способ изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем

Формула изобретения

Способ изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем, включающий активацию порошка каустического магнезита совместным помолом с минеральной добавкой, пластификатором с последующим смешением с заполнителем, водным раствором хлорида магния (бишофита), формованием и отверждением полученной смеси, отличающийся тем, чтоактивацию магнезиального вяжущего, модифицированного заполнителя, пластификатора и пигмента проводят методом механохимической модификации в твердом состоянии в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций, а затем в активированную смесь добавляют водный раствор хлорида магния (водный раствор бишофита) и заполнитель, причем в качестве магнезиального вяжущего используют каустический магнезит с добавлением электропечного магнезита, а в качестве модифицированного заполнителя сырьевая смесь содержит комплексный алюмосиликатный заполнитель, включающий SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, Fe ₂O₃, FeO, SO₃ в различных комбинациях и соотношениях, модифицированный в твердом состоянии оксидом или солью переходного металла методом механохимической модификации в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций, а также сырьевая смесь может содержать дополнительно слюду и фибры, причем отверждение смеси ведут при температуре 10-90°C в течение 1÷14 ч, а макромолекулярные структуры готовых изделий подвергают диффузионному процессу введения эмульсии масло/вода в присутствии поверхностно-активного вещества.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано для производства облицовочных плит (для внутренней и наружной отделки зданий) черепицы, полов, монолитных строительных элементов.

Известен способ приготовления сырьевой смеси для изготовления строительных изделий, включающий смешение магнезиального вяжущего с заполнителем с последующим затворением раствором бишофита, предварительно обработанным в магнитном поле [1].

Известный способ усложняет технологический процесс, требует специальных операций по подготовке жидкости затворения - раствора бишофита. Основные компоненты, входящие в сырьевую массу, по химическим свойствам не обеспечивают достаточной водостойкости и морозостойкости изделий. Кроме того, известный способ не устраняет выделения солей на поверхности изделий в процессе их эксплуатации, что ухудшает их декоративные качества.

Известно техническое решение [2] изготовления изделий экструзией из смеси, содержащей (п.14 в формуле) «magnesium oxychloride cement» при затворении водой. В описании патента отсутствуют примеры и данные по физико-механическим характеристикам изделий из вышеуказанного цемента. Авторы используют сухую смесь оксида магния MgO и (обезвоженного) сухого хлорида магния MgCl ₂, а в качестве затворителя - воду. Давления, применяемые в вышеуказанном процессе, составляют 10 бар-7000 бар (пп.9, 10, 11 формулы). Приготовление сухого (обезвоженного) хлорида магния усложняет технологию. Необходимость введения в сырьевую смесь сухого (обезвоженного) хлорида магния создает определенные трудности, сложности в технологическом процессе изготовления изделий на основе оксида магния.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления изделий на магнезиальном вяжущем, включающий активацию каустического магнезита совместным помолом с минеральной добавкой с последующим смешением с заполнителем, водным раствором хлорида магния, формованием и отверждением полученной смеси [3].

Способ позволяет повысить прочность изделий, но не исключает выделения солей на поверхности изделий, а также выцветов (ослабление яркости цвета), то есть ухудшение декоративных качеств изделий. Кроме того, компоненты, входящие в состав смеси, приводят к увеличению веса изделий, что недопустимо с конструкционной точки зрения. Способ не технологичен.

Предлагаемое изобретение позволяет улучшить физико-механические характеристики при облегчении веса готовых изделий, огнестойкость, исключает выделение солей на поверхности изделий, улучшает декоративные качества изделий, стабилизирует яркость цветовой гаммы готовых изделий.

В способе изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем, активацию магнезиального вяжущего, модифицированного заполнителя, пластификатора, пигмента проводят методом механохимической модификации в твердом состоянии в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций. В активированную смесь добавляют водный раствор хлорида магния (водный раствор бишофита) и заполнитель, причем в качестве магнезиального вяжущего используют каустический магнезит с добавлением электропечного магнезита, а в качестве модифицированного заполнителя сырьевая смесь содержит комплексный алюмосиликатный заполнитель, включающий SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, Fe ₂O₃, FeO, SO₃ в различных комбинациях и соотношениях, модифицированный в твердом состоянии оксидом или солью переходного металла методом механохимической модификации в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций, а также сырьевая смесь может содержать дополнительно слюду и фибры (натуральные, полимерные, металлические, стеклянные), причем отверждение смеси ведут при температуре 10-90°C в течение 1÷14 ч, а макромолекулярные структуры готовых изделий подвергают диффузионному процессу введения эмульсии масло/вода в присутствии поверхностно-активного вещества.

Активация магнезиального вяжущего, модифицированного заполнителя, пластификатора, пигмента методом механохимической модификации в твердом состоянии в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций приводит к образованию новых ионообменных структур, обладающих сорбирующими свойствами, гомогенизирующими и пластифицирующими свойствами.

В результате активации и модификации оксидом и солью переходного металла (например, Fe⁺³) комплексный алюмосиликатный заполнитель приобретает сорбирующие свойства и характеризуется высокой обменной способностью. Активация заполнителя происходит за счет обменного взаимодействия с ионами солей. При замене иона Al⁺³ ионами Fe⁺³ в комплексном силикате проявляется магнитная восприимчивость. Этот ион сообщает характерный парамагнетизм замещенной кристаллической силикатной фазе. Ионы Ме⁺³ локализуются в каналах алюмосиликатного заполнителя на зарядообменных местах кислородного окружения «изолированных» атомов Al⁺³ или атомов Al⁺³, находящихся как в каркасе наполнителя, так и за счет взаимодействия их с внекаркасными ионами Аl, и стабилизированы в виде Fe-Al₂ O₄.

Как показали результаты исследований, заполнитель, не модифицированный солью или оксидом переходного металла, не проявляет сорбирующих свойств.

При дальнейшей совместной механохимической обработке магнезиального вяжущего с модифицированным наполнителем, пигментом, пластификатором измельчение кристаллической структуры сопровождается перемешиванием исходных компонентов и образованием новых структур. При введении в сырьевую смесь модифицированный комплексный алюмосиликатный компонент проявляет гомогенизирующие пластифицирующие и сорбирующие свойства, способствует получению более плотной кристаллической упаковки, упрочнению материала, улучшению его физико-механических свойств, улучшению декоративных качеств изделий.

Совместная активация магнезиального вяжущего с модифицированным заполнителем пигментом, пластификатором в твердом состоянии в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций способствует повышению скорости реакции гидратации, образованию двойных гидроксидов металлов со структурой гидроталькита Mg ₆Al₂(OH)₁₆ и гидробрусита Mg(ОН) ₂, которые также проявляют сорбирующие свойства, что также ведет к исключению высолов на поверхности изделий.

Дополнительное повышение прочности магнезиальных растворов при затворении водным раствором хлорида магния происходит также за счет добавок пигментов, которые в вышеуказанных условиях давления и сдвиговых деформаций образуют новые фазы на основе гидроталькита и брусита. Насыщение ионами Сг⁺³ приводит к образованию новой фазы Mg-ОCrO₃ и магний-хромовому гидроталькиту Mg₆Cr₂(ОН)₂ClX·nH₂ O, содержащему ионы CP и ОН" в межслоевых пространствах структуры.

Механическая обработка компонентов сырьевой смеси с добавлением пластификатора (поверхностно-активных веществ), снижающих поверхностное натяжение на границе раздела фаз, способствует гомогенизации раствора, ускоряет гелеобразование, кристаллизацию, уплотняет массу, улучшает формуемость изделий. Кроме того, введение в зону реакции пластификаторов в условиях давления и сдвиговых напряжений также создает новые структуры сорбентов, содержащие молекулы пластификаторов, которые также участвуют в реакциях ионного обмена и создают подвижность удобоформуемой массы.

Оптимальная подвижность сырьевой массы достигается также за счет введения природного алюмосиликатного компонента размером частиц до 3÷4 мм, что обеспечивает удобоформуемость бетонной массы без дополнительного количества жидкости затворения.

Частичная замена в сырьевой массе каустического магнезита электропечным позволяет повысить огнестойкость изделий при длительном воздействии высоких температур (например, 24 часа t=1500°C).

Благодаря свойствам компонентов сырьевой смеси (модифицированный алюмосиликатный компонент, магнезиальное вяжущее, пластификатор) отверждение сырьевой смеси может проводиться как при нормальных условиях, так и при термообработке с сохранением декоративных качеств строительных материалов. При обработке поверхности готовых изделий эмульсией масло/вода в присутствии поверхностно-активного вещества происходит диффузия масла в макромолекулярные структуры готового камня и решается проблема выцвета изделий.

Таким образом, в условиях механохимической модификации сырьевой смеси в твердом состоянии в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций, содержащей магнезиальное вяжущее, комплексный модифицированный алюмосиликатный заполнитель, пластификатор, пигмент, улучшаются физико-механические характеристики изделий при облегчении веса готовых изделий, улучшаются декоративные качества строительных изделий (отсутствие выделения солей на поверхности изделий и выцветы). Диффузионная обработка макромолекулярных структур готовых изделий позволяет стабилизировать яркость цветовой гаммы изделий в условиях атмосферного воздействия.

Строительные изделия, приготовленные по предлагаемому способу, обладают наилучшими физико-механическими свойствами при следующем соотношении компонентов, % мас.:

Магнезиальное вяжущее	20-60
Пластификатор	0,25-1,0
Пигмент	0-2
Водный раствор хлористого магния (бишофит)	15-20
Заполнитель модифицированный	остальное

В результате экспериментальных исследований установлено, что наибольший эффект от механохимической модификации сырьевой массы в твердом состоянии в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций проявляется при использовании двухшнекового экструдера непрерывного действия. Реакцию проводили в твердофазном режиме на экструдере. Продолжительность процесса в экструдере - 2 мин, в смесителе-экструдере - 2 мин.

Способ осуществляется следующим образом. Механохимическую модификацию комплексного алюмосиликатного наполнителя солью металла (например, Fe⁺³) проводили при использовании шнекового экструдера в течение 2 минут. Добавляли магнезиальное вяжущее, пигмент, пластификатор и подвергали дальнейшей механохимической обработке, инициированной сдвиговым напряжением, затворяли водным раствором хлорида магния (например, водный раствор бишофита). Сырьевую массу перемешивают далее в смесителе, добавляя заполнитель (размером частиц до 3 мм) до получения однородной массы. Подготовленную сырьевую массу выливают в формы, уплотняют, отверждение смеси ведут при температуре 10-90°C в течение 1-14 ч. Макромолекулярные структуры готовых изделий подвергаются диффузионному воздействию эмульсии.

Пример

В экструдер загружают (17 мас.%) алюмосиликатный заполнитель (SiO₂ - 3%, Al₂O₃ - 2%, CaO - 3,5%, MgO - 2,5%, Fe ₂O₃ - 1,5%, FeO - 1,5%, SO₃ - 3%) - смесь отходов предприятия ЖБИ-1 - цементно-содержащие компоненты (13 мас.%) - и слюды, железо сернокислое (4 мас.%) от веса заполнителя. Процесс ведут при температуре 18°C в течение 2 минут. Затем добавляют каустический магнезит - 1,5 кг (22 мас.%) и электропечной магнезит - 2,5 кг (38 мас.%), пластификатор С-3 - 1 мас.% и подвергают дальнейшей механохимической обработке в экструдере в течение 2 минут, затворяют водным раствором бишофита (плотность 1,2 г/см ³, 20 мас.%). Добавляют в сырьевую массу (2 мас.%) слюду размером частиц 3÷4 мм. Суммарное содержание всех ингредиентов составляет 100%. Оптимальный состав сырьевой смеси: магнезиальное вяжущее 60 мас.%, пластификатор 1 мас.%, пигмент 2 мас.%, водный раствор бишофита плотностью 1,17-1,32 г/см³ 20 мас.%, алюмосиликатный заполнитель модифицированный 17 мас.%. Суммарное содержание всех ингредиентов составляет 100%. Сырьевую массу перемешивают в смесителе-экструдере 2 минуты. Подготовленную смесь выдавливают в формы, вибрируют, уплотняют. После отверждения образцы вынимают из форм, испытывают по стандартным методикам. Готовые изделия подвергают диффузионному процессу введения эмульсии в макромолекулярные структуры цементного камня. Составы для изготовления сырьевой смеси представлены в таблице 1. Физико-механические характеристики образцов, изготовленных по предлагаемому способу, представлены в таблице 2. Вес изделий размером 600×600×10 составляет 4,8-6,0 кг. Результаты огневых испытаний показали, что введение в сырьевую смесь электропечного магнезита повышает огнестойкость изделий и жаростойкость. Образцы не разрушаются при длительном воздействии высоких температур.

Представленные сравнительные результаты испытаний показывают, что использование предлагаемого способа изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем механохимической модификацией в твердом состоянии в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций позволяет облегчить вес строительных изделий на 25-30% по сравнению с прототипом, при этом повышается прочность изделий на растяжение при изгибе на 30-50%, предел прочности на сжатие - на 10-20%, обеспечивает высокий уровень декоративных качеств изделий при длительном атмосферном воздействии, позволяет сократить продолжительность процесса и расход реагентов и улучшить экономические и экологические показатели технологического процесса. Применение модифицированного комплексного алюмосиликатного заполнителя позволяет изготавливать строительные изделия с применением недифицитных компонентов, улучшает экологическую обстановку окружающей среды.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет решить конструкционную проблему облегчения веса изделий при сохранении высоких физико-механических характеристик.

Предлагаемый способ изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем имеет промышленную значимость.

Источники информации

1. RU № 2098381 C1, кл. C04B 28/30, C04B 9/00, 04.05.95.

2. US Patent № 5549859, кл. 264/102, МКИ B28B 1/00.

3. RU № 2222508 C1, кл. C04B 28/30, 20.08.2002 (прототип).

Таблица 1
Составы сырьевой смеси
Способ изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем
№ п/п	Компоненты сырьевой смеси	Номера составов
		1	2	3	4	5
1.	Магнезиальное вяжущее, мас.%	20	30	40	50	60
2.	Пластификатор, мас.%	0,25	0,3	0,3	0,3	1
3.	Пигмент, мас.%	0	1	2	2	2
4.	Водный раствор бишофита плотностью 1,17-1,32, мас.%	15	15	18	20	20
5.	Алюмосиликатный заполнитель модифицированный, мас.%	остальное

Таблица 2
Физико-механические характеристики образцов, изготовленных по предлагаемому способу
Способ изготовления строительных материалов на магнезиальном вяжущем
№ состава по табл.1	Предел прочности, МПа в возрасте 1 сутки				Огнестойкость изделий, визуально*
	Rизгиб		Rсж
	предлагаем. вариант	прототип	предлагаем. вариант	прототип
1	15,8	3,8	34,0	11,3	нет разрушений
2	18,0	6,7	34,5	19,6	нет разрушений
3	22,5	7,8	36,0	24,5	нет разрушений
4	23,0	9,0	42,8	31,5	нет разрушений
5	25,0	12,6	46,5	44,5	нет разрушений
* Огнестойкость определялась визуально при прямом воздействии открытого пламени в течение 45 минут