КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК C04B28/02 C04B111/20 

Заявляемое изобретение относится к составам на основе минеральных вяжущих, таких как цемент, известь, гипс или их смеси. Оно может найти применение в промышленности строительных материалов при изготовлении бетона, фибробетона, цементно-волокнистых строительных материалов, шифера, штукатурки, отделочных покрытий, в том числе лепнины и т.п.

Бетоны и строительные растворы, полученные из цемента, извести, гипса или их смесей в различном сочетании, содержащие в качестве заполнителя песок, щебень, гравий и т. п., обычно имеют недостаточные для успешной эксплуатации показатели прочности при растяжении и трещиностойкость, а главное, отличаются неравномерностью (анизотропностью) механических свойств [Рабинович Ф.Н. Дисперсно-армированные бетоны. М.: Стройиздат, 1994, с.4].

С целью упрочнения в бетонные композиции вводят стальные стержни или арматуру. Железобетон, полученный таким образом, имеет достаточную для успешной эксплуатации прочность, однако такие недостатки, как низкая трещиностойкость и анизотропность до конца не устраняются при армированиии; коэффициент использования стальной арматуры не превышает 4,5 [там же, с.4].

Для повышения равномерности физико-механических свойств по объему (тропности) строительных материалов в композиции для их получения вводят дисперсно-распределенные армирующие элементы, такие как стальные, искусственные, асбестовые или деревянные волокна (фибры).

Известна композиция для получения фибробетона, включающая цемент в качестве минерального вяжущего, воду, песок в качестве заполнителя и до 10% от массы композиции стальной фибры [там же, с.64]. У фибробетона, изготовленного из указанной композиции, увеличивается прочность при растяжении, повышается трещиностойкость и стойкость к истиранию, однако прочность на сжатие повышается только на 10-20%.

Недостатком известной композиции является то, что армирование бетона стальной фиброй происходит на макроуровне без изменения структуры цементного камня. Кроме того, для изготовления известной композиции требуется специальное оборудование - вибросито, “беличьи колеса”, смесители принудительного действия с большим потреблением энергии.

Также известна композиция для получения строительных материалов, включающая минеральное вяжущее - цемент, воду и до 15 мас.% тонковолокнистого асбеста [Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. М.: Стройиздат, 1986, с.622]. Добавка тонковолокнистого асбеста приводит к тому, что возрастает и прочность на сжатие и прочность при растяжении изделия, макроизотропность свойств этой композиции выше макроизотропности сталефибробетона. Недостатком известной композиции является то, что структура цементного камня остается без изменений, что проявляется в невысоких показателях ударной вязкости. Кроме того, изготовление наполненных асбестом композиций, включающее распушку асбеста, является вредным производством, вызывающим профзаболевание асбестоз.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой композиции, является композиция для получения строительных материалов, включающая связующее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс или их смеси и воду [патент РФ №2085394, МПК⁶ В 32 В 13/02, опубл. 27.07.97]. Указанная композиция может также содержать легкий наполнитель, такой как вспученный перлит или вермикулит, или шлак, или золу ТЭС и др. Композиция используется для изготовления внутреннего слоя слоистых материалов. Панели, изготовленные из указанных материалов, легкие (плотность 0,32-0,36 г/см³), но их прочность на изгиб не велика: 0,35-0,55 МПа. Эти значения достаточны для целей указанного изобретения, но слишком низки для строительных материалов.

Задачей настоящего изобретения является повышение физико-механических характеристик изделий из композиции на основе минеральных вяжущих путем микроструктурирования цементного (известкового, гипсового, цементно-известкового или цементно-гипсового) камня.

Сущность изобретения заключается в том, что композиция для получения строительных материалов, содержащая минеральное вяжущее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс или их смеси и воду, дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более, причем компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%: минеральное вяжущее 33-77; углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001-2,0; вода - остальное.

Композиция может дополнительно содержать технологические добавки: заполнители, наполнители, армирующие элементы и химические добавки.

В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может включать полидисперсные углеродные нанотрубки или смесь нанотрубок с фуллеренами с числом атомов углерода 36 и более, или полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм.

Нанотрубки получены так, как это описано в [Ymamura M.et al. Japan Y Appl. Phys., 1994, V 33 (2), L 1016].

Фуллерены получены так, как это описано в [Белоусов В.П. и др. Оптический журнал. 1997, т. 69, №12, с. 3].

Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм выделены заявителем из корки катодного депозита, полученного в пламени дугового разряда в атмосфере гелия путем последовательных операций окисления в газовой и в жидкой фазе и идентифицированы им.

Углеродные кластеры вводятся в композицию в виде водной дисперсии.

В качестве заполнителей композиция может включать песок, щебень, гравий, гальку, шлаки, камни и т.п. В качестве наполнителей композиция может содержать мелкодисперсные, с диаметром частиц менее 0,1 мм, твердые вещества, полученные путем помола, конденсации или другими способами. Например, это могут быть молотые песок, руда, шлаки, кремнеземсодержащие вещества и т.п.

В качестве армирующих элементов композиция может содержать стальную арматуру, фибру различных видов, стружку и т.д. Армирующие элементы еще более увеличивают прочностные показатели, трещиностойкость и ударную вязкость изделий.

В качестве химических добавок композиция может содержать вещества, влияющие на скорость схватывания или твердения, меняющие реологические свойства смеси или температуру протекания процесса, пенообразующие, гидрофобизирующие, бактерицидные и т.п. Композиция может и не содержать химических добавок, заполнителей, наполнителей или армирующих элементов или включать отдельные из них.

Заявителям из уровня техники неизвестно использование углеродных кластеров фуллероидного типа в композициях на основе минеральных вяжущих.

Далее заявляемое изобретение поясняется примерами, но не ограничено ими.

Пример 1

В смеситель роторного типа с рабочим объемом 0,3 м³ загрузили в качестве минерального вяжущего 40 кг портланд цемента и 8 кг модификатора бетона - порошкообразного продукта, содержащего кремнезем, суперпластификатор и регулятор твердения бетона МБ-01 производства "Предприятия Мастер-Бетон" Всего загружено 77 мас.% минерального вяжущего. Далее в смеситель загрузили 40 кг (83,3 мас.ч. на 100 ч минерального вяжущего) кварцево-полевошпатного песка в качестве заполнителя(технологическая добавка).

Сухие смеси перемешали и при непрерывном перемешивании в смеситель влили 12 кг воды, содержащей 0,001 кг (0,002 мас.%) углеродных нанотрубок. Смесь перемешивали 2 минуты и разлили в кубические формы со стороной 100 мм и призматические формы размером 100×100×400 мм. Состав отвердевал в течение 28 суток в нормальных условиях.

На полученных образцах определили прочность на сжатие, МПа, и прочность на растяжение при изгибе, МПа, по ГОСТ 10180-90.

Состав композиции и прочностные показатели приведены в таблице.

Пример 2 (контрольный)

Композицию получали как в Примере 1, но в отсутствие углеродных кластеров.

Состав композиции и физико-механические свойства, которые уступают свойствам композиции по Примеру 1, приведены в таблице.

Пример 3

Композицию получали как в Примере 1, но в качестве углеродных кластеров ввели полиэдральные многослойные углеродные структуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и средним размером частиц 60-200 нм.

Состав композиции и физико-механические свойства, которые выше свойств композиции по Примеру 2, но ниже свойств композиции по Примеру 1, приведены в таблице.

Пример 4

Композицию получали как в Примере 1, но в качестве углеродных кластеров ввели смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена C₆₀, взятых в соотношении 3:1. Дополнительно, в композицию ввели армирующий элемент - стекловолокно длиной 7-19 мм.

Состав композиции и физико-механические свойства, которые выше свойств композиции по Примеру 2, но ниже свойств композиции по Примеру 1, приведены в таблице.

Пример 5

Композиция получена и исследована как в Примере 1, но в качестве минерального вяжущего взяли 25 кг (68 мас.%) минерального вяжущего низкой водопотребности марки ВНВ-100, включающею тонкодисперсный цемент и суперпластификатор С-3 (натриевая соль поликонденсата нафталинсульфокислот и формальдегида, сульфата натрия и натриевой соли лигносульфоновой кислоты); в качестве наполнителя и заполнителя в композицию ввели 56 кг гематита; дополнительно в композицию ввели 5 кг стальной фибры в качестве армирующего материала. Всего взято 244 мас.ч. технологических добавок на 100 мас.ч. минерального вяжущего.

Состав композиции и физико-механические показатели приведены в таблице.

Пример 6 (контрольный)

Композицию получили как в Примере 5, но не добавляли углеродных нанотрубок.

Состав композиции и физико-механические показатели, которые ниже показателей композиции по Примеру 5, приведены в таблице.

Пример 7

В смеситель загрузили 40 кг (40 мас.%) полуводного гипса (CaSО₄·0.5 Н₂О) и при перемешивании добавили 59,998 кг воды, содержащей 0,002 кг (0,002 мас.%) полидисперсных углеродных наноструктур. После перемешивания из раствора отлили образцы размером 40×40×160 мм.

Образцы отвердевали в течение 2 часов при температуре 60С°.

Испытания на изгиб и сжатие проводили по ГОСТ 3104 81.

Состав композиции и физико-механические показатели приведены в таблице.

Пример 8 (контрольный)

Композиция получена и испытана как в Примере 9, но она не включала углеродных кластеров. Состав композиции и физико-механические показатели, которые ниже показателей композиции по Примеру 7, приведены в таблице.

Пример 9

В смеситель загрузили 25 кг (52 мас.%) цемента, 10 кг (20,8 мас.%) гашеной извести и 50 кг кварцевого песка, то есть 143 мас.ч. технологической добавки на 100 мас.ч. минерального вяжущего. После смешения сухих компонентов при перемешивании в смеситель загрузили 13 кг воды, содержащей 0,02 кг (0,04 мас.%) полиэдральных многослойных углеродных наноструктур. После перемешивания из полученной массы отлили кубические образцы размерами 100×100×400 мм. Состав отвердевал на воздухе в течение 28 суток в нормальных условиях.

Испытания на сжатие и на изгиб проводили по ГОСТ 10180-90.

Состав композиции и физико-механические показатели приведены в таблице.

Пример 10 (контрольный)

Композиция получена и испытана как в Примере 9, но без введения углеродных кластеров. Состав композиции и физико-механические показатели, которые ниже таких же показателей в Примере 9, приведены в таблице.

Пример 11

В смеситель загрузили 10 кг (35,7 мас.%) гашеной извести и 18 кг воды, содержащей 0,02 кг (0,07 мас.%) полиэдральных многослойных углеродных наноструктур. После смешения в известковое тесто при перемешивании добавили 70 кг (100 мас.ч. технологической добавки на 100 мас.ч. минерального вяжущего) песка. Из смеси изготовили образцы размером 40×40×160 мм, которые отвердевали на воздухе при 15°С 28 суток. Испытания на сжатие и на изгиб проводились по ГОСТ 3104-81. Состав композиции и физико-механические показатели приведены в таблице.

Пример 12 (контрольный)

Композиция получена и испытана как в Примере 11, но без введения углеродных кластеров. Состав композиции и физико-механические показатели, которые ниже, чем показатели композиции в Примере 11, приведены в таблице.

Как видно из таблицы, во всех случаях, добавление углеродных кластеров, даже в количестве 0,0001 мас.% (Пример 4), приводит к возрастанию как прочности при сжатии, так и прочности при изгибе. На фиг. 1 и фиг. 2 приводятся электронно-микроскопические структуры цементного камня, не содержащего углеродных кластеров (фиг.1) и содержащего их (фиг 2) На фиг.2 видны кристаллообразования, сформировавшиеся в процессе гидратации цементного камня в присутствии углеродных кластеров. Микрофибрилы меняют внутреннюю структуру цементного камня, улучшая прочностную однородность материала за счет ненаправленного увеличения сцепления микрофибрил между собой.

На фиг.3 представлен график зависимости между напряжением (σ) и деформациями (Е), построенный на основе испытаний на растяжение при изгибе композиций, усиленных стальной фиброй (Примеры 5 и 6 контр.). Кривая а) относится к контрольной композиции (фибробетон), кривая б) - к композиции сталефибробетона с добавками полидисперсных углеродных нанотрубок (фибробетон с нанотрубами). Площадь под диаграммой, соответствующая работе разрушения, в 2,6 раза больше, чем для контрольной диаграммы. Изменился также характер разрушения: увеличились предельные и запредельные деформации, появилась площадка текучести Все сказанное свидетельствует о том, что при внутреннем структурировании цементного камня затраты энергии на разрушение увеличиваются в несколько раз.

Изобретение относится к составам на основе минеральных вяжущих, таких как цемент, известь, гипс или их смеси, и может найти применение в промышленности строительных материалов при изготовлении бетона, фибробетона, цементно-волокнистых строительных материалов, шифера, штукатурки, отделочных покрытий, в том числе лепнины. Технический результат - повышение физико-механических характеристик изделий. Композиция для получения строительных материалов на основе минерального вяжущего, включающая минеральное вяжущее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс или их смеси и воду, дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более при следующем соотношении компонентов в композиции (мас.%): минеральное вяжущее 33-77; углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001-2,0; вода - остальное. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может содержать полидисперсные углеродные нанотрубки. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа она может содержать полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может содержать смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена С₆₀. Композиция может дополнительно содержать технологические добавки, взятые в количестве 100-250 мас.ч. на 100 мас.ч. минерального вяжущего. 4 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Композиция для получения строительных материалов на основе минерального вяжущего, включающая минеральное вяжущее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс или их смеси, и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более при следующем соотношении компонентов в композиции, мас.%:

Минеральное вяжущее 33-77

Углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001-2,0

Вода Остальное