(19) LATVIJAS REPUBLIKAS PATENTU VALDE Latvijas patents izgudrojumam 2007g. 15.februāra Latvijas Republikas likums (12) Īsziņas (21) Pieteikuma numurs: LVP2020000013 (22) Pieteikuma datums: 28.02.2020 (43) Pieteikuma publikācijas datums: (45) Patenta publikācijas datums: 20.09.2020 20.08.2022 (11) B1 (51) Starpt.pat.kl. C04B 11/00 C04B 111/40 C04B 28/22 C04B 5/06 (71) Īpašnieks(i): RĪGAS TEHNISKĀ UNIVERSITĀTE,Kaļķu iela 1,Rīga,LV (72) Izgudrotājs(i): Aleksandrs KORJAKINS (LV) Andrejs ŠIŠKINS (LV) Diāna BAJĀRE (LV) Eva NAMSONE (LV) Genādijs ŠAHMENKO (LV) (54) Izgudrojuma nosaukums: SMALKGRAUDAINA PUTUBETONA IZGATAVOŠANAS TEHNOLOĢIJA, IZMANTOJOT DIVPAKĀPJU AKTIVĀCIJU: MEHĀNISKO UN AR KAVITĀCIJAS EFEKTU METHOD OF MANUFACTURING FINE-GRAINED FOAM CONCRETE USING TW O-STAGE ACTIVATION: MECHANICAL AND W ITH A CAVITATION EFFECT (57) Kopsavilkums: Izgudrojums attiecas uz betona ražošanu. Piedāvāts putubetona divpakāpju izgatavošanas process ar sajaukšanu un aktivāciju sausos un mitros apstākļos, kā arī sausā maisījuma homogenizēšanu. Aktivācijas procesos tiek izmantots dezintegratora un kavitācijas paņēmiens. Kā piedevas putubetonam pievieno superplastifikatoru un uzputošanas aģentus. Rezultātā tiek samazināts putubetona iegūšanas laiks, enerģijas un materiāla patēriņš.
1 IZGUDROJUMA APRAKSTS [001] Izgudrojums attiecas uz būvniecības nozari, konkrēti uz putubetonu un tā izgatavošanas paņēmienu. Zināmais tehnikas līmenis [002] Atkarībā no izmantotās saistvielas būvniecībā ir zināmi un izmantojami dažādi porizētu betonu veidi, silikāta komponentes un tehnoloģijas: putubetons, gāzbetons, putusilikāts, ģipšaputubetons u.c. Putubetons ir universāls materiāls, kura galvenās priekšrocības ir tā zemais blīvums, ērtā iestrādāšana, vienkāršā ražošanas tehnoloģija un labas fizikāli mehāniskās īpašības [1, 2]. Pateicoties putubetona slēgtajai šūnu struktūrai, mazai ūdens uzsūkšanas spējai un labai salizturībai un mitrumizturībai, putubetons kļuva par vienu no modernajiem būvmateriāliem, kura izmantošana aizvien pieaug [3]. [003] Kopš 1925. gada ir zināmi divi putubetona iegūšanas paņēmieni: iepriekš sagatavotu putu sajaukšana ar cementa javu, un putu veidojošās piedevas pievienošana cementa javā, kad intensīvas maisīšanas laikā tiek nodrošināta maisījuma porizācija. Mūsdienās šīs divas metodes ir zināmas kā klasiskā jeb divpakāpju maisīšanas tehnoloģija pre-foaming aprakstīta [4] un aerācijas paņēmiens ( mixed-foaming ), kura laikā tiek nodrošināta vienlaicīga maisījuma samaisīšana un porizācija [5]. [004] Ir zināma metode putubetona ražošanai [6], kas satur portlandcementu, silīcija komponentu (smilts), superplastifikatoru C-3 (iegūts naftalīnsulfonskābes un formaldehīda kondensācijas rezultātā), alumīnija pulveri un ūdeni. Iegūtais produkts ir dārgs superplastifikatora un alumīnija pulvera izmantošanas dēļ. Turklāt alumīnija pulvera izmantošana piesārņo vidi ar alumīnija/sārmu reakcijas produktiem. Lai nodrošinātu putubetonu masveida ražošanu, ir nepieciešams putojošs līdzeklis, kam vienlaikus būtu zemas izmaksas, pieejams izejvielu avots, augsta putu stabilitāte un iespēja realizēt tehnoloģiski. [005] Aerācijas jeb mixed-foaming metodē sajaukšanas, porizācijas un aktivācijas procesi notiek liela ātruma maisītājā. Līdz ar to putubetona maisīšanas laikā tiek nodrošināta ne vien komponentu samaisīšana, bet arī daļiņu dispergācija un saistvielas aktivācija. Tiek izmantoti dažādu konstrukciju maisītāji ar turbulences efektu: maisītāji ar šnekveida tipa aktivatoru (vertikālais, horizontālais). Maisītājā rodas kavitācijas efekts, kas nodrošina porizācijas procesu. Maisīšanas beigās gatavā izstrādājumā gaisa poras ir izkārtotas vienmērīgi [5].
2 [006] Tiek izmantots arī barotehnoloģijas maisīšanas process, kura laikā portlandcements, silikāta komponentes, ūdens un putu veidojošā viela tiek sajaukti hermētiskā putubetona maisītājā zem spiediena. Ar kompresora palīdzību radot iekšēju spiedienu, tiek veicināta papildu gaisa iesaistīšana. Beidzoties maisīšanas procesam, putubetons tiek pakļauts spiediena ietekmei. Pēc spiediena samazināšanās notiek gatavā maisījuma papildu tilpuma palielināšanās (izplešanās) [7]. [007] Vēl efektīvāka putubetona ražošanas tehnoloģija tiek nodrošināta, izmantojot liela ātruma maisītājus ar turbulences-kavitācijas efektu. Maisīšana notiek pēc mixed-foaming tehnoloģijas principa, sajaucot putu veidojošo vielu ar galvenajām izejkomponentēm (portlandcements, silikāta komponentes, ūdens), pēc tam pievienojot minerālās komponentes. Ar kompresora palīdzību radītais papildu spiediens ļauj gatavo putubetonu transportēt gan vertikālā, gan horizontālā virzienos [8]. Izmantojot maisīšanas elementus ar lielu kustības lineāro ātrumu, tiek panākta intensīva maisīšana ar ātrumu 5 m/s un vairāk radot turbulences efektu, bet ar ātrumu 15 m/s un vairāk kavitācijas efektu. Putubetona maisīšanā turbulence un kavitācija ir lietderīgie procesi, jo uzlabojas maisījuma kvalitāte, efektīvāk tiek izmantotas cementa īpašības, palielinot cementa saistvielas reaktivitāti, vienlaicīgi disperiģējot ar nanopiedevām visā materiāla apjomā. Līdz ar to tiek optimizēti putubetona tehnoloģiskie parametri. Gala rezultātā putubetonam ir sasniedzama lielāka stiprība un ir mazāks blīvums, kā arī mazāka siltumvadāmība, ko nav iespējams panākt izmantojot aerācijas maisīšanas tehnoloģiju [9]. [008] Tradicionālās tehnoloģijās putubetonam par saistvielu tiek izmantots portlandcements, par pildvielu smilts, kas veic ne vien pildvielas funkcijas, bet veicina arī putu veidošanos. Mūsdienu augstas veiktspējas putubetonu iegūšanas tehnoloģijas paredz pievienot dažādas piedevas ar pucolānu īpašībām, kā arī strukturējošas mikro un nanopiedevas. Mikrosilīcijs jeb dūmsilīcijs ir aktīvā pucolānu piedeva ar smalkām, sfēriskas formas daļiņām, ar daļiņu izmēriem 50 500 nm, kas ir aptuveni 100 reizes mazākas nekā portlandcementa daļiņas. Mikrosilīcijs tiek iegūts izmantojot silīcija, dzelzssilīcija jeb ferosilīcija (retāk arī cirkonija) ražošanas blakusproduktus [10]. Tas palīdz uzlabot cementa matricas struktūru un iegūt labāku pildvielu pakojumu [5, 10]. Ja neizmanto liela ātruma maisītājus, var veidoties mikrodaļinu aglomerāti. Lai panāktu mikrosilīcija efektīvu disperģēšanu cementa maisījumā, jāizmanto intensīvās (liela ātruma) maisīšanas tehnoloģijas. Tika pierādīts, ka izmantojot kavitācijas dispergatoru [11], var iegūt stabilu mikrosilīcija suspensiju, rezultātā tiek uzlabota maisījuma viendabīgums un mehāniskās īpašības [9]. Pucolānu reakcijā starp amorfu silīcija dioksīdu un kalcija hidroksīdu
3 (portlandcementa hidratācijas blakusproduktu) tiek iegūts papildu cementējošs efekts, nodrošinot blīvas cementa akmens struktūras veidošanos. Smalki disperso pelnu daļiņu izmēri ir robežās no 1 mikrona līdz vairāk nekā 100 mikroniem, kas uzlabo putubetona struktūru, padarot to vienmērīgi aizpildītu un ar lielāku stiprību. Pucolānu reakcija notiek starp kalcija hidroksīdu un pelnos ietilpstošo silīciju, alumīniju un dzelzi [12]. [009] Ir zināms patents [13], kurā maisītājā iebērtās smilts tiek sajauktas ar cementu līdz viendabīga maisījuma iegūšanai. Tālāk tas tiek sajaukts ar ūdeni, atbilstoši nepieciešama sastāva receptūrai, līdz tiek iegūta viendabīga, plastiska masa. Atsevišķi tiek pagatavotas putas, kas tiek sajauktas ar smilšu-cementa javu ( pre-foaming metode). Lai arī putubetona izgatavošanas pre-foaming tehnoloģijai ir savas priekšrocības (iepriekš pagatavotas noturīgas putas, kas nodrošina vienmērīgu putubetona struktūras iegūšanu, neveidojot lielas gaisa poras), tā nav pietiekami efektīva. Putubetona izgatavošanai pēc šīs metodes nepieciešams liels daudzums darbību, kas paildzina iegūšanas procesu, mazinot darba ražību. Turklāt, lai nodrošinātu smalko poru izmēru, ir nepieciešamas smalkgraudainas izejvielas, kas ierobežo šīs metodes izmantošanu. [010] Patentā [14] aprakstīta poraina betona izgatavošana tehnoloģija, kurā pirmā stadijā (i) sausās komponentes (portlandcements, smilts) no sauso izejvielu tvertnes ar šneku padod uz dozatoru, un tālāk uz dezintegratora tipa maisītāju, kurā pievieno ūdeni un šķidrās piedevas (sacietēšanas regulētājus), otrajā stadijā (ii), maisījumu padod uz šneka veida maisītāju, kur notiek maisījumu homogenizācija, trešajā stadijā (iii), maisījumu ar sūkņa palīdzību padod maisītajā-porizatorā, kur ātri padod putu veidojošo vielu un gaisu, maisītajā-porizatorā notiek maisījuma uzputošana. Par šī patenta trūkumu var uzskatīt sauso izejvielu samaisīšanu bez aktivācijas sausā veidā un bez kavitācijas uzputošanas stadijā. Šīs risinājums pieņemts par prototipu izgudrojumam. [011] Lai novērstu prototipa trūkumus tiek piedāvāta divpakāpju aktivācijas putubetona iegūšanas tehnoloģija, kurā pirmā stadija (i) cementa, smilti, un mikrosilicija maisījumu sausā veidā apstrādā dezintegratorā, bet otrajā stadijā (ii) šķidrā vidē veic samaisīšanu un aerāciju liela ātruma dispergatorā, rezultātā notiek komponentu papildus aktivācija, aerācija un gaisa burbuļu sasmalcināšana ar kavitācijas palīdzību. Izgudrojuma mērķis un būtība [012] Izgudrojuma mērķis ir izstrādāt tehnoloģiju augstas veiktspējas putubetonu ar paaugstinātu īpatnējo stiprību, izmantojot divpakāpju aktivāciju, kur pirmajā (i) stadijā visi
4 komponenti (portlandcements, smilts, mikrosilīcijs) tiek sajaukti, sasmalcināti un vienlaicīgi aktivēti ar dezintegraora palīdzību, otrajā (ii) stadijā sagatavotais sausais maisījums sajukts ar ūdeni un superplastifikatoru, lai iegūtu pastas veida maisījumu ar ūdens saturu no 8 līdz 12 masas % un pēc tam beidzamajā posmā (iii) aktivēts dispergatorā ar kavitācijas palīdzību, secīgi pievienojot putu veidojošo vielu uzputošana. [013] Lai raksturotu dezintegratora apstrādes efektivitāti sausā veidā, tika veikti portlandcementa javas cietēšanas testi izmantojot divus komerciāli pieejams portlandcementa tipus (TIPS1 un TIPS2). Komponenšu saturs ir noradīts tabulās 1 un 2, spiedes stiprība noteikta dažādos cietēšanas laika posmos 3, 7, 28 un 56 dienās. Kā redzams 1. zīmējumā, veicot divkāršo apstrādi dezintegratorā, abi cementa paraugi, kas tika divreiz apstrādāti ar dezintegrātoru, sasniedz augstāku spiedes stiprību, salīdzinot ar paraugiem apstrādātiem vienu reizi. [014] Izgudrojums ir skaidrots ar šādiem zīmējumiem: 1. zīm. Izgatavoto smalkgraudainu blīvas javas sastāvu, izmantojot divus stiprības klases portlandcementus (TIPS1 un TIPS2), ar vienreizēju (apzīmēts ar X1) un divkāršo (apzīmēts ar X2) apstrādi ar dezintegratoru. Apzīmējumi: TIPS1-X1 sausais maisījums ar TIPS1 portlandcementu vienreiz apstrādāts dezintegratorā; TIPS1-X2 sausais maisījums ar TIPS1 portlandcementu divas reizes apstrādāts dezintegratorā; TIPS2-X1 sausais maisījums ar TIPS2 portlandcementu vienreiz apstrādāts dezintegratorā; TIPS2-X2 sausais maisījums ar TIPS2 portlandcementu divas reizes apstrādāts dezintegratorā. Spiedes stiprība tika noteikta dažādos cietēšanas laika posmos 3, 7, 28 un 56 dienās. [015] 2. zīm. Divpakāpju aktivācijas putubetona iegūšanas tehnoloģijas shēma: tvertnes ar sausajām izejvielām (1), dezintegrators (2) un (3), mikseris (4), tvertnes ar šķidrajām izejvielām (5), (6) un (8), tvertne ar lāpstas maisītāju (7), dispergators (9), kompresors (10), veidnes (11); (a) līnija atkārtotai dezintegrācijai, (b) dispergatora cirkulācijas līnija. Izgudrojuma īstenošanas piemēri [016] Divpakāpju putubetona iegūšanas tehnoloģijas 1. piemērs (2. zīm.): pirmā (i) stadijā izmanto 1. tabulā rādīto sauso izejvielu sastāvu, kuru padod no tvertnēm (1) un apstrādā dezintegratorā (2) ar rotora ātrumu no 6000 līdz 12000 rpm min -1, izlaižot cauri dezintegratoram vienu reizi. Otrajā stadijā (ii) sagatavoto sauso maisījumu sajauc mikserī (4) ar superplastifikatoru aprēķināto daudzumu (skat. 2. tabulu) un 50 % no aprēķināta ūdens
5 daudzuma (skat. 2. tabulu), kurus iepilda no tvertnēm (5) un (6) un maisa, lai iegūtu viendabīgu pastu. Tvertnē ar lāpstas maisītāju (7), kas savienota ar dispergatoru (9), iepilda atlikušo aprēķināto ūdens daudzumu. Trešajā stadijā (iii) strādājošā cirkulācijas režīmā dispergatora no maisītāja (4) pakāpeniski ievada iegūto pastu. Pēc visa pasta daudzuma pievienošanas, neapturot dispergatora darbību cikliska režīmā, palielina dispergatora rotora ātrumu līdz 9000 rpm min -1, lai lineārais ātrums sasniedz vismaz 40 m sec -1, tad tvertnē (7) ievada putu veidojošas vielas aprēķināto daudzumu (skat. 2. tabulu) no tvertnes (8). Neapturot dispergatora darbību cikliska režīmā, ar kompresoru (10) ievada gaisu un cementa javu uzputo līdz tilpuma apjoma pieaugumam par 70 % un turpina maisīšanu ar kavitāciju, veicot visa maisījuma cirkulēšanu posmā (b) caur dispergatoru (9) vismaz piecas reizes. Iegūto svaigu putubetonu iepilda veidņos (11). Sausa maisījuma sastāvs, (masas %) Viela % Portlandcements 41 % Smilts <0,1 mm 52 % Mikrosilīcijs 7 % 1. tabula Putubetona javas maisījuma sastāvs, (masas %) Viela % Portlandcements 32,9 % Smilts <0,1 mm 42,6 % Mikrosilīcijs 5,8 % Ūdens 16,3 % Superplastifikators 0,8 % Putu veidojoša viela 1,6 % 2. tabula [017] 2. piemērs: putubetons ir izgatavots analogi 1. piemēram, atšķiras ar to, ka, pirmajā stadijā (i) sausās izejvielas apstrādā dezentegratorā izlaižot to cauri divas reizes, laižot maisījumu pa (a) ciklisku līniju (2. zīm.). [018] 3. piemērs: putubetons ir izgatavots analogi 1. vai 2. piemēram, atšķiras ar to, ka, trešajā stadijā (iii) uzputošanu dispergatorā veic zem paaugstināta spiediena no 1,1 līdz 1,3 atm. [019] 4. piemērs: putubetons ir izgatavots analogi 1. 3. piemēram, atšķiras ar to, ka, cementa java satur superplastifikatoru no 0,8 līdz 1,5 masas %.
6 [020] 5. piemērs: putubetons ir izgatavots analogi 1. 4. piemēram, atšķiras ar to, ka, cementa java satur ūdeni no 17 līdz 23 masas %. [021] 6. piemērs: putubetons ir izgatavots analogi 1. 5. piemēram, atšķiras ar to, ka, cementa saturs cementa javā ir no 33 līdz 45 masas %, smilts saturs ir no 30,4 līdz 42,5 masas %. [022] 7. piemērs: putubetons ir izgatavots analogi 1. 6. piemēram, atšķiras ar to, ka, otrajā stadijā, ievadot strādājošā cikliskā režīmā dispergatorā gaisu, cementa javu uzputo līdz apjoma pieaugumam no 71 līdz 150 %. Izmantotie informācijas avoti 1. F. Tanveer, A., Jagdeesh, K., Ahmed, Foam Concrete, Int. J. Civ. Eng. Res., vol. 8, no. 1, pp. 1 14, 2017. 2. X. Tan, W. Chen, Y. Hao, and X. Wang, Experimental study of ultralight (<300 kg/m3) foamed concrete, Adv. Mater. Sci. Eng., vol. 2014, 2014. 3. N. Mohd Zamzani, M. A. Othuman Mydin, and A. N. Abdul Ghani, Mathematical regression models for prediction of durability properties of foamed concrete with the inclusion of coir fibre, Int. J. Eng. Adv. Technol., vol. 8, no. 6, pp. 3353 3358, 2019. 4. Z. A. Wehmet, FG.3 ay 42z, a 44-724., pp. 3 7, 1973. 5. C.-L. Hwang and V.-A. Tran, A study of the properties of foamed lightweight aggregate for self-consolidating concrete, Constr. Build. Mater., vol. 87, pp. 78 85, Jul. 2015. 6. V. Morgunov, Сырьевая смесь для изготовления ячеистого бетона, RU 2 062 772 C1, 1996. 7. С. Ружинский, А. Портик, and A. Савиных, Все о пенобетоне, СТРОЙ-БЕТО. Санкт-Петербург: Книги, 2006. 8. С. Д.Р., Новый способ получения пенобетона и гомогенных систем в турбулентном смесителе кавитационного типа., СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА, vol. 8, no. 67, 2004. 9. K. P. Justs J., Shakhmeno G., Mironovs V., Cavitation Treatment of Nano and Micro Filler and Its Effect on the Properties of UHCP, Proceedings of Hipermat 2012 3rd Inernational Symposium on UHPC and Nanotechnology for High Performance Construction Materials, vol. 19. pp. 87 92, 2012. 10. A. Just and B. Middendorf, Microstructure of high-strength foam concrete, Mater. Charact., vol. 60, pp. 741 748, 2009.
7 11. A. Polyakov and E. Polyakova, Dispergators-maisītājs, 13592 B, 2007. 12. T. U. of Memphis, Fly ash, Slag, silica fume, and natural Pozzolans, Design and Control of Concrete Mixtures, 1996.. 13. A. Vinarov, D. Sokolov, E. Sokolova, and V. Panteleev, Method of producing foam concrete using a protein foamer, WO1999062842A1, 1998. 14. Г. БАКАЛЕЙНИК, А. БУРЬЯНОВ, В. ГОНЧАР, В. ИВАНИЦКИЙ, and В. КОРЧАГИН, Смеситель, SU 1694395 A1, 1989.
8 PRETENZIJAS 1. Divpakāpju smalkgraudaina putubetona iegūšanas tehnoloģija, kurā: (i) pirmajā stadijā cementa, smilts un mikrosilīcija sauso maisījumu apstrādā dezintegratorā, kas atšķiras ar to, ka, rotora apgriezienu ātrums ir no 6000 līdz 12000 rpm min -1, izlaižot to cauri dezintegratoram vienu reizi; (ii) otrajā stadijā sagatavoto sauso maisījumu sajauc mikserī ar superplastifikatora aprēķināto daudzumu un 50 % no aprēķināta ūdens daudzuma, lai iegūtu viendabīgu betona pastu, savukārt atlikušo aprēķināto ūdens daudzumu iepilda tvertnē ar lāpstas maisītāju, kas savienota ar dispergatoru; (iii) trešajā stadijā iegūto pastu no maisītāja pakāpeniski ievada strādājošā cirkulācijas režīmā dispergatorā, tad, pēc visas pastas pievienošanas, palielina dispergatora rotora ātrumu līdz 9000 rpm min -1, un, neapturot dispergatora darbību cikliska režīmā, ievada putu veidojošas vielas aprēķināto daudzumu un gaisu, cementa javu uzputo līdz apjoma palielināšanas par 70 % un turpina apstrādāt ar kavitāciju, laižot visu maisījumu caur dispergatoru vismaz piecas reizes, tad iegūto svaigo putu betonu iepilda veidņos. 2. Putubetona iegūšanas tehnoloģijas saskaņā ar 1. pretenziju, atšķiras ar to, ka, pirmajā stadijā sausās izejvielas apstrādā dezintegratorā izlaižot to cauri divas reizes. 3. Putubetona iegūšanas tehnoloģija saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, atšķiras ar to, ka, uzputošanu dispergatorā veic zem paaugstināta spiediena no 1,1 līdz 1,3 atm. 4. Putubetona iegūšanas tehnoloģija saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 3. pretenzijas, atšķiras ar to, ka, cementa java satur superplastifikatoru no 0,8 līdz 1,5 masas %. 5. Putubetona iegūšanas tehnoloģija saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 4. pretenzijas, atšķiras ar to, ka, cementa java satur ūdeni no 17 līdz 23 masas %. 6. Putubetona iegūšanas tehnoloģija saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 5. pretenzijas, atšķiras ar to, ka cementa java satur cementu no 33 līdz 45 masas % un smiltis no 30,4 līdz 42,5 masas %. 7. Putubetona iegūšanas tehnoloģija saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 6. pretenzijas, atšķiras ar to, ka, trešajā stadijā (iii), ievadot dispergatorā strādājošā cikliska režīmā gaisu, cementa javu uzputo līdz apjoma palielināšanas no 71 līdz 150 %.
1/1 Spiedes stīprība spiežot, MPa 140 130 120 110 100 90 80 70 60 TIPS1 - X1 TIPS1 - X2 TIPS2 - X1 TIPS2 - X2 50 40 0 14 28 42 56 Cietiešana, dienas 1. zīm. 2. zīm.