гранулированный наноструктурирующий заполнитель на основе высококремнеземистых компонентов для бетонной смеси, состав бетонной смеси для получения бетонных строительных изделий и бетонное строительное изделие

Формула изобретения

1. Гранулированный наноструктурирующий заполнитель на основе высококремнеземистых компонентов для бетонной смеси, изготовленный из кремнеземсодержащего сырья, в виде гранул размером 0,5-10 мм, состоящих из ядра и сформированной на его поверхности защитной оболочки из сухой пылевидной смеси совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого Na₂SiF₆ при их массовом соотношении 0,85-0,95:0,05-0,15 с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа, отличающийся тем, что ядро получено гранулированием смеси кремнеземсодержащей породы, измельченной до прохождения на сите с ячейкой 0,315 мм, и вспученного перлитового песка с размером частиц до 0,16 мм, взятых в соотношении 0,60-0,95:0,05-0,40 по массе, скрепленных щелочесодержащим связующим, состоящим из водного раствора гидроксида щелочного металла и силиката Na плотностью 1,2-1,3 г/см³ (щелочь:силикат = 0,85-0,95:0,05-0,15 по массе) в количестве 5-20% от смеси.

2. Бетонная смесь на основе гранулированного наноструктурирующего заполнителя для изготовления строительных изделий, включающая заполнитель по п.1, цемент, песок и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

заполнитель	20-50
цемент	10-15
песок	25-50
вода	10-15

3. Бетонное строительное изделие, характеризующееся тем, что оно изготовлено из смеси по п.2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для получения бетонных строительных изделий в промышленном и гражданском строительстве.

Известен гранулированный заполнитель для получения бетонной смеси, состоящий из ядра и защитной оболочки. Ядро изготавливают грануляцией на тарельчатом грануляторе смеси дисперсных кремнеземсодержащих компонентов - золы ТЭС (дисперсностью не менее 200 м² /кг) и осадка станции аэрации биологической очистки промышленных сточных вод со связкой - молотой известью (дисперсностью 500-600 м²/кг) и гипсом (маркой не менее 100 и дисперсностью не менее 350 м²/кг) в соотношении компонентов смеси соответственно 0,3:0,5:0,15:0,05 по массе. После грануляции на ядро наносится защитная оболочка толщиной 3-5 мм путем смачивания ядра гранулы жидким стеклом и опудривания или скатывания на тарельчатом или барабанном грануляторе его сухой пылевидной смесью извести, гипса и минерального дисперсного наполнителя (золы ТЭЦ, ГРЭС, суглинка и т.д.) в соотношении компонентов смеси соответственно 0,35:0,10:0,55 по массе. После формирования гранул с целью их отверждения применяется тепловлажностная обработка при температуре 90°C с изотермической выдержкой в течение одного часа [патент РФ № 2077517, МПК 6 C04B 20/10, 1993].

Недостатками данного гранулированного заполнителя являются повышенные расходы тепловой энергии для тепловлажностной обработки при изготовлении бетонных изделий: сначала тепловлажностной обработке подвергается гранулированный заполнитель, затем - сформованное строительное изделие, включающее вышеназванный заполнитель, а также то, что получаемые бетонные строительные изделия, подвергающиеся тепловлажностной обработке при твердении, имеют невысокую водостойкость, прочность и теплоизолирующую способность.

Известен способ изготовления гранулированного заполнителя для бетона, состоящего из ядра и оболочки, включающий формирование ядра в присутствии жидкого стекла из смеси совместно молотых вспученного перлита и гидроксида натрия, накатку оболочки на поверхность ядра из совместно молотой негашеной извести с натрием кремнефтористым, отверждение гранул в сверхвысокочастотном поле с удельным расходом энергии 41-86 Дж/см³ [Пат. РФ № 2433975, МПК C04B 28/18, C04B 20/00, C04B 28/04, C04B 111/27].

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является гранулированный заполнитель на основе природных осадочных высококремнеземистых пород для бетонной смеси, состоящий из ядра и оболочки, где ядро получено гранулированием смеси совместно молотых до удельной поверхности 150-250 м ²/кг природной осадочной высококремнеземистой породы и гидроксида щелочного металла при их массовом соотношении 0,70-0,95:0,05-0,30 со связкой - водным раствором силиката натрия плотностью 1,2-1,3 г/см³ в количестве 0,1-7,0% от смеси, формирование защитной оболочки на поверхности ядра производят в среде сухой пылевидной смеси совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого при их массовом соотношении 0,85-0,95:0,05-0,15, с последующим твердением до прочности не менее 0,12 МПа [патент РФ № 2361834, МПК 6 C04B 28/04].

Недостатком вышеуказанных изобретений является сложность формирования ядра в силу того, что при совместном помоле на поверхности гидроксида щелочного металла происходит адсорбция влаги из воздуха и последующая реакция взаимодействия компонентов с выделением растворимых силикатов щелочных металлов, влекущая за собой агрегацию компонентов, прекращение дальнейшего измельчения и снижение активности готового изделия при применении в бетонных изделиях. Также недостатком является высокая плотность заполнителя, не позволяющая получать легкие бетоны.

Предлагаемое изобретение решает задачу избавления от агрегации при помоле компонентов заполнителя, а также уменьшения плотности, в последствии и бетонных изделий с уменьшением теплопроводности при повышении и сохранении прочностных показателей бетонных строительных изделий, подвергающихся тепловлажностной обработке при твердении, и снижение энергозатрат при изготовлении бетонных изделий за счет снижения энергозатрат при изготовлении заполнителя.

Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет того, что ядро заполнителя состоит из смеси кремнеземсодержащего компонента и вспученного перлитового песка в соотношении 0,60-0,95:0,05-0,40 по массе, скрепленное щелочесодержащим связующим. При этом в качестве кремнеземсодержащего компонента используют такие осадочные породы, как опоку, трепел, диатомит, перлит, предварительно измельченные до прохождения на сите 0,315. Щелочесодержащее связующее состоит из водного раствора гидрооксида щелочного металла и силиката Na плотностью 1,2-1,3 г/см³ (гидрооксид щелочного металла:силикат = 0,85-0,95:0,05-0,15 по массе) в количестве 5-20% от смеси.

Выбранный размер дисперсности кремнеземсодержащего компонента обусловлен достаточной степенью измельченности для вступления в реакцию гидрооскида щелочного металла и аморфного кремнезема, входящего в состав горных пород.

Для получения ядер гранулированного заполнителя измельченную до прохождения через сито 0,315 мм природную осадочную высококремнеземистую породу дозировали со вспученным перлитовым песком весовым методом. Полученный материал подавали на стандартный тарельчатый гранулятор, где при распылении водного раствора щелочного металла и жидкого стекла получали ядра заполнителя заданного размера. Полученные ядра заполнителя направляли на формирование защитной оболочки путем скатывания в барабанный смеситель, в который подавали также из сухую пылевидную смесь совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого Na₂SiF₆. Контроль набора прочности гранулированного заполнителя при твердении его при температуре окружающей среды путем испытания в цилиндре производили по ГОСТ 9758-86.

Характеристика компонентов:

1. В качестве кремнеземсодержащего компонента для изготовления ядра заполнителя использовали природные осадочные высококремнеземистые породы (химический состав кремнеземсодержащего сырья представлен в таблице I):

- опоку, отобранную из открытого карьера Коркинского месторождения, Челябинская область;

- опоку, отобранную из открытого карьера Алексеевского месторождения, республика Мордовия;

- трепел Фокинского месторождения, Брянская область;

- диатомит Инзенского месторождения. Ульяновская область.

2. В качестве легкого наполнителя использовался вспученный перлитовый песок по ГОСТ 10832-91. Размер частиц до 0,16 мм, марка по насыпной плотности М75.

3. Для изготовления защитной оболочки заполнителя использовали:

- известь негашеная строительная ГОСТ 9179-77;

- натрий кремнефтористый Na₂SiF₆ ТУ 6-09-1461-91;

- водный раствор силиката натрия (жидкое стекло) ТУ 2385-001-54824507-2000.

4. Вода водопроводная по ГОСТ 23732-79.

5. При гранулировании порошка молотой природной осадочной высококремнеземистой породы со вспученным перлитовым песком на тарельчатом грануляторе в качестве связки использовали водный раствор гидроксида щелочного металла (Na, K) и силиката натрия (жидкое стекло по ТУ 2385-001-54824507-2000 плотностью 1,2-1,3 г/см³).

Таблица 1
Химический состав кремнеземистого сырья
Кремнеземное сырье	Содержание оксидов, мас.%
	SiO2	AI2O3	Fe2O3	CaO	MgO	TiO2	R2O	SO3	п.п.п.
Гидроокись кремния	99,98	-	-	-	-	-	-	-	0,02
Опока (Р. Мордовия)	86,5	4,6	3,62	0,98	0,77	0,35	2,07	0,29	0,7
Диатомит (Ульяновская обл.)	81,08	5,63	2,67	0,01	0,68	0,32	1,33	0,05	7,50
Вспученный перлит (г.Ст.Оскол)	75,5	12,5	0,7	1,6	-	-	-	-	9,7
Трепел (Брянская обл.)	74,20	7,20	2,40	6,60	1,10	-	0,60	-	8,60
Перлит (Р. Бурятия)	74,00	14,00	2,60	2,10	-	-	2,36	-	8,01

Пример конкретного выполнения.

Приготовление ядер гранулированного заполнителя. Измельченную опоку (9 кг) и вспученный перлитовый песок (1 кг), т.е. в соотношении 0,90:0,10 по массе одновременно подавали в тарельчатый гранулятор. На поверхность порошка путем разбрызгивания наносился водный раствор гидроксида натрия и силиката натрия в количестве 7% по отношению к массе ядра заполнителя. Скоростью вращения и углом наклона тарели гранулятора регулировали диаметр получаемых ядер, который составлял в данном случае 4,0-4,5 мм.

Получение защитной оболочки на ядрах. Полученные ядра направляли на опудривание сухой пылевидной смесью совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого Na₂ SiF₆ (9 кг) до получения гранул с толщиной оболочки 0,2-0,5 мм. Опудривание производили в барабанном смесителе.

Часть полученного гранулированного материала после хранения в течение 10 часов при температуре окружающей среды испытывали на прочность путем сдавливания в цилиндре по ГОСТ 9758-86 (2003), прочность составила 0,25 МПа.

Бетонная смесь на основе заявляемого гранулированного наноструктурирующего заполнителя предназначена для изготовления бетонных строительных изделий, а именно конструкционно-теплоизоляционных материалов, и включает заявляемый заполнитель, цемент, песок и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

заполнитель	20-50
цемент	10-15
песок	25-50
вода	10-15

Приготовление бетонной смеси, формовку образцов и их тепловлажностную обработку производили по известной методике [Гершберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. - М.: Стройиздат, 1971, с.98-102, 305-313]: дозировку компонентов производили весовым способом: портландцемент кварцевый песок и гранулированный заполнитель перемешивали в гравитационном смесителе до однородного состояния и добавляли воду. Формование образцов производили традиционным способом путем заполнения стандартных форм 2ФК-100 по ГОСТ 10181-2000. Время выдержки в формах - 6 часов. Тепловлажностную обработку бетонных образцов производили в пропарочной камере при атмосферном давлении по режиму 2+6+2 и температуре изотермической выдержки 90°C.

Для сравнения свойств строительных изделий, на основе заявляемой бетонной смеси, были выбраны соотношения смеси, равные срединным от заявленного интервала (таблица 2), соотношение компонентов, мас.%:

заполнитель	35
цемент	16,25
песок	37,5
вода	16,25.

Введение в состав бетонной смеси заявляемого гранулированного заполнителя размером 0,5-10 мм, состоящего из ядра в виде связанных между собой раствором гидроксида щелочного металла и жидкого стекла молотой природной осадочной высококремнеземистой породой, которое покрыто оболочкой из сухой пылевидной смеси совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого Na₂SiF₆, позволяет получать прочные бетонные строительные изделия с пониженными теплопроводностью и водопроницаемостью, при этом за счет исключения пропарки заполнителя значительно снижается энергоемкость полученных стеновых изделий.

Замена части кремнеземной породы в ядре заполнителя вспученным перлитом, способствует снижению теплопроводности при увеличении водопроницаемости бетонных изделий. Добавление от 1% до 4% по массе вспученного перлита приводит к неравномерному распределению по объему, в результате чего, поры имеют неупорядоченную структуру. Такое же явление наблюдается при добавлении более 40% вспученного перлита.

Оптимальным соотношением в ядре является 60-95% по массе кремнеземной осадочной породы и 5-40% вспученного перлита.

При оптимальном соотношении компонентов (состав № 3 табл.2) полученные бетонные строительные изделия имеет следующие преимущества по сравнению с известными:

1) показатели теплопроводности увеличиваются на 20-40%, марка по водонепроницаемости при этом остается равной с прототипом;

2) заявляемый гранулированный композиционный заполнитель не требует автоклавной обработки перед вводом его в состав бетонной смеси, за счет этого снижаются энергозатраты при получении строительных изделий.

В процессе нанесения защитной оболочки из сухой пылевидной смеси совместно молотых извести негашеной и натрия кремнефтористого Na₂SiF₆ на ядро заполнителя происходит взаимодействие компонентов оболочки с жидким стеклом, приводящее к быстрому росту прочности гранул композиционного заполнителя при температуре окружающей среды, что позволяет использовать его при приготовлении бетонных смесей без дополнительного энергоемкого тепловлажностного отверждения. В процессе тепловлажностной обработки заявляемых бетонных строительных изделий в ядрах гранулированного заполнителя синтезируются водорастворимые силикаты натрия, которые, проникая сквозь защитную оболочку, обеспечивают чрезвычайно прочное сцепление заявляемых гранул с бетонной матрицей изделия.

Гранулированный заполнитель по прототипу при введении его в состав бетонных строительных изделий в процессе тепловлажностной обработки взаимодействуют с бетонной матрицей по объему, аналогично предложенному заполнителю. Изделия на основе прототипа обладают худшими показателями по теплопроводности при не значительном увеличении прочности.

Получаемые по заявляемому способу бетонные строительные изделия обладают улучшенными адгезионными свойствами по отношению к штукатурным растворам.