СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЕНОБЕТОНА, СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЕНОБЕТОНА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 1999 года по МПК C04B38/10 B28B1/14 

Изобретение относится к способам изготовления строительных материалов, а именно пенобетонов, монолитных конструкций зданий и сооружений.

Известны способы приготовления пенобетона, включающие приготовление пеномассы при введении в пену сухих компонентов и перемешивание, причем предварительно вводят в пену 55 - 75% сухих компонентов, перемешивают со скоростью 300 - 400 об/ мин (1).

Однако приготовленный таким способом пенобетон обладает высокой средней плотностью из-за снижения кратности при перемешивании и низкой интенсивностью введения сухих компонентов.

Известен наиболее близкий по совокупности признаков способ приготовления пенобетона, включающий предварительное введение в пену 55 -75% сухих компонентов и перемешивание со скоростью 450-600 об/мин и воздействие на пеномассу сжатым воздухом, подаваемым под давлением 1,15 -1,25 атм при интенсивности введения сухих компонентов 4-8 кг/мин на 1 л воды в пене, дополнительное перемешивание со скоростью 30-40 об/мин и перемешивание при добавлении в пеномассу остального количества сухих компонентов со скоростью 300-400 об/мин и воздействия на пеномассу сжатым воздухом, подаваемым под давлением 1,3 - 1,4 атм при интенсивности введения сухих компонентов 9-14 кг/мин на 1 л воды в пене (2).

Однако одновременное введение сухих компонентов в пену создает неустойчивую структуру смеси, при которой более крупная фракция кремнеземистого наполнителя разрушает стенки поровой структуры пены и способствует расслоению (седиментации) смеси, т.е. оседанию более тяжелого наполнителя на дне смесителя.

Полное устранение этого недостатка невозможно даже барботированием воздухом, т. е. из-за неустойчивости структуры, вводимая воздушная фаза также быстро удаляется. Отчасти этот недостаток усиливается высокими оборотами смесителя. Другой причиной расслоения является недостаточная вязкость пеномассы.

Другим серьезным недостатком известного способа является цикличность дозирования компонентов на определенный объем замеса смеси, когда одновременная подача компонентов прекращается через определенный временной интервал, а приготовленная смесь доставляется к месту укладки. Это создает необходимость частого повторения процесса затворения, что неизбежно при данной технологии, вызывает накопление погрешности из-за частого выведения установки на режим устойчивой работы.

В результате наблюдаются значительные до 25-30% отклонения по объемной массе пенобетона, что недопустимо ухудшает качество приготавливаемого материала.

Известна также смесь для приготовления пенобетона, включающая цемент, песок, воду и добавку - пенообразователь (3).

Однако пенобетон, полученный из такой смеси, обладает высокой плотностью, расслаивается, что приводит к неоднородной структуре и соответственно к снижению прочности, неоправданному увеличению усадочных напряжений в начальный период твердения.

Известна также смесь для приготовления пенобетона, включающая цемент 45-46%, молотый кварцевый песок 45-46%, пенообразователь - клей конифольный 0,2%, стабилизатор пены СДБ (сульфитно-дрожжевая бражка) 0,002 - 0,006% и вода остальное (4).

Однако пенобетон, полученный из такой смеси, характеризуется крупнопористой неоднородной структурой, невысокой прочностью, поздним сроком структурообразования и набора прочности, высокой плотностью и теплопроводностью, высокой усадкой и ползучестью под нагрузкой, низкой морозостойкостью.

Известен также способ возведения конструкций из ячеистого цементного безавтоклавного бетона, включающий приготовление сырьевой смеси, подготовку форм или опалубки, подачу в них смеси, укладку и выдержку, по крайней мере, до набора распалубочной прочности (5).

Однако такой способ, включающий изготовление конструкций из поризованного бетона, произвольно укладываемого в опалубки и формы, вызывает в готовых изделиях усадочные напряжения и следовательно трещинообразование. Поризация через газообразование в процессе приготовления смеси создает условия малоуправляемой реакции и получения материала с непредсказуемыми свойствами. Такой материал не подлежит транспортированию, что сужает область его применения.

Задачей предложенного изобретения является создание высокоэффективного единого непрерывного технологического процесса приготовления пенобетонной смеси, с новыми противоусадочными добавками, перекачивания ее к месту изготовления монолитных конструкций, укладки в формы или опалубку и получение прочных монолитных конструкций из пенобетона без усадочных деформаций, с однородными свойствами по всем сечениям конструкции.

Техническим результатом является улучшение качества материала за счет повышения сопротивления теплопередачи при сохранении прочностных характеристик, обеспечение снижения усадочных напряжений в конструкциях, изготовленных из пенобетонной смеси, повышение прочностных характеристик пенобетона путем стабилизации структуры устойчивой мелкозернистой пены с однородными замкнутыми порами, пластификации смеси, ускорения схватывания цемента, снижения усадки и расслаиваемости смеси, послойно укладываемой в опалубочную конструкцию.

Это достигается тем, что в способе приготовления пенобетона, включающем поэтапное введение в пену сухих компонентов и перемешивание, отличительными от прототипа признаками является то, что сухие компоненты вводят в пену раздельно, причем кремнеземистый компонент с оставшейся долей цемента начинают вводить с интенсивностью 8-10 кг/мин на 1 л воды в пене после введения 40-50% портландцемента, вводимого со скоростью 16-20 кг/мин на 1 л воды в пене, а перемешивание пеномассы производят со скоростью 120 - 180 об/мин с созданием сложного турбулентного потока, после чего производят активацию смеси перемешиванием со скоростью 12-20 об/мин.

Технический результат достигается также тем, что смесь для приготовления пенобетона, включающая портландцемент, кремнеземистый наполнитель, пенообразователь, воду и стабилизатор пены, дополнительно содержит ускоритель схватывания, известь, противоусадочную добавку, а в качестве пенообразователя используют состав на основе триэтаноламина типа "Морпен" в следующем соотношении, мас%:
портландцемент - 48-60, кремнеземистый компонент 12 - 34, пенообразователь "Морпен"- 0,08 - 0,12), стабилизатор пены 0,06 - 0,08, ускоритель схватывания - 0,04 - 0,06, известь - 0,08 - 0,12, противоусадочную добавку - 0,12 - 0,16 и воду остальное.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления, по крайней мере, монолитных конструкций из ячеистого цементного безавтоклавного бетона, включающем приготовление смеси, подготовку форм или опалубки, подачу в них смеси, укладку, выдержку до набора распалубочной прочности, отличительными признаками является то, что необходимую смесь подают к месту укладки методом перекачивания с пульсацией давления не более 2-2,5 атм, а укладку пенобетонной смеси в формы или опалубку производят послойно горизонтальными слоями, при этом соотношение высоты и ширины сечения каждого горизонтального слоя не превышает 2,5-2,8.

Предварительное введение в способе приготовления пенобетона портландцемента со скоростью 16-20 кг/мин на 1 л воды в пене позволяет получить однородную пеномассу с высоким показателем по вязкости, что создает устойчивую структуру ячеек пены за счет "бронирования" пузырьков воздуха частицами цемента с приобретением необходимой структурной прочности, последующее введение песка со скоростью 8-10 кг/мин на 1 л воды 1 в пене, не вызывает расслоения смеси, а перемешивание со скоростью 120 - 180 об/мин с созданием турбулентного потока, не разрушает пузырьки в пене и позволяет получить однородную пеномассу с оптимальным наполнением - кремнеземистой фракцией, что снижает усадочные характеристики пенобетона.

Введение в смесь для приготовления пенобетона в качестве пенообразователя "Морпен", в качестве ускорителя схватывания "Поззолита," в качестве стабилизатора пены натриевого силиката, извести и противоусадочной добавки "ТИАМАК", также позволяют снизить усадочные характеристики пенобетона за счет быстрого схватывания портландцемента в пеномассе и стабилизации структуры пены.

Подача к месту формования сырьевой смеси пенобетона методом перекачивания с пульсацией давления не более 2-2,5 атм и укладку пенобетонной смеси горизонтальными слоями с соотношением высоты и ширины сечения каждого слоя не более 2,5 - 2,8 также обеспечивает изготовление монолитных конструкций из пенобетона высокой прочности без усадочных напряжений, возникающих после набора прочности.

Совокупность предложенных признаков позволяет получить новый результат: единый комплекс работ по приготовлению смеси, ее составу и способу изготовления конструкций из монолитного пенобетона высокой прочности, однородной структуры без усадочных напряжений, возникающих после набора прочности пенобетона.

Это создает условия для получения долговечных конструкций, изготовленных из теплостойкого легкого, сравнительно дешевого материала.

Для реализации способа использованы материалы: портландцемент ГОСТ 10178-76, в качестве кремнеземистого наполнителя используют песок мелкозернистый Малышевского карьера крупностью Мк-1,0; пенообразователь - на основе триэтаноламина "Морпен"- ТУ 38.507-63-0118-90; или "ТЭАС"-ТУ 38.107-27-87. В качестве ускорителя схватывания использовался "Поззолит", выпускаемый по ASTM - С945. В качестве стабилизатора пены натриевый силикат (жидкое стекло) - ГОСТ 13078-4, известь ГОСТ 9179-77 и противоусадочная добавка "ТИАМАК " - ASTM-494, вода водопроводная г. Воронежа.

Пример
Приготовление пенобетона естественного твердения по заявленному способу осуществлялось на установке экспериментального типа, имеющей характеристики, соответствующие производственному назначению, установленной на экспериментальном участке строительного управления "Черноземстройинвест". Производительность приготовления пенобетона 3.5 - 4.0 куб.м/час. Установка состоит из емкостей для цемента и кремнеземистого наполнителя, емкость для воды, инжекторного пеногенератора радиально-струйного типа, бетоносмесителя, накопительной емкости и растворонасоса.

Способ приготовления смеси осуществляется следующим образом.

В бетоносмеситель подается пена, после чего одновременно с включением вращения смесителя со скоростью 120-180 об/мин, начинается подача цемента в количестве 40-50% от его всей массы с интенсивностью 16-20 кг/мин на 1 л воды в пене. Диапазон 120 - 180 об/мин обосновывается тем, что при частоте вращения вала смесителя менее 120 об/мин снижается интенсивность перемешивания, что приводит к необходимости увеличения мощности привода и, следовательно, не рационально, а увеличение оборотов до 200 - 250 об/мин, влечет интенсивное разрушение структуры пены и быструю потерю воздушной фазы. Интенсивность подачи цемента менее 16 кг/мин удлиняет время приготовления, цикл перемешивания, а следовательно, создает излишнюю деаэрацию смеси. Снижение качества смеси зависит от механизма ее деаэрации, когда высокая частота оборотов лопастей смесителя, длительность перемешивания или низкая вязкость смеси приводят к слиянию мелких пузырьков воздуха в более крупные, которые легче всплывают и уносят значительную часть введенного в смесь воздуха, нарушают однородность распределения пор по сечению объема пенобетона, уложенного в конструкцию.

Увеличение скорости подачи цемента свыше 20 кг/мин приводит к оседанию цемента и расслоению раствора, потере его качества затвердения, резкому увеличению сопротивления перемешиванию. Интервал интенсивности подачи цемента 16 - 20 кг/мин соответствует оптимальной скорости перемешивания 120-180 об/мин и наиболее однородному его распределению по объему пены, что создает наиболее выгодные условия для "бронирования" структуры пеномассы, т.е. равномерному распределению частиц цемента в межпоровых объемах структуры пены. После введения 40 - 50% цемента начинают подачу всего количества кремнеземистого компонента совместно с оставшейся долей цемента, с интенсивностью 8-10 кг/ мин на 1 л воды в пене, что соответствует оптимальному соотношению цемента и песка в объеме готовой смеси, при условии непрерывной подачи всех компонентов при установившемся процессе приготовления пенобетона.

С уменьшением скорости подачи песка менее 8 кг/мин, в смеси создаются условия для интенсивного процесса усадки при высушивании и твердении материала. Увеличение подачи песка более 10 кг/мин приводит к увеличению объемной массы пенобетона и потере его сопротивления теплопередаче (увеличению коэффициента теплопроводности).

Перемешивание смеси проводят в турбулентном режиме потока смеси, который возникает при условиях, характеризующихся числом Рейнольдса (Re), в диапазоне 2500 - 3200. Такое состояние потока смеси создает вихревой режим движения частиц со сложными траекториями, когда скорость частиц равномерна по сечению потока, но пульсирует по времени. Частицы в таком потоке разделяются и равномерно распределяются по всему объему пеномассы, что положительно влияет не только на вязкость, структуру, нерасслаиваемость смеси, но увеличивает скорость и степень гидратации частиц цемента, т.е. увеличению прочностных показателей пенобетона.

Скорость вращения лопастей бетоносмесителя, диаметры лопастей, их зазоры между стенками смесителя (которые определяют толщину пристенного потока пеномассы) выбирают из условия создания наиболее эффективного для перемешивания режима. Далее смесь, поступающая из смесителя в накопительную емкость, активируется перемешиванием со скоростью 12-20 об/мин, что наилучшим образом влияет на сохранение и воздухонасыщение состава, готового к перекачиванию к месту его укладки.

В этот период малоинтенсивного перемешивания, в смеси активируются процессы гидратации цемента. Это способствует формированию будущих прочностных свойств пенобетона, а также это время необходимо для включения в работу всех типов добавок, и, главное, ускорителя твердения пенобетона и добавки - компенсатора усадки материала.

Преимущество данного способа приготовления пенобетона заключается в раздельном введении цемента и кремнеземистого наполнителя, что опережающей подачей цемента, "бронирует" пену, повышает вязкость смеси, подготавливая ее для введения кремнеземистого наполнителя, предохраняя тем самым от расслоения и деаэрации структуры частицами песка. Возможность применения низких оборотов смесителя также способствует сохранению свойств смеси.

Непрерывное дозирование всех компонентов смеси в установившемся режиме приготовления пенобетона создает благоприятные условия для получения наиболее однородной по изменению объемной массы смеси, в отличие от прототипа, где смесь приготавливается циклично и прерывается по времени.

Были приготовлены пенобетонные смеси с составом по массе, представленные в таблице 1.

Испытывались образцы пенобетона в виде кубов 10x10x10 см и призм 4х4х16 см с учетом требуемой объемной массы. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Наиболее рациональной для конструкционно-теплоизоляционного материала стен является объемная масса пенобетона 700 кг/м³. Это подтверждается физико-механическими характеристиками образцов.

Состав N 1 имеет хорошие показатели по теплопроводности, но недостаточные по несущей способности и усадке. Состав N 5, при высоких прочностных характеристиках, имеет резко увеличенную теплопроводность, что, с учетом увеличенного расхода цемента, не дает возможности считать этот состав рациональным. Состав NN 2, 3, и 4 удовлетворяют всем условиям эксплуатационных характеристик данного материала, при объемной массе материала от 600 до 800 кг/м³. Состав N 3 является наиболее оптимальным по показателям прочности, минимальной усадке, высокому сопротивлению теплопередаче. Это объясняется тем, что данный состав обеспечивает наилучший состав пены, а следовательно, и наилучшую структуру порообразования в пенобетоне. Наиболее эффективно это сказывается на теплопроводности материала. При этом сохраняется несущая способность материала, что делает его успешно применимым в монолитном строительстве в качестве эффективного материала для ограждающих стеновых конструкций. Введение в состав сырьевой смеси комплекса добавок, состоящих из ускорителя схватывания цемента "Поззолит", стабилизатора пены - натриевого силиката, извести, противоусадочной добавки типа "ТИАМАК", позволяет получить высокократную устойчивую пену с наиболее оптимальной пузырьковой структурой. Качество пены определено механизмом действия всех добавок. Пена, полученная от введения пенообразователя на основе триэтаноламина типа "Морпен", структурируется и получает устойчивость во времени с помощью введения натриевого силиката. Кратность пены, т.е. вспенивающая способность, повышается от введения известковой составляющей. Введение ускорителя схватывания обеспечивает раннее структурирование пенобетона, предотвращающее расслоение смеси, а также быструю гидратацию цемента введенного в состав пены и ускоренный набор прочности материала (при температуре воздуха от +10^oC до +25^oC набор критической прочности, необходимой для распалубливания материала, составляет 20 - 24 часа). Использование противоусадочной добавки "ТИАМАК" позволяет снизить возникающие усадочные напряжения в процессе гидратации цемента, твердения и дальнейшего высушивания материала. Ее действие направлено на связывание и удержание излишней влаги в пенобетоне, что благоприятно влияет на снижение усадки и повышение прочности.

Состав N 3, оптимизированный по главным свойствам, имеет теплопроводность в 3 раза меньшую, чем аналогичные материалы и прототип по табл. 2. Это объясняется формированием наилучшей структурой пор в пенобетоне. Состав добавок (см. табл. 1) позволяет получить очень устойчивую пену с наиболее благоприятным размером (от 0,3 до 0,8 мм) пор, равномерно (однородно) размещенных по сечению материала, имеющих замкнутое строение, шарообразную форму. Технология приготовления материала позволяет максимально сохранить и выгодно использовать получаемую структуру пены. В определенном режиме наполнения ее цементным, а затем кремнеземисто-цементным материалом, позволяет получать наиболее прочную, безусадочную, менее теплопроводную структуру. Такая структура не разрушается при введении песчаной фракции, при перемешивании, и при перекачивании на большие расстояния.

Раздельное введение цемента и песка имеет ключевое значение в технологии приготовления пенобетона. Режимы введения и результаты испытаний образцов представлены в таблице 3.

Данные наглядно демонстрируют влияние дозировки предварительно вводимого цемента, создающего "бронирование" структуры, т.е. обеспечивающего требуемую для технологии вязкость пеномассы, на прочностные и усадочные свойства материала.

Укладка приготовленной смеси пенобетона в конструкцию опалубочных форм осуществляется методом перекачивания пеномассы с помощью бетононасоса с величиной пульсации давления не более 2 - 2,5 атм.

Это давление обеспечивает перемещение смеси по трубопроводу на расстояние до 100 м и с подачей ее на высоту до 15 м диаметре бетоновода 50 - 100 мм. Превышение пульсации давления более 2,5 атм вызывает необратимый процесс воздухоудаления из смеси с разрушением структуры пор и повышением объемной массы пенобетона более 10%. Это соответствует изменению марки пенобетона по объемной массе, что недопустимо по требованию нормативов СНиП. Укладку пеномассы в опалубочные формы производят горизонтальными слоями, что снижает интегральные показатели усадочных напряжений в процессе схватывания, твердения и влагоудаления из массива пенобетонных конструкций в процессе их эксплуатации. Показатель высоты слоя к его ширине более 3-х, создает условия увеличения вертикальных составляющих усадочных напряжений до критических значений, что увеличивает вероятность усадочных деформаций материала.

Отечественный и зарубежный опыт применения пенобетонов отмечает, что эти материалы при своей высокой теплосберегающей способности, имеют невысокую прочность и большую величину усадки при высыхании материала. Решить эту задачу может только комплексная технологическая последовательность специальных приемов, направленных на снижение усадочных напряжений и сохранений прочностных характеристик. Именно так решает данную проблему предлагаемый способ.

Состав применяемого материала содержит компоненты улучшающие качество пены, структуру пор и снижающие усадочные характеристики. Это обеспечено: введением оптимального количества песка с модулем крупности < 1.2, ускорением схватывания бетона, предотвращающем расслоение, усадкоснижающей добавкой "ТИАМАК". Способ приготовления пенобетона обеспечивает наиболее оптимальный режим введения цемента и песка, что дает возможность наиболее полного осуществления реакции гидратации цемента, создания эффективной вязкости пеномассы "бронированной" частицами цемента и не допускающей седиментации (расслоения) песчаной фракции, т.е. создающей наиболее эффективную поровую структуру.

Наиболее эффективным приемом, обеспечивающим стабилизацию свойств приготавливаемого пенобетона, является примененная технология непрерывного дозирования и приготовления пенобетона. Это обеспечивает минимальные отклонения по объемной массе материала, т.е. однородность показателей качества по всем сечениям бетонируемых конструкций. Это происходит за счет разовой настройки оборудования, но не может быть обеспечено при цикличных замесах приготовления пенобетона.

Приготовленная в непрерывном режиме пенобетонная масса перекачивается и укладывается в опалубочные формы способом, исключающим потерю качества пенобетона и исключающим возникновение даже незначительных усадочных деформаций.

Осуществление бетонирования конструкций из пенобетона предложенным способом, позволяет на каждом этапе работ (состав, приготовление, укладка) иметь высокую гарантию качества получаемого материала и тех конструкций, которые изготавливаются с его применением.

Данный способ является основой новой технологии скоростного строительства домов, где материал производится на месте строительства и укладывается в возводимые конструкции непрерывно с его производством.

Цепь заявленных технологических операций позволит получать высококачественный теплоизоляционно-конструкционный материал с высокой гарантией надежности требуемых свойств.

Данная технология позволяет оперативно контролировать свойства приготовляемого пенобетона и эффективно управлять процессом возведения ограждающих конструкций.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1662988, кл. С 04 В 38/10, 1988 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 17634286, кл. С 04 В 38/10, 1990 г.

3. Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона СН-277-80, 1981 г.

4. Авторское свидетельство СССР N 1766887, кл. С 04 В 38/10, 1995 г.

5. Патент РФ N 2010021, кл. С 04 В 38/10, 1993 г.

Изобретение относится к способам изготовления строительных растворов, а именно пенобетонов неавтоклавного естественного твердения и способам изготовления монолитных конструкций зданий и сооружений. Отличается от известных способом тем, что содержит комплексные технологические приемы приготовления пеномассы в непрерывном режиме, состав который включает необходимые компоненты, а также способ изготовления конструкций из пенобетона, которые обеспечивают получение однородного по объемной массе материала с высокими теплозащитными свойствами, прочностными характеристиками, минимальными усадочными напряжениями. Состав сырьевой смеси дополнительно содержит противоусадочные добавки и ускорители схватывания. Способ приготовления пеномассы характеризуется раздельным введением пены, цемента и инертного кремнеземистого наполнителя, а также непрерывным процессом дозирования, перемешивания и укладкой пеномассы в монолитные конструкции, используя технологические приемы предотвращения пенобетона и снижения усадочных напряжений материала, уложенного в конструкцию. Технология является основой скоростного метода возведения эффективного теплосберегающего жилья с низкой стоимостью строительства. 3 с.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ приготовления пенобетона, включающий поэтапное введение в пену сухих компонентов и перемешивание, отличающийся тем, что сухие компоненты вводят в пену раздельно, причем кремнеземистый компонент с оставшейся долей цемента начинают вводить с интенсивностью 8 - 10 кг/мин на 1 л воды в пене после введения 40 - 50% портландцемента, вводимого со скоростью 16 - 20 кг/мин на 1 л воды в пене, а перемешивание пеномассы производят со скоростью 120 - 180 об/мин с созданием сложного турбулентного потока с числом Рейнольдса 2500-3200, после чего производят активацию смеси перемешиванием со скоростью 12 - 20 об/мин. 2. Сырьевая смесь для приготовления пенобетона, включающая портландцемент, кремнеземистый наполнитель, пенообразователь, воду и стабилизатор пены, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ускоритель схватывания, противоусадочную добавку, известь, а в качестве пенообразователя используют состав на основе триэтаноламина типа "Морпен" в следующем соотношении, мас. %:
Портландцемент - 48 - 60
Кремнеземистый наполнитель - 12 - 24
Пенообразователь - 0,08 - 0,12
Стабилизатор пены - 0,06 - 0,08
Ускоритель схватывания - 0,04 - 0,06
Противоусадочная добавка - 0,12 - 0,16
Известь - 0,08 - 0,12
Вода - Остальное
3. Способ изготовления по крайней мере монолитных конструкций из ячеистого цементного безавтоклавного бетона, включающий приготовление смеси, подготовку форм или опалубки, подачу в них смеси, укладку, выдержку до набора распалубочной прочности, отличающийся тем, что пенобетонную смесь подают к месту укладки методом перекачивания с пульсацией давления не более 2 - 2,5 атм, а укладку пенобетонной смеси в формы или опалубку производят послойно горизонтальными слоями, при этом соотношение высоты и ширины сечения каждого горизонтального слоя не превышает 2,5 - 2,8.