Состав и способ изготовления сырьевой смеси ячеистых материалов Российский патент 2022 года по МПК C04B38/10 C04B40/00 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам и способам изготовления теплоизоляционных ячеистых материалов.

Известны сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов и способ ее приготовления [1], сущность которого состоит в том, что сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов, включающая связующее вещество, заполнитель, порообразователь - пенообразователь, дисперсную арматуру - волокна и воду, содержит волокна с модулем упругости волокон больше модуля упругости ячеистого материала, поперечным сечением, не превышающим 1 мм² и с отношением длины к площади поперечного сечения более 100 мм^‐1 и дополнительно добавку, а в части способа приготовления сырьевой смеси включает перемешивание в смесителе связующего вещества, заполнителя, порообразователя - пенообразователя, дисперсной арматуры - волокон и воды, при этом волокна вводятся хаотично, а при перемешивании дополнительно вводят добавку при следующей последовательности введения компонентов в смеситель: вода, связующее, добавка, заполнитель, пенообразователь, волокна.

Недостатком известного является невысокая прочность полученного пенофибробетона на сжатие и растяжение при использовании полимерных и базальтовых дисперсных волокон и, как следствие, небольшие значения коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов, а также низкая эффективность процесса приготовления смеси.

Наиболее близкими к заявляемому техническому решению по совокупности признаков, т.е. прототипами, являются состав и способ изготовления ячеистых материалов [2], включающая: при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент марки 500 40-45; заполнитель - керамзит дробленый крупностью 0-5 мм или кварцевый песок с М_к р. 1,8-2,0 32; пенообразователь ПБ-2000 2; полимерное волокно диаметром 20-50 мкм и длиной 3-18 мм или базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм 3-10; суперпластификатор Sika ViscoCrete-3 0,2; многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм 0,4; вода остальное, а также способ приготовления указанной сырьевой смеси, включающий предварительную обработку указанного суперпластификатора с водой и указанными нанотрубками в течение 30-60 с в ультразвуковом диспергаторе с частотой 20 кГц, перемешивание в смесителе полученной суспензии с портландцементом марки 500, заполнителем, пенообразователем ПБ-2000 и волокном в течение 5-6 мин.

Недостатком этого состава и способа является низкие показатели прочности и коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов. Кроме того известные методы получения углеродных нанотрубок технологически сложны и дороги. Большой проблемой в процессе получения нанотрубок является управление процессом их роста, особенно при синтезе одно- и многослойных нанотрубок.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение прочности на сжатие и растяжение, коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов за счет увеличения содержания модифицирующей добавки - наночастиц в составе смеси путем использование высокоактивного коллоидного нанодисперсного полисиликата натрия, получаемого по упрощенному способу получения наночастиц, который экономически эффективнее изготовления углеродных нанотрубок.

Технический результат, полученный в процессе решения поставленной задачи, достигается тем, что сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов, включающая: портландцемент марки 500, заполнитель - керамзит дробленый крупностью 0-5 мм или кварцевый песок с М_кр. 1,8-2,0, пенообразователь ПБ-2000, дисперсную арматуру - полимерное волокно строительное микроармирующее - ВСМ диаметром 20-50 мкм и длиной 3-18 мм или базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм, суперпластификатор Sika ViscoCrete-3, модифицирующую добавку и воду, в качестве модифицирующей добавки содержит коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент марки 500 40-45

Указанный заполнитель 32

Указанный пенообразователь 2

Указанное волокно 3-10

Указанный суперпластификатор 0,2

Указанный коллоидный

нанодисперсный полисиликат натрия 2-4

Вода остальное

Способ приготовления сырьевой смеси по вышеуказанному составу, заключающийся в том, что в изначально изготовленный коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5 путем введения в 20%-ный водный раствор силиката натрия 16%-ного гидрозоля диоксида кремния в соотношении 1:1,6, перемешивания при 100°С в течение 3,0 ч с выдержкой при указанной температуре не более 0,5 ч, вводят указанные суперпластификатор, портландцемент марки 500 и воду, перемешивают в высокоскоростном смесителе, а затем в полученную таким способом суспензию вводят указанные: заполнитель, пенообразователь ПБ-2000, волокно и перемешивают в течение 5-6 минут до образования гомогенной пеносмеси.

Такой способ получения модифицированной сырьевой смеси позволяет упрочнить структуру ячеистых материалов на микро- и наноуровнях.

Для изготовления предлагаемой сырьевой смеси ячеистого материала с целью качественного сравнения по показателю - свойств, применялись те же составы, их компоненты и методы определения свойств, что и для прототипа, кроме наночастиц - коллоидного нанодисперсного полисиликата натрия.

Коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5 получали согласно патенту РФ 2124475, путем введения в 20%-ный водный раствор силиката натрия 16%-го гидрозоля диоксида кремния при их соотношении 1:1,6 и перемешивания при 100^оС в течение 3,0 ч с последующей выдержкой не более 0,5 ч.

Коллоидные нанодисперсные полисиликаты представляют переходную область составов от жидких стекол к кремнезолям и классифицируются как наноматериалы.

Структурным элементом полисиликата является кремнекислородный тетраэдр, который является основной полимерной составляющей полисиликатов.

Полимерная форма, представляющая кремнеземные частицы размером от 4 до 5 нм составляет 60% и более от общего содержания кремнезема, что обеспечивает высокие прочностные свойства образующихся гелевых структур.

При введении в состав смеси коллоидного нанодисперсного полисиликата натрия – высокоактивного связующего представляющего кремнеземные наночастицы размером от 4 до 5 нм, которые активно участвуют в процессе гидратации цемента и вступают в реакцию с имеющимися в цементе свободными оксидами кальция, магния и др., образуя при этом их водонерастворимые гидросиликаты, значительно упрочняет микро- и наноструктуру цементного камня, что повышает прочность на сжатие и растяжение, коэффициент конструктивного качества прочности затвердевшего ячеистого материала.

Упрочнению микроструктуры цементного камня также способствует увеличение в составе смеси нанодисперсных частиц полисиликата натрия, которые являются центрами кристаллизации новообразований цементного камня, значительно изменяет микро- и наноструктуру материалов. В результате образуется упрочненная микроструктура цементного камня, что значительно повышает прочностные характеристики затвердевших ячеистых материалов.

Предлагаемый способ получения модифицированной сырьевой смеси позволяет упрочнить структуру ячеистых материалов на микро- и наноуровнях.

Таким образом, применение в составе сырьевой смеси коллоидного нанодисперсного полисиликата натрия способствует, в сравнении с прототипом, увеличению прочности и коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов, приготовленных по предлагаемому способу, что и является новым техническим свойством заявляемой сырьевой смеси, приготовленной предлагаемым способом.

Для экспериментальной проверки заявляемой сырьевой смеси, приготовленной предлагаемым способом, изготовили по стандартной методике образцы-балочки размером 10×10×40 см, твердеющие в естественных условиях.

Составы и физико-механические свойства ячеистых материалов, приготовленных по предлагаемому способу, в сравнении с прототипом представлены в таблице.

Анализ представленных в таблице данных показывает, что введение в заявленную сырьевую смесь наночастиц в виде коллоидного нанодисперсного полисиликата натрия, приготовленную по предлагаемому способу, при указанных соотношениях входящих в нее компонентов, согласно предлагаемому составу №1, способствует, увеличению прочности на сжатие по сравнению с прототипом - состав 1 на 12%, прочности на растяжение при изгибе - на 22%, повышению коэффициента конструктивного качества при сжатии - на 32,7%, на растяжение при изгибе - на 44,6%. Прирост прочности заявленной сырьевой смеси (предлагаемый состав №2) по сравнению с прототипом - состав 6 составляет: при сжатии 13%, на растяжение при изгибе 14%, а увеличение коэффициента конструктивного качества при сжатии составляет 21,7%, на растяжение при изгибе – 14,4%.

Литература:

1. Патент РФ №2206544, от 20.06 2003 г.

2. Патент РФ №2422408 от 27.06.2011 г.

Составы Вид, мас.%: Средняя плотность, кг/м³ Прочность,
МПа Коэффициент конструктивного качества Связующее вещество Заполнитель Пено-
образо-
ватель Дисперсная
арматура Супер-
пластифика-тор Модифици-рующая добавка Вода При
сжатии Растя-жение
при
изгибе При
сжатии Растя-жение при
изгибе Прототип состав-1 ПЦ-500;
45 Керамзит дробленный крупностью
0-5 мм;
32 ПБ-2000;
2 Полимерное волокно строительное микроармирующее (ВСМ), диаметром 20-50 мкм длиной 3-18 мм;
3 Sika ViscoCrete-3;
0,2 Многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной
2-50 мкм;
0,4 17,4 550 2,6 1,9 4,73 3,45 Предполагаемый состав-1 ПЦ-500;
45 Керамзит дробленный крупностью
0-5 мм;
32 ПБ-2000;
2 Полимерное волокно строительное микроармирующее (ВСМ), диаметром 20-50 мкм длиной 3-18 мм;
3 Sika ViscoCrete-3;
0,2 Коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5;
2 15,8 550 2,92 2,32 6,28 4,99 Прототип состав-6 ПЦ 500;
40 Кварцевый песок
М_кр. 1,8-2,0;
32 ПБ-2000;
2 Базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм;
10 Sika ViscoCrete-3;
0,2 Многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной
2-50 мкм;
0,4 15,4 730 4,12 2,1 5,62 2,88 Предполагаемый состав-6 ПЦ 500;
40 Кварцевый песок
М_кр. 1,8-2,0;
32 ПБ-2000;
2 Базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм;
10 Sika VisсоCrete-3,
0,2 Коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5;
4 11,8 730 4,66 2,39 6,84 3,29

Таблица

Группа изобретений относится к промышленности строительных материалов, а именно к сырьевой смеси для изготовления теплоизоляционных ячеистых материалов и способу ее приготовления. Сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов включает, мас.%: портландцемент марки 500 40-45, заполнитель – керамзит дробленый крупностью 0-5 мм или кварцевый песок с М_к р. 1,8-2,0 32, пенообразователь ПБ-2000 2, полимерное волокно строительное микроармирующее - ВСМ диаметром 20-50 мкм и длиной 3-18 мм или базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм 3-10, суперпластификатор Sika ViscoCrete-3 0,2, модифицирующую добавку – коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5 2-4, воду - остальное. Технический результат – повышение прочности на сжатие и растяжение, повышение коэффициента конструктивного качества ячеистых материалов. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Сырьевая смесь для изготовления ячеистых материалов, включающая портландцемент марки 500, заполнитель – керамзит дробленый крупностью 0-5 мм или кварцевый песок с М_к р. 1,8-2,0, пенообразователь ПБ-2000, полимерное волокно строительное микроармирующее - ВСМ диаметром 20-50 мкм и длиной 3-18 мм или базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм, суперпластификатор Sika ViscoCrete-3, модифицирующую добавку и воду, отличающаяся тем, в качестве модифицирующей добавки она содержит коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент марки 500 40-45 Указанный заполнитель 32 Указанный пенообразователь 2 Указанное волокно 3-10 Указанный суперпластификатор 0,2 Указанный коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия 2-4 Вода остальное

2. Способ приготовления сырьевой смеси из состава по п. 1, заключающийся в том, что в предварительно изготовленный коллоидный нанодисперсный полисиликат натрия с силикатным модулем 6,5, полученный путем введения в 20%-ный водный раствор силиката натрия 16%-ного гидрозоля диоксида кремния в соотношении 1:1,6, перемешивания при 100°С в течение 3,0 ч с выдержкой при указанной температуре не более 0,5 ч, при одновременном перемешивании в высокоскоростном смесителе вводят указанные суперпластификатор, портландцемент марки 500 и воду, до получения однородной суспензии, затем которую перемешивают с указанными: заполнителем, волокном и пенообразователем в лопастной мешалке в течение 5-6 минут до образования гомогенной пеносмеси.