Способ получения наномодифицированной добавки для пенобетонов и пенобетонная смесь, содержащая указанную добавку Российский патент 2023 года по МПК C04B20/12 C04B38/10 B82Y30/00 B82B3/00 B01J23/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к промышленности строительных материалов – к производству ячеистых бетонов, в частности, пенобетона, применяемого для изготовления любых изделий из ячеистого бетона, более предпочтительно для мелких стеновых блоков производственных помещений, многоэтажных и индивидуальных жилых домов. Более конкретно, изобретение относится к способу приготовления пенобетона, к сырьевой смеси для приготовления пенобетона и к пенобетону, приготовленному из такой сырьевой смеси вышеупомянутым способом.

Уровень техники

Из патента Российской Федерации № 2471753 С1, опубл. 10.01.2013, известны способ получения пенобетона и сырьевая смесь для получения пенобетона, включающая, мас.%: портландцемент 52,06-57,73, пенообразователь ПБ-2000 0,24-0,25, кварцевый песок 7,99-18,56, воду 23,96-24,75. Помимо вышеуказанных компонентов сырьевая смесь содержит жидкое натриевое стекло и молотый бой листового стекла. Согласно данному способу получения пенобетона кварцевый песок, молотый бой стекла и портландцемент смешивают в отдельной емкости. В другой емкости в течение 5 минут взбивают однородную пену из 4%-ного рабочего раствора пенообразователя ПБ-2000 с добавлением жидкого натриевого стекла. После приготовления пены в нее постепенно вводят смесь из сухих компонентов, продолжая постоянно перемешивать массу. После приготовления пенобетонной смеси ее заливают в предварительно смазанные маслом металлические формы и оставляют до затвердевания.

Недостатком данного известного из уровня техники способа является невысокая прочность пенобетона в связи с отсутствием эффекта обжатия пор в его пористой структуре, а также в связи с отсутствием в сырьевой смеси смолы, имеющей соответствующие характеристики.

Известен способ получения пенобетона и сырьевая смесь по патенту Российской Федерации № 2377225 С1, МПК С04В 38/10, опубл. 27.12.2009. Сырьевая смесь по прототипу содержит, мас.%: портландцемент 30,0-32,0, пенообразователь ПБ-2000 0,6-0,7, смолу древесную омыленную (СДО) 0,7-1,0 и воду 36,0-37,0. Помимо вышеуказанных компонентов сырьевая смесь содержит золу ТЭС и пыль кремнезема. Согласно прототипу, в пеногенераторе взбивают пену из смеси смолы и пенообразователя (СДО и ПБ-2000) с водой. Смешение всех компонентов бетона происходит в шнековом смесителе, в который сначала подают сухие компоненты: цемент, золу ТЭС (фракции менее 0,14 мм), пыль кремнезема, а затем приготовленную пену. Из смесителя приготовленную смесь равномерно распределяют в предварительно смазанных маслом металлических формах и подают на тепловлажностную обработку, которую проводят по режиму 3+9+3 ч при температуре изотермической выдержки 90°С. Затем готовые изделия извлекают из форм и транспортируют на склад, где происходит "дозревание" материала.

Недостатком способа, сырьевой смеси и пенобетона по прототипу является невысокая прочность пенобетона в связи с отсутствием в сырьевой смеси смолы, предназначенной для создания эффекта обжатия в нем поверхности пор. Используемая в сырьевой смеси по прототипу смола древесная омыленная не обеспечивает нужного эффекта в повышении прочности пенобетона, так как не обладает необходимыми для этого параметрами, приводящими к обжатию поверхности пор в пористой структуре пенобетона. Дополнительно к повышению прочности пенобетона использование смолы в пенообразователе может привести к положительным эффектам, важным для пенобетона – повышению коэффициента размягчения пенобетона и снижению его коэффициента теплопроводности.

Известен способ приготовления пенобетона (RU (11) 2742784, МПК C04B 38/10 (2006.01) C04B 40/02 (2006.01), Опубл: 10.02.2021, Бюл. № 4), согласно которому осуществляют следующие этапы: наливают в пеногенератор воду для приготовления пены, пенообразователь ПБ-Люкс и карбамидоформальдегидную смолу КФ-Ж; перемешивают в пеногенераторе вышеуказанные компоненты до получения пены; перемешивают в бетоносмесителе портландцемент, мелкий заполнитель – кварцевый песок и воду для приготовления однородного раствора требуемой консистенции; подают в бетоносмеситель с цементным раствором из пеногенератора пену и осуществляют перемешивание в течение 2-5 минут до получения однородной пенобетонной смеси с образованием пористой структуры; готовую пенобетонную смесь укладывают в предварительно смазанные металлические формы; полученные образцы пенобетона подвергают тепловлажностной обработке и/или выдерживают в нормальных условиях, при этом компоненты для приготовления пенобетонной смеси используют в следующем соотношении, мас.%:

Портландцемент 48,5-49,44

Мелкий заполнитель – кварцевый песок 19,7-20,0

Пенообразователь ПБ-Люкс 0,16-0,18

Карбамидоформальдегидная смола КФ-Ж 1,20-1,32

Вода для приготовления пены 9,8-10,0

Вода для приготовления цементного раствора 19,7-20,0.

Согласно рассматриваемому способу, поры пенобетона имеют диаметр не выше 2,0 мм, однородно распределены в объеме пенобетона и являются полифракционными.

За прототип изобретения принят пат. РФ 2545226 (МПК C04B 24/00, B82B 1/00, опубл: 27.03.2015, Бюл. № 9) на получение комплексной добавки для бетонной смеси, содержащей пластификатор и углеродный наноструктурированный материал «Таунит», отличающийся тем, что в качестве пластификатора используется гиперпластификатор «Гиперлит», при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- гиперпластификатор «Гиперлит» - 9,5-99,7,

- углеродный наноструктурированный материал «Таунит» - 0,3-0,5.

Способ приготовления комплексной добавки заключается в диспергации углеродного наноструктурированного материала «Таунит» в пластификаторе, углеродный наноструктурированный материал подвергают ультразвуковой диспергации в гиперпластификаторе «Гиперлит» в течение 3-7 минут с помощью ультразвукового генератора УЗГ13-0,1/22.

Недостатком является невысокая прочность бетона в ранние сроки твердения, а также высокая сложность равномерного распределения углеродных нанотрубок в бетонной смеси.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения - повышение темпа роста прочности бетонов в ранние сроки твердения, обеспечение высокой марочной прочности, повышение водонепроницаемости, а также однородное распределение углеродного наноматериала (УНМ) в его структуре.

Технический результат - высокие прочностные характеристики бетона в ранние сроки твердения, высокая марочная прочность.

Результат достигается тем, что комплексная добавка для пенобетона, содержит многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), нанесенные на поверхность заполнителя – песок, согласно изобретению.

Для получения пенобетонной смеси смешивали компоненты (мас.%):

портландцемент (ГОСТ 31108-2016) 41,2 указанная наномодифицированная добавка 0,42 заполнитель – кварцевый песок 41,6 пенообразователь 0,1 вода (ГОСТ 23732-2011) 16,68

Наномодифицирование песчаного носителя осуществляли импрегнированием раствором нитратов металлов, которые являются предшественниками активных центров роста МУНТ. Для получения катализатора использовали следующее сырье, мас.%:

- кобальт азотнокислый 6-водный Co(NO₃)₂·6H₂O ГОСТ 4528-78 (ч.д.а.) – 22,2;

- магний нитрат 6-водный Mg(NO₃)₂·6H₂O ГОСТ 11088-75 (ч.д.а.) – 23,2;

- алюминий азотнокислый 9-водный Аl(NO₃)₃·9H₂O ГОСТ 3757-75 (ч.д.а.) – 10,5;

- аммоний молибденовокислый 4-водный (NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O ГОСТ 3765-78 (х.ч.) – 1,3;

- кислота лимонная моногидрат ГОСТ 3652-69 (ч.д.а.) – 42,8.

Технология наномодифицирования заключается в следующем: на начальном этапе аммоний молибденовокислый растворяли при температуре 30°С с помощью магнитной мешалки MSH-20D-Set при частоте вращения 1000 об/мин до полного растворения. Затем в раствор добавляли нитраты алюминия, магния, кобальта и лимонную кислоту. Раствор выдерживали при температуре 60°С и частоте вращения мешалки 500 об/мин до тех пор, пока раствор не станет однородным без содержания твердофазных включений. Далее предварительно обработанный в муфельной печи при 200°С кварцевый песок добавляли в полученный раствор катализатора и перемешивали при частоте вращения мешалки 500 об/мин в течение 30 мин. Затем пропитанный песок подвергали прокалке при температуре 600°C в течение 60 мин на воздухе. В результате на поверхности частиц песка образуется ксерогель, состоящий из оксидов металлов молибдена, кобальта, магния и алюминия. Для получения МУНТ песчаный наполнитель помещали в реактор периодического действия (время синтеза – 60 мин, газовая смесь – пропан-бутан, температура процесса – 650°C). С помощью просвечивающей электронной микроскопии FEI Tecnai Spirit M3000 (Цюрих, Швейцария) (рис. 1) было доказано, что на поверхности частиц песка образуются МУНТ, а не другие углеродные наночастицы.

Для получения пенобетонной смеси сырье – портландцемент, наномодифицированный песок, заполнитель (кварцевый песок), вода – подают в пенобетоносмеситель, где происходит смешение при 70 об/мин до образования однородной смеси с последующим добавлением пенообразователя и финишным перемешиванием при 300 об/мин до появления стабильности смеси. Полученную пенобетонную смесь помещали в призматическую форму (40×40×160 мм). Образцы извлекали через 24 ч после литья и погружали в воду (28 дней) для отверждения при 23±2°С в соответствии ГОСТ 31108-2016. Среднее значение для трех призм сначала было испытано в соответствии с ГОСТ 310.4-76 для определения прочности на изгиб, затем брали половинки образцов призм для оценки прочности на сжатие. Водопоглощение образцов определяли по ГОСТ 12730.3-78. Для механических испытаний применялась одноосная испытательная машина мощностью 2000 кН и нагрузка составляла 0,4 МПа/с.

Проводилась оценка влияния массовой доли наномодифицированного песка (0,2; 0,5, 1 и 2% от массы цемента) и размера фракции песка – 0,16; 0,315 и 0,63 мм - на эксплуатационные характеристики пенобетонов.

В результате проведенных исследований были получены показатели прочности, указанные в табл. 1, 2.

Таблица 1. Предел прочности на изгиб, МПа.

Процент внесения наномодификатора Размер фракции, мм 0,63 0,315 0,16 0 3,1 3,4 3,6 0,2 3,3 3,7 4,1 0,5 3,6 3,9 4,4 1 3,9 4,6 4,9 2 3,7 4,3 4,5

Таблица 2. Предел прочности на сжатие, МПа.

Процент внесения наномодификатора Размер фракции, мм 0,63 0,315 0,16 0 11,4 11,6 12 0,2 12,1 13,2 14 0,5 13,7 14,1 15 1 14 15,6 16,2 2 13,6 14,7 15,6

Максимальный прирост прочности на сжатие наблюдается при внесении 1 мас.% наномодифицированного песка фракции 0,16 мм и составляет 35%, прочности на изгиб – 32%. В результате испытаний по определению водопоглощения установлено (табл. 3), что при внесении наномодифицированного песка достигается минимальное значение водо-поглощения – на 22% меньше контрольного образца (без наномодифицированного песка) при использовании 1 мас.% нанодобавки.

Таблица 3. Определение значения водопоглощения.

Процент внесения наномодификатора Процент водопоглощения 0 13,7 0,2 13,1 0,5 12,2 1 10,8 2 11,9

Группа изобретений относится к промышленности строительных материалов – к производству ячеистых бетонов, в частности пенобетона, применяемого для изготовления мелких стеновых блоков производственных помещений, многоэтажных и индивидуальных жилых домов. Способ получения наномодифицированной добавки для пенобетона включает получение раствора катализатора путем растворения аммония молибденовокислого 4-водного (NH₄)₆Mo₇O₂₄⋅4H₂O при температуре 30°С с помощью магнитной мешалки MSH-20D-Set при частоте вращения 1000 об/мин до полного растворения, добавления в раствор алюминия азотнокислого 9-водного Аl(NO₃)₃⋅9H₂O, магния нитрата 6-водного Mg(NO₃)₂⋅6H₂O, кобальта азотнокислого 6-водного Co(NO₃)₂⋅6H₂O и лимонной кислоты при температуре раствора 60°С и частоте вращения мешалки 500 об/мин, предварительно обработанный в муфельной печи при 200°С кварцевый песок добавляют в полученный раствор катализатора и перемешивают при частоте вращения мешалки 500 об/мин в течение 30 мин, затем пропитанный песок подвергают прокалке при температуре 600°C в течение 60 мин на воздухе до образования на поверхности частиц песка ксерогеля, состоящего из оксидов молибдена, кобальта, магния и алюминия, и для синтеза на поверхности частиц песка многослойных углеродных нанотрубок – МУНТ, песок помещают в реактор периодического действия: время синтеза - 60 мин, газовая смесь - пропан-бутан, температура процесса - 650°C, при следующем содержании сырья, используемого для получения катализатора, мас.%: кобальт азотнокислый 6-водный Co(NO₃)₂⋅6H₂O 22,2, магний нитрат 6-водный Mg(NO₃)₂⋅6H₂O 23,2, алюминий азотнокислый 9-водный Аl(NO₃)₃⋅9H₂O 10,5, аммоний молибденовокислый 4-водный (NH₄)₆Mo₇O₂₄⋅4H₂O 1,3, кислота лимонная моногидрат 42,8. Пенобетонная смесь включает, мас.%: портландцемент 41,2, наномодифицированную добавку, полученную указанным выше способом, 0,42, заполнитель – кварцевый песок 41,6, пенообразователь 0,1, воду 16,68. Технический результат – повышение прочности пенобетона на сжатие и изгиб, снижение его водопоглощения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Способ получения наномодифицированной добавки для пенобетона, включающий получение раствора катализатора путем растворения аммония молибденовокислого 4-водного (NH₄)₆Mo₇O₂₄⋅4H₂O при температуре 30°С с помощью магнитной мешалки MSH-20D-Set при частоте вращения 1000 об/мин до полного растворения, затем в раствор добавляют алюминий азотнокислый 9-водный Аl(NO₃)₃⋅9H₂O, магний нитрат 6-водный Mg(NO₃)₂⋅6H₂O, кобальт азотнокислый 6-водный Co(NO₃)₂⋅6H₂O и лимонную кислоту при температуре раствора 60°С и частоте вращения мешалки 500 об/мин, предварительно обработанный в муфельной печи при 200°С кварцевый песок добавляют в полученный раствор катализатора и перемешивают при частоте вращения мешалки 500 об/мин в течение 30 мин, затем пропитанный песок подвергают прокалке при температуре 600°C в течение 60 мин на воздухе до образования на поверхности частиц песка ксерогеля, состоящего из оксидов молибдена, кобальта, магния, алюминия, и для синтеза на поверхности частиц песка многослойных углеродных нанотрубок – МУНТ, песок помещают в реактор периодического действия: время синтеза - 60 мин, газовая смесь - пропан-бутан, температура процесса - 650°C, при следующем содержании сырья, используемого для получения катализатора, мас.%: кобальт азотнокислый 6-водный Co(NO₃)₂⋅6H₂O 22,2, магний нитрат 6-водный Mg(NO₃)₂⋅6H₂O 23,2, алюминий азотнокислый 9-водный Аl(NO₃)₃⋅9H₂O 10,5, аммоний молибденовокислый 4-водный (NH₄)₆Mo₇O₂₄⋅4H₂O 1,3, кислота лимонная моногидрат 42,8.

2. Пенобетонная смесь, включающая портландцемент, заполнитель – кварцевый песок, пенообразователь, воду и наномодифицированную МУНТ добавку, полученную способом по п. 1, при следующем содержании компонентов, мас.%:

портландцемент 41,2 указанная наномодифицированная добавка 0,42 заполнитель - кварцевый песок 41,6 пенообразователь 0,1 вода 16,68