Сырьевая смесь для строительных материалов

Изобретение относится к составу сырьевой смеси для строительных материалов и может найти применение при изготовлении сборных и монолитных изделий и конструкций зданий и сооружений различного назначения. Сырьевая смесь для строительных материалов включает цемент, наполнитель, заполнитель и воду затворения, содержащую суперпластификатор и композиционный углеродный наноматериал, представляющий собой агломераты (от трех до трехсот) углеродных квазиодномерных наномасштабных нитевидных образований поликристаллического графита цилиндрической формы с внутренним каналом диаметром в основном двух размеров 49,3±0,45 нм и 72,0±0,45 нм; с локализованными на поверхности нитей фуллероидными наночастицами двух типов: а) полиэдральные углеродные наночастицы с замкнутым внутренним каналом диаметром 1-5 нм; б) кластеры С60 и активный рыхлый углерод с размерами глобул 1-5 мкм в концентрации 10^-9-10^-6 мас. %. Техническим результатом изобретения является повышение подвижности (технологичности) бетонной смеси, обеспечение высокой однородности и ежецикличной повторяемости показателя подвижности смеси, а также прочности, морозостойкости и водонепроницаемости получаемого материала. 4 табл. 2 ил.

 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано в производстве бетонных смесей для сборных и монолитных изделий и конструкций зданий и сооружений различного назначения.

Известен состав композиции для строительных материалов на основе минерального вяжущего, включающий минеральное вяжущее, затворенное водой, и углеродные кластеры фуллероидного типа при следующем соотношении компонентов, мас. %:

- минеральное вяжущее 33-77;

- углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001-2;

- вода - остальное.

Предусмотрено также в качестве углеродных кластеров использование различных наноструктур и их комбинаций, в том числе полидисперсных углеродных нанотрубок. Кроме того, объект может содержать заполнители, наполнители, армирующие элементы, химические добавки и включать в себя в качестве таковых песок, щебень, гравий, гальку, шлаки, камни и т.п., мелкодисперсные, с диаметром менее 0,1 мм, твердые вещества, стальную арматуру, фибру различных видов, стружку и т.д., вещества, влияющие на скорость схватывания или твердения, меняющие реологические свойства смеси или температуру протекания процесса, пенообразующие, гидрофобизирующие, бактерицидные и т.п.

Использование в составе композиции углеродных кластеров в результате их комплексного физико-химического воздействия на все стадии образования и твердения камня из вяжущего действительно приводит к повышению прочностных показателей конечного продукта (см. патент RU 2233254, МПК С04В 28/02, опубл. 27.07.2004).

Однако практика опытного применения на производстве композиции выявила недостатки, не совместимые с его промышленным использованием, а именно: не удается добиться ежецикличной повторяемости результатов в пределах допустимой вариации.

В предусмотренных рецептурных вариантах сырьевой смеси возникают неустановленные явления, приводящие к ухудшению, относительно ожидаемых, показателей во всем объеме материала или локально.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является патент РФ (RU 2388712, МПК С04В 28/02, В82В 3/00, С04В 111/20, опубл. 10.05.2010) - сырьевая смесь для строительных материалов, включающая цемент, наполнитель, заполнитель и воду затворения, содержащую суперпластификатор и углеродные кластеры фуллероидного типа в концентрации 10^-8-10^-5 мас. %.

Углеродные кластеры фуллероидного типа в концентрации 10^-8-10^-5 мас. % вводились в воду затворения в присутствии каталитического количества суперпластификатора, имеющую рН 8-9, в результате чего происходит равномерное распределение их в объеме и исключается возможность агрегации и седиментации, к которой они склонны в силу своих свойств.

Недостатком этого состава сырьевой смеси для получения строительных материалов является недостаточное увеличение подвижности смеси и прочности при сжатии бетона по сравнению с бездобавочным контрольным составом.

Задача предлагаемого изобретения - устранение выявленных недостатков и, таким образом, обеспечение высокой однородности и ежецикличной повторяемости показателя подвижности смеси, что в свою очередь гарантирует более высокие, по сравнению с аналогом и прототипом, прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона.

Сущность изобретения заключается в том, что сырьевая смесь для строительных материалов включает цемент, наполнитель, заполнитель и воду затворения, содержащую суперпластификатор и композиционный углеродный наноматериал (КУН), представляющий собой агломераты (от трех до трехсот) углеродных квазиодномерных наномасштабных нитевидных образований поликристаллического графита цилиндрической формы с внутренним каналом диаметром в основном двух размеров: 49,3±0,45 нм и 72,0±0,45 нм; с локализованными на поверхности нитей фуллероидными наночастицами двух типов: а) полиэдральные углеродные наночастицы с замкнутым внутренним каналом диаметром 1-5 нм;

б) кластеры С₆₀ и активный рыхлый углерод с размерами глобул 1-5 мкм при содержании указанного композиционного углеродного наноматериала 10^-9-10^-6 мас. %.

Изложенная сущность установлена в результате выявления и устранения причин указанных выше недостатков известного технического решения путем проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях с последующей проверкой на производстве.

В ходе проведения экспериментов была установлена интенсивная агрегация, приводящая к седиментации фуллероидов в воде затворения при любых их содержаниях со скоростью, пропорциональной концентрации нанофаз.

Это является основной причиной их неравномерного распределения в общем составе сырьевой смеси и проявляется в высокой вариации показателей подвижности смеси и прочности конечного материала.

Таким образом, одной из центральных задач является введение в смесь сверхмалых количеств фуллероидов с равномерным распределением их в объеме и исключением возможности агрегации и седиментации, к которой они склонны в силу своих свойств.

Эта задача успешно решена путем создания композиционного материала, в котором сочетание не очень активного, но обладающего разветвленной объемной структурой нитевидного материала с высокоактивным углерод-углеродным композитом, состоящим из фуллероидных наночастиц двух типов и глобулярного углерода, позволяет получить синергетический эффект, заключающийся в заметно более сильном влиянии такого наноматериала на реологию бетонной смеси и структуру цементного камня, чем наноматериалов, представленных аналогом и прототипом.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 представлена фотография композиционного материала,

на фиг. 2 представлена фотография микроструктуры цементного камня, полученного:

а) с применением состава по прототипу;

б) с применением предлагаемого состава.

Повышение прочности строительных материалов обеспечивается тем, что предлагаемая композиция приобретает фибриллярную упрочняющую надмолекулярную структуру цементного камня (см. фиг. 2, б).

Далее заявляемое изобретение поясняется примерами.

Пример 1.

Для оценки эффективности указанных в изобретении технических решений был использован портландцемент ПЦ 500-Д0 производства ОАО «Цесла».

В качестве мелкого заполнителя применялся кварцевый песок с модулем крупности Мкр=2,1-2,3 производства ЦБИ «Воронцовское», в качестве крупного заполнителя - щебень фракции 5-20 производства ОАО «Гранит-Кузнечное».

Для регулирования подвижности бетонных смесей использовался суперпластификатор Schomburg Remicrete SP-10 (FM). Результаты испытаний приведены в таблицах 1-3.

При затворении цемента водной суспензией УНМ с суперпластификатором имеет место увеличение подвижности цементного теста (таблица 1). Приведенные результаты получены при следующем соотношении компонентов:

1. портландцемент ПЦ 500-Д0 производства ОАО «Цесла» - 81,6%;

2. суперпластификатор поликарбоксилатный Schomburg Remicrete SP-10 (FM) - 0,5%;

3. УНМ - 10^-7%;

4. вода - остальное;

итого - 100%.

Примечание: - состав 2 не содержит фуллероидных кластеров (контрольный);

- состав 3 - прототип.

Для оценки влияния вида наномодификатора на прочность бетонных смесей были изготовлены образцы с равной подвижностью (П4) при постоянном расходе цемента.

Подвижность смеси регулировалась изменением водоцементного отношения.

Состав смесей приведен в таблице 2

Примечание: - состав 2 не содержит фуллероидных кластеров (контрольный); - состав 3 - прототип. Из таблиц следует, что наилучшие показатели подвижности смеси и прочности с обеспечением высокой однородности этих показателей демонстрирует состав 4, что соответствует заявленным в изобретении техническим решениям.

Аналогичные результаты были получены при использовании других видов суперпластификаторов, наиболее часто применяемых при производстве: С-3 (суперпластификатор нафталинформальдегидного типа), «5-new» и «5-800» (суперпластификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов), «Цемактов ПП» (суперпластификатор на основе лигносульфонатов технических), других видов цемента, например шлакопортландцемента, пуццоланового портландцемента, других видов наполнителя, например тонкомолотого известняка.

Пример конкретного выполнения

Сырьевые смеси по составу 4 (табл. 2) приготавливались на заводской бетоносмесительной установке, оснащенной серийным двухвальным лотковым смесителем с объемом готового замеса 1 м.

Для приготовления данных сырьевых смесей для строительных материалов использовались следующие ингредиенты: портландцемент ПЦ 500-Д0 производства ОАО «Цесла», в качестве мелкого заполнителя применялся кварцевый песок с модулем крупности Мкр=2,1-2,3 производства ЦБИ «Воронцовское», в качестве крупного заполнителя - щебень фракции 5-20 производства ОАО «Гранит-Кузнечное», в качестве наполнителя - каменная мука марки МП-1. Для регулирования подвижности бетонных смесей использовался суперпластификатор Schomburg Remicrete SP-10 (FM), углеродные кластеры фуллероидного типа, суперпластификатор, вода затворения.

Приготовленные сырьевые смеси отличаются тем, что в качестве углеродных кластеров фуллероидного типа в них содержится композиционный углеродный наноматериал, представляющий собой агломераты (от трех до трехсот) углеродных квазиодномерных наномасштабных нитевидных образований поликристаллического графита цилиндрической формы с внутренним каналом диаметром в основном двух размеров: 49,3±0,45 нм и 72,0±0,45 нм; с локализованными на поверхности нитей фуллероидными наночастицами двух типов:

а) полиэдральные углеродные наночастицы с замкнутым внутренним каналом диаметром 1-5 нм;

б) кластеры С₆₀ и активный рыхлый углерод с размерами глобул 1-5 мкм при следующем соотношении компонентов в композиции, мас. %:

портландцемент - 15;

песок - 34;

щебень - 45;

наполнитель (каменная мука) - 1;

суперпластификатор поликарбоксилатный - 0,05;

композиционный углеродный наноматериал - 10^-10-10^-5;

вода - остальное;

итого - 100%.

Порядок загрузки компонентов в работающий смеситель:

заполнители - песок и щебень, вода затворения, содержащая суперпластификатор и углеродные кластеры фуллероидного типа, портландцемент, наполнитель (каменная мука) - приготовление состава по формуле изобретения. Аналогично приготавливались контрольная смесь и смесь по прототипу.

Из приготовленных замесов отбирались пробы, для которых в соответствии с регламентом определялись: осадка конуса бетонной смеси, прочность, морозостойкость и водонепроницаемость образцов бетона, изготовленных из данных сырьевых смесей. Результаты испытаний приведены в таблице 4.

Из таблицы, составленной по результатам производственных экспериментов, следует, что заявленная в изобретении сырьевая смесь (составы 2-4 табл. 3) обладает наилучшими показателями подвижности смеси с обеспечением высокой однородности этого показателя, что в свою очередь обеспечивает более высокие, по сравнению с аналогом и прототипом, прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона.

Сырьевая смесь для строительных материалов, включающая цемент, наполнитель, заполнитель, углеродные кластеры фуллероидного типа, суперпластификатор, воду затворения, отличающаяся тем, что в качестве углеродных кластеров фуллероидного типа содержит композиционный углеродный наноматериал, представляющий собой агломераты (от трех до трехсот) углеродных квазиодномерных наномасштабных нитевидных образований поликристаллического графита цилиндрической формы с внутренним каналом диаметром в основном двух размеров: 49,3±0,45 нм и 72,0±0,45 нм; с локализованными на поверхности нитей фуллероидными наночастицами двух типов:

а) полиэдральные углеродные наночастицы с замкнутым внутренним каналом диаметром 1-5 нм;

б) кластеры С₆₀ и активный рыхлый углерод с размерами глобул 1-5 мкм при следующем соотношении компонентов в композиции, мас. %:

портландцемент - 12-18;

песок - 31-36;

щебень - 45-50;

наполнитель (каменная мука) - 1-2;

суперпластификатор поликарбоксилатный - 0,03-0,08;

композиционный углеродный наноматериал - 10^-9-10^-6;

вода - остальное.