Древесно-цементная смесь для изготовления теплоизоляционных и конструкционных строительных материалов
Владельцы патента RU 2568445:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петрозаводский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к древесно-цементным смесям для изготовления теплоизоляционных и конструкционных строительных материалов. Технический результат заключается в повышении прочности, эффективном использовании отходов лесопиления и камнеобработки, экологической безопасности. Древесно-цементная смесь содержит опилки крупностью не более 10 мм, в том числе 85 мас.% частиц крупностью от 1 до 5 мм включительно, а в качестве неорганического наполнителя смесь содержит отходы механической камнеобработки в виде частиц мрамора крупностью не более 3 мм, в том числе 75-95 мас.% частиц крупностью от 1 до 2 мм, портландцемент, известь, воду, волокно и добавки, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 26-30; опилки 30-34; известь 2-3; отходы камнеобработки в виде частиц мрамора 4-5; жидкое стекло 3-6; сульфат алюминия 1-3; полипропиленовые волокна 0,05-0,2; вода 25,95-26,8. 3 ил., 3 табл.
Предлагаемое техническое решение относится к древесно-цементным смесям, которые содержат неорганические связующие и используются для изготовления конструкционных и теплоизоляционных материалов в малоэтажном строительстве, соответствует МПК C04B 28/00.
Известна арболитовая смесь по патенту RU 2455264 [1], содержащая цемент, древесную дробленку, известь, пенообразователь, жидкое стекло и листовое молотое стекло. Однако для получения данной смеси необходимы затраты ресурсов на производство древесной дробленки и молотого листового стекла, что отрицательно влияет на характеристики данной смеси по критериям ресурсосбережения и энергоэффективности.
Известен опилкобетон по патенту RU 2106322 [2] для изготовления строительных изделий, включающий, мас.%: портландцемент 30, гашеную известь 5, мелкий гравий или песок 10, опилки 30, глину 5 и воду 20. При использовании портландцемента марки 500 прочность опилкобетона при сжатии до 2,1 МПа. Однако гравий и песок увеличивают плотность и снижают теплоизоляционные свойства изделий из данной смеси.
Известен состав для изготовления строительных блоков по заявке RU 93058241/33 [3], содержащий (мас.% в сухом состоянии): опилки до 70%, цемент 20-50%, известь до 20%. Однако такой состав не обеспечивает достаточную прочность строительных блоков.
Известна арболитовая смесь по патенту RU 2466952 [4], которая содержит древесную дробленку, гипс, мылонафт, стекловолокно, нарезанное на отрезки 3-15 мм. В данном случае отрезки стекловолокна, распределенные в смеси, выполняют функцию дисперсного армирования изделий из данной смеси, что уменьшает трещинообразование и, как следствие, повышает прочность блоков и плит из смеси. Однако для получения данной арболитовой смеси необходимо дополнительное производство древесной дробленки, что отрицательно влияет на характеристики выпускаемой продукции по критериям ресурсосбережения и энергоэффективности. Кроме того, такой состав не обеспечивает в достаточной степени прочность строительных элементов из данной смеси.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения, т.е. древесно-цементной смеси для изготовления строительных материалов, является арболитовая смесь по патенту RU 2476399 [5], которая принята качестве прототипа. Указанная смесь содержит следующие компоненты, количество которых выражено в весовых частях: портландцемент 20-25; древесная дробленка 60,5-62; гипс 1-1,5; известь 1-1,5; асбестовое волокно длиной 5-50 мм 1-1,5; предварительно обожженные и молотые асбестоцементые отходы 10-15, причем водоцементное отношение составляет 0,9-1,1.
Однако для получения данной арболитовой смеси необходимы обжиг и помол асбестоцементных отходов, что отрицательно влияет на характеристики выпускаемой продукции по критериям ресурсосбережения и энергоэффективности. Кроме того, асбест является канцерогенным материалом, что существенно ограничивает область применения смеси.
Технический результат от применения предлагаемого технического решения заключается в повышении эффективности экологически безопасного использования отходов камнеобработки и деревообработки, увеличении прочности блоков и плит, а также в упрощении технологии и уменьшении трудоемкости изготовления смеси и изделий из нее.
Данный технический результат достигается за счет того, что в качестве измельченной древесины использованы отходы лесопиления - опилки с частицами крупностью не более 10 мм, в том числе 85 мас.% частиц крупностью от 1 до 5 мм включительно и 15 мас.% - остальные частицы, а в качестве неорганического наполнителя смесь содержит отходы механической камнеобработки в виде частиц мрамора крупностью не более 3 мм, в том числе 75-95 мас.% частиц мрамора крупностью от 1 до 2 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| портландцемент | 26-30 |
| опилки | 30-34 |
| известь | 2-3 |
| отходы камнеобработки в виде частиц мрамора | 4-5 |
| жидкое стекло | 3-6 |
| сульфат алюминия | 1-3 |
| полипропиленовые волокна | 0,05-0,2 |
| вода | 25,95-26,8 |
На фиг. 1 показана с увеличением структура материала из предлагаемой смеси. В качестве масштабного фактора использована линейка, цена деления линейки которой равна 1 мм.
На фиг. 2 показана с тем же увеличением структура материала, полученного при прочих равных условиях, но без добавки отходов мрамора.
На фиг. 3 показан блок при испытаниях на сжатие.
Способ получения предлагаемой смеси включает в себя следующие технологические операции.
Выполняется дозирование компонентов смеси. При этом в момент подачи на дозирование все компоненты должны иметь положительную температуру.
Перемешивают полипропиленовое волокно в виде отрезков длиной от 8 до 30 мм и диаметром от 0,08 до 0,3 мм с ненасыщенными влагой опилками для достижения равномерного распределения данного волокна в смеси. Для перемешивания используют, например, миксер с электроприводом для приготовления строительных растворов и бетонов.
После равномерного распределения волокон в опилках добавляют воду с растворенным в ней сульфатом алюминия. При этом выполняется перемешивание получаемой смеси.
При дальнейшем перемешивании в смесь добавляют портландцемент, известь и отходы камнеобработки в виде частиц мрамора. Указанные компоненты перемешивают до получения однородной смеси.
Затем добавляют жидкое стекло. Процесс перемешивания прекращается в момент подачи готовой смеси в формы.
В зимнее время формы должны иметь положительную температуру, но не более 40°C. Смесь в формах уплотняют, например, с помощью вибропресса. При этом частоту и амплитуду вибрирования подбирают так, чтобы избежать расслоения смеси.
Затем изделие выдерживают в формах до достижения распалубочной прочности. Признаком достижения распалубочной прочности является стабильность геометрической формы изделия при воздействии на него только его собственного веса после извлечения из формы.
Затем изделие выдерживают для набора достаточной для хранения на складе прочности в естественных условиях, при температуре воздуха 15-40°C и относительной влажности воздуха 50-80%. Отпускная прочность изделий достигается в течение 28 суток.
Прочность образцов на сжатие в возрасте 28 суток определяется экспериментально, например, с использованием испытательной машины AG 50 kNX SHIMADZU (фиг. 3). Для испытаний используются образцы стандартной формы в виде куба.
Прочность при сжатии образцов из предлагаемой смеси составляет не менее 2,5 МПа, что достаточно для использования при строительстве малоэтажных зданий в соответствии с установленными требованиями [6-8].
Среднее значение коэффициента теплопроводности материала из предлагаемой смеси в изделии, высушенном до постоянной плотности в естественных условиях, близких к условиям эксплуатации реальных конструкций, равно 0,13 Вт/м*К.
Среднее значение плотности материала образцов в возрасте 28 суток составит 713 кг/м3.
Сравнительный анализ показывает, что структура материала из предлагаемой смеси (фиг. 1) существенно более однородна. Тем самым достигается более высокая прочность материала из предлагаемой смеси.
Если доля цемента в смеси больше 30 мас.%, то прочность блоков и плит из данной смеси будет недостаточна для консолидации частиц опилок. С увеличением доли цемента прочность консолидации возрастает. Однако увеличение доли цемента сверх 30 мас.% неэффективно, поскольку приращение прочности становится незначительным, но существенно возрастает плотность и ухудшаются теплоизоляционные свойства блоков и плит из данной смеси.
Если доля опилок в смеси меньше 30 мас.%, то существенно возрастает плотность и ухудшаются теплоизоляционные свойства блоков и плит из данной смеси.
Если доля опилок в смеси больше 34 мас.%, то для консолидации частиц опилок требуется увеличение доли цемента, что приводит к заявленному соотношению опилок и цемента в смеси.
При этом если в опилках доля частиц мельче 1 мм превышает 15%, то существенно уменьшается прочность изделия из древесно-цементной смеси. В этом случае для компенсации уменьшения прочности требуется увеличение доли цемента, что увеличивает плотность изделия, снижает его теплоизоляционные характеристики. Если в опилках доля частиц крупнее5 мм превышает 15%, то существенно снижается однородность материала, полученного из древесно-цементной смеси и, как следствие, уменьшается его прочность.
Если доля извести в смеси меньше 2 мас.%, то эффективность ее применения недостаточна. С увеличением доли извести прочность материала из данной смеси растет. Однако если доля извести в смеси больше 3 мас.%, то рост эффективности ее применения прекращается.
Если доля частиц мрамора в смеси меньше 4 мас.%, то эффективность их применения по критерию прочности недостаточна. С увеличением доли частиц мрамора прочность материала из данной смеси растет, однако если доля извести в смеси больше 5 мас.%, то эффективность их применения уменьшается, увеличивается плотность изделия, ухудшаются теплоизоляционные свойства.
Если доля сульфата алюминия в смеси меньше 1 мас.%, то эффективность его применения недостаточна. С увеличением доли сульфата алюминия эффективность его применения растет, однако если его доля больше 3 мас.%, то рост эффективности его применения прекращается.
Если доля полипропиленовых волокон в смеси меньше 0,05 мас.%, то эффективность их применения недостаточна. С увеличением их доли прочность изделия из смеси растет за счет армирования материала. Однако если доля волокон больше 0,2 мас.%, то рост эффективности их применения прекращается.
Количество воды в предлагаемой смеси соответствует водоцементному отношению 0,8-1,1. Такое соотношение воды и цемента обеспечивает оптимальные условия консолидации смеси с образованием достаточно прочного материала. Уменьшение количества воды не обеспечивает полного использования свойств цемента как вяжущего компонента. Увеличение количества воды приводит к уменьшению прочности изделий из смеси.
Технический результат от применения предлагаемого технического решения заключается в повышении эффективности экологически безопасного использования отходов камнеобработки и деревообработки, увеличении прочности блоков и плит, а также в упрощении технологии и уменьшении трудоемкости изготовления смеси и изделий из нее. Использование предлагаемой смеси обеспечивает получение заявленного технического эффекта за счет того, что в качестве основных компонентов смеси используются отходы камнеобработки в виде частиц мрамора и отходы лесопиления в виде опилок без дополнительной их обработки. Кроме того, не требуется специального производства древесной дробленки. Все компоненты заявленной смеси являются экологически безопасными.
В заявленной смеси технический эффект достигается за счет взаимодействия компонентов, количественное соотношение которых обеспечивает получение синергетического эффекта, итоговым проявлением которого является повышение эффективности использования экологически безопасных отходов камнеобработки и деревообработки, увеличение прочности изделий (блоков и плит) из смеси, а также упрощение технологии и уменьшение трудоемкости изготовления смеси и изделий из нее. Эти факторы положительно влияют на характеристики изделий из предлагаемой смеси по критериям ресурсосбережения, экологической безопасности и конкурентоспособности.
Пример технической реализации древесно-цементной смеси для изготовления строительных материалов. При разработке заявляемой смеси учтено, что древесные опилки отличаются большой вариабельностью физико-механических свойств, зависящих, в числе других факторов, от типа лесопильного оборудования. Заявляемое техническое решение было реализовано с использованием опилок, гранулометрический состав которых приведен в таблице 1.
Согласно таблице 1 суммарная доля частиц крупностью от 1 до 5 мм включительно составляет для лесопильных станков 1 и 2, соответственно, 92,63% и 90,10%.
Гранулометрический состав отходов механической камнеобработки в виде частиц мрамора представлен в таблице 2.
Использовался портландцемент марки М400 по ГОСТ 30515-97, жидкое стекло по ГОСТ 13078-81 плотностью 1,45 г/см3 с массовой долей двуокиси кремния 34,2% и силикатным модулем 2.6, сульфат алюминия технический очищенный по ГОСТ 1296685, известь гидратная без добавок по ГОСТ 9179-77, полипропиленовые волокна в виде отрезков длиной 18 мм и диаметром 0,2 мм по ТУ 2272-001-90345062-2012, отходы камнеобработки в виде частиц мрамора, вода водопроводная. В таблице 3 приведены составы предлагаемой смеси.
Водоцементное соотношение для составов 1 и 2 по таблице 3 равно, соответственно, 0,87 и 1,03.
В соответствии с предлагаемым способом получения смеси выполняется дозирование компонентов, например, согласно таблице 2. Как указано выше, в момент подачи на дозирование все компоненты должны иметь положительную температуру.
Для достижения наилучшего распределения полипропиленового волокна в готовой смеси его перемешивают с ненасыщенными влагой опилками. После равномерного распределения волокон в опилках следует затворить их водой с растворенным в ней сульфатом алюминия. Дать опилкам прореагировать с сульфатом алюминия. При дальнейшем перемешивании в смесь добавляют портландцемент, известь и отходы камнеобработки в виде частиц мрамора. Указанные компоненты перемешивают до получения однородной смеси. Затем добавляют жидкое стекло. Процесс перемешивания прекращается в момент подачи готовой смеси в формы.
В зимнее время формы должны иметь положительную температуру, но не более 40°C. Смесь в формах уплотняют, например, с помощью вибропресса. При этом частоту и амплитуду вибрирования подбирают так, чтобы не допускать расслоения смеси. Затем изделие выдерживают до достижения распалубочной прочности. Извлекают изделие из формы и выдерживают для набора прочности в естественных условиях, при температуре воздуха 15-40°C и относительной влажности воздуха 50-80%. Отпускная прочность достигается в течение 28 суток.
Прочность образцов на сжатие в возрасте 28 суток определялась экспериментально с использованием испытательной машины AG 50 kNX SHIMADZU (фиг. 3). Образцы имели форму куба с ребром 100 мм.
Прочность при сжатии серии образцов составила не менее 2,5 МПа, что достаточно для использования при строительстве малоэтажных зданий в соответствии с установленными требованиями [6-8].
Среднее значение коэффициента теплопроводности материала из предлагаемой смеси в изделии, высушенном до постоянной плотности в естественных условиях, близких к условиям эксплуатации реальных конструкций, определенное зондовым методом, равно 0,13 Вт/м*К.
Среднее значение плотности материала образцов в возрасте 28 суток составило 713 кг/м3.
Если исключить из смеси указанные выше отходы мрамора, то прочность при сжатии уменьшается в два раза. Объясняется это тем, что в предлагаемой смести за счет использования отходов мрамора и их синергетического взаимодействия с другими компонентами при заявленном их соотношении в предлагаемой смеси существенно улучшается структура материала, что следует из сравнения увеличенных фотографий поверхности образцов с ценой деления масштабной линейки 1 мм, представленных на фиг. 1 и 2.
Библиография
1. Арболитовая смесь. Патент на изобретение RU 2455264. МПК C04B 38/10. Опубликовано: 10.07.2012.
2. Опилкобетон. Патент RU 2106322. МПК C04B 28/00; C04B 28/00; C04B 18:26; C04B 111:20. Опубликовано: 10.03.1998.
3. Состав для изготовления строительных блоков, строительный элемент и способ его изготовления. Заявка: RU 93058241/33. МПК E04C 2/10; B27N 3/02. Опубликовано: 10.01.1996.
4. Арболитовая смесь. Патент RU 2466952. МПК C04B 28/02. Опубликовано: 20.11.2012.
5. Арболитовая смесь. Патент RU 2476399 МПК C04B 28/04. Опубликовано: 27.02.2013
6. ГОСТ 19222-84. Арболит и изделия из него. Общие технические условия.
7. СН 549-82. Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций и изделий из арболита.
8. Наназашвили И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции. М.: Стройиздат, 1990. - 415 с.
Древесно-цементная смесь для изготовления теплоизоляционных и конструкционных строительных материалов, компонентами которой являются измельченная древесина, портландцемент, известь, вода, волокно, неорганические наполнители и добавки, отличающаяся тем, что в качестве измельченной древесины использованы отходы лесопиления - опилки с частицами крупностью не более 10 мм, в том числе 85 мас.% частиц крупностью от 1 до 5 мм включительно и 15 мас.% - остальные частицы, а в качестве неорганического наполнителя смесь содержит отходы механической камнеобработки в виде частиц мрамора крупностью не более 3 мм, в том числе 75-95 мас.% частиц мрамора крупностью от 1 до 2 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| портландцемент | 26-30 |
| опилки | 30-34 |
| известь | 2-3 |
| отходы камнеобработки в виде частиц мрамора | 4-5 |
| жидкое стекло | 3-6 |
| сульфат алюминия | 1-3 |
| полипропиленовые волокна | 0,05-0,2 |
| вода | 25,95-26,8 |
