Способ приготовления органоминерального модификатора бетонных смесей Российский патент 2025 года по МПК C04B14/28 C04B24/24 C04B103/30 

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно органоминеральных модификаторов бетонных смесей для сборного и монолитного строительства.

Известен способ получения модификатора бетона совместным сухим помолом минеральной добавки (бокситового шлама) с удельной поверхностью 6500-7500 см²/г и пластифицирующей органической добавки - сульфированного меламин- или нафталинформальдегидного соединения или модифицированного лигносульфоната или производной полиоксикарбоновой кислоты, до гомогенизации смеси путем диспергирования в аппарате ударного действия при скорости движения частиц порошка 100-400 м/сек до получения размеров его частиц 15-30 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.%: бокситовый шлам - 97-98; указанная органическая добавка - 2-3 [1]. Недостатком указанного способа получения модификатора является высокая удельная поверхность используемого бокситового шлама, что приводит к росту водопотребности бетонной смеси и, соответственно, к ее низкой удобоукладываемости. Другим недостатком является дефицитность и нераспространенность бокситового шлама как сырьевого компонента модификатора, что ограничивает его широкое применение в строительстве.

Также известен способ получения наполнителя-пластификатора для бетонных смесей на основе цементных вяжущих на твердом носителе, который осуществляют методом адсорбции из раствора необходимых составляющих, содержащего тонкомолотый известняк с удельной поверхностью частиц 1000-4000 см²/г в качестве минерального носителя и поликарбоксилатный эфир в качестве пластификатора, а также поверхностно-активные вещества водоредуцирующего действия - лигносульфонат натрия (ЛСТ) и воздухововлекающий компонент - натриевую соль абиетиновой кислоты, при следующем соотношении компонентов, % масс.:

- тонкомолотый известняк - 60-98,8%;

- поликарбоксилатный эфир - 1-15%;

- лигносульфонат - 0,005-15%;

- абиетат натрия - 0,0005-5%;

- вода - остальное [2].

Способ предполагает высушивание известняка с нанесенным на его поверхность водным раствором пластификатора. Недостатком данного способа является сложный и энергозатратный процесс высушивания известняка с нанесенным на его поверхность водным раствором пластификатора, а также высокое водоцементное отношение состава бетонной смеси, и низкая прочность бетона на сжатие.

Наиболее близким к изобретению является способ приготовления комплексного органоминерального модификатора бетона предадсорбционным сухим нанесением химической добавки на поверхность минерального компонента, который заключается в том, что производится совместный помол предварительно измельченных до удельной поверхности 300-700 м²/кг минеральных компонентов - молотого кварцевого песка, или молотого известняка, или шлака металлургического комбината или золошлаковых отходов ТЭЦ с химической добавкой - гиперпластификатором поликарбоксилатного типа Melflux 2651F в шаровой мельнице в течение 15-60 мин, при этом оптимальное содержание модификатора от массы цемента составляет 10% с молотым кварцевым песком или молотым известняком, 15% с молотым гранулированным шлаком, 5% - с золошлаковым отходом ТЭЦ [3]. Недостатком указанного способа приготовления комплексного органоминерального модификатора бетона является ограниченный выбор технологического оборудования (шаровая мельница), высокие энергозатраты при двухстадийном помоле сырьевых компонентов для получения модификатора, невысокие технологические свойства бетонных смесей и недостаточно высокие физико-механические показатели бетонов, в том числе прочность на сжатие.

Кроме того, в описанных аналогах общим недостатком является использование в них пластифицирующих добавок в порошкообразной форме, а не более дешевых и распространенных аналогов в виде концентрированных водных растворов. Также существенным недостатком является невозможность производства органоминеральных модификаторов в мельницах с воздушной сепарацией, в которых при помоле порошкообразные химические добавки не успевают наноситься на поверхность минеральных компонентов, а из-за низкой плотности удаляются разряженным воздухом в пылеосадительную камеру.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат при совместном помоле за счет интенсификации помола, оцениваемой по увеличению коэффициента размолоспособности и снижению времени помола до заданной удельной поверхности, расширение номенклатуры применяемого помольного оборудования, расширение номенклатуры применяемых пластифицирующих добавок за счет обеспечения возможности их использования в виде концентрированных водных растворов, разработка состава органоминерального модификатора бетонных смесей, обеспечивающего существенное улучшение технологических свойств бетонных смесей и физико-механических показателей бетона.

Техническим результатом предлагаемого решения является снижение энергозатрат при совместном помоле за счет интенсификации помола, оцениваемой по увеличению коэффициента размолоспособности и снижению времени помола до заданной удельной поверхности, расширение номенклатуры применяемого помольного оборудования, расширение номенклатуры применяемых пластифицирующих добавок за счет обеспечения возможности их использования в виде концентрированных водных растворов, разработка состава органоминерального модификатора бетонных смесей, обеспечивающего существенное улучшение технологических свойств бетонных смесей и физико-механических показателей бетона.

Поставленная задача достигается тем, что способ приготовления органоминерального модификатора бетонных смесей, включающий смешивание химической добавки и минерального компонента предадсорбционным нанесением химической добавки на поверхность минерального компонента в процессе совместного помола в мельнице, отличается тем, что перед смешением осуществляют сушку минеральных компонентов при температуре 105-110°С до постоянной массы, в качестве мельниц используют шаровые, вибрационно-шаровые, планетарные и роликовые, предадсорбционное нанесение химической добавки на поверхность минерального компонента в процессе совместного помола в мельнице осуществляют с кварцевым песком и антивспенивателем на основе смеси кремнийорганических полимеров и гидрофобных эфиров, в качестве минерального компонента используют известняк, в качестве химической добавки - пластифицирующую добавку в виде порошкообразного продукта или концентрированного водного раствора на основе лигносульфоната натрия технического или полинафталинметилсульфоната натрия или модифицированного эфира поликарбоксилата, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Минеральный компонент известняк 88,95-92,95 Кварцевый песок 5 Пластифицирующая добавка 2-6 Антивспениватель 0,05

Для приготовления органоминерального модификатора бетонных смесей использовали следующие материалы:

- Минеральный компонент известняк марки по дробимости 800-1200 производства ООО «Миньярский карьер»;

- Кварцевый песок с модулем крупности М_к=1,4 Камско-Устьинского месторождения Республики Татарстан;

- Пластифицирующую добавку в виде порошкообразного продукта или концентрированного водного раствора, одну из следующих видов:

• лигносульфонат натрия технического «Полипласт Лигно» (ЛСТ) производства АО «ГК Полипласт»;

• полинафталинметилсульфонат натрия (С-3) производства АО «ГК Полипласт»;

• модифицированный эфир поликарбоксилата «PC-1701», производства ООО «Новый мир»;

- Антивспениватель на основе смеси кремнийорганических полимеров и гидрофобных эфиров «Пенастоп 50», производства группы компаний «ЕТС».

Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом:

Производят сушку минерального компонента - дробленой известняковой породы или отсевов ее дробления фракции 0-5 мм, кварцевого песка фракции 0-1,25 мм при температуре 105-110°С до постоянной массы.

Производят перемешивание пластифицирующей добавки и антивспенивателя с минеральным компонентом в смесителе и дозирование полученной смеси в помольное оборудование.

Осуществляют предадсорбционное нанесение химической добавки на поверхность минерального компонента путем совместного помола сухих минеральных компонентов и химических добавок в порошкообразном виде в мельницах периодического или непрерывного действия до удельной поверхности 250-450 м²/кг с выгрузкой готового органоминерального модификатора бетонных смесей через разгрузочное отверстие (шаровых, вибрационно-шаровых, планетарных), либо путем совместного помола сухих минеральных компонентов с концентрированным водным раствором химических добавок в мельницах с воздушной сепарацией (шаровых, роликовых) до удельной поверхности 250-450 м²/кг.

Интенсификацию помола при введении кварцевого песка оценивали по увеличению коэффициента размолоспособности (К_Р), м²/мин и снижению времени помола до заданной удельной поверхности:

К_Р = (S₂ - S₁)⋅m/ΔΤ

где: S₁ - удельная поверхность в начальное время (до помола) Τ₁, м²/кг;

S₂ - удельная поверхность, м²/кг через определенное время помола Τ₂, м²/кг;

m - масса измельчаемого материала, кг;

ΔΤ=Τ₂-Τ₁, мин.

Энергоемкость производства модификатора оценивали по удельным энергозатратам (Э), выраженным в Вт⋅час/м² на прирост единицы удельной поверхности (м²/кг):

Э=N⋅ΔΤ/(m⋅ΔS),

где: N - мощность электродвигателя мельницы, Вт;

ΔΤ - время помола (час);

m - масса измельчаемого материала, кг;

ΔS - прирост удельной поверхности (м²/кг) за время помола ΔΤ (час), м²/кг.

Эффективность органоминерального модификатора бетонных смесей оценивали на составах тяжелых бетонных смесей, соответствующих требованиям ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия» и затвердевшем бетоне, соответствующим требованиям ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия».

Удобоукладываемость и среднюю плотность бетонных смесей определяли по ГОСТ 10181-2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний».

Прочность на сжатие затвердевшего бетона в возрасте 1, 7 и 28 суток оценивали на образцах-кубиках с ребром 100×100×100 мм по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Марку по морозостойкости определяли вторым и третьим ускоренными методами по ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости». Марку по водонепроницаемости оценивали по методу «мокрого пятна» (ГОСТ 12730.5-2018 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости»).

При приготовлении бетонных смесей использовали:

1. Портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 H (ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия»), производства ООО «Аккерманн Цемент»;

2. Щебень гранитный фракции 5-20 с маркой по дробимости - 1200 (ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия»);

3. Песок строительный обогащенный, соответствующий требованиям ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия» с модулем крупности М_к=2,3;

4. Водопроводную воду, удовлетворяющую требованиям ГОСТ 23732-2011 «Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия»;

5. Органоминеральный модификатор бетонных смесей.

Также были проведены испытания бетонных смесей и бетона с комплексным органоминеральным модификатором, приготовленным по прототипу [3].

Составы органоминерального модификатора бетонных смесей представлены в таблице 1.

Таблица 1 № состава Компоненты органоминерального модификатора бетонных смесей с сухими химическими добавками, мас.% Известняк Кварцевый песок ЛСТ С-3 РС-1701 Пенастоп 50 1 89,95 5 5 - - 0,05 2 92,95 5 2 - - 0,05 3 91,45 5 3,5 - - 0,05 4 89,95 5 - 5 - 0,05 5 92,95 5 - 2 - 0,05 6 91,45 5 - 3,5 - 0,05 7 89,95 5 - - 5 0,05 8 92,95 5 - - 2 0,05 9 91,45 5 - - 3,5 0,05 № состава Компоненты органоминерального модификатора бетонных смесей с концентрированными водными растворами химических добавок, мас.% Известняк Кварцевый песок 50% раствор ЛСТ 30%
раствор С-3 50% раствор
РС-1701 Пенастоп 50 10 90,95 5 4 - - 0,05 11 88,95 5 - 6 - 0,05 12 90,95 5 - - 4 0,05

Сравнение коэффициента размолоспособности, времени помола до заданной удельной поверхности, удельных энергозатрат при помоле органоминерального модификатора бетонных смесей без кварцевого песка и при его добавлении представлены в таблице 2.

Таблица 2 Помол без кварцевого песка до S_уд=400 м²/кг Помол с кварцевым песком до S_уд=400 м²/кг Время помола, мин К_Р Э, Вт⋅час/м² Время помола, мин К_Р Э, Вт⋅час/м² Шаровая мельница 30 117 0,71 26 135 0,62 Вибрационно-шаровая мельница 8 44 1,90 6 58 1,43 Планетарная мельница 5 14 5,95 4 17,5 4,76 Роликовая мельница 16 21875 0,15 13 26923 0,12

Из таблицы 2 следует, что введение кварцевого песка в состав органоминерального модификатора бетонных смесей приводит к снижению энергозатрат при совместном помоле на 12,7 - 24,7 %, увеличению коэффициента размолоспособности в 1,15 - 1,32 раза за счет интенсификации помола, снижению времени помола до заданной удельной поверхности на 13,3 - 25 % и расширению номенклатуры применяемого помольного оборудования.

Составы и свойства тяжелых бетонных смесей с органоминеральным модификатором бетонных смесей, частично замещающим песок в составе бетонной смеси, представлены в таблице 3. Физико-механические показатели бетонов, полученных из бетонных смесей с органоминеральным модификатором бетонных смесей, приведены в таблице 4.

Таблица 3 № состава Состав бетонной смеси, кг Количество органо-минерального модификатора от массы ЦЕМ I 42,5 Н, % Состав органоминерального модификатора бетонных смесей, масс. % Свойства бетонных смесей ЦЕМ I 42,5 Н Щебень фр. 5-20 Песок, М_к=2,3 Водо-цементное отношение (В/Ц) Известняк Песок М_к=1,4 ЛСТ С-3 РС-1701 Пенастоп 50 Melflux 2651F Марка по подвиж-ности, П (см) Плот-ность, кг/м³ 1 350 1050 765 0,37 10 89,95 5 5 - - 0,05 - П4 (16-18) 2418 2 350 1050 695 0,40 30 92,95 5 2 - - 0,05 - П4 (16-18) 2402 3 350 1050 730 0,38 20 91,45 5 3,5 - - 0,05 - П4 (16-18) 2424 4 350 1050 765 0,38 10 89,95 5 - 5 - 0,05 - П4 (16-18) 2430 5 350 1050 695 0,40 30 92,95 5 - 2 - 0,05 - П4 (16-18) 2418 6 350 1050 730 0,38 20 91,45 5 - 3,5 - 0,05 - П4 (16-18) 2436 7 350 1050 765 0,29 10 89,95 5 - - 5 0,05 - П4 (16-18) 2448 8 350 1050 695 0,31 30 92,95 5 - - 2 0,05 - П4 (16-18) 2438 9 350 1050 730 0,29 20 91,45 5 - - 3,5 0,05 - П4 (16-18) 2456 10 350 1050 765 0,39 30 90,95 5 4 - - 0,05 - П4 (16-18) 2398 11 350 1050 695 0,39 30 88,95 5 - 6 - 0,05 - П4 (16-18) 2414 12 350 1050 730 0,30 30 90,95 5 - - 4 0,05 - П4 (16-18) 2438 13 (Прототип) 350 1050 765 0,42 10 98 - - - - - 2 П4 (16-18) 2384

Таблица 4 Состав Плотность бетона, кг/м³ Прочность на сжатие при твердении в нормальных условиях, МПа, в возрасте, сут Марка по морозостойкости, F₁/F₂ Марка по водонепроницаемости, W 1 7 28 1 2396 24,5 36,2 43,0 F₁600 / F₂200 W12 2 2390 22,4 34,6 39,9 F₁600 / F₂200 W12 3 2404 25,3 37,1 44,6 F₁600 / F₂200 W12 4 2404 26,7 38,9 45,2 F₁600 / F₂200 W12 5 2396 25,0 37,7 43,1 F₁600 / F₂200 W12 6 2418 27,5 40,4 47,3 F₁600 / F₂200 W12 7 2434 27,8 45,4 72,0 F₁1000 / F₂400 W18 8 2422 26,3 43,6 66,3 F₁1000 / F₂400 W18 9 2444 28,0 46,4 74,5 F₁1000 / F₂400 W18 10 2384 22,7 34,4 40,2 F₁600 / F₂200 W12 11 2390 23,8 37,3 43,1 F₁600 / F₂200 W12 12 2428 23,0 44,4 68,5 F₁1000 / F₂400 W16 13 (прототип) 2378 20,2 28,7 36,4 F₁400 / F₂150 W10

Из данных, приведенных в таблице 3 следует, что водопотребность бетонных смесей (составы 1-12) по сравнению с прототипом снижается на 4,8-31%, что, как видно из таблицы 4, приводит к увеличению прочности на сжатие бетона в возрасте 28 суток на 8,8-51,1%. Морозостойкость бетона (составы 1-12) повышается на 1-4 марки, марка по водонепроницаемости возрастает на 1-4 ступени по сравнению с прототипом. Наиболее высокий прирост физико-механических свойств имеет состав №9, содержащий органоминеральный модификатор бетонных смесей в количестве 20% от массы портландцемента.

Способ приготовления органоминерального модификатора бетонных смесей согласно предлагаемому изобретению приводит к снижению энергозатрат при совместном помоле за счет интенсификации помола, оцениваемой по увеличению коэффициента размолоспособности и снижению времени помола до заданной удельной поверхности, расширению номенклатуры применяемого помольного оборудования, расширению номенклатуры применяемых пластифицирующих добавок за счет обеспечения возможности их использования в виде концентрированных водных растворов, получению состава органоминерального модификатора бетонных смесей, обеспечивающего существенное улучшение технологических свойств бетонных смесей и физико-механических показателей бетона.

Предварительная сушка известняка и песка позволяет снизить налипание компонентов органоминерального модификатора бетонных смесей в процессе помола на стенки камеры и мелющие тела. Интенсификация помола заключается в ускорении размолоспособности и снижении налипания на стенки помольной камеры и мелющие тела частиц известняка за счет высокой абразивности и твёрдости зёрен кварцевого песка.

Способ предадсорбционного нанесения химической добавки на поверхность минерального компонента заключается в создании путем помола на поверхности частиц известняка равномерно распределенного слоя химических добавок, главным образом, пластифицирующей. Вследствие этого при приготовлении бетонной смеси с органоминеральным модификатором бетонных смесей блокируется интенсивная адсорбция молекул воды в поверхность частиц известняка. Закономерно увеличивается объём несвязанных молекул воды в межзерновом пространстве бетонной смеси. Это обеспечивает возможность приготовления равноподвижных бетонных смесей с меньшей водопотребностью, что в итоге способствует улучшению физико-механических показателей бетона. При этом антивспениватель дополнительно препятствует образованию крупных воздушных пор и повышает плотность бетона.

Применение концентрированных водных растворов пластифицирующих добавок позволяет расширить номенклатуру как химических добавок, так и помольного оборудования, применяемых для производства органоминеральных модификаторов бетонных смесей.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет получить органоминеральный модификатор бетонных смесей с пониженными энергозатратами при его производстве, на различном помольном оборудовании, с возможностью применения пластифицирующих добавок в виде концентрированных водных растворов, обеспечивающий существенное улучшение технологических свойств бетонных смесей и физико-механических показателей бетона.

Источники информации:

1. Патент, RU 2421421, МПК С04В 22/00, 24/24, 103/32, Модификатор бетона и способ его получения, Ярмаковский В.Н., Торпищев Ш.К., Торпищев Ф.Ш., патентообладатели Ярмаковский В.Н., Торпищев Ш.К., Торпищев Ф.Ш., заяв. 27.10.2009, опубл. 20.06.2011 бюл. № 17.

2. Патент RU 2510369, МПК С04В 14/28, Наполнитель-пластификатор для смесей на основе цементных вяжущих, Рояк Г.С., Сусоров И.А., Хаит Е.Л., Миленин Д.А., Добкин В.С., патентообладатель Миленин Д.А., заяв. 28.03.2012, опубл. 10.10.2013, бюл. № 18.

3. Патент RU 2454381, МПК С04В28/00, Способ приготовления комплексного органоминерального модификатора бетона, Леденев А.А., Усачев С.М., Перцев В.Т., патентообладатель государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет ГОУВПО ВГАСУ, заяв. 30.11.2009, опубл. 27.06.20123, бюл. № 18.

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно органоминеральных модификаторов бетонных смесей для сборного и монолитного строительства. Способ приготовления органоминерального модификатора бетонных смесей включает смешивание химической добавки и минерального компонента предадсорбционным нанесением химической добавки на поверхность минерального компонента в процессе совместного помола в мельнице. Перед смешением осуществляют сушку минеральных компонентов при температуре 105-110°С до постоянной массы. В качестве мельниц используют шаровые, вибрационно-шаровые, планетарные и роликовые. Предадсорбционное нанесение химической добавки на поверхность минерального компонента в процессе совместного помола в мельнице осуществляют с кварцевым песком и антивспенивателем на основе смеси кремнийорганических полимеров и гидрофобных эфиров. В качестве минерального компонента используют известняк, в качестве химической добавки - пластифицирующую добавку в виде порошкообразного продукта или концентрированного водного раствора на основе лигносульфоната натрия технического или полинафталинметилсульфоната натрия или модифицированного эфира поликарбоксилата. Соотношение компонентов смеси следующее, мас. %: минеральный компонент известняк 88,95-92,95; кварцевый песок 5; пластифицирующая добавка 2-6; антивспениватель 0,05. Технический результат – снижение энергозатрат при совместном помоле за счет интенсификации помола, оцениваемой по увеличению коэффициента размолоспособности и снижению времени помола до заданной удельной поверхности, расширение номенклатуры применяемого помольного оборудования, расширение номенклатуры применяемых пластифицирующих добавок за счет обеспечения возможности их использования в виде концентрированных водных растворов, разработка состава органоминерального модификатора бетонных смесей, обеспечивающего существенное улучшение технологических свойств бетонных смесей и физико-механических показателей бетона. 4 табл., 12 пр.

Способ приготовления органоминерального модификатора бетонных смесей, включающий смешивание химической добавки и минерального компонента предадсорбционным нанесением химической добавки на поверхность минерального компонента в процессе совместного помола в мельнице, отличающийся тем, что перед смешением осуществляют сушку минеральных компонентов при температуре 105-110°С до постоянной массы, в качестве мельниц используют шаровые, вибрационно-шаровые, планетарные и роликовые, предадсорбционное нанесение химической добавки на поверхность минерального компонента в процессе совместного помола в мельнице осуществляют с кварцевым песком и антивспенивателем на основе смеси кремнийорганических полимеров и гидрофобных эфиров, в качестве минерального компонента используют известняк, в качестве химической добавки – пластифицирующую добавку в виде порошкообразного продукта или концентрированного водного раствора на основе лигносульфоната натрия технического или полинафталинметилсульфоната натрия или модифицированного эфира поликарбоксилата, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Минеральный компонент известняк 88,95-92,95 Кварцевый песок 5 Пластифицирующая добавка 2-6 Антивспениватель 0,05