Композиционный строительный материал

Композиционный строительный материал

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к составу композиционных строительных материалов, включающих цементную матрицу, армированную целлюлозосодержащими материалами, и может быть использовано в промышленности строительных материалов при изготовлении сборных, монолитных и сборно-монолитных бетонных и железобетонных конструкций, изделий для зданий и сооружений различного назначения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известна армированная волокном цементная композиция, модифицированная полимером [Polymer-modified fiber-cement composition: Патент США 7148270. Опубл. 12.12.2006 г.]. Указанная композиция содержит смесь 0,1-15% эмульсии полимера (в расчете на сухой остаток) с температурой стеклования -25-+150°, цемента, целлюлозных волокон, песка и воды. Так, например, композит получают из смеси, содержащей, мас.ч.: 200 песка, 100 цемента, 30 волокон, 44 воды и 10 полимера, содержащего 4% ПАВ. Введение устойчивого к цементу полимера повышает прочность на изгиб композита после отверждения в автоклаве почти в 2 раза.

Однако процесс формования композита из этой смеси требует длительного времени: в течение 1 недели удаляют воду сушкой при 25°С и 55% относительной влажности, затем обрабатывают в автоклаве при температуре на 10° выше температуры стеклования полимера (например, 7 ч при 170° для акрилового сополимера).

Известен обрабатываемый механическим способом легкий бетонный конструкционный строительный материал на основе волокон текстильных агав [Machinable light weight sisal-based concrete structural building material: Патент США 6881257. Опубл. 19.04.2005]. Бетон содержит 22-33 об.% обработанных коротких (длиной 1,9-5 см) волокон текстильных агав (сизаль), 12-22 об.% цемента и 51-59 об.% легкого минерального вещества (перлит). Метод включает следующие стадии: смешение цемента и перлита с образованием твердой смеси, добавление воды и ее перемешивание с твердой смесью с образованием густой массы, добавление волокон сизаля и их перемешивание с густой массой до образования однородной конечной композиции, выливание конечной композиции в форму и ее отверждение с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.

Однако на территории России агавы культивируются только в южных регионах (Черноморское побережье Кавказа, Южный берег Крыма) как декоративное растение, поэтому использование сизаля при изготовлении легкого бетонного материала не является экономически оправданным.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, то есть прототипом, является фиброцементный композиционный материал с целлюлозными волокнами, заполненными неорганическими и/или органическими веществами [Fiber cement composite materials using cellulose fibers loaded with inorganic and/or organic substances: Патент США 6676744. Опубл. 13.01.2004 г.], содержащий цементную матрицу, в которой распределены целлюлозные волокна, поры которых частично заполнены преимущественно нерастворимыми неорганическими или органическими веществами, препятствующими прониканию воды, в котором исходные компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%:

Цементное связующее	10-80
Заполнитель	20-80
Модификатор плотности	0-50
Целлюлозные волокна, заполненные неорганическими
или органическими веществами	0,5-20
Добавки	0-10
Вода	до 100

В качестве цементного связующего используют портландцемент, высокоалюминатный, высокофосфатный цемент, известь, глинозем, доменный шлак или их смеси;

в качестве заполнителя используют кварцевый песок, аморфный, геотермальный кварц, кремнезем, доменный шлак, глины, оксиды и гидроксиды металлов, магнезит, доломит, стальной шлак, полимерные шарики, диатомитовую землю, каменный уголь, угольную пыль и золу и др.;

в качестве модификатора плотности используют легкие вещества с плотностью менее 1,5 г/см³, пластмассы, вспененный полистирол или другие вспененные материалы, стекло, керамику, гидраты силиката кальция, вулканический пепел, включая перлит, пемзу, базальт, цеолиты во вспененных формах и их смеси;

в качестве целлюлозных волокон используют волокна, изготовленные из лигноцеллюлозных материалов, представляющие собой предпочтительно индивидуальные волокна, частично или полностью делигнифицированные, хотя бы частично заполненные неорганическими или органическими веществами, ингибирующими миграцию воды;

в качестве неорганических веществ применяют соли натрия, калия, кальция, цинка, меди, алюминия, бария и неорганических и органических кислот - карбонаты, силикаты, хроматы, алюминаты, ацетаты, пальмитаты, олеаты, стеараты, сульфаты, фосфаты, бораты или их смесь, а также глину, цемент, каолин, гидрат силиката кальция и их смеси; в качестве органических наполнителей используют воски, полиолефины, акриловые волокна, эпоксидные смолы, бутадиенстирольный каучук, пластмассы, смолы или их смеси (масса заполняющих веществ составляет 0,5-150% от сухого веса целлюлозных волокон. Композиционный строительный материал, кроме того, может включать также незаполненные целлюлозные волокна или неорганические или синтетические волокна);

в качестве добавок используют следующие материалы:

модификаторы вязкости, огнезащитные материалы, водостойкие агенты, наполнители, пигменты, красители, пластификаторы, диспергаторы, силиконовые материалы, порошок алюминия, глину, каолин, слюду, карбонат кальция, полимерные смолы и их смеси.

Процесс изготовления фиброцементного композиционного материала, в соответствии с прототипом, включает следующие стадии: 1) приготовление индивидуальных волокон целлюлозы; 2) заполнение целлюлозных волокон неорганическими и/или органическими материалами; 3) смешение всех ингредиентов до получения густого раствора или пасты; 4) формовка смеси одним из методов (выдавливание, экструзия, ручная отливка и др.); 5) отверждение паром при 60-200°С в течение 3-30 ч.

Недостатками прототипа являются недостаточно высокие: предел прочности на сжатие; осадка конуса; прочность на растяжение при изгибе; модуль упругости.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание состава композиционного строительного материала для изготовления бетонных изделий, позволяющего повысить: предел прочности на сжатие; осадку конуса; прочность на растяжение при изгибе; модуль упругости.

Поставленная задача решена композиционным строительным материалом, содержащим цементное связующее, заполнитель, модификатор плотности, лигноцеллюлозные материалы и добавку, который в качестве модификатора плотности содержит концентрированные отходы производства капролактама, в качестве лигноцеллюлозных материалов - отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов и представляющие собой целлюлозосодержащие отходы агропромышленного комплекса, а в качестве добавки - сухую барду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цементное связующее	17-25
Заполнитель	50-65
Модификатор плотности	0,5-2
Лигноцеллюлозные
материалы	2,45-13,75
Добавка	1-3
Вода	до 100

Для приготовления заявленного цементного композиционного строительного материала, предназначенного для изготовления бетонных изделий, используют следующие ингредиенты:

- Цементное связующее: -портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия. [ГОСТ 10178-85]; - цемент для строительных растворов. Технические условия. [ГОСТ 25328-82]; - цементы сульфатостойкие. Технические условия. [ГОСТ22266-94].

- Заполнитель: - гравий и песок керамзитовые. Технические условия. [ГОСТ 9759-76]; - гравий шунгизитовый. Технические условия. [ГОСТ 19345-73]; - природные и дробленые пески. Технические условия. [ГОСТ 8736-77 и ГОСТ 10268-80]; - песок для строительных работ. Технические условия. [ГОСТ 8736-93]; - щебень и песок из пористых горных пород. Технические условия. [ГОСТ 22263-76]; - смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия. [ГОСТ 25592-91].

- Модификатор плотности: концентрированные отходы производства капролактама.

- Щелочной сток производства капролактама (ЩСПК) [ТУ 2433-039-00205311-08] - представляет собой водный раствор натриевых солей кислых побочных продуктов воздушного окисления циклогексана. По внешнему виду - жидкость от коричневого до темно-коричневого цвета, непрозрачная, без видимых механических примесей.

Массовая доля сухого вещества - 25-45%; массовая доля натриевых солей органических кислот (в пересчете на адипинат натрия) - 18-30%; массовая доля циклогексанола - не более 0,8%; Массовая доля циклогексана - не более 0,2%; массовая доля смолы - не более 10%; рН раствора 10-13; плотность при 20°С - 1,1-1,2 г/см³.

- Отработанный раствор, образующийся при промывке оборудования производства капролактама и полиамида-6 триэтаноламином [ТУ 2423-168-00203335-2007], представляющий собой жидкость от коричневого до темно-коричневого цвета, непрозрачный, без видимых механических примесей, содержащий до 85% триэтаноламина и до 15% капролактама [ГОСТ 7850-86] и его полимерных форм [ТУ 6-05-988-87] в разных соотношениях.

- Лигноцеллюлозные материалы: древесные опилки, лузга подсолнечника, измельченные стебли топинамбура, солома, содержащие соли тяжелых металлов, например, сульфаты, хлориды, нитраты, ацетаты Cu(II), Zn(II), Cd(II), Ni(II), Fe(II) и др.

- Добавка: сухая барда, представляющая собой отход при выработке этилового спирта из смеси пшеницы и ржи - коричневый мелкодисперсный порошок темно-коричневого цвета с приятным (хлебным) запахом, содержащий белковую (до 30%) и целлюлозную (около 13-21%) составляющие [Вторичные материальные ресурсы пищевой промышленности: образование и использование. Справочник. - М.: Экономика, 1984. - 328 с.].

- Вода для бетонов и растворов. Технические условия. [ГОСТ 23732-79].

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1

В смеситель загружают портландцемент - 17 мас.% (17 кг) и гравий и песок керамзитовые - 65 мас.% (65 кг) и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду - 9,35 мас.% (9,35 кг) и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят ЩСПК - 1 мас.% (1 кг) и древесные опилки, представляющие собой отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов, - 5,15 мас.% (5,15 кг) и сухую барду - 2,5 мас.% (2,5 кг), после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24-36 ч при температуре от +5 до 130°С с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.

Пример 2

В смеситель загружают шлакопортландцемент - 23 мас.% (23 кг) и гравий шунгизитовый - 57 мас.% (57 кг) и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 12,65 мас.% (12,65 кг) и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят ЩСПК - 1,5 мас.% (1,5 кг), измельченные стебли топинамбура, представляющие собой отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов, - 3,85 мас.% (3,85 кг) и сухую барду - 2 мас.% (2 кг), после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24-36 ч при температуре от +5 до 130°С с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.

Пример 3

В смеситель загружают цемент для строительных растворов - 25 мас.% (25 кг) и песок для строительных работ - 50 мас.% (50 кг) и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 13,75 мас.% (13,75 кг) и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят отработанный раствор, образующийся при промывке оборудования производства капролактама и полиамида-6 триэтаноламином - 0,5 мас.% (0,5 кг), короткое льняное волокно, представляющее собой отработанный сорбент очистки сточных или технологических вод, содержащий соли тяжелых металлов, - 9,25 мас.% (9,25 кг) и сухую барду 1,5 мас.% (1,5 кг), после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24-36 ч при температуре от +5 до 130°С с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.

Пример 4

В смеситель загружают цементы сульфатостойкие 19 мас.% (19 кг) и щебень и песок из пористых горных пород - 55 мас.% (55 кг) и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 10,45 мас.% (10,45 кг) и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят ЩСПК - 0,8 мас.% (0,8 кг), лузгу подсолнечника, представляющую собой отработанный сорбент очистки сточных или технологических вод, содержащий соли тяжелых металлов - 13,75 мас.% (13,75 кг) и сухую барду 1 мас.% (1 кг), после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24-36 ч при температуре от +5 до 130°С с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.

Пример 5

В смеситель загружают портландцемент - 21 мас.% (21 кг) и природные и дробленые пески - 60 мас.% (60 кг) и производят их смешение с образованием твердой смеси, затем добавляют воду 11,55 мас.% (11,55 кг) и все перемешивают с образованием густой массы, в которую вводят отработанный раствор, образующийся при промывке оборудования производства капролактама и полиамида-6 триэтаноламином - 2 мас.% (2 кг), солому, представляющую собой отработанный сорбент очистки сточных или технологических вод, содержащий соли тяжелых металлов, - 2,45 мас.% (2,45 кг) и сухую барду - 3 мас.% (3 кг), после чего все перемешивают с густой массой до образования однородной композиции, выливают эту композицию в форму и отверждают ее в течение 24-36 ч при температуре от +5 до 130°С с образованием твердого конструкционного строительного материала. Готовый цементный конструкционный строительный материал может подвергаться механической обработке, разрезаться и окрашиваться.

Заявляемый композиционный строительный материал, а также бетоны на его основе были испытаны по следующим показателям: осадка конуса (после затворения через 5, 30, 60, 90 и 180 мин) - по [ГОСТ 10181-2000. Смеси бетонные. Методы испытаний]; предел прочности на сжатие (через 3, 7 и 28 суток) и прочность на растяжение при изгибе - по [ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности]; модуль упругости - по [ГОСТ 24452-80. Бетоны. Методы испытаний].

В таблице приведены результаты испытаний составов заявленного композиционного строительного материала и состава - прототипа.

Из таблицы видно, что при испытании образцов бетонов, изготовленных из заявляемого композиционного строительного материала, такие показатели, как предел прочности на сжатие, прочность на растяжение при изгибе и модуль упругости возрастают по сравнению с прототипом; осадка конуса остается примерно на том же уровне через 5, 30 и 60 мин, но увеличивается - через 90 и 180 мин.

Кроме того, изобретение позволяет использовать лигноцеллюлозные материалы, представляющие собой отходы агромпромышленного комплекса, без проведения предварительной процедуры делигнификации; исключить дополнительную операцию по заполнению целлюлозных волокон неорганическими и/или органическими материалами; утилизировать отработанные сорбенты, содержащие соли металлов.

Заявленный композиционный строительный материал сохраняет все преимущества прототипа, такие как хорошие огнезащитные свойства, низкая скорость адсорбции воды и пониженная водопроницаемость, за счет присутствия в целлюлозосодержащих материалах солей металлов, так как эти вещества проникают в глубь волокон и ингибируют миграцию воды в цементном композиционном материале. Присутствие ионов металлов придает также инсектофунгицидные и бактерицидные свойства.

Таблица
Примеры № п/п	Показатели качества
Предел прочности на сжатие, МПа, через сут:	Прочность на растяжение при изгибе, МПа	Модуль упругости	Осадка конуса, см, после затворения, через мин
3	7	28	5	30	60	90	180
1.	16,1	26,8	35,9	3,63	3,1·104	22,5	22,0	19,6	18,1	16,3
2.	16,8	27,4	37,4	3,89	3,3·104	23,4	22,9	20,2	18.5	16,1
3.	17,7	27,9	41,5	4,25	3,9·104	23,8	23,2	20,1	18,3	15,0
4.	16,2	27,2	35,8	3,71	3,4·104	22,7	21,9	18,9	17,4	14,8
5.	16,5	27,8	36,8	3,69	3,3·104	22,8	22,1	18,6	17,3	14,6
Прототип	15,8	26,5	35,7	3,61	3,0·104	22,5	21,9	18,4	16,6	12,1

Композиционный строительный материал, содержащий цементное связующее, заполнитель, модификатор плотности, лигноцеллюлозные материалы и добавку, отличающийся тем, что в качестве модификатора плотности он содержит концентрированные отходы производства капролактама, в качестве лигноцеллюлозных материалов - отработанные сорбенты очистки сточных или технологических вод, содержащие соли тяжелых металлов и представляющие собой целлюлозосодержащие отходы агропромышленного комплекса, а в качестве добавки - сухую барду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цементное связующее	17-25
Заполнитель	50-65
Модификатор плотности	0,5-2
Лигноцеллюлозные материалы	2,45-13,75
Добавка	1-3
Вода	до 100