Смесь для приготовления сырцовых гранул заполнителя бетона и способ получения заполнителя бетона Российский патент 2023 года по МПК C04B20/04 C04B20/06 C04B28/26 C04B38/00 C04B111/40 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к производству легких пористых заполнителей для бетона на основе кремнистых пород.

Уровень техники

Известны способы получения блочных и гранулированных пеноматериалов на основе тонкомолотого порошка стекла натрийкальцийсиликатного состава, в котором в качестве газообразователя (вспенивателя) используются различные формы тонкодисперсного углерода (графит, антрацит, газовая сажа и др.), а также органические вещества (глицерин, сахар, патока, тяжелые нефтепродукты и др.) выделяющие тонкодисперсный углерод при термическом разложении, которые взаимодействуют с входящими в состав шихты сульфат-ионами с выделением углекислого газа, монооксида углерода, сернистого газа.

Из уровня техники известен способ получения гранулированного строительного материала, включающий подготовку кремнеземистого компонента, приготовление связующего раствора, смешение компонентов, гранулирование смеси и термообработку, связующий раствор готовят на основе коллоидного кремнезема и растворимых солей щелочных металлов путем совместного мокрого помола с одновременным растворением стекловидного силиката натрия, карбоната натрия и/или других растворимых в воде соединений щелочных металлов при температуре 80-110^оС, при следующем соотношении основных компонентов: стекловидный силикат натрия -10-50%, карбонат натрия - 5-40%, вода - 40-80%, причем смешение кремнеземистого компонента со связующим раствором совмещают с добавлением газообразователя и гранулированием смеси, при этом смешение и гранулирование проводят в одном устройстве - грануляторе при соотношении связующего раствора и кремнеземистого компонента от 1:5 до 1:1,2, после чего сырцовые гранулы подвергают термообработке: сушке и обжигу, при этом суммарное содержание щелочных оксидов в готовом материале составляет от 5 до 20 мас.%. (патент на изобретение RU 2605982 C2). Недостатком данного известного средств является недостаточные теплоизоляционные и технологические свойства.

Сущность изобретения

Изобретение решает задачу создания легкого пористого заполнителя бетона в виде гранулированной пеностеклокерамики, обладающего улучшенными эксплуатационными и технологическими свойствами.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в улучшении теплоизоляционных свойств заполнителя бетона путем снижения его насыпной плотности, предотвращении слипания сырцовых гранул при сушке, снижении потерь на брак и возможности регулирования скорости реакции силикатообразования путем снижения доли натрия, вводимого через гидроксид натрия.

Указанный технический результат достигается тем, что смесь для приготовления сырцовых гранул заполнителя бетона включает кремнеземистый компонент и связующий водный раствор гидроксида натрия, карбоната натрия и сульфата натрия, при этом количество карбоната натрия составляет от 10 до 35 процентов от весового содержания гидроксида натрия, количество сульфата натрия составляет от 2 до 5 процентов от весового содержания гидроксида натрия, а количество кремнеземистого компонента составляет не менее 70 процентов от сухой массы смеси.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве кремнеземистого компонента используют тонкомолотый минеральный материал, выбранный из группы: опоко-трепеловидные породы, цеолиты, туфы, силициты или их смеси.

Указанный технический результат достигается также тем, что способ получения заполнителя бетона состоит в том, что готовят связующий раствор на основе смеси воды, гидроксида натрия, карбоната натрия и сульфата натрия, при этом количество карбоната натрия составляет от 10 до 35 процентов от весового содержания гидроксида натрия, количество сульфата натрия составляет от 2 до 5 процентов от весового содержания гидроксида натрия, а количество кремнеземистого компонента составляет не менее 70 процентов от сухой массы смеси, смешивают с тонкомолотым кремнеземистым компонентом, формируют сырцовые гранулы размером не превышающим 15 мм, осуществляют обжиг упомянутых сырцовых гранул при температуре от 700^оС до 900^оС.

Указанный технический результат достигается также тем, что в связующий раствор дополнительно вводят углеродный газообразователь.

Отличительной особенностью изобретения является использование в качестве связующего раствора водного раствора гидроксида натрия, карбоната натрия и сульфата натрия в указанном соотношении.

Осуществление изобретения

Общемировая тенденция к ужесточению нормативов по энергосбережению существенно повысила требования к теплоизоляционным свойствам легких бетонов и заполнителям для легких бетонов.

Так, для получения конструкционно-теплоизоляционных бетонов плотностью 450-600 кг/м³ требуются легкие заполнители насыпной плотностью 180-250 кг/м³, что практически недостижимо для технологии заполнителей типа керамзита (гравий на основе вспученной глины).

Для получения неорганических пеноматериалов на основе аморфных кремнистых пород необходимо получить достаточное количество гидросиликатов натрия, образующих первичную стеклофазу, которая обеспечивает формирование плотной закрытопористой структуры шихты при температурах ниже температуры размягчения стекла, а также необходимое для получения пористой структуры газовыделение в форме водяного пара.

В известной технологии варки натрийкальцийсиликатного стекла из сыпучей шихты на основе кварцевого песка, кальцинированной соды и мела, взаимодействие компонентов с образованием первичных эвтектических расплавов начинается при температурах выше температуры размягчения стекла (около 750^оС), наиболее активно идет при температурах 900-1100^оС, а растворение остаточных кристаллических фаз завершается при 1100-1200^оС, и завершается получением стекломассы, не содержащей газовых включений и с низким парциальным давлением растворенных газов.

В то же время, едкий натр является дорогостоящим и энергоемким натрийсодержащим сырьем, составляющим до 60% затрат на производство особо легких заполнителей бетона на основе кремнистых пород. Актуальной является задача полной или частичной замены едкого натра более доступными сырьевыми материалами.

Настоящее изобретение позволяет получить заполнитель бетонов (известный также, как гранулированная пеностеклокерамика) на основе кремнеземистого сырья обжиговым способом, с заменой части едкого натра на более доступное натрийсодержащее сырье, например, карбонат и сульфат натрия.

Настоящее изобретение основано на эквимолярной замене едкого натра оптимальной дозой карбоната натрия и сульфата натрия, возможно в сочетании с добавкой глицерина или другого углеродного газообразователя (газообразующей добавки или вспенивателя).

Частичная замена едкого натра на более доступные компоненты, содержащие катион натрия – карбонат и сульфат натрия, позволяет пропорционально снизить сырьевую составляющую себестоимости.

При этом карбонат и сульфат натрия обеспечивают не только замену гидроксида натрия, но и дополнительное газообразование путем введения в состав шихты карбонат-иона через карбонат натрия (карбонатный газообразователь) и сульфат-иона через сульфат натрия. Дополнительный эффект обеспечивается в сочетании с углеродным вспенивателем (углеродный газообразователь).

Таким образом, карбонат натрия, сульфат натрия и углеродный газообразователь оказывают синергическое действие, не только заменяя самый дорогостоящий компонент шихты – гидроксид натрия, но и снижая плотность материала, выполняя функцию карбонатного и углеродного газообразователей.

Повышение газосодержания расплава позволяет не только увеличить коэффициент (или кратность) вспенивания шихты (сырцовых гранул), но и сократить время вспенивания до необходимой плотности, так как при равной вязкости расплава скорость расширения пор будет пропорциональна суммарному парциальному давлению растворенных газов.

Также совместное применение различных типов газообразователей, снижая необходимое время термообработки, повышает производительность обжигового агрегата (печи вспенивания), как наиболее дорогого и энергоемкого агрегата технологической линии.

Одной из технологических проблем при производстве легких заполнителей бетона путем щелочной обработки кремнистых пород является избыточная скорость реакции гидроксида натрия с активным кремнеземом, вызывающая саморазогрев реакционной смеси до 70-90^оС, размягчение и слипание сформованных гранул заданного размера, с образованием крупных агрегатов или сплошной пластичной массы в сушильном барабане или другом устройстве.

Даже при установившемся технологическом режиме в процессе сушки в сушильном барабане образуется от 3-5% по массе крупных агрегатов, которые необходимо отсеять и раздробить. В результате при колебаниях режима гранулирования и сушки наблюдается сплошное слипание влажных сырцовых гранул в вязкую массу, что требует длительной остановки технологической линии для чистки сушильного барабана и выхода линии на режим, причем бракованный материал идет в безвозвратные отходы.

Таким образом, регулирование скорости реакции активного кремнезема с гидроксидом натрия при сохранении состава, температуры спекания и потребительских свойств готового продукта – заполнителя в виде гранулированной пеностеклокерамики, позволяет снизить процент отходов и увеличить производительность технологической линии за счет повышения коэффициента использования оборудования.

Регулирование скорости реакции силикатообразования (образования гидросиликатов натрия) при сохранении концентрации оксида натрия в шихте может быть достигнуто заменой гидроксида натрия менее химически активным натрийсодержащим компонентом, например, карбонатом натрия (кальцинированной содой) и сульфатом натрия.

Полная замена вводимого в шихту едкого натра на карбонат и/или сульфат натрия невозможна по следующим причинам:

- низкая скорость реакции с активным кремнеземом, ведущая к низкой доле гидросиликатов натрия в шихте и высокой плотности обожженной гранулы;

- миграция маловязкого раствора карбоната натрия на поверхность гранулы при сушке, с кристаллизацией карбоната натрия на поверхности гранулы. Обогащение наружного слоя натрием ведет к спеканию гранул при обжиге, при отсутствии порообразования в обедненном натрием ядре гранулы;

- низкая прочность сырцовой гранулы без натрийсиликатной связки.

Таким образом, полная замена гидроксида натрия сульфатом и/или карбонатом натрия технологически не представляется возможной, что требует выбора оптимального соотношения натрийсодержащих компонентов.

Изобретение основано на оптимальном соотношении гидроксида натрия, карбоната и сульфата натрия в связующем растворе, при сохранении общего содержания оксида натрия в готовом (обожженном) материале при сохранении или улучшении его эксплуатационных и технологических свойств.

Максимально легкий заполнитель с закрытопористой структурой получается при достаточном содержании в шихте одного или нескольких компонентов-газообразователей.

В качестве газообразователя при получении пеностекла и пеностеклокерамики по щелочной технологии используется остаточная вода, входящая в состав гидросиликатной фазы (гидратированных полисиликатов натрия).

Однако для получения продукта минимальной насыпной плотности в технологии стекла используются дополнительные газообразователи, в частности, карбонатные, применение которых основано на термическом разложении карбонатов при температурах, близких к температуре обжига (вспенивания) шихты.

Обычно в качестве карбонатного газообразователя используется карбонат кальция, температура разложения которого лежит в интервале 700- 800^оС.

Увеличение доли карбонатов ведет к разрушению ячеистой (закрытопористой) структуры материала и слиянию ячеек, с образованием сквозной (открытой) пористости, снижающей теплотехнические и прочностные свойства материала.

Таким образом, для оптимизации соотношения компонентов и технологии изготовления заполнителя необходимо учитывать насыпную плотность, структуру материала (водопоглощение) и технологические свойства шихты (размягчение и слипание до сушки и прочность гранулы после сушки).

Основным отличием изобретения является введение в состав шихты двух дополнительных компонентов – карбоната натрия и сульфата натрия, которые одновременно выполняют три целевые функции - частично замещают гидроксид натрия, снижая себестоимость и энергоемкость продукта, являются дополнительными газообразователями, повышая кратность вспенивания шихты и снижая ее насыпную плотность, и ограничивают скорость образования силикатов натрия, предупреждая саморазогрев и слипание шихты на операциях гранулирования и сушки шихты.

Полуфабрикат легкого заполнителя бетона, называемый также сырцовыми гранулами, представляют собой подготовленную к обжигу высушенную смесь (массу) исходных компонентов, которой путем гранулирования придана необходимая форма и размеры, т.е. под сырцовыми гранулами понимается гранулированная шихта.

Гранулированная шихта получается путем смешения порошка кремнеземистого компонента и связующего раствора, состоящего из гидроксида натрия, карбоната натрия, сульфата натрия и воды, что обеспечивает протекание реакции силикатообразования, и получение пластичной реакционной массы в виде отдельных гранул, с последующей сушкой, при этом количество карбоната натрия составляет от 10 до 35 процентов от весового содержания гидроксида натрия, а количество сульфата натрия составляет от 2 до 5 процентов от весового содержания гидроксида натрия.

Таким образом, гранулы, которые называют также сырцовые гранулы, для приготовления легкого заполнителя бетона представляют собой, по сути, шихту, которой придана необходимая форма и размеры, т.е. под гранулами понимается гранулированная шихта. Смесь для изготовления гранул представляет собой смесь кремнеземистого компонента и связующего раствора, который представляет собой смесь воды, гидроксида натрия, карбоната натрия и сульфата натрия, при этом количество карбоната натрия составляет от 10 до 35 процентов от весового содержания гидроксида натрия, а количество сульфата натрия составляет от 2 до 5 процентов от весового содержания гидроксида натрия. При количестве карбоната и сульфата натрия менее 10 и 2 процентов соответственно не происходит достаточного газообразования, а при количестве выше 35 и 5 процентов соответственно уменьшается доля гидросиликатов натрия, обеспечивающих образование стеклофазы и достаточную прочность сырцовых гранул.

Заполнитель бетона изготавливается в виде термически обработанных сырцовых гранул, которые получают из смеси кремнеземистого компонента и связующего раствора, как описано выше. Связующий раствор содержит соединения натрия в указанном выше оптимальном соотношении и составе.

В качестве кремнеземистого компонента используют тонкомолотый (например, в виде порошка) минеральный материал, выбранный из группы: опоко-трепеловидные породы, цеолиты, туфы, силициты или их смеси.

Количество кремнеземистого компонента составляет не менее 70 процентов массы смеси. Оптимальный размер сырцовых гранул не превышает 15 мм, поскольку при больших размерах трудно получить однородную пористую структуру гранулы заполнителя, а при меньших размерах происходит быстрый перегрев материала, ухудшающий свойства заполнителя.

Необходимым условием получения ячеистой (закрытопористой) структуры заполнителя на основе кремнеземистого минерального сырья при однократном обжиге является образование достаточной доли первичной стеклофазы при нагреве не выше температуры ее размягчения, что достигается обработкой активного кремнезема сырья гидроксидами щелочных металлов.

Таким образом, гидросиликаты натрия, получаемые при реакции активного кремнезема минерального сырья и гидроксида натрия необходимы для получения достаточной доли стеклофазы, обеспечения прочности и закрытопористой структуры гранул, а также в качестве основного газообразователя, формирующего ячеистую структуру материала при обжиге.

При этом неоднократными экспериментами установлено, что минимальное содержание оксида натрия, вводимого через гидроксид натрия, составляет не менее 8-10 массовых % от веса готового материала.

При меньших добавках гидроксида натрия плотность готового материала существенно повышается, что удорожает материал и снижает его теплоизоляционные свойства.

Способ получения заполнителя бетона реализуется следующим образом.

На этапе подготовки сырья кремнеземистое минеральное сырье (опоко- трепеловидные породы опал-кристобалитного состава, цеолиты, цеолитовые туфы и другие кремнистые породы (силициты)) подвергаются дроблению, сушке и тонкому помолу с образованием полуфабриката – минерального порошка.

Далее готовится связующий натрийсодержащий раствор, включающий воду, едкий натр, карбонат натрия, сульфат натрия. На этой стадии возможно добавление дополнительного углеродного газообразователя (например, глицерина).

Проводится смешение и гранулирование связующего раствора с минеральным порошком с получением сырцовых гранул заданного размера, с учетом увеличения их диаметра при вспенивании.

Далее проводится тепловлажностная обработка и сушка сырцовых гранул, с в ходе которой происходит химическое взаимодействие содержащегося в минеральном порошке активного кремнезема с гидроксидом натрия (едким натром) и образованием гидросиликатов натрия.

Проводится обжиг (вспенивание) сырцовых гранул в печи обжига в температурном интервале размягчения стеклофазы.

Количество вводимого карбоната натрия составляет от 10 до 35 процентов от весового содержания гидроксида натрия, а количество сульфата натрия составляет от 2 до 5 процентов от весового содержания гидроксида натрия.

Осуществляют обжиг сырцовых гранул при температуре от 700^оС до 900^оС. Целесообразное время обжига составляет на менее 15 минут.

Изобретение обеспечивает улучшение теплоизоляционных свойств легкого заполнителя бетона путем снижения насыпной плотности готового материала, что также снижает себестоимость кубометра готового материала. Повышение коэффициента вспенивания шихты путем повышения суммарного парциального давления растворенных в расплаве стеклофазы газов может потребовать введения в состав шихты дополнительных углеродных газообразователей.

Регулирование скорости реакции силикатообразования достигается путем снижения доли натрия, вводимого через гидроксид натрия (едкий натр), с целью предотвращения избыточного размягчения и слипания сырцовых гранул на операции гранулирования и сушки, улучшения коэффициента формы и обеспечения заданного фракционного состава шихты и готового заполнителя.

Полученный заполнитель обладает низкой насыпной плотностью, что является основным показателем теплозащитных свойств.

Изобретение обеспечивает также закрытый (замкнутый) характер пористости, характеризуемой низким объемным водопоглощением, а также снижение саморазогрева, слипания и деформации (размягчения) влажных гранул после операции гранулирования.

Группа изобретений относится к производству строительных материалов, а именно к производству легких пористых заполнителей для бетона. Смесь для приготовления сырцовых гранул заполнителя бетона включает кремнеземистый компонент и связующий водный раствор гидроксида натрия, карбоната натрия и сульфата натрия, в котором количество карбоната натрия составляет от 10 до 35 процентов от весового содержания гидроксида натрия, количество сульфата натрия составляет от 2 до 5 процентов от весового содержания гидроксида натрия. Количество кремнеземистого компонента составляет не менее 70 процентов от сухой массы смеси. Из указанной смеси формируют сырцовые гранулы размером, не превышающим 15 мм, которые обжигают при температуре от 700 до 900°С. Технический результат – снижение насыпной плотности и водопоглощения заполнителя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

1. Смесь для приготовления сырцовых гранул заполнителя бетона, включающая кремнеземистый компонент и связующий водный раствор гидроксида натрия, карбоната натрия и сульфата натрия, при этом количество карбоната натрия составляет от 10 до 35 процентов от весового содержания гидроксида натрия, количество сульфата натрия составляет от 2 до 5 процентов от весового содержания гидроксида натрия, а количество кремнеземистого компонента составляет не менее 70 процентов от сухой массы смеси.

2. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве кремнеземистого компонента используют тонкомолотый минеральный материал, выбранный из группы: опоко-трепеловидные породы, цеолиты, туфы, силициты или их смеси.

3. Способ получения заполнителя бетона, состоящий в том, что готовят связующий раствор на основе смеси воды, гидроксида натрия, карбоната натрия и сульфата натрия, при этом количество карбоната натрия составляет от 10 до 35 процентов от весового содержания гидроксида натрия, количество сульфата натрия составляет от 2 до 5 процентов от весового содержания гидроксида натрия, а количество кремнеземистого компонента составляет не менее 70 процентов от сухой массы смеси, смешивают с тонкомолотым кремнеземистым компонентом, формируют сырцовые гранулы размером, не превышающим 15 мм, осуществляют обжиг упомянутых сырцовых гранул при температуре от 700°С до 900°С.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в связующий раствор дополнительно вводят углеродный газообразователь.