НАНОСТРУКТУРИРУЮЩЕЕ СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2011 года по МПК C04B26/02 C09D1/02 

Изобретение относится к строительным материалам, используемым для изготовления кислотостойких бетонов, замазок, шпатлевок и других, а именно к составам на основе жидкого стекла.

Для повышения прочности, термо- и огнестойкости строительных материалов и конструкций из них в состав связующего вводятся тетрафурфуриловые сложные эфиры ортокремниевой кислоты (тетрафурфурилоксисиланы - ТФС). Причем тетрафурфурилоксисиланы синтезированы путем переэтерификации тетраэтоксисилана фурфуриловым спиртом.

Состав связующего содержит, мас.%: жидкое стекло - 80-95, тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 2-7, отвердитель - кремнийфтористый натрий 13. При этом как часть жидкого стекла используется органическое щелочное жидкое стекло, где в качестве органического катиона берется 8-диазабициклоундецен-7 или 1,5-диазабициклононен-5 - 2-4.

Известен состав связующей композиции для смесей (А.с. №2008998, кл. В22С 1/22), содержащий следующие компоненты, мас.%:

кислотоотверждаемая эпоксидная смола - 23-72;

продукт взаимодействия этиловых эфиров ортокремниевой кислоты с фурфуриловым спиртом (в пересчете на основное вещество) - 8-52;

органический пероксид или (и) гидропероксид - остальное.

Однако такая композиция применима только в литейном производстве, а именно к составам смесей, отверждаемых продувкой сернистым ангидритом, при изготовлении стержней и форм, требует специального оборудования для получения смеси.

Цель изобретения - повышение кислотостойкости, влагостойкости и прочности строительных материалов и расширение области их применения.

Применение растворимых силикатов натрия (жидких стекол) объясняется широким использованием их как связующих компонентов для изготовления жаропрочных, химически стойких материалов. Жидкие стекла проявляют высокую когезионную прочность, легки и безопасны, имеют низкую стоимость, не коррозируют, не испаряют пожароопасных летучих компонентов и не ухудшают окружающую среду в процессе эксплуатации.

Растворимый в воде силикат, содержащий органический щелочной катион, получают взаимодействием солей четверичного органического производного аммония с аморфным кремнеземом. Растворимые органические щелочные силикаты как, например, силикат тетрабутиламмония (ТБАС) используют как компонент для самозатухания связующего.

Введение в связующее наноструктурирующего компонента - тетрафурфурилового сложного эфира ортокремниевой кислоты (ТФС) приводит к образованию наночастиц SiO₂, которые действуют как центры кристаллизации и зародышеобразования, и фурфурилового спирта, который заполняет кремнекислую матрицу и формирует сетчатый полимер. Добавление ТФС увеличивает механическую и химическую стойкость связующего и широко используется для подготовки кислотоупорных бетонов и шпатлевок (Антикоррозионная служба предприятий: Справ. изд. - Степанов И.А., Савельева Н.Я., Фиговский О.Л. М.: Металлургия, 1987, с.91-92).

Характеристика используемых в связующем компонентов:

стекло натриевое жидкое марки К с массовым соотношением SiO₂/Na₂O=2,88 (ГОСТ 13078-81);

отвердитель - натрий кремнийфтористый Na₂SiF₆ (ГОСТ 6-09-1461-85) ч.д.а.;

наноструктурирующая добавка Si(O₂C₅H₅)₄ - продукты взаимодействия этиловых эфиров ортокремниевой кислоты с фурфуриловым спиртом (ТУ 59-020-04);

в качестве этиловых эфиров ортокремниевой кислоты использовался тетраэтоксисилан (C₂H₅O)₄Si (ТУ-6-02-708-76) с содержанием SiO₂ в пересчете на диоксид кремния 60 мас.%.

Взаимодействием тетраэтоксисилана с полным или частичным замещением его этоксигрупп фурфурилоксигруппами фурфурилового спирта получают тетрафурфурилоксисиланы (ТФС). В настоящее время тетрафурфурилоксисиланы получены в виде опытно-промышленных образцов.

Растворимый в воде силикат с органическими катионами типа 1,8-диазабициклоундецена-7 и 1,5-диазабициклононена-5 производит фирма Polymate, Ltd (Израиль) под торговыми названиями DBUS и DBNS соответственно. Соотношение SiO₂/органическое основание для DBUS составляет 1,65:1 и для DBNS 2,0:1 соответственно.

Содержание силикатов в жидких стеклах составляет, мас.%: жидкое стекло - силикат натрия марки К - 57,3; растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 63,8; растворимый в воде силикат под торговым названием DNNS - 62,3.

Предлагаемое наноструктурирующее связующее получают ламинарным смешиванием жидкого стекла, содержащего катионы щелочных металлов типа Na; тетрафурфурилового сложного эфира ортокремневой кислоты (ТФС) и растворимого в воде силиката, содержащего органический щелочной катион типа 1,8-диазабициклоундецена-7 или 1,5-диазабициклононена - 5 в следующем соотношении, мас.%:

жидкое стекло - 80-95;

тетрафурфуриловый сложный эфир ортокремневой кислоты (ТФС) - 2-7;

растворимый в воде силикат, содержащий органический щелочной катион - 2-4.

После смешивания всех компонентов связующего его необходимо использовать в течение 2-3 часов. Добавление отвердителя осуществляется совместно с тонкомолотым минеральным наполнителем.

К испытанию были подготовлены следующие составы связующего, мас.%:

Состав 1:

жидкое стекло - 95;

тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 3;

растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 2.

Состав 2:

жидкое стекло - 88;

тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 8;

растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 4.

Состав 3:

жидкое стекло - 92;

тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 5;

растворимый в воде силикат под торговым названием DNNS - 3.

Состав 4:

жидкое стекло - 88;

тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 8;

растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 4.

Для экспериментальной проверки свойств предлагаемого связующего были изготовлены различные строительные материалы: кислотостойкий бетон, кислотостойкие замазки и шпатлевки.

Кислотоупорные бетоны были подготовлены смешиванием компонентов в следующих пропорциях (см. таблицу 1). Испытания силикатных бетонов, приведенных в таблице 1, представлены в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают, что предел прочности при сжатии бетонов увеличивается на 30%, а водопроницаемость уменьшается более чем в 15 раз. Бетоны на жидком стекле без добавки ТФС имели предел прочности при сжатии менее 27,0 МПа.

Кислотостойкие замазки и шпатлевки были приготовлены смешиванием компонентов (см. таблица 3). Результаты испытаний замазок и шпатлевок представлены в таблице 4. Результаты испытаний показывают, что использование шпатлевки с наноструктурирующим связующим увеличивает адгезионную прочность на 50%.

Таблица 1 Наименование компонентов бетонных смесей Содержание, мас.% Бетон №1 Бетон №2 Бетон №3, без добавки DNNS Бетон №4, без добавки DBUS Связующее, состав 3 13,4 - 13,4 - Связующее, состав 1 - 13,2 - 13,2 Кремнекислый натрий (Sуд - 2700 см²/г) 1,8 1,7 1,8 1,7 Порошок диабаза (Sуд - 3000 см²/г) 18,0 18,0 18,0 18,0 Кварцевый песок (Мкр - 2,4) 28,0 28,0 28,0 28,0 Гранитный щебень 38,8 39,1 38,8 39,1

Таблица 2 Свойства Предлагаемые бетоны Бетон №1 Бетон №2 Бетон №3, без добавки DNNS Бетон №4, без добавки DBUS Предел прочности при сжатии, МПа 49,2 48,7 37,1 35,4 Водопроницаемость, диффузия, 10^-7 см²/г         После 7 дней 0,42 0,48 8,77 8,96 После 30 дней 0,14 0,16 6,31 6,44 Коэффициент кислотоупорности после 360 дней в         5% HCl 1,03 1,02 0,97 0,93 20% HCl 1,12 1,07 0,96 0,91 5% H₂SO₄ 1,06 1,05 0,93 0,94 20% H₂SO₄ 1,17 1,18 0,92 0,90

Таблица 3 Наименование компонентов шпатлевочных смесей Содержание, мас.% Шпатлевка №1 Шпатлевка №2 Шпатлевка №3, без добавки DBUS Шпатлевка №4, без добавки DBUS Связующее, состав 2 41,0 - 41,0 - Связующее, состав 4 - 34,0 - 34,0 Кремнекислый натрий (Sуд - 2700 см²/г) 6,0 6,2 6,0 6,2 Порошок диабаза (Sуд - 3000 м²/г) 53,0 - 53,0 - Порошок андезита (Sуд - 2600 см²/г) - 59,8 - 59,8

Таблица 4 Свойства Предлагаемые шпатлевки Шпатлевка №1 Шпатлевка №2 Шпатлевка №3, без добавки DBUS Шпатлевка №4, без добавки DBUS Сила сдвига (ASTMD1002-05)         Керамика - сталь, МПа 1,54 1,48 0,92 0,95 Керамика - керамика, МПа 1,90 1,94 1,18 1,22 Адгезионная прочность на растяжение, МПа         Керамика - сталь 0,98 1,04 0,47 0,51 Керамика - керамика 1,27 1,30 0,55 0,54

Изобретение относится к составу наноструктурирующего связующего для композиционных строительных материалов, основанных на жидком стекле, и наноструктурирующих добавках, используемых для изготовления кислотостойких бетонов, шпаклевок и других составов. Наноструктурирующее связующее для композиционных строительных материалов, содержит жидкое стекло, тетрафурфуриловый сложный эфир ортокремниевой кислоты и отвердитель. При этом часть жидкого стекла заменяется на органическое щелочное жидкое стекло, содержащее органический катион 1,8-диазабициклоундецен-7 или 1,5-диазабициклононен-5-2-4. Использование наноструктурирующего связующего позволяет повысить кислотостойкость, водостойкость и прочности строительных материалов и расширить область их применения. 2 н.п. ф-лы, 4 табл.

1. Состав наноструктурирующего связующего для кислотостойких бетонов, содержащий растворимый в воде силикат и тетрафурфуриловый сложный эфир ортокремниевой кислоты (ТФС), в котором часть жидкого стекла заменяется на органическое щелочное жидкое стекло, содержащее органический катион 1,8-диазабициклоундецена-7 или 1,5-диазабициклононена-5, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
жидкое стекло 92-95 тетрафурфурилоксисилан (ТФС) 3-5 органическое щелочное жидкое стекло 2-3

2. Состав наноструктурирующего связующего для кислотостойких замазок и шпатлевок имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
жидкое стекло 88 тетрафурфурилоксисилан (ТФС) 8 органическое щелочное жидкое стекло 4