Состав и способ изготовления сырьевой смеси ячеистых материалов
Владельцы патента RU 2785156:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Дагестанский федеральный исследовательский центр Российской академии наук (ФГБУН ДФИЦ РАН) (RU)
Группа изобретений относится к промышленности строительных материалов, а именно к сырьевой смеси для изготовления теплоизоляционных ячеистых материалов и способу ее приготовления. Сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов включает, мас.%: портландцемент марки 500 40-45, заполнитель – керамзит дробленый крупностью 0-5 мм или кварцевый песок с Мк р. 1,8-2,0 32, пенообразователь ПБ-2000 2, полимерное волокно строительное микроармирующее - ВСМ диаметром 20-50 мкм и длиной 3-18 мм или базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм 3-10, суперпластификатор Sika ViscoCrete-3 0,2, модифицирующую добавку – коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5 2-4, воду - остальное. Технический результат – повышение прочности на сжатие и растяжение, повышение коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам и способам изготовления теплоизоляционных ячеистых материалов.
Известны сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов и способ ее приготовления [1], сущность которого состоит в том, что сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов, включающая связующее вещество, заполнитель, порообразователь - пенообразователь, дисперсную арматуру - волокна и воду, содержит волокна с модулем упругости волокон больше модуля упругости ячеистого материала, поперечным сечением, не превышающим 1 мм2 и с отношением длины к площади поперечного сечения более 100 мм‐1 и дополнительно добавку, а в части способа приготовления сырьевой смеси включает перемешивание в смесителе связующего вещества, заполнителя, порообразователя - пенообразователя, дисперсной арматуры - волокон и воды, при этом волокна вводятся хаотично, а при перемешивании дополнительно вводят добавку при следующей последовательности введения компонентов в смеситель: вода, связующее, добавка, заполнитель, пенообразователь, волокна.
Недостатком известного является невысокая прочность полученного пенофибробетона на сжатие и растяжение при использовании полимерных и базальтовых дисперсных волокон и, как следствие, небольшие значения коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов, а также низкая эффективность процесса приготовления смеси.
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению по совокупности признаков, т.е. прототипами, являются состав и способ изготовления ячеистых материалов [2], включающая: при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент марки 500 40-45; заполнитель - керамзит дробленый крупностью 0-5 мм или кварцевый песок с Мк р. 1,8-2,0 32; пенообразователь ПБ-2000 2; полимерное волокно диаметром 20-50 мкм и длиной 3-18 мм или базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм 3-10; суперпластификатор Sika ViscoCrete-3 0,2; многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм 0,4; вода остальное, а также способ приготовления указанной сырьевой смеси, включающий предварительную обработку указанного суперпластификатора с водой и указанными нанотрубками в течение 30-60 с в ультразвуковом диспергаторе с частотой 20 кГц, перемешивание в смесителе полученной суспензии с портландцементом марки 500, заполнителем, пенообразователем ПБ-2000 и волокном в течение 5-6 мин.
Недостатком этого состава и способа является низкие показатели прочности и коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов. Кроме того известные методы получения углеродных нанотрубок технологически сложны и дороги. Большой проблемой в процессе получения нанотрубок является управление процессом их роста, особенно при синтезе одно- и многослойных нанотрубок.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение прочности на сжатие и растяжение, коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов за счет увеличения содержания модифицирующей добавки - наночастиц в составе смеси путем использование высокоактивного коллоидного нанодисперсного полисиликата натрия, получаемого по упрощенному способу получения наночастиц, который экономически эффективнее изготовления углеродных нанотрубок.
Технический результат, полученный в процессе решения поставленной задачи, достигается тем, что сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов, включающая: портландцемент марки 500, заполнитель - керамзит дробленый крупностью 0-5 мм или кварцевый песок с Мкр. 1,8-2,0, пенообразователь ПБ-2000, дисперсную арматуру - полимерное волокно строительное микроармирующее - ВСМ диаметром 20-50 мкм и длиной 3-18 мм или базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм, суперпластификатор Sika ViscoCrete-3, модифицирующую добавку и воду, в качестве модифицирующей добавки содержит коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент марки 500 40-45
Указанный заполнитель 32
Указанный пенообразователь 2
Указанное волокно 3-10
Указанный суперпластификатор 0,2
Указанный коллоидный
нанодисперсный полисиликат натрия 2-4
Вода остальное
Способ приготовления сырьевой смеси по вышеуказанному составу, заключающийся в том, что в изначально изготовленный коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5 путем введения в 20%-ный водный раствор силиката натрия 16%-ного гидрозоля диоксида кремния в соотношении 1:1,6, перемешивания при 100°С в течение 3,0 ч с выдержкой при указанной температуре не более 0,5 ч, вводят указанные суперпластификатор, портландцемент марки 500 и воду, перемешивают в высокоскоростном смесителе, а затем в полученную таким способом суспензию вводят указанные: заполнитель, пенообразователь ПБ-2000, волокно и перемешивают в течение 5-6 минут до образования гомогенной пеносмеси.
Такой способ получения модифицированной сырьевой смеси позволяет упрочнить структуру ячеистых материалов на микро- и наноуровнях.
Для изготовления предлагаемой сырьевой смеси ячеистого материала с целью качественного сравнения по показателю - свойств, применялись те же составы, их компоненты и методы определения свойств, что и для прототипа, кроме наночастиц - коллоидного нанодисперсного полисиликата натрия.
Коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5 получали согласно патенту РФ 2124475, путем введения в 20%-ный водный раствор силиката натрия 16%-го гидрозоля диоксида кремния при их соотношении 1:1,6 и перемешивания при 100оС в течение 3,0 ч с последующей выдержкой не более 0,5 ч.
Коллоидные нанодисперсные полисиликаты представляют переходную область составов от жидких стекол к кремнезолям и классифицируются как наноматериалы.
Структурным элементом полисиликата является кремнекислородный тетраэдр, который является основной полимерной составляющей полисиликатов.
Полимерная форма, представляющая кремнеземные частицы размером от 4 до 5 нм составляет 60% и более от общего содержания кремнезема, что обеспечивает высокие прочностные свойства образующихся гелевых структур.
При введении в состав смеси коллоидного нанодисперсного полисиликата натрия – высокоактивного связующего представляющего кремнеземные наночастицы размером от 4 до 5 нм, которые активно участвуют в процессе гидратации цемента и вступают в реакцию с имеющимися в цементе свободными оксидами кальция, магния и др., образуя при этом их водонерастворимые гидросиликаты, значительно упрочняет микро- и наноструктуру цементного камня, что повышает прочность на сжатие и растяжение, коэффициент конструктивного качества прочности затвердевшего ячеистого материала.
Упрочнению микроструктуры цементного камня также способствует увеличение в составе смеси нанодисперсных частиц полисиликата натрия, которые являются центрами кристаллизации новообразований цементного камня, значительно изменяет микро- и наноструктуру материалов. В результате образуется упрочненная микроструктура цементного камня, что значительно повышает прочностные характеристики затвердевших ячеистых материалов.
Предлагаемый способ получения модифицированной сырьевой смеси позволяет упрочнить структуру ячеистых материалов на микро- и наноуровнях.
Таким образом, применение в составе сырьевой смеси коллоидного нанодисперсного полисиликата натрия способствует, в сравнении с прототипом, увеличению прочности и коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов, приготовленных по предлагаемому способу, что и является новым техническим свойством заявляемой сырьевой смеси, приготовленной предлагаемым способом.
Для экспериментальной проверки заявляемой сырьевой смеси, приготовленной предлагаемым способом, изготовили по стандартной методике образцы-балочки размером 10×10×40 см, твердеющие в естественных условиях.
Составы и физико-механические свойства ячеистых материалов, приготовленных по предлагаемому способу, в сравнении с прототипом представлены в таблице.
Анализ представленных в таблице данных показывает, что введение в заявленную сырьевую смесь наночастиц в виде коллоидного нанодисперсного полисиликата натрия, приготовленную по предлагаемому способу, при указанных соотношениях входящих в нее компонентов, согласно предлагаемому составу №1, способствует, увеличению прочности на сжатие по сравнению с прототипом - состав 1 на 12%, прочности на растяжение при изгибе - на 22%, повышению коэффициента конструктивного качества при сжатии - на 32,7%, на растяжение при изгибе - на 44,6%. Прирост прочности заявленной сырьевой смеси (предлагаемый состав №2) по сравнению с прототипом - состав 6 составляет: при сжатии 13%, на растяжение при изгибе 14%, а увеличение коэффициента конструктивного качества при сжатии составляет 21,7%, на растяжение при изгибе – 14,4%.
Литература:
1. Патент РФ №2206544, от 20.06 2003 г.
2. Патент РФ №2422408 от 27.06.2011 г.
Составы | Вид, мас.%: | Средняя плотность, кг/м3 | Прочность, МПа |
Коэффициент конструктивного качества | ||||||||
Связующее вещество | Заполнитель | Пено- образо- ватель |
Дисперсная арматура |
Супер- пластифика-тор |
Модифици-рующая добавка | Вода | При сжатии |
Растя-жение при изгибе |
При сжатии |
Растя-жение при изгибе |
||
Прототип состав-1 | ПЦ-500; 45 |
Керамзит дробленный крупностью 0-5 мм; 32 |
ПБ-2000; 2 |
Полимерное волокно строительное микроармирующее (ВСМ), диаметром 20-50 мкм длиной 3-18 мм; 3 |
Sika ViscoCrete-3; 0,2 |
Многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм; 0,4 |
17,4 | 550 | 2,6 | 1,9 | 4,73 | 3,45 |
Предполагаемый состав-1 | ПЦ-500; 45 |
Керамзит дробленный крупностью 0-5 мм; 32 |
ПБ-2000; 2 |
Полимерное волокно строительное микроармирующее (ВСМ), диаметром 20-50 мкм длиной 3-18 мм; 3 |
Sika ViscoCrete-3; 0,2 |
Коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5; 2 |
15,8 | 550 | 2,92 | 2,32 | 6,28 | 4,99 |
Прототип состав-6 | ПЦ 500; 40 |
Кварцевый песок Мкр. 1,8-2,0; 32 |
ПБ-2000; 2 |
Базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм; 10 |
Sika ViscoCrete-3; 0,2 |
Многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм; 0,4 |
15,4 | 730 | 4,12 | 2,1 | 5,62 | 2,88 |
Предполагаемый состав-6 | ПЦ 500; 40 |
Кварцевый песок Мкр. 1,8-2,0; 32 |
ПБ-2000; 2 |
Базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм; 10 |
Sika VisсоCrete-3, 0,2 |
Коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5; 4 |
11,8 | 730 | 4,66 | 2,39 | 6,84 | 3,29 |
Таблица
1. Сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов, включающая портландцемент марки 500, заполнитель – керамзит дробленый крупностью 0-5 мм или кварцевый песок с Мк р. 1,8-2,0, пенообразователь ПБ-2000, полимерное волокно строительное микроармирующее - ВСМ диаметром 20-50 мкм и длиной 3-18 мм или базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм, суперпластификатор Sika ViscoCrete-3, модифицирующую добавку и воду, отличающаяся тем, в качестве модифицирующей добавки она содержит коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент марки 500 | 40-45 |
Указанный заполнитель | 32 |
Указанный пенообразователь | 2 |
Указанное волокно | 3-10 |
Указанный суперпластификатор | 0,2 |
Указанный коллоидный | |
нанодисперсный полисиликат натрия | 2-4 |
Вода | остальное |
2. Способ приготовления сырьевой смеси из состава по п. 1, заключающийся в том, что в предварительно изготовленный коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5, полученный путем введения в 20%-ный водный раствор силиката натрия 16%-ного гидрозоля диоксида кремния в соотношении 1:1,6, перемешивания при 100°С в течение 3,0 ч с выдержкой при указанной температуре не более 0,5 ч, при одновременном перемешивании в высокоскоростном смесителе вводят указанные суперпластификатор, портландцемент марки 500 и воду, до получения однородной суспензии, затем которую перемешивают с указанными: заполнителем, волокном и пенообразователем в лопастной мешалке в течение 5-6 минут до образования гомогенной пеносмеси.