Способ изготовления строительных изделий
Владельцы патента RU 2502697:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) (RU)
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к технологии производства фундаментных и стеновых блоков, тротуарных изделий, бордюрного камня. В способе изготовления строительных изделий, включающем приготовление сырьевой смеси, содержащей жидкое стекло, измельченный песок и добавку, формование изделий и сушку, в качестве добавки используют этилсиликат, осуществляют измельчение песка до удельной поверхности 4500-5500 см2/г, смешивают его с этилсиликатом, затворяют полученную смесь жидким стеклом с силикатным модулем 3 и плотностью 1,45-1,5 г/см3, формование осуществляют прессованием при 80-100 МПа, а сушку - при температуре 80-100°C в течение 5-6 ч, при следующем соотношении компонентов, масс.%: указанный песок 74-84, указанное жидкое стекло 13-25,5, этилсиликат 0,5-3. Технический результат - повышение механической прочности и водостойкости строительных изделий, улучшение формовочных свойств сырьевой смеси, снижение энергоемкости способа изготовления изделий. 1 пр., 2 табл.
Предлагаемое изобретение относится к производству строительных изделий, в частности к способу изготовления строительных изделий. Изобретение может быть использовано в технологии изготовления фундаментных и стеновых блоков, тротуарных изделий, бордюрного камня.
Известно большое количество изобретений [1-4], относящихся к способам производства строительных изделий на основе песка и жидкого стекла. Изделия, полученные указанными способами, обладают недостаточной механической прочностью и водостойкостью.
Известен способ изготовления строительных изделий на основе силикатного связующего, в качестве которого используются жидкое стекло, силикат-глыба, гидросиликат натрия, кремнегель, и кремнеземистый наполнитель с влажностью не более 20% и дисперсностью 4-50 мкм и 0,1-2,5 мм. Приготовление формовочной массы с влажностью 6-10% осуществляют при интенсивном перемешивании до гомогенного состояния путем сначала совместного помола указанного силикатного связующего с 2-5 масс.% указанного наполнителя до его дисперсности 4-50 мкм, затем вводят воду и добавляют в полученную активированную смесь 20,0-46,5 масс.% указанного наполнителя с дисперсностью 4-50 мкм и 24,5-63,9 масс.% того же наполнителя с дисперсностью 0,1-2,5 мм. Дополнительно вводят пигмент и ускоритель твердения. Формование осуществляют прессованием при давлении от 1,0 до 150 кг/см2, а сушку при 25-400°C при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанное силикатное связующее - 0,5-15,5; указанный кремнеземистый наполнитель - 75,9-85,9; ускоритель твердения - 0,5-5,0; вода - 8,1-13,3; пигмент - 0-5,0. Причем используют жидкое стекло предпочтительно в количестве 0,5-15,5 мас.%, силикат-глыбу с дисперсностью 4-20 мкм предпочтительно в количестве 0,5-3,0 мас.%, гидросиликат натрия с дисперсностью 4-20 мкм предпочтительно в количестве 3,0-4,0 мас.%, кремнегель с дисперсностью 4-20 мкм предпочтительно в количестве 2,0-4,0 мас.%, а после сушки дополнительно осуществляют обжиг при 600-1000°C в течение 15-90 мин. Использование данного способа позволяет получить строительные материалы, имеющие прочность при сжатии 40-90 МПа, прочность при изгибе 18-56 МПа [5].
Недостатками аналогов является сложность технологического процесса и недостаточно высокие прочностные характеристики получаемых строительных изделий.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ изготовления строительных изделий по патенту [6].
Согласно патенту предлагаемый способ изготовления изделий включает смешение жидкого стекла с водой и добавкой с последующим смешением с заполнителем, часть которого предварительно измельчена, формовку изделий и их термообработку. В предлагаемом способе осуществляется совместный помол кварцевого песка, жидкого стекла, воды и добавки, затем добавляется немолотый заполнитель и отформованные изделия подвергаются термообработке при 300-360°C.
Недостатком данного аналога является низкая прочность на сжатие (25,5 МПа) и повышенные температуры термообработки (300-360°C).
Наиболее близким к предлагаемому способу изготовления строительных изделий по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления безобжиговых строительных изделий на основе силикат-глыбы, например, стеновых блоков и кирпича. Сырьевая смесь содержит силикат-глыбу 1-3 мас.% и песок 97-99 мас.%, при этом сначала силикат-глыбу и 30-50 мас.% песка подвергают совместному измельчению, затем смешивают с остальной частью песка, затворяют водой, из полученной смеси с водотвердым отношением 0,1-0,12 формуют изделия под давлением 10-20 МПа, которые пропаривают при атмосферном давлении при 80-90°C, влажности 90-100% в течение 1-1,5 ч, затем сушат при 110-120°C в течение 2-3 ч. При необходимости придания изделиям декоративного вида их поверхность подвергают глазурованию путем воздействия низкотемпературной плазмы. Использование данного способа позволяет получить строительные материалы, имеющие прочность при сжатии 25-50 МПа [7].
Недостатком прототипа являются невысокие значения прочности на сжатие.
Технический результат изобретения состоит в повышении механической прочности и водостойкости строительных изделий, улучшении формовочных свойств сырьевой смеси и снижении энергоемкости способа производства изделий.
Этот технический результат достигается способом изготовления строительных изделий, включающим приготовление сырьевой смеси, содержащей жидкое стекло, измельченный песок и добавку, формование изделий и сушку, при этом в качестве добавки используют этилсиликат, осуществляют измельчение песка до удельной поверхности 4500-5500 см2/г, смешивают его с этилсиликатом, затворяют полученную смесь жидким стеклом с силикатным модулем 3 и плотностью 1,45-1,5 г/см3, формование осуществляют прессованием при 80-100 МПа, а сушку - при температуре 80-100°C в течение 5-6 ч, при следующем соотношении компонентов сырьевой смеси, мас.%: указанный песок 74-84, указанное жидкое стекло 13-25,5, этилсиликат 0,5-3.
Использование измельченного песка приводит к повышению прочности материала, что может быть связано как с уменьшением размера частиц и повышением активной поверхности, так и с изменением кристаллической решетки поверхностных слоев зерен кварца. Таким образом, помол песка, при котором раскрывается большая активная поверхность, приводит к ускорению процессов взаимодействия жидкого стекла с поверхностью зерен кварца при низких температурах, и, следовательно, к снижению пористости и повышению прочности образцов.
Благодаря введению в сырьевую смесь этилсилката происходит гидрофобизация поверхности зерен песка, что устраняет прилипание смеси к стенкам формы, а также способствует быстрому влагоудалению при сушке заготовок, ускорению процессов полимеризации жидкостекольного связующего и повышению водостойкости изделий. При взаимодействии этилсиликата с жидким стеклом образуется эмульсия, в которой с течением времени происходит выделение геля кремниевой кислоты, являющегося основным цементирующим веществом, связывающим зерна заполнителя. Увеличение модуля жидкого стекла в результате химической реакции с этилсиликатом способствует повышению водостойкости композиции.
Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.
Пример 1
Для приготовления сырьевой смеси используют природный кварцевый песок из региона Крайнего Севера и натриевое жидкое стекло. Помол песка проводят в планетарной мельнице корундовыми шарами до удельной поверхности 5000 см2/г. К измельченному песку, взятом в количестве 80 мас.% добавляют этилсиликат (2 мас.%) и тщательно перемешивают до получения однородной по цвету массы, которую затем затворяют жидким стеклом (18 мас.%) и после гомогенизации смеси методом полусухого прессования при давлении 90 МПа формуют образцы. После прессования образцы подвергают сушке при температуре 100°C в течение 5 часов. Другие примеры осуществления изобретения раскрыты в таблицах 1, 2.
В таблице 1 приведены составы сырьевой смеси для получения строительных изделий.
| Таблица 1 | ||||||
| Составы Компоненты |
Содержание, масс.% | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Кварцевый песок | 74 | 76 | 80 | 80 | 84 | 84 |
| Жидкое стекло | 25,5 | 23 | 18 | 19,5 | 15 | 13 |
| Этилсиликат | 0,5 | 1 | 2 | 0,5 | 1 | 3 |
Выбранные сочетания сырьевых компонентов (природного кварцевого песка, жидкого стекла и этилсиликата) обеспечивают получение строительных изделий с прочностью на сжатие до 140 МПа и высокой водостойкостью, о чем свидетельствуют данные таблицы 2. Присутствие этилсиликата в сырьевой смеси повышает однородность смеси и прочность сырца, устраняет прилипание смеси к форме и уменьшает процент брака.
Увеличение содержания песка выше 84% приводит к снижению прочностных характеристик получаемого материала, так как не достигается равномерное распределение связующего между зернами наполнителя.
Содержание кварцевого природного песка в сырьевой смеси меньше 74% нецелесообразно, поскольку возрастает толщина слоя связующего между зернами наполнителя. В жидкостекольных композициях на основе песка наименее прочными являются когезионные контакты внутри ксерогеля, а не адгезионные контакты наполнитель - ксерогель, что обусловлено высокой степенью химического сродства наполнителя к связующему и природой этого взаимодействия. Количество связующего должно быть минимальным, но достаточным для образования тонких клеящих слоев между зернами наполнителя. Также следует стремиться к получению плотной глобулярной структуры ксерогеля в таких прослойках.
| Таблица 2 | |||||||
| Эксплуатационные свойства и условия синтеза материалов, получаемых по заявляемому способу. | |||||||
| Состав Свойство |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | Прототип |
| Предел прочности при сжатии, МПа | 120 | 92 | 140 | 120 | 80 | 64 | 49 |
| Предел прочности при изгибе, МПа | 48 | 45 | 53 | 40 | 32 | 21 | - |
| Водостойкость | 0,9 | 1 | 1 | 1 | 0,9 | 0,9 | 0,88 |
| Давление прессования P, МПа | 80 | 80 | 90 | 90 | 100 | 100 | 35 |
| Температура сушки T, °C | 80 | 80 | 100 | 80 | 100 | 80 | 120 |
| Время сушки т, ч. | 6 | 6 | 5 | 6 | 6 | 5 | 3 |
Выбранный интервал температур сушки обеспечивает протекание процессов цементирования зерен песка, что придает конечному материалу высокие прочностные свойства.
Стадия упрочнения образовавшихся при прессовании контактов связана с обезвоживанием материала. Процесс твердения смесей объясняется тем, что выделившийся в результате реакции гелеобразный кремнезем откладывается на поверхности зерен песка и, теряя влагу, уплотняется, цементируя зерна. В естественных условиях длительность данного процесса составляет свыше 30 суток. В предложенном способе эта стадия проводится при 80-100°C в течение 5-6 ч. Снижение температуры сушки менее 80°C приведет к увеличению длительности процесса, а повышение температуры выше 100°C - к интенсификации процесса обезвоживания и образованию трещин в материале из-за быстрого испарения влаги.
Таким образом, заявляемый способ обладает следующими преимуществами:
- обеспечивает получение строительных материалов с повышенными прочностными характеристиками и водостойкостью;
- использует дешевый недефицитный сырьевой компонент - природный кварцевый песок в количестве не менее 74%;
- обладает улучшенными формовочными свойствами и позволяет устранить прилипание смеси к форме за счет введения этилсиликата;
- позволяет снизить энергоемкость способа получения строительных изделий за счет исключения стадии пропарки материала и снижения температуры сушки на 20-40°C;
- открывает возможность создания производства строительных изделий в регионах, бедных сырьевыми материалами, в частности регионах Крайнего Севера России, и исключают дорогостоящие транспортные перевозки.
Используемая литература:
1. Патент RU №96113179 МПК C04B 35/14 от 27.11.1996
2. Патент US №4814013 МПК C04B 14/02 от 21.03.1989
3. Патент US №5795104 МПК C09K 17/00 от 18.08.1998
4. Патент RU №2235697 МПК C04B 28/26 от 10.09.2004
5. Патент RU №2206536 МПК C04B 28/26 от 20.06.2003
6. Патент RU №2109710 МПК C04B 28/26 от 27.04.1998
7. Патент RU №2018498 МПК C04B 28/26 от 30.08.1994
Способ изготовления строительных изделий, включающий приготовление сырьевой смеси, содержащей жидкое стекло, измельченный песок и добавку, формование изделий и сушку, отличающийся тем, что в качестве добавки используют этилсиликат, осуществляют измельчение песка до удельной поверхности 4500-5500 см2/г, смешивают его с этилсиликатом, затворяют полученную смесь жидким стеклом с силикатным модулем 3 и плотностью 1,45-1,5 г/см3, формование осуществляют прессованием при 80-100 МПа, а сушку при температуре 80-100°C в течение 5-6 ч, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Указанный песок | 74-84 |
| Указанное жидкое стекло | 13-25,5 |
| Этилсиликат | 0,5-3 |
