СТРОИТЕЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И КОМПЛЕКСНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОМПОЗИЦИИ Российский патент 2017 года по МПК C04B28/00 B82B1/00 C04B22/00 C04B24/16 C04B40/00 C04B111/20 

Описание патента на изобретение RU2626493C2

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении строительных, преимущественно бетонных или растворных, смесей в производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкций сборного и монолитного строительства и в других производствах.

Известна строительная композиция на основе комплексной добавки для бетонной смеси, содержащей микрокремнезем и химические добавки - суперпластификатор С-3 и лигносульфонаты-ЛСТ (RU №2033403, МПК С04 В 28/00, 2005).

Недостатком этой композиции и комплексной добавки является ее неоднородность по влажности и гранулометрическому составу.

Также была рассмотрена строительная композиция на основе комплексной добавки для бетонной смеси, содержащей, мас.%: цемент -25-35, порошкообразный суперпластификатор С-3 - 25-35 и алюмосиликатный компонент - ПластИЛ на основе огнеупорной глины - 25-45. При этом указанную комплексную добавку получают совместным помолом до удельной поверхности 4500-5000 см2/г ее компонентов (RU 2177459, МПК С04В 28/02, С04В 28/02, С04В 22:00, С04В 24:20, Е21В 33/138, 2001).

Недостатком этой композиции и комплексной добавки является ее высокая стоимость, обусловленная высокой энергоемкостью технологического процесса.

В качестве близкого аналога была проанализирована строительная композиция с комплексной добавкой для бетонной смеси, включающей цемент, порошкообразный суперпластификатор С-3, алюмосиликатный компонент, в качестве алюмосиликатного компонента содержит цеолит и дополнительно микрокремнезем при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент - 80-85 суперпластификатор С-3 - 2,0-3,5 микрокремнезем - 10-12 цеолит остальное (RU 2298535, МПК С04В 22/00, С04В 24/24, В28С 5/00, В28С 9/02, С04В 28/00, С04В 111/20, 2007).

Недостатком этой композиции является ее высокая стоимость из-за большой доли в композиции комплексной добавки.

Наиболее близким аналогом комплексной добавки является комплексная добавка по RU 2298535, МПК С04В 22/00, С04В 24/24, В28С 5/00, В28С 9/02, С04В 28/00, С04В 111/20, 2007. Смесь размалывается до удельной поверхности 4500-5000 см2/г ее компонентов - цемента, микрокремнезема, суперпластификатора С-3, алюмосиликатного компонента. Для получения вышеуказанной добавки помол осуществляют в аэродинамическом активаторе дезинтеграторного типа при скорости вращения 3000-6000 об/мин, а перед помолом компоненты добавки одновременно загружают в смеситель циклического действия и перемешивают в течение 10-15 минут.

Недостатком этой комплексной добавки является высокая энергоемкость процесса приготовления добавки и повышенный расход цемента.

Задачей настоящего изобретения является снижение расхода цемента за счет повышения активности добавки при сохранении прочностных характеристик бетона.

В настоящее время активно разрабатываются и находят практическое применение углеродные наноструктуры. Интерес к данным объектам вызван благодаря их высоким эксплуатационным свойствам, таким как исключительная прочность на растяжение, высокий модуль упругости и ряд других важных показателей. Наиболее сложным при применении наномодифицирующих добавок является их равномерное распределение в матрице конечного строительного материала. Из-за высокой агломерационной способности они не могут быть легко и однородно диспергированы, для преодоления данных сил необходимы многоступенчатые и трудоемкие процессы, направленные на их преодоление. Успешное решение данной задачи позволяет открыть новые возможности для создания наноструктурированных строительных композитов с улучшенными функциональными характеристиками.

Решение представленной задачи предложено осуществить с помощью применения наномодифицирующих добавок строительного назначения, в качестве ключевого компонента добавки были использованы природные и синтетические цеолиты, структура которых видоизменена углеродными нанотрубками (УНТ). Рост УНТ в структуре цеолитов обеспечен за счет совместного синтеза озвученных компонентов и катализатора по технологии газофазного химического осаждения кристаллического наноуглерода на металлических катализаторах. Такая технология совместного синтеза цеолитов и частиц металлооксидного катализатора позволит за счет направленного роста УНТ в структуре компонента добавки решить проблему неравномерного УНТ в матрице строительного композита.

В качестве минеральных нанодобавок в строительной отрасли применяют гели и золи различного происхождения. Перспективным является изучение золей на основе цеолитов, в состав которых входят щелочные оксиды, оксиды алюминия, кремний, при этом применение цеолитов в бетонах позволяет экономить до 20% цемента и 30% песка при увеличении прочности на 6-14% в сравнении с контрольными образцами.

Синтетический цеолит соответствовал формуле СаХ. Синтетические цеолиты имеют каркасное строение с размером пор 8 ангстрем, что определяет их уникальные свойства. Визуально синтетические цеолиты представляют собой гранулы цилиндрической формы длиной 5-8 мм и диаметром 2,9±0,3 мм, цвет - серый.

Природные цеолиты представляют собой бентонитовые глины, добываемые на юго-востоке Воронежской антеклизы, по физико-механическим, химико-минералогическим показателям, гранулометрическому составу соответствующие ГОСТ 28177-89. Визуально представляют собой однородный порошок темно-серого цвета, по дисперсности близкий к дисперсности цемента (100-120 мкм).

Процесс синтеза на матрице цеолитов и металлооксидного катализатора проходит по схеме, показанной на фиг.3, включающей получение углеродных наноматериалов методом газофазного химического осаждения, и содержит следующие стадии: продувку инертным газом реактора (аргон) с целью вытеснения атмосферного воздуха из полости реактора, нагрев реакционной зоны реактора (630°C), подачу углеводородного газа (пропан-бутановая смесь), процесс пиролиза (90 мин), охлаждение, выгрузку готового продукта.

Процесс синтеза на матрице цеолитов и металлооксидного катализатора проводили в реакторе, показанном на фиг. 4. Предварительно перед осуществлением синтеза (до введения в камеру) цеолиты были подвергнуты дополнительной обработке, а именно измельчению в аппарате вихревого слоя, в течение 1 минуты с получением мелкодисперсного порошка с размерами частиц до 50 мкм. Также этот процесс повторялся после цикла синтеза, так как под воздействием высоких температур наномодифицированные синтетические и природные цеолиты спекаются, образуя агломераты размером 10-15 мм, после процесса измельчения была получена аналогичная мелкодисперсная фракция (до 50 мкм). Цель этой методики - обеспечение равномерного распределения добавки в составе смеси компонентов строительного материала.

Перечень позиций, представленных на чертеже:

1) корпус верхний;

2) корпус нижний;

3) узел дозирования катализатора и вяжущих;

4) нагреватель;

5) патрубок подачи углеводородного газа;

6) патрубок отвода газообразных продуктов пиролиза;

7) осадительная камера;

8) газораспределительное устройство;

9) окно;

10) рабочий стол;

11) привод рабочего стола;

12) скребок;

13) бункер шнековый для готовой продукции.

Реактор синтеза содержит корпус верхний 1 корпус нижний 2, причем на верхнем корпусе 1 установлены узел дозирования катализатора и вяжущих 3, нагреватель 4, патрубок подачи углеводородного газа 5, патрубок отвода газообразных продуктов пиролиза 6. В верхнем корпусе 1 также установлены осадительная камера 7 и газораспределительное устройство 8. В нижнем корпусе 2 выполнено окно 9 и установлены рабочий стол 10, соединенный с приводом рабочего стола 11? взаимодействующего со скребком 12. Под окном 9 установлен бункер шнековый для готовой продукции 13.

Структура синтетического цеолита, в поровом пространстве которого синтезированы углеродные нанотрубки, представлена на Фиг. 5, 6. На СЭМ-изображениях наномодифицированных цеолитов видно, что сформированная структура УНТ равномерно покрывает гранулы материала-носителя. Диаметр УНТ составляет 15-25 нм, определяются единичные кристаллы катализатора. Слой углеродного наноматериала не содержит аморфного углерода.

Поставленная задача решается созданием строительной композиции, включающей минеральное вяжущее, заполнитель, воду и порошкообразную комплексную добавку, содержащую щелочной модификатор, в качестве щелочного модификатора использованы наномодифицированные природные или синтетические цеолиты, мас.%: минеральное вяжущее 15-25, вода - 8,5-10, заполнитель - остальное, а содержание комплексной добавки составляет 0,15-0,8% от массы минерального вяжущего.

Поставленная задача решается также созданием добавки для строительной композиции, включающей наномодифицированные природные или синтетические цеолиты, оптимальное содержание которых в составе композита способно улучшить физико-механические характеристики материала. При этом используемое количество добавки должно варьироваться в количестве от 0,01-15% от массы цемента.

Еще один вариант решения создания комплексной добавки, ключевую роль в которой будет выполнять наномодифицированный цеолит, остальные компоненты системы будут оказывать комплексное воздействие за счет синергетического взаимодействия компонентов добавки. Состав добавки: портландцемент - 80-85, суперпластификатор С-3 - 2,0-3,5, микрокремнезем - 10-12, цеолит природный или синтетический - остальное, цеолит модифицирован углеродными нанотрубками в количестве 5-10% от его массы.

Исследование технических свойств предложенной строительной композиции и влияние добавки для строительной композиции проводили на образцах мелкозернистого бетона согласно ГОСТ 26633-91. Свойства мелкозернистого бетона определяются теми же факторами, что и обычного бетона. Однако мелкозернистый цементно-песчаный бетон имеет некоторые особенности, обусловленные его структурой, для которой характерны большая однородность и мелкозернистость, высокое содержание цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, повышенные пористость и удельная поверхность твердой фазы. Свойства бетона и строительных растворов в значительной степени зависят от качества мелкого заполнителя (песка), который вместе с крупным заполнителем (щебнем, гравием) образует каменный скелет, снижает усадку и расход вяжущего вещества при изготовлении изделий. Согласно СНиП "Заполнители для бетонов и растворов" к песку следует относить мелкий заполнитель с крупностью зерен от 1,86 до 4,6 мм.

Примеры осуществления изобретения

Приготовление строительной композиции осуществлялось по стандартной методике, отличие заключалось в том, что в качестве добавки использовалась комплексная система. Для этого приготавливалась смесь компонентов из цемента (или полуводного гипса), суперпластификатора С-3, модифицированного цеолита и микрокремнезема. Перемешивание указанных компонентов выполнялось тремя методиками с помощью аппарата вихревого слоя, бисерной мельницы и перемащивающего устройства при оборотах мешалки 60 об/мин. Качество перемешивания оценивалось с помощь визуального контроля и по степени влияния добавки на предварительно приготовленные образцы мелкозернистого бетона. Результаты проведенных экспериментов и экономическая целесообразность показали, что в качестве перемешивания данных компонентов будет достаточно использования перемащивающего устройства при оборотах мешалки 60 об/мин. Подбор состава добавки осуществлялся аналогичным методом экспериментального исследования, в результате определено, что оптимальный состав добавки должен варьировать при следующем процентном соотношении: портландцемент - 75-85%, суперпластификатор С-3 - 2-3,5%, добавка наномодифицированного цеолита - 10-15%; микрокремнезем - 5-10%.

Состав строительной композиции при использовании комплексной добавки на основе наномодифицированных цеолитов:

а) портландцемент (ЦЕМ I 42,5 Н, M500D0) - 25, песок - 66,5, вода - 8,5, комплексная добавка для строительной композиции - 0,15% от массы вяжущего. Комплексная добавка включает следующие компоненты: портландцемент - 75%, суперпластификатор С-3 - 2%, добавка наномодифицированного цеолита - 11%; микрокремнезем - 12%.

б) портландцемент (ЦЕМ I 42,5 Н, M500D0) - 22, песок - 69, вода - 9, комплексная добавка для строительной композиции - 0,3% от массы вяжущего. Комплексная добавка включает следующие компоненты: портландцемент - 75%, суперпластификатор С-3 - 3%, добавка наномодифицированного цеолита - 12%; микрокремнезем - 10%.

в) портландцемент (ЦЕМ I 42,5 Н, M500D0) - 20, песок - 70,5, вода - 9,5, комплексная добавка для строительной композиции - 0,6% от массы вяжущего. Комплексная добавка включает следующие компоненты: портландцемент - 75%, суперпластификатор С-3 - 3%, добавка наномодифицированного цеолита - 15%; микрокремнезем - 7%.

г) портландцемент (ЦЕМ I 42,5 Н, M500D0) - 18, песок - 72, вода - 10, комплексная добавка для строительной композиции - 0,7% от массы вяжущего. Комплексная добавка включает следующие компоненты: портландцемент - 80%, суперпластификатор С-3 - 3,5%, добавка наномодифицированного цеолита - 11%; микрокремнезем - 5,5%.

д) портландцемент (ЦЕМ I 42,5 Н, M500D0) - 15, песок - 75, вода - 10, комплексная добавка для строительной композиции - 0,8% от массы вяжущего. Комплексная добавка включает следующие компоненты: портландцемент - 83%, суперпластификатор С-3 - 2%, добавка наномодифицированного цеолита - 10%; микрокремнезем - 5%.

Дополнительно осуществлялась проверка влияния отдельных компонентов комплексной добавки (наномодифицированный природный цеолит, наномодифицированный синтетический цеолит) на рассматриваемую строительную композицию. Также были рассмотрены в качестве добавок природные и синтетические цеолиты. Исследование показало, что использование в качестве отдельной компоненты добавок, структура которых модифицирована углеродными наноструктурами, способствует получению строительной композиции, обладающей улучшенными физико-механическими показателями и более качественной структурой.

Перемешивание компонентов строительной композиции выполнялось с помощью перемешивающего устройства В15 MIXER. Песок, цемент и модифицирующую добавку засыпали в емкость смесителя и перемешивали в сухом виде в течение 2-3 минут. Затем добавляли воду затворения, и смесь перемешивали еще 7-10 минут. Далее бетон с помощью шпателя укладывали в разъемные формы из коррозионно-стойкого материала, внутреннюю поверхность которых смазывали минеральным маслом, и изготавливали образцы - балочки с размерами 4×4×16 см. Готовые образцы – балочки - извлекали из разъемных форм после полного затвердения бетона. Влияние модифицирующей добавки на структуру строительной композиции оценивалось по физико-механическим характеристикам полученных образцов. Полученные образцы подвергались испытаниям на изгиб и сжатие согласно существующим нормативам и ГОСТ на испытательной машине ИП-500МАВТО.

Перед испытанием образцы подвергали визуальному осмотру для установления наличия дефектов в виде сколов ребер и углов, раковин, наплывов и инородных включений. Образцы, имеющие трещины, сколы, раковины выше предельно допустимых значений, а также следы расслоения и недоуплотнения бетонной смеси, испытанию не подвергали. Наплывы бетона на ребрах и опорных гранях образцов удаляли напильником или абразивным камнем.

Опорные грани выбирали так, чтобы сжимающая сила при испытании была направлена параллельно слоям укладки бетонной смеси в формы, а затем отмечали их и измеряли линейные размеры рабочей площади с погрешностью не более 1%.

Измеряли также отклонения: от плоскостности опорных поверхностей, которые не должны превышать 0,1 мм, отклонения от перпендикулярности опорных поверхностей и смежных граней (не должны превышать 1 мм); если же имелось превышение указанных отклонений, то поверхности выравнивали. Все образцы одной серии испытывали в расчетном возрасте (28 суток) в течение не более 1 ч.

Таким образом, описываемая бетонная смесь при использовании в качестве дополнительного компонента наномодифицирующей добавки на основе синтетических или природных цеолитов способствует получению улучшенных эксплуатационных характеристик строительного материала, что позволит получить композит, характеризующийся увеличенными физико-механическими показателями. Диаграммы показаны на фиг. 1, 2.

Анализ экспериментальных исследований показал, что наибольший эффект наблюдается при использовании в мелкозернистых бетонах добавки в виде наномодифицированного синтетического цеолита при концентрации 5% и 10% от массы цемента. Предложенная наномодифицирующая добавка не требует дополнительной активации и внешнего механического воздействия, что, в свою очередь, позволит существенно сэкономить связующее и заполнитель без снижения марки бетона за счет более высокой активности добавки. При пониженном расходе цемента будут сохранены прочностные характеристики бетона, а экономия цемента сможет составить от 10 до 20%. В качестве важного момента необходимо отметить, что наномодифицированный цеолит, попадая в структуру строительного материала, будет выполнять роль не минеральной добавки, а «носителя» УНТ, что позволит наиболее равномерно распределить наноматериал в матрице композита.

Структура наномодифицированного цементного бетона отличается наличием новообразований с измененной морфологией кристаллогидратов (Фиг. 7, 8). Нанотрубки, покрытые гидросиликатами кальция, образуют оболочку, которая плотно соединяет поверхности частиц цемента и наполнителя, делая структуру бетона более прочной. Кроме того, в структуре вышеупомянутого бетона присутствуют низкоосновные гидросиликаты кальция и цеолитоподобные новообразования - анальцим. Введение цеолитовой добавки в структуру бетона дает возможность поглощать свободные щелочи и анионы, формируя на их основе неорганические комплексы. В результате поровая структура наномодифицированного камня претерпевает изменения: увеличивается объем микропор с одновременным уменьшением макропор, что способствует образованию более плотной однородной структуры цементного камня.

Похожие патенты RU2626493C2

название год авторы номер документа
Вяжущее для производства легкого бетона 2023
  • Попов Александр Леонидович
  • Фёдоров Артём Владимирович
RU2803754C1
Способ производства сухих строительных смесей 2019
  • Кривцов Евгений Евгеньевич
  • Голик Алексей Михайлович
RU2735004C1
КОМПЛЕКСНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ СИЛИКАТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ 2021
  • Яковлев Григорий Иванович
  • Полянских Ирина Сергеевна
  • Саидова Зарина Сироджиддиновна
  • Кузьмина Наталия Вилорьевна
RU2768884C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМОДИФИЦИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 2015
  • Ткачев Алексей Григорьевич
  • Толчков Юрий Николаевич
  • Михалева Зоя Алексеевна
RU2651720C2
БЕТОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ (ВАРИАНТЫ) 2008
  • Алимов Анатолий Георгиевич
  • Карпунин Василий Валентинович
  • Новиков Леонид Васильевич
  • Карлин Владимир Николаевич
  • Карпунин Василий Васильевич
  • Алимов Олег Анатольевич
  • Алимов Александр Анатольевич
RU2365554C1
КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЛЕГЧЕННЫХ АРХИТЕКТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ 2016
  • Шангина Нина Николаевна
  • Харитонов Алексей Михайлович
  • Тучинский Сергей Георгиевич
  • Рябова Антонина Алексеевна
RU2618819C1
Наномодифицированный цементный композит для строительной 3D-печати 2021
  • Артамонова Ольга Владимировна
  • Славчева Галина Станиславовна
  • Шведова Мария Александровна
  • Бритвина Екатерина Алексеевна
  • Бабенко Дмитрий Сергеевич
RU2767643C1
БЕТОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ (ВАРИАНТЫ) 1999
  • Крылов А.И.
  • Сытник А.К.
  • Сытник А.А.
RU2152914C1
Способ модифицирования бетона комплексной добавкой, включающей гидротермальные наночастицы SiO и многослойные углеродные нанотрубки 2020
  • Потапов Вадим Владимирович
  • Полонина Елена Николаевна
  • Леонович Сергей Николаевич
  • Жданок Сергей Александрович
RU2750497C1
СОСТАВ СМЕСИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОБЕТОНА 2010
  • Бурлов Юрий Александрович
  • Бурлов Иван Юрьевич
  • Бурлов Александр Юрьевич
RU2416588C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 626 493 C2

Реферат патента 2017 года СТРОИТЕЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И КОМПЛЕКСНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОМПОЗИЦИИ

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении строительных, преимущественно бетонных или растворных, смесей в производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкций сборного и монолитного строительства и в других производствах. Комплексная добавка для строительной композиции, включающая, мас.%: цемент 80-85, суперпластификатор С-3 2,0-3,5, микрокремнезем 10-12, цеолит природный или синтетический - остальное, содержит цеолит, модифицированный углеродными нанотрубками, в количестве 5-10% от его массы. Строительная композиция, включающая, мас.%: минеральное вяжущее 15-25, воду 8,5-10, заполнитель - остальное и порошкообразную комплексную добавку по п. 1, содержание комплексной добавки составляет 0,15-0,8% от массы минерального вяжущего. Технический результат - снижение расхода цемента за счет повышения активности добавки при сохранении прочностных характеристик бетона. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения RU 2 626 493 C2

1. Комплексная добавка для строительной композиции, включающая, мас.%: цемент 80-85, суперпластификатор С-3 2,0-3,5, микрокремнезем 10-12, цеолит природный или синтетический - остальное, отличающаяся тем, что цеолит модифицирован углеродными нанотрубками в количестве 5-10% от его массы.

2. Строительная композиция, включающая, мас.%: минеральное вяжущее 15-25, воду 8,5-10, заполнитель - остальное и порошкообразную комплексную добавку по п. 1, содержание комплексной добавки составляет 0,15-0,8% от массы минерального вяжущего.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2626493C2

КОМПЛЕКСНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ 2005
  • Котенков Александр Алексеевич
  • Медведев Владимир Михайлович
  • Кузнецов Валерий Анатольевич
RU2298535C1
КОМПЛЕКСНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ 2005
  • Котенков Александр Алексеевич
  • Медведев Владимир Михайлович
  • Кузнецов Валерий Анатольевич
RU2298535C1
СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА 2013
  • Ястремский Евгений Николаевич
  • Емельянов Илья Александрович
RU2543847C2
WO 2012083255 A1, 21.06.2012
EP 1614670 A2, 11.01.2006
US5435846 A1, 27.07.1995
.

RU 2 626 493 C2

Авторы

Ткачев Алексей Григорьевич

Бураков Александр Евгеньевич

Романцова Ирина Владимировна

Михалева Зоя Алексеевна

Панина Татьяна Ивановна

Толчков Юрий Николаевич

Кучерова Анастасия Евгеньевна

Кашевич Злата Константиновна

Бабкин Александр Викторович

Даты

2017-07-28Публикация

2015-06-01Подача