СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК C04B28/02 B82B3/00 C04B111/20 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано, например, в производстве бетонных смесей для сборных и монолитных изделий и конструкций зданий и сооружений различного назначения.

Известны сырьевые смеси строительных композитов, которые в качестве модификаторов структуры и упрочнителей содержат зернистые, в том числе порошкообразные, и волокнистые компоненты различного происхождени (Тараканов О.В., Пронина Т.В. Проблемы и направления использования минеральных шламов в производстве строительных материалов / Популярное бетоноведение. №2 (16), 2007 - С.41; Рамачандран В. и др. Наука о бетоне / М., Стройиздат, 1986. - c.125, табл.6.1).

Эффективность использования волокон (фибры) по этому назначению основывается на системном анализе неоднородностей (несовершенств, дефектов) структуры упрочняемого (модифицируемого) объекта (матрицы) для установления размерного и количественного соответствия между ними (Рабинович Ф.М. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов / М., 2004. - c.81-84). В приведенном источнике из четырех уровней дисперсности армирования матрицей нижнего (четвертого) уровня является цементный камень, размеру дефектов и несовершенств которого отвечают волокна с сечением менее 0,1 мм и расстоянием между ними не более 0,5 мм. Однако технические и технологические средства, удовлетворяющие этим условиям, до сих пор отсутствуют, поэтому вывод о низкой эффективности имеющихся типоразмеров фибры для упрочнения цементного камня и подобных ему матриц представляется справедливым. Кроме того, теми же авторами теоретически показано, что при использовании волокон диаметром менее 0,1 мм моменты трещинообразования в конструкции и ее разрушения могут оказаться весьма близкими друг к другу, а это значит, что композит утрачивает одно из своих замечательных качеств - способность к вязкому разрушению (Рабинович Ф.Н., Романов В.П. О пределе трещиностойкости мелкозернистого бетона, армированного стальными фибрами // Механика композитных материалов, 1985, №2. - с.277-283). Таким образом, эффективность армирующего действия волокон ограничивается более высоким (третьим) масштабным уровнем, при этом цементный камень и подобные ему матрицы могут содержать тонкодисперсные порошки с размерами одного порядка или меньше зерен цемента или другого минерального вяжущего. Продолжая рассматривать подобным образом структуру строительных композитов в направлении «сверху вниз», устанавливаем, что для смеси минерального вяжущего и порошков как структурных элементов появляется еще одна реологическая матрица с меньшим масштабным уровнем - вода и водные растворы добавок, реакционная активность которых может быть увеличена введением нанодисперсных частиц, являющихся по сути кластерами.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является патент РФ №2233254 (RU 2233254, опубл. 27.07.04), согласно которому минеральное вяжущее, затворенное водой, дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

минеральное вяжущее 33 77 углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001 2 вода остальное.

При этом дополнительными пунктами патентной формулы предусмотрено в качестве углеродных кластеров использование различных наноструктур и их комбинаций, в том числе полидисперсных углеродных нанотрубок, а в описании изобретения указывается, что объект может содержать заполнители, наполнители, армирующие элементы, химические добавки и включать в себя в качестве таковых песок, щебень, гравий, гальку, шлаки, камни и т.п., мелкодисперсные, с диаметром менее 0,1 мм, твердые вещества, стальную арматуру, фибру различных видов, стружку и т.д., вещества, влияющие на скорость схватывания или твердения, меняющие реологические свойства смеси или температуру протекания процесса, пенообразующие, гидрофобизирующие, бактерицидные и т.п.

Использование в составе композиции по патенту РФ №2233254 углеродных кластеров, в результате их комплексного физико-химического воздействия на все стадии образования и твердения камня из вяжущего, действительно приводит к повышению прочностных показателей конечного продукта.

Однако практика опытного применения на производстве композиции по патенту РФ №2233254 выявила недостатки, несовместимые с его промышленным использованием: по неустановленным авторами патента причинам, добиться ежецикличной повторяемости результатов в пределах допустимой вариации не удается. В предусмотренных защищенным техническим решением рецептурных вариантах возникают неустановленные явления, приводящие к ухудшению, относительно ожидаемых, показателей во всем объеме материала или местно.

Задача предлагаемого изобретения - устранение выявленных недостатков и, таким образом, обеспечение высокой однородности и ежецикличной повторяемости показателя подвижности смеси, что в свою очередь гарантирует более высокие, по сравнению с аналогом и прототипом, прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона.

Сущность изобретения заключается в том, что сырьевая смесь, включающая минеральное вяжущее, наполнители, заполнители, суперпластификатор, углеродные кластеры фуллероидного типа и воду затворения, содержит суперпластификатор и упомянутые кластеры, предварительно введенные в воду затворения в концентрации 10^-8…10^-5 мас.%. По варианту изобретения сущность заключается в том, что сырьевая смесь, включающая минеральное вяжущее, наполнители, заполнители, добавки, углеродные кластеры фуллероидного типа и воду затворения, содержит упомянутые кластеры, предварительно введенные в воду затворения в концентрации 10^-8…10^-5 мас.%, при этом вода имеет рН 8…9.

Изложенная сущность установлена в результате выявления и устранения причин указанных выше недостатков известного технического решения путем проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях с последующей проверкой на производстве.

В ходе проведения экспериментов была установлена интенсивная седиментация фуллероидов в воде затворения при любых их содержаниях со скоростью, пропорциональной концентрации нанофаз. Это является основной причиной их неравномерного распределения в общем составе сырьевой смеси и проявляется в высокой вариации показателей прочности конечного материала. Таким образом, одной из центральных задач является введение в смесь сверхмалых количеств фуллероидов с равномерным распределением их в объеме и исключением возможности агрегации и седиментации, к которой они склонны в силу своих свойств.

Эта задача успешно решена путем добавления нанодисперсных кластеров в воду затворения в присутствии каталитического количества суперпластификатора.

По варианту изобретения задача решена путем добавления нанодисперсных кластеров в воду затворения, имеющую рН 8…9, что обеспечивает содержание гидроксильных групп, достаточное для предотвращения седиментационных процессов.

Экспериментально установлено, что удовлетворительное предотвращение седиментации фуллероидов в воде в присутствии суперпластификатора или щелочей обеспечивается при их концентрации до 1 мас.%. Вместе с тем, предварительные расчеты показали, что прочность, достигаемая в бетоне с концентрацией фуллероидов в воде более 10^-2 мас.% по экономическим показателям не может представлять интереса для промышленности и строительства. Учитывая это, дальнейшим исследованиям подвергались составы смесей с концентрацией нанофаз в воде от 10^-2 мас.% и ниже.

Для оценки эффективности указанных в изобретении технических решений в качестве базового (он же контрольный) использовался состав сырьевой смеси для получения бетона класса ВЗО с маркой по подвижности П4, который подбирался по стандартной методике и содержал следующие компоненты, мас.%: портландцемент- 15,1; песок - 32,0; щебень - 45,4; наполнитель - каменная мука - 3,8, суперпластификатор поликарбоксилатного типа «Муропласт FK-63» - 0,04; вода - 3,66. Результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 № п/ п Наличие суперпластификатора в воде затворения Концентрация фуллероидных кластеров в воде затворения, мас.% Характеристика бетонной смеси Характеристика бетона Осадка конуса, см Коэф-т вариации, % Прочность при сжатии, МПа Коэф-т вариации, % 1 нет 0 17 12,0 39,0 9,0 2 есть 10^-9 18 8,5 39,5 7,5 3 есть 10^-8 21 5,3 41,6 4,8 4 есть 10^-5 22 4,5 43,4 4,1 5 есть 10^-4 19 7,8 40,8 6,9 6 нет 10^-2 18 14,2 40,0 11,3 Примечание: - состав №1 не содержит фуллероидных кластеров (контрольный); - состав №6 - прототип

Таблица 2 № п/п рН воды затворения Концентрация фуллероидных кластеров в воде затворения, мас.% Характеристика бетонной смеси Характеристика бетона Осадка конуса, см Коэф-т вариации, % Прочность при сжатии, МПа Коэф-т вариации, % 1 6,5 0 17 12,0 39,0 9,0 2 7,5 10^-5 19 7,5 41,5 6,1 3 8,0 10^-5 20 5,1 43,4 4,3 4 9,0 10^-5 21 4,7 44,6 4,0 5 9,5 10^-5 19 7,1 42,8 5,9 6 6,5 10^-2 18 14,2 40,0 11,3 Примечание: - состав №1 не содержит фуллероидных кластеров (контрольный); - состав №6 - прототип

Из таблиц следует, что наилучшие показатели подвижности смеси и прочности с обеспечением высокой однородности этих показателей демонстрируют составы №3 и 4, что соответствует заявленным в изобретении техническим решениям.

Аналогичные результаты были получены при использовании других видов суперпластификаторов, наиболее часто применяемых при производстве: С-3 (суперпластификатор нафталинформальдегидного типа), «5- new» и «5 -800»(суперпластификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов), «Цемактов ПП» (суперпластификатор на основе лигносульфонатов технических), других видов цемента, например шлакопортландцемента, пуццоланового портландцемента, других видов наполнителя, например тонкомолотого известняка.

Пример конкретного выполнения:

Сырьевые смеси по составу №4 (табл.1 и 2) приготавливались на заводской бетоносмесительной установке, оснащенной серийным двухвальным лотковым смесителем с объемом готового замеса 1 м³. Порядок загрузки компонентов в работающий смеситель: заполнители - песок и щебень, вода затворения, содержащая суперпластификатор и углеродные кластеры фуллероидного типа, портландцемент (приготовление состава по п.1 формулы изобретения). Порядок загрузки компонентов в работающий смеситель: заполнители - песок и щебень, вода затворения с рН 9, содержащая и углеродные кластеры фуллероидного типа, портландцемент (приготовление состава по п.2 формулы изобретения). Аналогично приготавливались контрольная смесь и смесь по прототипу.

Из приготовленных замесов отбирались пробы, для которых в соответствии с регламентом определялись: осадка конуса бетонной смеси, прочность, морозостойкость и водонепроницаемость образцов бетона, изготовленных из данных сырьевых смесей. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Таблица 3 № п/ п Концентрация фуллероидных кластеров в воде затворения, мас, % Характеристика бетонной смеси Свойства бетона Осадка конуса, см Коэф-т вариации, % Прочность при сжатии, МПа Марка по морозостойкости Марка по водонепроницаемости 1. 0 18 11,2 39,5 F300 W8 2 10^-5 23 4,3 44,3 F600 W18 3 10^-5 22 5,1 43,6 F600 W20 4 10^-2 19 13,8 40,4 F300 W12 Примечание: - состав №1 не содержит фуллероидных кластеров (контрольный); - состав №2 - сырьевая смесь по п.1 формулы изобретения; - состав №3 - сырьевая смесь (вариант) по п.2 формулы изобретения; - состав №4 - прототип.

Из таблицы, составленной по результатам производственных экспериментов, следует, что заявленные в изобретении сырьевые смеси (составы №2 и 3 табл.3) обладают наилучшими показателями подвижности смеси с обеспечением высокой однородности этого показателя, что в свою очередь обеспечивает более высокие, по сравнению с аналогом и прототипом, прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона.

Изобретение относится к составу сырьевой смеси для строительных материалов и может найти применение при изготовлении сборных и монолитных изделий и конструкций зданий и сооружений различного назначения. Технический результат - повышение прочности, морозостойкости и водонепроницаемости получаемого материала. Сырьевая смесь для строительных материалов включает цемент, наполнитель, заполнитель и воду затворения, содержащую суперпластификатор и углеродные кластеры фуллероидного типа в концентрации 10^-8-10^-5 мас.%. В другом варианте сырьевая смесь для строительных материалов включает цемент, наполнитель, заполнитель и воду затворения с рН 8-9, содержащую углеродные кластеры фуллеродного типа в концентрации 10^-8-10^-5 мас.%. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

1. Сырьевая смесь для строительных материалов, включающая цемент, наполнитель, заполнитель, углеродные кластеры фуллероидного типа, суперпластификатор, воду затворения, отличающаяся тем, что вода затворения содержит суперпластификатор и указанные кластеры в концентрации 10^-8-10^-5 мас.%.

2. Сырьевая смесь для строительных материалов, включающая цемент, наполнитель, заполнитель, добавки, в том числе углеродные кластеры фуллероидного типа, воду затворения, отличающаяся тем, что вода затворения имеет рН 8-9 и содержит указанные кластеры в концентрации 10^-8-10^-5 мас.%.