КОМПЛЕКСНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ БЕТОНОВ СТРОИТЕЛЬНОЙ 3D-ПЕЧАТИ Российский патент 2023 года по МПК C04B22/06 C04B24/30 

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано в качестве суперпластифицирующей и суперводоредуцирующей добавки к бинарным системам, включающим минеральное вяжущее и полимерное связующее, повышающей трещиностойкость и сокращающей сроки схватывания полимерцементного мелкозернистого бетона, используемого в строительной 3D-печати.

Известна суперпластифицирующая добавка к вяжущим на основе флороглюцинфурфурольных олигомеров (суперпластификатор СБ-ФФ) [Полуэктова А.А. Регулирование реологических свойств и агрегативной устойчивости водных минеральных суспензий суперпластификатором на основе флороглюцинфурфурольных олигомеров: дис. канд. тех. наук: 02.00.11 / В.А. Полуэктова. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова. 2006. 162 с.], синтезированная из мономера фурфурола и мономера флороглюцина с мольным соотношением фурфурол/флороглюцин 0,82.

Недостатком данного технического решения является снижение пластифицирующей способности добавки в полимерцементных смесях и увеличение сроков схватывания, что недопустимо для материалов строительной 3D-печати с помощью аддитивных технологий и недостаточное повышение трещиностойкости строительного раствора и бетона, за счет того, что эта добавка направлена на пластификацию строительного раствора или бетона, а небольшое повышение трещиностойкости происходит лишь за счет уплотнения растворной или бетонной смеси и уменьшения дефектности структуры камня на микроуровне.

Аналогом заявленного изобретения является наноразмерный модификатор для цементных композитов, адаптированных к технологии строительной 3D-печати [RU, № 2 767 643, бюл. № С1, опубл. 18.03.2022], следующего состава: частицы SiO₂ - суперпластификатор (с содержанием наноразмерных частиц SiO₂ и суперпластификатора 0,005-0,01% и 0,2-0,8% соответственно в расчете от массы цемента). Наномодифицирующая добавка на основе наночастиц SiO₂, полученная по схожей методике, отличающаяся тем, что в качестве пластифицирующей и водоредуцирующей добавки использован суперпластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров, а для повышения устойчивости цементного композита к трещинообразованию дополнительно введена полипропиленовая фибра.

Недостатком данного технического решения аналога являются низкая пластифицирующая и водоредуцирующая способности модификатора в бинарных (полимерцементных) смесях и низкая трещиностойкость композита.

Аналогом заявленного изобретения является комплексная добавка к вяжущим [RU, № 2 277 517, бюл. № С1, опубл. 10.06.2006], содержащая суперпластификатор С-3 и гидроксид магния Mg(OH)₂, при следующем весовом соотношении компонентов, мас.%: Mg(OH)₂ 45-55; С-3 45-55.

Недостатком технического решения аналога является низкая пластифицирующая и водоредуцирующая способность добавки в цементных и полимерцементных смесях и увеличение сроков схватывания, что недопустимо для материалов строительной 3D-печати с помощью аддитивных технологий.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату, принятой за прототип, является суперпластифицирующая и суперводоредуцирующая добавка на основе флороглюцинфурфурольных олигомеров для полимерминеральных композитов (модификатор FF) [Полуэктова В.А. Закономерности поверхностных явлений и модифицирования полимерминеральных дисперсий для аддитивных технологий: дис. д-р. тех. наук: 1.4.10 / В.А. Полуэктова. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова. 2021. 517 с.] и [RU, 2 662 838, бюл. № C1, опубл. 31.07.2018], синтезированная из мономера фурфурола и мономера флороглюцина с мольным соотношением фурфурол/флороглюцин 1,07.

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: синтез из мономера фурфурола и мономера флороглюцина с мольным соотношением фурфурол/флороглюцин 1,07.

Недостатком технического решения прототипа является недостаточное повышение трещиностойкости полимерцементных смесей и мелкозернистых бетонов, за счет того, что повышение трещиностойкости происходит всего лишь за счет уплотнения смеси и уменьшения дефектности структуры полимерцементного камня на микроуровне.

Заявляемое изобретение направлено на расширение арсенала технических средств за счет получения комплексной добавки для строительной 3D-печати с требуемыми свойствами: высокая трещиностойкость, сокращенные сроки схватывания, низкие значения усадочных деформаций, высокие значения прочности при растяжении.

Это достигается тем, что комплексная добавка для бетонов строительной 3D-печати содержит флороглюцинфурфурольный модификатор FF и дополнительно наноразмерные частицы диоксида кремния SiO₂, при следующем весовом соотношении компонентов, мас.%: флороглюцинфурфурольный модификатор FF – 69-71; наноразмерные частицы SiO₂ – 29-31.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая комплексная добавка для бетонов строительной 3D-печати, содержащая флороглюцинфурфурольный модификатор FF, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит наноразмерные частицы диоксида кремния SiO₂, Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области технике не подтвердило наличие в последние признаки, совпадающих с его отличительными признаками, или признаков, влияющих на достижение указанного технического результата. Это позволило сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».

Характеристика исходных компонентов

Флороглюцинфурфурольный модификатор FF, синтезированный по методике, описанной в диссертации [Полуэктова В.А. Закономерности поверхностных явлений и модифицирования полимерминеральных дисперсий для аддитивных технологий: дис. д-р. тех. наук: 1.4.10 / В.А. Полуэктова. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова. 2021. 517 с.], в виде 20%-ного водного раствора с молекулярной массой флороглюцинфурфурольных олигомеров 1000-1200.

В качестве наноразмерных частиц используют частицы диоксида кремния SiO₂ с размером 5-10 нм, синтезированных по методике, описанной в монографии [Артамонова О.В. Синтез наномодифицирующих добавок для технологии строительных композитов: монография / О.В. Артамонова; Воронежский ГАСУ. – Воронеж, 2016. – 100 с.], в виде 0,5 %-ного водного раствора.

Комплексную добавку для полимерцементного мелкозернистого бетона, готовят следующим образом: в 0,5 %-ный водный раствор наноразмерных частиц диоксида кремния SiO₂ плавно вносят 20 %-ный водный раствора флороглюцинфурфурольного модификатора FF и тщательно перемешивают не менее 5 минут.

Флороглюцинфурфурольный модификатор FF обладает высокой пластифицирующей и водоредуцирующей способностью в мелкозернистых полимерцементных смесях, что позволяет снизить водоцементное отношение до значений В/Ц=0,3-0,33 и получить пластичность и пластическую прочность раствора требуемую для аддитивных технологий.

Вступая в химические реакции SiO₂, способствует формированию кристаллических сростков низкоосновных гидросиликатов кальция вместо первичных кристаллогидратов типа портландита и высокоосновных гидросиликатов кальция, что способствует увеличению плотности и прочности за счет заполнения структуры кристаллическими сростками.

Применение комплексной добавки для бетонов строительной 3D-печати в рецептуре полимерцементного мелкозернистого бетона обеспечивает получение суммарного эффекта, который проявляется в повышенном уплотнении и упрочнении конденсационно-кристаллизационной структуры цементного камня, результатом чего является повышение трещиностойкости и сокращение сроков схватывания.

Пример конкретного выполнения.

Предлагаемую комплексную добавку для бетонов строительной 3D-печати вводят в рецептуру полимерцементного мелкозернистого бетона следующим образом.

В воду затворения для цементо-песчаной смеси добавляется комплексная добавка из расчета 0,25 по сухому веществу в мас.% на 100 мас.% вяжущего, содержащая в соотношениях мас.%: модификатор FF – 69-71; наноразмерные частицы SiO₂ – 29-31.

Испытания образцов проводят в соответствии с ГОСТ 5802-86 "Растворы строительные. Методы испытаний".

Различные составы комплексной добавки для бетонов строительной 3D-печати, показавшие лучшие результаты исследований по трещиностойкости и срокам схватывания представлены в таблице 1. Для оценки трещиностойкости определяли величину усадки раствора и его прочность при растяжении.

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что комплексная добавка для бетонов строительной 3D-печати снижает усадку на 52%, повышает прочность при растяжении на 13-16%, сокращает сроки схватывания в 2 раза (начало – на 46%, а конец – на 52%).

Таблица 1

Составы комплексной добавки для строительной 3D-печати

№ п/п Состав добавки, мас.% Усадка, мм/м Прочность при растяжении, МПа Сроки схватывания, мин начало конец 1 Модификатор FF
Наноразмерные частицы SiO₂ 69
31 1,12 1,99 135 210 2 Модификатор FF
Наноразмерные частицы SiO₂ 70
30 1,11 1,97 136 209 3 Модификатор FF
Наноразмерные частицы SiO₂ 71
29 1,10 1,95 136 208 Прототип 4 Модификатор FF 100 2,13 1,72 250 430

Заявляемая совокупность существенных признаков проявляет новое свойство, которое обеспечивает повышение гидратационной активности вяжущего как основного компонента полимерцементного мелкозернистого бетона и формирование более плотной мелкокристаллической конденсационно-кристаллизационной структуры за счет появления новых наноразмерных центров кристаллизации, агрегации которых препятствует модификатор FF, при введении в рецептуру бетона разработанного состава комплексной добавки для бетонов строительной 3D-печати.

Достигаемый при осуществлении изобретения технический результат состоит в том, что компоненты, входящие в состав комплексной добавки для бетонов строительной 3D-печати, в указанных количествах в совокупности обеспечивают высокую трещиностойкость, низкие значения усадочных деформаций, высокие значения прочности при растяжении и сокращение сроков схватывания полимерцементного мелкозернистого бетона, используемого в строительной 3D-печати.

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано в качестве суперпластифицирующей и суперводоредуцирующей добавки к бинарным системам, включающим минеральное вяжущее и полимерное связующее. Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств за счет получения комплексной добавки для бетонов строительной 3D-печати с требуемыми свойствами: высокая трещиностойкость, сокращенные сроки схватывания, низкие значения усадочных деформаций, высокие значения прочности при растяжении. Комплексная добавка для бетонов строительной 3D-печати включает компоненты при следующем соотношении, мас.%: флороглюцинфурфурольный модификатор FF – 69-71; наноразмерные частицы SiO₂ – 29-31. 1 табл.

Комплексная добавка для бетонов строительной 3D-печати, включающая флороглюцинфурфурольный модификатор FF, отличающаяся тем, что содержит наноразмерные частицы диоксида кремния SiO₂ при следующем массовом соотношении компонентов, мас.%:

флороглюцинфурфурольный модификатор FF 69-71 наноразмерные частицы SiO₂ 29-31