до удельной поверхности частиц 4000-20000 см2/г порошка магнезитового каустического, трикальцийфосфата, кремнегеля, метилцеллюлозы и строительного гипса при следующем соотношении компонентов, вес.%: порошок магнезитовый каустический 40-70, трикальцийфосфат 1-8, кремнегель 3-12, метилцеллюлоза 0,04-0,6, гипс строительный - остальное. Изобретение развито в зависимых пунктах. 3 з.п. ф-лы, 5 табл.
Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано при изготовлении сухих смесей строительного назначения, при изготовлении монолитных конструкций: полов, стяжек под различные напольные покрытия, штукатурок наружных и внутренних, а также для изготовления плит и панелей для перегородок, внутренней и внешней облицовки зданий, плит напольных покрытий, плит лестничных ступеней, подоконников, столешниц, стеновых блоков, экструзивного бруса, панелей, перегородок, плинтусов, дверей и т.п.
Известные гипсовые вяжущие вещества применяются в строительстве в качестве сухих смесей (отделочные и штукатурные растворы, наливные полы, шпатлевки, клеи и др.) и изделий (панели перегородок, плиты потолков и полов). Расширение номенклатуры смесей и изделий из гипсовых вяжущих вызвано низкой по сравнению с цементами себестоимостью, высокой текучестью и формуемостью смесей, однородностью изделий, высокой степенью обрабатываемости, звуко- и теплоизоляционными свойствами, огнестойкостью. Недостатками гипсовых вяжущих является относительно невысокая прочность и низкая водостойкость.
Известен способ изготовления изделий на магнезиальном вяжущем путем смешения порошка каустического магнезитового с минеральной добавкой, суперпластификатором С-3, водным раствором хлорида магния, заполнителем с последующим формованием и отверждением полученной смеси (RU 2121987,1988 г.).
Способ позволяет повысить прочность изделий, но в недостаточной степени, поскольку увеличивается расслоение смеси, что нетехнологично для сборных и монолитных конструкций.
Известен способ повышения водостойкости магнезиального материала введением фосфогипса и жидкого стекла, модифицированного карбамидом (SU 1560502, 1990 г.). Предлагаемый способ несколько повышает водостойкость, но в целом водостойкость образцов на магнезиальном вяжущем остается на низком уровне - 0,50-0,55.
Наиболее близким к заявленному является способ изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем, при котором каустический магнезит совместно перемалывают с кварцем и суперпластификатором, а в магнезитобетонную смесь дополнительно вводят добавки метилцеллюлозы, сополимерного редиспергируемого порошка и фибры (RU 2222508, 2004 г.). Способ обеспечивает прирост прочности и увеличение водостойкости изделий. Однако использование в качестве наполнителя химически инертного кварцевого песка и отсутствие фосфатов снижает прочность и водостойкость изделий.
Техническим результатом заявленного изобретения является высокая прочность и водостойкость изделий на магнезиальном вяжущем.
Указанный результат достигается за счет того, что в способе изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем, включающем смешивание активированного порошка на основе каустического магнезита, раствора хлорида магния и заполнителя, активированный порошок получают совместным помолом до удельной поверхности частиц 4000-20000 см2/г порошка магнезитового каустического, трикальцийфосфата, кремнегеля, метилцеллюлозы и строительного гипса при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| порошок магнезитовый каустический | 40-70 |
| трикальцийфосфат | 1-8 |
| кремнегель | 3-12 |
| метилцеллюлоза | 0,04-0,6 |
| гипс строительный | Остальное |
В качестве заполнителя может использоваться песок и щебень при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| активированный порошок | 10-18 |
| раствор хлорида магния в воде | |
| (плотностью 1,15-1,30 г/см3) | 10-18 |
| песок | 15-25 |
| щебень | Остальное |
либо микросферы и керамзитовый гравий при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| активированный порошок | 20-30 |
| раствор хлорида магния в воде | |
| (плотностью 1,10-1,30 г/см3) | 20-30 |
| микросферы (р=0,38 г/см3) | 8-12 |
| керамзитовый гравий | остальное |
либо в качестве заполнителя используют песок фракции 0,2-0,7 мм, а в смесь дополнительно вводят сополимерный редиспергируемый порошок при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| активированный порошок | 25-30 |
| раствор хлорида магния в воде | |
| (плотностью 1,10-1,30 г/см3) | 20-30 |
| сополимерный редиспергируемый порошок | 0,01-1,0 |
| песок | остальное |
Таким образом, активация порошка магнезитового каустического производится с гипсом, трикальцийфосфатом, кремнегелем и метилцеллюлозой. Затем получают магнезитобетонную смесь перемешиванием активированного порошка, хлорида магния и заполнителя.
При перемешивании магнезитобетонной смеси в нее могут быть добавлены пигмент (2-5% от массы активируемого порошка), сополимерный редиспергируемый порошок (0,1-1%) и фибра (3-5%).
К активированной массе можно добавить неорганический и/или органический заполнитель в количестве 1-90% от веса конечной смеси.
Формование магнезиальной смеси осуществляют в зависимости от ее консистенции одним из следующих известных методов: отливкой (осадка стандартного конуса /ОК/ > 18 см); вибровоздействием (2 < ОК < 15); трамбованием, прессованием, вибропрессованием (жесткие смеси). При устройстве монолитных полов предусмотрено использование наливных смесей, виброрейки, вакуумирование, заглаживание, затирка и пр.
Отверждение изделий может производится как в естественных нормальных условиях, так и при термообработке. При термообработке возникает дополнительное увеличение прочности и водостойкости. Это связано со свойством магнезитобетона, изготовленного по предложенному способу, противостоять тепловым деформациям (демпфирующий эффект от применения добавок и совместного помола).
Отличием от известных способов является не просто совместное применение магнезиального вяжущего, гипса и добавки, а применение активированного гипсо-магнезиального порошка с полифункциональным эффектом, значительно превосходящим эффекты известных способов.
В результате активации при совместном помоле порошка магнезитового каустического и гипса при взаимной хемосорбции активизируются частицы как магнезита, так и гипса, что в дальнейшем не только повышает скорость и полноту протекания реакций гидратации, но и способствует образованию новых комплексных соединений на основе оксисульфатов и оксихлоридов магния. Совместный помол также увеличивает степень гидролиза и активность РO4 3-.
При совместном помоле кремнегеля и магнезитового порошка при взаимной хемосорбции активизируются частицы магнезита, что в дальнейшем повышает скорость и полноту протекания реакций гидратации и обеспечивает преимущественное образование более стойкой фазы - триоксихлорида магния. Совместная активация также способствует химической связи гидрохлоридов магния с силикатной подложкой, обеспечивая образование высокопрочных водонерастворимых соединений. Кроме того, при помоле кремнегеля происходит частичное разрушение связей Si-O-Si с образованием связей -O-Si, что ускоряет взаимодействие силикатов с гидроокисью магния, причем этот процесс еще более усиливается в присутствии кремниевой кислоты.
Добавка метилцеллюлозы (сложных эфиров целлюлозы) в цементные смеси повышает клеющую и водоудерживающую способность цементного теста, позволяет управлять реологическими характеристиками цементного теста и соответственно формоустойчивостью и эластичностью системы. Кроме того, добавка метилцеллюлозы снижает макропористость и способствует образованию микропористой структуры магнезиального камня, что снижает внутренние напряжения и увеличивает прочность. Введение метилцеллюлозы устраняет седиментацию магнезиального теста, расслоение фаз теста и водоотделение, резко повышает однородность формируемого камня, обеспечивает аналогичные свойства для магнезитобетонных смесей и магнезитобетонов с любыми заполнителями.
Добавка кремнегеля повышает прочность и плотность магнезиального камня, что связано с химической реакцией между кремнеземом и гидроокисью магния. Продукты реакции заполняют поры, а также упрочняют контактные зоны в магнезиальном бетоне.
Добавка сополимерных редиспергируемых порошков на основе винилацетата и версатата повышают клеящую способность магнезиального теста, обеспечивая высокую адгезию между магнезитобетоном и основанием, а также между отдельными слоями магнезитобетона. Это особенно важно при устройстве монолитных магнезиальных сплошных полов. Введение этих добавок в состав наливных полов на минеральных вяжущих улучшает реологические характеристики смеси, что повышает растекаемость, способность к самовыравниванию и образованию ровной гладкой поверхности. Кроме того, сополимерные редиспергируемые порошки хорошо совместимы с другими добавками, используемыми для производства самонивелирующихся масс (суперпластификаторами и др.).
Введение в магнезитобетонные смеси фибры (полимерных или стеклянных волокон) обеспечивает повышение ударной прочности и вязкости разрушения магнезитобетона в результате резкого снижения процессов трещинообразования и повышения прочности при растяжении и изгибе. Кроме того, микроармирование магнезитобетона фибрами дополнительно повышает его износостойкость.
В качестве мелкого (0-5 мм) и крупного (5-40 мм) заполнителя можно использовать как неорганические, так и органические заполнители. Размер частиц крупного заполнителя должен составлять не более 1/3 от толщины изготовляемых изделий.
В качестве неорганического заполнителя используются: гранитный щебень, кварцевый песок, щебень, гравий и песок других горных пород; гравийно-песчаная смесь, строительный песок; доломитовые щебень, гравий и песок; тальк; мраморная, известняковая, гранитная крошка; измельченные кирпич, бетон, легкие заполнители и высевки легких заполнителей для бетона; дробленые шлаки и высевки шлаков металлургических и химических производств, не содержащих вредных примесей; флютоотходы; асбест; дробленая шлаковая пемза.
В качестве органического заполнителя используются: древесная мука, опилки, стружки и щепа хвойных и лиственных пород; измельченная гузапая и стебли хлопчатника; измельченная солома; измельченная костра льна, кенафа, конопли; измельченные очесы волокон льна, кенафа, конопли; рисовая, просяная, ячменная, подсолнечная лузга, очесы и линты хлопка, отходы бумаги и др. Крупность частиц органического заполнителя зависит от толщины изготовляемых изделий (не более 1/3 от толщины).
Полы и изделия на магнезиальном вяжущем изготавливаются различных цветов с использованием для окраски путем введения в состав при перемешивании магнезитобетонной смеси щелочестойких минеральных строительных пигментов: мел, сурик, охра, оксид хрома, оксид титана, оксид цинка, ультрамарин, сажа, умбра, окись марганца, фталоцианиновые пигменты и др.
В качестве исходных компонентов (составляющих) смеси строительных изделий использовали следующие материалы.
Порошок магнезитовый каустический ПМКМк - 75, ПМКМк - 83 или ПМКк-87 производства ОАО "Комбинат «Магнезит» (г.Сатка Челябинской обл.). Химический состав по ГОСТ 2642.2-86…2642.8-86 представлен, %: MgO 78,9; СO2 3,85; CaO 3,24; H2O 1,85; SiO2 3,28; (Аl2О3+Fе2O3) 2,65; SO4 0,20; п.п.п. - 6,03. Плотность порошка 3,29 г/см3, остаток на сите №02-3,6%, проход через сетку №009 - 88,3%. Начало схватывания 0-45 мин, конец - 4-12 мин. Все показатели соответствуют ГОСТ 1216-87.
Магний хлористый технический (бишофит) по ГОСТ 7759-73 производства ПО "Каустик" (г. Волгоград), содержание в сухом веществе MgCl2×6Н2О - 93,8%. Водный раствор хлористого магния применен плотностью 1,100-1,310 г/см3.
Микросферы - производитель: ТЭЦ №22 (Московская обл.). Физические свойства: насыпная плотность 0,3735 г/см3; влажность ≈ 8%; прочность ≈ 20 МПа; фракция ≈ 50-150 мкм; примеси > 1 мм ≈ 1-2% по массе; твердость по Моосу 5-6; температура плавления 1300°С; рН в воде 6-8.
Микросферы (ценосферы) это полые твердые частицы малого размера, которые образуются в составе золы уноса при сжигании углей на ТЭС. Зола уноса (шлак) после сжигания углей откачивается в заполненные водой котлованы, где происходит разделение легких и тяжелых фракций. Легкие частицы (микросферы) плотностью 0,40-0,70 г/см3 всплывают на поверхность. Микросферы служат наполнителем при производстве изделий из пластмасс, гипса, керамики, облегченных цементов, и др. строительных материалов. Изделия с добавлением микросфер обладают повышенной износостойкостью, легкостью и высокими изоляционными свойствами. Кроме того, использование микросфер в качестве наполнителей значительно снижает себестоимость продукции.
Строительный гипс марки Г-5 Пермского завода по ГОСТ 125-79. Свойства строительного гипса: марка гипса по ГОСТ 125-79 Г-5 А111; истинная плотность 2,44 г/см3; остаток на сите №02 - 1,4%; удельная поверхность по ПСХ-2 - 320 м2/кг.
Метилцеллюлоза - в качестве добавок на основе сложных эфиров целлюлозы использовались «Tylose MH 60010P4», «Walocel MKX 400PP 20», «Culminal С 8350» и «Culminal С 8564», представляющие собой быстрорастворимые сложные эфиры целлюлозы. «Tylose MH 60010P4» производится фирмой «Clariant GmbH» (Германия). «Walocel MKX 400PP 20» производится фирмой «Wolff Walsrode» («Bayer») (Германия). «Culminal С 8350» и «Culminal С 8564» производятся фирмой Aqvalon (Германия).
Фибра использовалась двух типов. Первый - нить стеклянная рубленая марки ЕС-10 TW 5 и марки ЕС-10 TW 10, выпускаемые ОАО «Тверьстеклопластик» по ТУ5952-052-00204961-98. Длина нити составляла соответственно 5 и 10 мм, диаметр - 9,7 мк, содержание SiO2 - 53-54,8%. Второй тип - полипропиленовое моноволокно Фибрин 23 (FIBREX) фирмы «Business and Building System Group SPB» длиной 6 мм и диаметром 18 мк.
В качестве добавок сополимерных редиспергируемых порошков использованы следующие две группы готовых продуктов, обладающих высокоадгезионной клеящей способностью:
Первая группа:
«DM 1140P» представляет собой систему мономеров винилацетат/этилен;
«LDM 202 IP» представляет собой систему мономеров винилацетат/версатат;
«LDM 2080» представляющий собой систему мономеров винилацетат/версатат/акрилат.
Все добавки первой группы представляют собой водорастворимые порошки пленкообразующих клеев, выпускаются фирмой «Clariant GmbH» (Германия).
Вторая группа представлена дисперсионными порошками Виннапас на основе сополимера винилацетата и этилена: Vinnapas RE 523 Z; Vinnapas RE 525 Z; Vinnapas RE 5011 L. Все добавки второй группы производятся компанией «Wacker Polimer Sistems GmbH & Co.KG» (Wacker-Chemie GmbH»).
Сравнительные испытания проведены на образцах магнезитобетона без добавок (контрольный состав), образцах, полученных по способу-аналогу и образцах в соответствии с предлагаемым изобретением.
| Таблица 1 | |||||
| Составляющие активированного порошка по предложенному способу | |||||
| Составляющие | №№ составов | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Порошок магнезитовый | 40,0 | 47,5 | 55,0 | 62,5 | 70,0 |
| Трикальцийфосфат | 1,0 | 2,4 | 3,8 | 5,2 | 6,6 |
| Кремнегель | 3,0 | 5.0 | 7,0 | 9,0 | 11,0 |
| Метилцеллюлоза | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 |
| Строительный гипс | 55,9 | 44,9 | 33,9 | 22,9 | 11,9 |
Бездобавочный контрольный состав (0). Магнезитобетонную смесь приготовляли смешением магнезитового порошка (15%), крупного и мелкого затворителя и водного раствора хлорида магния.
Аналог (а). Активированный порошок приготовляли совместным помолом порошка магнезитового каустического в количестве 70%, суперпластификатора С-3 в количестве 1% и кварцевого песка в количестве 29% до удельной поверхности 12000 см /г. Активированный порошок вводили в состав магнезитобетонной смеси в количестве 15%.
Предложенный способ (п). Активированный порошок приготовляли совместным помолом компонентов, указанных в Таблице 1, до удельной поверхности 12000 см2/г.Активированный порошок вводили в состав магнезитобетонной смеси в количестве 15%.
Способ изготовления строительных изделий на магнезиальном вяжущем заключается в подготовке, дозировке и перемешивании порошка каустического магнезитового (активированного - для предложенного способа и для аналога; неактивированного - для контроля) с заполнителями с последующим затворением хлоридом магния плотностью 1,10-1,30 г/см3 с перемешиванием до получения однородной бетонной смеси. Плотность рабочего раствора бишофита рассчитана по содержанию активного MgO. Уложенную смесь выравнивали, уплотняли вибрацией (3 с), после чего отверждали при температуре 20±2°С в течение 10 часов. Затем образцы расформовывали и хранили в тех же условиях в течение 28 суток.
Прочность на изгиб и сжатие определены по ГОСТ 18105-86. Коэффициент водостойкости определен как соотношение прочности на сжатие 28-суточных образцов, выдержанных 3 суток в воде, к прочности контрольных образцов.
Составы смесей и результаты испытания прочности и водостойкости магнезитобетона приведены в Таблице 2.
Анализ полученных данных показал несомненное преимущество предложенного способа во всем диапазоне составов активированного порошка. Особенно явное преимущество имеют составы №№3, 4 - прочность на сжатие выше на 50% контрольного, на 28% аналога; прочность на изгиб - соответственно на 80 и 40%; водостойкость - на 40 и 15%.
| Таблица 2 | ||||||||
| Тип порошка | Составляющие, мас.% | Прочность, 28 сут | Коэф. водостойкости | |||||
| Порошок | Раствор бишофита | Плотность, г/см3 | Песок | Щебень | Сжатие | Изгиб | ||
| ПМК контр. | 15 | 15 | 1,24 | 20 | 50 | 40,5 | 7,4 | 0,58 |
| Аналог | 15 | 15 | 1,22 | 20 | 50 | 47,8 | 9,3 | 0,72 |
| №1 | 15 | 15 | 1,165 | 20 | 50 | 51,5 | 9,9 | 0,70 |
| №2 | 15 | 15 | 1.185 | 20 | 50 | 56,0 | 10,4 | 0,80 |
| №3 | 15 | 15 | 1,210 | 20 | 50 | 61,2 | 13,2 | 0,82 |
| №4 | 15 | 15 | 1,225 | 20 | 50 | 60,8 | 13,5 | 0,80 |
| №5 | 15 | 15 | 1,245 | 20 | 50 | 54,5 | 13,0 | 0,72 |
Далее приготовляли составы изделий по контрольному способу (о), способу аналога (а) и предложенному способу (п).
Бездобавочный контрольный состав (0). Магнезитобетонную смесь приготовляли смешением магнезитового порошка в количестве 10-18%, крупного и мелкого затворителя и водного раствора хлорида магния.
Аналог (а). Активированный порошок приготовляли совместным помолом порошка магнезитового каустического в количестве 70%, суперпластификатора С-3 в количестве 1% и кварцевого песка в количестве 29% до удельной поверхности
12000 см2/г (состав наибольшей прочности). Активированный порошок вводили в состав магнезитобетонной смеси в количестве 10-18%.
Предложенный способ (п). Активированный порошок приготовляли совместным помолом порошка магнезитового каустического в количестве 50%, трикальцийфосфата в количестве 4%, кремнегеля в количестве 8%, метилцеллюлозы в количестве 0,40%, гипса строительного в количестве 37,6% до удельной поверхности 12000 см2/г. Активированный порошок вводили в состав магнезитобетонной смеси в количестве 10-18%.
Составы для изготовления изделий по контрольному способу (к), способу аналога (а) и по предложенному способу (п) и результаты сравнительных испытаний приведены в Таблице 3.
Анализ полученных данных показывает преимущества предложенного способа. Прочность на сжатие в возрасте 28 суток выше на 20-30% по сравнению с аналогом, на 30-40% по сравнению с контрольным бездобавочным магнезитобетоном, на растяжение при изгибе - соответственно на 20-45 и 70-90%, коэффициент водостойкости - на 10-20 и на 30-40%.
Отмечено также визуальное улучшение однородности смеси, качества поверхности образцов по предложенному способу.
Составы легкобетонных изделий, полученных по контрольному способу (о), способу-аналогу (а) и предложенному способу (п), приведены в Таблице 4.
Анализ полученных данных показывает преимущества предложенного способа и для легкобетонных изделий. Прочность на сжатие в возрасте 28 суток выше на 20-30% по сравнению с аналогом, на 30-40% по сравнению с контрольным бездобавочным магнезитобетоном, на растяжение при изгибе - соответственно 20-45 и 70-90%, коэффициент водостойкости - на 10-20 и на 30-40%.
Отмечено также визуальное улучшение однородности смеси, качества поверхности образцов по предложенному способу.
Для растворной наливной магнезиальной смеси (составы приведены в Таблице 5) увеличение прочности по предложенному способу по сравнению с аналогом составило по прочности на сжатие 15-20%, на растяжение при изгибе 30-50%, по водостойкости - на 15-30%.
Таким образом, установлено (Таблицы 2-5), что предложенный способ изготовления строительных изделий на магнезиальном вяжущем имеет преимущества по сравнению со способом-аналогом для всех видов материалов на магнезиальном вяжущем.
1. Способ получения строительных материалов на магнезиальном вяжущем, включающий смешивание активированного порошка на основе каустического магнезита, раствора хлорида магния и заполнителя, отличающийся тем, что активированный порошок получают совместным помолом до удельной поверхности частиц 4000-20000 см2/г порошка магнезитового каустического, трикальцийфосфата, кремнегеля, метилцеллюлозы и строительного гипса при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| порошок магнезитовый каустический | 40-70 |
| трикальцийфосфат | 1-8 |
| кремнегель | 3-12 |
| метилцеллюлоза | 0,04-0,6 |
| гипс строительный | остальное |
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют песок и щебень при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| активированный порошок | 10-18 |
| раствор хлорида магния в воде | |
| плотностью 1,15-1,30 г/см3 | 10-18 |
| песок | 15-25 |
| щебень | остальное |
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют микросферы и керамзитовый гравий при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| активированный порошок | 20-30 |
| раствор хлорида магния в воде | |
| плотностью 1,10-1,30 г/см3 | 20-30 |
| микросферы р=0,38 г/см3 | 8-12 |
| керамзитовый гравий | остальное |
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют песок фракции 0,2-0,7 мм, а в смесь дополнительно вводят сополимерный редиспергируемый порошок при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| активированный порошок | 25-30 |
| раствор хлорида магния в воде | |
| плотностью 1,12-1,30 г/см3 | 20-30 |
| сополимерный редиспергируемый порошок | 0,01-1,0 |
| песок | остальное |
