ПЕНОБЕТОННАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК C04B38/10 

Изобретение относится к технологии строительных материалов и может быть использовано для изготовления конструкционно-теплоизоляционных бетонов различного назначения.

Одной из разновидностей конструкционно-теплоизоляционных бетонов являются ячеистые бетоны и, в частности, пенобетоны. В таких бетонах образование ячеистой структуры происходит в результате смешивания технической пены, приготовленной из водного раствора пенообразователя с раствором из вяжущего вещества, минерального наполнителя и воды в роторном бетоносмесителе. В качестве вяжущего вещества в пенобетонных смесях используют портландцемент или шлакопортландцемент, в качестве минерального наполнителя - различные виды кремнеземистых веществ (тонкомолотый кварцевый песок, высокодисперсные вторичные продукты обогащения руд с содержанием SiO₂ не менее 60%), а также золы-уноса ТЭС с удельной поверхностью не менее 4000 см²/г, а в качестве пенообразователя - клееканифольный, смолосапониновый и другие пенообразующие вещества, обеспечивающие выход пор не менее 15 л/кг и коэффициент использования не ниже 0,8 (Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона СН 277-80. - М.: Стройиздат, 1981).

В настоящее время в качестве пенообразующих добавок при изготовлении пенобетонных смесей применяют специальные синтетические продукты: ПО-1 (патент РФ 2143413, С 04 В 38/10, 1999), ПО-6НП (патент РФ 2136634, С 04 В 38/10, 1999), "Морпен" (патент РФ 2149858, С 04 В 38/10, 2000) "Унипор" (патент РФ 2199507, С 04 В 38/10, 2003) и многие другие.

К недостаткам известных пенобетонных смесей следует отнести необходимость сухого или мокрого помола кремнеземистого компонента - раздельно или совместно с вяжущим веществом (см., например, Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. - М.: Высшая школа, 1989; а.с. 1766887, С 04 В 38/10, 1992; патент РФ 2010021, С 04 В 38/10, 1994; патент РФ 2064913, С 04 В 38/02, 1996; патент РФ 2149858, С 04 В 38/10, 2000), что приводит к большим энергетическим и материальным затратам при приготовлении пенобетонной смеси, усложнению технологического процесса и требует установки дополнительного обслуживающего оборудования. Кроме того, сухой помол кремнеземистого компонента способствует загрязнению окружающей среды за счет значительного пылевыделения, а мокрый требует в некоторых случаях корректировки водотвердого отношения в смеси и дополнительного дозирования воды, что также усложняет технологический процесс.

В качестве кремнеземистого наполнителя при приготовлении пенобетонной смеси используют и природные кварцевые пески с модулем крупности с М_кр≤1 (патент РФ 2078749, С 04 В 38/02, 1997) или М_кр≤2,4 (патент РФ 2149858, С 04 В 38/10, 2000). Однако в этом случае для обеспечения соответствия физико-механических свойств получаемых пенобетонов действующим нормативным документам часть песка дополнительно измельчают вместе с портландцементом до удельной поверхности 5000-7000 см²/г (патент РФ 2149858) либо используют для приготовления пенобетонной смеси специальное (нестандартное) технологическое оборудование (патент РФ 2078749).

Использование золы-уноса ТЭС в качестве кремнеземистого наполнителя при изготовлении пенобетона заданного состава по установленной технологии может быть ограничено из-за различия химического и минерального состава и дисперсности зол в отдельных регионах страны, а также нестабильности их свойств (Батрак А.И. Шлам зольный - сырье для производства ячеистого бетона // Строительные материалы, 2002 №5, с.22-23). Различия составов и их временные изменения настолько велики, что в ряде случаев превышают содержание в пенозолобетонных смесях комплексных добавок - модификаторов, предназначенных для направленного изменения их свойств (патент РФ 2136634, С 04 В 38/10, 1999).

Вместе с тем согласно ГОСТ 25485-89 "Бетоны ячеистые. Технические условия" для изготовления ячеистых бетонов "допускается применять другие материалы, обеспечивающие получение пенобетонов, отвечающих заданным физико-техническим характеристикам" (п.1.3.9.4).

Известна пенобетонная смесь, включающая цемент, зольный наполнитель, воздухововлекающую добавку, воду и диспергированный мел в количестве 7-9% (патент РФ 2186749, С 04 В 38/10, 2002). В этом случае предварительно измельченный до удельной поверхности 700-1400 см²/г мел вводят в состав пенобетонной смеси для стабилизации пены и снижения усадочных деформаций пенобетона, при этом физико-механические характеристики последнего практически не изменяются.

Известен способ изготовления пенобетонной смеси, включающий подготовку, дозирование, загрузку компонентов - вяжущего вещества, минерального наполнителя и части воды затворения в роторный смеситель, приготовление в отдельном смесителе технической пены из пенообразователя и остальной воды затворения и смешивание цементного раствора с приготовленной пеной (Домокеев А.Г. Строительные материалы. - М.: Высшая школа, 1989).

Наиболее близкой по составу и достигаемому результату к заявляемому изобретению является формовочная смесь для изготовления пенобетонов, содержащая портландцемент (30,0-35,4 мас.%), кварцевый песок (14,0-29,3 мас.%), пенообразователь "Унипор" (0,5-0,7 мас.%), микронаполнитель - химически чистый мел (8,4-11,0 мас.%) и воду по патенту РФ 2199507, С 04 В 38/10, 2003. Пенобетонные изделия, полученные из предлагаемой формовочной смеси, имеют малую усадку при твердении и достаточно высокую прочность при сжатии.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления пенобетонной смеси, включающий подготовку, дозирование, загрузку компонентов в определенной последовательности вместе с пенообразователем в высокооборотный (турбулентный) смеситель и их интенсивное смешивание, во время которого осуществляется вспенивание (поризация) смеси за счет воздухововлечения (патент РФ 2010021, С 04 В 38/10, 1994; Большаков В.И., Мартыненко В.В., Ястребцов В.В. Производство изделий из ячеистого бетона по резательной технологии. - Днепропетровск: "Пороги", 2003).

Однако применение в качестве наполнителя химически чистого мела предполагает либо дополнительный технологический передел для переработки природного мела, либо специальный синтез химически чистого карбоната кальция, а также дополнительный помол получаемого продукта до указанной в патенте РФ 2199507 удельной поверхности более 8000 см²/г. Все это существенно усложняет технологию и повышает стоимость изделий из пенобетона.

Подготовка компонентов пенобетонной смеси обычно включает в себя помол кремнеземистого наполнителя или его части сухим или мокрым способом, раздельно или совместно с вяжущим веществом (например, в шаровой мельнице) до удельной поверхности, необходимой для получения заданных физико-механических характеристик пенобетона (Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона СН 277-80. - М.: Стройиздат, 1981). Для диспергирования мела обычно применяют фрезерно-метательные мельницы (Паус К.Ф., Евтушенко И.С. Химия и технология мела. - М.: Стройиздат, 1977, с.39-40). Использование турбулентного смесителя для доизмельчения мела до сих пор не производилось.

Целью изобретения является снижение энергетических и материальных затрат, упрощение технологии и расширение сырьевой базы для изготовления пенобетонной смеси.

Сущность изобретения состоит в том, что пенобетонная смесь, включающая портландцемент, минеральный наполнитель, пенообразователь и воду, содержит в качестве минерального наполнителя дробленый природный мягкий мел при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент27-37дробленый природный мягкий мел29-41пенообразователь ПО-3НП0,5-0,8водаостальное

Сущность изобретения состоит также в том, что способ изготовления пенобетонной смеси включает подготовку, дозирование, загрузку компонентов в определенной последовательности в турбулентный смеситель и их смешивание, подготовка содержит дробление природного мягкого мела до максимального размера частиц 2,5 мм, после загрузки в смеситель отдозированные портландцемент, дробленый мел и воду смешивают в течение 4-5 мин, в результате чего происходит дополнительное диспергирование мела - увеличение доли меловых частиц с размером менее 0,01 мм, добавляют пенообразователь и затем осуществляют вспенивание (поризацию) смеси.

Наше мнение о возможности и целесообразности использования природного мягкого мела в качестве минерального наполнителя в пенобетонных смесях с полной заменой известных кремнеземистых наполнителей основано на следующих положениях.

1. Месторождения мела широко распространены в Европейской части России (Щебекинское, Петропавловское, Белгородское в Белгородской области, Копанищенское в Воронежской области, Вольское в Саратовской области, Лысогорское в Ростовской области и другие.). Мягкий мел - это рыхлая (временное сопротивление сжатию в воздушно-сухом состоянии изменяется от 1,0 до 4,5 МПа, твердость по шкале Мооса меньше 1) тонкодисперсная порода белого цвета с высоким (до 99,5%) содержанием карбоната кальция в виде частиц кристаллического и аморфизированного кальцита и остатков известковых организмов. Некарбонатная часть мела содержит глинистые минералы (гидрослюды, бейделлит), оксиды Al₂О₃, Fe₂О₃, TiO₂ и другие, а в его тонкой (менее 1 мкм) фракции присутствует аморфный кремнезем. Глинистые примеси покрывают поверхность зерен кальцита, цементируют их и тем самым способствуют повышению гидрофильности, плотности и прочности мела (с увеличением содержания глинистых примесей временное сопротивление сжатию растет до 7,5 МПа и более).

2. При взаимодействии с водой прочность мела существенно снижается в связи с тем, что вода проникает по микротрещинам в места контакта карбонатных частиц (коллоидные пленки глинистых веществ и аморфного кремнезема легко разрушаются и структурные связи в агрегатных частицах мела ослабляются). Кроме того, мел обладает низким сопротивлением тангенциальным (сдвиговым) усилиям, составляющим лишь 0,054 от статической прочности при сжатии (Паус К.Ф., Евтушенко И.С. Химия и технология мела. - М.: Стройиздат, 1977, с.14).

3. С учетом перечисленных особенностей структуры мела и изменений его свойств в водной среде для получения достаточно однородной дисперсной системы, необходимой для изготовления пенобетонной смеси, мел требуется лишь раздробить (как показали наши исследования, до максимального размера частиц 2,5 мм). Дальнейшее диспергирование мела с образованием столь важных в структурообразовании бетонов частиц коллоидного размера может происходить самостоятельно при наличии сильных токов воды, например, в турбулентном смесителе.

4. Мягкий мел плохо диспергируется в сухом виде, поэтому для получения тонкодисперсного мела используют технологию мокрого обогащения. Основным агрегатом технологической линии здесь служит фрезерно-метательная мельница, рабочим органом которой является ротор, вращающийся с частотой 10 с^-1. Прилагаемые к частицам мела усилия как во фрезерно-метательной мельнице, так и в турбулентном смесителе схожи по характеру и величине (частота вращения активатора в серийно выпускаемых турбулентных смесителях составляет от 9,2 до 12,3 с^-1). И в том, и в другом аппарате крупные частицы мела, связанные в агрегаты легкоразмокаемыми пленками, будут интенсивно разрушаться с поверхности за счет отделения мельчайших фракций, и постепенно меловая суспензия наполнится тонкодисперсными частицами мела с повышенной реакционной способностью. При приготовлении цементно-меловых суспензий следует учитывать также абразивное действие частиц цемента, которое будет усиливать процесс диспергирования мела.

Специально проведенные эксперименты подтвердили высказанное предположение о дополнительном диспергировании мела в турбулентном смесителе. Так через 8 мин перемешивания (при частоте вращения ротора 10,3 с^-1) доля частиц мела с размером менее 0,01 мм возросла с 33,8 до 44,4%, в то время как дополнительное диспергирование уже измельченного до удельной поверхности 2500 см²/г мела было незначительным (доля частиц с размером менее 0,01 мм возросла лишь с 49,2 до 50,7%). Определение зернового состава мела, дополнительно диспергированного в турбулентном смесителе, производилось путем мокрой промывки меловой суспензии через стандартный набор сит, применяемый для установления гранулометрического состава цемента.

5. При одностадийной технологии и использовании анионактивных пенообразователей пенобетонные массы, содержащие в своем составе карбонатные материалы, обладают повышенной устойчивостью к оседанию. Взаимодействие отрицательно заряженных радикалов молекул ПАВ с положительным зарядом ионов-компенсаторов на поверхности карбонатных микрочастиц приводит к гидрофобизации последних. Как и частицы новообразований - продуктов гидратация клинкерных минералов, они будут фиксироваться на поверхности воздушных пузырьков, препятствуя их коалесценции. Таким образом, действие молекул ПАВ, сорбирующихся на той же поверхности и уменьшающих величину поверхностного натяжения воды, будет усиливаться.

6. Тонкодисперсные карбонатные материалы обладают высокой химической активностью и участвуют в процессе структурообразования цементного камня. Это подтверждается результатами рентгенофазового и петрографического анализов. На рентгенограммах пеномелобетонов (ПМБ) нормального твердения отмечаются характерные пики гидрокарбоалюмината кальция 3СаО·Al₂О₃·СаСО₃·11Н₂O, образующегося при взаимодействии трехкальциевого алюмината 3СаО·Al₂О₃, углекислого кальция СаСО₃ и воды в процессе гидратации. Микрокристаллы этого новообразования, хорошо различимые под микроскопом, способствуют росту прочности межпоровых перегородок ячеистого композита благодаря более плотной упаковке частиц цементного камня и усиления между ними структурного взаимодействия.

Характеристика исходных материалов

Для изготовления пенобетонных смесей в качестве вяжущего применяли бездобавочный портландцемент М400 Старооскольского цементного завода. Определение его свойств производили по методикам ГОСТ 310.1-76 "Цементы. Методы испытаний. Общие положения", ГОСТ 310.2-76 "Цементы. Методы определения тонкости помола", ГОСТ 310.3-76 "Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема", ГОСТ 310.4-81 "Цементы. Методы определения пределов прочности при изгибе и сжатии".

В качестве минерального наполнителя был использован природный мягкий мел Лысогорского (Ростовская область) месторождения. Свойства мела определяли по методикам ОСТ 21-10-74 "Мел природный комовый, дробленый и молотый".

В качестве пенообразователя был использован синтетический пожарный пенообразователь ПО-3НП Новочеркасского завода синтетических продуктов (Ростовская область), представляющий собой водный (25-27%) раствор алкилсульфата натрия с добавками карбамида и хроматциклогексанамина (ТУ 38-00-05807999-20-93), относящийся к группе анионактивных веществ. Результаты испытаний исходных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1Наименование материалаСвойстваСоответствие нормативным документамПортландцемент бездобавочный Старооскольсокго ц/з, ПЦДОТонкость помола - 6,2%
Насыпная плотность - 1160 кг/м³
Истинная плотность - 3150 кг/м³
Нормальная густота цементного теста - 25%
Равномерность изменения объема - выдерживает
Активность - 42,0 МПа
Предел прочности при изгибе - 7 МПаСоответствует ГОСТ 10178-85Мягкий природный мел Лысогорского месторожденияСредняя плотность - 1620 кг/м³
Истинная плотность - 2720 кг/м³
Пористость - 40,2%
Водопоглощение - 19,0%
Естественная влажность - 13,2%Соответствует ОСТ 21-10-74

Реализации изобретения

1. Изготовление пенобетонных смесей и образцов пеномелобетона

Параметры пенобетонных смесей: водотвердое отношение - В/Т=0,43-0,59, мелоцементное отношение - М/Ц=0,78-1,6, содержание пенообразователя - 6-8 кг/м³. Дробление мела производили на двухвалковой дробилке ДГ 400/250. Было изготовлено три партии дробленого мела с полидисперсным зерновым составом с максимальным размером частиц 5,0; 2,5 и 1,25 мм. Кроме того, для проведения сравнительных испытаний путем помола в шаровой мельнице приготовлена одна партия молотого мела с удельной поверхностью 2500 см²/г.

Отдозированные воду затворения, портландцемент и дробленый мел последовательно загружали в турбулентный смеситель СА 400/500 и перемешивали в течение 2-8 мин. Затем добавляли отдозированный пенообразователь и производили вспенивание (поризацию) мелоцементного шликера в течение 4 мин. Далее изготовленные ячеистобетонные смеси выливали в стальные формы размером 10×10×10 см. Твердение образцов происходило в пропарочной камере по режиму: подъем температуры - 3 ч, изотермический прогрев при t=(80±5)°C - 10 ч, остывание - естественное. До проведения испытаний образцы пеномелобетона (ПМБ) выдерживали при относительной влажности 95-100% и температуре 20-25°С в течение 7 суток. Перед началом испытаний образцы высушивали до влажности 7-12%.

2. Определение свойств пеномелобетона

2.1 Средняя плотность ПМБ в серии образцов определялась по методике ГОСТ 12730.1-78 по результатам измерения размеров каждого образца и взвешивания с последующим уточнением его влажности путем высушивания до постоянной массы кусков бетона, отобранных от образца. Влажность определяли по ГОСТ 12730.2-78 путем отбора пробы от каждого испытанного образца массой не менее 100 г. Куски бетона дробили до зерен не более 5 мм, объединяли пробу в серии и сушили ее до постоянной массы при температуре (105±5)°С.

2.2 Определение истинной плотности бетона производили на абсолютно сухом тонко измельченном порошке, проходящем через сито 063 по методике ГОСТ 7025-91 с погрешностью 1,0 кг/м³.

2.3 Общую пористость пенобетона определяли по методике ГОСТ 12730-78 с погрешностью 0,1% по формуле

где ρ_о - средняя плотность пенобетона в сухом состоянии, кг/м³;

ρ_ист - истинная плотность бетона, кг/м³.

2.4 Предел прочности при сжатии контрольных образцов определяли по методике ГОСТ 10180-90. Для отдельного образца предел прочности при сжатии рассчитывали по формуле

где α - масштабный коэффициент для приведения прочности бетона в контрольных образцах к его прочности в образцах базового размера и формы;

F - разрушающая нагрузка, Н;

А - площадь рабочего сечения образца, м²;

K_w - поправочный коэффициент для ячеистого бетона, учитывающий влажность образцов в момент испытания.

Средний предел прочности при сжатии в серии определяли в соответствии с ГОСТ 10180-90 как среднеарифметический результат испытаний шести образцов с погрешностью до 0,01 МПа.

3. Результаты испытаний

3.1 Установлено, что при применении дробленого природного мягкого мела с размерами частиц не более 2,5 мм свойства получаемых ПМБ такие же, как и у пенобетонов, содержащих мел с более тонким измельчением (с максимальным размером частиц 1,25 мм), или содержащих мел, измельченный до удельной поверхности 2500 см²/г (табл. 2). При увеличении крупности мела до 5,0 мм снижается прочность ПМБ, а измельчение до размера частиц 1,25 мм нецелесообразно из-за увеличения энергетических затрат. Образцы ПМБ были изготовлены из пенобетонной смеси, включающей портландцемент, дробленый (или молотый) природный мягкий мел, при М/Ц=1 и В/Т=0,49 и содержании пенообразователя ПО-3НП 6,5 кг/м³. Время диспергирования составило 4 мин, продолжительность вспенивания 4 мин. Образцы твердели при стандартных условиях.

Таблица 2
Влияние дисперсности мела на свойства пеномелобетоновГранулометрический состав мелаСвойства пеномелобетонов Средняя плотность, кг/м³Общая пористость, %Прочность при сжатии, МПа0-5,0 мм83067,24,770-2,5 мм89065,05,290-1,25 мм89564,85,29молотый с удельной поверхностью 2500 см²/г87565,55,32

3.2 Путем исследования гранулометрического состава мела в меловой суспензии после дополнительной диспергирования в турбулентном смесителе было найдено, что с увеличением времени его работы количество мелкой (менее 0,01 мм) фракции в дробленом меле приближается к содержанию указанной фракции в молотом меле (табл. 3). При этом время диспергирования может быть ограничено 4-5 мин. При уменьшении этого времени процентное содержание мелкой фракции мела, которая, в основном, определяет физико-механические свойства ПМБ, заметно снижается, а увеличение времени диспергирования более 5 мин нецелесообразно из-за возрастания энергетических затрат и длительности технологического процесса, в то время как доля мелкой фракции в составе мела увеличивается незначительно.

Таблица 3
Гранулометрический состав частиц мела в меловой суспензии после диспергирования в турбулентном смесителеСтепень измельчения мелаВремя диспергирования, минСодержание фракции, % 2,5-0,25 мм0,25-0,01 ммменее 0,01 ммДробленый, с максимальным размером частиц 2,5 мм052,114,133,8 247,615,137,8 443,415,641,0 541,015,843,2 040,015,644,4Молотый, с удельной поверхностью 2500 см²/г02,648,349,1 81,847,550,7

3.3 В таблице 4 приведены составы пенобетонных смесей, изготовленных из портландцемента, дробленого природного мела с максимальным размером частиц 2,5 мм с последующим его диспергированием в процессе смешивания с портландцементом и водой в турбулентном смесителе в течение 4 мин и длительностью вспенивания после добавления пенообразователя ПО-3НП в течение 4 мин и свойства полученных ПМБ.

Как видно из таблицы, при содержании в смеси портландцемента в количестве 27-37 мас.%, дробленого природного мягкого мела в количестве 29-41 мас.%, пенообразователя в количестве 0,5-0,8 мас.% и воды, добавляемой до 100 мас.% всей смеси, она может быть использована для изготовления конструкционно-теплоизоляционных бетонов марок D900 с классом по прочности В3,5, D800 с классом по прочности В2,5 и D700 с классом по прочности В 1,5 (ГОСТ 25485-89 "Бетоны ячеистые. Технические условия"). При увеличении содержания цемента и уменьшении содержания мела за указанные пределы возрастает плотность более, чем это допускается для конструкционно-теплоизоляционных бетонов, а при уменьшении содержания цемента и увеличении содержания мела за указанные пределы снижается механическая прочность ПМБ.

Таким образом, использование в пенобетонной смеси, предназначенной для изготовления конструкционно-теплоизоляционных бетонов, природного мягкого мела в качестве минерального наполнителя вместо известных кремнеземистых наполнителей, измельченных до удельной поверхности 1500-3500 см²/г, или кремнеземистых наполнителей в естественном (природном) состоянии в сочетании с измельченными до удельной поверхности 1500-3500 см²/г, или, в частности, вместо кварцевого песка в сочетании с химически чистым мелом, измельченным до удельной поверхности 8000 см²/г (прототип), позволяет расширить сырьевую базу, снизить материальные и энергетические затраты на производство пенобетонов и упростить технологический процесс вследствие исключения энергетических затрат и технологического оборудования на измельчение (диспергирование) минеральных наполнителей и уменьшения числа наполнителей в пенобетонной (формовочной) смеси - прототипе предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к технологии строительных материалов и может быть использовано для изготовления конструкционно-теплоизоляционных бетонов различного назначения. Технический результат - снижение энергетических и материальных затрат и расширение сырьевой базы производств пенобетонов. Пенобетонная смесь, включающая портландцемент, минеральный наполнитель, пенообразователь и воду, содержит в качестве минерального наполнителя дробленый природный мягкий мел, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 27-37; дробленый природный мягкий мел 29-41; пенообразователь 0,5-0,8, вода остальное. В способе изготовления пенобетонной смеси, включающем подготовку, дозирование, загрузку компонентов в определенной последовательности и их смешивание в турбулентном смесителе, дополнительно осуществляют дробление мела, дробленый мел загружают в турбулентный смеситель совместно с портландцементом и водой, производят предвиртельное их смешивание в течение 4-5 мин с увеличением доли частиц мела с размером менее 0,01 мм, а затем добавляют пенообразователь и осуществляют вспенивание - поризацию смеси. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Пенобетонная смесь, включающая портландцемент, минеральный наполнитель, пенообразователь и воду, отличающаяся тем, что в качестве минерального наполнителя содержит дробленый природный мягкий мел при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент27-37Дробленый природный мягкий мел29-41Пенообразователь0,5-0,8ВодаОстальное