ПОРОШКООБРАЗНАЯ ПОЛИМЕРМОДИФИЦИРОВАННАЯ ДОБАВКА ДЛЯ БЕТОНА И ПРОЦЕСС ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕТОНА Российский патент 2024 года по МПК C04B28/04 C04B24/26 C04B40/00 

Область техники

Изобретение относится к порошкообразной модифицированной полимером добавке для бетона, которая особенно подходит для слоев дорожного строительства, и к способу получения этого бетона.

Уровень техники

Слои, консолидированные или стабилизированные гидравлическими вяжущими веществами - цементом или вяжущим для основания, имеют большое значение при строительстве дорожных магистралей. Эти слои используются как для изготовления основания, так и для изготовления надстройки дорожных сооружений в дорожных сетях высокого класса, а также при строительстве проезжей части. Структурная прочность и усталостная прочность слоев, стабилизированных гидравлическими вяжущими, особенно важны для срока службы надстройки дорожных покрытий.

Добавки для стабилизации грунтов известны. В частности, известно использование полимерных дисперсий для улучшения цементных вяжущих свойств. Однако добавление известных полимерных дисперсий имеет недостатки, поскольку они должны быть высокодозированными для значительного снижения пористости и водопоглощения, а также для увеличения прочности при растяжении на гладком основании. На сегодняшний день дисперсные системы с содержанием активных ингредиентов менее 10% по массе в основном используются в качестве добавок для армирования грунтовых оснований на основе гидравлически связанных оснований (ГСО). Эти дисперсные системы часто являются вязкими, поэтому время выгрузки или ожидания контейнеров с этими дисперсными системами на строительной площадке может быть длительным. Кроме того, из-за транспортировки большого количества воды, помимо всего прочего, оценки жизненного цикла этих продуктов нуждаются в значительном улучшении. Наконец, водостойкость этих дисперсионных систем ограничена из-за содержания в них хлоридсодержащих солевых добавок и гидрофильных полимеров.

Кроме того, хорошо известны модифицированные полимерами продукты строительной химии. Например, цементы, в которые добавляются так называемые дисперсионные или редисперсионные порошки, используются в плиточных клеях. Дисперсионные или редисперсионные порошки представляют собой тонко разделенные полимерные частицы, которые образуют устойчивые дисперсии при добавлении воды. Эти дисперсионные порошки обычно получают путем распылительной сушки полимерных дисперсий и в порошкообразных плиточных клеях и выравнивающих составах обеспечивают лучшую обрабатываемость, адгезию и гибкость на критических основаниях. Чувствительные к давлению дисперсии с температурой стеклования < -10°С, как правило, не могут быть высушены распылением, так как частицы слипаются.

Большинство редисперсионных порошков, имеющихся на рынке, основаны на сополимерах этиленвинилацетата, стабилизированных поливиниловыми спиртами и имеющих температуру стеклования > 0°С. При последующем смешивании редиспергированного порошка с водой эти смеси, как правило, расслаиваются уже через несколько часов. По этой причине редисперсионные порошки обычно используются только для порошкообразных составов на основе цемента и гипса.

В публикации WO 2010/105979 А1 описан модифицированный полимерами цемент. В частности, описан процесс производства особенно сухого, модифицированного полимерами гидравлически, скрыто-гидравлически или пуццоланово-твердеющего строительного химического продукта путем смешивания по меньшей мере одного винилового полимера с по меньшей мере одним гидравлически, скрыто-гидравлически или пуццоланово-твердеющим веществом, или его минеральным прекурсором. В этом процессе общее количество винилового полимера составляет от 0,6 до 10 масс. % от общего веса гидравлически, латентно-гидравлически или пуццоланически схватывающегося строительного химического продукта, а виниловый полимер выбирается из полимеров на основе винилацетата, акриловой кислоты и их производных, стирола, этилена, винил версатата, винил лаурата, винил хлорида или их смесей, за исключением гомополимера стирола и полимеров, содержащих имидированные акрилатные единицы.

В публикации US 7968642 В2 описан редиспергируемый полимер, включающий в качестве вспомогательного средства для редиспергирования вместо поливинилового спирта защитную коллоидную систему, содержащую от 30% до 100% по весу низкомолекулярного полиакриламидного коллоида, имеющего вязкость в диапазоне от 200 до 800 сантипуаз в 20% растворе в воде. Редиспергируемый полимер может включать полимер, образованный эмульсионной полимеризацией полимера на основе винил (мет)акрила. Полимер также может быть в форме порошка или жидкости.

На этом фоне задачей настоящего изобретения является обеспечение порошкообразной добавки для бетона, которая уже в виде порошка может быть добавлена в цемент, используемый для бетона, и которая дополнительно обеспечивает высокую низкотемпературную гибкость и водостойкость. В этом контексте порошкообразная добавка предпочтительно должна иметь улучшенное поведение оседания, т.е. более длительное время оседания (>12 часов), при смешивании с водой перед использованием этой смеси для смешивания цемента/бетона. Кроме того, предпочтительно, чтобы эта добавка также подходила для производства слоев, укрепленных или стабилизированных гидравлическими вяжущими веществами для использования в дорожном строительстве, где она предпочтительно имеет эффект повышения усталостной прочности слоев, скрепленных гидравлическими вяжущими веществами. Задачей изобретения также является обеспечение способа производства такого бетона.

Согласно настоящему изобретению, решение этой задачи достигается с помощью порошкообразной полимерно-модифицированной добавки для бетона, а также способа производства этого бетона, обладающего признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления добавки согласно изобретению изложены в соответствующих зависимых пунктах формулы. Предпочтительные варианты осуществления добавки согласно изобретению соответствуют предпочтительным вариантам осуществления способа согласно изобретению и наоборот, даже если это не указано в данном документе в явном виде.

Таким образом, объектом изобретения является порошкообразная полимерно-модифицированная добавка для бетона, включающая в качестве компонентов

(a) от 55 до 99,5% по весу, предпочтительно от 60 до 90% по весу, более предпочтительно от 65 до 75% по весу, полиакрилата с оболочкой ядра, имеющего температуру стеклования Tgk ядра ≤ -10°С, предпочтительно Tgk ≤ 20°С, и более предпочтительно Tgk ≤ -30°С, и температуру стеклования Tgs оболочки >0°С;

(b) от 0,5 до 5% по весу, предпочтительно от 1 до 3% по весу, более предпочтительно от 1,5 до 2,5% по весу фумированного или коллоидного кремнезема;

(c) от 0 до 8% по весу, предпочтительно от 3 до 7% по весу, более предпочтительно от 4 до 6% по весу модифицированного поликарбоксилатного эфира; и

(d) от 0 до 35% по весу, предпочтительно от 5 до 25% по весу, более предпочтительно от 18 до 22% по весу, мела, имеющего значение d50 ≤ 8 мкм, предпочтительно значение d50 ≤ 5 мкм и наиболее предпочтительно значение d50 ≤ 4 мкм; где % по массе в каждом случае относится к сумме компонентов добавки, т.е. здесь от (а) до (d).

В предпочтительном варианте добавки согласно изобретению, бетон представляет собой тощий бетон с содержанием цемента менее 12% по весу, исходя из состава бетона.

Кроме того, согласно изобретению, предпочтительно, чтобы добавка представляла собой добавку для бетона для консолидации почвы.

В соответствии с изобретением состав бетона не ограничен. Но в предпочтительном варианте реализации добавки бетон представляет собой тощий бетон с содержанием цемента менее 12% по весу, исходя из состава бетона. Помимо цемента, тощий бетон обычно содержит все компоненты, которые также являются обычными для бетонов с более высоким содержанием цемента.

Цемент, используемый в соответствии с изобретением, обычно представляет собой портландцемент.

Предпочтительно, добавка согласно изобретению, представляет собой добавку для бетона для консолидации грунта.

Если используется полиакрилат в оболочке ядра (а) с температурой стеклования Tgk ≤ -20°С, предпочтительно используется полиакрилат, в котором ядро содержит по меньшей мере 50% мономеров бутила и/или этилгексилакрилата.

Добавка согласно изобретению может быть высушена распылительной сушкой без образования налета, в частности, потому что Tgs оболочки > 0°С.

Полиакрилат с оболочкой ядра (а) может содержать сомономеры. Примерами подходящих сомономеров являются этилен, пропилен, бутилен, изопрен, акрилонитрил, акриловая кислота, метакриловая кислота, различные алкил акрилаты и/или алкил метакрилаты, виниловые эфиры, винилхлорид и виниловые или метакриловые силаны.

Значения температур стеклования Tgs и Tgk полиакрилата с сердцевиной (а) основаны на измерении методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) в соответствии с DIN EN ISO 11357-1.

Полиакрилат с оболочкой ядра (а), подходящий для использования в соответствии с изобретением, доступен от Acquos под обозначением Dehydro™ 8999.

Помимо полиакрилата с сердцевиной (а) и модифицированного поликарбоксилатного эфира (с), добавка согласно изобретению, может содержать другие водорастворимые или редиспергируемые полимеры. Примерами других полимеров являются полиуретаны, поливиниловый спирт, производные крахмала/целлюлозы, поливинилпирролидон или сополимеры этиленвинилацетата, которые затем также используются в виде порошка. Например, добавка может содержать гидрофильные полимеры, такие как производные целлюлозы или производные крахмала (метилцеллюлоза, метилгидроксипропилцеллюлоза, метилгидроксиэтилцеллюлоза или гидроксипропилкрахмал).

Если они дополнительно присутствуют в добавке согласно изобретению, их содержание обычно ограничивается до 10% по массе, предпочтительно до 5% по массе, исходя из общей массы полимеров и сополимеров в добавке.

Добавка согласно изобретению, содержит в качестве компонента (b) фумированный или коллоидный кремнезем, предпочтительно фумированный кремнезем. Кремнезем (b) предпочтительно имеет удельную площадь поверхности в диапазоне от 50 до 100 м²/г, более предпочтительно в диапазоне от 100 до 300 м²/г. Подходящим кремнеземом является, например, Aerosil® 200 от Evonik.

В качестве необязательного компонента (с) добавка содержит модифицированный поликарбоксилатный эфир. Особенно подходящий модифицированный поликарбоксилатный эфир продается под названием Melflux® 1641 F, который представляет собой свободно текучий, высушенный распылением порошок на основе модифицированного поликарбоксилатного эфира, производства BASF Construction Polymers GmbH.

Значение d50 мела (d), опционально используемого в добавке, определяется как средний размер частиц в соответствии с DIN 13320. Значение d50 указывает на средний размер частиц. D50 означает, что 50% частиц меньше указанного значения. Средний размер частиц обычно определяется методом лазерной дифракции.

В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения добавка согласно изобретению, содержит в качестве компонента (е) гидрофобизирующий агент на основе силикона в количестве от 0,1 до 5% по весу, предпочтительно в количестве от 2 до 4% по весу и еще более предпочтительно в количестве от 2,5 до 3,5% по весу, исходя из суммы компонентов (а)-(е). Гидрофобный силикон, который особенно подходит для использования в изобретении, продается под названием Silres® Powder D компанией WACKER.

Компоненты (а) и (b), а также необязательные компоненты (с) - (е) обычно используются в виде порошков, так что добавка согласно изобретению может быть получена путем смешивания компонентов (а) и (b), которые обычно находятся в виде порошка, или дополнительно (с), (d) и/или (е).

Изобретение также относится к способу производства бетона, в частности тощего бетона, включающему этап смешивания цемента с одной из вышеупомянутых добавок и с заполнителем.

Заполнитель для бетона и его свойства определяются и измеряются в соответствии с EN 12620. Они подробно описаны в стандартном справочнике "Cement Pocket Book 2000, ISBN 3-7640-0399-5".

В предпочтительном варианте осуществления изобретения способ согласно изобретению, представляет собой способ изготовления дорожной или тропиночной конструкции, включающий этап создания гидравлически связанного слоя, на котором почвенный материал смешивается с цементом и добавкой, описанной выше, и полученный из него слой основания уплотняется.

Почвенный материал состоит из существующих компонентов почвы и/или заполнителей, необходимых для гидравлически связанного слоя основания.

Предпочтителен способ получения дорожной или тропиночной конструкции, в котором гидравлически связанный слой содержит цемент в количестве от 0,3 до 10% по весу, предпочтительно в количестве от 2 до 5% по весу, исходя из веса слоя.

Кроме того, согласно изобретению, предпочтительным является способ, в котором гидравлически связанный слой содержит добавку в количестве от 0,05 до 0,5% по весу, исходя из веса слоя.

Согласно изобретению, предпочтителен также способ, в котором на гидравлически связанный слой наносят верхний слой, предпочтительно верхний слой, содержащий битум или бетон. Этот способ подробно описан в стандартном справочнике "StraBenbau und StraBenerhaltung, ISBN 3 503 06094 4".

Дорожное полотно при строительстве дорог и дорожек обычно содержит подразделенную надстройку, которая несет поверхностный слой, а именно дорожное покрытие, и, возможно, так называемый связующий слой. Подразделенная надстройка обычно состоит из слоев основания, которые в свою очередь подразделяются на несвязанные слои основания (морозозащитный слой, слой гравия и балласта, слой улучшения почвы) и связанные слои основания.

При использовании добавки согласно данному изобретению, в способе согласно данной заявке изобретению, например, материал почвы, заполнители, переработанные материалы, цемент и добавка согласно изобретению, могут быть заранее смешаны с оптимизированным содержанием воды в смесительной установке, стационарной или мобильной. Затем эта смесь может быть доставлена на строительную площадку, где она может быть распределена, например, в качестве основания для слоя почвы. Как правило, затем используется грейдер для создания основания, после чего происходит уплотнение гомогенизированного и улучшенного слоя почвы с помощью виброкатков. В ходе дальнейших операций можно нанести поверхностный слой из щебня, асфальта и/или бетона. Например, может быть изготовлен поверхностный слой из щебня и битумной эмульсии, как подробно описано в справочнике "Асфальт в дорожном строительстве", ISBN 978-3-7812-1782-9.

Однако добавка согласно изобретению, имеет большое преимущество в том, что ее можно добавлять уже в готовый цемент, например, на цементном заводе.

Для применения в этом случае обработка добавки согласно изобретению, может осуществляться на месте на строительной площадке. Например, фиксированное количество цемента может быть нанесено на существующую почву, и почва может быть размолота, например, до 50 см с помощью почвенной фрезы. В этом процессе цемент смешивается с оптимальным количеством воды.

Изобретение имеет многочисленные преимущества. Можно достичь преимуществ в стоимости и качестве, а также сократить время строительства и выбросы СО₂. Последнее, в частности, обусловлено сокращением времени работы строительной техники. Можно достичь повышенной прочности на изгиб независимо от количества обычно используемого портландцемента. Толщина слоев бетонного или асфальтового покрытия может быть уменьшена. Снижается чувствительность к воде и, следовательно, к морозу. Срок службы оснований дорожных или тротуарных покрытий, построенных с их использованием, увеличивается, а также увеличиваются сроки технического обслуживания дорог, построенных с использованием переработанных материалов.

Добавка согласно изобретению, не только катализирует реакцию цемента, но и предотвращает выщелачивание загрязняющих веществ, таких как каменноугольная смола. Она увеличивает прочность на изгиб и, следовательно, эластичность слоев, содержащих эту добавку. Структура дороги и толщина слоя могут быть упрощены без ухудшения качества. Стабилизация цементом всех типов существующих грунтов, а также регенерированных заполнителей, битума, органических компонентов и загрязняющих веществ, становится возможной. Таким образом, достигается высокая экономия затрат на утилизацию, транспортировку и материалы. Дополнительное улучшение эластичности и морозостойкости приводит к значительному уменьшению трещин в стабилизированном слое на протяжении всего срока службы. Действительно, извилистые дороги, особенно извилистые горные дороги, подвержены экстремальным сдвигающим усилиям, поэтому обычно происходит быстрое истирание. Кроме того, погодные условия и их изменения могут создавать значительную нагрузку на основание, особенно в результате сильных дождей и ураганов. В конечном итоге может произойти повышенное растрескивание основания, поэтому важны морозостойкость и эластичность основания. Это уменьшает растрескивание, а основание воспринимает дополнительные растягивающие усилия. Это приводит к значительно большей долговечности и лучшему качеству. Кроме того, переработанное дорожное покрытие может быть безопасно включено в основание.

Также предусмотрена добавка, использование которой позволяет достичь высоких показателей прочности на изгиб в базовом слое. Получен абсолютно экологически совместимый продукт, который может очень быстро смешиваться с поступающей водой на строительной площадке, если добавка сначала добавляется в необходимую воду перед смешиванием с цементом. Кроме того, можно отказаться от солевых добавок и других гидрофильных полимерных компонентов. Моделирование нагрузки также показало увеличение срока службы дороги.

При строительстве дорог можно комбинировать особо эластичное гидравлически связанное основание (HGT) и асфальтобетонное покрытие. Добавка согласно изобретению, может увеличить эластичность HGT и, таким образом, значительно уменьшить растрескивание. Это также позволяет уменьшить толщину асфальтобетонного покрытия, например, с 14 см до 8 см. Прочность на сжатие также увеличивается без использования катков для снятия напряжения. Сокращение времени строительства и уменьшение толщины асфальтового покрытия позволяет добиться того, что не происходит ни растрескивания, ни оседания. В некоторых случаях для HGT нет необходимости в транспортировке и использовании первичного сырья (гравия, щебня), поэтому сокращение использования строительного транспорта также позволяет снизить выбросы СО₂. Можно добиться стабилизации дорог, например, лесных дорог в горных районах при высоких нагрузках от замерзания-оттаивания. Стабилизация достигается уже с помощью цемента и добавок, без базового слоя.

Группа изобретений относится к порошкообразной модифицированной полимером добавке для бетона, которая особенно подходит для слоев дорожного строительства, и к способу получения этого бетона. Технический результат заключается в высокой низкотемпературной гибкости и водостойкости, более длительном времени оседания (>12 часов) при смешивании с водой перед использованием этой смеси для смешивания цемента/бетона, повышении усталостной прочности слоев, скрепленных гидравлическими вяжущими веществами. Порошкообразная полимерно-модифицированная добавка для бетона включает: (a) от 55 до 99,4% по весу полиакрилата с оболочкой ядра, имеющего температуру стеклования Tgk ядра ≤ -10°С, и температуру стеклования Tgs оболочки > 0°С; (b) от 0,5 до 5% по весу фумированного или коллоидного кремнезема; (c) от 0 до 8% по весу модифицированного поликарбоксилатного эфира; и (d) от 0 до 35 масс. % мела, имеющего значение d50 ≤ 8 мкм. Использование указанной добавки в качестве добавки для тощего бетона с содержанием цемента менее 12% по весу на основе бетона. Способ получения тощего бетона, включающий этап смешивания цемента с указанной добавкой и заполнителем. 5 н. и 6 з.п. ф-лы.

1. Порошкообразная полимерно-модифицированная добавка для бетона, характеризующаяся тем, что она включает в качестве компонентов

(a) от 55 до 99,4% по весу полиакрилата с оболочкой ядра, имеющего температуру стеклования Tgk ядра ≤ -10°С, и температуру стеклования Tgs оболочки > 0°С;

(b) от 0,5 до 5% по весу фумированного или коллоидного кремнезема, имеющего удельную площадь поверхности в диапазоне от 100 до 300 м²/г;

(c) от 0 до 8% по весу модифицированного поликарбоксилатного эфира; и

(d) от 0 до 35% по весу мела, имеющего значение d50 ≤ 8 мкм,

где % по весу в каждом случае относится к сумме компонентов.

2. Добавка по п.1, отличающаяся тем, что она включает в себя от 65 до 90% по весу полиакрилата с оболочкой (а); от 1 до 3% по весу кремнезема (b), от 3 до 7% по весу поликарбоксилатного эфира (с) и от 5 до 25% по весу мела (d), в каждом случае исходя из суммы компонентов.

3. Добавка по п.2, отличающаяся тем, что она содержит от 69,5 до 75% по весу полиакрилата с оболочкой ядра (а); от 1,5 до 2,5% по весу кремнезема (b), от 4 до 6% по весу поликарбоксилатного эфира (с) и от 18 до 22% по весу мела (d), в каждом случае исходя из суммы компонентов.

4. Добавка согласно любому из пп. 1-3, характеризующаяся тем, что она дополнительно содержит в качестве компонента (е) гидрофобизирующий агент на основе силикона в количестве от 0,1 до 5% по весу, исходя из суммы компонентов (a)-(e).

5. Использование порошкообразной полимерно-модифицированной добавки, содержащей в качестве компонентов

(a) от 55 до 99,4% по весу полиакрилата с оболочкой ядра, имеющего температуру стеклования Tgk ядра ≤ -10°С, и температуру стеклования Tgs оболочки > 0°С;

(b) от 0,5 до 5% по весу фумированного или коллоидного кремнезема, имеющего удельную площадь поверхности в диапазоне от 100 до 300 м²/г;

(c) от 0 до 8% по весу модифицированного поликарбоксилатного эфира; и

(d) от 0 до 35% по весу мела, имеющего значение d50 ≤ 8 мкм,

где % по весу в каждом случае относится к сумме компонентов, в качестве добавки для тощего бетона с содержанием цемента менее 12% по весу, на основе бетона.

6. Использование порошкообразной полимерно-модифицированной добавки, включающей в качестве компонентов

(a) от 55 до 99,4% по весу полиакрилата с ядром-оболочкой, имеющего температуру стеклования Tgk ядра ≤ -10°С, и температуру стеклования Tgs оболочки > 0°С;

(b) от 0,5 до 5% по весу фумированного или коллоидного кремнезема, имеющего удельную площадь поверхности в диапазоне от 100 до 300 м²/г;

(c) от 0 до 8% по весу модифицированного поликарбоксилатного эфира; и

(d) от 0 до 35% по весу мела, имеющего значение d50 ≤ 8 мкм,

где % по весу относится к сумме компонентов, в качестве добавки для тощего бетона с содержанием цемента менее 12% по весу, на основе бетона, в качестве добавки для бетона для стабилизации почвы.

7. Способ получения тощего бетона, включающий этап смешивания цемента с добавкой согласно любому из пп. 1-4 и с заполнителем, при этом цемент добавляется в таком количестве, чтобы содержание цемента составляло менее 12% по весу на основе бетона.

8. Использование тощего бетона, полученного на этапе смешивания цемента с добавкой согласно любому из пп. 1-4 и с заполнителем, при этом цемент добавляется в таком количестве, что содержание цемента составляет менее 12% по весу на основе бетона, для производства дорожной или тропиночной конструкции, включающей этап создания гидравлически связанного слоя, в котором почвенный материал смешивается с цементом и добавкой согласно любому из пп. 1-4, и слой основания, полученный из него, уплотняется.

9. Использование по п. 8, характеризующееся тем, что гидравлически связанный слой содержит цемент в количестве от 0,3 до 10% по весу, предпочтительно от 2 до 5% по весу, исходя из веса слоя.

10. Использование по одному из пп. 8 или 9, характеризующееся тем, что гидравлически связанный слой содержит добавку в количестве от 0,05 до 0,5% по весу, исходя из веса слоя.

11. Использование по одному из пп. 8-10, характеризующееся тем, что на гидравлически связанный слой наносится верхний слой, предпочтительно верхний слой, содержащий битум или бетон.