СОСТАВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОГО БЕТОНА, СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОГО БЕТОНА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОГО БЕТОНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК C04B20/10 C04B38/08 C04B40/00 

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно, к составам и способам изготовления легких конструкционно-теплоизоляционных и конструкционных бетонных изделий.

Известен состав для получения композиционного материала, из которого изготавливают облицовочные плиты, кровельные материалы и т.п. на основе цементного вяжущего, армирующих синтетических волокон, микронаполнителя, пластифицирующей добавки и воды (Патент РФ №2165399, опубл. 20.04.2001, МПК С04В 40/00). Способ приготовления композиционного материала включает смешение компонентов, при этом смесь берут в соотношении на 100 мас.ч. цемента 20-100 мас.ч., по крайней мере, одного микронаполнителя, 0,05-0,5 мас.ч. пластифицирующей добавки, 30-50 мас.ч. воды и 0,5-5 мас.ч. синтетического волокна. Перед смешением наполнитель или смесь наполнителей и пластифицирующей добавки, или смесь наполнителя(ей) и армирующего волокна подвергают механохимической активации в высоконапряженных аппаратах. Из композиционной смеси формировали изделия, которые имели прочность на изгиб σ_из=6,5-37,8 МПа, модуль упругости Е=3,2-40,0 ГПа, водопоглощение - 3,5-4,5%.

Недостатком данного способа является то, что активация компонентов перед формированием композиционного материала проводится в высоконапряженных аппаратах с ускорением воздействующих тел 80-600 м/с², что приводит не только к активации, но и к измельчению компонентов смеси. При этом такие наполнители, как вермикулит и зола уноса, утрачивают внутреннюю поровую структуру, что не позволяет получать композиционный материал с низкой плотностью. Минимальные плотности получаемых изделий составляют: с вермикулитом 1,59-1,68 г/см³, с золой уноса 1,65-1,70 г/см³.

Известен состав для изготовления пенобетонных изделий, содержащий, мас.%: цемент 36-43, микросферы 4-11, диспергированный мел 7-9, воздухововлекающая добавка 0,06-0,08, вода - остальное (Патент РФ №2186749, опубл. 10.08.2002, МПК С04В 38/10). Способ изготовления пенобетонных изделий включает заливку в форму и отверждение пенобетонной смеси, приготовленной перемешиванием цемента, зольного заполнителя и предварительно приготовленной пены из водного раствора воздухововлекающей добавки. Пену готовят путем взбивания водного раствора воздухововлекающей добавки с воздухом в соотношении расходов от 1:9 до 1:11 соответственно, а в полученную пену последовательно, при непрерывном перемешивании вводят диспергированный мел с удельной поверхностью 700-1200 см²/г, зольный заполнитель, в качестве которого используют микросферы - наиболее легкую фракцию золы-уноса тепловых электростанций плотностью 0,3-0,5 г/см³ и затем цемент.

Недостатком полученного легкого бетона является то, что использование воздухововлекающих добавок приводит к образованию развитой открытопористой структуры материала и, как следствие, получаемый пенобетон имеет низкую прочность и высокое водопоглощение - использование этого материала для наружных работ требует защиты от атмосферного воздействия.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату, выбранному в качестве прототипа, является легкий бетон, описанный в патенте РФ №2289557, опубл. 20.12.2006, МПК С04В 38/08, включающий цемент, полые микросферы, кремнистую опал-кристобалитовую породу - опоку и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент 24,9-29,3, опока 11,8-20,2, микросферы 29,8-35,1, вода - остальное. Способ изготовления легкого бетона заключается в предварительном смешивании компонентов в сухом состоянии (цемент, опока, микросферы) в соответствующей пропорции, перемешивании сухой смеси в течение 1 мин. Далее в смесь добавляли воду затворения и осуществляли их совместное перемешивание в течение 2 мин. Затем производили формовку и виброуплотнение смеси в форме с пригрузом (22 г/см²) в течение 1,5 мин с последующей выдержкой смеси перед тепловой обработкой в течение 4 ч. Легкий бетон, получаемый данным способом, имеет прочность при сжатии σ_сж=19,5-27,0 МПа при плотности ρ=0,965-1,11 г/см³.

Недостатком данного легкого бетона являются невысокая прочность на изгиб, что определяется отсутствием армирующего наполнителя, и высокое водопоглощение получаемого материала из-за использования в качестве наполнителя опал-кристобалитовой породы с пористостью до 50%, что приводит к формированию открытопористой структуры бетона.

Следует отметить, что прочностные показатели в прототипе достигаются в том числе и за счет использования цемента высокой марки - М 500 по ГОСТ 10178.

Задачей заявляемого изобретения является повышение прочности на изгиб и снижение влагопоглощения легкого бетона на основе цементного вяжущего при сохранении его плотности и прочности на сжатие.

Технический результат заявленного изобретения заключается в получении конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного пожаростойкого материала со следующими характеристиками:

- высокими прочностными параметрами:

- прочность на изгиб σ_из до 18,0 МПа,

- прочность на сжатие σ_сж до 22,8 МПа;

- плотностью - ρ=0,87-1,03 г/см³;

- теплопроводностью λ=0,23-0,27 Вт/(м·К);

- водопоглощением - 2-3%;

- высокой пожаростойкостью за счет использования неорганических исходных компонентов

- использование в качестве вяжущего цемента низких марок (М300).

Для решения указанной задачи и достижения технического результата предложен состав для изготовления легкого бетона, содержащий портландцемент, зольные микросферы ГРЭС, воду, который согласно изобретению дополнительно содержит армирующий наполнитель, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент - 45-50

зольные микросферы ГРЭС - 30-40

армирующий наполнитель - 0,5-11,0

вода - остальное,

при этом зольные микросферы ГРЭС и армирующий наполнитель активированы к цементному клинкеру.

Предложен также способ приготовления состава для изготовления легкого бетона, заключающийся в смешении портландцемента, зольных микросфер ГРЭС, воды, в котором согласно изобретению предварительно в портландцемент вводят армирующий наполнитель в виде неорганических разориентированных волокон и перемешивают до получения гомогенной смеси, затем вводят зольные микросферы ГРЭС, поверхность которых предварительно активируют к цементному клинкеру, и полученную смесь затворяют водой или водой с пластифицирующей добавкой С3.

Активацию поверхности зольных микросфер ГРЭС можно осуществлять нанесением аппрета или химической обработкой.

Предложен способ изготовления легкого бетона, полученного путем смешения портландцемента, зольных микросфер ГРЭС, воды, в котором согласно изобретению предварительно в портландцемент вводят микросферы, поверхность которых предварительно активируют к портландцементному клинкеру, смесь затворяют водой, а при формировании легкого бетона используют предварительно активированный к портландцементному клинкеру армирующий наполнитель в виде ориентированных волокон, при этом введение ориентированных волокон осуществляют послойно в процессе формирования, которое проводят путем послойного виброуплотнения с последующей выдержкой смеси при 100% влажности.

Активацию поверхности зольных микросфер ГРЭС и армирующего наполнителя можно осуществлять нанесением аппрета или химической обработкой.

Второй вариант способа изготовления легкого бетона, полученного путем смешения портландцемента, зольных микросфер ГРЭС, воды, в котором согласно изобретению предварительно в портландцемент вводят армирующий наполнитель в виде неорганических разориентированных волокон и перемешивают до получения гомогенной смеси, затем вводят зольные микросферы ГРЭС, поверхность которых предварительно активируют к цементному клинкеру, и полученную смесь затворяют водой, а при формировании легкого бетона используют предварительно активированный к портландцементному клинкеру армирующий наполнитель в виде ориентированных волокон.

Введение армирующего неорганического наполнителя в исходный состав, содержащий портландцемент, зольные микросферы ГРЭС и воду, такого как: разориентированные волокна или ориентированные волокна, или одновременно разориентированные и ориентированные волокна и подбор соотношения компонентов позволяют повысить прочность на сжатие и изгиб, что важно при использовании бетона как конструкционного материала. Повышению прочностных характеристик способствует и способ получения бетона, а именно активация поверхности компонентов армирующего материала и зольных микросфер ГРЭС позволяет обеспечить взаимодействие всех компонентов смеси и повысить прочность на сжатие и изгиб. Важно, что при этом получены низкая плотность и теплопроводность бетона. Использование закрытопористого легкого наполнителя - микросфер, активация поверхности наполнителей, обеспечивающих его взаимодействие с клинкером, и использование низкого водоцементного отношения позволяют минимизировать содержание пор в структуре бетона и получить его с низким водопоглощением.

Использование для получения бетона только неорганических исходных компонентов позволяет получить пожаростойкий материал, который не только устойчив к условиям пожара, но и не выделяет отравляющие или не поддерживающие дыхание газообразные продукты.

Для изготовления легкого бетона использовались следующие исходные материалы:

- портландцемент марки М-300 ГОСТ 10178-85;

- зольные микросферы Черепетской ГРЭС (размер - 40-160 мкм, истинная плотность -0,65-0,70 г/см³);

- разориентированные волокна - стекловата МС-СТВ, базальтовое волокно, фибра базальтовая диаметром 5-30 мкм и аспектным отношением >10;

- ориентированные волокна - стеклянная сетка ССКО и ССК ТУ 6-78-00204961-29-98 и сетка сварная неоцинкованная ТУ 14-4-647-95 из низкоуглеродистой холоднотянутой проволоки диаметром 1,4 мм с ячейкой 10×10 мм и размером 38×158 мм;

- пластифицирующая добавка С3 ТУ 5870-002-58042865-03.

Состав для изготовления легкого бетона и характеристики полученного легкого бетона представлены в таблицах 1-3.

Пример 1. Изготовление образцов с разориентированными волокнами.

Образцы легкого бетона изготавливались следующим образом.

Разориентированные волокна вводились в цемент путем перемешивания волокна с цементом в пестиковой мельнице в течение 5 минут. Затем добавляли микросферы, и компоненты (цемент с волокном и микросферы) перемешивались в мешалке сначала в сухом виде в течение 3 минут, а затем после затворения водой с пластифицирующей добавкой С3 - в течение 5 минут. Формирование образцов проводилось на вибростоле в формах 40×40×160 мм с пригрузом, создающим давление 25 г/см². Виброуплотнение материала (высотой 40 мм) велось послойно - через 8 мм, время уплотнения каждого слоя - 30 с. После изготовления образцы выдерживались 1 сутки в формах при 100% влажности, затем форма разбиралась и образцы помещались в воду на 27 суток.

Состав полученного легкого бетона представлен в таблице 1.

Испытание на изгиб проводились в соответствии с ГОСТ 4648-71 (СТ СЭВ 892-78) на образцах 40×40×160 мм, свободно лежащих на двух опорах, кратковременным нагружением в середине между опорами. Расстояние между опорами составляло l₀=100 мм. При этом определялись предел прочности на изгиб σ_из и величина прогиба ε_z при разрушении образца. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Испытания на сжатие проводились на образцах 40×40×62 мм в соответствии с ГОСТ 4651-82 (СТ СЭВ 2896-81). При проведении испытаний определялись: разрушающее напряжение при сжатии (σ_с) и относительная деформация при сжатии (ε_с). Результаты измерений приведены в таблице 1. Для сравнения в таблице 1 приведены характеристики образца (№1), изготовленного из микросфер и цемента. В результате введения армирующего наполнителя в виде разориентированных волокон прочность на сжатие увеличилась в 1,8 раз, а на изгиб - на 0,7 МПа.

Пример 2. Изготовление образцов с разориентированными волокнами и активированной поверхностью микросфер.

Изготовление образцов проводилось аналогично примеру 1. Отличие от примера 1 в том, что поверхность микросфер предварительно активировалась: в одних образцах на микросферы наносился аппрет - кремнезем; в других - проводилась химическая активация поверхности микросфер обработкой 1 н. HCl; в третьих - поверхность микросфер активировалась кипячением. Рецептура и результаты испытаний на изгиб и сжатие приведены в таблице 2. При активировании поверхности микросфер прочность на сжатие образцов легкого бетона увеличилась в 1,5 раза по сравнению с образцами, изготовленными в примере 1. Водопоглощение легкого бетона составило 2,7%, а теплопроводность - 0,23 Вт/(м·К).

Пример 3. Изготовление образцов с ориентированными волокнами.

Образцы легкого бетона изготавливались следующим образом.

Компоненты: цемент и микросферы - перемешивались в мешалке сначала в сухом виде в течение 3 минут, а затем после затворения водой - в течение 5 минут. Формирование образцов проводилось аналогично примеру 1.

Введение ориентированных волокон (5 слоев стеклянной сетки ССКО и СКК) проводилось послойно в момент формирования образцов. Составы и характеристики полученного легкого бетона представлены в таблице 3.

При введении ориентированных волокон относительная деформация на изгиб легкого бетона увеличилась более чем в 2 раза по сравнению с образцами, изготовленными в примере 1.

Пример 4. Изготовление образцов с ориентированными волокнами с аппретированной поверхностью.

Изготовление образцов осуществлялось аналогично примеру 3. Отличие от примера 3 в том, что в качестве ориентированных волокон использовалась металлическая сетка - 3 слоя. Для улучшения сцепления металлической сетки с цементным клинкером на поверхность металла наносилось оксидно-фосфатное покрытие, которое обладает хорошим сцеплением с основным металлом, а образующие ее оксиды железа и фосфора, присутствующие в составе портландцемента, обеспечивают высокую адгезию бетона к обработанной арматуре. В результате использования армирующей металлической сетки прочность на сжатие практически не увеличилась, но прочность на изгиб выросла более чем в 4 раза, при этом плотность увеличилась всего на 18%. Водопоглощение легкого бетона составило 2,1%, а теплопроводность - 0,27 Вт/(м·К).

Пример 5. Изготовление образцов с ориентированными волокнами, поверхность которых активирована химической обработкой.

Изготовление образцов осуществлялось аналогично примеру 4. Отличие от примера 4 в том, что для обеспечения сцепления металлической сетки с портландцементным клинкером активация поверхности металла проводилась химической обработкой 1 н. НСl. Применялись микросферы, активированные по примеру 2. В результате кислотной обработки армирующей металлической сетки и активации микросфер обеспечивалось хорошее сцепление металла и микросфер с бетоном, и прочность на изгиб составила σ_из=17.3 МПа. Водопоглощение легкого бетона составило 2,4%, а теплопроводность - 0,27 Вт/(м·К).

Пример 6. Изготовление образцов с ориентированными и разориентированными волокнами с аппретированной поверхностью.

Изготовление образцов осуществлялось аналогично примеру 4. Отличие от примера 4 в том, что поверхность разориентированных волокон предварительно активировалась кипячением в течение 5 минут.

Активирование поверхности разориентированных волокон кипячением и нанесение оксидно-фосфатного покрытия на поверхность металлической сетки увеличили прочность на изгиб и сжатие образцов легкого бетона по сравнению с образцами, изготовленными в примере 4, при этом плотность практически не изменилась. Водопоглощение легкого бетона составило 2,0%, а теплопроводность - 0,25 Вт/(м·К).

Пример 7. Изготовление образцов с разориентированными и ориентированными волокнами с аппретированной поверхностью и микросферами с активированной поверхностью.

Изготовление образцов осуществлялось аналогично примеру 6. Отличие от примера 6 в том, что поверхность микросфер предварительно активировалась кипячением в течение 10 минут.

Активирование поверхности микросфер и разориентированных волокон кипячением и нанесение оксидно-фосфатного покрытия на поверхность металлической сетки увеличили прочность на изгиб и сжатие образцов легкого бетона по сравнению с образцами, изготовленными в примере 4, при этом плотность практически не изменилась. Водопоглощение легкого бетона составило 1,5%, а теплопроводность - 0,28 Вт/(м·К).

Состав и характеристики полученного легкого бетона представлены в таблице 3.

Введение армирующего наполнителя позволяет значительно повысить прочностные характеристики легкого бетона. Так, использование разориентированных волокон приводит к увеличению прочности на сжатие в 1,8 раз, ориентированных стекловолокон приводит к увеличению относительной деформации при испытаниях на изгиб легкого бетона более чем в 2 раза, а использование армирующей металлической сетки позволяет увеличить прочность на изгиб более чем в 4 раза при сохранении прочности на сжатие. При использовании наполнителя (микросфер и волокна) в состоянии, обеспечивающем адгезионное взаимодействие наполнителя с вяжущим, прочность на сжатие образцов легкого бетона увеличилась в 1,5 раза.

Таблица 1 № Портландцемент, % Зольные микросферы ГРЭС, % Наполнитель (волокно), % Вода, % Пластифицирующая добавка С3, % Плотность,
г/см³ Изгиб Сжатие σ_из, МПа ε_z, % σ_вр, (МПа) ε₃₀, % 1 47,2 ⁽³⁾ 31,5 - 21,3 - 0,91 3,4 1,2 8,2 2,71 2 47,2 ⁽⁴⁾ 31,5 - 21,3 - 0,91 3,3 1,1 9,3 2,5 3 45,9 ⁽³⁾ 30,6 2,8 ⁽¹⁾ 20,4 0,3 0,89 3,2 1,0 13,5 3,00 4 46,4 ⁽³⁾ 31,0 1,9 ⁽¹⁾ 20,4 0,3 0,87 4,1 1,2 14,0 4,0 5 46,4 ⁽³⁾ 31,0 1,9 ⁽²⁾ 20,4 0,3 0,89 4,1 1,2 14,7 1,3 1 - стекловата МС-СТВ, 2 - базальтовое волокно
3 - портландцемент марки 300
4 - портландцемент марки 500

Таблица 2 № Портландцемент, % Зольные микросферы
ГРЭС Наполнитель (волокно),% Вода,% Плотность,
г/см³ Изгиб Сжатие σ_из, МПа ε_z, % σ_вр, (МПа) ε₃₀, % % обработ. 1 47,5 31,6 кремнезем 1,9 19,0 0,89 4,8 0,58 21,2 6,2 2 47,5 31,6 1н HCl 1,9 19,0 0,88 4,9 0,46 17,7 5,4 3 46,6 31,1 1н HCl 3,7 18,6 0,91 4,5 0,51 18,3 2,8 4 47,5 31,6 кипячение 1,9 19,0 0,86 4,7 0,72 22,7 5,4 5 46,6 31,1 кипячение 3,7 18,6 0,88 5,0 0,61 21,7 4,8

Таблица 3 № Портландцемент, % Зольные микросферы
ГРЭС, % Наполнитель, % Вода, % Плотность,
г/см³ Изгиб Сжатие σ_из, МПа ε_z, % σ_вр, (МПа) ε₃₀, % волокно сетка 1 46,2 30,8 - 2,3 СКО 20,7 0,90 4,8 2,9 14,4 1,3 2 46,1 30,7 - 2,3 ССК 20,9 0,91 4,7 2,2 12,5 1,7 3 41,8 27,9 1,8 11,0 метал. 17,5 1,03 18,0 3,0 22,8 4,7 4 42,4 27,4 1,8 11,0 метал. 17,4 1,05 17,3 2,8 21,4 4,5 5 42,4 27,4 1,8 11,0 метал. 17,4 1,05 18,9 2,9 23,5 4,6

Группа изобретений относится к производству строительных материалов, а именно к составу для изготовления легкого бетона, способу приготовления состава для изготовления легкого бетона и способам изготовления легких конструкционно-теплоизоляционных бетонных изделий. Состав для изготовления легкого бетона содержит, мас.%: портландцемент 45-50, зольные микросферы ГРЭС 30-40, армирующий наполнитель 0,5-11,0, воду - остальное, при этом зольные микросферы ГРЭС и армирующий наполнитель активированы к цементному клинкеру. Способ приготовления состава для изготовления легкого бетона включает введение в портландцемент армирующего наполнителя в виде неорганических разориентированных волокон и перемешивание до получения гомогенной смеси, введение зольных микросфер ГРЭС, поверхность которых предварительно активируют к цементному клинкеру, и полученную смесь затворяют водой или водой с пластифицирующей добавкой С3. В способе предусмотрена активация поверхности зольных микросфер ГРЭС нанесением аппрета или химической обработкой. Способ изготовления легкого бетона, полученного смешением портландцемента, зольных микросфер ГРЭС и воды, предварительно в портландцемент вводят зольные микросферы ГРЭС, поверхность которых предварительно активируют к портландцементному клинкеру, смесь затворяют водой, а при формировании легкого бетона используют предварительно активированный к портландцементному клинкеру армирующий наполнитель в виде ориентированных волокон, при этом введение ориентированных волокон осуществляют послойно в процессе формирования, которое проводят путем послойного виброуплотнения с последующей выдержкой смеси при 100% влажности. Изобретения развиты в независимых и зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат - получение конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного пожаростойкого легкого бетона с повышенной прочностью и со сниженным влагопоглощением. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 пр., 3 табл.

1. Состав для изготовления легкого бетона, содержащий портландцемент, зольные микросферы ГРЭС, воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит армирующий наполнитель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
портландцемент 45-50 зольные микросферы ГРЭС 30-40 армирующий наполнитель 0,5-11,0 вода остальное,

при этом зольные микросферы ГРЭС и армирующий наполнитель активированы к цементному клинкеру.

2. Состав для изготовления легкого бетона по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующего наполнителя используются неорганические разориентированные волокна.

3. Способ приготовления состава для изготовления легкого бетона, заключающийся в смешении портландцемента, зольных микросфер ГРЭС, воды, отличающийся тем, что предварительно в портландцемент вводят армирующий наполнитель в виде неорганических разориентированных волокон и перемешивают до получения гомогенной смеси, затем вводят зольные микросферы ГРЭС, поверхность которых предварительно активируют к цементному клинкеру, и полученную смесь затворяют водой или водой с пластифицирующей добавкой С3.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что активацию поверхности зольных микросфер ГРЭС осуществляют нанесением аппрета.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что активацию поверхности зольных микросфер ГРЭС осуществляют химической обработкой.

6. Способ изготовления легкого бетона, полученного путем смешения портландцемента, зольных микросфер ГРЭС, воды, отличающийся тем, что предварительно в портландцемент вводят микросферы, поверхность которых предварительно активируют к портландцементному клинкеру, смесь затворяют водой, а при формировании легкого бетона используют предварительно активированный к портландцементному клинкеру армирующий наполнитель в виде ориентированных волокон, при этом введение ориентированных волокон осуществляют послойно в процессе формирования, которое проводят путем послойного виброуплотнения с последующей выдержкой смеси при 100% влажности.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что активацию поверхности зольных микросфер ГРЭС и армирующего наполнителя осуществляют нанесением аппрета.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что активацию поверхности зольных микросфер ГРЭС и армирующего наполнителя осуществляют химической обработкой.

9. Способ изготовления легкого бетона, полученного путем смешения портландцемента, зольных микросфер ГРЭС, воды, отличающийся тем, что предварительно в портландцемент вводят армирующий наполнитель в виде неорганических разориентированных волокон и перемешивают до получения гомогенной смеси, затем вводят зольные микросферы ГРЭС, поверхность которых предварительно активируют к цементному клинкеру, и полученную смесь затворяют водой, а при формировании легкого бетона используют предварительно активированный к портландцементному клинкеру армирующий наполнитель в виде ориентированных волокон.