сырьевая смесь для приготовления ячеистого кремнебетона

Формула изобретения

1. Сырьевая смесь для приготовления ячеистого кремнебетона, содержащая вяжущее, кварцевый песок, порообразователь, щелочной компонент и воду, отличающаяся тем, что смесь содержит кварцевый песок, измельченный до удельной поверхности 300-350 м ²/кг, в качестве вяжущего используется кварцевое стекло фракций 0,315-0,63 мм, 0,63-1,25 мм, а в качестве порообразователя используется стекло фракции 1,25-2,5 мм при следующем соотношении указанных компонентов, мас.%:

кварцевое стекло фракции 0,315-0,63 мм	2,35-2,45
кварцевое стекло фракции 0,63-1,25 мм	4,70-4,90
кварцевое стекло фракции 1,25-2,5 мм	16,60-17,10
измельченный кварцевый песок	55,30-56,90
щелочной компонент в пересчете на R 2O	0,95-1,25
вода	остальное

2. Сырьевая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве щелочного компонента используются карбонаты щелочных металлов и едкие щелочи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно изготовлению изделий, эксплуатируемых в химически агрессивной среде, и может быть использовано для изготовления ячеистого кремнебетона, а также изделий, которые могут применяться для наружной облицовки зданий и сооружений.

Известны сырьевые смеси для получения ячеистых бетонов, в состав которых вводят активирующие, порообразующие и пластифицирующие добавки. Добавки решают задачу повышения физико-механических показателей путем направленного формирования структуры материала. Уменьшению неоднородности способствует согласование во времени трех этапов технологических процессов: поризации, формования, схватывания.

Однако за счет введения химических добавок значительно повышается стоимость ячеистых бетонов и усложняется технологический процесс.

Для экономии сырьевых материалов и улучшения прочностных показателей бетонов в сырьевую смесь добавляют физически активированные минеральные добавки, полученные путем дробления, измельчения, подбора гранулометрии фракции компонентов, регулирования расхода вяжущего и водоцементного отношения, а также твердения бетонной смеси в процессе автоклавной обработки.

Недостатком известных смесей с введением модифицирующих добавок является сложность решения проблемы повышения однородности изделий из ячеистого бетона. Практически все готовые изделия имеют слой, прилегающий ко дну формы, плотнее и прочнее верхнего слоя, что связано с процессами седиментации дисперсной системы с перепадом гидростатического давления и др. Поэтому такая неоднородность структуры изделия приводит к разбросу показателей отдельных блоков и образованию «горбушки», что требует дополнительную операцию ее срезания.

Известно использование кремнебетона - материала на основе кремнеземистого вяжущего с цементирующей кварцевой связкой. Под термином кремнезем понимается общее название для всех видов двуокиси кремния (SiO₂). Кварц занимает главное место в группе породообразующих минералов - группе свободного кремнезема (термодинамически и химически наименее устойчивая форма SiO₂). Кремнезем по структурному признаку и сходству основных свойств делятся на две группы: аморфный и кристаллический. Известно, что растворимость аморфного кремнезема при тех же температурах значительно превышает растворимость кварца (В.П.Кирилишин. Кремнебетон. Киев, "Будiвельник", 1975 г., стр.9-10).

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по подбору такого состава сырьевой смеси, в котором используется свойство кварца в несколько раз повышать свою растворимость под действием давления. Технический эффект достигается за счет растворения и последующей кристаллизации кремнезема на микрочастицах кристалла кварца и срастания кристаллов между собой, что дает возможность получить химически стойкие бетоны на основе кремнеземистого вяжущего.

Качественный состав ингредиентов и технология существенно влияет на получение кремнебетона и продуктов со специальными свойствами.

Известна сырьевая смесь для изготовления автоклавного ячеистого кремнебетона (а.с. СССР №1605501, МПК ⁶ С04В 38/02, С04В 40/00, опубл. 10.03.1996), включающая минеральное вяжущее, кремнеземистый компонент, порообразователь, щелочной компонент и воду. Для изготовления кремнебетона в составе смеси в качестве порообразователя используется алюминиевая пудра. Кроме того, для уменьшения температуры и времени автоклавного твердения кремнебетона вводятся следующие химические добавки: ненасыщенный полиэфир, двухосновная дикарбоновая кислота, а также отвердитель.

Недостатком известной сырьевой смеси является то, что для получения необходимых качеств в воду вводят химические добавки. Известно, что каждая химическая добавка действует по целевому назначению и изменяет структуру растворенной смеси и усложняет технологию изготовления ячеистого кремнебетона. Если прочность материала можно увеличить в известном составе путем гомогенизации и термообработки, то о показателях кислотостойкости нет данных.

Кроме того, для интенсификации технологического процесса, ускорения набора прочности во время тепловой обработки в известную смесь вводят отвердитель, что не позволяет получить однородность изделия по высоте.

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому результату является сырьевая смесь для изготовления ячеистого кремнебетона (патент РФ №2167119, МПК ⁷ С04В 28/26, С04В 111:20, опубл. 20.05.2001), включающая вяжущее, наполнитель, порообразователь, щелочной компонент и воду. Смесь включает вяжущее в виде полиморфного модифицированного кремнезема. В качестве наполнителя она содержит молотый кварцевый песок, рядовой кварцевый песок и щебень.

Образование щелочного раствора в смеси достигается путем добавления щелочи в воду, которой затворяется смесь сухих компонентов, и/или за счет наличия оксидов щелочных металлов в вяжущем. Непременным условием процесса растворения и последующей кристаллизации (цементации бетона) является соблюдение температурного режима процесса, достигаемого в случае использования автоклавного метода обработки смеси.

Поэтому для приготовления известной смеси на основе кремнеземистых вяжущих необходимы высокие энергозатраты, связанные с подготовкой компонентов - обжиг и помол кварцитов, а также обусловленные необходимостью длительного поддержания высоких температур в автоклаве для обеспечения интенсивного и устойчивого растворения в щелочи кремниевой компоненты, требуемой для получения перенасыщенного раствора.

При этом поризация структуры происходит неравномерно из-за большой разницы величин фракций наполнителя, используемых в составе, требующих гомогенизации смеси. А проведение термообработки после окончания вспучивания и схватывания сырца не позволит достичь однородности ячеистобетонных изделий по высоте и получить высокие показатели по прочности.

В основу изобретения поставлена задача получения сырьевой смеси для приготовления ячеистого кремнебетона за счет использования в качестве вяжущего и порообразователя определенных фракций кварцевого стекла путем равномерной поризации структуры при уменьшении времени ее твердение, обеспечивающего повышение кислотостойкости и снижение энергетических затрат на производство.

Поставленная задача решается тем, что сырьевая смесь для приготовления ячеистого кремнебетона, содержащая вяжущее, кварцевый песок, порообразователь, щелочной компонент и воду, согласно изобретению смесь содержит кварцевый песок, измельченный до удельной поверхности 300-350 м²/кг, в качестве вяжущего используется кварцевое стекло фракций 0,315-0,63 мм, 0,63-1,25 мм, а в качестве порообразователя используется кварцевое стекло фракции 1,25-2,5 мм, при следующем соотношении указанных компонентов, мас.%:

кварцевое стекло фракции 0,315-0,63 мм	2,35-2,45
кварцевое стекло фракции 0,63-1,25 мм	4,70-4,90
кварцевое стекло фракции 1,25-2,5 мм	16,60-17,10
измельченный кварцевый песок	55,30-56,90
щелочной компонент в пересчете на R 2O	0,95-1,25
вода	остальное

В качестве щелочного компонента используются карбонаты щелочных металлов и едкие щелочи.

Предложенный состав сырьевой смеси и дисперсность ее компонентов обеспечивает получение равномерной поризации структуры кремнебетона за счет растворения в щелочной среде более крупных, чем песок, частиц кварцевого стекла и осаждение растворенной кремневой кислоты на кварцевых частицах. При этом кристаллические частицы увеличиваются в размерах и срастаются друг с другом, образуя каркас, ячейки пустот которого отображают зерна кварцевого стекла.

Введение кварцевого стекла указанного зернового состава обеспечивает последовательное компактное заполнение пустот крупной фракции зернами мелкой фракции с получением, в конечном счете, механически активного зернистого каркаса с минимальной пустотностью межпоровых перегородок. Таким образом, создаются условия для минимизации расхода вяжущего вещества и воды, что является радикальным средством снижения усадочных деформаций и получение кислотостойкого ячеистого кремнебетона.

Сочетание фракций и количества кварцевого стекла есть тем соотношением компонентов, которое обеспечивает эффективность порообразования за счет изменения поверхностного натяжения растворов и водоцементное отношение. Твердение смеси обеспечивается при соблюдении температурного режима в течение автоклавирования.

Введение указанных компонентов в заявленных количествах обеспечивает стабильные физико-механические свойства. Изменение их количественного состава в ту или иную сторону ведет к снижению показателей термо- и кислотостойкости

При использовании кварцевого стекла фракций 0,315-0,63 мм, 0,63-1,25 мм и 1,25-2,5 мм в количестве, меньшем нижнего предела каждой фракции, наблюдается резкое падение прочности в связи с нехваткой связующего материала, тогда при возрастании его количества в смеси больше верхнего предела каждой фракции образуется пористый материал с низкой прочностью и не обеспечивается получение кислотостойкого ячеистого кремнебетона.

Удельная поверхность частиц кварцевого песка более 350 м²/кг не целесообразна из-за большой энергоемкости процесса помола, а также снижения технологичности при изготовлении изделий, а при удельной поверхности менее 300 м²/кг не обеспечивается необходимая скорость осаждения растворившейся кремнекислоты и полная цементация кварцевых частиц.

Использование в качестве жидкости затворения раствора щелочи или карбоната щелочных металлов способствует растворимости SiO₂, интенсификации процесса гидратации и твердения полученной смеси и, как следствие, повышение прочности и кислотостойкости.

Щелочной компонент в пересчете на R₂O в количестве 0,9-1,2% выполняет роль активатора растворения кварцевого стекла. Благодаря использованию в качестве щелочного компонента карбонатов щелочных металлов и едких щелочей обеспечивается создание щелочной реакционной среды. Если взять его в количестве менее 0,9% от общей массы смеси, то не будет достигнуто полного растворения кварцевого стекла и, как следствие, будут низкие показатели прочности. При введении его в количестве более 1,2% не образуется кремнебетон высокой кислотостойкости.

Количество воды затворения, вводимое в смесь, является оптимальным с точки зрения интенсивности взаимодействия указанных компонентов смеси, достигающей максимальной величины показателей кислотостойкости.

Способ изготовления ячеистого кремнебетона состоит в активации кварцевого песка путем смешивания его в сухом виде с заявленными фракциями кварцевого стекла, и взятых в количестве, которое оптимизировано по показателям прочности, кислотостойкости и деформаций расширения бетона.

Изготовление ячеистого кремнебетона осуществляют смешением в сухом виде предварительно определенной гранулометрии и дисперсности двух основных компонентов, а затем затворение щелочным раствором позволяет упростить технологию изготовления кремнебетона.

Способ изготовления изделий из сырьевой смеси осуществляется следующим образом.

Берут смесь сухих компонентов: кварцевое стекло, содержащее фракции 0,315-0,63 мм и 0,63-1,25 мм, 1,25-2,5 мм, кварцевый песок, измельченный до удельной поверхности 300-350 м²/кг, перемешивают и добавляют раствор, дающий щелочную среду и перемешивают до получения однородной смеси. Полученную массу заливают в форму и автоклавируют в течение 12 часов при 1,2 МПа.

Примеры составов смесей с составом компонентов в заявленных пределах их количественного соотношения, приведены в таблице 1, а характеристики изделий из этих смесей - в таблице 2.

Таблица 1
Компоненты	Содержание мас.% в смеси
	1	2	3
Кварцевый песок	55,3	55,7	56,9
Кварцевое стекло фракции 0,315-0,63	2,35	2,40	2,45
Кварцевое стекло фракции 0,63-1,25	4,7	4,8	4,9
Кварцевое стекло фракции 1,25-2,5	16,6	16,8	17,1
Щелочной компонент* в пересчете Na2O	0,95	1,1	1,25
Вода	20,1	19,2	17,4
* NaOH

Таблица 2
Показатели	Предлагаемая смесь
	1	2	3
Морозостойкость циклов	200	230	250
Прочность на сжатие, МПа	18	21	24
Кислотостойкость, %	99,8	99,9	99,85

Применение предлагаемой сырьевой смеси для приготовления ячеистого кремнебетона позволяет получить изделия с показателями повышенной прочности на сжатие, морозостойкости и кислотостойкости, сохраняющих однородность структуры и не имеющих усадочных трещин.

Технология изготовления изделий простая при осуществлении и может быть реализована на существующем оборудовании при использовании известного сырья. Экспериментальная проверка доказывает его промышленную применимость.