Теплоизоляционно-конструкционный полистиролбетон

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к полистиролбетонам, используемым в теплосберегающих ограждающих конструкциях зданий и сооружений. Теплоизоляционно-конструкционный полистиролбетон плотностью 225-350 кг/м³, полученный из смеси, содержащей портландцемент, воду, комплексную воздухововлекающую и пластифицирующую добавку многофункционального действия, представляющую собой сбалансированную смесь в сухом или жидком виде, состоящую из воздухововлекающей добавки ПО-01Б на основе продуктов окисления отходов пищевой промышленности и пластификатора поликарбоксилатного типа или сульфированного продукта поликонденсации меламина с формальдегидом с числом звеньев в молекулярной цепи 18-27 при массовом соотношении: воздухововлекающая добавка:пластификатор, равном 1:(0,25-0,5), и удельном расходе указанной комплексной добавки 0,06-0,15 мас.% от массы портландцемента, полистирол вспененный гранулированный ПВГ с объемным содержанием в полистиролбетоне - φ в пределах 0,40-0,60, полученный после 3-кратного вспенивания исходного полистирольного бисера крупностью 0,7-1,0 мм и характеризующийся комплексным безразмерным показателем качества ПВГ - n в пределах 1,5-1,75, значения которого определяют при проектировании состава полистиролбетона по формуле: ,

где K₁ и K₂ - коэффициенты, отражающие особенности технологии получения ПВГ, значения которых находятся соответственно в пределах 1,1-1,3 и 8,0-10,8; d_б - средний диаметр исходного полистирольного бисера, мм; d_ср - средневзвешенный диаметр гранул ПВГ, мм; $${\rho }_{ПВГ}^{н}$$ и ρ_ПВГ - насыпная и средняя плотности гранул ПВГ, кг/м³. Технический результат - создание теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона плотностью 225-350 кг/м³ с оптимальными свойствами: повышение прочности и теплоизоляционных свойств. 3 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к полистиролбетонам плотностью 225-350 кг/м³, используемым в теплосберегающих ограждающих конструкциях зданий и сооружений.

Известен полистиролбетон (ГОСТ Р 51263-99, разработанный ВНИИжелезобетоном), состоящий из пенополистирольного заполнителя (полистирола вспененного гранулированного - ПВГ), портландцемента или шлакопортландцемента, добавок и воды.

В этом ГОСТе нормированы характеристики ПВГ и показатели полистиролбетона по плотности и прочности в широких диапазонах, нечетко увязанные друг с другом, что не позволяет гарантированно получить оптимизированные показатели качества материала (повышенные значения прочности при пониженных марках по плотности).

Наиболее близким по технической сути предлагаемого материала является конструкционно-теплоизоляционный экологически чистый полистиролбетон (патент РФ №2230717), который принят в качестве прототипа.

Согласно указанному патенту полистиролбетон изготавливается из смеси, включающей (в % по массе): минеральное вяжущее (портландцемент или шлакопортландцемент) - 49÷73,5, пенополистирольный заполнитель (ПВГ) насыпной плотностью 5-20 кг/м³ - 1,2÷12, комплексную добавку - 0,75÷1,50 и воду (остальное).

При этом минеральное вяжущее из портландцента или шлакопортландцемента может содержать минерально-полимерную добавку (до 5%) и тонкомолотый шлак (до 55%). Комплексная добавка включает воздухововлекающую (15-100%), пластифицирующую (0,35%) добавки и ускоритель твердения (0-50%).

Воздухововлекающая добавка содержит смолу древесную омыленную или смолу нейтрализованную воздухововлекающую в твердом или жидком состоянии в количестве 0,2-0,5% от массы вяжущего или хостапур в количестве 0,005-0,0175% от массы вяжущего, а также добавку из группы смесь натриевых или триэтаноламиновых солей сульфатов моноэтаноламидов синтетических жирных кислот фракции C₉-C₁₄, или смесь натриевых или триэтаноламиновых солей алкилсерных кислот фракции C₁₀-C₁₆, или смесь натриевых или триэтаноламиновых солей алкилсульфатов первичных жирных спиртов фракций C₁₀-C₁₆, или смесь полиоксиэтилированных нонилфенолов с числом оксиэтиленовых групп от 3 до 18, или смесь натриевых солей нонилфенилполиоксиэтиленуксусных кислот с содержанием оксиэтиленовых групп от 5 до 15, или их бинарные или тройные смеси в соотношении 1:(0,1-1) или 1:1:1 соответственно.

Пластифицирующая добавка содержит модифицированные лигносульфонаты в количестве 0,15-0,3% от массы вяжущего или продукты химической поликонденсации сульфированных углеводородов ароматического ряда на основе нафталина, меламина или отходов их производств в количестве 0,3-0,5% от массы вяжущего.

Ускоритель твердения содержит водорастворимую соль - сульфат или хлорид щелочного или щелочноземельного металла в количестве 0,5-1% от массы вяжущего.

Изготовление ПВГ осуществляют вспениванием по одно или многостадийной технологии при температуре 60-105°C.

Прототип имеет следующие недостатки:

- состав полистиролбетона при использовании ПВГ с насыпной плотностью широкого диапазона - 5-20 кг/м² не увязан со средним размером гранул заполнителя и его объемным содержанием (концентрацией) в полистиролбетоне;

- так как на качество ПВГ и связанные с ним показатели полистиролбетона влияет комплекс характеристик, в частности исходный размер гранул полистирольного бисера, средневзвешенный размер (диаметр), насыпная и средняя плотность полученных гранул, а также особенности технологии и используемого оборудования для получения заполнителя, то это, вероятно, должно отражаться комплексным показателем, который не приводится;

- применение шлакопортландцемента или добавки тонкомолотого шлака, хотя и способствует некоторому снижению теплопроводности полистиролбетона, однако не позволяет получать повышенные и стабильные показатели материала по прочности для заданной плотности;

- применение воздухововлекающих добавок типа омыленной или нейтрализованной древесной смолы или хостапура и пластифицирующих добавок на основе лигносульфонатов не обеспечивает получение полистиролбетона со стабильной по размерам мелкопористой структурой, а использование добавки ускорителя твердения на основе сульфатов или хлоридов щелочного или щелочноземельного металла ухудшает условия труда при производстве изделий из полистиролбетона и снижает защитные свойства полистиролбетона в армированных стальной арматурой изделиях.

Задачей изобретения является создание теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона плотностью 225-350 кг/м³ с оптимальными свойствами.

Задача решается тем, что повышенные прочностные и теплоизоляционные свойства полистиролбетона обеспечиваются использованием ПВГ с объемным содержанием в полистиролбетоне - φ в пределах 0,40-0,60, полученного после 3-кратного вспенивания исходного полистирольного бисера крупностью 0,7-1,0 мм, и характеризующегося комплексным безразмерным показателем качества ПВГ - n в пределах 1,5-1,75, значения которого определяются при проектировании состава полистиролбетона по формуле

$$n=\mathrm{1,5}+{К}_1\sqrt{\frac{{К}_2{d}_{б}{\rho }_{ПВГ}^{н}}{d_{ср}{\rho }_{ПВГ}^{}}-1},$$

где K₁ и K₂ - коэффициенты, отражающие особенности технологии получения ПВГ, значения которых находятся соответственно в пределах 1,1-1,3 и 8,0-10,8; d_б - средний диаметр исходного полистирольного бисера, мм; d_ср - средневзвешенный диаметр гранул ПВГ, мм; $${\rho }_{ПВГ}^{н}$$ - насыпная и ρ_ПВГ - средняя плотности гранул ПВГ, кг/м³.

При этом используют комплексную воздухововлекающую и модифицирующую добавку КВМД многофункционального действия, обладающую эффектом воздухововлечения и пластификации полистиролбетонной смеси, представляющую собой однородную гармонично сбалансированную смесь в сухом или жидком виде, состоящую из воздухововлекающей добавки на основе продуктов окисления отходов пищевой промышленности в виде натриевых солей алкилсульфатов органических кислот фракции C₉-C₁₂ и пластификатора поликарбоксилатного типа или сульфированного продукта поликонденсации меламина с формальдегидом с числом звеньев в молекулярной цепи 18-27 при массовом соотношении компонентов воздухововлекающая добавка:пластификатор, равном 1:0,3, при удельном расходе комплексной добавки 0,12 мас.% по активному веществу от массы портландцемента.

Примерами добавок, которые могут использоваться как составляющие КВМД, являются воздухововлекающая добавка ПО-01Б, пластификатор ГЛЕНИУМ АСЕ430, пластификатор F-10. ГЛЕНИУМ АСЕ430 является пластификатором поликарбоксилатного типа, пластификатор F-10 представляет собой продукт поликонденсации сульфированного меламина с формальдегидом.

Использование комплексного показателя качества ПВГ - n и его объемного содержания в полистиролбетоне - φ позволяет оценивать и оптимизировать характеристики материала, а применение для полистиролбетона исключительно портландцемента вместо шлакопортландцемента и добавок граншлака, добавки КВМД вместо добавок по прототипу обеспечивает стабильность структуры полистиролбетонной смеси и получение повышенных и оптимизированных показателей полистиролбетона по прочности для заданной плотности материала и способствует снижению его характеристик по плотности и теплопроводности при прочих равных условиях. Кроме того, использование добавок типа КВМД, обладающих свойствами ускорения твердения бетона, позволяет отказаться от применения специальных добавок-ускорителей.

Предлагаемый расчетный метод определения комплексного показателя качества ПВГ - «n» позволяет получать материал пониженной теплопроводности с заданной прочностью при сокращении трудоемкости работ по проектированию и подбору состава полистиролбетона в заводских условиях.

Поставленная задача решается следующим образом.

Пример 1

Для изготовления полистиролбетона марки по средней плотности D300 используется ПВГ, полученный вспениванием полистирольного бисера с исходной крупностью зерен d_б=0,77 мм. В результате 3-кратного вспенивания получен ПВГ со средневзвешенным размером гранул d_cp=3,81 мм, средней плотностью гранул ПВГ ρ_ПВГ=16,3 кг/м³ и насыпной плотностью $${\rho }_{ПВГ}^{н}=\mathrm{8,65}кг/{м}^3$$ .

При средних значениях K₁=0,5(1,1+1,3)=1,2 и K₂=0,5(8,0+10,8)=9,4 комплексный показатель качества ПВГ будет равен

.

Расход материалов на 1 м³ полистиролбетона был принят:

- портландцемента активностью R_ц=40 МПа Ц=244 кг;

- воды - 116 л;

- ПВГ - 0,8 м³ (при объемной концентрации в полистиролбетоне φ=0,45);

- порообразующей добавки ПО-01Б - 0,02 (2%) от массы цемента.

Цементно-водное отношение Ц/В=:244:116=2,1.

Без использования добавок-пластификаторов получен полистиролбетон плотностью ρ_ПСБ=287 кг/м³ (марка по средней плотности D300) и прочностью в 28-дневном возрасте R_ПСБ=0,93 МПа с теплопроводностью в сухом состоянии λ_o=0,082 Вт/(м·°C). При коэффициенте вариации полистиролбетона по прочности V_п=12% достигнутая прочность соответствует классу B0,75.

Пример 2

Использование пластифицирующей добавки ГЛЕНИУМ АСЕ430 при дозировке 0,07% от массы портландцемента при одинаковой (как и для смеси без добавки-пластификатора) удобоукладываемости полистиролбетонной смеси позволило уменьшить расход воды до 104 л/м³.

При том же Ц/В=2,1 расход цемента составил Ц=2,1·104≈218 кг/м³.

При концентрации ПВГ φ=0,55 (расход ПВГ - 1,0 м³/м³) и применении портландцемента с активностью R_Ц=50 МПа получен полистиролбетон плотностью ρ_ПСБ=259 кг/м³ (марка по средней плотности D250) с той же прочностью R_ПСБ=0,93 МПа (класса B0,75), имеющего теплопроводность в сухом состоянии λ_o=0,072 Вт/(м·°С).

Пример 3

При совместном использовании порообразующей и пластифицирующей добавок ПО-01Б и F-10 при дозировках 0,02% и 0,07% от массы цемента при прочих равных условиях позволило уменьшить расход ПВГ с 1,0 м³/м³ до 0,8 м³/м³ при одновременном снижении теплопроводности на 7,5% и сохранении физико-химических характеристик полистиролбетона.

Другие примеры конкретной реализации предложенных технических решений приведены в таблице 1.

Реализация заявленного теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона позволяет (по сравнению с прототипом) для заданного класса по прочности материала снизить его среднюю плотность на 1 ступень и теплопроводность на 12-24%.

Источники информации

1. ГОСТ P 51263-99. Полистиролбетон. Технические условия.

2. Патент №2230717, кл. C1.04B 38/08, 38/10.

Таблица 1
Показатели ПВГ и теплоизоляционно-конструкционного полистиролбетона
№№ пп	Наименование показателей	Ед. изм.	Значения показателей
			1	2	3	4	5	6	7	8	9
(прототип)	(запредельные значения)
	I. Параметры ПВГ
1.	Диаметр исходного полистирольного бисера, dб	мм	не нормирован	0,7-1,0	0,7-1,0	0,7-1,0	0,7-1,0	0,5	1,3	1,3
2.	Количество (кратность) вспениваний	раз	не менее 1	3	3	3	3	3	2	4
3.	Средневзвешенный диаметр гранул, dср	мм	3,7-4,1	3,5-6,0	3,5-6,0	3,5-6,0	3,5-6,0	2,5	5,2	7,5
4.	Средняя плотность гранул, ρПВГ	кг/м3	не нормирована	12-16	12-16	12-16	12-16	21	32	11
5.	Насыпная плотность, $${\rho }_{ПСБ}^{н}$$	кг/м3	5-20	7-10	7-10	7-10	7-10	13,2	12,0	10,5
6.	Технологические коэффициенты:
	K1	-	не нормированы	1,1-1,3	1,1-1,3	1,1-1,3	1,1-1,3	1,0	1,4	1,5
K2	-	8,0-10,8	8,0-10,8	8,0-10,8	8,0-10,8	7,0	11,6	14,9
7.	Комплексный показатель качества, n		не нормирован	1,5-1,75	1,5-1,75	1,5-1,75	1,5-1,75	2,1	1,9	2,5
8.	Концентрация ПВГ в полистиролбетоне, φ	доля от 1	не нормирована	0,4-0,6	0,4-0,6	0,4-0,6	0,4-0,6	0,38	0,39	0,35
	II. Материалы для полистиролбетона
9.	Вяжущее		ПЦ, в т.ч. с добавкой граншлака, или ШПЦ	ПЦ	ПЦ	ПЦ	ПЦ	ПЦ	ПЦ	ПЦ
10.	Вспенивающая добавка		СДО или СНВ	ПО-01Б	ПО-01Б	ПО-01Б
11.	Пластифицирующая добавка		C-3 или Лигнопан	F-10	Глениум АСЕ 430	-	ГЛЕНИУМ АСЕ 430
12.	Добавка - ускоритель твердения		Na2SO4 или CaCl2	-	-	-	-	-	-	-
	III. Физико-механические показатели полистиролбетона
13.	Марка по средней плотности	D (кг/м3)	300	350	225	250	300	350	250	250	300
14.	Прочность на сжатие	МПа	0,72	0,91	0,62	0,93	0,93	1,42	0,46	0,44	0,65
15.	Класс по прочности	B	B0,5	B0,75	B0,5	B0,75	B0,75	B1,0	B0,35	B0,35	B0,5
16.	Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии	Вт/(м·°C)	0,085	0,095	0,068	0,072	0,084	0,095	0,072	0,072	0,084
Примечание: ПЦ - портландцемент, ШПЦ - шлакопортландцемент.

Теплоизоляционно-конструкционный полистиролбетон плотностью 225-350 кг/м³, полученный из смеси портландцемента, полистирола вспененного гранулированного типа ПВГ, воды, воздухововлекающей и пластифицирующей добавок, отличающийся тем, что используют ПВГ с объемным содержанием в полистиролбетоне - φ в пределах 0,40-0,60, полученный после 3-кратного вспенивания исходного полистирольного бисера крупностью 0,7-1,0 мм и характеризующийся комплексным безразмерным показателем качества ПВГ - n в пределах 1,5-1,75, значения которого определяются при проектировании состава полистиролбетона по формуле
,
где K₁ и K₂ - коэффициенты, отражающие особенности технологии получения ПВГ, значения которых находятся соответственно в пределах 1,1-1,3 и 8,0-10,8: d_б - средний диаметр исходного полистирольного бисера, мм; d_ср - средневзвешенный диаметр гранул ПВГ, мм; $${\rho }_{ПВГ}^{н}$$ и ρ_ПВГ - насыпная и средняя плотности гранул ПВГ, кг/м³, при этом в качестве воздухововлекающей и пластифицирующей добавки используют комплексную воздухововлекающую и пластифицирующую добавку многофункционального действия, представляющую собой однородную гармонично сбалансированную смесь в сухом или жидком виде, состоящую из воздухововлекающей добавки ПО-01Б на основе продуктов окисления отходов пищевой промышленности и пластификатора поликарбоксилатного типа или сульфированного продукта поликонденсации меламина с формальдегидом с числом звеньев в молекулярной цепи 18-27 при массовом соотношении компонентов воздухововлекающая добавка:пластификатор, равном 1:(0,25-0,5), и удельном расходе комплексной добавки 0,06-0,15 мас.% по активному веществу от массы портландцемента.