LV15379B - Magnija fosfāta cementa un bioloģiskas izcelsmes pildvielu ātras cietēšanas celtniecības bloks un tā izgatavošanas paņēmiens - Google Patents

Description

[001] Izgudrojums - ātras cietēšanas celtniecības bloks - attiecas uz būvniecības nozari, konkrēti uz ēku nesošām konstrukcijām, siltumizolācijas un apdares materiāliem, kurus klasificē kā vienotu būvniecības elementu. Tas īpaši izmantojams būvniecībai ekstremālos apstākļos, piemēram, pēc dabas katastrofām, kad pieejamie resursi ir ierobežoti.

Zināmais tehnikas līmenis [002] Ir zināmi magnija fosfāta cementi (MFC), kurus iegūst ķīmiskas reakcijas starp MgO un šķīstošajiem skābajiem fosfāta sāļiem (tipiski amonija vai kālija fosfātiem) rezultātā. Reakcijas rezultātā veidojas magnija fosfāta sāļi ar cementējošām īpašībām, ko apraksta vienādojums:

MgO+NH₄H₂PO₄+5H₂O->NH₄MgPO 6H₂O. (1) [003] Līdzīga tipa cementi ir zināmi kopš 19. gadsimta beigām, kad zobārstniecībā tika lietoti cinka fosfāta cementi [1], savukārt pagājušā gadsimta 40-tajos gados parādījās vairāki MgO fosfāta cementu veidi. Tad 1966. gadā Limes un Ponzani patentēja izgudrojumu [2], saskaņā ar kuru šķidru amonija ortofosfātu sajauc ar pārdedzinātu MgO, lai iegūtu izsmidzināmu, normālos apstākļos (20 °C, 101,325 kPa) cietējošu sastāvu. Šie cementi tika izmantoti kā ātri cietējoši remontsastāvi ceļiem un skrejceļiem. Trūkums ir augstā cena un izgarojumi (izdalās amonija gāze), līdz ar to šo cementu lietošana ir būtiski samazinājusies [3, 4].

[004] Ir zināmi no amonija brīvi magnija fosfāta cementi (MFC), kas sākotnēji tika izstrādāti, lai darbotos kā radioaktīvu un cita veida piesārņotu vielu iekapsulēšanas matricas, jo tie ir spējīgi tolerēt vielās esošos sāļus, kā arī nodrošināt nevēlamo savienojumu iekapsulēšanu zemā temperatūrā [5, 6]. Sākotnēji kā cietēšanas ierosinātājs tika izmantota fosforskābe kopā ar cietēšanas palēninātāju borskābi, bet reakcijas rezultātā materiāls sakarsa un sasniedza nepieļaujami augstu temperatūru. Līdz ar to vēlāk sāka izmantot kālija ortofosfātu, kas, savienojoties ar MgO, veido K-strūvītu jeb keramikrītu (no angļu valodas Ceramicrete) [7]:

MgO+KH₂PO4+5H₂O-^MgKPO 6H₂O. (2) [005] Tā kā KH2PO4 ir augstāks pH līmenis nekā amonija ortofosfātam, reakcija starp komponentēm notiek lēnāk ne kā reakcija (1) un to ir iespējams kontrolēt. Tā kā KH₂PO₄ ir pulverveida viela, to sausā veidā ir iespējams sajaukt ar MgO, veidojot MFC remontjavas. Javai cietējot, neizdalās amonija gāze. MFC spiedes stiprība var sasniegt 80 MPa un vairāk [8], bet agrā stiprība (pirmajās 3 stundās) var sasniegt 80 % no gala stiprības pēc 28 dienu cietēšanas [4]. [006] Ir zināms ātri cietējošs materiāls, kas satur vismaz 10 % MgO un amonija fosfātu ūdens šķīdumā, un tā izgatavošanas paņēmiens [9]. Ir pierādīts, ka atsaistīts fosfāta šķīdums, zināms kā komerciāls lauksaimniecības mēslojums, ir īpaši piemērots kā amonija fosfāta avots cementējošās vielas izgatavošanai. MFC, iegūts saskaņā ar [9], spēj ātri saistīties - mazāk nekā pusstundā pēc sajaukšanas. Šāds kompozīcijas stiprības pieaugums ir pietiekami ātrs, lai, piemēram, skrejceļu remontu gadījumā būtu iespējams atjaunot satiksmi dažu stundu laikā. Turklāt šai kompozīcijai piemīt stipra adhēzija ar dažādām virsmām, piemēram, ar betonu un tēraudu, un tai ir augsta spiedes pretestība. Trūkums ir liels blīvums un zemā porainība.

[007] Ir zināms izolējošs ugunsizturīgs materiāls [10], kura sastāvā ir magnija fosfāts, sārmzemju metālu oksīdi, silīcija dioksīds un minerālšķiedras. Šķiedras parasti ir minerālvate vai azbesta šķiedras. Šī materiāla trūkums ir minerālās šķiedras nepieciešamība.

[008] h zināms keramisku šķiedru ugunsizturīgs materiāls [11], kas satur keramiskās šķiedras, alumīnija fosfāta pulveri, magnija oksīdu, ūdenī šķīstošu saistvielu, organisko polimēru plastifikatoru un paskābināšanas līdzekli. Kā keramiskās šķiedras izmanto alumīnija šķiedras, alumīnija silikāta šķiedras, hromu saturošas šķiedras un to maisījumus, kuros alumīnija silikāta šķiedras veido lielāko masas daļu. Kā materiāla trūkumu var atzīmēt keramisko šķiedru, kuras ir grūti pieejamas mazapdzīvotās vietās vai pēc dabas katastrofām, izmantošanu.

[009] Ir zināms materiāls un tā ražošanas paņēmiens [12], kas apraksta ātri cietējošus magnija fosfāta cementus ar izgatavošanas laiku no 60 līdz 120 minūtēm. Konkrētāk, tas raksturo uzlabotus ātri cietējošus magnija fosfāta cementus, kas satur noteiktu daudzumu neorganiskas šķiedras, tādas kā stikla, metāla un to maisījumu, lai palielinātu iegūtā cementa izstrādājumu triecienizturību - šis paņēmiens pieņemts par prototipu. Paņēmiens uzlabota ātras cietēšanas cementa izgatavošanai ietver šādus soļus: (i) poraina materiāla sajaukšanu ar fosfāta šķīdumu, izveidojot gēlu; (ii) gēla žāvēšanu; un (iii) izžāvētā gēla malšanu, veidojot cietu aktivatoru. Cieto aktivatoru sajauc ar magniju saturošu komponenti, kas sastāv no magnija oksīda, hidroksīda, karbonāta un to maisījumiem, pievieno šķiedras daudzumā no 0,25 līdz 5,00 masas % no cementa masas un porainu pildvielu vismaz 40 masas % no sausā maisījuma masas. Minētā porainā pildviela satur silīcija dioksīdu, granītu, bazaltu, dolomītu, laukšpatu, amfibolu, piroksēnu, olivīnu, gabro, kriolītu, kvarcu, izdedžus, pelnus, stikla šķembas u.c. piemaisījumus.

[010] Kā trūkumu var atzīmēt šīs pildvielas ierobežoto pieejamību neapdzīvotās vietās vai pēc dabas katastrofām, kā arī piedāvātajām izejvielām (smiltis, granīts, bazalts un citi minerālas izcelsmes materiāli) ir liels blīvums, kas nenodrošina pietiekamas siltumizolācijas spējas, bet no saistvielas izgatavoto bloku paaugstinātā tilpummasa apgrūtina ātru un ērtu ēku būvniecību, izmantojot roku darba spēku. Pieņemts kā prototips patentējamajam objektam.

Izgudrojuma mērķis un būtība [011] Izgudrojuma mērķis ir radīt jaunu, videi draudzīgu, minimālu resursu patērējošu, augsti porainu materiālu - celtniecības bloku ar īsāku izgatavošanas laiku, no 45 līdz 60 minūtēm, paaugstinātām ugunsizturības un siltumizolācijas īpašībām.

[012] Lai sasniegtu mērķi piedāvāts veidot celtniecības blokus izmantojot magnija fosfāta cementa saistvielu un bioloģiskas izcelsmes šķiedras kā pildvielas: sasmalcinātas koka konstrukcijas, kaņepju vai linu spaļus, bambusa, niedru, u.c. stiebrus, koka šķeldu vai citas biomasas šķiedras. No prototipa piedāvātais izgudrojums atšķiras ar to, ka izmantojot bioloģiskas izcelsmes šķiedras kā pildvielas var ievērojami samazināt celtniecības bloku blīvumu un to siltumvadītspēju.

[013] Izgudrojuma paņēmiens ietver šādus secīgus soļus: (i) 15 masas % smalcinātas bioloģiskas izcelsmes šķiedras (pildvielas) ar izmēru no 5 līdz 30 mm samitrina ar 19 masas % ūdeni; (n) pievieno 25 masas % pārdedzināta magnija oksīda pulvera veidā un 20 masas % kālija ortofosfāta pulveri; (iii) tad ar izsmidzināšanas metodi pievieno 20 masas % ūdeni; (iv) iegūto masu ieformē iepriekš sagatavotos bloku veidņos un piepresē ar no 0,2 līdz 0,4 MPa spiedienu; (v) masa sāk saistīties 5-15 minūšu laikā pēc sajaukšanas, tad pēc 2 stundām blokus atveidņo, jo ir sasniegta pietiekama stiprība, lai noņemtu piepresēšanas spiedienu. Cietēšanas procesā izdalās liels siltuma daudzums (saistvielas saistīšanās ķīmiskās reakcijas rezultātā), tādējādi bloks cietējot zaudē lielāko daļu tehnoloģiskā ūdens, tādējādi nav jāpielieto papildus žāvēšana. Iegūtajam celtniecības blokam piemīt nosedzošas, dekoratīvas, siltumizolējošas un termoregulējošas funkcijas, to ir iespējams izmantot kā slodzi nesošu konstruktīvo materiālu. Celtniecības bloka blīvums ir no 450 līdz 600 kgnr³, spiedes stiprība ir no 0,8 līdz 1,2 MPa un siltumvadītspēja ir no 0,10 līdz 0,15 W nr' K?¹.

Izgudrojuma realizācijas piemeri [014] 1. piemērs: bioloģiskas izcelsmes vieglu pildvielu un MFC ātras cietēšanas celtniecības bloka iegūšanas paņēmiens ietver vairākus soļus. Pirmajā solī (i) bioloģiskas izcelsmes šķiedras (pildvielas - kaņepju vai linu spaļi, koka konstrukciju atlikumi, niedres, bambusa stumbri, u.c.) tiek samaltas dezintegratorā līdz daļiņu izmēram no 5 līdz 30 mm. Otrajā solī (ii) 15 masas % iegūto bioloģiskas izcelsmes šķiedru ar daļiņu izmēru no 5 līdz 30 mm ieber rotācijas maisītājā un maisa ar ātrumu no 50 līdz 60 apgriezieniem minūtē. 30 sekunžu laikā uz pildvielas vienmērīgi izsmidzina 19 masas % ūdens. Pēc ūdens pievienošanas pildvielu maisa vēl 60 sekundes. Neapturot maisīšanu, 30 sekunžu laikā pievieno 25 masas % pārdedzinātu pulverveida magnija oksīdu ar daļiņu izmēru (d9o⁼0,02 mm) un 20 masas % kālija ortofosfata pulveri. Masu maisa vēl 60 sekundes. 30 sekunžu laikā vienmērīgi izsmidzina ūdeni 21 masas %. Masu maisa vēl 120 sekundes. Trešajā solī (iii) iegūto maisījumu ieformē iepriekš sagatavotos bloku veidņos. Masa sāk saistīties 5-15 min pēc sajaukšanas, pēc 2 stundām blokus atveidņo, jo ir sasniegta pietiekama stiprība, lai noņemtu piepresēšanas spiedienu. Cietēšanas procesā izdalās liels siltuma daudzums, kas saistīts ar saistvielas ķīmiskajām reakcijām. Blokiem cietējot, tie zaudē lielāko daļu no tehnoloģiskā ūdens.

[015] 2. piemērs: MFC un bioloģiskas izcelsmes pildvielu saturošs celtniecības bloks, ir izgatavots analogi 1. piemēram, atšķiras ar to, ka pirmajā solī (i) ir izmantots paaugstināts saistvielas daudzums - magnija oksīds 45 masas % un kālija ortofosfats 36 masas %.

[016] 3. piemērs: MFC un bioloģiskas izcelsmes pildvielu saturošs celtniecības bloks ir izgatavots analogi 1. vai 2. piemēram, atšķiras ar to, ka trešajā solī (iii) iegūto maisījumu ieformē iepriekš sagatavotos bloku veidņos un piepresē ar 0,8 MPa spiedienu, iegūstot augstāka blīvuma un stiprības bloku.

[017] 4. piemērs: MFC un bioloģiskas izcelsmes pildvielu saturošs celtniecības bloks, ir izgatavots analogi 1.-3. piemēram, atšķiras ar to, ka trešajā solī (iii) iegūto maisījumu ieformē iepriekš sagatavotos bloku veidņos, kuri izgatavoti vai satur papildus ārējā slānī iestrādātu materiālu ar zemu siltumvadītspējas koeficientu (piemēram, putu polistirolu), kas ļauj ievērojami pazemināt bloka siltuma caurlaidības koeficientu, tādējādi paplašinot materiāla lietojumu aukstā klimatā.

[018] 5. piemērs: MFC un bioloģiskas izcelsmes pildvielu saturošs celtniecības bloks, ir izgatavots analogi 1.^4·. piemēram, atšķiras ar to, ka trešajā solī (iii) iegūto maisījumu ieformē iepriekš sagatavotos bloku veidņos, kuri satur ieliktņus, lai pēc atveidņošanas veidotu vertikālus dobumus (no 15 līdz 25 % no šķērsgriezuma), kas paaugstina bloka siltumizolācijas īpašības un samazina materiāla patēriņu.

[019] 6. piemērs: MFC un bioloģiskas izcelsmes pildvielu saturošs celtniecības bloks, ir izgatavots analogi l.-5. piemēram, atšķiras ar to, ka trešajā solī (iii) presēšanas laikā pielieto veidņu vibrāciju no 5 līdz 50 Hz, ar amplitūdu no 0,5 līdz 5 mm, tādā veidā palielinot materiāla sablīvējumu.

[020] Saskaņā ar izgudrojumu, no MFC saistvielas un bioloģiskas izcelsmes pildvielas ir iespējams izgatavot ātri cietējošus, siltumizolējošus celtniecības blokus. Par pildvielu bloku izgatavošanai var tikt izmantotas dažāda veida bioloģiskas šķiedras, piemēram, lauksaimniecības blakusprodukti (kaņepju un linu spaļi, rapšu, labības salmi), kā arī citu veidu bioloģiskas šķiedras (niedres, bambuss, koka šķelda). Šī dažādo pildvielu pielietošana ļauj izmantot saistvielu lai ražotu blokus arī pēc dabas katastrofām, jo nepieciešams piegādāt tikai saistvielu. Tā aizņem mazāko bloka tilpuma daļu, tādējādi ievērojami tiek samazināts piegādājamā materiāla daudzums.

[021] Ātri cietējošos MFC blokus var izgatavot pārvietojamās mini rūpnīcās, lai dabas stihijas/katastrofas vietās varētu uzcelt gan dzīvojamās, gan sabiedriskās ēkas. Uz potenciālo būvlaukumu piegādā tikai minimālo izejvielu daudzumu - saistvielas MgO un KH2PO4 sausu pulverveida maisījumu. Iekārtas - rotējoša tipa smalcināšanas iekārta, rotējoša tipa maisītājs un elektrības ģenerators (iekārtu darbībai), tiek samontētas vienā konteinerī un ir viegli transportējamas. Kā organisko pildvielu var izmantot gan sagrautu konstrukciju koka fragmentus, gan apkārt esošus bioloģiskas izcelsmes šķiedras saturošus materiālus.

Izmantotie informācijas avoti [1] M. Sichel, “Method of producing dental cement,” US 492056 A, 1893.

[2] P. David and R. W. Limes, “Basic refractory compositions for intermediate temperature zones,” US 3285758 A, 1966.

[3] H. Ma, B. Xu, and Z. Li, “Magnesium potassium phosphate cement paste: Degree of reaction, porosity and pore structure,” Cement and Concrete Research, vol. 65, pp. 96-104, 2014.

[4] C. Ma and B. Chen, “Experimental study on the preparation and properties of a novel foamed concrete based on magnesium phosphate cement,” Construction and Building Materials, vol. 137, pp. 160-168, 2017.

[5] A. S. Wagh, R. Strain, S. Y. Jeong, D. Reed, T. Krause, and D. Singh, “Stabilization of Rocky Flats Pu-contaminated ash within chemically bonded phosphate ceramics,” Journal of Nuclear Materials, vol. 265, no. 3, pp. 295-307, Mar. 1999.

[6] D. Singh, V. R. Mandalika, S. J. Parulekar, and A. S. Wagh, “Magnesium potassium phosphate ceramic for 99Tc immobilization,” Journal of Nuclear Materials, vol. 348, no. 3, pp. 272-282, Feb. 2006.

[7] R. Del Valle-Zermeno, J. E. Aubert, A. Laborel-Preneron, J. Formosa, and J. M. Chimenos, “Preliminary study of the mechanical and hygrothermal properties of hemp-magnesium phosphate cements,” Construction and Building Materials, vol. 105, pp. 62-68, 2016.

[8] G. Zhang, G. Li, and T. He, “Effects of sulphoaluminate cement on the strength and water stability of magnesium potassium phosphate cement,” Construction and Building Materials, vol. 132, pp. 335-342, 2017.

[9] R. W. Limes and R. O. Russell, “Process for preparing fast-setting aggregate compositions and products of low porosity produced therewith,” US 3879209 A, 1975.

[10] V. Jost and J. Kiehl, “Insulating refractory and a method for manufacturing same,” US 3752684 A, 1973.

[11] C. J. Cherry, “Ceramic fiber refractory mixture,” US 4417925 A, 1983.

[12] F. G. Sherif and R. E. Gallagher, “Process for making reinforced magnesium phosphate fastsetting cements,” US 5002610 A, 1991.

Claims (6)

1. Celtniecības bloks, kas satur magnija fosfāta cementu un pildvielu, kas atšķiras ar to, ka par pildvielu izmanto sasmalcinātas bioloģiskas izcelsmes šķiedras šādās komponentu attiecībās (masas %):

- magnija oksīds no 20 līdz 30 masas %,

- kālija ortofosfāts no 15 līdz 25 masas %,

- bioloģiskas izcelsmes šķiedras no 10 līdz 20 masas %,

- ūdens 34 līdz 44 masas %.

2. Bloks saskaņā ar l. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka par pildvielu izmanto sasmalcinātas bioloģiskas izcelsmes šķiedras šādās komponentu attiecībās (masas %):

- magnija oksīds no 37 līdz 45 masas %,

- kālija ortofosfāts no 30 līdz 36 masas %,

- bioloģiskas izcelsmes šķiedras no 5 līdz 10 masas %,

- ūdens 20 līdz 30 masas %.

3. Bloka saskaņā ar l. vai 2. pretenziju izgatavošanas paņēmiens, kas ietver šādus secīgus soļus: (i) bioloģiskas izcelsmes šķiedras jeb pildvielas (koka konstrukciju atlikumi, niedres, bambusa stumbri, krūmi u.c.) samaļ dezintegratorā līdz daļiņas izmēram 5-30 mm, (ii) 15 masas % iegūtās bioloģiskas izcelsmes šķiedras ar daļiņas izmēru 5-30 mm ieber rotācijas maisītājā un maisa ar ātrumu 50-60 apgriezieni minūtē, uz pildvielas vienmērīgi izsmidzina ūdeni daudzumā no 14 līdz 24 masas %, pēc ūdens pievienošanas pildvielu maisa 40 līdz 120 sekundes ilgi, tad, neapturot maisīšanu, pievieno 20 līdz 30 masas % pārdedzinātu pulverveida magnija oksīdu ar daļiņu izmēru (d%)=0,02 mm) un 15 līdz 25 masas % kālija ortofosfāta pulveri, masu maisa 40 līdz 120 sekundes ilgi, vienmērīgi izsmidzina ūdeni - 20 masas %, masu maisa 100 līdz 180 sekundes ilgi, (iii) iegūto maisījumu ieformē iepriekš sagatavotos bloku veidņos, piepresē ar 0,2-0,4 MPa spiedienu, pēc 45-120 minūtēm blokus atveidņo.

4. Paņēmiens saskaņā ar 3. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka solī (iii) veidņos papildus ievieto siltumizolācijas materiālu, piemēram, putu polistirolu.

5. Paņēmiens saskaņā ar 3. vai 4. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka solī (iii) iegūto maisījumu ieformē iepriekš sagatavotos bloku veidņos, kuri satur ieliktņus, lai pēc atveidņošanas veidotu vertikālus dobumus (no 15 līdz 25 % no šķērsgriezuma).

6. Paņēmiens saskaņā ar jebkuru no 3. līdz 5. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka solī (iii) presēšanas laikā pielieto vibrāciju no 5 līdz 50 Hz ar amplitūdu no 0,5 līdz 5 mm.