Бетонная смесь Российский патент 2022 года по МПК C04B28/04 C04B22/06 C04B14/06 

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

Известные бетонные смеси, в состав которых входят пластификатор и фотокаталитическая добавка, не обеспечивают в должной степени прочность бетона при сжатии и изгибе, истираемость, а также высокие кинетические и технические показатели по самоочищению поверхности бетона при ультрафиолетовом и видимом излучении. В настоящее время значительный интерес представляют мелкодисперсные фотокаталитические добавки, в частности, полиморфная разновидность диоксида титана в виде анатаза. Однако низкая скорость фотохимических процессов, активность под действием только ближнего ультрафиолетового излучения и склонность наночастиц TiO₂ к агломерации снижают эффективность применения диоксида титана в составе строительных материалов.

Известна бетонная смесь (см. пат. 2471752 РФ, МПК С04В 38/00, В82В 1/00, (2006.01), 2013), включающая портландцемент, кварцполевошпатный песок с модулем крупности 2,1, гранитные отсевы фракции 2,5-5,0 мм, добавку и воду. В качестве добавки используют нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил 05, который предварительно подвергают ультразвуковой диспергации совместно с водой затворения. Бетонная смесь содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%:

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

Прочность получаемого бетона при сжатии составляет 56-79 МПа после 28 суток, водопоглощение 1,3-3,6% по массе.

К недостаткам данной бетонной смеси относится то, что при относительно высокой прочности получаемого бетона при сжатии, он не обладает фотокаталитическими свойствами, а также сложность получения нанодисперсной добавки, которую необходимо предварительно диспергировать с использованием ультразвука.

Известна также бетонная смесь, принятая в качестве прототипа (см. пат. 2632082 РФ, МПК С04В 28/04, 14/06, 14/22, 22/06, 111/20 (2006.01), 2017), включающая портландцемент, песок кварцевый, воду, стеклобой в виде тарного или строительного стекла фракции 0,16-10 мм и 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 фото каталитическая добавка диоксида титана 0,15-0,45 вода остальное

Прочность получаемого бетона при сжатии и изгибе составляет соответственно 39,4-42,0 и 6,35-7,0 МПа после 28 суток, истираемость составляет 1,95-2,0%, водопоглощение 3,65-4,0%, фотокаталитическая активность присутствует.

К недостаткам известной бетонной смеси следует отнести относительно невысокие показатели прочности, истираемости и низкие фотокаталитические свойства. Последнее обусловлено тем, что используемая фотокаталитическая добавка диоксида титана марки Р-O2 (ГОСТ9808-84) имеет структуру, устойчивую к атмосферным воздействиям, в том числе и к ультрафиолетовому излучению, а также низкую удельную поверхность частиц (4-6 м²/г). Поэтому ее использование не позволяет достичь высоких фотокаталитических показателей.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении прочности получаемого бетона при сжатии и изгибе, обеспечения самоочищения поверхности бетона при ультрафиолетовом и видимом излучении, а также в улучшении истираемости бетона.

Технический результат достигается тем, что бетонная смесь, включающая портландцемент, песок кварцевый, фотокаталитическую титансодержащую добавку и воду, согласно изобретению, дополнительно содержит суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира Glenium 51, портландцемент используют марки ЦЕМ I 42.5Н, а в качестве фотокаталитической титансодержащей добавки смесь содержит ниобий-титаносиликатную добавку, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент ЦЕМ I 42.5Н 22,14-22,47 песок кварцевый 67,42-68,44 ниобий-титаносиликатная добавка 0,07-0,24 суперпластификатор 0,025-0,035 вода остальное

Достижению технического результата способствует также то, что ниобий-титаносиликатная добавка содержит, мас.%: 1-2 Nb₂O₅, 21,8-24,4 SiO₂, 30,1-37,4 TiO₂, 18,2-21,2 Na₂O и имеет удельную поверхность 120-165 м²/г.

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Введение в состав бетонной смеси суперпластификатора обеспечивает удобоукладываемость смеси и равномерное распределение частиц смеси. Использование суперпластификатора на основе поликарбоксилатного эфира Glenium 51 обусловлено тем, что механизм действия указанного пластификатора основан на адсорбции его молекул на поверхности цементных частиц с образованием на них отрицательного заряда. Это не позволяет частицам сблизиться и образовать конгломераты под действием кулоновских сил электростатистического отталкивания, что приводит к эффекту диспергации и разжижению цементной смеси. В результате снижается количество воды затворения, необходимое для получения цементной композиции с заданными характеристиками. Содержание суперпластификатора в количестве 0,025-0,035 мас.% необходимо и достаточно для равномерного распределения нанодисперсной титаносиликатной добавки в объеме цементной матрицы и получения требуемой консистенции бетонной смеси. Количество суперпластификатора менее 0,025 мас.% ведет к нежелательному уменьшению подвижности бетонной смеси и к неравномерному распределению наночастиц в объеме цементной матрицы. При содержании суперпластификатора более 0,035 мас.% возрастает подвижность смеси, что приводит к снижению прочности, увеличению пористости и значительной усадке бетона.

Использование в составе бетонной смеси портландцемента марки ЦЕМ I 42.5Н обусловлено его высокой вяжущей способностью и прочностью. Содержание портландцемента в количестве 22,14-22,47 мас.% необходимо и достаточно для получения бетона требуемой прочности. Содержание портландцемента менее 22,14 мас.% приводит к снижению прочностных характеристик и. долговечности бетона, а содержание более 22,47 мас.% ведет к появлению микротрещин вследствие повышенной усадки при твердении и удорожанию бетона.

Использование в составе бетонной смеси в качестве фотокаталитической титансодержащей добавки ниобий-титаносиликатной добавки обусловлено следующим. Повышение фотокаталитических свойств полупроводниковых материалов и расширение диапазона спектральной чувствительности фотокатализатора в длинноволновую область достигаются путем допирования их переходными металлами. Допирование титаносиликата ниобием приводит к смещению края полосы поглощения в спектрах диффузного отражения в видимую область спектра, что способствует улучшению фотокаталитических свойств ниобий-титаносиликатной добавки в ультрафиолетовой и видимой области спектра. Кроме того, допирование титаносиликата ниобием способствует увеличению удельной поверхности, что значительно повышает реакционную способность добавки, тем самым уменьшая ее количество в составе бетонной смеси. Также присутствующий в составе титаносиликата диоксид кремния SiO₂, благодаря своей пуццолановой активности, может вступать в реакцию с Са(ОН)₂ с образованием гидросиликатов кальция, уплотняя структуру цементной матрицы и повышая прочность.

Содержание фотокаталитической ниобий-титаносиликатной добавки в бетонной смеси в количестве 0,07-0,24 мас.% необходимо и достаточно для получения бетонной смеси с повышенной прочностью и самоочищающейся поверхностью, как в ультрафиолетовой области спектра, так и в видимой. Содержание добавки менее 0,07 мас.% не обеспечивает достаточного эффекта самоочищения и повышения прочности, а содержание более 0,3 мас.%) ведет к увеличению водопотребности и снижению прочности.

Содержание кварцевого песка в бетонной смеси в количестве 67,42-68,44 мас.% необходимо и достаточно для получения бетона требуемой консистенции и прочности. Количество кварцевого песка менее 67,42 мас.% приводит к появлению микротрещин и расслаиванию бетонной смеси, а его содержание более 68,44 мас.% приводит к снижению удобоукладываемости и прочностных характеристик бетона.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата и изобретения, заключающегося в повышении прочности получаемого бетона при сжатии и изгибе, обеспечении самоочищения поверхности бетона при ультрафиолетовом и видимом излучении, а также в улучшении истираемости бетона.

В частном случае осуществления изобретения ниобий-титаносиликатная добавка содержит, мас.%: 1-2 Nb₂O₅, 21,8-24,4 SiO₂, 30,1-37,4 TiO₂, 18,2-21,2 Na₂O при величине удельной поверхности добавки 120-165 м²/г.

При удельной поверхности добавки меньше 120 м²/г снижается ее реакционная способность, а при удельной поверхности более 165 м²/г усиливается склонность добавки к агломерации, что препятствует равномерному распределению наночастиц в цементной матрице и приводит к возникновению слабых зон в цементном камне.

Вышеуказанный частный признак изобретения позволяет получить оптимальный состав бетонной смеси с точки зрения прочности бетона при сжатии и изгибе, обеспечения самоочищения поверхности бетона при ультрафиолетовом и видимом излучении и улучшения истираемости бетона.

Для получения заявленной бетонной смеси используют следующие компоненты.

Портландцемент ЦЕМ I 42.5Н по ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия» имеет химический состав, мас.%: 65,7 СаО, 21,3 SiO₂, 4,4 Al₂O₃, 4,0 Fe₂O₃, 2,0 MgO, 0,7 Na₂O, 3,0 SO₃, 0,06 СГ, 2,8 потери при прокаливании.

Песок кварцевый с модулем крупности 2,3 по ГОСТ «Песок для строительных работ. Технические условия» имеет содержание SiO₂ 98,3 мас.%.

Фотокаталитическая ниобий-титаносиликатная добавка содержит, мас.%: 1-2 Nb₂O₅, 21,8-24,4 SiO₂, 30,1-37,4 TiO₂, 18,2-21,2 Na₂O и имеет удельную поверхность 120-165 м²/г. В качестве добавки используют техногенные отходы, образующиеся при получении титаносиликатного сорбента каркасной структуры или непосредственно титаносиликатный сорбент.

Суперпластификатор Glenium 51 на основе поликарбоксилатного эфира компании ООО «БАСФ Строительные системы» имеет плотность 1,10±0,02 г/см³.

Приготовление бетонной смеси согласно изобретению осуществляют путем смешения расчетного количества портландцемента, кварцевого песка, фотокаталитической добавки, суперпластификатора и воды в лабораторном автоматическом смесителе. Первоначально в чашу затворения загружают 2/3 общего объема воды и портландцемент, песок помещают в дозирующее устройство. Ниобий-титаносиликатную добавку и суперпластификатор Glenium 51 растворяют в оставшемся 1/3 объеме воды. Последовательность перемешивания следующая: вначале со скоростью 145 об/мин перемешивают портландцемент и воду в течение 30 секунд, затем дозируют песок в течение 30 секунд и далее со скоростью 275 об/мин перемешивают полученный цементный раствор в течение 30 секунд. После этого в цементный раствор вводят смесь, состоящую из ниобий-титаносиликатной добавки и суперпластификатора. Для равномерного распределения фотокаталитической добавки и достижения требуемой консистенции перемешивание продолжают еще в течение 30 секунд со скоростью 145 об/мин и в течение 30 секунд со скоростью 275 об/мин.

Для определения характеристик бетонной смеси формуют образцы, которые выдерживают в формах в течение 1 суток при нормальных условиях. Затем образцы расформовывают, и они твердеют в воде в течение 28 суток. Прочность образцов определяли по ГОСТ 310.4-81, истираемость по ГОСТ 13087-2018, фото каталитическую 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 указаны свойства бетонной смеси согласно Примерам 1-7.

Из данных, приведенных в Таблице 2, видно, что предлагаемая бетонная смесь по сравнению с прототипом имеет более высокую прочность при сжатии (до 68,3 МПа) и изгибе (8,4 МПа), меньшую истираемость (не более 0,48%) и обеспечивает самоочищение поверхности бетона, как при ультрафиолетовом, так и видимом излучении.

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при изготовлении изделий из бетона в гражданском строительстве и строительстве дорожных и тротуарных покрытий. Технический результат заключается в повышении прочности и обеспечении самоочищения поверхности бетона как при ультрафиолетовом, так и видимом излучении, а также улучшении истираемости бетона. Бетонная смесь содержит, мас.%: портландцемент ЦЕМ I 42.5Н 22,14-22,47, песок кварцевый 67,42-68,44, ниобий-титаносиликатную добавку 0,07-0,24, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира Glenium 51 0,025-0,035 и воду - остальное. Ниобий-титаносиликатная добавка содержит, мас.%: 1-2 Nb₂O₅, 21,8-24,4 SiO₂, 30,1-37,4 TiO₂, 18,2-21,2 Na₂O при величине удельной поверхности 120-165 м²/г. 2 табл.

1. Бетонная смесь, включающая портландцемент, песок кварцевый, фотокаталитическую титансодержащую добавку и воду, отличающаяся тем, что бетонная смесь дополнительно содержит суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира Glenium 51, портландцемент используют марки ЦЕМ I 42.5Н, а в качестве фотокаталитической титансодержащей добавки смесь содержит ниобий-титаносиликатную добавку, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент ЦЕМ I 42.5Н 22,14-22,47 песок кварцевый 67,42-68,44 ниобий-титаносиликатная добавка 0,07-0,24 суперпластификатор 0,025-0,035 вода остальное

2. Бетонная смесь по п. 1, отличающаяся тем, что ниобий-титаносиликатная добавка содержит, мас.%: 1-2 Nb₂O₅, 21,8-24,4 SiO₂, 30,1-37,4 TiO₂, 18,2-21,2 Na₂O и имеет удельную поверхность 120-165 м²/г.