Композиция для легкого гранулированного заполнителя и способ его получения

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности легкого гранулированного заполнителя для бетонов. Технический результат: получение теплоизоляционного заполнителя с использованием древесных опилок, упрощение технологии его изготовления. Композиция для получения гранулированного легкого заполнителя включает опилки и связующее, содержащее дисперсные алюмосиликаты, цемент, известь и гипс, при этом доля минеральных компонентов от общего веса композиции не превышает 40%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: опилки - 25-30; дисперсные алюмосиликаты (глина) - 15-20; гипс - 5-8; цемент - 5-10; известь - 1-2; вода - остальное. Способ изготовления гранулированного заполнителя включает приготовление смеси, грануляцию и термообработку сырцовых гранул. Предварительно готовят вышеупомянутую смесь связующего путем перемешивания сухих минеральных компонентов и последующего введения воды. В полученную смесь при непрерывном перемешивании вводят опилки, гранулируют, проводят термообработку гранул при 150-200°С в течение 10-15 мин, охлаждают их до комнатной температуры, после чего помещают в закрытую емкость, где выдерживают в течение 3-7 суток при нормальных температуре и давлении. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к получению гранулированного теплоизоляционного материала, легкого заполнителя для бетонов промышленного и гражданского строительства.

Известна сырьевая смесь, включающая микрокремнезем, раствор гидроксида натрия, воду и борную кислоту при соотношении компонентов, мас.%: микрокремнезем - 40,55, борная кислота - 1,22, раствор гидроксида натрия с концентрацией 45,22% в пересчете на Na₂O - 21,0 и вода - 37,19. Способ получения гранулированного теплоизоляционного материала включает приготовление суспензии из микрокремнезема с дополнительным введением борной кислоты, раствора гидроксида натрия и воды, гидротермальную обработку суспензии при 80-90°С и атмосферном давлении в течение 10 мин, грануляцию и последующие предварительную термообработку полученных сырцовых гранул при 100°С в течение 10 мин и заключительную термообработку при 350-400°С в течение 10 мин (RU 2220927, С04В 28/26, 2004).

Двухстадийный режим термообработки и использование дорогостоящих компонентов - борной кислоты и гидроксида натрия увеличивают себестоимость получаемого гранулированного материала, что является недостатком известного изобретения.

Известна также сырьевая смесь для гранулированного теплоизоляционного материала, включающая микрокремнезем, раствор гидроксида натрия с концентрацией 45,22% (в пересчете на Na₂O) и воду, дополнительно содержащая пек талловый неомыленный с концентрацией 82% (в пересчете на сухое вещество), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Микрокремнезем	41,37
Пек талловый неомыленный	0,21
Гидроксид натрия	21,97
Вода	36,45

Гранулированный материал из этой смеси получается путем приготовления суспензии из микрокремнезема, раствора гидроксида натрия и воды, гидротермальной обработкой суспензии при 80-90°С и атмосферном давлении в течение 10-15 мин и грануляцией с последующей термообработкой сырцовых гранул при 350-400°С в течение 10 мин, причем для приготовления суспензии дополнительно используют пек талловый неомыленный (RU 2257358, С04В 28/26, С04В 111/20, 2004).

Общим недостатком известных технических решений, затрудняющим их широкое использование, является использование микрокремнезема, доступность использования которого возможна лишь в местах производства кремнийорганических сплавов, а также использование экологически опасных химических компонентов, таких как едкий натр.

Известен также способ получения безобжигового заполнителя для легкого бетона, включающий приготовление ядра из вспененного щебня или песка, получающегося из расплава и содержащего остаточный серный ангидрид или его водный раствор H₂SO₄, обработку ядра водным раствором хлорида металла, выбранного из ряда Са⁺⁺, Al⁺⁺⁺, Fe⁺⁺, Mg⁺⁺, которую проводят в смесителе при непрерывном перемешивании при распылении образовавшегося в результате обменных реакций сульфата металла и соляной кислоты. После введения в смеситель минерального вяжущего одного или нескольких из ряда портландцемент, буроугольная зола, белитоалюминатный цемент, каустический магнезит перемешивают до образования сплошной оболочки на ядре (RU 2237636, С04В 20/10, 2001).

К недостаткам известного технического решения можно отнести его высокую себестоимость, обусловленную использованием пеносиликатного щебня или песка, получаемых в электропечи при температуре 1500-1650°С, сложность технологии и использование дорогостоящих хлоридов металлов и экологически опасных кислот типа H₂SO₄ и HCl.

Известна также сырьевая смесь для безобжигового легкого заполнителя, включающая золу-унос ТЭЦ и вяжущее, в качестве которого она содержит жидкое стекло из микрокремнезема и дополнительно порообразующую добавку - отсев кристаллического кремния, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Зола-унос ТЭЦ	25,7-27,6
Жидкое стекло	64,5-68,9
Отсев кристаллического кремния	3,5-9,8

Способ получения легкого заполнителя из указанной смеси является наиболее близким и включает приготовление сырьевой смеси путем предварительного подогрева вяжущего с порообразующей добавкой, перемешивания их смеси и золы-уноса ТЭЦ, грануляцию и термообработку сырцовых гранул при 120-150°С в течение часа (RU 2148043, С07В 18/10, 1998).

Недостатком известных смеси и способа получения заполнителя также является их повышенная себестоимость, обусловленная использованием в качестве вяжущего жидкого стекла, полученного из микрокремнезема, и привязка к местным источникам сырья.

Известна также композиция для получения теплоизоляционного гранулированного материала, включающая опилки, связующее, в качестве которого используют смесь поливинилового спирта и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, 50% водный раствор продукта конденсации мочевины и фосфорной кислоты в качестве антипирена, фтористый натрий в качестве антисептика и воду, при следующих соотношениях компонентов, мас.%: опилки - 60-68; поливиниловый спирт 7-8; натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы 7-8; 50% водный раствор продукта конденсации мочевины и фосфорной кислоты 15-18; фтористый натрий 2,2-2,8; вода - остальное. Получение гранулированного заполнителя заключается в приготовлении связующего, совмещении его с опилками, грануляции и сушке при температуре от 60°С до 110°С (RU 22000716, С04В 28/26, 2000).

Возможность утилизации отходов деревообрабатывающей промышленности (опилок) является достоинством известного изобретения. Однако все химические составляющие композиции относятся к довольно дорогим, редко используемым и экологически не безопасным. Указанные компоненты требуют особого режима хранения и принятия специальных мер безопасности при использовании. При подсушивании сырцовых гранул при 60-110°С происходит выделение летучих фракций компонентов, что ухудшает условия труда и требует использования принудительной вентиляции. Кроме того, при использовании измельченной древесины, извлеченной, например, из твердых бытовых отходов, требуется их предварительное обезвреживание и обеззараживание, так как они загрязнены различными органическими и неорганическими экотоксикантами. Известный способ является наиболее близким к предлагаемому способу получения гранулированного заполнителя, который изготавливается на основе предлагаемой композиции.

В этой части изобретения наиболее близкой является композиция для получения опилкобетона, включающая опилки с размером частиц 0,1-3 мм, песок или мелкий гравий и связующее, содержащее портландцемент, известь и глину (алюмосиликаты), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент	30
Гашеная известь	5
Опилки	30
Мелкий гравий или песок	10
Глина (алюмосиликаты)	5
Вода	20

(RU 21063226, С04В 28/00, С04В 18/26, С04В 111/20, 1996).

В целях проведения сопоставительного анализа известной и предлагаемой композиций авторы предприняли попытку изготовить образцы материала с известным соотношением компонентов. Полученная смесь отличалась рыхлой консистенцией и низкой пластичностью, плохо формовалась и для формования гранул ограниченных размеров (менее 20-30 мм) оказалась практически не пригодна. Обусловлено это тем, что при совмещении компонентов связующего с опилками, имеющими высокую водоотвлекающую способность, нарушается оптимальное взаимодействие воды с цементом, известью и глиной, то есть процессы их гидратации и гидролиза ухудшаются, а низкая пластичность смеси приводит к тому, что достаточно полного обволакивания частиц наполнителя (опилок и песка) не происходит и смесь для формования гранул становится не технологичной. Кроме того, известный материал имеет повышенную объемную массу, что обусловлено большим расходом минеральных компонентов (портландцемента, песка или гравия, глины и извести) - около 50 мас.%, что не способствует повышению его теплотехнических свойств. Указанные обстоятельства делают невозможным использование известной композиции для изготовления легкого, в частности, гранулированного теплоизоляционного заполнителя для строительных материалов.

Целью создания предлагаемого изобретения является разработка композиции для получения гранулированного теплоизоляционного заполнителя с использованием древесных опилок, упрощение технологии его изготовления и снижение себестоимости.

Указанная цель достигается тем, что в композиции для получения теплоизоляционного заполнителя, включающей опилки и связующее, содержащее дисперсные алюмосиликаты, цемент и известь, согласно изобретению связующее дополнительно содержит гипс, при этом доля минеральных компонентов от общего веса композиции не превышает 40%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Опилки	25-30
Дисперсные алюмосиликаты (глина)	15-20
Гипс	5-8
Цемент	5-10
Известь	1-2
Вода	остальное

Поставленная цель достигается также тем, что в способе получения гранулированного заполнителя, включающем приготовление смеси, грануляцию и термообработку сырцовых гранул, согласно изобретению предварительно готовят смесь связующего путем перемешивания сухих компонентов и последующего введения воды, а затем в полученную смесь при непрерывном перемешивании вводят опилки, гранулируют и проводят термообработку полученных гранул при 150-200°С в течение 10-15 мин, а после охлаждения гранул до комнатной температуры помещают их в закрытую емкость, где выдерживают в течение 3-7 суток при нормальных температуре и давлении.

Авторам не известны источники информации, содержащие сведения о технических решениях с идентичной совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию «новизна».

Основным отличием предлагаемой композиции от известной является то, что связующее выполнено не на основе цемента, а на основе дисперсных алюмосиликатов. Содержащиеся в связующем цемент и известь, также как и гипс, выполняют роль модифицирующих добавок. При взаимодействии дисперсных алюмосиликатов (глины) с водой и добавками цемента и извести в результате щелочного гидролиза формируется коллоидно-дисперсная алюмосиликатная матрица, обладающая вяжущими и сорбционными свойствами. Входящая в состав связующего известь способствует пластификации смеси и преодолению кислотной буферности дисперсных алюмосиликатов, что благоприятствует процессу твердения материала при взаимодействии с входящим в состав композиции цементом. Введение цемента в состав связующего повышает водоустойчивость и прочность получаемого гранулированного заполнителя, тогда как введение гипса ускоряет начало процесса твердения материала. Обезвреживающие и обеззараживающие качества полученной минеральной матрицы позволяют использовать измельченные древесные отходы, загрязненные различными органическими и неорганическими экотоксикантами, без предварительной обработки, что значительно упрощает технологический процесс и снижает себестоимость полученного материала.

Количество используемых дисперсных алюмосиликатов (глины) выбрано из условия обеспечения полного обволакивания частиц опилок после их введения в связующее, а также снижения их водоотвлекающего действия, без ограничения которого не обеспечивается требование к пластичности смеси для формования гранул, а также нарушаются условия благоприятного твердения связующего. При увеличении доли дисперсных алюмосиликатов более 20 мас.% снижается удельное содержание модифицирующих добавок, что замедляет процесс твердения и снижает прочность гранул. В свою очередь уменьшение количества алюмосиликатов приводит к неравномерному обволакиванию частиц опилок связующим и затрудняет цементацию композиции, при этом происходит нарушение однородности структуры, что также влияет на прочностные качества гранул. Кроме того, заявленное соотношение компонентов обеспечивает перевод воды затворения в химически связанное состояние, полученное минеральной матрицей, что предотвращает интенсивный отбор воды опилками в результате формирования на их поверхности алюмосиликатной пленки. Таким образом, облегчается процесс регулирования влажности твердеющей массы связующего. Кроме того, дисперсные алюмосиликаты повышают адгезионные и когезионные свойства смеси, что также положительно влияет на прочностные характеристики материала.

Снижение доли гипса, вводимого в связующее, приведет к замедлению процесса твердения, тогда как увеличение его количества свыше заявленного приведет к ускорению схватывания, что затрудняет процесс гранулирования с помощью экструдера.

При уменьшении количества цемента ниже 5 мас.% снижается водостойкость и прочность гранул, а вот увеличение его доли свыше 10 мас.% нерационально, так как наряду с увеличением прочности происходит и увеличение объемной массы материала, что снижает его теплотехнические качества.

Как уже отмечалось, введение извести обеспечивает гидролиз дисперсных алюмосиликатов, в результате чего увеличивается выход коллоидно-дисперсных фаз, то есть повышается пластичность связующего, обеспечивается равномерное обволакивание древесных частиц опилок и в конечном итоге повышаются прочностные качества материала. Но увеличение доли извести свыше заявленного количества приводит к такому увеличению пластичности смеси, что затрудняет формование гранул и негативно сказывается на водостойкости последних.

Заявленное соотношение компонентов связующего и общая доля минеральных компонентов в смеси, не превышающая 40% от общего веса, обеспечивают получение технологичной смеси, создают оптимальные условия для образования кристаллогидратов и выбраны из условия обеспечения заданных прочностных и теплотехнических характеристик гранулированного заполнителя.

Из этих условий было определено и оптимальное количество опилок, являющихся одним из основных компонентов композиции. Уменьшение их доли приводит к увеличению объемной массы и ухудшению теплотехнических свойств материала, а увеличение доли опилок влечет за собой снижение доли связующего в композиции, что ухудшает технологические свойства композиции, такие как формуемость, и снижает прочность получаемых гранул.

Реализация предлагаемого изобретения осуществляется согласно способу, по которому с учетом особенностей используемых компонентов приготовление композиции выполняют в два этапа. Сначала приготавливают связующее с использованием всего расчетного количества воды и только потом в него вводят древесные опилки. Обусловлено это тем, что при одновременном введении всех компонентов не обеспечивается получение однородной вязкопластичной массы, что является следствием максимального водоотвлечения влаги древесными частицами опилок. В этом случае вода из смеси интенсивно поглощается древесными частицами, смесь приобретает рыхлую консистенцию, процесс гидролиза дисперсных алюмосиликатов затрудняется. В результате получается смесь, не обладающая необходимыми вяжущими качествами. Если же совмещение древесных опилок выполняют с уже приготовленным связующим, в котором вода находится в связанном состоянии, предотвращается их избыточное увлажнение и при перемешивании обеспечивается равномерное распределение связующего по поверхности древесных частиц в объеме материала. Параметры процесса термообработки изготовленных из композиции гранул определены экспериментально и выбраны из условия быстрого формирования прочной поверхностной оболочки гранул (корки), обеспечивающей их целостность. Создание подобной оболочки замедляет испарение влаги, находящейся внутри гранул, наличие которой обеспечивает постепенный набор прочности материалом ядра гранул в течение 3-7 суток выдержки. Для оптимального протекания процесса набора прочности сформированные гранулы помещают в закрытые емкости (тару), предотвращающие ускоренное испарение влаги. Замедление процесса испарения обеспечивает набор повышенной прочности материала гранул. При быстром и полном высушивании гранул происходит резкое снижение их прочности и водостойкости.

Приведенные сведения, по мнению авторов, подтверждают соответствие заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень».

Возможность реализации изобретения подтверждается проведенными экспериментами и иллюстрируется следующими примерами.

Используемые материалы и оборудование.

Опилки древесные получены путем сухого дробления древесных отходов, извлеченных из твердых бытовых отходов (ТБО). Дробление выполняют с помощью конусной дробилки, например инерционной типа КИТ-300, разработанной в НПК «Механобр-техника». Степень измельчения древесины 3-5 мм, толщина частиц около 0,1 мм.

Дисперсные алюмосиликаты - например, бентонит, кембрийская глина, монтмориллонит и т.д., ГОСТ 3226. Влагосодержание не более 20%. При предварительном подсушивании температура не должна превышать 90°С в целях предотвращения снижения физико-химической активности. Содержание частиц диаметром более 5 мм не должно превышать 5%, что обеспечивает необходимую степень физико-химической активности порошка алюмосиликатов для более глубокого их гидролиза и повышенной интенсивности жидкофазных химических реакций.

Цемент - могут быть использованы марки М-400, М-500 (ГОСТ 23464-79, ГОСТ 4772-84, ГОСТ-22266-76, ГОСТ 23528-82).

Известь молотая негашеная I-II сорта с содержанием CaO, MgO не менее 65% (ГОСТ 9179-77).

На первом этапе реализации изобретения приготавливают смесь сухих компонентов связующего в заданном соотношении, для чего посредством дозаторов направляют их в смеситель (например, шнековый двухвальный смеситель периодического действия типа СМК-125 или КРОК-30), перемешивают в течение нескольких минут, а затем вводят воду затворения.

Второй этап - совмещение древесных опилок со связующим, которое выполняют в том же смесителе при равномерном перемешивании до достижения однородной консистенции.

Формование гранул заполнителя выполняют с помощью стандартного экструдера, снабженного выходной формовочной насадкой с отверстиями 15-20 мм, или другого формовочно-прессовочного оборудования, обеспечивающего создание уплотняющего давления при формовании гранул не менее 10 кг/см². Механическая нарезка гранул выполняется на выходе из экструдера. Длина гранул составляет 20-30 мм. С выхода экструдера гранулы направляются на термообработку, которую выполняют в течение 10-15 минут при Т=150-200°С. За это время на поверхности гранул формируется прочная оболочка. Затем гранулы выдерживают при комнатной температуре в течение времени, необходимого для снижения их температуры до температуры менее 20, и помещают в закрытые емкости, например полиэтиленовую тару, для эксикаторного набора прочности в течение 3-7 суток. В таблице 1 представлены данные о физико-механических свойствах гранулированного наполнителя, полученные для различных составов.

	Состав 1	Состав 2	Состав 3
Опилки	20,0	30,0	25,0
Дисперсные алюмосиликаты	15,0	25,0	20,0
Цемент	5,0	10,0	8,0
Гипс	5,0	10,0	8,0
Известь	1,0	2,0	1,5
Вода	остальное	остальное	остальное.

Анализ полученных результатов показывает, что в случае увеличения доли минеральных компонентов в составе композиции свыше 40% прочностные качества полученного гранулированного заполнителя возрастают незначительно, однако не смотря на увеличение доли древесных опилок в составе композиции это происходит в ущерб теплотехническим качествам получаемого гранулированного материала. Оптимальное соотношение прочностных и теплотехнических характеристик получаемого материала достигается при использовании композиции с соотношением компонентов, соответствующим заявленным пределам.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет изготавливать легкий гранулированный заполнитель для строительных изделий и смесей на основе алюмосиликатного вяжущего и опилок, которые могут быть получены, в частности, измельчением древесины, извлеченной из твердых бытовых отходов. Реализация предлагаемого изобретения обеспечивает одновременное обеззараживание и обезвреживание содержащихся в опилках биологических и химических загрязнителей. Использование доступного дешевого сырья, стандартного оборудования и простота технологии изготовления предлагаемого гранулированного заполнителя подтверждают его соответствие критерию «промышленная применимость».

Таблица 1
	Состав 1	Состав 2	Состав 3
Режим термообработки	150	200	150	200	150	200
Время термообработки	10	15	10	15	10	15	10	15	10	15	10	15
Объемная масса гранул, γо г/см3	0,71	0,72	0,73	0,73	0,77	0,78	0,76	0,79	0,69	0,71	0,70	0,72
Прочность образцов при сжатии через 7 суток выдержки R7 экс, кг/см2	4,2	4,3	4,7	4,9	6,8	7,2	6,9	7,3	6,5	7,0	7,1	7,2
Прочность при сжатии водонасыщенных образцов через 7 суток выдержки R7 w, кг/см2	2,7	2,8	3,0	3,7	5,5	5,9	5,7	6,3	5,3	5,4	5,6	5,8
Коэффициент водоустойчивости образцов Кв=R7 w/R7 экс	0,64	0,65	0,71	0,75	0,81	0,82	0,83	0,85	0,81	0,77	0,78	0,8
Коэффициент теплопроводности материала гранул λ Вт/ м·К	0,13	0,13	0,14	0,14	0,16	0,17	0,17	0,18	0,12	0,13	0,12	0,13

1. Композиция для получения гранулированного легкого заполнителя, включающая опилки и связующее, содержащее дисперсные алюмосиликаты, цемент и известь, отличающаяся тем, что связующее дополнительно содержит гипс, при этом доля минеральных компонентов от общего веса композиции не превышает 40%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Опилки	25-30
Дисперсные алюмосиликаты - глина	15-20
Гипс	5-8
Цемент	5-10
Известь	1-2
Вода	остальное

2. Способ получения легкого гранулированного заполнителя, включающий приготовление смеси, грануляцию и термообработку сырцовых гранул, отличающийся тем, что предварительно готовят смесь связующего по п.1 путем перемешивания сухих минеральных компонентов и последующего введения воды, затем в полученную смесь при непрерывном перемешивании вводят опилки, гранулируют, проводят термообработку гранул при 150-200°С в течение 10-15 мин, а после охлаждения гранул до комнатной температуры их помещают в закрытую емкость, где выдерживают в течение 3-7 сут при нормальных температуре и давлении.