гранулированный заполнитель на основе природных осадочных высококремнеземистых пород для бетонной смеси, состав бетонной смеси для получения бетонных строительных изделий, способ получения бетонных строительных изделий и бетонное строительное изделие

Формула изобретения

1. Гранулированный заполнитель для бетонной смеси, изготовленный из кремнеземсодержащего и известьсодержащего компонентов, отличающийся тем, что он выполнен в виде гранул размером 0,5-10,0 мм, состоящих из ядра и оболочки, где ядро получено гранулированием смеси совместно молотых до удельной поверхности 150-250 м²/кг кремнеземсодержащего компонента - природной осадочной высококремнеземистой породы и гидроксида щелочного металла при их массовом соотношении 0,70-0,95:0,05-0,30 со связкой - водным раствором силиката натрия плотностью 1,2-1,3 г/см³ в количестве 0,1-7,0% от смеси, формирование защитной оболочки на поверхности ядра гранулы производят в среде сухой пылевидной смеси совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого при их массовом соотношении 0,85-0,95:0,05-0,15 с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа.

2. Бетонная смесь для изготовления строительных изделий, включающая заполнитель по п.1, вяжущее, мелкий заполнитель и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

указанный заполнитель	5-40
вяжущее	10-25
мелкий заполнитель	15-45
вода	остальное

3. Способ получения бетонных строительных изделий из бетонной смеси по п.2, включающий смешивание ее компонентов, формование строительных изделий, выдержку в формах и последующую тепловлажностную обработку изделий при атмосферном давлении и температуре 85-95°С.

4. Бетонное строительное изделие, характеризующееся тем, что оно получено способом по п.3.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для получения бетонных строительных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке при твердении, для гражданского и промышленного строительства.

Известны способ получения бетонных строительных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке при твердении, состав бетонной смеси и заполнитель в виде гранулята фракций 5-20 мм, изготовленный из дисперсных золошлаковых отходов мусоросжигательных печей, и бетонное строительное изделие. Способ получения бетонных строительных изделий включает смешивание механоактивированного портландцемента (22-23 мас.%), строительного песка (28-34 мас.%), заполнителя в виде гранулята (44-49 мас.%) и воды, формование строительных изделий, выдержку в формах и последующую тепловлажностную обработку их в пропарочной камере при атмосферном давлении [Патент РФ № 2201410, кл. 7 С04В 28/02, 2000].

Недостатками данного способа, бетонной смеси и заполнителя является то, что используемый заполнитель не способствует увеличению водостойкости бетонных строительных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке при твердении, а также высокие энергозатраты при получении механоактивированного портландцемента и гранулята.

Известен также гранулированный заполнитель для бетонной смеси в виде гранул, состоящих из ядра, изготовленного из стеклопора и нанесенной на него оболочки из цементно-зольной смеси, и бетонное строительное изделие. Сырцовые гранулы перед использованием в качестве заполнителя для бетонной смеси предварительно подвергают тепловлажностной обработке в пропарочной камере при атмосферном давлении с изотермической выдержкой в течение 6 часов при температуре 80-90°С [Авторское свидетельство СССР № 1219548, кл. 4 С04В 14/24, 1983].

Недостатками данного заполнителя являются высокие энерго- и трудозатраты при получении стеклопора, формировании из него гранул путем дробления и последующей тепловлажностной обработке сырцовых гранул перед использованием их в качестве заполнителя, что увеличивает себестоимость готовых строительных изделий. Применение указанного заполнителя не способствует увеличению водостойкости и существенному уменьшению теплопроводности бетонных строительных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке при твердении.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ получения бетонных строительных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке при твердении, состав бетонной смеси и бетонное строительное изделие. Способ получения бетонных строительных изделий включает смешивание портландцемента (10-25 мас.%), песка (15-35 мас.%), заполнителя в виде керамзитового гравия (5-40 мас.%) и воды (остальное), формование строительных изделий, выдержку в формах и последующую тепловлажностную обработку их в пропарочной камере при атмосферном давлении по режиму 2+6+2 и температуре изотермической выдержки 85-95°С [Гершберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. - М.: Стройиздат, 1971, с.98-102, 305-313].

Недостатками данного способа получения бетонных строительных изделий и бетонной смеси является то, что получаемые бетонные строительные изделия после тепловлажностной обработки имеют невысокую водостойкость и теплоизолирующую способность.

Наиболее близким к предлагаемому решению является также гранулированный заполнитель для получения бетонной смеси, состоящий из ядра и защитной оболочки. Ядро изготавливают грануляцией на тарельчатом грануляторе смеси дисперсных кремнеземсодержащих компонентов - золы ТЭС (дисперсностью не менее 200 м²/кг) и осадка станции аэрации биологической очистки промышленных сточных вод со связкой - молотой известью (дисперсностью 500-600 м² /кг) и гипсом (маркой не менее 100 и дисперсностью не менее 350 м²/кг) в соотношении компонентов смеси соответственно 0,3:0,5:0,15:0,05 по массе. После грануляции на ядро наносится защитная оболочка толщиной 3-5 мм путем смачивания ядра гранулы жидким стеклом и опудривания или скатывания на тарельчатом или барабанном грануляторе его сухой пылевидной смесью извести, гипса и минерального дисперсного наполнителя (золы ТЭЦ, ГРЭС, суглинка и т.д.) в соотношении компонентов смеси соответственно 0,35:0,10:0,55 по массе. После формирования гранул с целью их отверждения применяется тепловлажностная обработка при температуре 90°С с изотермической выдержкой в течение одного часа [Патент РФ № 2077517, кл. 6 С04В 20/10, 1993].

Недостатком гранулированного заполнителя по прототипу является то, что при изготовлении бетонных изделий требуются повышенные расходы тепловой энергии для тепловлажностной обработки: сначала тепловлажностной обработке подвергается гранулированный заполнитель, затем - сформованное строительное изделие, включающее вышеназванный заполнитель, а также то, что получаемые бетонные строительные изделия, подвергающиеся тепловлажностной обработке при твердении, имеют невысокую водостойкость, прочность и теплоизолирующую способность.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения водостойкости, уменьшения теплопроводности при повышении и сохранении прочностных показателей бетонных строительных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке при твердении, и снижение энергозатрат при изготовлении бетонных изделий за счет снижения энергозатрат при изготовлении заполнителя.

Технический результат достигается с помощью гранулированного заполнителя для бетонной смеси, изготовленного из кремнеземсодержащего и известьсодержащего компонентов, согласно предлагаемому решению, он выполнен в виде гранул размером 0,5-10,0 мм, состоящих из ядра и оболочки, где ядро получено гранулированием смеси совместно молотых до удельной поверхности 150-250 м ²/кг кремнеземсодержащего компонента - природной осадочной высококремнеземистой породы и гидроксида щелочного металла при их массовом соотношении 0,70-0,95:0,05-0,30 со связкой - водным раствором силиката натрия плотностью 1,2-1,3 г/см³ в количестве 0,1-7,0% от смеси, а оболочка сформирована на поверхности ядра его окатыванием сухой пылевидной смесью совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого при их массовом соотношении 0,85-0,95:0,05-0,15, с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа.

Технический результат достигается тем, что бетонная смесь для изготовления строительных изделий, включает вышеуказанный заполнитель, вяжущее, мелкий заполнитель и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный заполнитель - 5-40; вяжущее - 10-25; мелкий заполнитель - 15-45 и вода - остальное.

Технический результат достигается тем, что способ получения бетонных строительных изделий из вышеуказанной бетонной смеси, включает смешивание ее компонентов, формование строительных изделий, выдержку в формах и последующую тепловлажностную обработку изделий при атмосферном давлении и температуре 85-95°С.

Результат достигается с помощью бетонного строительного изделия, характеризующегося тем, что оно получено указанным способом.

Характеристика компонентов:

1. В качестве вяжущего использовали:

- портландцемент ЗАО «Белгородцемент» по ГОСТ 10178-85. Марка цемента 400. Нормальная густота цементного теста по ГОСТ 310.4-81 - 27,12%, активность при пропаривании 38,4 МПа, активность при нормальном хранении в возрасте 28 суток - 43,7 МПа;

- пуццолановый цемент Фокинского цементного завода, Брянская область по ГОСТ 22266-77, содержащий 30% трепела. Марка цемента 300. Нормальная густота - 37,2%, активность при пропаривании 30,4 МПа, активность при нормальном хранении в возрасте 28 суток - 31,7 МПа;

- шлакопортландцемент ЗАО «Белгородцемент» по ГОСТ 10178-85. Марка цемента 350. Нормальная густота цементного теста - 29,8%, активность при пропаривании 34,4 МПа, активность при нормальном хранении в возрасте 28 суток - 35,7 МПа.

2. В качестве кремнеземсодержащего компонента для изготовления ядра заполнителя использовали природные осадочные высококремнеземистые породы:

- опоку, отобранную из открытого карьера Коркинского месторождения, Челябинская область. Химический состав, мас.%: SiO₂ - 76,3; Аl ₂О₃ - 8,4, Fе₂O₃ - 3,1,

ТiO₂ - 0,2, CaO - 2,2; MgO - 1,0; R ₂O- 1,7; п.п.п. - 3,3;

- трепел Фокинского месторождения. Брянская область. Химический состав, мас.%: SiO ₂ - 74,2; Аl₂О₃ - 7,2; Fе₂ О₃ - 2,4, CaO - 6,6; MgO - 1,1; R₂O - 0,6; п.п.п. - 8,6;

- диатомит Вязовского месторождения, Ульяновская область. Химический состав, мас.%: SiO₂ - 82,4; Аl₂О₃ - 6,2, Fе₂O ₃ - 2,4, CaO - 0,9; MgO - 0,8; R₂O - 0,3; п.п.п. - 5, 1.

3. В качестве гидроксида щелочного металла использовали:

- гидроксид натрия по ГОСТ 2263-79;

- гидроксид калия по ГОСТ 24363-80;

- гидроксид лития по ГОСТ 8595-83.

4. Натрий кремнефтористый Na₂SiF₆ по ТУ 6-09-1461-91.

5. Для изготовления защитной оболочки заполнителя использовали известь негашеную строительную производства ОАО «Стройматериалы», г.Белгород по ГОСТ 9179-77.

6. В качестве мелкого заполнителя бетонных смесей использовали:

- природный кварцевый Вольский песок по ГОСТ 6139-2003;

- песок из отсевов дробления кварцитопесчаников - вскрышной породы, получаемой при добыче железных руд, г.Губкин, Белгородская область. Модуль крупности 2,1 по ГОСТ 8736-85.

- искусственный песок, полученный при переработке электрометаллургических шлаков, г.Старый Оскол, Белгородская область. Модуль крупности 1,7.

7. Вода водопроводная по ГОСТ 23732-79.

8. При гранулировании порошка совместно молотой природной осадочной высококремнеземистой породы с гидроксидом натрия на тарельчатом грануляторе в качестве связки использовали водный раствор силиката натрия (жидкое стекло) по ТУ 2385-001-54824507-2000 плотностью 1,2-1,3 г/см³.

Для получения ядер гранулированного заполнителя при реализации заявляемого способа получения бетонных строительных изделий природную осадочную высококремнеземистую породу дозировали с гидроксидом натрия весовым методом. Полученную смесь загружали в шаровую мельницу и производили смешивание и помол до достижения удельной поверхности 150 250 м²/кг. Молотый материал подавали на стандартный тарельчатый гранулятор, где при распылении водного раствора жидкого стекла получали ядра заполнителя заданного размера. Полученные ядра заполнителя направляли на формирование защитной оболочки путем скатывания в барабанный смеситель, в который подавали также сухую пылевидную смесь, т.е. аналогично способу, описанному в патенте РФ № 2077517. В качестве сухой пылевидной смеси использовали совместно молотые известь и натрий кремнефтористый при их массовом соотношении 0,85-0,95:0,05-0,15. Контроль набора прочности гранулированного заполнителя при твердении его при температуре окружающей среды путем испытания в цилиндре производили по ГОСТ 9758-86.

Пример. Приготовление ядер гранулированного заполнителя. Опоку (8 кг) и гидроксид натрия (2 кг), т.е. в соотношении 0,80:0,20 по массе (табл., смесь 1) мололи в мельнице совместно до удельной поверхности 200 м²/кг. Полученный порошковый материал подавали на тарельчатый гранулятор. На поверхность порошка путем разбрызгивания наносился водный раствор силиката натрия плотностью 1,25 г/см³ в количестве 4% по отношению к массе ядра заполнителя. Скоростью вращения и углом наклона тарелки гранулятора регулировали диаметр получаемых ядер, который составлял в данном случае 4,4-4,5 мм.

Получение защитной оболочки на ядрах. Полученные ядра направляли на опудривание порошком извести (9 кг), молотой совместно с кремнефтористым натрием (1 кг), т.е. в соотношении 0,90:0,10 до получения гранул размером 5,0 мм (табл.1, смесь 1). Опудривание производили в барабанном смесителе.

Часть полученного гранулированного материала после хранения в течение 7 часов при температуре окружающей среды испытывали на прочность путем сдавливания в цилиндре по ГОСТ 9758, прочность составила 0,31 МПа; остальной - использовали при приготовлении бетонных смесей для изготовления образцов строительных изделий.

Приготовление бетонной смеси. Дозировку компонентов производили весовым способом: 2 кг портландцемента (20 мас.%, табл.1, смесь 1), 2,5 кг (25 мас.%) кварцевого песка и 3,5 кг (35 мас.%) гранулированного заполнителя перемешивали в шнековом смесителе до однородного состояния и добавляли 2 кг (20 мас.%) воды.

Формование образцов производили традиционным способом путем заполнения стандартных форм 2ФК-100 по ГОСТ 10181-2000. Время выдержки в формах - 6 часов.

Тепловлажностную обработку бетонных образцов производили в пропарочной камере при атмосферном давлении по режиму 2+6+2 и температуре изотермической выдержки 90°С, таким образом, приготовление бетонной смеси, формовку образцов и их тепловлажностную обработку производили по известной методике [Гершберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. - М.: Стройиздат, 1971, с.98-102, 305-313].

Гранулированный заполнитель по патенту РФ № 2077517 состоял из ядра и защитной оболочки. Заполнитель диаметром 15 мм после пропарки по режиму 2+1+2 ч. при температуре изотермической выдержки 90°С имел прочность при раздавливании в цилиндре 0,21 МПа. При изготовлении бетонных образцов использовали в качестве вяжущего портландцемент, мелкого заполнителя - Вольский песок, гранулированный заполнитель - по прототипу (табл.1, смесь 16).

Образцы изделий испытывали на прочность (по ГОСТ 10180), определяли теплопроводность (по ГОСТ 7076-99) и водонепроницаемость (по ГОСТ 12730.5-84). Результаты испытаний приведены в табл. (смесь 1).

Таким же образом были получены стеновые изделия с другими составами компонентов (табл.1), результаты испытаний приведены в табл.2, смеси 1-16.

Анализ результатов испытаний свойств образцов бетонных строительных изделий, приведенных в табл.2, показывает следующее.

1. Введение в состав бетонной смеси заявляемого гранулированного заполнителя размером 0,5-10 мм, состоящего из ядра в виде связанных между собой жидким стеклом совместно молотых природной осадочной высококремнеземистой породы и гидроксида щелочного металла, которое покрыто оболочкой из молотой извести и кремнефтористого натрия в заявляемых количествах позволяет получать прочные бетонные строительные изделия с пониженными теплопроводностью и водопроницаемостью, при этом за счет исключения пропарки заполнителя значительно снижается энергоемкость полученных стеновых изделий.

2. Уменьшение количества гранулированного заполнителя в составе бетонной смеси до 5 мас.%, а также соотношения в ядре заполнителя гидроксида щелочного металла до 0,05 по отношению к массе природной осадочной высококремнеземистой породы, удельной поверхности порошкового

материала ядра до 150 м²/кг, соотношения кремнефтористого натрия в защитной оболочке гранулы до 0,05 по отношению к массе извести и диаметра гранул заполнителя до 0,5 мм приводит к снижению прочности гранулированного заполнителя, уменьшает его реакционную способность, что приводит к увеличению теплопроводности, уменьшению водонепроницаемости и прочности получаемых образцов бетонных строительных изделий (смеси 2, 7 и 12, табл.2), данные составы приняты как граничные.

Дальнейшее уменьшение названных соотношений и параметров приводит к существенному снижению физико-механических показателей бетонных строительных изделий, поэтому составы смесей 4, 9 и 14 выходят за рамки заявляемых составов бетонных строительных изделий.

3. Использование гранулированного заполнителя в составе бетонной смеси в количестве 40 мас.%, а также соотношения в ядре заполнителя гидроксида щелочного металла в количестве 0,30% по отношению к массе природной осадочной высококремнеземистой породы, удельной поверхности порошкового материала ядра до 250 м²/кг, соотношения кремнефтористого натрия в защитной оболочке гранулы до 0,15 по отношению к массе извести и диаметра гранул заполнителя до 10 мм приводит также к снижению прочности гранулированного заполнителя. Чрезмерно высокая активность гранулированного заполнителя размером 10 мм при тепловлажностной обработке бетонных изделий приводит к образованию крупных пор в их массиве с множеством структурных дефектов, что также приводит к увеличению теплопроводности, уменьшению водонепроницаемости и прочности получаемых образцов бетонных строительных изделий (смеси 3, 8 и 13, табл.2), данные составы приняты как граничные.

Дальнейшее увеличение названных соотношений и параметров приводит к существенному снижению физико-механических показателей бетонных строительных изделий, поэтому составы смесей 5, 10 и 15 выходят за рамки заявляемых составов бетонных строительных изделий.

При оптимальном соотношении компонентов (смеси 1, 6 и 11, табл.1) полученные бетонные строительные изделия имеет следующие преимущества по сравнению с известными:

1) прочностные показатели увеличиваются на 15-20%, марка по водонепроницаемости при этом увеличивается с В2 до В6, теплопроводность уменьшается в 1,5-1,7 раза;

2) заявляемый гранулированный композиционный заполнитель не требует автоклавной обработки перед вводом его в состав бетонной смеси, за счет этого снижаются энергозатраты при получении строительных изделий.

При использовании сырьевых бетонных смесей с граничными соотношениями компонентов (смеси 2, 3, 7, 8, 12 и 13, табл.1) полученные бетонные строительные изделия практически сохраняют марку по водонепроницаемости и прочностные характеристики по сравнению с аналогичными свойствами прототипа.

В процессе нанесения защитной оболочки из молотой извести и кремнефтористого натрия на ядро заполнителя происходит взаимодействие компонентов оболочки с жидким стеклом, приводящее к быстрому росту прочности гранул композиционного заполнителя при температуре окружающей среды, что позволяет использовать его при приготовлении бетонных смесей без дополнительного энергоемкого тепловлажностного отверждения. В процессе тепловлажностной обработки заявляемых бетонных строительных изделий в ядрах гранулированного заполнителя синтезируются водорастворимые силикаты натрия, которые, проникая сквозь защитную оболочку, обеспечивают чрезвычайно прочное сцепление заявляемых гранул с бетонной матрицей изделия.

Гранулированный заполнитель по прототипу при введении его в состав бетонных строительных изделий в процессе тепловлажностной обработки не проявляют какой-либо активности и не взаимодействуют с бетонной матрицей по объему. При приложении внешней нагрузки (испытание прочности при сжатии и изгибе) разрушение этих строительных изделий происходит по границам контактов между данными гранулами и бетоном, т.е. прочного сцепления их с бетоном не наблюдается.

Получаемые по заявляемому способу бетонные строительные изделия обладают улучшенными адгезионными свойствами по отношению к штукатурным растворам.