САМОВЫРАВНИВАЮЩАЯСЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ СМЕСЬ Российский патент 2001 года по МПК C04B28/30 

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к высокоподвижным смесям, способным в виде раствора самопроизвольно растекаться по поверхности и выравнивать местные неровности, и предназначено, преимущественно, для изготовления стяжек и покрытий полов, а также может быть использовано для каменной кладки, крепления облицовочной плитки, изготовления декоративных покрытий.

Известна самовыравнивающаяся строительная смесь, содержащая гипсовое вяжущее, заполнитель, сульфатно-дрожжевую бражку в качестве модифицирующей добавки и воду [1].

Недостатками данной смеси являются высокая стоимость, неудовлетворительная износостойкость, вспучиваемость при затвердевании, сложность использования в связи с тем, что она быстро теряет подвижность и свойства самовыравнивания (за 10-15 мин), невозможность одновременного устройства пола на большой площади.

Известна также самовыравнивающаяся строительная смесь, содержащая портландцемент в роли вяжущего, заполнитель, наполнитель, стабилизирующую и модифицирующие добавки (лигносульфонаты) и воду [2].

Недостатками ее также являются высокая стоимость, недостаточные прочность, водоудерживающая способность и износостойкость (т.е. быстрая истираемость) получаемых строительных конструкций, в связи с чем они требуют дополнительного защитного покрытия.

Известна также самовыравнивающаяся строительная смесь, содержащая магнезиальный цемент в роли вяжущего, заполнитель и стекловолокно [3].

Недостатком этой строительной смеси является узость диапазона применения в качестве самовыравнивающейся смеси из-за присутствия в ее составе наполнителя, удельная поверхность которого может быть неопределенно велика, быстрой истираемости и хрупкости получаемых изделий, препятствующей изготовлению тонких покрытий, а также из-за установленного в ней соотношения ингредиентов, не позволяющего реализовать необходимую подвижность смеси и оптимальную длительность процесса самовыравнивания, и сложность производственного процесса изготовления многослойных строительных конструкций с применением звукоизолирующих устройств.

Задачей изобретения является создание недорогой и несложной в изготовлении самовыравнивающейся строительной смеси, обладающей оптимальными эксплуатационными и эстетическими свойствами, а также расширение арсенала самовыравнивающихся смесей.

Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, заключается в одновременном обеспечении оптимальной подвижности в течение срока, необходимого для распределения смеси по значительной площади, высокой водоудерживающей способности и низкой расслаиваемости, высокой прочности сцепления с бетоном, упрощении и ускорении процесса нанесения и последующего твердения, безусадочности, беспыльности получаемых изделий, обладающих высокими ударной прочностью и истираемостью, расширение круга используемых исходных материалов с минимальным содержанием или без использования наиболее дорогих полимерных составляющих.

Сущность изобретения заключается в том, что самовыравнивающаяся строительная смесь содержит сыпучий заполнитель, по меньшей мере одну стабилизирующую и водоудерживающую добавку, препятствующую расслоению смеси, инертный наполнитель с удельной поверхностью 500 - 5000 см²/г, а также магнезиальный цемент (в качестве вяжущего), в состав которого входит компонент, содержащий активный оксид магния, и солевой компонент, представляющий собой по меньшей мере одну соль сильной кислоты и металла с валентностью от двух до трех, при следующем соотношении количества указанных компонентов:

где A - масса компонента, содержащего активный оксид магния (MgO);
C - масса солевого компонента;
n - количество составляющих (солей), входящих в состав солевого компонента;
m_i - массовая доля одной из солей в компоненте;
M_i - молекулярный вес этой соли (в безразмерных единицах), определяемый как сумма значений атомных весов элементов, входящих в химическую формулу соли, по периодической таблице элементов (таблице Менделеева);
K₁ = 200-350 (коэффициент пропорциональности);
K₂ - массовая доля активного оксида магния в компоненте, содержащем активный оксид магния,
и при следующем соотношении количества заполнителя, наполнителя и компонента, содержащего активный оксид магния:
H ≥ M₃(0,85-1,85K₃)-A, (2)
где H - масса наполнителя;
K₃ - массовая доля пылевидных частиц в заполнителе;
M₃ - масса заполнителя,
при этом содержание стабилизирующей и водоудерживающей добавки в смеси составляет 0,025-5 мас%.

Массовая доля вещества в компоненте (так же, как и массовая доля пылевидных частиц в заполнителе) показывает какую часть составляет масса этого вещества от массы компонента, если последняя принята за единицу и является величиной безразмерной, масса имеет соответствующую размерность - тонна, килограмм и т.д.

В качестве заполнителя смесь может содержать известняковый, доломитовый, кварцевый или гранитный песок или песок из шлаков, предпочтительно крупностью не более 0,5 мм.

В качестве наполнителя смесь может содержать молотый кварц и/или известняк, а в качестве компонента, содержащего активный оксид магния, - каустический магнезит с массовой долей активного оксида магния от 0,75 до 0,95.

В качестве компонента, содержащего активный оксид магния, смесь может также содержать каустический доломит с массовой долей активного оксида магния от 0,15 до 0,21.

Смесь может содержать солевой компонент в виде твердого кристаллогидрата по меньшей мере одной из следующих солей сильных кислот и двух-трехвалентных металлов: хлористого магния MgCl₂, хлорного железа FeCl₃, сульфата магния MgSO₄.

К сильным кислотам относятся кислоты, которые в водных растворах полностью диссоциированы. В данном случае компонент содержит в качестве солей сильных кислот соли соляной и/или серной кислоты, двухвалентного металла магния и/или трехвалентного металла железа.

Смесь может содержать солевой компонент в виде водного раствора плотностью 1,1 - 1,35 кг/л по меньшей мере одной из следующих солей: хлористого магния, хлорного железа, сульфата магния.

Смесь может дополнительно содержать пигмент в количестве 0,5 - 3 мас.%, а в качестве стабилизирующей и водоудерживающей добавки - по меньшей мере одну из следующих добавок: метилцеллюлозу, полиоксиэтилен, гипан (в количестве 0,02 - 0,5 мас.%), бентонитовую глину (0,5 - 5 мас.%), сульфированную нафталиноформальдегидную смолу (0,01 - 0,3 мас.%), а кроме того, в качестве модифицирующих добавок - по меньшей мере одну из следующих добавок: натриевую соль сульфированной меламиноформальдегидной смолы (0,1 - 1 мас.%), гипс (0,2 - 5 мас.%), полимерную дисперсию (ПВА) - поливинилацетатная (до 3 мас. %), антивспениватель (0,05 - 0,3 мас.%), ортофосфорную кислоту и ее соли, а также компоненты, содержащие активный аморфный кремнезем (до 3 мас.% в пересчете на активный аморфный кремнезем SiO₂).

При реализации указанных (универсальных для широкого круга исходных материалов) соотношений содержания компонентов обеспечивается необходимый для получения указанного технического результата характер взаимодействия молекул соли (солей), оксида магния и остальных ингредиентов, а также необходимая концентрация в растворе пылевидных частиц с заданной удельной поверхностью.

Наполнитель с указанной удельной поверхностью способствует стабилизации и пластификации готовой к употреблению смеси. В случае применения каустического доломита количество наполнителя должно быть минимальным, т.к. доломит содержит известняк, частично заменяющий наполнитель.

Стабилизирующая и водоудерживающая добавка препятствует расслоению раствора и потере воды из раствора в бетонное основание. Расслаиваемость растворных смесей, изготовленных согласно настоящему изобретению, не превышает 10%, а водоудерживающая способность составляет 90-93%, что не достигается в известных смесях. Применение сульфированной нафталиноформальдегидной смолы, используемой в отличие от известных смесей в качестве стабилизирующей добавки, приводит к небольшому воздухововлечению в смесь, что увеличивает стабильность раствора и снижает усадочные напряжения.

Использование компонентов, содержащих активный аморфный кремнезем (зоны уноса ТЭС, молотые металлургические шлаки), а также ортофосфорной кислоты и ее солей обеспечивает повышение водостойкости изделий из данной смеси.

Использование гипса в качестве модифицирующей добавки в данной смеси дополнительно обеспечивает увеличение пластичности и ударной прочности затвердевшего материала. Может применятmся как ангидрит (CaSO₄), так и полуводный (CaSO₄·0,5H₂O) и двухводный (CaSO₄·2H₂O) гипс.

Пигменты (охра, сурик, мел, лазурь и т.д.) придают декоративность получаемым изделиям.

Введение полимерных дисперсий типа ПВА служит для придания материалу специальных свойств (повышенной адгезии к гладким поверхностям, водонепроницаемости, водоотталкивающих (гидрофобных) свойств.

Норма подвижности раствора, оцениваемая по расплыву с помощью вискозиметра Суттарда, не ниже 23 см.

Сухая смесь, содержащая солевой компонент в виде кристаллогидрата, например MgCl₂(0-6)H₂O, поставляется для производства готового раствора в упаковках (мешках или пакетах), содержащих все ингредиенты. Смесь, содержащая солевой компонент в виде водного раствора, поставляется аналогично с отдельной емкостью для этого компонента.

Самовыравнивающуюся строительную смесь готовят следующим образом.

Исходя из заданных свойств очередной партии смеси и номенклатуры имеющихся в наличии исходных материалов выбирают значение коэффициента пропорциональности K₁ и определяют с помощью указанных соотношений (1), (2) необходимые количества ингредиентов.

Если количество заполнителя не задано, то, как правило, расчет ведется на 1000 кг сухих компонентов смеси, то есть:
1000 = A + H + M₃ (3)
Расчетные количества ингредиентов для очередной партии раствора загружают в специальную емкость с добавлением необходимого количества воды и тщательно перемешивают до получения однородной массы. Массовая доля раствора солевого компонента в смеси составляет, как правило, не менее 0,25, содержание воды - не более 22%, чистого хлористого магния - не более 4% (см. примеры).

Дозирование ингредиентов может осуществляться циклически или непрерывно. Погрешность дозирования не должна превышать для вяжущих материалов, воды и добавок 1%, для заполнителя 2%.

В результате получается готовый к употреблению раствор.

Из каждой партии раствора одного состава отбирают 4 - 6 точечных проб, которые объединяют в общую пробу, масса которой должна быть достаточной для определения контролируемых параметров.

Готовый раствор должен быть использован в течение одного часа, так как в дальнейшем его подвижность резко падает.

Испытания взятой пробы следует начать в период сохранения нормируемой подвижности.

Изготовление пола или иных конструкций производится путем налива раствора на подготовленную соответствующим образом поверхность, причем налив на открытую арматуру без антикоррозионного покрытия не допускается.

Самовыравнивание растворной смеси происходит самопроизвольно под действием гравитационных сил.

При наличии крупных дефектов (трещины, вздутия и т.п.), рекомендуется быстрое растаскивание раствора по поверхности гребенчатой раклей, оставляющей незначительные быстро выравнивающиеся "гребешки".

В течение первых суток достигается 30 - 50% прочность конструкции, что позволяет свободно передвигаться по поверхности. Полная нормированная прочность и показатели качества затвердевшего раствора достигаются через 28 суток. При этом прочность сцепления с бетоном может превышать прочность бетона при растяжении.

Пример 1.

Определение состава самовыравнивающейся строительной смеси.

Для приготовления партии смеси берут 342 кг солевого компонента (C = 342), представляющего собой водный раствор двух солей металлов (n = 2) плотностью 1,205 кг/л, с массовой долей (содержанием) хлористого магния, составляющей m₁ = 0,15 и массовой долей хлорного железа, составляющей m₂ = 0,05. Молекулярный вес хлористого магния M₁ = 95,2, молекулярный вес хлорного железа M₂ = 164,2.

Исходя из требуемой прочности на сжатие 25 МПа и заданной толщины изделия (стяжки) 3-10 мм, выбирается значение K₁ = 260.

В качестве компонента, содержащего активный оксид магния, используется каустический магнезит с массовой долей активного оксида магния K₂ = 0,83.

Путем подстановки в соотношение (1) указанных значений расчетных параметров K_1,2, C, m_1,2, M_1,2 (при n = 2), после выполнения арифметических действий, находится потребная масса каустического магнезита A = 208 кг.

В качестве заполнителя используется кварцевый песок крупностью до 0,5 мм и массовой долей пылевидных частиц K₃ = 0,017, а в качестве наполнителя - пыль кварцевая с удельной поверхностью 2000 см²/г.

Количество заполнителя (в данном оно случае не задано) и количество наполнителя определяются путем совместного решения системы, состоящей из соотношений (2) и (3), в результате решения которой в данном случае находится масса заполнителя M₃ = 536,8 кг, масса наполнителя H = 247,2 кг.

В качестве добавок берется 1,49 кг метилцеллюлозы, 5,96 кг пластификатора, 1,79 кг антивспенивателя (рыбий жир).

Массовая доля солевого компонента в данном варианте состава смеси составляет 0,289, содержание воды - 21,4%, содержание чистого хлористого магния - 4%.

Ниже приведены примеры 2, 3, 4 состава смеси, определенные аналогично примеру 1.

Пример 2.

Для изготовления партии смеси берут 287,5 кг 15%-процентного раствора хлористого магния плотностью 1,149 кг/л, 209,1 кг каустического магнезита с массовой долей 0,83 оксида магния, 522,6 кг кварцевого песка крупностью 0,1 - 0,5 мм, 261,3 кг кварцевой пыли с удельной поверхностью 500 - 5000 см²/г, 1 кг сульфированной нафталиноформальдегидной смолы, 5 кг суперпластификатора (натриевая соль сульфированной меламиноформальдегидной смолы) и 1 кг антивспенивателя (рыбий жир). Массовая доля раствора солевого компонента составляет 0,287, содержание воды - 19%, чистого хлористого магния - 3,3%.

Данная смесь считается базовой и имеет твердость 25 МПа через 7 суток с начала затвердевания.

Пример 3.

Для изготовления партии смеси берут 292,8 кг 15%-процентного раствора хлористого магния, 213,0 кг каустического магнезита с массовой долей 0,83 оксида магния, 21,3 кг гипса, 510,1 кг кварцевого песка, 239,6 кг кварцевой пыли, 1 кг сульфированной нафталиноформальдегидной смолы, 5 кг суперпластификатора (натриевая соль сульфированной меламиноформальдегидной смолы) и 1 кг антивспенивателя (рыбий жир). Массовая доля раствора солевого компонента составляет 0,293, содержание воды - 19%, чистого хлористого магния - 3,4%.

Данная смесь обладает повышенной эластичностью и аналогичными примеру 1 прочностными характеристиками.

Пример 4.

Для изготовления партии смеси берут 351,1 кг 15%-процентного раствора хлористого магния, 780,3 кг каустического доломита с массовой долей 0,21 оксида магния, 200,2 кг кварцевого песка (крупностью до 1,5 мм), 3,5 кг кварцевой пыли, 1 кг сульфированной нафталиноформальдегидной смолы, 5 кг суперпластификатора (натриевая соль сульфированной меламиноформальдегидной смолы), 1 кг антивспенивателя (рыбий жир) и 20 кг пигмента (охра). Массовая доля раствора солевого компонента составляет 0,334, содержание воды - 22%, чистого хлористого магния - 4%.

Данная смесь является одновременно декоративной и экономичной, так как в качестве компонента, содержащего активный оксид магния, используется каустический доломит, и имеет твердость 15 МПа через 7 суток с начала затвердевания.

Только при наличии всей совокупности необходимых признаков данного изобретения одновременно обеспечиваются оптимальная подвижность в течение срока, необходимого для распределения раствора по значительной площади, высокая водоудерживающая способность и низкая расслаиваемость раствора смеси, высокая прочность ее сцепления с бетоном, упрощение и ускорение процесса ее нанесения и последующего твердения, безусадочность, беспыльность получаемых изделий, обладающих высокими ударной прочностью и истираемостью с минимальным содержанием или без использования наиболее дорогих полимерных составляющих.

Снижение стоимости последних существенно превышает увеличение затрат на магнезиальное связующее по сравнению с портландцементом.

В настоящее время разработаны и проверены на практике различные варианты исполнения самовыравнивающейся строительной смеси.

Результаты проверки подтвердили получение вышеуказанного технического результата и готовность изобретения к промышленному производству.

Источники информации
1. SU N 1231177, 1986.

2. SU N 1470713, 1989.

3. WO N 98/55419, 1998 (прототип).

Использование: в строительстве, преимущественно для изготовления стяжек и покрытий полов. Самовыравнивающаяся строительная смесь содержит заполнитель крупностью до 0,5 мм, наполнитель с удельной поверхностью 500-5000 см²/г и магнезиальный цемент в роли вяжущего, в состав которого входит компонент, содержащий активный оксид магния, например каустический магнезит или каустический доломит, и солевой компонент, представляющий собой кристаллогидрат или водный раствор по меньшей мере одной соли сильной кислоты и двух-, трехвалентного металла, например хлористого магния, хлорного железа, сульфата магния или их смеси. Кроме того, смесь содержит стабилизирующую добавку, пигмент и модифицирующие добавки. Количество ингредиентов в смеси определяется из соотношений между содержанием активного оксида магния, составом солевого компонента и концентрацией пылевидных частиц в заполнителе. Технический результат - получение недорогой и несложной в изготовлении самовыравнивающейся смеси, обладающей оптимальными эксплуатационными и эстетическими свойствами. 6 з.п. ф-лы.

1. Самовыравнивающаяся строительная смесь, содержащая сыпучий заполнитель, инертный наполнитель с удельной поверхностью 500 - 5000 см²/г и по меньшей мере одну стабилизирующую и водоудерживающую добавку, препятствующую расслоению смеси, а также магнезиальный цемент, в состав которого входит компонент, содержащий активный оксид магния, и солевой компонент, представляющий собой по меньшей мере одну соль сильной кислоты и металла с валентностью от двух до трех, при следующем соотношении количества указанных компонентов

где А - масса компонента, содержащего активный оксид магния;
С - масса солевого компонента;
n - количество составляющих (солей), входящих в состав солевого компонента;
m_i - массовая доля одной из солей в компоненте;
M_i - молекулярный вес этой соли;
K₁ = 200 - 350;
K₂ - массовая доля активного оксида магния в компоненте, содержащем активный оксид магния,
и при следующем соотношении количества заполнителя, наполнителя, и компонента, содержащего активный оксид магния
H ≥ M₃(0,85 - 1,85 K₃) - А,
где Н - масса наполнителя;
K₃ - массовая доля пылевидных частиц в заполнителе;
M₃ - масса заполнителя,
при этом содержание стабилизирующей и водоудерживающей добавки в смеси составляет 0,025 - 5 мас.%. 2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве заполнителя она содержит кварцевый, известковый, доломитовый или гранитный песок или песок из шлаков крупностью не более 0,5 мм. 3. Смесь по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она содержит в качестве наполнителя молотый кварц и/или известняк, а в качестве компонента, содержащего активный оксид магния, - каустический магнезит с массовой долей активного оксида магния от 0,75 до 0,95. 4. Смесь по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в качестве компонента, содержащего активный оксид магния, она содержит каустический доломит с массовой долей активного оксида магния от 0,15 до 0,21. 5. Смесь по любому из пп.3 и 4, отличающаяся тем, что она содержит солевой компонент в виде твердого кристаллогидрата по меньшей мере одной из следующих солей хлористого магния, хлорного железа, сульфата магния. 6. Смесь по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что она содержит солевой компонент в виде водного раствора плотностью 1,1 - 1,35 кг/л по меньшей мере одной из следующих солей: хлористого магния, хлорного железа, сульфата магния. 7. Смесь по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит пигмент в количестве 0,5 - 3 мас.%, при этом в качестве стабилизирующей и водоудерживающей добавки она содержит по меньшей мере одну из следующих добавок: метилцеллюлозу, полиоксиэтилен, гипан, бентонитовую глину, сульфированную нафталиноформальдегидную смолу, а в качестве модифицирующих добавок по меньшей мере одну из следующих добавок : натриевую соль сульфированной меламиноформальдегидной смолы, гипс, полимерную дисперсию (ПВА) - поливинилацетатная, антивспениватель, ортофосфорную кислоту и ее соли, а также компоненты, содержащие активный кремнезем.