Наноструктурирующее связующее для композиционных строительных материалов

Наноструктурирующее связующее для композиционных строительных материалов

Реферат

Изобретение относится к строительным материалам, используемым для изготовления кислотостойких бетонов, замазок, шпатлевок и других, а именно к составам на основе жидкого стекла.

Для повышения прочности, термо- и огнестойкости строительных материалов и конструкций из них в состав связующего вводятся тетрафурфуриловые сложные эфиры ортокремниевой кислоты (тетрафурфурилоксисиланы - ТФС). Причем тетрафурфурилоксисиланы синтезированы путем переэтерификации тетраэтоксисилана фурфуриловым спиртом.

Состав связующего содержит, мас.%: жидкое стекло - 80-95, тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 2-7, отвердитель - кремнийфтористый натрий 13. При этом как часть жидкого стекла используется органическое щелочное жидкое стекло, где в качестве органического катиона берется 8-диазабициклоундецен-7 или 1,5-диазабициклононен-5 - 2-4.

Известен состав связующей композиции для смесей (А.с. №2008998, кл. В22С 1/22), содержащий следующие компоненты, мас.%:

кислотоотверждаемая эпоксидная смола - 23-72;

продукт взаимодействия этиловых эфиров ортокремниевой кислоты с фурфуриловым спиртом (в пересчете на основное вещество) - 8-52;

органический пероксид или (и) гидропероксид - остальное.

Однако такая композиция применима только в литейном производстве, а именно к составам смесей, отверждаемых продувкой сернистым ангидритом, при изготовлении стержней и форм, требует специального оборудования для получения смеси.

Цель изобретения - повышение кислотостойкости, влагостойкости и прочности строительных материалов и расширение области их применения.

Применение растворимых силикатов натрия (жидких стекол) объясняется широким использованием их как связующих компонентов для изготовления жаропрочных, химически стойких материалов. Жидкие стекла проявляют высокую когезионную прочность, легки и безопасны, имеют низкую стоимость, не коррозируют, не испаряют пожароопасных летучих компонентов и не ухудшают окружающую среду в процессе эксплуатации.

Растворимый в воде силикат, содержащий органический щелочной катион, получают взаимодействием солей четверичного органического производного аммония с аморфным кремнеземом. Растворимые органические щелочные силикаты как, например, силикат тетрабутиламмония (ТБАС) используют как компонент для самозатухания связующего.

Введение в связующее наноструктурирующего компонента - тетрафурфурилового сложного эфира ортокремниевой кислоты (ТФС) приводит к образованию наночастиц SiO₂, которые действуют как центры кристаллизации и зародышеобразования, и фурфурилового спирта, который заполняет кремнекислую матрицу и формирует сетчатый полимер. Добавление ТФС увеличивает механическую и химическую стойкость связующего и широко используется для подготовки кислотоупорных бетонов и шпатлевок (Антикоррозионная служба предприятий: Справ. изд. - Степанов И.А., Савельева Н.Я., Фиговский О.Л. М.: Металлургия, 1987, с.91-92).

Характеристика используемых в связующем компонентов:

стекло натриевое жидкое марки К с массовым соотношением SiO₂/Na₂O=2,88 (ГОСТ 13078-81);

отвердитель - натрий кремнийфтористый Na₂SiF₆ (ГОСТ 6-09-1461-85) ч.д.а.;

наноструктурирующая добавка Si(O₂C₅H₅)₄ - продукты взаимодействия этиловых эфиров ортокремниевой кислоты с фурфуриловым спиртом (ТУ 59-020-04);

в качестве этиловых эфиров ортокремниевой кислоты использовался тетраэтоксисилан (C₂H₅O)₄Si (ТУ-6-02-708-76) с содержанием SiO₂ в пересчете на диоксид кремния 60 мас.%.

Взаимодействием тетраэтоксисилана с полным или частичным замещением его этоксигрупп фурфурилоксигруппами фурфурилового спирта получают тетрафурфурилоксисиланы (ТФС). В настоящее время тетрафурфурилоксисиланы получены в виде опытно-промышленных образцов.

Растворимый в воде силикат с органическими катионами типа 1,8-диазабициклоундецена-7 и 1,5-диазабициклононена-5 производит фирма Polymate, Ltd (Израиль) под торговыми названиями DBUS и DBNS соответственно. Соотношение SiO₂/органическое основание для DBUS составляет 1,65:1 и для DBNS 2,0:1 соответственно.

Содержание силикатов в жидких стеклах составляет, мас.%: жидкое стекло - силикат натрия марки К - 57,3; растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 63,8; растворимый в воде силикат под торговым названием DNNS - 62,3.

Предлагаемое наноструктурирующее связующее получают ламинарным смешиванием жидкого стекла, содержащего катионы щелочных металлов типа Na; тетрафурфурилового сложного эфира ортокремневой кислоты (ТФС) и растворимого в воде силиката, содержащего органический щелочной катион типа 1,8-диазабициклоундецена-7 или 1,5-диазабициклононена - 5 в следующем соотношении, мас.%:

жидкое стекло - 80-95;

тетрафурфуриловый сложный эфир ортокремневой кислоты (ТФС) - 2-7;

растворимый в воде силикат, содержащий органический щелочной катион - 2-4.

После смешивания всех компонентов связующего его необходимо использовать в течение 2-3 часов. Добавление отвердителя осуществляется совместно с тонкомолотым минеральным наполнителем.

К испытанию были подготовлены следующие составы связующего, мас.%:

Состав 1:

жидкое стекло - 95;

тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 3;

растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 2.

Состав 2:

жидкое стекло - 88;

тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 8;

растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 4.

Состав 3:

жидкое стекло - 92;

тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 5;

растворимый в воде силикат под торговым названием DNNS - 3.

Состав 4:

жидкое стекло - 88;

тетрафурфурилоксисилан (ТФС) - 8;

растворимый в воде силикат под торговым названием DBUS - 4.

Для экспериментальной проверки свойств предлагаемого связующего были изготовлены различные строительные материалы: кислотостойкий бетон, кислотостойкие замазки и шпатлевки.

Кислотоупорные бетоны были подготовлены смешиванием компонентов в следующих пропорциях (см. таблицу 1). Испытания силикатных бетонов, приведенных в таблице 1, представлены в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают, что предел прочности при сжатии бетонов увеличивается на 30%, а водопроницаемость уменьшается более чем в 15 раз. Бетоны на жидком стекле без добавки ТФС имели предел прочности при сжатии менее 27,0 МПа.

Кислотостойкие замазки и шпатлевки были приготовлены смешиванием компонентов (см. таблица 3). Результаты испытаний замазок и шпатлевок представлены в таблице 4. Результаты испытаний показывают, что использование шпатлевки с наноструктурирующим связующим увеличивает адгезионную прочность на 50%.

Таблица 1
Наименование компонентов бетонных смесей	Содержание, мас.%
Бетон №1	Бетон №2	Бетон №3, без добавки DNNS	Бетон №4, без добавки DBUS
Связующее, состав 3	13,4	-	13,4	-
Связующее, состав 1	-	13,2	-	13,2
Кремнекислый натрий (Sуд - 2700 см2/г)	1,8	1,7	1,8	1,7
Порошок диабаза (Sуд - 3000 см2/г)	18,0	18,0	18,0	18,0
Кварцевый песок (Мкр - 2,4)	28,0	28,0	28,0	28,0
Гранитный щебень	38,8	39,1	38,8	39,1

Таблица 2
Свойства	Предлагаемые бетоны
Бетон №1	Бетон №2	Бетон №3, без добавки DNNS	Бетон №4, без добавки DBUS
Предел прочности при сжатии, МПа	49,2	48,7	37,1	35,4
Водопроницаемость, диффузия, 10-7 см2/г
После 7 дней	0,42	0,48	8,77	8,96
После 30 дней	0,14	0,16	6,31	6,44
Коэффициент кислотоупорности после 360 дней в
5% HCl	1,03	1,02	0,97	0,93
20% HCl	1,12	1,07	0,96	0,91
5% H2SO4	1,06	1,05	0,93	0,94
20% H2SO4	1,17	1,18	0,92	0,90

Таблица 3
Наименование компонентов шпатлевочных смесей	Содержание, мас.%
Шпатлевка №1	Шпатлевка №2	Шпатлевка №3, без добавки DBUS	Шпатлевка №4, без добавки DBUS
Связующее, состав 2	41,0	-	41,0	-
Связующее, состав 4	-	34,0	-	34,0
Кремнекислый натрий (Sуд - 2700 см2/г)	6,0	6,2	6,0	6,2
Порошок диабаза (Sуд - 3000 м2/г)	53,0	-	53,0	-
Порошок андезита (Sуд - 2600 см2/г)	-	59,8	-	59,8

Таблица 4
Свойства	Предлагаемые шпатлевки
Шпатлевка №1	Шпатлевка №2	Шпатлевка №3, без добавки DBUS	Шпатлевка №4, без добавки DBUS
Сила сдвига (ASTMD1002-05)
Керамика - сталь, МПа	1,54	1,48	0,92	0,95
Керамика - керамика, МПа	1,90	1,94	1,18	1,22
Адгезионная прочность на растяжение, МПа
Керамика - сталь	0,98	1,04	0,47	0,51
Керамика - керамика	1,27	1,30	0,55	0,54

1. Состав наноструктурирующего связующего для кислотостойких бетонов, содержащий растворимый в воде силикат и тетрафурфуриловый сложный эфир ортокремниевой кислоты (ТФС), в котором часть жидкого стекла заменяется на органическое щелочное жидкое стекло, содержащее органический катион 1,8-диазабициклоундецена-7 или 1,5-диазабициклононена-5, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

жидкое стекло	92-95
тетрафурфурилоксисилан (ТФС)	3-5
органическое щелочное жидкое стекло	2-3

2. Состав наноструктурирующего связующего для кислотостойких замазок и шпатлевок имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:

жидкое стекло	88
тетрафурфурилоксисилан (ТФС)	8
органическое щелочное жидкое стекло	4