композиционное конструкционно-теплоизоляционное изделие и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Композиционное конструкционно-теплоизоляционное изделие, включающее цемент и гранулированное пеностекло, распределенное в цементной матрице, отличающееся тем, что использовано гранулированное пеностекло фракции 10-40 мм и фракции 50-1500 мкм при следующем соотношении указанных компонентов, об.%:

Пеностекло фракции 10-40 мм	70-80
Пеностекло фракции 50-1500 мкм	10-22
Цементная матрица	8-10

причем пеностекло указанных фракций изготовлено гранулированием и вспениванием порошкообразной шихты, полученной перемешиванием при температуре не выше 70°С 30-70 мас.% водного раствора силиката натрия и/или калия с тонкоизмельченными стеклобоем и углеродсодержащим газообразователем, термообработкой этой смеси при температуре 450-550°С до полного удаления воды, в том числе и химически связанной, и измельчением ее после охлаждения.

2. Композиционное конструкционно-теплоизоляционное изделие по п.1, отличающееся тем, что при получении указанной порошкообразной шихты компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Водный раствор силиката натрия и/или калия	30-70
Стеклобой	25-65
Углеродсодержащий газообразователь	4-9

3. Композиционное конструкционно-теплоизоляционное изделие по п.1, отличающееся тем, что гранулированное пеностекло фракции 10-40 мм изготовлено сушкой водной дисперсии порошкообразной шихты при температуре 450-550°С, гранулированием, вспениванием при температуре 800-850°С и охлаждением.

4. Композиционное конструкционно-теплоизоляционное изделие по п.1, отличающееся тем, что гранулированное пеностекло фракции 50-1500 мкм изготовлено гранулированием и сушкой водной дисперсии порошкообразной шихты с размером частиц 10-150 мкм при температуре 450-500°С, вспениванием при температуре 750-870°С в вихревом потоке воздушной струи, направленной под острым углом к направлению свободного падения гранул, и охлаждением.

5. Способ изготовления композиционного конструкционно-теплоизоляционного изделия по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что форму заполняют при вибрировании на 70-75% ее объема гранулированным пеностеклом фракции 10-40 мм, затем заливают ее при вибрировании предварительно приготовленной смесью цемента, гранулированного пеностекла фракции 50-1500 мкм и воды, осуществляют термовлажностную обработку, выдержку до распалубочной прочности и извлекают из формы, при этом исходные компоненты берут в соотношении, об.%:

Пеностекло фракции 10-40 мм	60-75
Пеностекло фракции 5 0-15 00 мкм	7-17
Цемент	6-20
Вода	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии изготовления строительных материалов и изделий и, в частности, касается композиционного изделия на основе калиброванного гранулированного пеностекла, обладающего высокими теплоизоляционными свойствами и одновременно конструкционной прочностью, экологической безопасностью, а также способа его изготовления с использованием цемента в качестве вяжущего. Более конкретно, изобретение касается неорганических теплоизоляционных материалов и изделий на основе гранулированного пеностекла, распределенного в цементной матрице, характеризующихся низкими значениями объемного веса.

В условиях постоянного роста цен на энергоносители становится актуальнее разработка материалов с высокими теплотехническими характеристиками, но с малой энергоемкостью производства. Весьма перспективен в этом отношении безавтоклавный пенобетон. Однако недостатками этого материала являются значительная его усадка, возникающая при твердении и сушке, высокий уровень влагопоглощения, достаточно высокий объемный вес и относительно высокая теплопроводность.

В патенте RU 2079473 раскрыт композиционный материал, получаемый путем последовательного перемешивания мелкого и крупного заполнителей, горячего керамзитового гравия в количестве 30-35% от объема крупного заполнителя, цемента и воды. Прочность при сжатии получаемого строительного материала составляет величину порядка 20 МПа. Экономическая эффективность известного способа заключается в том, что он позволяет исключить операцию тепловой обработки. Известный материал имеет сравнительно высокий объемный вес (900-1200 кг/м³) и сравнительно высокую теплопроводность в условиях эксплуатации (0,19-0,24 Вт/мК).

Известен из патентов RU 2082695 и RU, 2082696 композиционный строительный материал на основе цемента и добавок в виде гранул полистирола и поверхностно-активных веществ. Материал обладает высокой теплоизоляционной и конструкционной надежностью. Способ получения известного материала включает приготовление смеси гранул полистирола, цемента, поверхностно-активных веществ, укладку в форму и термообработку. Недостаток известного материала состоит в технологических трудностях получения материала со стабильными свойствами: при пропаривании смеси под действием температуры заполнитель из органического полистирола деформируется, кроме того, он не долговечен, что приводит к потере требуемых физико-механических свойств в процессе многолетней эксплуатации.

В патенте RU 2100322 раскрыт композиционный материал и способ его изготовления, предусматривающий приготовление смеси из цемента, гранулированного полистирола, комплексных химических добавок и воды. Формование смеси в фиксированном объеме и нагрев. Содержание цемента в исходной смеси составляет 67 мас.%.

Известна сырьевая смесь для изготовления пористого заполнителя при производстве легких бетонов и теплоизоляционных засыпок, раскрытая в патенте RU, 2105735, состоящая из кремнистой породы (трепел, диатомит, опока). Щелочного гидроактиватора, нитратов и нитритов щелочных металлов. Фтористого натрия. Из сырьевой смеси формируют гранулы в форме цилиндров диаметром и высотой 20 мм. А затем обжигают их при температуре 850-900°С. Недостатком известной сырьевой смеси для производства пористого заполнителя является необходимость использования дорогих добавок - нитритов щелочных металлов и экологически опасный отвердитель - фтористый натрий. Кроме того, известна их низкая водо- и щелочестойкость, что всегда вызывает трудности при производстве строительных материалов, рассчитанных на многолетний срок службы.

Из патента RU 2008292 известна технология получения легкого гранулированного заполнителя из сырьевой смеси, содержащей тонкоизмельченный стеклобой, суглинок и шлам. Смесь гранулируют и термообрабатывают при температуре 740-800°С с получением пористой структуры гранул. Недостатком известной технологии является относительно высокий объемный вес - более 500 кг/м³, высокое влагопоглощение - выше 10%, а также большая доля открытых пор - более 30%.

Наиболее близким аналогом является конструкционно-теплоизоляционное изделие, описанное в SU 990720 А1, С 04 В 38/08, 23.01.1983. Известное изделие включает гранулированное пеностекло и мелкий заполнитель - пористый карбонатный песок, распределенные в цементной матрице. Известное изделие характеризуется достаточно высокой прочностью, хорошими теплоизоляционными свойствами и морозостойкостью. Однако значения плотности и прочности изменяются в небольшом интервале.

Задачей изобретения является изготовление композиционного конструкционно-теплоизоляционного изделия из неорганического материала на основе гранулированного пеностекла с заданными, регулируемыми теплоизоляционными и конструкционными свойствами, не зависящими от состава используемого при получении пеностекла стеклобоя. Кроме того, задачей изобретения является расширение сырьевой базы для изготовления строительных изделий на цементном вяжущем и пористых заполнителях, характеризующихся требуемым сочетанием теплоизоляционных и прочностных характеристик.

Поставленная задача решается за счет того, что в композиционном конструкционно-теплоизоляционном изделии, включающем цемент и гранулированное пеностекло, распределенное в цементной матрице, использовано гранулированное пеностекло фракции 10-40 мм и фракции 50-1500 мкм, при следующем соотношении указанных компонентов, об.%:

Пеностекло фракции 10- 40 мм	70-80
Пеностекло фракции 50-15 00 мкм	10-22
Цементная матрица	8-10

причем пеностекло указанных фракций изготовлено гранулированием и вспениванием порошкообразной шихты, полученной перемешиванием при температуре не выше 70°С 30-70 мас.% водного раствора силиката натрия и/или калия с тонкоизмельченными стеклобоем и углеродсодержащим газообразователем, термообработкой этой смеси при температуре 450-550°С до полного удаления воды, в том числе и химически связанной, и измельчением ее после охлаждения.

При получении указанной порошкообразной шихты компоненты могут быть взяты в следующем соотношении, мас.%:

Водный раствор силиката натрия и/или калия	30-70
Стеклобой	25-65
Углеродсодержащий газообразователь	4-9

В изделии используют гранулированное пеностекло фракции 10-40 мм, изготовленное сушкой водной дисперсии порошкообразной шихты при температуре 450-550°С, гранулированием, вспениванием при температуре 800-850°С и охлаждением.

В изделии используют гранулированное пеностекло фракции 50-1500 мкм, изготовленное гранулированием и сушкой водной дисперсии порошкообразной шихты с размером частиц 10-150 мкм при температуре 450-500°С, вспениванием при температуре 750-870°С в вихревом потоке воздушной струи, направленной под острым углом к направлению свободного падения гранул, и охлаждением.

Поставленная задача решается также за счет того, что при изготовлении композиционного конструкционно-теплоизоляционного изделия форму заполняют при вибрировании на 70-75% ее объема гранулированным пеностеклом фракции 10-40 мм, затем заливают ее при вибрировании предварительно приготовленной смесью цемента, гранулированного пеностекла фракции 50-1500 мкм и воды, осуществляют термовлажностную обработку, выдержку до распалубочной прочности и извлекают из формы, при этом исходные компоненты берут в соотношении, об.%:

Пеностекло фракции 10-40 мм	60-75
Пеностекло фракции 50-1500 мкм	7-17
Цемент	6-20
Вода	Остальное

Подбор состава компонентов формовочной смеси при производстве композиционного изделия осуществлялся эмпирическим путем, исходя из условия получения образцов необходимой плотности при необходимой прочности и теплопроводности. В результате было определено необходимое соотношение между фракциями гранулированного пеностекла различного гранулометрического состава и содержанием цемента.

Задание объемного соотношения калиброванного гранулированного пеностекла фракции 10-40 мм и микрогранулированного пеностекла фракции 50-1500 мкм позволят управлять свойствами изготавливаемых композиционных изделий.

Весовое отношение калиброванного гранулированного пеностекла к микрогранулированному пеностеклу предпочтительно находится в пределах от 7:2 до 8:1, что позволяет получать композиционные теплоизоляционные изделия плотностью 400-500 кг/м³.

Использование охарактеризованного пеностекла, характеризующегося равномерной структурой газонаполненных закрытых пор, не требует увеличения водоцементного отношения. За счет регулирования водотвердого отношения исходной смеси возможно дополнительное регулирование сочетания теплоизоляционных и прочностных характеристик изготавливаемых изделий. Повышенное содержание закрытых пор в используемом заполнителе - гранулированном пеностекле - повышает стабильность эксплуатационных характеристик композиционных изделий в период многолетней эксплуатации.

В частности, изготавливаемые композиционные изделия характеризуются следующими характеристиками:

Плотность, кг/м 3	Коэф. теплопроводности, Вт/м К		Прочность, кг/м 2
	в сухом сост.	во влажном сост.
990	0,22	0,22+0,008	57
		5,0%
750	0,19	0,19+0,004	48
		8,0%
450	0,12	0,12+0,003	24
		8,0%

Сущность изобретений поясняется конкретным не исключающим примером реализации.

Пример.

В способе изготовления композиционных изделий используют коммерчески доступный, т.е. имеющийся в продаже, водный раствор силиката натрия и калия (оптимальное соотношение 1:1), а также измельченный стеклобой произвольного химического состава и углеродсодержащий газообразователь. Для получения шихты указанные компоненты берут в количестве 150 кг (50 мас.%), 65 кг (45 мас.%). 20 кг (5 мас.%) соответственно и смешивают при температуре не выше 70°С. Затем проводят термообработку полученной вязкотекучей смеси в течение 65 минут при температуре 480°С до полного удаления воды, в том числе химически связанной, измельчают охлажденную смесь с образованием порошкообразной шихты.

Из полученной шихты готовят фракции пеностекла различного гранулометрического состава.

Калиброванное гранулированное пеностекло фракции 30 мм получают путем приготовления водной дисперсии шихты с добавками пластификаторов, сушки дисперсии при температуре 460°С, гранулирования продукта сушки и его термообработки при температуре 820°С до завершения процесса вспенивания гранул с последующим охлаждением. Содержание воды в водной дисперсии составляет 40-45 мас.%.

Микрогранулированное пеностекло фракции 50-1500 мкм готовят из этой же шихты, при домоле ее до размера частиц 10-150 мкм, путем приготовления водной дисперсии порошкообразной шихты, гранулирования и сушки при температуре 460°С, вспенивания при температуре 850°С в вихревом потоке воздушной струи, направленной под острым углом к направлению свободного падения гранул, и охлаждают.

Для получения композиционного изделия - блока размерами 0,2 м × 0,2 м × 0,4 м с заданной плотностью 450 кг/м³ расход исходных компонентов составляет: гранулированное пеностекло фракции 10-12 мм - 1,98 кг (66 об.%), микрогранулированное пеностекло фракции 50-1500 мкм - 1,479 (17 об.%), цемент 2,958 кг (7 об.%), вода 2,969 кг (10 об.%). В металлическую форму при вибрировании засыпают гранулированное пеностекло фракции 10-12 мм. Заполнение объема формы составляет 70-75 об.%. Смесь из цемента, воды и микрогранулированного пеностекла фракции 50-1500 мкм готовят на стандартном технологическом оборудовании. Указанное пеностекло вводят в смесь воды и цемента при постоянном перемешивании до получения однородной массы. Приготовленную смесь заливают в вышеуказанную форму при вибрировании. Изделия в форме подвергают термовлажностной обработке в пропарочной камере, выдерживают до набора распалубочной прочности и извлекают из формы. Готовое изделие характеризуется через 8 суток плотностью 465 кг/м ³, прочностью 24 кг/м² и коэффициентом теплопроводности 0,12 Вт/мК, содержанием пеностекла фракции 10-12 мм 74 об.%, пеностекла фракции 50-1500 мкм - 19 об.%, распределенных в цементной матрице - 8 об.%. Отклонение от заданной плотности составило ˜3%.

Изготавливаемые по изобретениям изделия могут быть использованы при производстве мелкоштучных и крупных блоков, наружных ограждающих панелей и других строительных конструкций, в том числе сложной геометрической формы, с повышенными теплоизоляционными свойствами и низкими значениями объемного веса. Изобретения предусматривают применение непосредственно на строительной площадке при ведении капитального строительства методом заливной технологии различных опалубок с применением вибраторов поверхностного типа.