СТРОИТЕЛЬНАЯ СМЕСЬ Российский патент 2002 года по МПК C04B28/26 C04B111/20 

Изобретение относится к строительным смесям и может быть использовано для изготовления штукатурок и облицовок, заполнения швов в сборных конструкциях, а также в производстве изделий.

Строительная смесь по изобретению особенно эффективна при эксплуатации в средах с повышенной кислотностью и в производстве радиационно-защитных экранов от гамма- (или рентгеновского) и нейтронного излучения.

Известна композиция с консистенцией строительного раствора, используемая при изготовлении экранов для защиты от ядерного излучения. Она содержит водный раствор сахарозы и твердые компоненты веществ, имеющих атомы водорода, лития, бора, гадолиния для защиты от нейтронного излучения и атомы тяжелых металлов, например свинца, вольфрама и обедненного урана для защиты от гамма- и рентгеновского излучения (1).

Недостаток композиции - возможность ее работы только в воздушно-сухих условиях.

Известна композиция для изготовления строительных плит, поглощающих нейтроны, состоящая из сульфата кальция (CaSO₄) и измельченных соединений бора в виде минералов колеманита, пандермита, борацита, датолита и др. (2).

Эта композиция также может работать только в воздушно-сухих условиях и, кроме того, не обеспечивает защиты от гамма- и рентгеновского излучения ввиду отсутствия в ней атомов тяжелых элементов.

Известен бетон или строительный раствор для защиты от излучения и способ его получения путем введения элементов с высокой атомной массой (свинца или бария) для защиты от гамма-лучей и с низкой атомной массой (бора, бериллия, лития) для защиты от нейтронного излучения. Указанные элементы вводятся в форме боратных или силикатных стекол (3).

В этом бетоне или растворе не используется способность силикатных стекол проявлять вяжущие свойства - гидратироваться и твердеть при их тонком помоле.

Известен способ изготовления пористого заполнителя путем тонкого помола стеклобоя кинескопов с добавкой карбоната кальция (СаСО₃), гранулирования, сушки и обжига при температуре размягчения стекла со вспучиванием гранул газом СО₂, выделяющимся при разложении СаСО₃ (4).

Кинескопное стекло содержит в своем составе оксиды бария и/или свинца, а также бора и в этой связи обладает радиационно-защитными свойствами, но в готовом заполнителе по данному способу нет связанной воды и соответственно - атомов водорода, обеспечивающих защиту от нейтронного излучения.

Наиболее близким прототипом (5) предложенной строительной смеси является бетонная смесь, включающая молотое стекло состава, мас.%: SiO₂ - 36,17... 39,06; Аl₂O₃ - 18,34...20,22; CaO - 27,51...32,63; MgO - 4,25...5,91; Fе₂O₃ - 1,08...1,51; Mn₂O₃ - 0,04...0,06; Ка₂О - 0,41...0,52; Na₂O - 3,13...4,07; F - 2,0...3,5; заполнитель из дробленого стекла того же состава и щелочной активизатор при следующем соотношении компонентов, мас.,%:
Молотое стекло - 20-40
Заполнитель из дробленого стекла - 19-60
Щелочной активизатор - 0,8-3,2
Вода - Остальное
По данному прототипу в качестве щелочного активизатора гидратации стекла, размолотого до удельной поверхности 2500-4000 см²/г, могут применяться: едкие щелочи, растворимое (жидкое) стекло, известь. Предпочтение отдается едкому натру.

В бетонной смеси по прототипу используется способность тонко размолотого силикатного стекла проявлять вяжущие свойства - гидратироваться и твердеть с превращением в кислотостойкий камень, но смесь имеет тот недостаток, что твердение и набор прочности может происходить только при пропаривании или автоклавной обработке и в этой связи смесь не технологична. При твердении в нормальных условиях (н. у. ) она практически не гидратирует и необходимой прочности не набирает по причине малого содержания в размолотом стекле щелочных оксидов. Смесь по прототипу не может применяться для радиационной защиты ввиду отсутствия в ней элементов с высокой атомной массой.

Целью изобретения является придание смеси способности гидратироваться и набирать необходимую прочность в нормальных условиях твердения, повышение ее технологичности и обеспечение возможности применения для радиационной защиты.

Поставленная цель достигается тем, что строительная смесь включающая молотое стекло, дробленое стекло и жидкое стекло содержит молотое стекло состава, мас.%: SiO₂ - 58,1...70,5; В₂О₃ - 0,1...3,7; CaO - 0,2...6,0; BaO - 0,2. . . 12,0; PbO - 0,2...13,0; Аl₂O₃ - 2...6; Na₂O - 3...7; K₂O - 8...10 и добавку гипса при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
Указанное молотое стекло - 100
Дробленое стекло - 50-300
Указанное жидкое стекло - 30-60
Гипс - 1-2
Стекловяжущее указанного химического состава готовят предпочтительно из боя кинескопов с учетом тех факторов, что стекло тубусной части кинескопа содержит обычно оксиды свинца и бора, но не содержит оксиды бария и кальция, а стекло экрана, наоборот, содержит оксид бария, но не содержит оксиды свинца, кальция и бора, в то время как стекло конусной части, примыкающей узким концом к тубусу, а широким - к экрану, содержит все перечисленные оксиды.

Стекло для дробления и помола можно также приготовить путем варки шихты заданного состава в стекловаренных печах при температуре 1350-1400^oС с последующим гранулированием стекломассы выливанием расплава в воду.

Химический состав стеклозаполнителя может быть таким же как и у стекловяжущего, а может и отличаться в зависимости от условий эксплуатации.

Стекло дробят в молотковой или иной дробилке до размера зерен предпочтительно не более 2,5 мм. Помол осуществляют в шаровой или иной мельнице до удельной поверхности 3000-4000 см²/г (в среднем - 3500 см²/г).

Товарное жидкое стекло плотностью 1,38-1,40 г/см³ смешивают с водой до получения плотности 1,21-1,25 г/см³.

Добавка гипса может применяться как в виде безводного сульфата кальция (ангидрита), так и в виде полуводного гипса альфа- или бета-модификации.

Добавка гипса кроме своего прямого назначения - структурировать твердеющую массу иглами двуводного гипса дополнительно подкисляет систему, ускоряя совместно текущие процессы образования кристаллогидратов, поликонденсации кремнегеля и сшивки полимерных цепей катионами бария и/или кальция, что способствует ускорению набора прочности.

Ускоренный набор прочности при нормальных условиях твердения обеспечивается также выщелачиванием из стекловяжущего щелочных и щелочеземельных оксидов в водной среде с величиной рН = 12...14, которая создается диссоциацией жидкого стекла, выполняющего с одной стороны роль активизатора гидратации стекловяжущего, а с другой - добавляющего в систему активный кремнегель.

Высокое содержание в затвердевшей смеси связанной воды обусловливается повышенным (по сравнению с прототипом) количеством в стекловяжущем хорошо растворимых в воде оксидов Na₂O + К₂O + ВаО.

Чем больше в системе связанных гидроксогрупп ОН^-, тем больше атомов водорода и тем выше защитные свойства от нейтронного излучения.

Поскольку в системе присутствуют в значительных количествах атомы бария и/или свинца, а также бора, то обеспечивается возможность применения строительной смеси по данному изобретению для защиты как от гамма- или рентгеновского излучения, так и от нейтронного излучения.

Увеличение в стекловяжущем ВаО сверх 12% (мас.) не показывает повышения количества связанной воды, а отсутствие ВаО снижает количество связанной воды и замедляет процесс набора прочности при нормальных условиях твердения.

Количество стеклозаполнителя менее 50 мас. ч. на 100 мас. ч. стекловяжущего не обеспечивает создания необходимого каркаса для предотвращения усадочных деформаций и приводит к снижению прочности, а количество стеклозаполнителя более 300 мас. ч. на 100 мас. ч. стекловяжущего не позволяет получать монолитное строение затвердевшего камня и также приводит к снижению прочности.

Плотность водного раствора жидкого стекла 1,21-1,25 г/см³ и добавка гипса в количестве 1-2 мас. ч. на 100 мас. ч. стекловяжущего - это возможные пределы ошибок дозирования.

Плотность раствора жидкого стекла менее 1,21 г/см³ понижает массу активного кремнегеля в системе, а плотность выше 1,25 г/см³ ухудшает процессы укладки смеси и омоноличивания системы.

При количестве гипса менее 1 мас. ч. на 100 мас. ч. стекловяжущего влияние гипса становится незначительным, а более 2 мас. ч. на 100 мас. ч. стекловяжущего сокращается время, необходимое для укладки готовой смеси.

Оптимальное количество водного раствора жидкого стекла плотностью 1,21-1,25 г/см³ для затворения подбирается опытным путем по известным методикам подбора составов для растворов и бетонов в зависимости от заданной необходимой консистенции готовой смеси и ее назначения. Водный раствор жидкого стекла в количестве менее 30 мас. ч. на 100 мас. ч. стекловяжущего делает смесь жесткой и непригодной для укладки, а более 60 мас. ч. приводит к расслоению готовой смеси при транспортных перевозках к месту укладки.

Чем больше массовых частей стеклозаполнителя на 100 мас. ч. стекловяжущего тем меньше в системе связанной воды и атомов водорода и тем хуже защитные свойства от нейтронного излучения. В этой связи предпочтительно, чтобы стеклозаполнитель содержал возможно большее количество оксида бора, поскольку атомы бора так же как и атомы водорода повышают защитные свойства от нейтронного излучения. При этом предпочтительно, чтобы стекловяжущее содержало по меньшей мере 5...12% (мас.) оксида бария для увеличения связанной воды в системе, а стеклозаполнитель наряду с содержанием оксида бора имел бы возможно большее количество оксида свинца.

Пример. Готовят строительную смесь различных составов, используя следующие сырьевые материалы.

Стекло состава, мас.%: SiO₂ - 58,1...70,5; В₂О₃ - 0,1...3,7; CaO - 0,2.. .6,0; BaO - 0,2...12,0; PbO - 0,2...13,0; Аl₂О₃ - 2...6; Na₂O - 3...7; К₂O - 8...10.

Часть стекла измельчают до удельной поверхности 3500 см²/г, часть используют в виде частиц, размером 0,5-2,5 мм.

Товарное жидкое стекло плотностью 1,38 г/см³. Водный раствор жидкого стекла плотностью 1,23 г/см³ готовят смешиванием товарного жидкого стекла с водой.

Стекловяжущее, стеклозаполнитель и водный раствор жидкого стекла перемешивают в лопастном смесителе. Полученную строительную смесь применяют в дело любым известным способом проведения бетонных или штукатурных работ.

Составы строительной смеси и свойства приведены в таблице.

Как видно из таблицы использование строительной смеси по изобретению позволяет получать затвердевший в нормальных условиях камень с необходимой прочностью и достаточно высокими показателями связанной воды, вычисляемыми по формуле: Н₂O_связ.=(g₁-g₂):g₂ (в долях или процентах),
где g₁ - масса образца, высушенного при 95-105^oС;
g₂ - масса того же образца после термообработки при 800-850^oС.

Источники информации
Аналоги
1. Патент США 3751387, С 04 В 35/68, G 21 C 11/00, G 21 F 1/10, опубл. 7 авг. 1973 г., том 913, 1.

2. Заявка ФРГ 2512858, G 21 F 1/04, C 04 B 15/04, опубл. 30.09.76 г.

3. Заявка Франции 2306952, С 04 В 15/04, опубл. 10 дек. 1976 г., 50.

4. SU 1782957 A1, С 04 В 14/22, опубл. 23.12.92 г., БИ 47.

Прототип
5. SU 1073208 , С 04 В 15/00, опубл. 15.02.84 г., БИ 6.

Изобретение относится к строительным смесям и может быть использовано для изготовления штукатурок и облицовок, заполнения швов в сборных конструкциях, а также при изготовлении изделий. Технический результат - придание смеси способности гидратироваться и набирать необходимую прочность в нормальных условиях твердения, повышение ее технологичности и обеспечение возможности применения для радиационной защиты. Строительная смесь содержит дробленое стекло - стеклозаполнитель, молотое стекло - стекловяжущее состава, мас. %: SiO₂ 58,1 - 70,5; B₂O₂ 0,1 - 3,7; CaO 0,2 - 6,0; BaO 0,2 - 12,0; PbO 0,2 - 13,0; Al₂О₃ 2 - 6; Na₂O 3 - 7; К₂O 8 - 10; жидкое стекло плотностью 1,21 - 1,25 г/см³ и добавку гипса при соотношении компонентов в мас.ч.: указанное молотое стекло 100; указанное дробленое стекло 50 - 300; жидкое стекло 30 - 60; гипс 1 - 2. 1 табл.

Строительная смесь, включающая стекловяжущее - молотое стекло, стеклозаполнитель - дробленое стекло и жидкое стекло, отличающаяся тем, что она содержит молотое стекло состава, мас.%: SiO₂ 58,1-70,5; В₂O₃ 0,1-3,7; CaO 0,2-6,0; BaO - 0,2-12,0; PbO 0,2-13,0; Аl₂О₃ 2-6; Na₂O 3-7; К₂О 8-10, жидкое стекло плотностью 1,21-1,25 г/см³ и добавку гипса при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Указанное молотое стекло - 100
Дробленое стекло - 50 - 300
Указанное жидкое стекло - 30 - 60
Гипс - 1 - 26