Ультралёгкий минеральный пеноматериал
Группа изобретений относится к ультралёгкому минеральному пеноматериалу на основе портландцемента, в частности к способу получения минерального пеноматериала и применению источника соли алюминия для повышения механической стабильности и/или уменьшения разрушения суспензии вспененного цемента. Способ получения минерального пеноматериала включает следующие стадии: (i) раздельное приготовление цементного раствора и водной пены, причём цементный раствор включает воду (W) и портландцемент (C); (ii) контактирование цементного раствора с водной пеной для получения суспензии вспененного цемента; (iii) добавление соли алюминия во время стадии (ii); (iv) отливку суспензии вспененного цемента и выдержку его для схватывания, причём минеральный пеноматериал по существу не включает частиц диаметром D50 < 2 мкм. Группа изобретений развита в зависимых пунктах формулы. Технический результат – получение сверхлёгкого минерального пеноматериала, который не разрушается при вертикальной отливке, обладающего пониженной плотностью и теплопроводностью. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 табл., 1 пр., 1 ил.
Настоящее изобретение относится к ультралёгкому минеральному пеноматериалу на основе портландцемента, к способу получения такого минерального пеноматериала и к элементам конструкции, включающим эти пеноматериалы.
Как правило, минеральный пеноматериал, в частности, пеноцемент подходит для многих применений благодаря своим свойствам, таким как его теплоизоляционные свойства, его звукоизоляционные свойства, долговечность, огнестойкость и его простой способ изготовления.
Минеральный пеноматериал представляет собой вспененный материал. Этот материал обычно более лёгкий, чем обычный бетон, из-за наличия в нём пор или пустых полостей. Эти поры или пустые полости обусловлены присутствием воздуха в минеральном пеноматериале и они могут быть в форме пузырьков. Под ультралёгким пеноматериалом понимается пеноматериал, обычно имеющий плотность в сухом состоянии 20 - 300 кг/м3. Когда из минерального пеноматериала отливают элемент, минеральный пеноматериал может разрушаться из-за недостаточной стабильности минерального пеноматериала, например, во время его укладки или до его схватывания. Эти проблемы с разрушением пены могут быть связаны с явлением коалесценции, с явлением созревания Оствальда, с гидростатическим давлением или с фильтрацией, причём последнее значительнее особенно в случае элементов большой высоты.
Поэтому трудность в производстве минеральных пеноматериалов заключается в создании стабильного минерального пеноматериала, который уменьшает эти проблемы разрушения. Однако известные способы создания достаточно стабильных минеральных пеноматериалов требуют композиций цемента, которые содержат многочисленные добавки и которые трудно и дорого реализовать.
В US 56961741 было предложено одновременное использование (i) катионных и (ii) анионных компонентов для получения минеральных пеноматериалов. Такие пеноцементы включают стеараты аммония в качестве анионного компонента и катионный компонент, обозначенный Arquad T.
В WO 2013/150148 описаны минеральные пеноматериалы на основе цемента, включающие различные добавки. Эти пеноматериалы могут включать кальциево-алюминатный цемент, чтобы обеспечить быстрое схватывание или мелкодисперсные минеральные компоненты в дополнение к портландцементу. Тем не менее, самая низкая плотность, достигаемая в этом способе, в основном ограничена до 100 кг/м3.
В WO 2011/086333 описаны минеральные пеноматериалы на основе алюминатных цементов. Высокая реакционная способность этих цементов, безусловно, позволяет формировать стабильные и гомогенные минеральные пеноматериалы, но высокие затраты и высокая реакционная способность приводят к тому, что это изобретение во многих случаях трудно реализовать пользователю.
Чтобы удовлетворить нынешние требования пользователей, необходимо найти рецептуру ультралёгкого и высокостабильного минерального пеноматериала, изготовление которого является простым и не требует больших затрат.
Кроме того, проблема, которую решает изобретение, состоит в том, чтобы найти рецептуру стабильного и сверхлёгкого минерального пеноматериала, который не разрушается, когда пеноматериал отливают вертикально и изготовление которого относительно простое и с небольшой стоимостью.
Изобретение относится к способу получения минерального пеноматериала, включающему следующие стадии:
(i) раздельного приготовления жидкого цементного раствора и водной пены, причём цементный раствор включает воду (W) и портландцемент (C);
(ii) контактирования цементного раствора с водной пеной для получения суспензии вспененного цемента;
(iii) добавления источника соли алюминия до или на стадии (ii);
(iv) отливки суспензии вспененного цемента и его выдержки для схватывания. Источник соли алюминия предпочтительно добавляют в начале процесса.
Согласно предпочтительному осуществлению изобретения время нахождения продукта между стадией (iii) и стадией (iv) составляет предпочтительно более 30 секунд, в частности от 30 секунд до 2 минут.
Согласно другому варианту изобретения предлагается минеральный пеноматериал, который получается или может быть получен в соответствии с настоящим изобретением. Пеноматериал согласно изобретению может быть использован в качестве строительного материала или изоляционного материала. Например, минеральный пеноматериал может быть отлит между двумя гипсовыми панелями или между двумя кирпичными стенами или между двумя несущими бетонными стенами.
Изобретение также относится к элементам строительной конструкции, включающим минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением.
Способ, предлагаемый настоящим изобретением, имеет одну или несколько следующих характеристик:
- способ универсален, т.е. позволяет изготавливать стабильный минеральный пеноматериал из любого типа цемента;
- способ прост в реализации;
- способ легко может быть перенесён в любое место работ или на стройплощадку;
- способ позволяет непрерывно изготавливать минеральный пеноматериал.
Таким образом можно непрерывно производить минеральный пеноматериал и отливать этот пеноматериал без перерывов.
Способ производства минерального пеноматериала в соответствии с изобретением может быть использован в системе периодического или непрерывного действия.
Минеральный пеноматериал, предлагаемый настоящим изобретением, имеет одну или несколько следующих характеристик:
- минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением обладает подходящими стабильными свойствами. В частности, можно получить пеноматериал, который не разрушается или разрушается только очень незначительно, когда пеноматериал отливается вертикально или с большой высоты. Например, минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением не разрушается или разрушается только очень незначительно, когда он отливается вертикально с высоты, большей или равной 2 метрам;
- минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением обладает подходящими термическими свойствами и, в частности, очень низкой теплопроводностью. Очень желательно уменьшить теплопроводность строительных материалов, поскольку это позволяет получить экономию тепловой энергии для жилых и офисных зданий. Кроме того, это снижение позволяет уменьшить тепловые мосты, в частности, при строительстве многоэтажных зданий и зданий, спроектированных с использованием внутренней теплоизоляции. В частности, на промежуточных перекрытиях уменьшаются тепловые мосты.
В соответствии с предпочтительным осуществлением гидравлический рукав между смешиванием (стадия iii) и отливкой (стадия iv) составляет более 10 метров, предпочтительно 30 - 40 метров в длину.
Цемент представляет собой гидравлическое связующее, включающее, по меньшей мере, 50% масс. CaO и SiO2. Таким образом, цемент может содержать другие компоненты в дополнение к CaO и SO2, в частности шлак, кварцевую пыль, пуццоланы (природные и кальцинированные), золу-унос (кремнийсодержащую и кальциевую) и/или известняк.
Портландцемент, используемый в изобретении, может быть портландцементом любого типа, независимо от его химического состава и, в частности, независимо от его щёлочности. Поэтому одним из преимуществ изобретения является отсутствие необходимости выбора конкретного типа портландцемента. Преимущественно портландцемент, используемый в изобретении, выбирают из цементов, доступных на рынке. Подходящим цементом, используемым на стадии (i) изобретения, предпочтительно являются цементы, соответствующие европейскому стандарту NF EN 197-1 от апреля 2012 года или их смесями, предпочтительно цементы типов CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV или CEM V.
Согласно предпочтительному осуществлению изобретения портландцемент имеет удельную поверхность (Блейн) 3000 - 10000 см2/г, предпочтительно 3500 - 6000 см2/г.
Соотношение вода/цемент (масс./масс.) цементного раствора, полученного на стадии (i), предпочтительно составляет 0,25 - 0,5, более предпочтительно 0,28 - 0,35, в частности, 0,29. Соотношение вода/цемент может меняться, например, из-за потребности в воде для минеральных частиц, когда они используются. Соотношение вода/цемент определяется как отношение массы воды (W) к сухой массе портландцемента (C).
Цементный раствор, полученный на стадии (i), может включать добавку, снижающую водопотребность, такую как пластификатор или суперпластификатор. Добавка, снижающая водопотребность, позволяет уменьшить количество воды для смешивания для заданной удобоукладываемости, обычно на 10 - 15%. В качестве примера добавок, снижающих водопотребность, можно упомянуть лигносульфонаты, гидроксикарбоновые кислоты, углеводы и другие специфические органические соединения, например глицерин, поливиниловый спирт, алюмометилсиликонат натрия, сульфаниловую кислоту и казеин, как описано в Справочнике по бетонным добавкам, свойства, исследования и технология (Concrete Admixtures Handbook, Properties Science and Technology), V. S. Ramachandran, Noyes Publications, 1984.
Суперпластификаторы относятся к новому классу добавок, снижающих водопотребность, и способны снижать содержание воды в смеси при данной удобоукладываемости примерно на 30% масс. В качестве примера суперпластификатора можно отметить суперпластификаторы PCP без пеногасителя. Термин «PCP» или «полиоксиполикарбоксилат» следует понимать в соответствии с настоящим изобретением как сополимер акриловых кислот или метакриловых кислот и их сложных эфиров полиоксиэтилена (POE).
Предпочтительно цементный раствор включает 0,05 - 1%, более предпочтительно 0,05 - 0,5% добавок, снижающих водопотребность, пластификатора или суперпластификатора с процентным содержанием в пересчёте на массу сухого цемента.
Предпочтительно цементный раствор не включает пеногасителя или любого средства, обладающего свойством дестабилизации эмульсии воздух/жидкость. Некоторые коммерческие суперпластификаторы могут содержать пеногаситель и, следовательно, эти суперпластификаторы не подходят для цементного раствора, используемого для получения минерального пеноматериала в соответствии с изобретением.
Предпочтительно цементный раствор, используемый для получения минерального пеноматериала в соответствии с изобретением, включает 0,05 - 2,5% масс. ускорителя, относительно массы сухого цемента.
Согласно осуществлению изобретения к цементному раствору или водной пене могут быть добавлены другие добавки. Такими добавками могут быть загустители, регуляторы вязкости, воздухоудерживающие материалы, замедлители схватывания, цветные пигменты, полые стеклянные шарики, плёнкообразующие средства, гидрофобные средства или чистящие средства (например, цеолиты или диоксид титана), латекс, органические или минеральные волокна, минеральные добавки или их смеси. Предпочтительно добавки не содержат пеногасителей.
Термин «загуститель» обычно следует понимать как любое соединение, позволяющее сохранять гетерогенные фазы в равновесии или облегчать достижение этого равновесия. Подходящими загустителями предпочтительно являются камеди, целлюлоза или её производные, например, простые эфиры целлюлозы или карбоксиметилцеллюлоза, крахмал или его производные, желатин, агар, каррагинаны или бентонитовые глины.
Согласно осуществлению изобретения цементный раствор, используемый для получения минерального пеноматериала в соответствии с изобретением, может дополнительно включать минеральные частицы. Предпочтительно цементный раствор, используемый для получения минерального пеноматериала в соответствии с изобретением, может включать 0 - 50% минеральных частиц, более предпочтительно 5 - 40%, наиболее предпочтительно от 5 - 35%, причём проценты выражены относительно массы раствора пеноцемента.
Подходящие минеральные частицы выбирают из карбоната кальция, диоксида кремния, измельчённого стекла, сплошных или полых стеклянных шариков, стеклянных гранул, вспененных стеклянных порошков, аэрогелей диоксида кремния, кварцевой пыли, шлака, измельчённых осадочных кварцевых песков, золы-уноса или пуццолановых материалов или их смесей.
Минеральные частицы, используемые в соответствии с изобретением, могут быть шлаками (например, как определено в Европейском стандарте NF EN 197-1 от апреля 2012 года, п. 5.2.2), пуццолановыми материалами (например, как определено в Европейском стандарте NF EN 197-1, стандарт 5.2.3), золой-уносом (например, как описано в Европейском стандарте NF EN 197-1 от апреля 2012, п. 5.2.4), обожжёнными сланцами (например, как описано в Европейском стандарте NF EN 197-1 от апреля 2012, п. 5.2.5), материалом, содержащим карбонат кальция, например известняк (например, как определено в Европейском стандарте NF EN 197-1, п. 5.2.6), диоксид кремния (например, как определено в Европейском стандарте NF EN 197-1 от апреля 2012, п. 5.2.7), кремнезёмными добавками (например, как определено в стандарте «Бетон» NF P 18-509), метакаолином или их смесями.
Зола-унос обычно представляет собой порошкообразные частицы, содержащиеся в дыме тепловых электростанций, которые питаются углём. Зола-унос обычно выделяется электростатическим или механическим осаждением.
Шлаки обычно получают путём быстрого охлаждения расплавленного шлака, образующегося при плавке железной руды в доменной печи.
Кварцевая пыль может быть материалом, полученным восстановлением очень чистого кварца углём в электродуговых печах, используемых для производства кремния и сплавов ферросилиция. Кварцевая пыль обычно образована сферическими частицами, содержащими, по меньшей мере, 85% масс. аморфного диоксида кремния.
Пуццолановые материалы могут быть природными кремнийсодержащими и/или кремниево-глинозёмными материалами или их комбинацией. Среди пуццолановых материалов можно упомянуть природные пуццоланы, которые обычно представляют собой материалы вулканического происхождения или осадочные породы, а также природные обожжённые пуццоланы, которые представляют собой материалы вулканического происхождения, глины, сланцы или термически активированные осадочные породы.
Согласно изобретению источник соли алюминия добавляют до, во время или после стадии (ii), т.е. до, во время или после контакта цементного раствора с водной пеной для получения суспензии пеноцемента. Было отмечено, что источник соли алюминия эффективен в качестве ускорителя, который ускоряет схватывание суспензии пеноцемента. В частности, использование соли алюминия определённо стабилизирует минеральный пеноматериал на основе портлендцемента и ограничивает дренаж воды в пеноматериале до того как схватывается цементный раствор. Использование алюминиевой соли, следовательно, позволяет изготавливать высокостабильный минеральный пеноматериал на основе портлендцемента с чистым цементом. Добавление солей алюминия в качестве ускорителей позволяет изготавливать высокостабильные минеральные пеноматериалы с ультранизкой плотностью, и это не зависит от типа используемого портландцемента. Этот раствор можно использовать для исключения премикса из коммерческого раствора минерального пеноматериала и, как следствие, снижения цены раствора.
Качество пеноматериала улучшено. Примечательно, что размер пузырьков вместе с дренажом воды уменьшается при использовании солей алюминия.
Предпочтительно источник соли алюминия добавляют к водной пене до контакта водной пены с цементным раствором на стадии (ii).
Альтернативно или дополнительно источник соли алюминия может быть добавлен к суспензии вспененного цемента после стадии (ii) и перед стадией (iv).
Альтернативно или дополнительно источник соли алюминия может быть добавлен к суспензии вспененного цемента на стадии (ii).
Согласно предпочтительному осуществлению
а) на стадии (ii) добавляют часть источника соли алюминия и/или
b) часть источника соли алюминия добавляют к водной пене до контакта водной пены с цементным раствором на стадии (ii) и/или
c) в суспензию вспененного цемента добавляют часть источника соли алюминия после стадии (ii) и перед стадией (iv).
То есть общее количество источника соли алюминия может быть разделено на различные части, добавляемые в указанных подпунктах а), b) и с) выше, в частности, общее количество источника соли алюминия может быть разделено, по меньшей мере, на две переменных частей добавки, указанных в подпунктах а), b) и с). В частности, общее количество источника соли алюминия может быть разделено на переменные части добавки а) и b), а) и c), b) и c) или а), b) и с).
Предпочтительно в качестве указанного источника соли алюминия используют сульфат алюминия (Al2(SO4)3), в частности, в форме раствора сульфата алюминия.
Предпочтительно сульфат алюминия добавляют в количестве 0,15 - 5% сухого сульфата алюминия относительно массы цемента, предпочтительно 0,25 - 3% сухого сульфата алюминия относительно массы цемента, более предпочтительно 0,5 - 2,5% сухого сульфата алюминия относительно массы цемента.
Рецептура по изобретению преодолевает технические проблемы, согласно которым использование различных добавок необходимо для обеспечения стабильности минерального пеноматериала.
В частности, минеральный пеноматериал, полученный в соответствии с настоящим изобретением, по существу не включает мелких частиц, то есть мелкие частицы не добавляют помимо мелкой фракции более мелких частиц, обычно входящих в обычный портландцемент. Под термином «мелкие частицы» понимаются частицы, средний диаметр D50 которых составляет менее 2 мкм. Диаметр D50 соответствует 50му процентилю распределения по объёму размера частиц, то есть 50% объёма образуется частицами, имеющими размер, который ниже диаметра D50 и 50% имеет размер, который превышает диаметр D50. Термин «по существу» означает менее 1%, предпочтительно менее 5%, масс. по отношению к массе цемента.
Цементы, которые менее пригодны или не пригодны для реализации изобретения, представляют собой кальциевоалюминатные цементы и их смеси. Кальциевоалюминатные цементы представляют собой цементы, обычно включающие минеральную фазу C4A3 $, CA, C12A7, C3A или C11A7CaF2 или их смеси, такие как, например, Ciment Fondu® (гидравлическое связующее на основе алюмината кальция), цементы из оксида алюминия, сульфоалюминатные цементы и кальциевоалюминатные цементы согласно европейскому стандарту NF EN 14647 от декабря 2006. Такие цементы характеризуются содержанием оксида алюминия (Al2O3) ≥ 35% масс.
На стадии (i) суспензию можно получить, используя смесители, обычно применяемые для получения цементного раствора. Они могут быть миксером для суспензий, миксером дозировочной установки, смесителем, описанным в европейском стандарте NF EN 196-1 от апреля 2006 – п. 4.4, или лопастной мешалкой с планетарным движением.
Согласно первому режиму работы цементный раствор может быть получен введением в смеситель воды и необязательно добавок (таких как, добавки, снижающие водопотребность). После этого в смеситель добавляют портландцемент и необязательно другие порошкообразные компоненты. Пасту, полученную таким образом, затем смешивают для получения цементного раствора. Предпочтительно цементный раствор выдерживают при перемешивании, например, с помощью дефлокулирующей лопатки со скоростью, которая может составлять от 1000 - 600 об/мин, в зависимости от объёма раствора, в течение всего производственного процесса. Согласно второму режиму работы цементный раствор может быть получен путём введения части воды и, необязательно, добавок (таких как добавки, снижающие водопотребность). После этого в смеситель добавляют портландцемент и необязательно другие порошкообразные компоненты. Тесто, полученное таким образом, затем смешивают для получения цементного раствора. Предпочтительно цементный раствор перемешивают, например, с помощью лопастного диспергатора со скоростью, которая может составлять от 1000 до 600 об/мин, в зависимости от объёма раствора, в течение всего процесса изготовления.
Согласно второму режиму работы цементный раствор может быть получен введением части воды и, необязательно, добавок (таких как добавки, снижающие водопотребность) в смеситель и затем цемента и дополнительных компонентов.
Согласно третьему режиму работы цементный раствор может быть получен введением в смеситель цемента и затем всех других порошкообразных компонентов. Цемент и порошкообразные компоненты смешивают для получения гомогенной смеси. Затем в смеситель вводят воду и, необязательно, добавки (такие как добавки, снижающие водопотребность).
В соответствии с четвёртым режимом работы цементный раствор готовят непрерывным способом, предварительно готовя смесь, содержащую воду и добавки (такие как добавки, снижающие водопотребность).
На стадии (i) водную пену можно получить путём объединения воды и пенообразователя и затем введения газа. Этот газ предпочтительно представляет собой воздух. Пенообразователь предпочтительно используют в количестве 0,25 - 5,00% масс., предпочтительно 0,75 - 2,50% масс. (сухая масса) относительно массы воды.
Введение воздуха может быть осуществлено путём перемешивания, барботирования или нагнетания под давлением. Предпочтительно, водная пена может быть получена с использованием вихревого вспенивателя (например, слой стеклянных гранул). Этот тип вспенивателя позволяет вводить воздух под давлением в водный раствор, включающий пенообразователь.
Водная пена может быть получена непрерывно в способе согласно изобретению.
Генерируемая водная пена имеет воздушные пузырьки с D50, который составляет менее или равен 400 мкм, предпочтительно составляет 100 - 400 мкм, более предпочтительно составляет 150 - 300 мкм. Предпочтительно, генерируемая водная пена имеет воздушные пузырьки с D50, который составляет 250 мкм.
D50 пузырьков измеряется обратным рассеянием. Используют аппарат Turbiscan® Online, поставляемый компанией Formulaction. Измерение обратного рассеяния позволяет оценить D50 пузырьков водной пены, зная заранее объёмную долю пузырьков и показатель преломления раствора пенообразователя.
Предпочтительно пенообразователь представляет собой производное органического белка животного происхождения (такое как, например, пенообразователь Propump26, порошок гидролизованного кератина, продаваемый компанией Propump Engineering Ltd) или растительного происхождения. Пенообразователи также могут быть катионным поверхностно-активным веществом (например, бромидом цетилтриметиламмония, CTAB), ионным поверхностно-активным веществом, амфотерным поверхностно-активным веществом (например, кокамидопропилбетаином, CAPB) или неионогенным поверхностно-активным веществом или их смесями.
На стадии (ii) цементный раствор можно гомогенизировать с водной пеной любыми способами для получения суспензии вспененного цемента. Предпочтительно, стадия (ii) способа согласно изобретению может включать введение цементного раствора и водной пены в статический смеситель для получения суспензии вспененного цемента.
Подходящие статические смесители предпочтительно имеют элементы в виде пропеллера для обеспечения полного радиального смешивания и последовательных делений потока для каждой комбинации жидкостей и газов. Подходящие статические смесители в соответствии с изобретением предпочтительно имеют спиральные элементы, которые придают радиальную скорость текучей среде, которая направлена попеременно к боковой стороне смесителя и затем к его центру. Последовательные комбинации элементов, направляющих поток по часовой стрелке и против часовой стрелки, вызывают изменение направления и деление потока. Эти два комбинированных действия повышают эффективность смешивания. Предпочтительно статический смеситель, используемый в способе согласно изобретению, представляет собой смеситель, работающий путём деления непрерывного потока цементного раствора и водной пены. Гомогенность смеси основана на количестве делений. Согласно способу изобретения 16 элементов предпочтительно используют для обеспечения подходящей гомогенности. Подходящие статические смесители в соответствии со способом изобретения предпочтительно представляют собой коммерческие продукты под торговой маркой Kenics®.
В соответствии с более конкретным осуществлением цементный раствор закачивается с точным объёмным потоком, который является функцией требуемой композиции вспененного цементного раствора. Затем этот цементный раствор объединяют с водной пеной, уже циркулирующей в процессе. Таким образом получается суспензия вспененного цемента в соответствии с изобретением. Эту суспензию вспененного цемента отливают и оставляют для схватывания.
Преимущественно предлагаемый способ не требует ни стадии автоклавирования, ни стадии термической обработки (например, при 60 - 80°С), чтобы получить цементный пеноматериал согласно изобретению.
Изобретение также относится к суспензии вспененного цемента, полученной на стадии (ii) способа изобретения.
Кроме того, изобретение также относится к минеральному пеноматериалу, полученному способом в соответствии с изобретением.
Кроме того, изобретение относится к минеральному пеноматериалу, который может быть получен способом в соответствии с изобретением.
Минеральный пеноматериал изобретения может быть изготовлен на заводе. Минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением также может быть изготовлен непосредственно на рабочей площадке путём установки пенообразующей системы на рабочей площадке. Предпочтительно минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением может иметь плотность 20 - 300 кг/м3, более предпочтительно 20 - 150 кг/м3, наиболее предпочтительно от 30 - 80 кг/м3. Следует отметить, что плотность суспензии вспененного цемента (плотность влажного материала) отличается от плотности минерального пеноматериала (плотность затвердевшего материала).
Изобретение обеспечивает другое преимущество, заключающееся в том, что минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением обладает подходящими термическими свойствами и, в частности, очень низкой теплопроводностью. Теплопроводность (также называемая лямбда (λ)) является физическим значением, характеризующим поведение материалов при передаче тепла за счёт теплопроводности. Теплопроводность представляет собой количество тепла, передаваемого на единицу поверхности и за единицу времени под действием градиента температуры. В международной системе единиц теплопроводность выражается в ваттах на метр на Кельвин (Вт/м.К). Типичные или обычные бетоны имеют значения теплопроводности 1,3 - 2,1, измеренные при 23°С и относительной влажности 50%. Теплопроводность минерального пеноматериала в соответствии с изобретением может составлять 0,030 - 0,150 Вт/м.К, предпочтительно 0,030 - 0,060 Вт/м.К, более предпочтительно 0,030 - 0,055 Вт/м.К, погрешность ±0,4 мВт/м.К.
Предпочтительно, минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением обладает подходящей огнестойкостью.
Минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением может представлять собой бетон, который изготовлен на рабочей площадке, товарный бетон или бетон, изготовленный на заводе по производству готовых элементов. Предпочтительно минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением представляет собой товарный бетон.
Изобретение также относится к элементу конструкции, включающему минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением.
Изобретение также относится к применению минерального пеноматериала в соответствии с изобретением в качестве строительного материала. Минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением может использоваться для отливки стен, потолков и крыш на строительной площадке. Также возможно изготавливать сборные элементы на заводе-изготовителе, такие как блоки или панели.
Изобретение также относится к применению минерального пеноматериала в соответствии с изобретением в качестве изоляционного материала.
Преимущественно минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением позволяет в некоторых случаях заменять стекловолокно, минеральную вату или полистирольный изоляционный материал.
Преимущественно минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением может быть использован для заполнения пустых или пустотелых пространств в здании, стене, перегородке, кирпиче, в полу или в потолке. В этом случае он используется в качестве наполнителя. Такие композитные конструкционные элементы также представляют собой объекты изобретения как таковые.
Преимущественно минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением может быть использован в качестве облицовки фасада для изоляции здания снаружи. В этом случае минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением может быть покрыт отделочной композицией.
Изобретение также относится к системе, включающей минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением. Минеральный пеноматериал может присутствовать в системе, например, в качестве изоляционного материала. Система в соответствии с изобретением представляет собой систему, способную препятствовать переносу воздуха и переносу тепла и влаги, то есть этот элемент имеет контролируемую проницаемость для переноса воздуха или воды в виде пара или жидкости.
Система в соответствии с изобретением, которая препятствует переносу воздуха, тепла и влаги в строительной области, включает, по меньшей мере, каркас. Этот каркас может быть вторичным или первичным. Этот каркас может быть выполнен из бетона (стойка или балка), металла (опоры или балки), дерева, пластмассы, композитного материала или синтетического материала. Этот каркас может быть металлической конструкцией, стойкой или деталью каркаса.
Система в соответствии с изобретением может быть использована для изготовления внутренней отделки, системы изоляции или перегородки, например, разделительной перегородки, распределительной перегородки или внутренней перегородки.
Минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением может быть использован для заполнения полых частей строительных блоков, таких как пустотелые кирпичи. Пеной может быть заполнена полость на любой стадии изготовления строительного блока.
Минеральный пеноматериал в соответствии с изобретением может быть отлит вертикально между двумя стенками, например, между двумя бетонными стенами, двумя кирпичными стенами, двумя гипсокартонными листами и двумя деревянными стенами для получения системы.
Далее изобретение будет описано со ссылкой на следующие не ограничивающие примеры.
Используют следующие методы измерения:
Метод лазерной гранулометрии
В этом описании, включая прилагаемую формулу изобретения, распределение частиц по размерам и размеры частиц измеряются с использованием лазерного гранулометра типа Mastersize 2000 (2008 год, серия MAL1020429), поставляемого компанией Malvern.
Измерение проводят в соответствующей среде (например, водной среде для нереакционноспособных частиц или спирте для реакционноспособного материала) для диспергирования частиц. Размер частиц должен составлять от 1 мкм до 2 мм. Источник света состоит из красного He-Ne-лазера (632 нм) и синего диода (466 нм). Оптическая модель является моделью Фрауенгофера, матричное вычисление полидисперсного типа. Измерение фонового шума осуществляется при скорости насоса 2000 об/мин, скорости мешалки 800 об/мин и измерении шума в течение 10 с при отсутствии ультразвука. Проверено, что интенсивность света лазера не менее 80% и что для фонового шума получается убывающая экспоненциальная кривая. Если это не так, линзы ячейки должны быть очищены.
Затем на образце выполняют первое измерение со следующими параметрами: скорость насоса 2000 об/мин и скорость мешалки 800 об/мин. Образец вводится для создания затемнения между 10 и 20%. После стабилизации затемнения осуществляют измерение с продолжительностью между погружением и измерением, которая фиксируется, равной 10 с. Продолжительность измерения составляет 30 с (30000 проанализированных дифракционных изображений). В полученной гранулограмме необходимо учитывать, что часть порошка может быть агломерирована.
Затем производят второе измерение (без опорожнения сосуда) с ультразвуком. Скорость насоса устанавливают 2500 об/мин, скорость мешалки устанавливают 1000 об/мин, ультразвук излучают при 100% (30 Вт). Эта настройка сохраняется в течение 3 минут, после чего начальные настройки возобновляются: скорость насоса 2000 об/мин, скорость мешалки 800 об/мин, без ультразвука. В конце 10 с (для очистки от возможных пузырьков воздуха) производят измерение в течение 30 с (30000 анализируемых изображений). Это второе измерение соответствует дезагломерированному ультразвуковым диспергированием. Каждое измерение повторяют, по меньшей мере, дважды, чтобы проверить стабильность результата.
Измерение удельной поверхности по BLAINE
Удельную поверхность различных материалов измеряют следующим образом. Метод Блейна используют при температуре 20°С с относительной влажностью, не превышающей 65%, устройством Blaine Euromatest Sintco, соответствующим европейскому стандарту EN 196-66.
Перед измерением влажные образцы сушат в сушильной камере до постоянной массы при температуре 50 - 150°С. Высушенный продукт затем измельчают, чтобы получить порошок с максимальным размером частиц менее или равным 80 мкм.
Примеры
Способ согласно изобретению используют для получения минеральных пеноматериалов B, D, E и G, исходя из цементных растворов с рецептурами растворов I, II и III и водной пены 1 и 2. Также выполняют сравнительные примеры, в частности, минеральные пеноматериалы A, C и F, исходя из цементных растворов с рецептурами растворов I, II и III, чтобы проиллюстрировать предпочтительные аспекты изобретения.
Используемые материалы:
Цементы являются портлендцементами из установок производства цемента Lafarge, как указано в таблице 1. Эти цементы являются цементами стандартного типа. Буквы «R» и «N» соответствуют определению, указанному в Европейском стандарте NF EN 197-1, версия апреля 2012.
Пластификатор представляет собой смесь, включающую поликарбоксилат полиоксида (PCP) фирмы Chryso под торговой маркой Chrysolab EPB 530-017, который не включает пеногаситель. Содержание твёрдого вещества в Chrysolab EPB 530-017 составляет 48% масс.
Источником сульфата алюминия является либо гидрат сульфата алюминия, поставляемый компанией Sigma-Aldrich под названием Sulfate d'aluminium, 14 H2O rectapur, поставляемый Sigma, или продукт SIKA 40AF, поставляемый компанией Sika.
Используемыми пенообразователями являются следующие производные белков животного происхождения:
- Propump 26, поставляемое компанией Propump Engineering Ltd с содержанием твёрдого вещества 26% масс.
- MAPEAIR L/LA, поставляемое компанией MAPEI, с содержанием твёрдого вещества 26% масс.
Вода: водопроводная вода.
Используемое оборудование:
Смеситель Rayneri:
- Смеситель Turbotest (MEXP-101, модель: Turbotest 33/300, серийный №: 123861), поставляемый компанией Rayneri, который представляет собой смеситель с вертикальной осью.
Насосы:
- Эксцентриковый винтовой насос SeepexTM типа MD 006-24, заказ № 244920.
- Эксцентриковый винтовой насос SeepexTM типа MD 006-24, заказ № 278702.
- Эксцентриковый винтовой насос SeepexTM типа MD 003-12, заказ № 245928.
Пеногенератор:
- пеногенератор, включающий слой стеклянных шариков типа SB30 диаметром 0,8 - 1,4 мм, загруженный в трубку, имеющую длину 100 мм и диаметр 12 мм.
Статический смеситель:
- Статический смеситель, состоящий из 32 геликоидальных элементов типа Kenics, имеющих диаметр 19 мм, и обозначаемый как 16La632 в ISOJET.
В следующих примерах готовят 7 минеральных пеноматериалов. Каждый цементный раствор обозначают цифрами I, II и III, каждую водную пену обозначают цифрами 1 и 2, и каждый источник сульфата алюминия обозначают буквами a и b. Полученный пеноцемент (минеральный пеноматериал) представляет собой комбинацию одного из цементных растворов с одной из водных пен и одним из источников сульфата алюминия.
Приготовление цементного раствора
Таблица 1
| Рецептуры растворов | |||
| I | II | III | |
| Тип цемента | CEM I 52.5N | CEM I 52.5N | CEM I 52.5N |
| Завод Lafarge | Le Havre | Saint Pierre La Cour | Val d'Azergues |
| Соотношение Вода/Цемент (масс./масс.) | 0,29 | 0,29 | 0,29 |
| x (%Na2O экв растворимого) | 0,22 | 0,66 | 0,40 |
| Цемент (% масс. сухого) | 77,45 | 77,40 | 77,44 |
| Вода (% масс.) | 22,46 | 22,35 | 22,36 |
| Суперпластификатор (% масс.) | 0,17 | 0,26 | 0,20 |
Химический состав различных цементных растворов, используемых для осуществления изобретения, представлен в таблице 1. Цементные растворы получают с использованием смесителя Rayneri Turbotest 33/300, в который сначала вводят жидкие компоненты (вода, суперпластификатор). При перемешивании при 1000 об/мин постепенно добавляют твёрдые компоненты (цемент и все порошкообразные компоненты). Затем цементный раствор перемешивают ещё две минуты.
Приготовление водной пены
Водный раствор, содержащий пенообразователь, вводят в ёмкость. Состав этого водного раствора пенообразователя (в частности, концентрация и природа пенообразователя) представлен в таблице 2. Водный раствор пенообразователя закачивают с помощью объёмного эксцентрикового винтового насоса Seed TM MD-006-24 (заказ №: 278702).
Этот раствор пенообразователя вводят в пеногенератор через слой бусин сжатым воздухом (1 - 6 бар) и Т-образного соединения. Водную пену получают непрерывным способом со скоростью, указанной в таблице 4.
Таблица 2
| Рецептура водной пены | 1 | 2 |
| Пенообразователь | Propump26 | MapeAIR L/LA |
| Концентрация (% Жидкость/Вода) | 3,5 | 2,5 |
| Концентрация (% Сухое вещество/Вода) | 0,91 | 0,65 |
Ускоритель
Используют источник сульфата алюминия, как указано ниже.
Таблица 3
| Рецептура ускорителя | a | b |
| Обозначение продукта | Al2(SO4)3 Sigma-Aldrich | SIKA 40 AF |
| Концентрация (% сухое вещество % масс./вода) | 6% | 22% |
Приготовление суспензии вспененного цемента
Цементные растворы, приготовленные ранее, отливают в ёмкость для смешивания при перемешивании (400 об/мин). Цементный раствор закачивают с помощью объёмного эксцентрикового винтового насоса SeepexTM MD 006-24 (заказ № 244920).
Перекачиваемый раствор и водная пена, получаемые непрерывно, приводят в контакт друг с другом в статическом смесителе и получают суспензию вспененного цемента.
Добавление сульфата алюминия в минеральный пеноматериал показано более подробно на фиг. 1. Пенообразующий раствор 1 подают в пеногенеротор 2 вместе с воздухом 3. Водную пену, полученную в пеногенераторе 2 и цементный раствор 4 приводят в контакт в статическом смесителе 5 и перемешивают для получения суспензии вспененного цемента 6. Раствор 7 сульфата алюминия может быть добавлен в процесс с помощью объёмного эксцентрикового винтового насоса SeedTM MD 003-12 (заказ № 245928) по линии 8 (раствор сульфата алюминия добавляют к водной пене до того, как последний перемещается в статический смеситель 5), по линии 9 (раствор сульфата алюминия добавляют в статический смеситель 5, в частности, в среднюю область статического смесителя 5) и/или по линии 10 (раствор сульфата алюминия добавляют к суспензии вспененного цемента после статического смесителя 5).
Приготовление минерального пеноматериала
Суспензию вспененного цемента отливают в кубики из полистирола размером 10 × 10 × 10 см и в цилиндрические колонны высотой 2,50 м и диаметром 20 см. Для каждой суспензии вспененного цемента изготавливают три кубика. Кубики извлекают из формы через 1 день и хранят 7 дней при относительной влажности 100% и температуре 20°C. Затем кубики сушат при температуре 45°С до постоянной массы. Из некоторых суспензий вспененного цемента изготавливают колонны. Колонны извлекают из формы через 3 - 7 дней и затем разрезают на секции длиной 25 см. Секции сушат до постоянной массы.
Анализ минеральных пеноматериалов
Стабильность пены измеряют визуальным осмотром кубиков перед извлечением из формы. Пену характеризуют как «стабильную», если кубик сохранял свою высоту в 10 см после схватывания. Пену характеризуют как «неустойчивую», если кубик разрушился во время его схватывания. Каждый тест проводят на 3 кубиках 10 × 10 × 10 см. Результаты показывают аналогичные характеристики для 3 кубиков. В зависимости от конкретного случая, результаты представляют собой среднее значение для 3 кубиков.
Колонна считается стабильной, если плотность между нижней частью и верхней частью не отличается более чем на 5 кг/м3.
Теплопроводность минеральных пеноматериалов
Теплопроводность измеряют с помощью устройства для измерения теплопроводности: CT-метр, поставляемый компанией Alphis-ERE (сопротивление 5 Ω, провод датчика 50 мм. Измерения проводят на сухих образцах при температуре 45°C до получения постоянной массы. Затем образец разрезают на две равные части с помощью устройства для резки. Измерительный датчик помещают между двумя поверхностями половинок образца (на стороне распила). Тепло переносится от источника к термоэлементу через материал, который окружает датчик; повышение температуры термоэлемента измеряют в зависимости от времени, что позволяет рассчитать теплопроводность образца.
Плотность минеральных пеноматериалов
Плотность влажного цементного раствора измеряют путём взвешивания кубиков во время отливки. Плотность сухих образцов измеряют на высушенных образцах при температуре 45°С до получения постоянной массы при обжатии кубиков.
Результаты
Результаты представлены в таблице 4.
Таблица 4
| Минеральный пеноматериал | A | B | C | D | E | F | G |
| Водная пена | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 1 | 1 |
| Цементный раствор | I | I | II | II | II | III | III |
| Ускоритель | - | a | - | a | b | - | a |
| Расход цементного раствора (Л/мин) | 0,25 | 0,26 | 0,25 | 0,26 | 0,25 | 0,25 | 0,25 |
| Расход воздуха (Л/мин) | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
| Расход пенообразователя (Л/мин) | 0,41 | 0,41 | 0,41 | 0,41 | 0,41 | 0,41 | 0,41 |
| Расход ускорителя (Л/мин) | - | 0,064 | - | 0,13 | 0,038 | - | 0,064 |
| Al2(SO4)3 (% масс. Сухого вещества /Цемент) | - | 1,00 | - | 2,00 | 2,00 | - | 1,00 |
| Плотность влажного минерального пеноматериала (г/л) | 108 | 124 | 109 | 117 | 114 | 110 | 112 |
| Плотность сухого минерального пеноматериала (г/л) | 72 | 78 | НО | 71 | 72 | - | НО |
| Стабильность (кубик) | Стаб | Стаб | Нестаб | Стаб | Стаб | Нестаб | Стаб |
| Размер пузырьков (мм) | >2 | <1 | - | <1 | <1 | - | <1 |
| Стабильность (колонна 16*32) | Стаб | Стаб | - | Стаб | Стаб | - | НО |
| Лямбда (Вт/K.м) (измеренная CT-датчиком) | 0,043 | 0,038 | - | 0,037 | НО | - | НО |
НО ... не измерялся
«нестабильный» означает, что пена разрушилась
Результаты показывают, что все пены, содержащие сульфат алюминия (B, D, E и G), являются стабильными.
Кроме того, эти стабильные пены имеют уменьшенный средний диаметр их воздушных пузырьков, который, как известно, связан с повышенной устойчивостью пены.
Кроме того, сравнение пены C и D и пены F и G, где единственной переменной является присутствие сульфата алюминия, показывает его роль в создании стабильного минерального пеноматериала.
1. Способ получения минерального пеноматериала, включающий следующие стадии:
(i) раздельного приготовления цементного раствора и водной пены, причем цементный раствор включает воду (W) и портландцемент (C);
(ii) контактирования цементного раствора с водной пеной для получения суспензии вспененного цемента;
(iii) добавления источника соли алюминия во время стадии (ii);
(iv) отливки суспензии вспененного цемента и выдержки его для схватывания, причём минеральный пеноматериал по существу не включает частиц диаметром D50 < 2 мкм.
2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве источника соли алюминия используют сульфат алюминия, в частности, в виде раствора сульфата алюминия.
3. Способ по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что источник соли алюминия добавляют к водной пене до контакта водной пены с цементным раствором на стадии (ii).
4. Способ по п. 2, характеризующийся тем, что сульфат алюминия добавляют в количестве 0,15 - 5% сухого сульфата алюминия относительно массы цемента, предпочтительно 0,25 - 3% сухого сульфата алюминия относительно массы цемента, более предпочтительно 0,5 - 2,5% сухого сульфата алюминия относительно массы цемента.
5. Способ по любому из пп. 1-4, характеризующийся тем, что D50 пузырьков водной пены, полученной на стадии (i), менее или равен 400 мкм.
6. Способ по любому из пп. 1-5, характеризующийся тем, что стадия (ii) включает введение цементного раствора и водной пены в статический смеситель для получения суспензии вспененного цемента.
7. Способ по любому из пп. 1-6, характеризующийся тем, что на стадии (i) используют соотношение W/C (масс./масс.) 0,28 - 0,35.
8. Способ по любому из пп. 1-7, характеризующийся тем, что портландцемент представляет собой цемент типа CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV или CEM V.
9. Способ по любому из пп. 1-8, характеризующийся тем, что портландцемент имеет удельную поверхность (Блейн) 3000 - 10000 см2/г, предпочтительно 3500 - 6000 см2/г.
10. Способ по любому из пп. 1-8, характеризующийся тем, что цементный раствор включает добавку, снижающую водопотребность, в частности пластификатор или суперпластификатор.
11. Способ по любому из пп. 1-10, характеризующийся тем, что суспензия вспененного цемента включает, по меньшей мере, один дополнительный минеральный компонент, в частности дополнительный цементный материал, причём минеральный компонент предпочтительно выбирают из карбоната кальция, диоксида кремния, измельчённого стекла, сплошных или полых стеклянных шариков, стеклянных гранул, порошка вспененного стекла, аэрогелей диоксида кремния, кварцевой пыли, гранулированного доменного шлака, измельчённых осадочных кварцевых песков, золы-уноса или пуццолановых материалов или их смесей.
12. Применение источника соли алюминия, представляющей собой сульфат алюминия в форме раствора сульфата алюминия, для повышения механической стабильности и/или уменьшения разрушения суспензии вспененного цемента, причем указанная суспензия вспененного цемента предпочтительно получена
(i) раздельным приготовлением цементного раствора и водной пены, причём цементный раствор включает воду (W) и портландцемент (C);
(ii) контактированием цементного раствора с водной пеной для получения суспензии вспененного цемента;
(iii) добавлением источника соли алюминия во время стадии (ii).
13. Применение по п. 12, характеризующееся тем, что сульфат алюминия добавляют в количестве 0,15 - 5% сухого сульфата алюминия относительно массы цемента, предпочтительно 0,25 - 3% сухого сульфата алюминия относительно массы цемента, более предпочтительно 0,5 - 2,5% сухого сульфата алюминия относительно массы цемента.
