Сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционного материала и способ ее приготовления
Владельцы патента RU 2399602:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (СГТУ) (RU)
Изобретение относится к области строительства, а именно к бетонным смесям для изготовления теплоизоляционного материала, и может быть использовано при теплоизоляции теплотрасс, кровли, а также для устройства стен различных зданий, теплоизоляции полов жилых и общественных зданий. Технический результат: получение теплоизоляционного материала со средней плотностью не более 400 кг/м3 при сохранении его высоких теплоизоляционных, технологических, прочностных и экологических свойств. Сырьевая смесь включает, мас.ч.: измельченная древесина 10,00, цемент 37,50-38,80, жидкое стекло 1,66-1,80, полиметиленнафталинсульфокислоты натриевая соль в качестве суперпластификатора 0,02-0,03, этилендиаминтетрауксусной кислоты динатриевая соль в качестве комплексообразующей добавки 0,11-0,20 и в качестве пенообразователя - синтетический пенообразователь на основе алкилсульфатов первичных жирных спиртов. Охарактеризован способ приготовления этой сырьевой смеси. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области строительства, а именно к бетонным смесям для изготовления теплоизоляционного материала, и может быть использовано в качестве теплоизоляции теплотрасс, кровли, а также для устройства стен различных зданий, теплоизоляции полов жилых и общественных зданий.
Известна сырьевая смесь для изготовления теплогидроизоляционного покрытия, включающая цемент, латекс, жидкое стекло, вспученные гранулы пенополистирола фракции 0,14-0,63 мм - 30%, фракции 1,25-5 мм - 70%, костный клей, скипидар и воду при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Цемент | 80-100 |
| Латекс | 20-40 |
| Жидкое стекло | 5-15 |
| Вспученные гранулы пенополистирола фракции 0,14-0,63 мм - 30%, | |
| фракции 1,25-5 мм - 70% | 7-25 |
| Костный клей | 0,5-1,0 |
| Скипидар | 0,5-1,0 |
| Вода | 40-80 |
(патент РФ №2275346, кл. С04В 41/45. Опубл. 27.04.2006 г.).
Недостатком известной смеси является использование значительных количеств дорогостоящих синтетических полимеров, в частности полистирола, который в процессе эксплуатации изделия, а также при воздействии высоких температур способен выделять токсичные для человека вещества, такие как стирол, фенолы и др.
Известен строительный материал, формуемая (сырьевая) смесь которого включает измельченную увлажненную древесину, цемент, жидкое стекло и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Измельченная древесина | 65 |
| Цемент марки 400, 500 | 21 |
| Жидкое стекло | 3 |
| Вода | остальное |
(патент РФ №2163581, кл. С04В 40/00, С04В 28/02, С04В 18/26. Опубл. 27.02.2001 г.).
Известен способ изготовления изделий из вышеописанного строительного материала путем измельчения древесины и просеивания ее по фракциям с последующим ее увлажнением. Затем древесину смешивают с цементом и жидким стеклом, загружают сырьевую смесь в форму и уплотняют ее прессованием. Присоединяют формы к электродам, подключают постоянный ток с периодическим изменением полюсов. Форма с крышкой и поддоном выполнены из нержавеющей стали с возможностью использования их в качестве электродов [Патент РФ №2163581].
Данная сырьевая смесь и способ изготовления изделий из нее требуют сложного формовочного оборудования и электрообработки для достижения необходимой прочности конечного материала, что существенно усложняет технологический процесс и увеличивает стоимость изделий.
Известна сырьевая смесь для изготовления арболита, включающая портландцемент, древесный заполнитель, жидкое стекло, воду и омыленную канифоль при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Портландцемент | 1,3-1,6 |
| Древесный заполнитель | 1,0 |
| Жидкое стекло | 0,03-0,08 |
| Вода | 1,44-1,77 |
| Омыленная канифоль | 0,005-0,01 |
(авторское свидетельство СССР №1058955, кл. С04В 43/12. Опубл. 07.12.83 г. Бюл. №45).
Известен способ приготовления арболита, включающий обработку древесного заполнителя жидким стеклом в количестве 3/4, с последующим перемешиванием его с портландцементом и водой, введение омыленной канифоли в виде технической пены (пенообразователя), стабилизированной оставшимся жидким стеклом, и повторное перемешивание компонентов смеси [а.с. СССР №1058955].
Указанная сырьевая смесь и способ ее приготовления являются наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению. Данные технические решения характеризуются недостаточно высокой прочностью изделий (более 0,5 МПа) при средней плотности 400 кг/м3.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение теплоизоляционного материала со средней плотностью не более 400 кг/м3 при сохранении его высоких теплоизоляционных, технологических, прочностных и экологических свойств.
Поставленная задача решается тем, что сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционного материала, включающая древесный заполнитель, цемент, жидкое стекло, пенообразователь и воду, дополнительно содержит полиметиленнафталинсульфокислоту натриевую соль в качестве пластификатора и этилендиаминтетрауксусную кислоту динатриевую соль в качестве комплексообразующей добавки, а в качестве пенообразователя выбран синтетический пенообразователь на основе алкилсульфатов первичных жирных спиртов при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Древесный заполнитель | 10,00 |
| Цемент | 37,50-38,80 |
| Жидкое стекло | 1,66-1,80 |
| Алкилсульфаты первичных жирных спиртов | 0,24-0,26 |
| Полиметиленнафталинсульфокислота натриевая соль | 0,02-0,03 |
| Этилендиаминтетрауксусная кислота динатриевая соль | 0,11-0,20 |
| Вода | 40,00-45,50 |
При этом в качестве древесного заполнителя выбраны отходы древесины фракции менее 1 мм. А также за счет того, что согласно способу приготовления сырьевой смеси для изготовления теплоизоляционного материала, включающему обработку пенообразователя жидким стеклом и перемешивание его с компонентами смеси, пенообразователь на основе алкилсульфатов первичных жирных спиртов в количестве 2/3 от заданного его объема смешивают с 2/3 частями воды и добавляют полиметиленнафталинсульфокислоту натриевую соль в качестве пластификатора и в качестве комплексообразующей добавки - этилендиаминтетрауксусную кислоту динатриевую соль, перемешивают и получают раствор, который совмещают с цементом в роторном смесителе при частоте вращения ротора 1000-1500 об/мин до получения цементного теста, а оставшиеся части воды и пенообразователя смешивают с жидким стеклом и перемешивают в роторном смесителе при частоте вращения ротора 1000-1500 об/мин до образования плотной пены, которую смешивают при частоте вращения ротора не менее 800 об/мин с древесным заполнителем влажностью до 25%, полученную древесную массу смешивают с цементным тестом при частоте вращения ротора не менее 800 об/мин до образования однородной массы.
Дополнительное введение в сырьевую смесь полиметиленнафталинсульфокислоты натриевой соли в качестве пластификатора приводит к разжижению цементного теста, расщеплению флокул цемента и повышению конечной прочности изделия.
А дополнительное введение комплексообразующей добавки - этилендиаминтетрауксусной кислоты динатриевой соли, с одной стороны, разжижает смесь, увеличивает ее подвижность и улучшает массоперенос ионов кальция от поверхности цементного зерна вглубь водной фазы, где формируются частицы цементного геля, а, с другой стороны, нейтрализует негативное действие экстрактивных веществ древесины на гидратационную активность цемента, увеличивает прочность адгезионного контакта минеральной матрицы и древесного заполнителя. В результате увеличивается плотность цементного геля и конечная прочность изделия.
Синтетический пенообразователь на основе алкисульфатов первичных жирных спиртов способствует высокому воздухововлечению, что приводит к увеличению удобоукладываемости смеси и снижению теплопроводности изделия.
Использование древесного заполнителя в виде отходов древесины фракции менее 1 мм дает возможность получать однородную сырьевую смесь с высокой удобоукладываемостью. В результате отпадает необходимость доуплотнения свежеотформованной смеси. При этом древесные волокна способствуют стабилизации ячеистой структуры материала, что улучшает теплоизоляционные характеристики изделия.
Сырьевая смесь готовится следующим образом.
Смешивают 2/3 объема воды с 2/3 частями пенообразователя на основе алкисульфатов первичных жирных спиртов марки ПБ-2000. В полученной смеси растворяют пластификатор на основе полиметиленнафталинсульфокислоты натриевой соли марки С-3 и комплексообразующую добавку этилендиаминтетрауксусной кислоты динатриевой соли марки «Трилон-«Б». Полученным раствором затворяют цемент и тщательно перемешивают в скоростном роторном смесителе при частоте вращения ротора 1000-1500 об/мин в течение 10-15 мин. Высокая скорость вращения ротора активирует цемент, создает плотные адсорбционные слои пластификатора С-3 и комплексообразующей добавки марки «Трилон-«Б», а также активирует процесс образования в смеси воздушных микровключений, улучшающих удобоукладываемость смеси.
Затем оставшуюся часть воды совмещают с оставшейся частью пенообразователя ПБ-2000 и жидким стеклом и перемешивают в роторном смесителе при частоте вращения ротора 1000-1500 об/мин до образования плотной пены. Объединяют плотную пену с древесным заполнителем влажностью до 25% и смешивают при частоте вращения ротора не менее 800 об/мин. Плотная пена при этом облегчает процесс равномерного распределения жидкого стекла по поверхности частиц древесного заполнителя. Соединяют полученную древесную массу с ранее приготовленным цементным тестом и смешивают в роторном смесителе при частоте вращения ротора не менее 800 об/мин до момента увеличения вязкости цементной композиции. Указанная скорость вращения ротора способствует разделению частиц древесного заполнителя, разрушению образующихся частиц коагулюма жидкого стекла, что формирует прочный адгезионный контакт древесного волокна и цементной матрицы. Полученную однородную вязкопластичную массу выгружают в формы или приемный бункер героторного насоса для заливки технологических полостей строительных конструкций. Уплотняют сырьевую массу в формах методом виброуплотнения на вибростенде или с помощью вибраторов погружного типа. Распалубочная прочность изделий достигается через 16-24 ч при температуре окружающей среды 18-25°С.
Составы сырьевой смеси по изобретению и ближайшего аналога (прототипа) приведены в таблице 1, а их свойства приведены в таблице 2.
Так как основным компонентом, отвечающим за прочностные свойства материала, является комплексообразующая добавка «Трилон «Б», приведены несколько примеров, показывающих изменения свойств материала при различном содержании этого компонента.
При введении комплексообразующей добавки меньше указанного предела возникают значительные усадочные явления, прочность материала резко снижается.
При введении большего количества комплексообразующей добавки смесь становится трудноперемешиваемой. Ухудшаются формовочные свойства материала, также снижается прочность материала.
| Таблица 1 | ||||||
| Компоненты | Содержание компонентов в составе в мас.ч. | Прототип, мас.ч. | ||||
| Состав 1 | Состав 2 | Состав 3 | Состав 4 | Состав 5 | ||
| Древесный заполнитель | 10,00 | 10,00 | 10,00 | 10,0 | 10,00 | 1,0 |
| Цемент | 34,00 | 35,00 | 37,50 | 38,80 | 40,00 | 1,3-1,6 |
| Жидкое стекло | 1,64 | 1,66 | 1,70 | 1,80 | 1,85 | 0,03-0,08 |
| Пенообразователь на основе алкисульфатов первичных жирных спиртов | 0,22 | 0,24 | 0,25 | 0,26 | 0,3 | - |
| Пластификатор на основе полиметиленнафталинсульфокислоты натриевой соли | 0,01 | 0,02 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | - |
| Комплексообразующая добавка | 0,10 | 0,11 | 0,15 | 0,2 | 0,25 | - |
| Омыленная канифоль | - | - | - | - | - | 0,005-0,01 |
| Вода | 38,00 | 40,00 | 43,00 | 45,50 | 47,00 | 1,44-1,77 |
| Таблица 2 | ||||||
| Свойства | Содержание компонентов в составе в мас.ч. | Прототип, мас.ч. | ||||
| Состав 1 | Состав 2 | Состав 3 | Состав 4 | Состав 5 | ||
| Средняя плотность, кг/м3 | 300 | 300 | 350 | 400 | 600 | 400 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/м°С | 0,06 | 0,06 | 0,065 | 0,08 | 0,26 | 0,08 |
| Предел прочности при сжатии, МПа | 0,20 | 0,65 | 1,00 | 1,50 | 2,00 | 0,5 |
Уменьшение содержания древесины не позволяет достичь заданной плотности и высокой прочности. Увеличение содержания измельченной древесины приводит к увеличению времени перемешивания смеси, плотность материала не снижается, но ухудшаются прочностные характеристики.
Совмещение цемента с раствором пенообразователя, пластификатора на основе полиметиленнафталинсульфокислоты натриевой соли и динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты в скоростном смесителе при частоте вращения ротора 1000-1500 об/мин в течение 10-15 мин необходимо для создания вихревых потоков, активизирующих взаимное трение частиц цементного клинкера, освобождение их от гидратных оболочек и образование органоминеральных комплексов органических веществ и гелевых гидросиликатных частиц. Одновременно происходит активное воздухововлечение в цементное тесто и образование пеномассы. Степень воздухововлечения регулируется скоростью вращения ротора и длительностью перемешивания.
Совмещение оставшейся части воды и пенообразователя с жидким стеклом в роторном смесителе при частоте вращения ротора 1000-1500 об/мин позволяет получить высокократную мелкоячеистую пену за короткий промежуток времени. Мелкоячеистая пена хорошо совмещается с древесным заполнителем с влажностью до 25%. Высокая стабильность пены на основе указанного пенообразователя минимизирует ее разрушение при введении древесного заполнителя, предотвращает впитывание пленочной жидкости пены частицами древесного заполнителя, облегчает равномерное распределение жидкого стекла по поверхности древесных частиц. Для снижения усадки пены в процессе совмещения с древесным заполнителем частоту вращения ротора смесителя целесообразно снизить до 800 об/мин, но не ниже, чтобы предотвратить слипание частиц заполнителя.
Указанную частоту вращения ротора следует сохранять при окончательном совмещении пеноцементной массы и обработанного древесного заполнителя, с одной стороны, для снижения разрушающего воздействия заполнителя на сформированную ранее структуру цементной пеномассы, а с другой стороны, для предотвращения слипания частиц заполнителя в цементной пеномассе.
Технический результат заключается в улучшении физико-механических свойств теплоизоляционного материала, а именно средней плотности, коэффициента теплопроводности и предела прочности при сжатии.
1. Сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционного материала, включающая измельченную древесину, цемент, жидкое стекло, пенообразователь и воду, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены полиметиленнафталинсульфокислоты натриевая соль в качестве суперпластификатора и этилендиаминтетрауксусной кислоты динатриевая соль в качестве комплексообразующей добавки, а в качестве пенообразователя выбран синтетический пенообразователь на основе алкилсульфатов первичных жирных спиртов при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| древесный заполнитель | 10,00 |
| цемент | 37,5-38,8 |
| жидкое стекло | 1,66-1,80 |
| алкилсульфаты первичных жирных спиртов | 0,24-0,26 |
| полиметиленнафталинсульфокислоты | 0,02-0,03 |
| натриевая соль | |
| этилендиаминтетрауксусной кислоты | 0,11-0,20 |
| динатриевая соль | |
| вода | 40,0-45,50 |
2. Сырьевая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве измельченной древесины выбраны отходы древесины фракции менее 1 мм.
3. Способ приготовления сырьевой смеси по п.1, включающий обработку пенообразователя жидким стеклом и перемешивание его с компонентами смеси, отличающийся тем, что синтетический пенообразователь на основе алкилсульфатов первичных жирных спиртов в количестве 2/3 от заданного его объема смешивают с 2/3 воды и добавляют пластификатор на основе полиметиленнафталинсульфокислоты натриевой соли и комплексообрзаующую добавку на основе этилендиаминтетрауксусной кислоты динатриевой соли, перемешивают и получают раствор, который совмещают с цементом в роторном смесителе при частоте вращения ротора 1000-1500 об/мин в течение 10-15 мин до получения однородного цементного теста, оставшиеся части воды и пенообразователя смешивают с жидким стеклом и перемешивают в роторном смесителе при частоте вращения ротора 1000-1500 об/мин до образования плотной пены, а затем смешивают при частоте вращения ротора не менее 800 об/мин с древесным заполнителем влажностью до 25%, полученную древесную массу совмещают с цементным тестом путем перемешивания в роторном смесителе при частоте вращения ротора не менее 800 об/мин в течение 10-20 мин.
