Пустотелый или пористый гранулированный заполнитель для бетонов
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к производству теплоизоляционных засыпок и заполнителей для бетонов.
Предложен способ изготовления пустотелого или пористого гранулированного заполнителя, включающем приготовление ядер из дробленого теплоизоляционного пеностекла либо дробленного звукоизоляционного пеностекла с размером зерен 3,0...30,0 мм, покрытие их порошкообразным глинистым материалом и последующий обжиг при 790-1050°С.
Предлагаемое изобретение решает задачу получения прочного и водостойкого гранулированного заполнителя (при использовании даже слабо- и невспучивающихся глин) с сохраненной или пониженной насыпной плотностью, расширить сырьевую базу для производства теплоизоляционных засыпок и заполнителей для бетонов.
2 нез. п-та. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к производству теплоизоляционных засыпок и заполнителей для бетонов.
Известны пустотелый гранулированный заполнитель и способ его изготовления, включающий приготовление ядра путем вспучивания гранулированной смеси золы и жидкого стекла при 350...550°С, покрытия ядра раствором жидкого стекла и цементно-зольной смесью и последующую термообработку [А.с. СССР №1573009, кл. С 04 В 14/24, 1986].
Недостатками этого способа и изделия являются: низкая водостойкость и прочность получаемого заполнителя.
Наиболее близкими к предлагаемому решению являются пористый гранулированный заполнитель и способ его изготовления, включающий приготовление смеси из жидкого стекла и добавки - аморфного кремнезема и пенообразователя; получении ядер, покрытие их порошкообразным глинистым материалом и последующий обжиг [Патент РФ №2263084, кл. 7 С 04 В 28/26, 2002].
Недостатками прототипа являются: невысокая прочность (до 0,51 МПа при сдавливании в цилиндре) и низкая водостойкость получаемого пористого гранулированного заполнителя (разрушается водой через 8 часов), высокая насыпная плотность, использовать можно только ограниченные типы глин.
Предлагаемое изобретение решает задачу получения прочного и водостойкого гранулированного заполнителя (при использовании даже слабо- и невспучивающихся глин) с сохраненной или пониженной насыпной плотностью, расширить сырьевую базу для производства теплоизоляционных
засыпок и заполнителей для бетонов.
Технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления пустотелого или пористого гранулированного заполнителя, включающем приготовление ядер, покрытие их порошкообразным глинистым материалом и последующий обжиг, согласно предлагаемому решению, в качестве ядер используют дробленое теплоизоляционное пеностекло либо дробленное звукоизоляционное пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм, а обжиг проводят при 790-1050°С.
Результат достигается с помощью полученного пустотелого или пористого гранулированного заполнителя, состоящего из обожженного ядра с нанесенным на него покрытием из глинистого материала, в котором, согласно предлагаемому решению, в качестве ядра служит дробленое теплоизоляционное пеностекло либо дробленое звукоизоляционное пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм.
Сравнение предлагаемого способа получения пустотелого гранулированного заполнителя с прототипом позволило установить, что предлагаемое решение отличается заменой ядер, приготовленных из смеси жидкого стекла, аморфного кремнезема и пенообразователя на дробленое пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм. Введение предлагаемого дробленого пеностекла и последующий обжиг при 790-1050°С позволяет получить прочный и водостойкий пустотелый или пористый гранулированный заполнитель (при использовании даже слабо- и невспучивающихся глин) с пониженной насыпной плотностью. Таким образом, предлагаемое решение обладает критерием «новизна».
При изучении других технических решений, использование предложенного авторами дробленого пеностекла с размером зерен 3,0-30,0 мм при изготовлении пустотелого или пористого гранулированного заполнителя путем обжига при 790-1050°С и аналогичных материалов не выявлено, таким образом заявляемое решение не следует явным образом из уровня техники,
что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».
При реализации заявляемого способа изготовления пустотелого гранулированного заполнителя в качестве сырья использованы следующие компоненты:
1. Дробленое теплоизоляционное пеностекло (порообразователь - сажа) и звукоизоляционное пеностекло (порообразователь - мел), фракцию с размером зерен от 3,0 до 30,0 мм, полученную путем дробления и отсева пеностекла по ТУ 5914-003-02066339-98 "Материалы и изделия строительные теплоизоляционные", произведенного в БГТУ им. В.Г.Шухова (г.Белгород). Насыпная плотность дробленного теплоизоляционного пеностекла фракции от 3,0 до 30,0 мм составляет 170...200 кг/м3, звукоизоляционного - 260...280 кг/м3 в зависимости от пористости. Для приготовления дробленого продукта можно использовать обрезки и бой блоков пеностекла.
2. В качестве глинистого материала использовали суглинок Шебекин-ского месторождения, Белгородская обл. Огнеупорность 1195...1290°С. Водозатворяемость - 28,7% (по ГОСТ 9169-75). Основной глинистый минерал - монтмориллонит. Цвет после обжига зеленовато-желтый. Химический состав суглинка Шебекинского месторождения, мас.Уо: SiO2 . - 59,9, Аl2О3 - 8,6, ТiО2 - 0,4, Fе2 О3 - 1,2, CaO - 10,1, MgO - 1,8, R 2О - 3,4, SO3 - 0,4, П.п.п. - 14,2. Данная глина относится к слабовспучивающимся глинам (увеличение объема 1,1...1,3) и сама не может быть сырьем для получения легких пористых заполнителей.
Анализируя результаты физико-механических испытаний серии экспериментальных образцов, можно сделать вывод, что по способности формировать сырцовые гранулы оптимального размера для производства пустотелого гранулированного заполнителя необходимо использовать дробленое пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм.
Способ нанесения глинистой составляющей гранул при изготовлении пустотелого или пористого гранулированного заполнителя можно
осуществлять разными путями: например, увлажнением дробленого пеностекла с последующим нанесением на его поверхность порошкообразного глинистого материала путем опудривания, либо окунанием сухих дробленных частиц пеностекла в глиняную суспензию. На качество получаемого конечного продукта способ нанесения глинистой составляющей не влияет.
В предлагаемом решении увлажненное (до влажности 2,0-2,5 мас.%) дробленое теплоизоляционное пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм подавали на вибролоток на слой измельченного до дисперсности частиц менее 0,1 мм Шебекинского суглинка. В процессе продвижения зерен пеностекла по вибролотку формировались гранулы с размером 4,0...32,0 мм, которые, благодаря низкой влажности (менее 2,2%), сразу подавались на обжиг в муфельную печь. Подъем температуры производился со скоростью 3° в минуту до температуры 920°С с выдержкой 0,5 часа, т.е. моделировались производственные условия получения керамзита [Мороз И.И. Технология строительной керамики. Киев: «Вища школа», 1980. - С.89-128]. После этого муфель отключался, обожженные гранулы охлаждались вместе с муфелем со скоростью 2° в минуту до комнатной температуры. После охлаждения гранул определялись их плотность, водостойкость и прочность; прочность гранул определялась также и после суточной выдержки их в воде по ГОСТ 9758 (пример 1, табл.).
Составы 2 и 3 готовились аналогичным образом, при этом в качестве дробленого теплоизоляционного пеностекла использовались монофракционные зерна размером 3,0 и 30,0 мм соответственно.
Аналогичным образом приготавливали пустотелый или пористый гранулированный заполнитель с использованием в качестве ядра дробленые звукоизоляционные пеностекла (составы 6-10), а также известный состав 11 (прототип - по патенту РФ №2263084, кл. 7 С 04 В 28/26, 2002, смесь 11).
Состав и свойства полученных пустотелых или пористых гранулированных заполнителей приведены в таблице.
Состав и свойства гранулированного заполнителя | ||||||||||
№ п/п | Размер пористогоядра, мм | Плотность пористого ядра сырцовой гранулы, кг/м 3 | Температура обжига, °С | Насыпная плотность гранул пустотелого или пористого заполнителя, кг/м 3 | Предел прочности при сжатии в цилиндре, МПа | Тип гранулированного заполнителя | ||||
После обжига | После выдержки в воде в течение суток | |||||||||
Материал ядра: дробленое теплоизоляционное пеностекло | ||||||||||
1. | 3,0...30,0 | 170 | 920 | 327 | 1,97 | 1,88 | пустотелый | |||
2. | 3,0 | 170 | 790 | 745 | 0,50 | 0,31 | пористый | |||
3 | 30,0 | 170 | 1050 | 302 | 0,59 | 0,58 | пустотелый | |||
4. | менее 3,0 | 170 | 780 | 809 | 0,28 | 0,09 | пористый | |||
5. | более 30,0 | 170 | 1100 | 368 | 0,19 | 0,18 | пустотелый | |||
Материал ядра: дробленое звукоизоляционное пеностекло | ||||||||||
6. | 3,0...30,0 | 260 | 920 | 392 | 2,61 | 2,47 | пустотелый | |||
7. | 3,0 | 260 | 790 | 782 | 0,59 | 0,41 | пористый | |||
8. | 30,0 | 260 | 1050 | 381 | 0,68 | 0,61 | пустотелый | |||
9. | менее 3,0 | 260 | 780 | 874 | 0,39 | 0,11 | пористый | |||
10. | более 30,0 | 260 | 1100 | 469 | 0,21 | 0,20 | пустотелый | |||
Материал ядра, мас.%: опока - 53, жидкое стекло - 40, пенообразователь - 7 | ||||||||||
11 (прототип | 15,0 | 250 | 780* | 750 | 0,51 | разрушились | пористый | |||
* - температура обжига подобрана авторами экспериментально, т.к. в прототипе не указана, но исходя из состава материала ядра, можно предположить, что температура по прототипу не должна превышать 780°С, т.к. при увеличении температуры наблюдаются деформации и разрушение глинистой оболочки гранул заполнителя за счет появления обширных выплавов. |
Анализ полученных данных результатов испытаний свойств образцов пустотелых гранулированных заполнителей, изготовленных по заявляемому способу, показывает следующее.
1. Смеси составов 1-3 и 6-8 отвечают требованиям ГОСТ 9758 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ».
2. Использование дробленого пеностекла в качестве ядер при формировании сырцовых гранул и последующий обжиг позволяет получить качественный водостойкий и прочный гранулированный заполнитель, способный найти применение в качестве теплоизоляционных засыпок и заполнителей для бетонов (составы 1-3 и 6-8).
3. Уменьшать размер ядер пеностекла менее 3,0 мм нецелесообразно, т.к. получаемый пустотелый или пористый гранулированный заполнитель имеет повышенную насыпную плотность и не позволяет получать качественные легкие бетоны и отвечает граничным требованиям ГОСТ 9758, поэтому составы 2 и 7 приняты как граничные.
Увеличение размера ядер пеностекла более 30,0 мм нецелесообразно т.к. происходит падение прочности получаемого пористого гранулированного заполнителя из-за избыточного образования стеклофазы при плавлении ядра гранул и появления поверхностных дефектов структуры керамического покрытия в процессе обжига, поэтому данный размер ядер (составы 3 и 8) принят как граничный.
4. Снижать температуру обжига дробленных частиц пеностекла с нанесенной на их поверхность глинистой составляющей менее 790°С нецелесообразно, т.к. не происходит достаточно интенсивного взаимодействия стекло-фазы ядра с глиной при обжиге, поэтому снижается прочность и водостойкость получаемого заполнителя (смеси 4 и 9).
Повышать температуру обжига выше 1050°С также нецелесообразно, т.к. наблюдается нарушение геометрических размеров изделий при обжиге и снижение прочности (составы 3 и 6).
5. Использование дробленого звукоизоляционного пеностекла в качестве ядер при формировании сырцовых гранул приводит к повышенному содержанию стеклофазы во внутреннем объеме гранулы оптимального размера (3,0-30,0 мм), т.к. его плотность исходного пеностекла выше, чем теплоизоляционного, что позволяет получать более прочный и водостойкий заполнитель.
6. Изменяя температуру обжига при получении пустотелого гранулированного или пористого заполнителя, можно формировать не только внутреннюю структуру получаемых гранул (пористую либо пустотелую), но и регулировать весь комплекс физико-механических характеристик получаемого продукта - прочность, теплопроводность, насыпную плотность, водостойкость и др.
Заявляемый способ изготовления пустотелого гранулированного или пористого заполнителя в сравнении с прототипом имеет следующие преимущества:
1) прочностные свойства в отдельных случаях сохраняются, а при оптимальных условиях увеличиваются в 2,2...3,4 раза; водостойкость при этом имеет высокие показатели;
2) насыпная плотность при сохранении требуемых физико-механических характеристик либо сохраняется, либо уменьшается в 1,2...1,5 раза по сравнению с прототипом, что позволяет получать бетоны с пониженной плотностью;
3) полученный в результате обжига пустотелый или пористый гранулированный заполнитель имеет замкнуто-остеклованную внутреннюю поверхность с минимальными объемными дефектами, внешнее керамическое покрытие гранул имеет высокую адгезию к любым органическим и неорганическим вяжущим.
4) формование сырцовых гранул на основе прочного пеностекольного ядра осуществлять гораздо проще, чем при использовании ядер по прототипу.
Физико-химическая сущность технического решения достижения задачи заключается в следующем: использование дробленого пеностекла в качестве ядер при формировании сырцовых гранул позволяет получить прочное сцепление с внешним глинистым покрытием за счет развитой внешней поверхности пеностекла, сформированной пористой структурой. По этой причине сформированные сырьевые гранулы легко формуются на вибролотке и переносят транспортировку без потери керамического слоя.
При обжиге глинистая составляющая сырцовой гранулы, находясь на поверхности, легко подсушивается, процессы подготовки к спеканию происходят без участия медленных диффузионных процессов. При достижении температуры размягчения стекла и дальнейшем нагреве гранулированного материала, керамическая поверхность гранулы в достаточной степени упрочняется и стеклофаза равномерно распределяется по внутренней поверхности гранулы. При дальнейшем повышении температуры стекло переходит в жидкое состояние и активно взаимодействует с частицами глины по всей внутренней поверхности гранулы (доказано микроскопическими и петрографическими исследованиями). Авторами установлено, что высокая прочность ос-теклованной внутренней поверхности гранул и результат взаимодействия глины с расплавленной стеклофазой пеностекольного ядра при температурах 790...1050°С определяет высокие эксплуатационные характеристики получаемого гранулированного заполнителя.
Способ получения гранулированного заполнителя по прототипу, включающий использование ядер, состоящих преимущественно из жидкого стекла, не позволяет достичь высокого результата, реализованного в заявляемом способе, т.к. получаемые композиты имеют невысокую стойкость по отношению к воде.
Использование заявляемого способа изготовления пустотелого или пористого гранулированного заполнителя и получаемых при этом изделий в промышленности строительных материалов позволит не только получать качественный продукт, но и расширить материальную базу, используя слабовспучивающиеся и невспучивающиеся глины, а также решить проблему утилизации обрезков и боя блоков, образующихся при производстве и механической обработки пеностекла, причем данная технология не требовательна к чистоте исходных материалов.
Обожженный пустотелый или пористый гранулированный заполнитель, состоящий из ядра с нанесенным на него покрытием из глинистого материала, отличающийся тем, что в качестве ядер он содержит дробленое теплоизоляционное пеностекло либо дробленое звукоизоляционное пеностекло с размером зерен 3,0...30,0 мм и обожжен при 790-1050°С.