Гранулированный наноструктурирующий заполнитель на основе высококремнеземистых компонентов для бетонной смеси, состав бетонной смеси для получения бетонных строительных изделий (варианты) и бетонное строительное изделие

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для получения бетонных строительных изделий. Технический результат - снижение плотности заполнителя и изделия, снижение теплопроводности при сохранении прочности. Гранулированный наноструктурирующий заполнитель на основе высококремнеземистых компонентов для бетонной смеси, состоящий из кремнеземсодержащего сырья в виде гранул размером 0,5-10 мм, имеющих ядро, скрепленное водным раствором щелочесодержащего связующего, и защитную оболочку, где ядро состоит из высококремнеземистой породы, измельченной до прохождения на сите с ячейкой 0,315 мм или вспученного перлитового песка с размером частиц до 0,16 мм, в качестве связующего используется водный раствор гидроксида щелочного металла и силиката натрия, взятые в соотношении 0,6-0,99:0,01-0,4 по массе, в количестве 5-30% от смеси, а защитная оболочка на поверхности ядра сформирована его окатыванием сухим портландцементом с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа. Бетонная смесь для изготовления строительного изделия по одному варианту содержит, мас.%: портландцемент 15-25, песок 50-65, вода 10-13, указанный выше заполнитель 2-20, по другому варианту содержит, мас.%: портландцемент 20-35, вода 10-15, указанный выше заполнитель 50-70. Бетонное строительное изделие, изготовленное из указанной выше смеси по одному или другому варианту.4 н. п. ф-лы, 2 табл., 1пр.

 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для получения бетонных строительных изделий в промышленном и гражданском строительстве.

Известен гранулированный заполнитель для бетонной смеси, состоящий из ядра и защитной оболочки. Ядро изготавливают грануляцией на тарельчатом грануляторе смеси дисперсных кремнеземсодержащих компонентов - золы ТЭС (дисперсностью не менее 200 м²/кг) и осадка станции аэрации биологической очистки промышленных сточных вод со связкой - молотой известью (дисперсностью 500-600 м²/кг) и гипсом (маркой не менее 100 и дисперсностью не менее 350 м²/кг) в соотношении компонентов смеси соответственно 0,3-0,5:0,15:0,05 по массе. После грануляции на ядро наносится защитная оболочка толщиной 3-5 мм путем смачивания ядра гранулы жидким стеклом и опудривания или скатывания на тарельчатом или барабанном грануляторе его сухой пылевидной смесью извести, гипса и минерального дисперсного наполнителя (золы ТЭЦ, ГРЭС, суглинка и т.д.) в соотношении компонентов смеси соответственно 0,35:0,10:0,55 по массе. После формирования гранул с целью их отверждения применяется тепловлажностная обработка при температуре 90°C с изотермической выдержкой в течение одного часа [патент РФ №2077517, МПК6 C04B 20/10, 1993].

Недостатками данного гранулированного заполнителя являются повышенные расходы тепловой энергии для тепловлажностной обработки при изготовлении бетонных изделий: сначала тепловлажностной обработке подвергается гранулированный заполнитель, затем - сформованное строительное изделие, включающее вышеназванный заполнитель, а также то, что получаемые бетонные строительные изделия, подвергающиеся тепловлажностной обработке при твердении, имеют невысокую водостойкость, прочность и теплоизолирующую способность.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является гранулированный заполнитель на основе природных осадочных высококремнеземистых пород для бетонной смеси, состоящий из ядра и оболочки, где ядро получено гранулированием смеси совместно молотых до удельной поверхности 150-250 м²/кг природной осадочной высококремнеземистой породы и гидроксида щелочного металла при их массовом соотношении 0,70-0,95:0,05-0,30 со связкой - водным раствором силиката натрия плотностью 1,2-1,3 г/см³ в количестве 0,1-7,0% от смеси, формирование защитной оболочки на поверхности ядра производят в среде сухой пылевидной смеси совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого при их массовом соотношении 0,85-0,95:0,05-0,15, с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа [патент РФ №2361834, МПК 6 C04B 28/04].

Недостатками вышеуказанных изобретений являются сложность формирования ядра в силу того, что при совместном помоле на поверхности гидроксида щелочного металла происходит адсорбция влаги из воздуха и последующая реакция взаимодействия компонентов с выделением растворимых силикатов щелочных металлов, влекущая за собой агрегацию компонентов и прекращение дальнейшего измельчения, а следовательно, снижение активности готового изделия при применении в бетонных изделиях, помимо этого недостатком является высокая плотность заполнителя, не позволяющая получать легкие бетоны, при этом оболочка из извести имеет слабую контактную зону с цементной матрицы, в результате чего возникает дополнительная пористость.

Предлагаемое изобретение решает задачу избавления от агрегации при помоле компонентов заполнителя, уменьшения его плотности, а впоследствии и плотности бетонных изделий, в результате чего уменьшается теплопроводность, при этом сохраняются или повышаются прочностные показатели бетонных строительных изделий, снижения энергозатрат, так как при применении изобретения не требуется обжига. Использование в качестве оболочки для заполнителя сухого портландцемента, решает проблему возникновения дополнительной пористости и слабой контактной зоны гранулированного наноструктурирующего заполнителя и цементной матрицы.

Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет того, что гранулированный наноструктурирующий заполнитель на основе высококремнеземистых компонентов для бетонной смеси состоит из кремнеземсодержащего сырья в виде гранул размером 0,5-10 мм, имеющих ядро, скрепленное водным раствором щелочесодержащего связующего, и защитную оболочку. Ядро состоит из высококремнеземистой породы, измельченной до прохождения на сите с ячейкой 0,315 мм или вспученного перлитового песка с размером частиц до 0,16 мм, в качестве связующего используется водный раствор гидроксида щелочного металла и силиката натрия, взятые в соотношении 0,6-0,99:0,01-0,4 по массе, в количестве 5-30% от смеси, а защитная оболочка на поверхности ядра сформирована его окатыванием сухим портландцементом с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа.

Для получения ядер гранулированного заполнителя измельченную до прохождения на сите 0,315 мм природную осадочную высококремнеземистую породу или вспученный перлитовый песок с размером частиц до 0,16 мм подавали на стандартный тарельчатый гранулятор, где при распылении водного раствора щелочного металла и жидкого стекла получали ядра заполнителя заданного размера. Полученные ядра заполнителя направляли в барабанный смеситель на формирование защитной оболочки путем окатывания сухим портландцементом марки не ниже CEM II 32,5 по ГОСТ 31108-2003, с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа. Контроль набора прочности гранулированного заполнителя при твердении его при температуре окружающей среды путем испытания в цилиндре производили по ГОСТ 9758-86.

Характеристика компонентов.

1. В качестве кремнеземсодержащего компонента для изготовления ядра заполнителя использовали природные осадочные высококремнеземистые породы (химический состав кремнеземсодержащего сырья представлен в таблице 1):

- опоку, отобранную из открытого карьера Коркинского месторождения, Челябинская область;

- опоку, отобранную из открытого карьера Алексеевского месторождения, республика Мордовия;

- трепел Фокинского месторождения, Брянская область;

- диатомит Инзенского месторождения, Ульяновская область;

- вспученный перлитовый песок по ГОСТ 10832-91, размер частиц до 0,16 мм, марка по насыпной плотности М75.

Таблица 1
Химический состав кремнеземистого сырья
Кремнеземное сырье	Содержание оксидов, мас.%
SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	TiO2	R2O	SO3	п.п.п.
Гидроокись кремния	99,98	-		-	-	-		-	0,02
Опока (Р. Мордовия)	86,5	4,6	3,62	0,98	0,77	0,35	2,07	0,29	0,7
Диатомит (Ульяновская обл.)	81,08	5,63	2,67	0,01	0,68	0,32	1,33	0,05	7,50
Вспученный перлит (г. Ст.Оскол)	75,5	12,5	0,7	1,6	-	-	-	-	9,7
Трепел (Брянская обл.)	74,20	7,20	2,40	6,60	1,10	-	0,60	-	8,60
Перлит (Р. Бурятия)	74,00	14,00	2,60	2,10	-	-	2,36		8,01

2. Для изготовления защитной оболочки заполнителя использовали портландцемент ЦЕМ I 42,5 H ГОСТ 31108-2003;

3. Вода водопроводная по ГОСТ 23732-79.

4. Гидроксид натрия (натрий едкий технический) ГОСТ 2263-79

5. Силиката натрия (жидкое стекло) по ТУ 2385-001-54824507-2000 плотностью 1,2-1,3 г/см³.

Пример конкретного выполнения

Приготовление ядер гранулированного заполнителя.

Измельченную опоку подавали в тарельчатый гранулятор. На поверхность порошка путем разбрызгивания наносился водный раствор щелочного металла и силиката натрия плотностью 1,25 г/см³ в количестве 7% по отношению к массе ядра заполнителя. Скоростью вращения и углом наклона тарели гранулятора регулировали диаметр получаемых ядер, который составлял в данном случае 4,0-4,5 мм.

Получение защитной оболочки на ядрах.

Полученные ядра направляли на опудривание сухим портландцементом марки не ниже СЕМ II 32,5 до получения гранул размером 5,0 мм. Опудривание производили в барабанном смесителе.

Часть полученного гранулированного материала после хранения в течение 10 часов при температуре окружающей среды испытывали на прочность путем сдавливания в цилиндре по ГОСТ 9758-86 (2003), прочность составила 0,25 МПа.

Бетонная смесь на основе заявляемого гранулированного наноструктурирующего заполнителя предназначена для изготовления бетонных строительных изделий, а именно конструкционных материалов, и включает заявляемый заполнитель, портландцемент, песок и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент	15-25
песок	50-65
вода	10-13
заполнитель	2-20

Приготовление бетонной смеси, формовку образцов и их тепловлажностную обработку производили по известной методике [Гершберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. - М.: Стройиздат, 1971, с.98-102, 305-313]. Дозировку компонентов производили весовым способом: портландцемент, кварцевый песок и гранулированный заполнитель перемешивали в шнековом смесителе до однородного состояния и добавляли воду.

Формование образцов производили традиционным способом путем заполнения стандартных форм 2ФК-100 по ГОСТ 10181-2000. Время выдержки в формах - 6 часов.

Тепловлажностную обработку бетонных образцов производили в пропарочной камере при атмосферном давлении по режиму 2+6+2 и температуре изотермической выдержки 90°C.

Бетонная смесь на основе заявляемого гранулированного наноструктурирующего заполнителя предназначена для изготовления бетонных строительных изделий, а именно теплоизоляционных материалов, и включает заявляемый заполнитель, портландцемент и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент	20-35
вода	10-15
заполнитель	50-70

Приготовление бетонной смеси.

Дозировку компонентов производили весовым способом: портландцемент, затворенный водой, и предварительно водонасыщенный гранулированный заполнитель перемешивали в гравитационном смесителе до однородного состояния.

Формование образцов производили традиционным способом путем заполнения стандартных форм 2ФК-100 по ГОСТ 10181-2000. Время выдержки в формах - 6 часов.

Тепловлажностную обработку бетонных образцов производили в пропарочной камере при атмосферном давлении по режиму 3+6+3 и температуре изотермической выдержки 85°C. Это обусловлено увеличенным сопротивлением теплопередачи смеси за счет вводимого гранулированного заполнителя пониженной плотности.

Для сравнения свойств строительных изделий на основе заявляемой бетонной смеси были выбраны соотношения компонентов состава гранулированного наноструктурирующего заполнителя на основе опоки Алексеевского месторождения (респ. Мордовия), равные срединным от заявленного интервала (таблица 2).

Введение в состав бетонной смеси заявляемого гранулированного заполнителя размером 0,5-10 мм, состоящего из ядра в виде связанных между собой раствором гидроксида щелочного металла и силиката натрия молотой природной осадочной высококремнеземистой породой, которое покрыто оболочкой из сухого портланцемента, позволяет получать прочные бетонные строительные изделия с пониженными теплопроводностью и водопроницаемостью, при этом за счет исключения пропарки заполнителя значительно снижается энергоемкость полученных стеновых изделий.

При оптимальном соотношении компонентов (состав №2, табл.2) полученные конструкционно-теплоизоляционные бетонные строительные изделия имеет следующие преимущества по сравнению с известными:

1) показатели прочности увеличиваются на 15%, марка по водонепроницаемости увеличивается до B10;

2) заявляемый гранулированный композиционный заполнитель не требует автоклавной обработки перед вводом его в состав бетонной смеси, за счет этого снижаются энергозатраты при получении строительных изделий.

При оптимальном соотношении компонентов (состав №4, табл.2) полученные теплоизоляционные бетонные строительные изделия имеет следующие преимущества по сравнению с известными:

1) показатели теплопроводности уменьшаются на 70%;

2) заявляемый гранулированный композиционный заполнитель не требует автоклавной обработки получения теплоизоляционного бетона, за счет этого снижаются энергозатраты при получении строительных изделий.

В процессе нанесения защитной оболочки из сухого портландцемента на ядро заполнителя происходит взаимодействие компонентов оболочки с жидким стеклом, приводящее к быстрому росту прочности гранул композиционного заполнителя при температуре окружающей среды, что позволяет использовать его при приготовлении бетонных смесей без дополнительного энергоемкого тепловлажностного отверждения. В процессе тепловлажностной обработки заявляемых бетонных строительных изделий в ядрах гранулированного заполнителя синтезируются водорастворимые силикаты натрия, которые, проникая сквозь защитную оболочку, обеспечивают чрезвычайно прочное сцепление заявляемых гранул с бетонной матрицей изделия, а в случае с теплоизоляционным бетоном - сцепление самих частиц заполнителя.

Гранулированный заполнитель по прототипу при введении его в состав бетонных строительных изделий в процессе тепловлажностной обработки взаимодействует с бетонной матрицей по объему, аналогично предложенному заполнителю. Изделия на основе прототипа обладают худшими показателями по теплопроводности при незначительном увеличении прочности.

Получаемые по заявляемому способу заполнитель и бетонные изделия решают задачу избавления от агрегации при помоле компонентов заполнителя, уменьшения его плотности, а впоследствии и плотности бетонных изделий, в результате чего уменьшается теплопроводность, при этом сохраняются или повышаются прочностные показатели бетонных строительных изделий, снижаются энергозатраты, так как при применении изобретения не требует обжига. Использование в качестве оболочки для заполнителя сухого портландцемента решает проблему возникновения дополнительной пористости и слабой контактной зоны гранулированного наноструктурирующего заполнителя и цементной матрицы.

1. Гранулированный наноструктурирующий заполнитель на основе высококремнеземистых компонентов для бетонной смеси, состоящий из кремнеземсодержащего сырья в виде гранул размером 0,5-10 мм, имеющих ядро, скрепленное водным раствором щелочесодержащего связующего, и защитную оболочку, отличающийся тем, что ядро состоит из высококремнеземистой породы, измельченной до прохождения на сите с ячейкой 0,315 мм или вспученного перлитового песка с размером частиц до 0,16 мм, в качестве связующего используется водный раствор гидроксида щелочного металла и силиката натрия, взятые в соотношении 0,6-0,99:0,01-0,4 по массе, в количестве 5-30% от смеси, а защитная оболочка на поверхности ядра сформирована его окатыванием сухим портландцементом с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа.

2. Бетонная смесь для изготовления строительного изделия, характеризующаяся тем, что она содержит заполнитель по п.1, портландцемент, песок и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент	15-25
песок	50-65
вода	10-13
заполнитель	2-20

3. Бетонная смесь для изготовления строительного изделия, характеризующаяся тем, что она содержит заполнитель по п.1, портландцемент и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент	20-35
вода	10-15
заполнитель	50-70

4. Бетонное строительное изделие, характеризующееся тем, что оно изготовлено из смеси по п.2 или 3.