способ изготовления строительных материалов на гипсо-магнезиальном вяжущем

Формула изобретения

1. Способ получения строительных материалов на магнезиальном вяжущем, включающий смешивание активированного порошка на основе каустического магнезита, раствора хлорида магния и заполнителя, отличающийся тем, что активированный порошок получают совместным помолом до удельной поверхности частиц 4000-20000 см² /г порошка магнезитового каустического, трикальцийфосфата, кремнегеля, метилцеллюлозы и строительного гипса при следующем соотношении компонентов, вес.%:

порошок магнезитовый каустический	40-70
трикальцийфосфат	1-8
кремнегель	3-12
метилцеллюлоза	0,04-0,6
гипс строительный	остальное

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют песок и щебень при следующем соотношении компонентов, вес.%:

активированный порошок	10-18
раствор хлорида магния в воде
плотностью 1,15-1,30 г/см3	10-18
песок	15-25
щебень	остальное

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют микросферы и керамзитовый гравий при следующем соотношении компонентов, вес.%:

активированный порошок	20-30
раствор хлорида магния в воде
плотностью 1,10-1,30 г/см3	20-30
микросферы р=0,38 г/см3	8-12
керамзитовый гравий	остальное

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют песок фракции 0,2-0,7 мм, а в смесь дополнительно вводят сополимерный редиспергируемый порошок при следующем соотношении компонентов, вес.%:

активированный порошок	25-30
раствор хлорида магния в воде
плотностью 1,12-1,30 г/см3	20-30
сополимерный редиспергируемый порошок	0,01-1,0
песок	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано при изготовлении сухих смесей строительного назначения, при изготовлении монолитных конструкций: полов, стяжек под различные напольные покрытия, штукатурок наружных и внутренних, а также для изготовления плит и панелей для перегородок, внутренней и внешней облицовки зданий, плит напольных покрытий, плит лестничных ступеней, подоконников, столешниц, стеновых блоков, экструзивного бруса, панелей, перегородок, плинтусов, дверей и т.п.

Известные гипсовые вяжущие вещества применяются в строительстве в качестве сухих смесей (отделочные и штукатурные растворы, наливные полы, шпатлевки, клеи и др.) и изделий (панели перегородок, плиты потолков и полов). Расширение номенклатуры смесей и изделий из гипсовых вяжущих вызвано низкой по сравнению с цементами себестоимостью, высокой текучестью и формуемостью смесей, однородностью изделий, высокой степенью обрабатываемости, звуко- и теплоизоляционными свойствами, огнестойкостью. Недостатками гипсовых вяжущих является относительно невысокая прочность и низкая водостойкость.

Известен способ изготовления изделий на магнезиальном вяжущем путем смешения порошка каустического магнезитового с минеральной добавкой, суперпластификатором С-3, водным раствором хлорида магния, заполнителем с последующим формованием и отверждением полученной смеси (RU 2121987,1988 г.).

Способ позволяет повысить прочность изделий, но в недостаточной степени, поскольку увеличивается расслоение смеси, что нетехнологично для сборных и монолитных конструкций.

Известен способ повышения водостойкости магнезиального материала введением фосфогипса и жидкого стекла, модифицированного карбамидом (SU 1560502, 1990 г.). Предлагаемый способ несколько повышает водостойкость, но в целом водостойкость образцов на магнезиальном вяжущем остается на низком уровне - 0,50-0,55.

Наиболее близким к заявленному является способ изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем, при котором каустический магнезит совместно перемалывают с кварцем и суперпластификатором, а в магнезитобетонную смесь дополнительно вводят добавки метилцеллюлозы, сополимерного редиспергируемого порошка и фибры (RU 2222508, 2004 г.). Способ обеспечивает прирост прочности и увеличение водостойкости изделий. Однако использование в качестве наполнителя химически инертного кварцевого песка и отсутствие фосфатов снижает прочность и водостойкость изделий.

Техническим результатом заявленного изобретения является высокая прочность и водостойкость изделий на магнезиальном вяжущем.

Указанный результат достигается за счет того, что в способе изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем, включающем смешивание активированного порошка на основе каустического магнезита, раствора хлорида магния и заполнителя, активированный порошок получают совместным помолом до удельной поверхности частиц 4000-20000 см²/г порошка магнезитового каустического, трикальцийфосфата, кремнегеля, метилцеллюлозы и строительного гипса при следующем соотношении компонентов, вес.%:

порошок магнезитовый каустический	40-70
трикальцийфосфат	1-8
кремнегель	3-12
метилцеллюлоза	0,04-0,6
гипс строительный	Остальное

В качестве заполнителя может использоваться песок и щебень при следующем соотношении компонентов, вес.%:

активированный порошок	10-18
раствор хлорида магния в воде
(плотностью 1,15-1,30 г/см3)	10-18
песок	15-25
щебень	Остальное

либо микросферы и керамзитовый гравий при следующем соотношении компонентов, вес.%:

активированный порошок	20-30
раствор хлорида магния в воде
(плотностью 1,10-1,30 г/см3)	20-30
микросферы (р=0,38 г/см3)	8-12
керамзитовый гравий	остальное

либо в качестве заполнителя используют песок фракции 0,2-0,7 мм, а в смесь дополнительно вводят сополимерный редиспергируемый порошок при следующем соотношении компонентов, вес.%:

активированный порошок	25-30
раствор хлорида магния в воде
(плотностью 1,10-1,30 г/см3)	20-30
сополимерный редиспергируемый порошок	0,01-1,0
песок	остальное

Таким образом, активация порошка магнезитового каустического производится с гипсом, трикальцийфосфатом, кремнегелем и метилцеллюлозой. Затем получают магнезитобетонную смесь перемешиванием активированного порошка, хлорида магния и заполнителя.

При перемешивании магнезитобетонной смеси в нее могут быть добавлены пигмент (2-5% от массы активируемого порошка), сополимерный редиспергируемый порошок (0,1-1%) и фибра (3-5%).

К активированной массе можно добавить неорганический и/или органический заполнитель в количестве 1-90% от веса конечной смеси.

Формование магнезиальной смеси осуществляют в зависимости от ее консистенции одним из следующих известных методов: отливкой (осадка стандартного конуса /ОК/ > 18 см); вибровоздействием (2 < ОК < 15); трамбованием, прессованием, вибропрессованием (жесткие смеси). При устройстве монолитных полов предусмотрено использование наливных смесей, виброрейки, вакуумирование, заглаживание, затирка и пр.

Отверждение изделий может производится как в естественных нормальных условиях, так и при термообработке. При термообработке возникает дополнительное увеличение прочности и водостойкости. Это связано со свойством магнезитобетона, изготовленного по предложенному способу, противостоять тепловым деформациям (демпфирующий эффект от применения добавок и совместного помола).

Отличием от известных способов является не просто совместное применение магнезиального вяжущего, гипса и добавки, а применение активированного гипсо-магнезиального порошка с полифункциональным эффектом, значительно превосходящим эффекты известных способов.

В результате активации при совместном помоле порошка магнезитового каустического и гипса при взаимной хемосорбции активизируются частицы как магнезита, так и гипса, что в дальнейшем не только повышает скорость и полноту протекания реакций гидратации, но и способствует образованию новых комплексных соединений на основе оксисульфатов и оксихлоридов магния. Совместный помол также увеличивает степень гидролиза и активность РO₄ ^3-.

При совместном помоле кремнегеля и магнезитового порошка при взаимной хемосорбции активизируются частицы магнезита, что в дальнейшем повышает скорость и полноту протекания реакций гидратации и обеспечивает преимущественное образование более стойкой фазы - триоксихлорида магния. Совместная активация также способствует химической связи гидрохлоридов магния с силикатной подложкой, обеспечивая образование высокопрочных водонерастворимых соединений. Кроме того, при помоле кремнегеля происходит частичное разрушение связей Si-O-Si с образованием связей -O-Si, что ускоряет взаимодействие силикатов с гидроокисью магния, причем этот процесс еще более усиливается в присутствии кремниевой кислоты.

Добавка метилцеллюлозы (сложных эфиров целлюлозы) в цементные смеси повышает клеющую и водоудерживающую способность цементного теста, позволяет управлять реологическими характеристиками цементного теста и соответственно формоустойчивостью и эластичностью системы. Кроме того, добавка метилцеллюлозы снижает макропористость и способствует образованию микропористой структуры магнезиального камня, что снижает внутренние напряжения и увеличивает прочность. Введение метилцеллюлозы устраняет седиментацию магнезиального теста, расслоение фаз теста и водоотделение, резко повышает однородность формируемого камня, обеспечивает аналогичные свойства для магнезитобетонных смесей и магнезитобетонов с любыми заполнителями.

Добавка кремнегеля повышает прочность и плотность магнезиального камня, что связано с химической реакцией между кремнеземом и гидроокисью магния. Продукты реакции заполняют поры, а также упрочняют контактные зоны в магнезиальном бетоне.

Добавка сополимерных редиспергируемых порошков на основе винилацетата и версатата повышают клеящую способность магнезиального теста, обеспечивая высокую адгезию между магнезитобетоном и основанием, а также между отдельными слоями магнезитобетона. Это особенно важно при устройстве монолитных магнезиальных сплошных полов. Введение этих добавок в состав наливных полов на минеральных вяжущих улучшает реологические характеристики смеси, что повышает растекаемость, способность к самовыравниванию и образованию ровной гладкой поверхности. Кроме того, сополимерные редиспергируемые порошки хорошо совместимы с другими добавками, используемыми для производства самонивелирующихся масс (суперпластификаторами и др.).

Введение в магнезитобетонные смеси фибры (полимерных или стеклянных волокон) обеспечивает повышение ударной прочности и вязкости разрушения магнезитобетона в результате резкого снижения процессов трещинообразования и повышения прочности при растяжении и изгибе. Кроме того, микроармирование магнезитобетона фибрами дополнительно повышает его износостойкость.

В качестве мелкого (0-5 мм) и крупного (5-40 мм) заполнителя можно использовать как неорганические, так и органические заполнители. Размер частиц крупного заполнителя должен составлять не более 1/3 от толщины изготовляемых изделий.

В качестве неорганического заполнителя используются: гранитный щебень, кварцевый песок, щебень, гравий и песок других горных пород; гравийно-песчаная смесь, строительный песок; доломитовые щебень, гравий и песок; тальк; мраморная, известняковая, гранитная крошка; измельченные кирпич, бетон, легкие заполнители и высевки легких заполнителей для бетона; дробленые шлаки и высевки шлаков металлургических и химических производств, не содержащих вредных примесей; флютоотходы; асбест; дробленая шлаковая пемза.

В качестве органического заполнителя используются: древесная мука, опилки, стружки и щепа хвойных и лиственных пород; измельченная гузапая и стебли хлопчатника; измельченная солома; измельченная костра льна, кенафа, конопли; измельченные очесы волокон льна, кенафа, конопли; рисовая, просяная, ячменная, подсолнечная лузга, очесы и линты хлопка, отходы бумаги и др. Крупность частиц органического заполнителя зависит от толщины изготовляемых изделий (не более 1/3 от толщины).

Полы и изделия на магнезиальном вяжущем изготавливаются различных цветов с использованием для окраски путем введения в состав при перемешивании магнезитобетонной смеси щелочестойких минеральных строительных пигментов: мел, сурик, охра, оксид хрома, оксид титана, оксид цинка, ультрамарин, сажа, умбра, окись марганца, фталоцианиновые пигменты и др.

В качестве исходных компонентов (составляющих) смеси строительных изделий использовали следующие материалы.

Порошок магнезитовый каустический ПМКМк - 75, ПМКМк - 83 или ПМКк-87 производства ОАО "Комбинат «Магнезит» (г.Сатка Челябинской обл.). Химический состав по ГОСТ 2642.2-86 2642.8-86 представлен, %: MgO 78,9; СO₂ 3,85; CaO 3,24; H₂O 1,85; SiO₂ 3,28; (Аl ₂О₃+Fе₂O₃) 2,65; SO ₄ 0,20; п.п.п. - 6,03. Плотность порошка 3,29 г/см ³, остаток на сите № 02-3,6%, проход через сетку № 009 - 88,3%. Начало схватывания 0-45 мин, конец - 4-12 мин. Все показатели соответствуют ГОСТ 1216-87.

Магний хлористый технический (бишофит) по ГОСТ 7759-73 производства ПО "Каустик" (г. Волгоград), содержание в сухом веществе MgCl₂×6Н₂О - 93,8%. Водный раствор хлористого магния применен плотностью 1,100-1,310 г/см³ .

Микросферы - производитель: ТЭЦ № 22 (Московская обл.). Физические свойства: насыпная плотность 0,3735 г/см³; влажность 8%; прочность 20 МПа; фракция 50-150 мкм; примеси > 1 мм 1-2% по массе; твердость по Моосу 5-6; температура плавления 1300°С; рН в воде 6-8.

Микросферы (ценосферы) это полые твердые частицы малого размера, которые образуются в составе золы уноса при сжигании углей на ТЭС. Зола уноса (шлак) после сжигания углей откачивается в заполненные водой котлованы, где происходит разделение легких и тяжелых фракций. Легкие частицы (микросферы) плотностью 0,40-0,70 г/см³ всплывают на поверхность. Микросферы служат наполнителем при производстве изделий из пластмасс, гипса, керамики, облегченных цементов, и др. строительных материалов. Изделия с добавлением микросфер обладают повышенной износостойкостью, легкостью и высокими изоляционными свойствами. Кроме того, использование микросфер в качестве наполнителей значительно снижает себестоимость продукции.

Строительный гипс марки Г-5 Пермского завода по ГОСТ 125-79. Свойства строительного гипса: марка гипса по ГОСТ 125-79 Г-5 А111; истинная плотность 2,44 г/см³; остаток на сите № 02 - 1,4%; удельная поверхность по ПСХ-2 - 320 м² /кг.

Метилцеллюлоза - в качестве добавок на основе сложных эфиров целлюлозы использовались «Tylose MH 60010P4», «Walocel MKX 400PP 20», «Culminal С 8350» и «Culminal С 8564», представляющие собой быстрорастворимые сложные эфиры целлюлозы. «Tylose MH 60010P4» производится фирмой «Clariant GmbH» (Германия). «Walocel MKX 400PP 20» производится фирмой «Wolff Walsrode» («Bayer») (Германия). «Culminal С 8350» и «Culminal С 8564» производятся фирмой Aqvalon (Германия).

Фибра использовалась двух типов. Первый - нить стеклянная рубленая марки ЕС-10 TW 5 и марки ЕС-10 TW 10, выпускаемые ОАО «Тверьстеклопластик» по ТУ5952-052-00204961-98. Длина нити составляла соответственно 5 и 10 мм, диаметр - 9,7 мк, содержание SiO₂ - 53-54,8%. Второй тип - полипропиленовое моноволокно Фибрин 23 (FIBREX) фирмы «Business and Building System Group SPB» длиной 6 мм и диаметром 18 мк.

В качестве добавок сополимерных редиспергируемых порошков использованы следующие две группы готовых продуктов, обладающих высокоадгезионной клеящей способностью:

Первая группа:

«DM 1140P» представляет собой систему мономеров винилацетат/этилен;

«LDM 202 IP» представляет собой систему мономеров винилацетат/версатат;

«LDM 2080» представляющий собой систему мономеров винилацетат/версатат/акрилат.

Все добавки первой группы представляют собой водорастворимые порошки пленкообразующих клеев, выпускаются фирмой «Clariant GmbH» (Германия).

Вторая группа представлена дисперсионными порошками Виннапас на основе сополимера винилацетата и этилена: Vinnapas RE 523 Z; Vinnapas RE 525 Z; Vinnapas RE 5011 L. Все добавки второй группы производятся компанией «Wacker Polimer Sistems GmbH & Co.KG» (Wacker-Chemie GmbH»).

Сравнительные испытания проведены на образцах магнезитобетона без добавок (контрольный состав), образцах, полученных по способу-аналогу и образцах в соответствии с предлагаемым изобретением.

Таблица 1
Составляющие активированного порошка по предложенному способу
Составляющие	№ № составов
	1	2	3	4	5
Порошок магнезитовый	40,0	47,5	55,0	62,5	70,0
Трикальцийфосфат	1,0	2,4	3,8	5,2	6,6
Кремнегель	3,0	5.0	7,0	9,0	11,0
Метилцеллюлоза	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
Строительный гипс	55,9	44,9	33,9	22,9	11,9

Бездобавочный контрольный состав (0). Магнезитобетонную смесь приготовляли смешением магнезитового порошка (15%), крупного и мелкого затворителя и водного раствора хлорида магния.

Аналог (а). Активированный порошок приготовляли совместным помолом порошка магнезитового каустического в количестве 70%, суперпластификатора С-3 в количестве 1% и кварцевого песка в количестве 29% до удельной поверхности 12000 см /г. Активированный порошок вводили в состав магнезитобетонной смеси в количестве 15%.

Предложенный способ (п). Активированный порошок приготовляли совместным помолом компонентов, указанных в Таблице 1, до удельной поверхности 12000 см²/г.Активированный порошок вводили в состав магнезитобетонной смеси в количестве 15%.

Способ изготовления строительных изделий на магнезиальном вяжущем заключается в подготовке, дозировке и перемешивании порошка каустического магнезитового (активированного - для предложенного способа и для аналога; неактивированного - для контроля) с заполнителями с последующим затворением хлоридом магния плотностью 1,10-1,30 г/см³ с перемешиванием до получения однородной бетонной смеси. Плотность рабочего раствора бишофита рассчитана по содержанию активного MgO. Уложенную смесь выравнивали, уплотняли вибрацией (3 с), после чего отверждали при температуре 20±2°С в течение 10 часов. Затем образцы расформовывали и хранили в тех же условиях в течение 28 суток.

Прочность на изгиб и сжатие определены по ГОСТ 18105-86. Коэффициент водостойкости определен как соотношение прочности на сжатие 28-суточных образцов, выдержанных 3 суток в воде, к прочности контрольных образцов.

Составы смесей и результаты испытания прочности и водостойкости магнезитобетона приведены в Таблице 2.

Анализ полученных данных показал несомненное преимущество предложенного способа во всем диапазоне составов активированного порошка. Особенно явное преимущество имеют составы № № 3, 4 - прочность на сжатие выше на 50% контрольного, на 28% аналога; прочность на изгиб - соответственно на 80 и 40%; водостойкость - на 40 и 15%.

Таблица 2
Тип порошка	Составляющие, мас.%	Прочность, 28 сут	Коэф. водостойкости
Порошок	Раствор бишофита	Плотность, г/см3	Песок	Щебень	Сжатие	Изгиб
ПМК контр.	15	15	1,24	20	50	40,5	7,4	0,58
Аналог	15	15	1,22	20	50	47,8	9,3	0,72
№ 1	15	15	1,165	20	50	51,5	9,9	0,70
№ 2	15	15	1.185	20	50	56,0	10,4	0,80
№ 3	15	15	1,210	20	50	61,2	13,2	0,82
№ 4	15	15	1,225	20	50	60,8	13,5	0,80
№ 5	15	15	1,245	20	50	54,5	13,0	0,72

Далее приготовляли составы изделий по контрольному способу (о), способу аналога (а) и предложенному способу (п).

Бездобавочный контрольный состав (0). Магнезитобетонную смесь приготовляли смешением магнезитового порошка в количестве 10-18%, крупного и мелкого затворителя и водного раствора хлорида магния.

Аналог (а). Активированный порошок приготовляли совместным помолом порошка магнезитового каустического в количестве 70%, суперпластификатора С-3 в количестве 1% и кварцевого песка в количестве 29% до удельной поверхности

12000 см²/г (состав наибольшей прочности). Активированный порошок вводили в состав магнезитобетонной смеси в количестве 10-18%.

Предложенный способ (п). Активированный порошок приготовляли совместным помолом порошка магнезитового каустического в количестве 50%, трикальцийфосфата в количестве 4%, кремнегеля в количестве 8%, метилцеллюлозы в количестве 0,40%, гипса строительного в количестве 37,6% до удельной поверхности 12000 см²/г. Активированный порошок вводили в состав магнезитобетонной смеси в количестве 10-18%.

Составы для изготовления изделий по контрольному способу (к), способу аналога (а) и по предложенному способу (п) и результаты сравнительных испытаний приведены в Таблице 3.

Анализ полученных данных показывает преимущества предложенного способа. Прочность на сжатие в возрасте 28 суток выше на 20-30% по сравнению с аналогом, на 30-40% по сравнению с контрольным бездобавочным магнезитобетоном, на растяжение при изгибе - соответственно на 20-45 и 70-90%, коэффициент водостойкости - на 10-20 и на 30-40%.

Отмечено также визуальное улучшение однородности смеси, качества поверхности образцов по предложенному способу.

Составы легкобетонных изделий, полученных по контрольному способу (о), способу-аналогу (а) и предложенному способу (п), приведены в Таблице 4.

Анализ полученных данных показывает преимущества предложенного способа и для легкобетонных изделий. Прочность на сжатие в возрасте 28 суток выше на 20-30% по сравнению с аналогом, на 30-40% по сравнению с контрольным бездобавочным магнезитобетоном, на растяжение при изгибе - соответственно 20-45 и 70-90%, коэффициент водостойкости - на 10-20 и на 30-40%.

Отмечено также визуальное улучшение однородности смеси, качества поверхности образцов по предложенному способу.

Для растворной наливной магнезиальной смеси (составы приведены в Таблице 5) увеличение прочности по предложенному способу по сравнению с аналогом составило по прочности на сжатие 15-20%, на растяжение при изгибе 30-50%, по водостойкости - на 15-30%.

Таким образом, установлено (Таблицы 2-5), что предложенный способ изготовления строительных изделий на магнезиальном вяжущем имеет преимущества по сравнению со способом-аналогом для всех видов материалов на магнезиальном вяжущем.