вяжущее для кладочных растворов

Формула изобретения

Вяжущее для кладочного раствора, содержащее портландцементный клинкер, гипс и минеральную добавку, включающую адсорбент, пластификатор и молотый кремнеземсодержащий минерал, причем в качестве адсорбента использован цеолит, отличающееся тем, что в минеральную добавку дополнительно введена бруситовая мука и в качестве пластификатора использован полуобожженный доломит при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Портландцементный клинкер 35-42

Гипс 3-5

Полуобожженный доломит 27-35

Бруситовая мука 6-10

Цеолит 5-7

Молотый кремнеземсодержащий минерал 15-17

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительных материалов для наружных кирпичных стен жилых зданий и гражданских сооружений.

При эксплуатации жилых зданий и гражданских сооружений существует проблема уменьшения теплопроводности стен. Одно из направлений уменьшения теплопроводности стен заключается в снижении водосодержания вяжущего для кладочного раствора за счет введения в него осушающих минеральных добавок.

Известно вяжущее для кладочного раствора, которое в своем составе содержит портланцементный клинкер, минеральную добавку и гипс [1]. Портланцементный клинкер является основной составляющей вяжущего и состоит из силикатов, алюминатов, алюмоферритов кальция. Гипс, химический состав которого представляет собой двуводный сульфат кальция (СаSO₄ )· 2Н₂O, обеспечивает регулирование сроков схватывания цементного теста.

Минеральная добавка включает известь, в химическом составе которой содержится до 60% гидрата окиси кальция Са(ОН)₃, и гранулированный доменный шлак, в химическом составе которого содержится до 80% окиси кремния SiO₂. Вяжущее имеет следующий состав, маc.%:

портландцемент 42

известь 42

гранулированный доменный шлак 13

гипс 3

Наличие большего содержания извести обеспечивает при взаимодействии с окисью кремния SiO₂ доменного шлака, а также с алюминатами и алюмоферритами клинкера образование кристаллов карбоалюмината кальция 3СаО· Аl ₂О₃· СаСО₃· 11H₂O. Одновременно при взаимодействии извести с другими минералами клинкера образуются кристаллы низкоосновных силикатов, гидросиликатов, гидроалюминатов Са, которые в совокупности с вышеуказанными кристаллами уплотняют цементный камень, что приводит к повышению его прочности.

Так как при строительстве кристаллов карбоалюмината кальция 3СаО· Аl₂O ₃· СаСО₃· 11H ₂О свободная вода раствора переходит в связанную, то в конечном итоге это приводит к осушению раствора.

Однако водосодержание раствора остается высоким. Во-первых, для обеспечения прочностных характеристик раствора для его гидратации требуется большее количество свободной воды, чем для связывания свободной воды при образовании кристаллов карбоалюмината кальция 3СаО· Аl₂O₃· СаСО₃ · 11H₂O. Во-вторых, наличие в вяжущем гранулированного доменного шлака требует повышенного расхода воды в растворе. Вышеуказанные факторы приводят к тому, что водосодержание раствора остается высоким.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является вяжущее, содержащее портланцементный клинкер, минеральную добавку и гипс [2].

Портланцементный клинкер - цемент, который является основной составляющей вяжущего и состоит из силикатов, алюминатов, алюмоферррита кальция. Гипс, химический состав которого представляет собой двуводный сульфат кальция (СаSO₄)· 2Н₂ О, обеспечивает регулирование сроков схватывания цементного теста.

Минеральная добавка включает кремнезем, пластификатор и адсорбент. В качестве кремнеземсодержащего вещества использован молотый кварц, в химическом составе которого содержится 96% оксида кремния SiO₂. В качестве адсорбента использован цеолит, а именно шабазит и клиноптиллолит, в химическом составе которого содержится до 70% оксида кремния SiO₂. В качестве пластификатора использован известняк, в химический состав которого входят до 50% оксида кальция СаО. Вяжущее имеет следующий состав, маc.%:

гипс 3-7

минеральная добавка (молотый

кварц, цеолит, известняк) 5-15

портландцементный клинкер остальное

Наличие большого содержания оксидов Si и Al создает условия для оптимального насыщения ими жидкой фазы твердеющего теста. Эти условия обусловлены разрушением кристаллических решеток минералов и их перекристаллизацией с образованием низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов, что приводит к возрастанию активных центров кристаллизации и способствует повышению прочности цементного камня.

Образование низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов за счет вносимых кремнеземов и цементных минералов приводит к поддержанию низкой концентрации оксида кальция СаО. Это способствует процессу кристаллизации гидросульфоалюмината кальция 3СаО· AL₂O₃· 3СаСO₄· 31Н₂O. При строительстве кристаллов гидросульфоалюмината кальция 3СаО· Аl₂ O₃· 3СаСO₄· 31Н₂О свободная вода раствора переходит в связанную, что приводит к осушению раствора.

Однако большое содержание в вяжущем клинкерных минералов требует повышенного количества свободной воды на гидратацию. Длительный процесс гидратации обуславливает значительное содержание воды в цементном камне, при этом его эксплуатационная влажность остается достаточно высокой, что отрицательно влияет на теплопроводность цементного камня.

При этом введение минеральной добавки в достаточном для осушения количестве приводит к снижению клинкерных минералов. Известно, что высокая прочность цементного камня объясняется большим содержанием в вяжущем портландцементного клинкера, которое может доходить до 90%. Количественное уменьшение портландцементного клинкера в растворе приводит к снижению прочности цементного камня. Это обусловлено тем, что уменьшение активных минералов, образующих силикаты и алюминаты Са, приводит к образованию инертных составляющих за счет недоиспользования оксидов Si и Al в процессе гидратации цемента. Наличие инертных составляющих и приводит к уменьшению прочности цементного камня.

Другим фактором, влияющим на снижение прочности цементного камня, является наличие в составе вяжущего разложившихся глинистых частиц цеолита. Благодаря низкой водостойкости они легко вымываются водой, вследствие чего структура цементного камня нарушается.

Решаемая задача заключается в создании вяжущего, обладающего низкой теплопроводностью за счет снижения водосодержания в цементном камне при сохранении высоких прочностных характеристик, которое обеспечивается процессами гидратации с выделением несвязанной воды и ее адсорбированием.

Для решения поставленной задачи в известном вяжущем для кладочного раствора, содержащим портландцементный клинкер, гипс и минеральную добавку, включающую адсорбент, пластификатор и молотый кремнеземсодержащий минерал, при этом в качестве адсорбента использован цеолит, в минеральную добавку дополнительно введена бруситовая мука, а в качестве пластификатора использован полуобожженный доломит, при следующем соотношении компонентов, маc.%:

портландцементный клинкер 35-42

гипс 3-5

полуобожженный доломит 27-35

бруситовая мука 6-10

цеолит 5-7

молотый кремнеземсодержащий минерал 15-17

Благодаря введению в вяжущее бруситовой муки и использованию в качестве пластификатора полуобожженного доломита снижаются эксплуатационная влажность и теплопроводность кладочного раствора при сохранении высоких прочностных характеристик. Это обусловлено тем, что магнезиальная известь, полученная в результате диссоциации доломита при обжиге, является катализатором активности брусита. Высокая активность магнезиальной извести (СаО+МgО) по отношению к бруситу приводит к насыщению раствора, содержащего катионы Са⁺⁺+Мg ⁺⁺ из доломита, катионами Мg⁺⁺ из брусита. Катионы Са⁺⁺ и Мg⁺⁺, реагируя с алюмосиликатами кремнеземсодержащего минерала и алюминатами цеолита, образуют гидрокарбоалюминаты кальция 3СаО· Аl₂О₃ · СаСО₃· 11Н₂ О и магния 3СаО· Аl₂О₃· МgСО₃· 11Н₂ О, а реагируя с кремнеземом кремнеземсодержащего минерала и гипсом, образуют гидросульфоалюминаты кальция 3СаО· Аl₂ О₃· 3СаСO₄· 31Н₂O и магния 3СаО· Аl₂О₃ · 3· МgСO₄· 31H ₂O. Образование большего количества водосодержащих молекул способствует осушению раствора, что понижает теплопроводность раствора при гидратации цемента.

Одновременно с осушением идет процесс упрочнения и уплотнения каркаса цементного камня. Катионы Мg⁺⁺ брусита и доломита связывают легко вымываемые алюминаты глинистых частиц цеолита в кристаллические структуры гидрокарбоалюминатов кальция и магния, уплотняющие и упрочняющие основной каркас цементного камня.

Вяжущее для кладочного раствора получают следующим образом. Предварительно дробленые до фракции 0,0-5,0 мм минеральную добавку, включающую полуобожженный доломит с активностью 20% по СаО+МgО, кремнеземсодержащий минерал (например, молотый оплавленный базальтовый туф), цеолит, бруситовую муку, и гипс смешивают с молотым портландцементным клинкером. Далее смесь подвергают механохимической активации до получения дисперсной смеси с тониной помола 4000-4500 см²/г. При этом количественное соотношение ингредиентов выбирают в интервале, вес.%:

портландцементный клинкер 35-42

гипс 3-5

полуобожженный доломит 27-35

бруситовая мука 6-10

цеолит 5-7

молотый кремнеземсодержащий минерал 15-17

Портландцементный клинкер является основной составляющей вяжущего и состоит из силикатов, алюминатов, алюмоферритов кальция.

Гипс, химический состав которого представляет собой двуводный сульфат кальция (СаSO₄)· 2Н₂O, обеспечивает регулирование сроков схватывания цементного теста и осушение раствора за счет образования гидросульфоалюминатов Са и Мg.

Полуобожженный доломит, полученный при обжиге доломита, содержит в своем составе 60-80% необожженной двойной соли углекислоты СаМgСО₃ и 20-40% магнезиальной коллоидной извести СаО и МgО (доломитовая известь).

Доломитовая известь минеральной добавки является катализатором активности брусита и в растворе “поставщиком” свободных катионов Са⁺⁺ и Мg⁺⁺ .

Молотый необожженный доломит СаМgСО₃ является пластификатором раствора.

Бруситовая мука представляет собой гидрат окиси магния Мg(ОН)₂ и другие его соединения, которые в растворе диссоциируют с образованием свободных катионов Мg⁺⁺.

Цеолит (клиноптиллолит) представляет собой гидроалюмосиликат натрия и содержит в своем составе не менее 7% водорастворимых глинистых частиц монтмориллонита. Цеолит является в вяжущем адсорбентом и кремнеземсодержащим составляющим. Глинистые частицы монтмориллонита имеют пластинчатую структуру, что при увлажнении приводит к увеличению их объема в 5-6 раз.

Молотый кремнеземсодержащий минерал содержит не менее 70% оксида кремния SiO₂.

Для получения модифицированного раствора с осушающим эффектом берут кладочный раствор 1:4 (цемент:песок), в который вводят вяжущее для кладочного раствора в количестве 20-45% от веса цемента раствора.

При гидратации вяжущего в кладочном растворе идет образование основного кристаллического каркаса из алюмосиликатов, гидросиликатов, алюмоферритов и других цементных минералов, которые сращивают частицы минерального заполнителя (песка).

Одновременно с процессом гидратации вяжущего в кладочном растворе идут процессы его осушения и упрочнения.

Доломитовая известь (СаО+МgО) благодаря высокой активности по отношению к бруситу способствует насыщению кладочного раствора катионами Са⁺⁺+Мg⁺⁺ из необожженного доломита и катионами Мg⁺⁺ из брусита. Катионы Са⁺⁺ и Мg⁺⁺, реагируя с алюмосиликатами кремнеземсодержащего минерала и алюминатами цеолита, образуют гидрокарбоалюминаты кальция 3СаО· Аl₂О₃· СаСО₃· 11H₂O и магния 3СаО· Аl₂О₃· МgСО₃ · 11Н₂O, а, реагируя с кремнеземом кремнеземсодержащего минерала и гипсом, образуют гидросульфоалюминаты кальция 3СаО· Аl₂О₃· 3 CaSO₄· 31Н₂O и магния 3СаО· Аl₂О₃· 3 MgSO ₄· 31H₂О. Образование большего количества многоводосодержащих молекул способствует переводу несвязанной воды в связанную, что обеспечивает осушение раствора, которое снижает теплопроводность раствора при гидратации цемента.

Окись магния МgО полуобожженного доломита и брусита, вступая в реакцию с монтмориллонитовой глиной цеолита, дополнительно образует многоводосодержащие молекулы гидрокарбоалюмината магния 3СаО· Аl₂O₃· МgСО ₃· 11Н₂O, которые также связывают свободную воду и дополнительно осушают раствор.

Кроме того, цеолит, брусит и монтмориллонитовая глина цеолита активно адсорбируют свободную воду, что также способствует осушению кладочного раствора.

Таким образом, каждый компонент вяжущего участвует в осушении кладочного раствора.

Упрочнение раствора обусловлено образованием дополнительных кристаллических структур в каркасе основного вяжущего.

Неводостойкие глинистые частицы цеолита и песка, участвуя в ионообменном процессе с окисью магния МgО доломита, вовлекаются в процесс кристаллообразования и создания дополнительного прочностного каркаса из низкоосновных гидроалюминатов и карбоалюминатов магния.

Цеолит сорбирует кроме свободной воды известь из раствора, при этом кремнезем цеолита реагирует с известью, образуя силикаты и гидросиликаты Са и Мg, которые также становятся дополнительными центрами кристаллизации.

Таким образом, компоненты минеральной добавки участвуют в процессе упрочнения кладочного раствора.

Помимо упрочнения благодаря дополнительному кристаллообразованию кладочный раствор упрочняется также за счет его уплотнения. Уплотнение осуществляется благодаря двум процессам, протекающим в растворе. Во-первых, за счет высокой дисперсности глинистых частиц цеолита и воздухововлечения при взаимодействии доломита с цементом в кладочном растворе образуются микропоры, которые пластифицируют раствор. Пластификация раствора способствует его уплотнению. Во-вторых, монтмориллонитовая глина цеолита при увлажнении увеличивается в объеме и кольматирует микропоры в растворе, тем самым также уплотняя его.

Уплотнение кладочного раствора в свою очередь повышает водонепроницаемость, защищает его от дополнительного увлажнения, сохраняя осушающий эффект вяжущего.

Таким образом, высокий осушающий эффект обеспечивает снижение теплопроводности раствора при сохранении его высоких прочностных характеристик.

Для определения физико-механических показателей модифицированного кладочного раствора с добавками изготавливались образцы - кубики размером 7,07· 7,07· 7,07 см. Испытаниям подвергалась серия образцов 28-дневного возраста в количестве 3 штук для каждого примера. Испытания на прочность проводились в соответствии с ГОСТ 10100-90 “Методы определения прочности по контрольным образцам”, на теплопроводность - с ГОСТ 7076- 87 “Материалы строительные. Метод определения теплопроводности”, на влажность - с ГОСТ 21718-84 “Материалы строительные. Диэлькометрический метод измерения влажности”, на водонепроницаемость - с ГОСТ 12730.5-84 “Метод мокрого пятна”.

Пример № 1. Для приготовления вяжущего для кладочного раствора берут 350 г (35%) портландцементного клинкера, 270 г (27%) полуобожженного доломита с активностью 20% по СаО+МgО, 100 г (10%) бруситовой муки, 80 г (8%) цеолита-клиноптиллолита, 170 г (17%) молотого оплавленного базальтового туфа, 30 г (3%) гипса. Смесь подвергают помолу (механохимической активации) до получения однородной композиции с остатком после рассева на сите 008 не более 5%. Для приготовления модифицированного кладочного раствора в цементный раствор состава 1:4 (цемент:песок) добавляют вяжущее в количестве 30% от веса цемента.

Примеры №№ 2, 3, 6, 9. Модифицированный кладочный раствор готовят, как в примере № 1. Соотношения компонентов вяжущего приведены в таблице 1.

Примеры №№ 4, 5, 7, 8. Модифицированный кладочный раствор готовят, как в примере № 1. Соотношения компонентов вяжущего приведены в таблице 1. В качестве кремнеземсодержащего минерала используют вулканическое стекло.

Пример № 10. Для приготовления вяжущего для кладочного раствора по прототипу берут 820 г портландцемента, 50 г цеолита-клиноптиллолита, 50 г кремнеземсодержащего минерала, 50 г известняка и 30 г гипса. Смесь подвергают помолу до получения однородной композиции с остатком после рассева на сите 0,08 не более 5%.

Для приготовления модифицированного кладочного раствора в цементный раствор состава 1:4 (цемент: песок) добавляют вяжущее в количестве 30% от веса цемента.

Количественное соотношение компонентов в вяжущем для кладочного раствора для каждого из №№ 1-10 примеров приведены в таблице 1, физико-механические и теплотехнические показатели модифицированного кладочного раствора - в таблице 2.

Таблица 1 Составы вяжущего для кладочного раствора
№№ примеров	Портландцементный клмнкер, маc.%	Полуобожженный доломит, маc.%	Бруситовая мука, маc.%	Цеолит, маc.%	Кремнеземсодержащий минерал, маc.%	Гипс, маc.%	Известняк, маc.%
1	35,0	27,0	10,0	8,0	17,0	3,0
2	42,0	27,0	6,0	6,0	15,0	4,0
3	41,0	28,0	8,0	6,0	13,0	4,0
4	38,0	30,0	9,0	5,0	13,0	5,0
5	37,0	29,0	9,0	5,0	16,0	4,0
6	33,0	26,0	10,0	8,0	18,0	5,0
7	44,0	25,0	5,0	4,0	17,0	5,0
8	40,0	32,0	6,0	5,0	15,0	3,0
9	39,0	28,0	11,0	6,0	12,0	4,0
10 (прототип)	82,0	-	-	5,0	5,0	3,0	5,0

Таблица 2 Физико-механические и теплотехнические показатели модифицированного кладочного раствора
№№ примеров	Доля вяжущего в цементе кладочного раствора, %	Физико-механические и теплотехнические показатели модифицированного кладочного раствора
		Прочность в 28-дневном возрасте, МПа	Эксплуатационная влажность, %	Теплопроводность, Вт/м2· час· град	Водонепроницаемость, МПа
1	30,0	5,2	1,0	0,48	1,4
2	25,0	5,5	0,5	0,5	1,4
3	45,0	5,6	0,5	0,42	1,6
4	20,0	5,5	0,5	0,43	1,6
5	35,0	5,7	0,8	0,48	1,4
6	30,0	5,1	1,3	0,55	1,4
7	45,0	5,75	1,5	0,6	1,1
8	35,0	4,5	0,6	0,45	1,3
9	20,0	4,3	0,5	0,42	1,6
10 (прототип)	30,0	5,1	8,0	0,68	1,1

Физико-механические и теплофизические испытания образцов показали, что введение в модифицированный раствор вяжущего для кладочного раствора обеспечивает уменьшение эксплуатационной влажности раствора на 50-60%, снижение теплопроводности на 22-25% и увеличение водонепроницаемости на 30%.

Источники информации

1. Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы./ С.М.Рояк., Г.С.Рояк - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Стройиздат, 1993. - 410.

2. А.С. № 1235838, МКИ 4 С 04 В 7/02. Вяжущее/ Р.П.Иванова и др.; СибНИИ цементной промышленности. - № 3744289/29; Заяв. 24.05.84; Опубл. 07.06.86, Бюл. № 21