Способ получения мелкозернистой наномодифицированной бетонной смеси Российский патент 2024 года по МПК C04B28/02 

Заявляемое изобретение относится к области строительных материалов, в частности к составам и способам приготовления бетонных смесей, бетонов и строительных растворов с использованием комплексных модифицирующих добавок.

Известно изобретение для получения бетона с повышенными прочностными свойствами и водостойкостью. Бетонная смесь включает цемент, наполнитель, воду, базальтовое волокно, модифицированное полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа (патент РФ 2355656, МПК С04В 28/02, опубл. 10.05.2007).

Недостатком данного способа является невысокая прочность получаемого бетона. Помимо этого, требуются дополнительные мероприятия для измельчения базальтового фиброволокна. Также следует отметить, что углеродный наноматериал сконцентрирован только на поверхности фиброволокна.

Известно изобретение для получения наномодифицированных бетонов как в гражданском, так и промышленном строительстве. Наномодифицированный бетон включает портландцемент, песок, воду, суперпластификатор и нанодобавку в виде золя нанокремнезема (патент РФ 2559269, МПК С04В 28/04, опубл. 11.12.2013). Повышение прочности достигается за счет понижения водопоглощения бетона.

Недостатком данного способа является невысокая прочность получаемого бетона. Введение нанодобавки происходит механическим методом, с помощью бетоносмесителя, что не обеспечивает наилучшего распределения наноразмерных компонентов.

Известен способ приготовления бетонной смеси производственного состава на основе портландцемента, песка и щебня, смешанных в массовых соотношениях 1:2,53:1,31, соответственно, и комплексной добавки, приготовленной посредством ультразвуковой диспергации 99,5-99,7 масс. % углеродного наноструктурированного материала «Таунит» (коаксиальные многослойные углеродные нанотрубки с наружным диаметром 8-15 нм и длинной более 2 мкм, число слоев одной трубки 6-10) в 0,3-0,5 масс. % гиперпластификатора «Гиперлит» (сополимер на основе полиоксиэтиленовых производных ненасыщенных карбоновых кислот) в течение 3-7 минут, при частоте 20,35-23,65 кГц, мощности 100 Вт, длине волны 0,127⋅10⁵-0,147⋅10⁵ м, вводимой в бетонную смесь в виде водного раствора рабочей концентрации с водой затворения в количестве 1-1,5% от массы цемента в пересчете на сухое вещество, с последующим добавлением в бетонную смесь воды до достижения равной подвижности (класса П2) по ГОСТ 7473-94 (патент РФ 2545226, МПК С04В 24/00, опуб. 16.10.2013). Водоцементное отношение состава с комплексной добавкой - 0.32.

Недостатком является невысокая прочность бетона в ранние сроки твердения.

Наиболее близким является способ получения наномодифицированной мелкозернистой бетонной смеси, содержащей углеродный наноструктурированный материал (УНМ), наполнитель и пластификатор, в которой УНМ вводится в виде нанотрубок «Таунит», в качестве пластификатора используется поливинилпирролидон, в качестве наполнителя - полиэтиленгликоль ПЭГ-1500 и дополнительно - гидрокарбонат натрия и лимонную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас. %: УНМ «Таунит» 0,1-8, поливинил-пирролидон 0,1-8, гидрокарбонат натрия 5,5-11,5, лимонная кислота 5,5-11,5, полиэтиленгликоль ПЭГ-1500 - остальное. Использование данной комплексной добавки позволяет повысить прочность строительных материалов (патент РФ 2482082, МПК С04В28/00, опуб. 15.08.2011).

Недостатком данного изобретения является невысокая подвижность бетонной смеси, невысокая прочность бетона при большом количестве вводимого вяжущего (цемент:песок - 1:1,5).

Задачей изобретения является разработка способа получения мелкозернистой наномодифицированной бетонной смеси, обеспечивающего равномерное распределение наноразмерных модифицирующих компонентов.

Технический результат - повышение прочности бетонной смеси, включая ранние сроки твердения при снижении затрат цемента.

Технический результат достигается тем, что в способе получения мелкозернистой наномодифицированной бетонной смеси, содержащей цемент, песок, пластификатор и наномодифицирующую добавку - «Таунит-М», при этом в качестве пластификатора используют «Полипласт СП-3» в количестве 0,6-1 масс. % от массы цемента, предварительно диспергированный в воде затворения до полного растворения, наномодификатор в количестве 0,0003-0,0007 масс. % от массы цемента предварительно смешивают с цементом и песком, взятых в массовом соотношении цемент : песок = 1:3, полученную смесь подвергают измельчению и перемешиванию в линейно-индукционном вращателе посредством ферромагнитных мелющих тел в течение 2 минут, а затем смешивают с раствором пластификатора в бетоносмесителе до получения однородной бетонной смеси, при массовом соотношении вода : цемент = (0,38-0,34).

Сущность изобретения заключается в повышении прочности бетона за счет предварительной подготовки компонентов, которая включает в себя введение в сухую цементно-песчаную смесь нанодобавки «Таунит-М» с помощью линейно-индукционного вращателя путем магнитной активации ферромагнитных металлических стержней, а также диспергацию пластифицирующей добавки в воде.

Введение в состав бетонной смеси нанодобавки в виде углеродного наноструктурного материала - углеродных нанотрубок, увеличивает способность бетона сопротивляться раскрытию трещин на наноуровне, а следовательно - на микро- и макроуровне. Увеличение прочности достигается за счет того, что на поверхности высокопрочных углеродных полых нанотрубок, как снаружи, так и внутри образуются дополнительные центры кристаллизации.

Для распределения малого количества наномодификатора по всему объему смеси, добавка вводится в камеру линейно-индукционного вращателя (ЛИВ) совместно с цементом (цементным вяжущим), песчаным наполнителем и ферромагнитными мелющими телами, которые благодаря магнитному полю приводятся в движение, таким образом, происходит активация смеси, ее измельчение и равномерное перемешивание компонентов.

Обработка ферромагнитными мелющими телами производится под действием переменного электромагнитного поля индукцией 0,1 Тл и частотой - 50 Гц в течение 2 минут.

В качестве мелющих тел применяются ферромагнитные металлические стержни. Данная технология позволяет производить домол цементного вяжущего, а также равномерно распределить наноразмерную добавку в смеси.

Для эффективности равномерного перемешивания компонентов смеси, в том числе нанодобавки, используется пластификатор «Полипласт СП-3». Введение пластификатора способствует понижению водоцементного отношения. Пластификатор предварительно вводится в воду затворения с помощью ультразвукового диспергатора «УЗГ13-0,1-22», который, благодаря высокой частоте колебания в 22 кГц позволяет наиболее эффективно ввести водорастворимую добавку в воду затворения и обеспечивает равномерное распределение компонентов.

Ультразвуковая обработка выполняется при частоте 22 кГц до полного растворения пластифицирующей добавки.

После введения углеродного нанометериала в сухую цементно-песчаную смесь с помощью линейно-индукционного вращателя, и введения пластификатора в воду затворения с помощью диспергации производится смешивание всех компонентов в бетоносмесителе до получения однородной бетонной смеси и дальнейшей формовки.

При этом достигаентся эффект повышения прочности бетона связанный с уплотнением матрицы бетонного камня.

Углеродные нанотрубки «Таунит-М» разработаны компанией ООО «НаноТехЦентр». Они представляют собой - квазиодномерные наномасштабные, нитевидные образования поликристаллического графита преимущественно цилиндрической формы с внутренним каналом.

Адсорбция частиц наномодифицирующей добавки «Таунит-М» на поверхности зерен цемента повышает смачиваемость раствора и снижает его водопотребность, что приводит к ускоренному увеличению прочности затвердевшего бетона.

Пластификатор «Полипласт СП-3» увеличивает подвижность, что позволяет снизить количество воды затворения на 10-20%, уменьшить водоцементное отношение смеси и тем самым увеличить прочность, начиная с ранних сроков твердения.

Для определения механических свойств мелкозернистого нанобетона приготавливались по стандартной методике образцы-балочки 40×40×160 мм. Твердение осуществлялось в естественных условиях, а испытания на прочность при сжатии начинались с 3-х суток твердения. Для проведения экспериментальной оценки заявленного мелкозернистого бетона изготавливались несколько составов смесей, отличающихся различным содержанием компонентов комплексной добавки в процентном отношении по массе. Составы бетонной смеси представлены в таблице 1.

Таблица 1

Компоненты Примеры составов бетонных смесей Контрольный пример По изобретению Пример по прототипу Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пластификатор «Полипласт СП-3», масс. % от массы цемента 0,8 0,6 0,8 1 - Наномодификатор «Таунит-М», масс. % от массы цемента - 0,0003 0,0005 0,0007 - Цемент : Песок, массовое соотношение 1:3 1:3 1:3 1:3 2:3 Вода/Цемент, массовое соотношение 0,36 0,38 0,36 0,34 0,51 Комплексная наномодифицирующая добавка масс. % от массы цемента - - - - 0,0006

Влияние способа получения мелкозернистой наномодифицированной бетонной смеси на ее прочностные свойства в естественных условиях твердения представлено в таблице 2.

Таблица 2

Наименование Предел прочности при сжатии, МПа 3 сут. 7 сут. 28 сут. Контрольный пример 23,5 36,7 44,6 Пример 1 26,7 47,9 50,9 Пример 2 28,3 49,8 52,2 Пример 3 28 48,9 52,0 Пример по прототипу 13 29 40

Анализ представленных в таблице 2 данных показывает, что предлагаемый способ получения мелкозернистой наномодифицированной бетонной смеси обеспечивает равномерное распределение наноразмерных модифицирующих компонентов, введение заявленной комплексной добавки и применение совместно технологий ультразвуковой диспергации и линейно-индукционного вращателя при указанных соотношениях входящих компонентов приводит к увеличению прочности на сжатие в ранние сроки твердения - в возрасте 3 суток, в возрасте 7 и 28 суток, при значительно меньшем содержании цемента в составе бетонной смеси.

Увеличение прочности мелкозернистого бетона по сравнению с прототипом достигается путем применения дополнительной механической обработки цементного вяжущего в линейно-индукционном вращателе при введении углеродных нанотрубок в количестве 0,0005% по массе вяжущего. Дополнительная эффективность равномерного распределения всех компонентов смеси достигается за счет введения пластификатора «СП-3» в количестве 0,5-1% по массе вяжущего. Введение пластификатора позволило уменьшить количество воды затворения при неизменной подвижности на 16%, что дополнительно влияет на увеличение прочности конечного материала.

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к составам и способам приготовления бетонных смесей, бетонов и строительных растворов с использованием комплексных модифицирующих добавок. Технический результат - повышение прочности бетонной смеси, включая ранние сроки твердения при снижении затрат цемента. Способ получения мелкозернистой наномодифицированной бетонной смеси путем смешения цемента, песка, пластификатора и наномодифицирующей добавки - «Таунит-М», заключается в том, что в качестве пластификатора используют «Полипласт СП-3» в количестве 0,6-1 масс.% от массы цемента, который предварительно диспергируют в воде затворения с помощью ультразвукового диспергатора УЗГ-0,1-22 с частотой 22 кГц до полного растворения, а указанную наномодифицирующую добавку «Таунит-М» в количестве 0,0003-0,0007 масс.% от массы цемента предварительно смешивают с цементом и песком, взятыми в массовом соотношении цемент:песок - 1:3, полученную смесь подвергают измельчению посредством ферромагнитных мелющих тел под действием электромагнитного поля индукцией 0,1 Тл и частотой 50 Гц в течение 2 мин, а затем смешивают с раствором пластификатора в бетоносмесителе до получения однородной бетонной смеси, при массовом соотношении вода:цемент - 0,38:0,34. 2 табл.

Способ получения мелкозернистой наномодифицированной бетонной смеси путем смешения цемента, песка, пластификатора и наномодифицирующей добавки - «Таунит-М», отличающийся тем, что в качестве пластификатора используют «Полипласт СП-3» в количестве 0,6-1 масс.% от массы цемента, который предварительно диспергируют в воде затворения с помощью ультразвукового диспергатора УЗГ-0,1-22 с частотой 22 кГц до полного растворения, а указанную наномодифицирующую добавку «Таунит-М» в количестве 0,0003-0,0007 масс.% от массы цемента предварительно смешивают с цементом и песком, взятыми в массовом соотношении цемент:песок - 1:3, полученную смесь подвергают измельчению посредством ферромагнитных мелющих тел под действием электромагнитного поля индукцией 0,1 Тл и частотой 50 Гц в течение 2 мин, а затем смешивают с раствором пластификатора в бетоносмесителе до получения однородной бетонной смеси, при массовом соотношении вода:цемент - 0,38:0,34.