Бетонная смесь Российский патент 2022 года по МПК C04B28/04 C04B14/06 C04B24/22 C04B24/24 C04B111/20 

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при изготовлении изделий из бетона в гражданском строительстве и строительстве дорожных и тротуарных покрытий.

Основой повышения эффективности производства бетонов является разработка способов направленного формирования структуры композиционных материалов, получение продукта с заданными эксплуатационными свойствами и экономия цемента. Одним из наиболее распространенных способов модифицирования структуры является применение нанодисперсных добавок. Использование нанодисперсных добавок, обладающих структурирующим и фотокаталитическим эффектом, способствует повышению физико-технических характеристик композиционных материалов и деградированию адсорбированных на поверхности материала загрязняющих веществ. Наиболее популярным фотокатализатором широко применяемым в составе строительных материалов является анатаз - полиморфная разновидность диоксида титана. Однако низкая скорость фотохимических процессов, активность под действием только ближнего ультрафиолетового света и склонность наночастиц TiO₂ к агломерации снижает эффективность применения диоксида титана в составе строительных материалов.

Известен способ получения сырьевой смеси для высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой (см. пат. 2471752 С1 РФ, МПК С04В 38/00, В82В 1/00, (2006.01), 2013), включающей портландцемент (ГЩ), кварцполевошпатный песок с модулем крупности 2,1, гранитные отсевы фракции 2,5-5 мм, добавку и воду, в качестве добавки используют нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил 05, который предварительно подвергают УЗД совместно с водой затворения при следующем соотношении компонентов, мас. %:

портландцемент 25-25,6, кварцполешпатовый песок 32-32,5, гранитные отсевы 32,5-33, нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил 05 0,013-0,052, вода 8,348-9,987.

К недостаткам состава сырьевой смеси для высокопрочного бетона относится сложность технологического процесса приготовления диоксида кремния Таркосил 05, невысокая начальная прочность.

Известен также принятый в качестве прототипа состав бетонной смеси (см. пат. 2632082 РФ, МПК С04В 28/04, 14/06, 14/22, 22/06, 111/20 (2006.01), 2017) включающий портландцемент, песок кварцевый, воду, стеклобой в виде тарного или строительного стекла фракции 0.16-10 мм, фотокаталитическую добавку диоксида титана при следующем соотношении компонентов, мас. %:

портландцемент М 500 12,0-20,0, песок кварцевый 26,0-32,0, стеклобой 40,0-48,0, фотокаталитическая добавка диоксида титана 0,15-0,45, вода остальное.

К недостаткам известной бетонной смеси следует отнести относительно невысокие показатели прочности, истираемости и отсутствие данных, подтверждающих ее фотокаталитическую активность.

Заявляемая бетонная смесь, как и известные, включает портландцемент, песок кварцевый, воду, фотокаталитическую добавку, пластификатор.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении прочности, приобретении самоочищающейся поверхности бетона при облучении не только ультрафиолетовым светом (УФ), но и видимым (ВС), и улучшении эксплуатационных характеристик бетона.

Технический результат достигается тем, что в качестве фотокаталитической добавки содержит титаносиликатный порошок (TiSi), являющийся отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента, а в качестве пластификатора - гексаметафосфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас. %:

портландцемент типа СЕМ I 42.5 Н 22,0-22,4, песок кварцевый 67,4-68,5, фотокаталитическая добавка (титаносиликатный порошок) 0,11-0,45, пластификатор 0,01-0,03, вода остальное.

Достижению технического результата способствует то, титаносиликатный порошок, являющийся отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента, содержит, мас. %: 21,1-25,7 SiO₂, 36,4-39,8 TiO₂, 9,4-12,4 Na₂O, 4,1-6,0 K₂O и имеет удельную поверхность 50,2 - 143 м²/г (определяли методом тепловой десорбции азота на установке FlowSorb II 2300 (Micromeritics)).

В качестве вяжущего использовался портландцемент СЕМ I 42.5 Н, ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия». Содержание вяжущего в бетонной смеси 22,0-22,4 мас. %, необходимо и достаточно для получения бетона требуемой прочности. Уменьшение доли цемента менее 22,0 приводит к снижению прочностных характеристик и долговечности готовой продукции, а количество вяжущего более 22,4 мас. % приводит к появлению микротрещин вследствие повышенной усадки при твердении и удорожанию готовой продукции.

В качестве заполнителя использовали кварцевый песок с модулем крупности 2,3 по ГОСТ «Песок для строительных работ. Технические условия». Содержание кварцевого песка в бетонной смеси составляет 67,4-68,5 мас. % необходимо и достаточно для получения бетона требуемой консистенции и прочности. Количество кварцевого песка менее 67,4 мас. % приводит к появлению микротрещин и расслаиванию бетонной смеси, а введение более 68,5 мас. % приводит к снижению удобоукладываемости и прочностных характеристик бетона.

Использование в составе бетонной смеси титаносиликатного порошка, являющегося отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента, обусловлено следующим.

Одним из способов получения TiO₂, фотокаталитически активного при дневном свете, является его легирование ионами металлов. Легирование TiO₂ кремнеземом может значительно повысить его сорбционные характеристики и фотокаталитическую активность. Поскольку SiO₂ является одним из компонентов бетона, то его присутствие в составе фотокатализатора может обеспечить не только синергетический эффект с TiO₂, выражающийся в усилении фотокаталитической активности последнего, но и повысить качество бетона за счет улучшения его основных характеристик.

Применение смешанных оксидов диоксида титана и диоксида кремния в составе цементных композитов способствует приобретению не только самоочищающихся и бактерицидных свойств, но также улучшает механические свойства цементного камня. Улучшению прочности на сжатие способствует присутствие нанокремнезема, а диоксид титана обеспечивает фотокаталитическую активность. Наночастицы TiO₂-SiO₂ ускоряют гидратацию цемента, способствуют повышению степени гидратации и снижению пористости камня, а также могут ограничивать агломерацию наночастиц TiO₂ в цементной матрице, кроме того, они могут реагировать с портлантидом (СН) с образованием гидросиликатов кальция (CSH), что будет способствовать созданию более плотной структуры цементной матрицы.

Содержание титаносиликатного порошка в бетонной смеси в количестве 0,11-0,45 мас. % необходимо и достаточно для получения бетонной смеси с повышенной прочностью и самоочищающейся поверхностью, как в ультрафиолетовой области спектра, так и в видимой. Содержание титаносиликатного порошка менее 0,11 мас. % не обеспечивает достаточного эффекта самоочищения и повышения прочности, а введение более 0,45 ведет к увеличению водопотребности и снижению прочности.

С целью поддержания заданной удобоукладываемости и равномерного распределения частиц в состав бетонной смеси вводили пластификатор.

Использование в качестве пластификатора гексаметафосфата калия обусловлено тем, что он обладает хорошими адсорбционными и диспергирующими свойствами. Механизм действия указанного пластификатора основан на адсорбции его молекул на поверхности частиц с образованием на них отрицательного заряда. Это не позволяет частицам сблизиться и образовать конгломераты, в результате чего снижается количество воды затворения, необходимое для получения бетонной смеси с заданными характеристиками. Содержание гексаметафосфата натрия в количестве 0,01-0,03 мас. % необходимо и достаточно для равномерного распределения нанодисперсной титаносиликатной добавки в объеме цементной матрице и получения требуемой консистенции бетонной смеси. Количество ПАВ менее 0,01 не обеспечивает равномерное распределение наночастиц титаносиликатной добавки в объеме цементной матрице и требуемую подвижности бетонной смеси. При введении в состав бетонной смеси гексаметафосфата более 0,03 замедляется скорость твердения в раннем возрасте и снижается прочность бетона.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата и изобретения, заключающегося в повышении прочности, приобретении самоочищающейся поверхности бетона не только при облучении ультрафиолетовым светом, но и видимым, и повышении долговечности эксплуатационных характеристик бетона. В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны следующие исходные компоненты бетонной смеси и их количественное соотношение.

Использование в качестве компонента бетонной смеси титаносиликатного порошка состава, мас. %: 21,1-25,7 SiO₂, 36,4-39,8 TiO₂, 7,0-12,4 Na₂O, 3,2-4,2 K₂O, с удельной поверхностью поверхность 50,2-143 м²/г обусловлено условиями синтеза титаносиликатного сорбента. При удельной поверхности меньше 50,2 м²/г снижается реакционная способность титаносиликатного порошка, а при удельной поверхности 143 м²/г усиливается склонность титаносиликатного порошка к агломерации, что препятствует равномерному распределению наночастиц в цементной матрице и приводит к возникновению слабых зон в цементном камне.

Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют получить оптимальный состав бетонной смеси с точки зрения обеспечения повышенной прочности, самоочищающейся поверхности и улучшения эксплуатационных свойств.

Для получения бетонной смеси используют следующие компоненты.

Портландцемент типа СЕМ I 42.5Н по ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия». Химический состав цемента, мас. %: 65,7 СаО, 21,3 SiO₂, 4,4 Al₂O₃, 4,0 Fe₂O₃, 2,0 MgO, 0,7 Na₂O, 3,0 SO₃, 0,06 Cl^-, 2,8 потери при прокаливании. Минеральный состав, мас. %: 65,8 C₃S, 11,3 C₂S, 5,0 С₃А, 12,2 C₄AF. Прочность при сжатии в возрасте 2 сут.28,5 МПа, 28 сут.48,8 МПа, начало схватывания 135 мин., конец схватывания 230 мин.

Песок кварцевый с модулем крупности 2,3 по ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия», содержание SiO₂ не менее 98,3 мас. %.

Титаносиликатный порошок, являющийся отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента с удельной поверхностью 50,2 - 143,1 м²/г содержит, мас. %: 21,1-25,7 SiO₂, 36,4-39,8 TiO₂, 9,4-12,4 Na₂O, 4,1-6,0 K₂O.

Гексаметафосфат натрия с плотностью 2,181 г/см³ и рН 6,0-7,7 содержит не менее 68 мас. % полифосфата натрия в пересчете на P₂O₅ и нерастворимых в воде веществ не более 0,1 мас. %.

Приготовление бетонной смеси согласно изобретению осуществляется путем смешения расчетного количества портландцемента, кварцевого песка, фотокаталитической добавки, пластификатора в лабораторном автоматическом смесителе. Первоначально для предотвращения агломерации и максимального разделения наночастиц TiO₂-SiO₂ в объеме цементной матрицы титаносиликатный порошок предварительно подвергали ультразвуковому диспергированию в 0,2-0,6% растворе гексаметафосфата натрия в течение 10 минут при помощи ультразвукового диспергатора УЗД 2-0,1/22, генерирующего ультразвуковое поле с частотой 22 кГц и мощностью 0,2 Квт. Далее в чашу затворения помещают воду, суспензию фотокаталитической добавки и портландцемент; песок высыпают в дозирующее устройство. Смесь перемешивают в растворосмесителе со следующей последовательностью: в начале со скоростью 145 об/мин портландцемент, суспензию фотокаталитической добавки и воду в течение 30 с, а далее дозирование песка в течение 30 с, затем со скоростью 275 об/мин перемешивание цементного раствора в течение 30 с. На второй стадии процедуру перемешивания продолжают в течение 60 с при скорости 275 об/мин.

Для определения характеристик бетонной смеси формовали образцы размерами 4×4×16 см, которые выдерживали в формах в течение 1 суток при нормальных условиях. Затем образцы расформовывали, далее образцы твердели в воде в течение 28 суток.

Прочность образцов определяли по ГОСТ 310.4-81, истираемость по ГОСТ 13087-2018, фотокаталитическую активность (угол смачивания) по ГОСТ Р 57255-2016.

В Таблице 1 приведены Примеры 1-6 составов бетонной смеси согласно изобретению, а также Пример 7 по прототипу. В Таблице 2 приведены Свойства титаносиликатного порошка (Примеры 1-6). В Таблице 3 указаны Свойства бетонной смеси согласно Примерам 1-7.

Из данных, приведенных в Таблице 3, видно, что предлагаемая бетонная смесь по сравнению с прототипом имеет более высокую прочность при изгибе и сжатии, меньшую истираемость и обладает способностью к самоочищению как в УФ, так в видимой области спектра.

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при изготовлении изделий из бетона в гражданском строительстве и строительстве дорожных и тротуарных покрытий. Бетонная смесь содержит, мас. %: портландцемент типа СЕМ I 42.5Н 22,0-22,4, песок кварцевый 67,4-68,5, фотокаталитическую добавку 0,11-0,45, пластификатор 0,01-0,03, остальное - вода. Причем фотокаталитическая добавка является отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента и содержит, мас. %: 21,1-25,7 SiO₂, 36,4-39,8 TiO₂, 9,4-12,4 Na₂O, 4,1-6,0 K₂O, имеет удельную поверхность 50,2-143 м²/г и вводится в состав смеси в виде суспензии, которая подвергается ультразвуковой обработке совместно с пластификатором в установке с рабочей частотой с 20-22 кГц и мощностью не более 0,2 кВт; пластификатором является гексаметафосфат натрия. Технический результат заключается в повышении прочности, приобретении самоочищающейся поверхности бетона не только при облучении ультрафиолетовым светом, но и видимым и улучшении эксплуатационных характеристик бетона. 3 табл.

Бетонная смесь, включающая портландцемент, песок кварцевый, воду, фотокаталитическую добавку, пластификатор, отличающаяся тем, что в качестве фотокаталитической добавки содержит титаносиликатный порошок, являющийся отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента, а в качестве пластификатора - гексаметафосфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас. %:

портландцемент типа СЕМ 142.5 Н 22,0-22,4 песок кварцевый 67,4 - 68,5 фотокаталитическая добавка (титаносиликатный порошок) 0,11-0,45 пластификатор 0,01-0,03 вода остальное