Пористый заполнитель бетона и способ его получения
Владельцы патента RU 2570161:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) (RU)
Изобретение относится к области производства строительных материалов, а именно к производству искусственных пористых заполнителей с развитой контактной поверхностью из кремнистых пород для легких бетонов, теплоизоляционных засыпок и других изделий. Способ получения пористого заполнителя бетона включает дробление кремнистой опоки с выделением ядер с размером фракции 5-20 мм, обработку полученных ядер 40-50%-ной водной суспензией шликера, образованной смесью водного раствора метасиликата натрия с силикатным модулем 1,7-2,0 и плотностью 1,2-1,3 г/см3 и легкоплавкой монтмориллонитовой глины или бентонитовой глины, взятых в соотношении 1:10, с формированием оболочки на поверхности ядра, последующее опудривание влажной оболочки пылевидно-волокнистыми отходами производства термостойкого базальтового волокна и обжиг при температуре 800-900°С и в течение времени, обеспечивающих вплавление базальтовых волокон с формированием плотной стеклокерамической оболочки. Пористый заполнитель бетона, полученный указанным выше способом. Технический результат - повышение прочности и морозоустойчивости пористого заполнителя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к области производства строительных материалов, а именно к производству искусственных пористых заполнителей с развитой контактной поверхностью из кремнистых пород для легких бетонов, теплоизоляционных засыпок и других изделий.
Известен способ изготовления теплоизоляционного материала на основе кремнистых пород (патент РФ на изобретение №2154618), относящийся к производству неорганических строительных материалов на основе природного сырья, включающий перемешивание предварительно отдозированной кремнистой породы из группы: трепел, диатомит, опока и щелочной компонент, укладку смеси в формы и ее термическую обработку нагреванием при температуре 40-60°C в течение 30-60 мин и дальнейшим нагревом до температуры 800-900°C со скоростью 50-150°C/мин, выдерживанием при данной температуре 20-30 мин. Технический результат данного решения - повышение водостойкости теплоизоляционного материала. Однако теплоизоляционный материал, полученный данным способом, имея агломерационную структуру, не может быть использован как гранулированный легкий заполнитель бетона или в виде теплоизоляционной засыпки без дополнительных операций дробления и классификации, разделения по фракциям.
Известен также способ получения заполнителя из кремнистых камневидных пород для конструкционных бетонов (патент РФ на изобретение №2160722), включающий их дробление, обработку поверхности водным раствором натриевой соли адипиновой кислоты, обжиг и охлаждение. При этом дробление ведут до получения зерен фракции 10-15 мм, а обработку осуществляют водным раствором щелочного стока производства капролактама концентрации 5-10% в течение 3-5 мин при перемешивании. Недостатком данного способа является то, что легкий заполнитель бетона, полученный за счет частичной кольматации пор и «залечивания» структурных дефектов и трещин легкоплавкими стеклофазами, несмотря на приобретаемую повышенную прочность и морозостойкость, из-за большого процента оставшихся открытых и сообщающихся пор обладает значительным водопоглощением.
Наиболее близкими к изобретению являются обожженный пустотелый или пористый гранулированный заполнитель и способ его получения (патент РФ на полезную модель №74384). Заполнитель состоит из ядра с нанесенным на него покрытием из глинистого материала, при этом в качестве ядер он содержит дробленое теплоизоляционное пеностекло либо дробленое звукоизоляционное пеностекло с размером зерен 3-30 мм. Способ получения заполнителя включает подачу увлажненного дробленого теплоизоляционного пеностекла с размером зерен 3-30 мм на вибролоток на слой измельченного до дисперсности частиц менее 0,1 мм Шебекинского суглинка с формированием в процессе продвижения зерен пеностекла по вибролотку, гранул с размером 4-32 мм, обжиг полученных гранул в муфельной печи при температуре 790-1050°С с последующим охлаждением вместе с муфелем до комнатной температуры.
Недостатком известных технических решений является необходимость применения в качестве ядер при формировании сырцовых гранул - дробленого пеностекла, не нашедшего широкого распространения и являющегося дорогостоящим материалом (уже изначально из-за высокой энергоемкости производства). Кроме того, сформированные полые гранулы обладают низкими показателями прочности и морозостойкости.
Задачей изобретения является получение прочного и морозоустойчивого гранулированного заполнителя с развитой волокнистой контактной поверхностью.
Техническим результатом является повышение прочности и морозостойкости заполнителя, повышение его удельной поверхности.
Поставленная задача решается тем, что способ получения пористого заполнителя бетона включает дробление кремнистой опоки с выделением ядер с размером фракции 5-20 мм, обработку полученных ядер 40-50% водной суспензией шликера, образованной смесью водного раствора метасиликата натрия с силикатным модулем 1,7-2,0 и плотностью 1,2-1,3 г/см3 и легкоплавкой монтмориллонитовой глины или бентонитовой глины, взятых в соотношении 1:10, с формированием оболочки на поверхности ядра, последующее опудривание влажной оболочки пылевидно-волокнистыми отходами производства термостойкого базальтового волокна и обжиг при температуре 800-900°С и в течение времени, обеспечивающих вплавление базальтовых волокон с формированием плотной стеклокерамической оболочки. При этом обработку ядер шликером могут осуществлять методом окунания или полива. Обжиг ведут при температуре 800-900°С с изотермической выдержкой в течение 15 мин.
Поставленная задача также решается тем, что пористый заполнитель бетона, полученный по вышеописанному способу, выполнен в виде гранул размером 5-20 мм с развитой контактной поверхностью, состоящих из ядра и оболочки, при этом в качестве ядра содержит зерна дробленой кремнистой опоки, а оболочка выполнена в виде стеклокерамического покрытия толщиной 1-2 мм с вплавленными базальтовыми волокнами.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Осуществляют приготовление пористых ядер из кремнистой опоки путем дробления горной породы, например, на щековой дробилке с последующим разделением ядер по фракциям крупности от 5 до 20 мм (например, с помощью вибросита или виброгрохота). Образованные ядра обрабатывают шликером, например, посредством погружения или поливом с помощью нисходящей струи. При этом шликер представляет собой 40-50% водную суспензию, образованную смесью водного раствора метасиликата натрия (жидкого стекла) и легкоплавкой монтмориллонитовой или бентонитовой глины, взятых в соотношении 1:10 соответственно. В результате такой обработки за счет фильтрационных процессов отбора влаги и обезвоживания шликера на границе контакта с ядрами на их пористой поверхности формируется оболочка (пленка) толщиной 1-2 мм в виде глиняной корки (толщина образующейся пленки набирается в течение не более 1 мин). Затем осуществляют опудривание влажной поверхности оболочки пылевидно-волокнистыми отходами производства термостойкого базальтового волокна с последующим обжигом сформированных сырцовых гранул в печи при температуре 800-900°С с образованием плотной стеклокерамической оболочки на поверхности гранулы. При обжиге обеспечивается совмещение процесса тридимитизации кремнезема и сохранение природной микропористой структуры в ядре, формирование плотной стеклокерамической оболочки гранулы, а вплавленные в ее поверхность волокна повышают удельную поверхность, увеличивая у заполнителя контактную зону и сдвиговую устойчивость. Образованные в процессе обжига гранулы заполнителя в результате огневой усадки имеют размер от 5 до 20 мм.
В примерах реализации заявляемого способа изготовления заполнителя в качестве сырья использованы следующие исходные компоненты и технологические операции.
Опоки - лёгкие сцементированные тонкопористые породы, состоящие в основном из мельчайших (менее 0,005 мм) частиц кремнезёма. Средняя плотность составляет около 900 кг/м3, пористость достигает 60%. Постоянной составляющей опок являются опаловый кремнезем 54-80%, глинистые минералы 10-40% и до 10% песчаные частицы.
В качестве сырья для получения ядер заполнителя использовали опоку Вольского месторождения Саратовской области, химический состав которой приведен в табл. 1.
Эффективный диаметр пор у относительно крупнопористых и трепеловидных опок колеблется в пределах от 80 до 110 Ǻ, а удельная поверхность - от 90 до 130 м2/г.
Таблица 1. Химический состав опок Вольского месторождения Саратовской области, мас.%
| SiO2 | AI2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | К2О | Na2O | ппп | Сумма |
| 79,41 | 8,03 | 3,82 | 1,03 | 1,05 | 0,35 | 1,29 | 0,42 | 4,41 | 99,81 |
Мелкопористые опоки имеют эффективный диаметр пор менее 60 Ǻ и удельную поверхность менее 90-60 м2/г. Использовали монофракционные ядра опоки размером 5 и 20 мм соответственно.
В основу глиняного шликера входила глина Елшанского месторождения (г. Саратов) - легкоплавкая, монтмориллонитовая, морского происхождения, среднеюрского возраста, синевато-серой окраски, среднепластичная (число пластичности 13-40). Химический состав: оксид кремния 38-70%, оксид алюминия 10-21%, оксид железа 4-9%, оксид кальция 1-7%, оксид магния 1-2%. Температура обжига 750-1050°С. В качестве щелочного компонента шликера использовали натриевое жидкое стекло по ТУ 2385-001-54824507-2000 с силикатным модулем 1,7-2,0 и плотностью 1,2-1,3 г/см3. Шликер приготавливали в два этапа. Сначала смешивали 10 мас.ч. глины и 1 мас.ч. жидкого стекла, в полученную смесь добавляли воду до получения суспензии с 40-50% влажностью. При этом допускается первоначальное растворение отмеренной дозы жидкого стекла в воде и дальнейшее перемешивание с необходимым количеством глины. Количество жидкого стекла в шликере не менее 10% подобрано таким образом, чтобы обеспечить стабильное, не склонное к расслаиванию состояние суспензии с 40-50% влажностью. Количество жидкого стекла в шликере более 10% в процессе последующего обжига гранул может привести к повышенному содержанию плавней в составе стеклокерамической оболочки, что негативно повлияет на технологические параметры термообработки и качество конечной продукции.
Средний химический состав базальтового волокна, мас.%: SiO2 -49,06; TiO2 - 1,36; Al2O3 - 15,7; Fe2O3 - 5,38%; FeO - 6,37; MgO - 6,17; CaO - 8,95; Na2O - 3,11; K2O -1,52; MnO - 0,31; P2O5 - 0,45; H2O - 1,62. Температура плавления 1100-1250°С.
Для опудривания влажной глиняной поверхности оболочки (после погружения ядер в шликер) использовали пылевато-волокнистые отходы, образованные в производстве базальтового волокна на Саратовском заводе стройматериалов. Основные характеристики отходов приведены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристика пылевато-волокнистых отходов, образованных в производстве базальтового волокна на Саратовском заводе стройматериалов
| Плотность, г/см3 |
Прочность на растяжение, МПа | Диаметр волокна, мкм | Удлинение при разрыве, % |
| 2,6 | 1800 | 200 | 1,4 |
Опудривание влажной поверхности сырцовых гранул пылевидно-волокнистыми отходами производства термостойкого базальтового волокна производили в барабанном смесителе, их последующий обжиг производили в муфельной печи при атмосферном давлении в интервале температур 800-900°С по режиму: нагрев до 600°С за 20 мин, последующий нагрев до 800-900°С со скоростью 100°С/мин, изотермическая выдержка при данной температуре в течение 15 мин, охлаждение до комнатной температуры со скоростью 100°С/мин.
В стеклокерамическом покрытии гранул в процессе их обжига при 800-900°С и изотермической выдержке в течение 15 мин, вплавленные базальтовые волокна претерпевают кристаллизацию с образованием минералов пироксеновой группы (авгит, диопсид, геденбергит). Изотермическая выдержка в течение интервала времени более 15 мин приводит к полнообъемной кристаллизации базальтовых волокон, что приводит к повышению их хрупкости, и, как следствие, снижению удельной поверхности гранул.
Свойства полученных заполнителей в сравнении с прототипом приведены в табл. 3.
Таблица 3. Свойства полученных заполнителей
| №п/п | Размер ядер (гранул), мм | Насыпная плотность, кг/м3 | Прочность при сжатии в цилиндре, МПа | Удельная поверхность зерна (метод парафинирования), м2/л | Марка по морозостойкости | |
| В сухом состоянии | После выдержки в воде | |||||
| Температура обжига менее 800°С - недожог (осыпание необожженных компонентов оболочки) | ||||||
| Температура обжига 800°С | ||||||
| 11 | 3 | 500 | 5,3 | 5,1 | 19 | F10 |
| 22 | 5 | 450 | 6,2 | 6,0 | 17 | F20 |
| 33 | 20 | 400 | 7,5 | 7,3 | 13 | F15 |
| 44 | 30 | 380 | 4,9 | 4,7 | 11 | F10 |
| Температура обжига 900°С | ||||||
| 55 | 3 | 450 | 5,7 | 5,5 | 15 | F10 |
| 66 | 5 | 400 | 6,8 | 6,6 | 13 | F30 |
| 77 | 20 | 380 | 8,0 | 7,8 | 11 | F20 |
| 88 | 30 | 350 | 5,2 | 4,9 | 10 | F10 |
| Температура обжига более 900°С пережог (образование на гранулах участков совместного оплавления ядра, оболочки и волокон, сплавление гранул) | ||||||
| Прототип: материал ядра - дробленое пеностекло и температура обжига 920°С | ||||||
| 99 | 3-30 | 392 | 2,6 | 2,4 | 0,8* | F5* |
| * - параметры определены экспериментально на модельных образцах, так как в прототипе они не указаны |
Исследование свойств полученных материалов проводилось в соответствие с требованиями ГОСТ 9758-86 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ» Методы испытаний.
Анализ данных табл. 3 результатов испытаний полученных заполнителей показывает следующее.
1. Полученный пористый заполнитель бетона c насыпной плотностью 380-450 кг/м3, морозостойкостью не менее F15 и прочностью при сжатии в цилиндре до 8 МПа в соответствии c ГОСТ 9757-90 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ» отвечает марке П400.
2. Увеличение размера гранул более 20 мм (примеры 4 и 8) приводит к снижению их прочности как в сухом, так и в насыщенном водой состоянии, а также падению морозостойкости.
3. Уменьшение размера гранул менее 5 мм (примеры 1 и 5) приводит к возрастанию насыпной плотности, за счет перераспределения соотношения кремнистой и стеклокерамической составляющих частей гранулы (увеличение стеклокерамической доли и уменьшение кремнистой).
4. Температура обжига менее 800°С недостаточна для перехода опаловидной структуры ядра в кристаллическое состояние, а также для формирования прочного керамического черепка скорлупы. Температура обжига выше 900°С приводит к образованию значительного количества стекловидной фазы в керамическом слое гранулы и опасности оплавления базальтовых волокон (ассимиляции со стеклокерамической массой), что приводит к снижению величины удельной поверхности зерна. Возникает также опасность сплавления гранул.
Примеры 2, 3, 6, 7 отвечают поставленному техническому результату, отличаются от прототипа улучшенными эксплуатационными показателями и имеют преимущества по прочности, морозостойкости и удельной поверхности. Полученные в соответствии с предлагаемым техническим решением заполнители обладают развитой волокнистой контактной поверхностью, позволяющей обеспечить лучшую адгезию и равномерное объемное распределение зерен в композиции с цементным камнем.
Таким образом, предлагаемое техническое решение расширяет сырьевую базу производства теплоизоляционных засыпок и гранулированных легких заполнителей бетонов, обладающих улучшенными характеристиками по прочности и морозостойкости.
1. Способ получения пористого заполнителя бетона, включающий дробление кремнистой опоки с выделением ядер с размером фракции 5-20 мм, обработку полученных ядер 40-50%-ной водной суспензией шликера, образованной смесью водного раствора метасиликата натрия с силикатным модулем 1,7-2,0 и плотностью 1,2-1,3 г/см3 и легкоплавкой монтмориллонитовой глины или бентонитовой глины, взятых в соотношении 1:10, с формированием оболочки на поверхности ядра, последующее опудривание влажной оболочки пылевидно-волокнистыми отходами производства термостойкого базальтового волокна и обжиг при температуре 800-900°С и в течение времени, обеспечивающих вплавление базальтовых волокон с формированием плотной стеклокерамической оболочки.
2. Способ получения пористого заполнителя бетона по п.1, характеризующийся тем, что обработку ядер шликером осуществляют методом окунания или полива.
3. Способ получения пористого заполнителя бетона по п.1, характеризующийся тем, что обжиг ведут при температуре 800-900°С с изотермической выдержкой в течение 15 мин.
4. Пористый заполнитель бетона, полученный способом по п.1 и выполненный в виде гранул размером 5-20 мм с развитой контактной поверхностью, состоящих из ядра и оболочки, при этом в качестве ядра содержит зерна дробленой кремнистой опоки, а оболочка выполнена в виде стеклокерамического покрытия толщиной 1-2 мм с вплавленными базальтовыми волокнами.
