СЫРЬЕВАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2010 года по МПК C04B28/30 C04B111/27 

Изобретение относится к сырьевым композициям, предназначенным для изготовления строительных материалов и изделий на их основе: самовыравнивающихся наливных полов, стяжек, покрытий, панелей и плит для внешней и внутренней облицовки зданий, лестничных ступеней, различных монолитных архитектурно-строительных изделий сложной конфигурации; композиция может быть использована также для тампонирования трещин стен разрушающихся зданий.

Магнезиальные композиционные материалы находят широкое и все возрастающее применение в строительной индустрии. Это обусловлено тем, что они обладают уникальным комплексом свойств: высокая механическая прочность, низкая истираемость, высокая адгезия к различным строительным материалам, негорючесть, антиэлектростатичность, беспыльность, маслобензостойкость, безусадочность и высокие эстетические и декоративные качества. Однако строительные материалы и изделия на основе магнезиального вяжущего (цементе Сореля) недостаточно устойчивы к воздействию воды, длительным атмосферным воздействиям высокой влажности, что ограничивает их функциональные возможности и области применения. В частности, их нельзя использовать при наружной отделке зданий и сооружений, отделке подвальных помещений с высокой влажностью и возможным просачиванием грунтовых вод. В последнее десятилетие сырьевые магнезиальные композиции нашли широкое применение в изготовлении промышленных и декоративных бесшовных наливных полов, стяжек и различных покрытий. При затворении таких сырьевых композиций они должны образовывать самовыравнивающиеся подвижные пластичные массы, растекающиеся по большой поверхности и сохраняющие жизнеспособность в течение времени, необходимого для их полного использования. При отвердевании массы образующийся материал и строительная конструкция из него должны обладать, наряду с высокой механической прочностью и низкой истираемостью, малой величиной предельного водопоглощения и высокой влагостойкостью.

Известны самовыравнивающиеся строительные смеси на основе магнезиального вяжущего (пат. RU 2163578, кл. С04В 28/30 от 21.03.2001 г.), предназначенные преимущественно для изготовления наливных полов, стяжек и различных строительных покрытий.

Самовыравнивающаяся строительная смесь (RU 2163578) содержит сыпучий заполнитель, инертный наполнитель с высокой удельной поверхностью и по меньшей мере одну стабилизирующую и водоудерживающую добавку, а в роли вяжущего - 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.

Предложенная смесь обладает высокой подвижностью, однородностью и хорошими эстетическими свойствами, но имеет следующие недостатки.

Смесь имеет короткое время жизнеспособности (1 час), в течение которого она должна быть использована. В изобретении нет данных о водопоглощении и водостойкости строительных материалов на ее основе. Прочностные свойства представлены неполно (только прочность при сжатии после семи суток затвердевания).

Известен способ приготовления сырьевой смеси для изготовления строительных изделий (RU 2098381, кл. С04В 28/30 от 10. 12.1997 г.) Способ включает смешение магнезиального вяжущего с заполнителем с последующим затворением солевым раствором хлористого магния. Смесь имеет состав (мас.%): магнезиальное вяжущее 40-50, раствор бишофита плотностью 1,17-1,22 г/см³ - 22-33 и заполнитель - остальное. С целью увеличения прочности, водо-, морозостойкости и снижения величины водопоглощения получаемых материалов раствор хлорида магния перед затворением многократно обрабатывают в магнитном поле аппарата напряженностью от 160 до 340 кА/м.

Данный способ получения сырьевой смеси с использованием омагничивания солевого раствора позволил увеличить прочность материала на изгиб на 40%, в 3 раза повысить водостойкость и уменьшить величину водопоглощения с 11,2% до 3,5%.

К недостаткам изобретения следует отнести:

- нет данных о подвижности и времени жизнеспособности затворенной смеси;

- представлены отрывочные данные о прочности контрольных образцов (только прочность при изгибе);

- отсутствуют данные о водостойкости образцов;

- метод многократного омагничивания солевого раствора в специальном аппарате ограничивает возможности широкомасштабного промышленного получения смеси и повышает себестоимость изготовления строительных изделий.

Известна композиция для изготовления строительных материалов (пат. RU 2079465, кл. С04В 28/30 от 18.08.1997 г.), содержащая магнезиальное вяжущее, сульфат магния (эпсомит), наполнитель, поверхностно-активное вещество, кремний-органический гидрофобизатор и водорастворимые сульфаты, и/или хлориды железа, и/или алюминия.

Изобретение позволяет получать магнезиальную композицию с пониженной величиной водопоглощения (4%) и высокой прочностью при сжатии (до 50 МПа), однако не изучены жизнеспособность, подвижность магнезиальной смеси, нет данных о прочности при изгибе, предельной прочности при растяжении. Кроме того, достигнутый результат по величине водопоглощения все же недостаточен.

Известна сырьевая смесь (пат. RU N2130437, кл. С04В 28/30, от 12.08.1999 г.), включающая, мас.%: каустический магнезит - 15-21,5; молотый основной гранулированный шлак - 24,0-28,5; молотые колошниковую пыль или шлам газоочистки доменных печей - 9,0-30,0; раствор бишофита с плотностью 1,3 г/см³ - 9,30-11,16; алюмосиликатную добавку (отходы от механической нарезки декоративных шлифов на поверхности хрустальных изделий) - 1,0-5,0, вода (с учетом химически связанной бишофитом) - остальное.

Это изобретение по своей технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким к предлагаемому и принято за прототип.

Данная сырьевая смесь имеет в затворенном состоянии высокие подвижность и жизнеспособность, а при отверждении образует материал с достаточно высокой водостойкостью и прочностью на сжатие.

В то же время смесь имеет существенные недостатки:

- большое время жизнеспособности в высокоподвижном состоянии и медленный набор прочности (время до начала схватывания при 20°С составляет от 21 до 28 часов); это ограничивает возможности использования смеси при изготовлении наливных полов, покрытий, стяжек и т.д., композиция дополнительно требует длительного контроля и ухода до ввода в эксплуатацию;

- сырьевая смесь с высоким содержанием шлаков и колошниковой пыли или шламов доменных печей образует прочные при сжатии, но хрупкие материалы. В изобретении нет полных данных о механических свойствах, в частности о прочности при изгибе и растяжении;

- отсутствуют данные о водопоглощении композиции;

- использование отходов от механической нарезки декоративных шлифов хрустальных изделий в качестве сырьевых компонентов для повышения водостойкости лимитирует возможности широкомасштабного промышленного использования смеси.

Задача предложенного изобретения - создание простой в изготовлении и недорогой по себестоимости самовыравнивающейся сырьевой композиции с высокой подвижностью и оптимальным временем жизнеспособности, обеспечивающей (наряду с высокой механической прочностью) низкое водопоглощение и высокую водостойкость строительных материалов и изделий, созданных на ее основе.

Поставленная в изобретении задача достигается за счет того, что сырьевая композиция для изготовления строительных материалов и изделий, включающая магнезиальное вяжущее, в состав которого входит каустический магнезит и солевой компонент в виде водного раствора хлористого магния, минеральный наполнитель и добавку, содержит водный раствор хлористого магния плотностью 1,19-1,30 кг/л, в качестве минерального наполнителя она содержит смесь сыпучих веществ с удельной поверхностью 3000-6500 см²/г, состоящую из золы уноса ТЭС, кварцевого песка, каолина и гидрофобного поверхностно-активного вещества - ПАВ-порошка сополимера: винилацетата/винилового спирта, или винилхлорида/этилена, или винилхлорида/этилена/виниллаурата, и дополнительно содержит водопонижающую добавку, а также стабилизирующую и водоудерживающую добавку- водорастворимый эфир целлюлозы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Каустический магнезит 28,0-40,0 Кварцевый песок 30,0-42,0 Зола уноса ТЭС 10,0-14,0 Каолин 1,0-4,0 Указанное ПАВ 0,5-0,9 Водопонижающая добавка 0,01-0,30 Водорастворимый эфир целлюлозы 0,01-0,02 Водный раствор хлористого магния   плотностью 1,19-1,30 кг/л Остальное

Используемая в композиции зола уноса ТЭС содержит в мас.%:

SiO₂ 30-48 Al₂O₃ 11-35 Fе₂O₃ 9-10 CaO 4-12 MgO 0,7-6,0 К₂О 0,7-1,2 Na₂O 0,3-0,8 TiO₂ 0,6-0,8

В качестве водопонижающей добавки сырьевая композиция содержит ацетон или соль сульфированных нафталинформальдегидных или меламинформальдегидных полимеров.

В качестве водорастворимого эфира целлюлозы она содержит метилгидроксиэтил или этилгидрооксиэтил целлюлозы.

Каустический магнезит является компонентом, содержащим активный оксид магния (MgO) с массовой долей 0,80-0,95 («Порошки магнезитовые каустические», ГОСТ 1216-87). Солевой компонент - технический кристаллогидрат хлористого магния (MgCl₂·6H₂O), по ГОСТ 7759-73.

Исследования показали, что пылевидные частицы золы уноса увеличивают пластичность затворенной массы, снижают величину предельного водопоглощения и увеличивают водостойкость затвердевшего компонента, если содержание золы не превышает 15-20% от общей массы.

При совместном использовании золы с кварцевым песком оптимальным соотношением является SiO₂: зола ≈3. Увеличение содержания золы выше указанных значений вызывает рост вязкости композиции и снижение прочностных характеристик материала, а сравнительно малые концентрации золы (менее 10%) слабо снижают величину водопоглощения.

Использование золы уноса в качестве наполнителя не только позволяет улучшить свойства сырьевой композиции, но и снизить себестоимость продукции; кроме того, утилизация этого техногенного отхода производства позитивно влияет на экологическую ситуацию.

Тонкодисперсионный каолин (с дисперсностью 50-200 мкм) усиливает пластичность затворенной сырьевой массы, увеличивает время ее жизнеспособности. Кроме того, гидрофильные частицы каолинита Al₂(Si₂O₅)(OH)₄ при взаимодействии с водой способны поглощать и удерживать молекулы Н₂О, разбухая при этом и закупоривая капилляры и поры композиции; влагостойкость затвердевшего магнезиального камня увеличивается. Оптимальная концентрация каолина в предлагаемой композиции 1,0-4,0% от общей массы; более высокое ее содержание резко снижает механические характеристики материала.

Для получения магнезиального бетона и изделий на основе сырьевой композиции дополнительно в качестве заполнителя могут быть использованы гранит, гранито-гнейсы, доломит, галечник, мрамор, шунгит, дробленое стекло, керамика.

Технология изготовления сырьевой композиции включает операции:

подготовка сырьевых компонентов, их дозирование, перемешивание в смесителе в течение 5-7 минут порошка каустического магнезита, наполнителя и сухих добавок, изготовление водного раствора хлорида магния (бишофита) плотностью 1,19-1,30 кг/л, затворение раствором бишофита сухой сырьевой массы.

Примеры конкретного выполнения

В примерах для приготовления сырьевой смеси использовалась зола уноса ТЭС состава, мас.%:

SiO₂ 35 Аl₂О₃ 35 Fe₂O₃ 10 CaO 12 MgO 6,0 K₂O 1,0 Na₂O 0,8 TiO₃ 0,2

Пример 1

Для приготовления 100 кг сырьевой композиции берут 28,0 кг (28 мас.%) каустического магнезита; наполнителя с удельной поверхностью 4000 см²/г, полученного путем смешения - 42, 0 кг (42 мас.%) кварцевого песка (фракции 0,1-0,2 мм); 14,0 кг (14 мас.%) золы уноса (удельная поверхность 3500 см²/г), 4 кг (4,0 мас.%) каолина (удельная поверхность 5000 см²/г.); 0,01 кг (0,01 мас.%) эфира этилгидрооксиэтилцеллюлозы, 0,9 кг (0,9 мас.%) поверхностно-активного вещества - порошка винилацетата/винилового спирта с удельной поверхностью 5000 см²/г; 0,01 кг (0,01 мас.%) сульфированного меламинформальдегидного полимера, 11,08 кг (11,08 мас.%) водного раствора хлористого магния плотностью 1,19 кг/л.

Сухие компоненты смеси и добавки перемешивают в смесителе в течение 5 минут. Далее смесь затворяют раствором хлористого магния.

Затворенная сырьевая композиция данного состава представляет собой подвижную самовыравнивающуюся строительную смесь; расплыв, оцененный с помощью вискозиметра Суттарда, 24,5 см; время жизнеспособности 3,5 часа.

При затвердевании массы образуется прочный магнезиальный материал (камень): в возрасте 28 суток прочность при сжатии σ_cж=38,8 МПа, прочность при изгибе σ_изг=10,8 МПа, прочность при растяжении σ_раст=6,7 МПа.

Водопоглощение материала по массе W=l,9%, коэффициент водостойкости Кв=1.

Пример 2

Для приготовления сырьевой композиции берут 35,0 мас.% каустического магнезита; наполнителя с удельной поверхностью 5000 cм²/г, полученного смешением 34,0 мас.% кварцевого песка (0,1-0,2 мм); 11,6 мас.% золы уноса с удельной поверхностью 5000 см²/г; 2,0 мас.% каолина (4500 см²/г); 0,02 мас.% сульфированного нафталинформальдегидного полимера, 0,02 кг эфир метилгидроксиэтил целлюлозы; 0,7 мас.% ПАВ - порошка винил-хлорида/этилена/виниллаурата с удельной поверхностью 6500 см²/г; 16,66 мас.% водного раствора хлористого магния плотностью 1,22 кг/л.

Сухие компоненты смеси и добавки перемешиваются в смесителе в течение 5 мин, затем смесь затворяют водным раствором MgCl₂.

Затворенная сырьевая композиция данного состава представляет собой подвижную самовыравнивающуюся строительную смесь с расплывом 24 см и со временем жизнеспособности 3,5 часа.

При отверждении массы образуется прочный магнезиальный материал (камень): в возрасте 28 суток σ_сж=44,6 МПа; σ_изгиба=13,9 МПа; σ_растяж=7,5 МПа.

Водопоглощение материала по массе W=2,0%, коэффициент водостойкости Кв=1.

Пример 3

Для приготовления сырьевой композиции берут 40,0 мас.% каустического магнезита; наполнителя с удельной поверхностью 5500 cм²/г, полученного смешением 30,0 мас.% кварцевого песка (фракции 0,1-0,2 мм); 10,0 мас.% золы уноса с удельной поверхностью 6000 см²/г; 1,0 мас.% каолина (4000 cм²/г); 0,02 мас.% эфира метилгидроксиэтил целлюлозы 0, 30 мас.% ацетона; 0,5 мас.% ПАВ порошка сополимера винилхлорида/этилена с удельной поверхностью 6000 см²/г; 18,18 мас.% водного раствора хлористого магния плотностью 1,30 кг/л.

Сухие компоненты смеси и добавки смешивают в смесителе в течение 5 мин, далее смесь затворяется приготовленным водным раствором хлористого магния.

Затворенная композиция данного состава представляет собой самовыравнивающуюся массу (расплыв 23 см) со временем жизнеспособности 3 ч 15 мин.

При отверждении массы образуется прочный каменный материал: в возрасте 28 суток σ_сж=53,7 МПа, σ_изгиб=17,4 МПа, σ_растяж=9,3 МПа. Водопоглощение по массе W=2,0%, коэффициент водостойкости Кв=0,97.

Сырьевая смесь может доставляться на строительные объекты в сухом виде (смесь сухих компонентов и добавок) и затворяться там водным раствором хлорида магния. Время жизнеспособности затворенной сырьевой композиции позволяет изготовлять ее в местах, удаленных от строительных объектов и транспортировать ее к месту назначения.

Изготовление строительных конструкций типа стяжек, полов, различных покрытий производится путем налива затворенной композиции на подготовленную определенным образом поверхность. Композиция самопроизвольно выравнивается под действием сил гравитации. При отвердевании магнезиальная композиция за 1 сутки набирает прочность 30-50% от максимального значения, а полный набор прочности происходит за 28 суток.

Из магнезиальной затворенной композиции можно изготавливать различные строительные изделия, в том числе сложной конфигурации. Формирование композиции осуществляют (в зависимости от ее консистенции) методами: отливки в формы (при осадке стандартного конуса ОК более 16 см), вибровоздействия (ОК больше 2, но меньше 5), вибропрессования, прессования, тромбования (жесткая смесь, выдержанная больше времени ее жизнеспособности).

В таблице представлены основные характеристики сырьевых композиций предлагаемого технического решения и прототипа.

Предлагаемая сырьевая композиция сочетает в себе свойства высокой подвижности и самовыравнивания в течение оптимального времени для ее использования (3,5 ч), низкую величину предельного водопоглощения (1,9-2,0%) и высокую водостойкость (Кв=0,97-1,0) материалов и изделий на ее основе, что расширяет диапазон использования магнезиальных композиций.

Сопоставительный анализ предложенного и известного технического решений показывает (таблица):

- самовыравнивающаяся смесь имеет оптимальное время жизнеспособности (≈3,5 часа, вместо 21-28 ч (RU 2130437, прототип)),

- величина водостойкости Кв=0,97-1,0, а в прототипе 0,75-0,90,

- технология получения сырьевой композиции проста, а использование в ней техногенных отходов производства (золы уноса ТЭС) снижает себестоимость продукции и позитивно влияет на экологию среды.

Таким образом, заявленный состав сырьевой композиции и комплекс ее свойств связаны между собой единым изобретательским замыслом, приводящим к достижению полученного технического результата, который заключается в создании сырьевой композиции, обладающей уникальным комплексом свойств: при затворении она способна самопроизвольно растекаться по поверхности и выравнивать дефекты, сохраняя жизнеспособность в течение оптимального времени, а при ее затвердевании образуется прочный строительный материал или изделие с низкой величиной водопоглощения и высокой водостойкостью.

Результаты предлагаемого технического решения и прототипа Техническое решение Время жизнеспособности, ч, при 200 С Водопоглощение по массе (%) В одостойкость* (Кв) Прочность**, МПа (28 сут) σ_сжатия σ_изгиба σ_{растяжен} Пример 1 3.7 1,9 1 38,8 10,8 6,7 Пример 2 3,5 2,0 1 44,6 13,9 7,5 Пример 3 3,2 2,0 0,97 53,7 17,4 9,3 RU 2130437 прототип 21-28 - 0,75-0,95 78-96 - - *коэффициент водостойкости Кв определялся как отношение прочности образцов, насыщенных водой в течение 4 суток, к их прочности при отверждении на воздухе в течение 28 суток (ГОСТ 10060.0),
**измерения по ГОСТ 18105-86.

Настоящее изобретение относится к сырьевым композициям, предназначенным для изготовления строительных материалов и изделий на их основе. Сырьевая композиция для изготовления строительных материалов и изделий, включающая магнезиальное вяжущее, в состав которого входит каустический магнезит и водный раствор хлористого магния плотностью 1,19-1,3 кг/л, минеральный наполнитель и добавку, содержит в качестве минерального наполнителя смесь сыпучих веществ с удельной поверхностью 3000-6500 см²/г, состоящую из золы уноса ТЭС, кварцевого песка, каолина и гидрофобного поверхностно-активного вещества - ПАВ-порошка сополимера: винилацетата/винилового спирта, или винилхлорида/этилена, или винилхлорида/этилена/виниллаурата и дополнительно содержит водопонижающую добавку, а также стабилизирующую и водоудерживающую добавку - водорастворимый эфир целлюлозы при следующем соотношении компонентов, мас.%: каустический магнезит 28,0-40,0, кварцевый песок 30,0-42,0, зола уноса ТЭС 10,0-14,0, каолин 1,0-4,0, указанное ПАВ 0,5-0,9, водопонижающая добавка 0,01-0,30, водорастворимый эфир целлюлозы 0,01-0,02, указанный водный раствор хлористого магния остальное. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы. Технический результат - повышение подвижности, жизнеспособности, прочности, уменьшение водопоглощения. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Сырьевая композиция для изготовления строительных материалов и изделий, включающая магнезиальное вяжущее, в состав которого входит каустический магнезит и солевой компонент в виде водного раствора хлористого магния, минеральный наполнитель и добавку, отличающаяся тем, что она содержит водный раствор хлористого магния плотностью 1,19-1,30 кг/л, в качестве минерального наполнителя она содержит смесь сыпучих веществ с удельной поверхностью 3000-6500 см²/г, состоящую из золы уноса ТЭС, кварцевого песка, каолина и гидрофобного поверхностно-активного вещества - ПАВ - порошка сополимера: винилацетата/винилового спирта, или винилхлорида/этилена, или винилхлорида/этилена/виниллаурата и дополнительно содержит водопонижающую добавку, а также стабилизирующую и водоудерживающую добавку - водорастворимый эфир целлюлозы при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Каустический магнезит 28,0-40,0 Кварцевый песок 30,0-42,0 Зола уноса ТЭС 10,0-14,0 Каолин 1,0-4,0 Указанное ПАВ 0,5-0,9 Водопонижающая добавка 0,01-0,30 Водорастворимый эфир целлюлозы 0,01-0,02 Водный раствор хлористого магния   плотностью 1,19-1,30 кг/л Остальное

2. Сырьевая композиция по п.1, отличающаяся тем, что зола уноса ТЭС содержит, мас.%:
SiO₂ 30-48 Al₂O₃ 11-35 Fе₂O₃ 9-10 CaO 4-12 MgO 0,7-6,0 К₂О 0,7-1,2 Na₂O 0,3-0,8 TiO₂ 0,6-0,8

3. Сырьевая композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве водопонижающей добавки она содержит ацетон или соль сульфированных нафталинформальдегидных или меламинформальдегидных полимеров.

4. Сырьевая композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве водорастворимого эфира целлюлозы она содержит метилгидроксиэтил или этилгидрооксиэтил целлюлозы.