сырьевая смесь для получения пенобетона

Формула изобретения

Сырьевая смесь для получения пенобетона, включающая портландцемент, облегчающий наполнитель, пенообразователь и воду затворения, отличающаяся тем, что в качестве указанного наполнителя содержит полые керамические микросферы с насыпной плотностью 320 370 кг/м и размером 40 100 мкм, в качестве пенообразователя протеиновый пенообразователь при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 44,44 53,47; указанные микросферы 10,69 17,78; указанный пенообразователь 0,025 0,03; вода - остальное.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, в частности к составам для получения пенобетона, предназначенного для устройства эффективных ограждающих конструкций.

Изобретение направлено на решение задачи повышения термической однородности и теплозащитных характеристик ограждающих конструкций из эффективных мелкоштучных элементов.

Известны составы цементных материалов с использованием в качестве наполнителя полых стеклянных, керамических, зольных, алюмосиликатных микросфер. Применение полых микросфер в цементных растворах и бетонах позволяет снизить среднюю плотность материала при достаточно высокой прочности.

Большинство технических решений в области строительных материалов, связанных с применением микросфер в цементных растворах, относится к сфере строительства нефтяных и газовых скважин, так как преимущественно в данной области техники требуется получение облегченных цементных растворов и достигается зримый экономический эффект. Так, известны тампонажные растворы с полыми стеклянными или алюмосиликатными микросферами в количестве 5 35%. Средняя плотность таких растворов составляет 800 1400 кг/м³. Облегченные тампонажные растворы предназначены для цементирования нефтегазовых скважин и отличаются от патентуемой сырьевой смеси для получения цементного пенобетона с полыми микросферами областью применения, подвижностью и составами.

Известны строительные растворы с полыми микросферами. Так, в патенте RU 2263643 C1 (МПК C04B 28/04, C04B 111/20) представлен легкий композиционный материал для реставрационных работ. Сырьевая смесь включает, мас.%: портландцемент - 20,0 90,0, песок - не более 30,0, суперпластификатор на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом - не более 1,7, воду - 22,0 55,0, алюмосиликатные микросферы диаметром 50 250 мкм и толщиной стенки 2 10 мкм -10,0 80,0 и сополимер винилацетата - 1,0 4,0. Технический результат заключается в повышении качества ремонтно-восстановительных работ, как во внутренних помещениях, так и в условиях внешней окружающей среды.

В патенте RU 2304564 C2 (МПК C04B 28/04, C04B 111/70) описан вариант состава сухой штукатурной смеси для изготовления штукатурных растворов для внутренних и наружных штукатурных работ. Штукатурная смесь содержит, мас.%: портландцемент - 12,0 16,0, зольную микросферу - 5,0 25,0, известь строительную гидратную - 11,0 16,0, песок кварцевый необогащенный - 21,0 58,0, воду - остальное. Технический результат - получение штукатурного раствора, обладающего повышенной подвижностью.

В патенте CN 101643349 (МПК C04B 28/04) предложен теплоизоляционный кладочный раствор, содержащий, мас.%: портландцемент - 20 65, золу-унос - 5 50, гранулированный доменный шлак - 0 50, алюмосиликатные микросферы - 10 23, водоудерживающую добавку - 0,1 1, пластифицирующую добавку - 0,1 1, воду - остальное. Предлагаемое решение обеспечивает среднюю плотность раствора в высушенном состоянии 750...1000 кг/м, коэффициент теплопроводности 0,15 0,2 Вт/(м·°C), минимальную прочность при сжатии 5 МПа и линейную усадку менее 0,1%.

В патенте US 7658794 B2 (МПК C04B 14/24) описан фиброцементный строительный материал с облегчающими добавками. Сырьевая смесь содержит, мас.%: портландцемент - 5 80, воду, заполнитель (например, диатомиты, доменный шлак, зола-унос) - не более 80, целлюлозную фибру - 4, облегчающую добавку (вулканический пепел, полые керамические микросферы). Плотность цементного камня в высушенном состоянии составляет 500 1200 кг/м³.

В патенте RU 2311397 C2 (МПК C04B 41/48, C09D 5/18, C09D 109/04, C09D 113/02) представлен состав для получения теплозащитных покрытий на основе кремнийсодержащих керамических полых микросфер, выдерживающих резкий перепад температур. Состав для получения теплозащитного покрытия, содержащий полые керамические микросферы в качестве наполнителя, полимерное связующее, технологическую добавку и воду, в качестве наполнителя содержит полые керамические микросферы с удельной массой 450-750 кг/м, твердостью по Моосу 5,0-6,0, со следующим распределением частиц по размерам, в мас.%: базовый диаметр 250 350 мкм - 30 62, диаметр 5 10 мкм - 15,0 20, диаметр 10 30 мкм - 5,0 30, диаметр 30 50 мкм - 5,0 30, диаметр 60 100 мкм - 8,0 10, диаметр 100 250 мкм - 5,0 10, в качестве полимерного связующего содержит латекс, выбранный из группы, включающей: модифицированный акрилацетатный латекс, 33 38%-ный латекс сополимера бутадиена, акрилонитрила и метакриловой кислоты, сополимер стирола и н-бутилакрилата в соотношении 1:1 по массе, в качестве технологической добавки состав содержит пеногаситель, выбранный из группы, включающей: силиконовые пеногасители, трибутилфосфат, полиэфирные производные жирных кислот, при следующем соотношении компонентов, в мас.%: вышеуказанные микросферы - 18 32, вышеуказанный пеногаситель - 0,01 1,0, вышеуказанное связующее - 8,0 12,0, вода - до 100. Технический результат - расширение ассортимента составов для получения теплозащитных покрытий, повышение теплозащитных, теплофизических характеристик покрытия при высокой однородности и прочности сцепления покрытия с основой, расширение области рабочих температур - от минус 60 до плюс 260°C.

Предлагаемая смесь для получения пенобетона отличается от перечисленных кладочных, штукатурных растворов и защитных покрытий назначением, наличием пенообразователя, предлагаемый пенобетон не содержит в своем составе песок, полимерные добавки, известь, активные минеральные добавки, фибру.

Известны сырьевые смеси для получения легких бетонов, содержащие в своем составе микросферы.

В патенте RU 2329998 C1 (МПК C04B 38/08) предложен состав сырьевой смеси для получения огнеупорного теплоизоляционного бетона с использованием керамических микросфер. Сырьевая смесь содержит, мас.%: алюмосиликатные полые микросферы - 15 40, высокоглиноземистый компонент (плотноспеченный боксит) - 40 56, высокоглиноземистый цемент 6 10, кианит 5 20, воду (сверх 100%) - 10 17,5, микрокремнезем - 3 5, пластификатор (сверх 100%) - 0,3 0,5. Технический результат заключается в повышении прочности при сжатии и получении не имеющего разупрочнения во всем интервале рабочих температур огнеупорного теплоизоляционного бетона. Описанный бетон не является пенобетоном, так как не содержит пенообразователя, этим он, в частности, отличается от предлагаемого пенобетона. Кроме того, предлагаемая сырьевая смесь для получения пенобетона не содержит высокоглиноземистый компонент, кианит, микрокремнезем, пластификатор, а вместо глиноземистого цемента содержит портландцемент.

Похожая разработка закреплена патентом RU 2289557 C1 (МПК C04B 38/08). Авторы патента предложили использовать для получения легкого теплоизоляционно-конструкционного бетона для ограждающих конструкций сырьевую смесь, включающую, мас.%: цемент - 24,9 29,3, полые микросферы - 29,8 35,1, кремнистую опал-кристобалитовую породу - опоку - 11,8 20,2, воду. Технический эффект выражается в повышении плотности и прочности бетона при сохранении коэффициента теплопроводности. Данный бетон также не относится к пенобетону, так как не содержит пенообразователя, чем отличается от предлагаемого пенобетона. Отличие также заключается в том, что предлагаемая сырьевая смесь для получения пенобетона не содержит активных минеральных добавок.

В патенте RU 2355656 C2 (МПК C04B 28/02, C04B 14/38, B82B 1/00, B82B 3/00, C04B 111/20) предложена бетонная смесь, включающая цемент, наполнитель, воду и базальтовое волокно диаметром 8-10 мкм и длиной 100-500 мкм, модифицированное веществом, выбранным из группы, включающей полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа, имеющие межслоевое расстояние 0,34-0,36 нм, средний размер частиц 60-200 нм и насыпную плотность 0,6-0,8 г/см³, и многослойные углеродные нанотрубки, имеющие межслоевое расстояние 0,34-0,36 нм, взятым в количестве 0,0001-0,005 мас.ч. на одну мас.ч. базальтового волокна, причем в качестве наполнителя смесь содержит наполнитель, выбранный из группы, включающей смесь гравия с песком и смесь гравия с алюмосиликатными микросферами, и дополнительно бетонная смесь содержит пластификатор - полинафталинметиленсульфонат натрия при следующем соотношении компонентов (% масс): цемент 24 48, наполнитель 30 60, модифицированное базальтовое волокно 2 6, пластификатор 0,9 1,1, вода остальное. Технический результат определяется получением бетона с повышенными прочностными показателями и водостойкостью. Описанный состав также не относится к пенобетону. Предлагаемая сырьевая смесь для получения пенобетона не содержит базальтовое волокно, пластификатор, крупный заполнитель.

В патенте RU 2186749 C2 (МПК C04B 38/10, C04B 40/00) описан способ изготовления пенобетонных изделий с использованием зольных микросфер в качестве наполнителя, который включает заливку в форму и отверждение пенобетонной смеси, приготовленной перемешиванием цемента, зольного заполнителя и предварительно приготовленной пены из водного раствора воздухововлекающей добавки, отличается от известного тем, что пену готовят путем взбивания водного раствора воздухововлекающей добавки с воздухом в соотношении расходов от 1:9 до 1:11 соответственно, 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 300 500 кг/м³ и затем цемент, при этом соотношение компонентов в пенобетонной смеси следующее, мас.%: воздухововлекающая добавка 0,06 0,08, диспергированный мел 7 9, микросферы 4 11, цемент 36 43, вода - остальное. Технический результат: получение пенобетонов с низкой плотностью и повышенными теплоизоляционными свойствами и трещиностойкостью. Отличие предлагаемой сырьевой смеси заключается в большем расходе микросфер, соответственно в достижении более низкой средней плотности, отсутствии минеральных добавок и принципиально иной технологии вспенивания смеси.

В патенте RU 2312090 предложен способ получения теплоизоляционного строительного материала, содержащего минеральное связующее и наполнитель в виде замкнутых негорючих полых микросфер размером 15-100 мкм с нулевым водопоглощением со средним размером 50 мкм и с насыпной плотностью 350 450 кг/м, а также воду, причем минеральное связующее и наполнитель содержатся в количестве 34 38 и 16 20 соответственно процентов к массе материала, а вода - остальное. Технический результат заключается в снижении расслаиваемости смеси, водопоглощения и теплопроводности получаемого материала, повышении его прочности при снижении удельного веса и морозостойкости, обеспечении экологической чистоты и негорючести получаемого материала, снижении себестоимости с одновременным расширением диапазона применения. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Сырьевая смесь для получения пенобетона включает в себя: портландцемент, наполнитель - полые керамические микросферы, протеиновый пенообразователь и воду затворения.

В качестве вяжущего вещества применялся портландцемент ПЦ 500-Д0 Старооскольского цементного завода, соответствующий ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия». Минеральный состав портландцемента ПЦ 500-Д0: алит - 61,0 64,0; белит - 17,0 20,1; трехкальциевый алюминат - 3,55 3,8; четырехкальциевый алюмоферрит - 12,0 14,0%.

Наполнитель представляет собой полые керамические микросферы -KMC производства Фирмы «Стройтек» (г. Ногинск, Московская область) по ТУ-6-48-108-94. Насыпная плотность микросфер - 320 370 кг/м³. Истинная плотность - 750 кг/м. Средняя плотность материала оболочки микросферы - 2450 кг/м. Диапазон размеров находится в пределах 40 100 мкм. Наличие в составе смеси микросфер размером менее 60 мкм и более 250 мкм ограничено и не превышает 10%, коэффициент теплопроводности микросфер 0,08 Вт/(м·°C) при 200°C.Состав внутренней газовой фазы CO₂ ~ 70%, N₂ ~ 30%. Предел прочности на сжатие - 15 29 МПа. Твердость оболочки по шкале Мооса 5 6. Усредненный химический состав KMC: SiO₂ - 55 59%, Al₂O₃ - 27 31%, Fe₂O₃ - 4,6 5,5%, K₂O - 3,2 3,7%, Na₂O - 1,0 2,0%, CaO - 1,1 1,8%, MgO - 1,3 1,7%, SO₃ -0,05 0,1%.

В качестве пенообразователя применялся протеиновый пенообразователь Biofoam, который изготавливается с применением гидролизатов белоксодержащего сырья, стабилизирующих и функциональных добавок. По внешнему виду представляет собой однородную темно-коричневую прозрачную жидкость. Кратность пены рабочего раствора с объемной долей пенообразователя 3% - не менее 10. Устойчивость пены кратностью 10±1 через 60 мин - не менее 90%.

В качестве жидкости затворения использована водопроводная вода.

Соотношение компонентов сырьевой смеси, в % от общей массы сырьевой смеси, следующее:

Портландцемент -	44,44 53,47%
Полые керамические микросферы -	10,69 17,78%
Протеиновый пенообразователь -	0,025 0,03%
Вода	остальное

Таблица 1
Свойства пенобетона с полыми керамическими микросферами
№	Доля компонентов раствора (% от массы цемента)				Доля компонентов раствора (% от массы сырьевой смеси)				р, кг/м	Сроки схватывания, ч-мин
	ПЦ	KMC	Вода	ПО	ПЦ	KMC	Вода	ПО		начало	конец
1	100	20	67	0,056	53,47	10,69	35,81	0,03	900	1-00	1-20
2	100	40	85	0,056	44,44	17,78	37,755	0,025	700	2-00	2-25
3	прототип				36	18	46	-	1400	0-40	1-10
Примечания: p - средняя плотность смеси; ПЦ - портландцемент; КМС - полые керамические микросферы; ПО - протеиновый пенообразователь.

Таблица 2
Физико-механические и теплофизические свойства пенобетона с керамическими микросферами
№	Состав раствора, мас.%	p, кг/м3	o, кг/м	Rb , МПа	Rbtf, МПа	выс, Вт/(м·°C)
1	ПЦ - 53,47 KMC - 10,69 ПО - 0,03 Вода - 35,81	900	603	2,3	1,2	0,08
2	ПЦТ - 44,44 KMC - 17,78 ПО - 0,025 Вода - 37,557	700	402	2,04	1,1	0,07
12	Прототип: ПЦТ - 36 KMC - 18 Вода - 46	1400	800	2,5	1,3	0,35
Примечания: p - средняя плотность смеси; o - средняя плотность высушенного образца; Rb - предел прочности на сжатие; R btf - предел прочности на растяжение при изгибе; выс - теплопроводность образца в высушенном состоянии

Пенобетон с керамическими микросферами приготавливается с использованием традиционного смесительного оборудования.

Технический эффект - получение пенобетона с KMC средней плотностью в высушенном состоянии 400 600 кг/м³ в зависимости от расхода микросфер и их насыпной плотности с прочностью пенобетона на растяжение при изгибе - не ниже 1,1 МПа и при сжатии - не ниже 2 МПа в возрасте 28 сут. Коэффициент теплопроводности пенобетона с KMC в сухом состоянии 0,07 0,08 Вт/(м·°C).

Пенобетоны с KMC имеют повышенную однородность во времени: не расслаиваются, отсутствует всплытие микросфер и отстой воды. Такие пенобетоны не требуют обязательного использования высокомолекулярных полимерных стабилизирующих добавок. Свойства пенобетонов предлагаемых составов выгодно отличаются от аналогичных составов по более высокой прочности водопотребности и трещиностойкости, более низкой теплопроводности. Разработанный пенобетон можно использовать для эффективной теплозащиты ограждающих конструкций зданий.

Применение предлагаемого энергоэффективного теплозащитного материала дает возможность значительно снизить трудовые, энергетические, материальные и финансовые затраты при строительстве, повысить надежность при эксплуатации.