сырьевая смесь для строительных материалов (варианты)

Формула изобретения

1. Сырьевая смесь для строительных материалов, включающая цемент, наполнитель, заполнитель, углеродные кластеры фуллероидного типа, суперпластификатор, воду затворения, отличающаяся тем, что вода затворения содержит суперпластификатор и указанные кластеры в концентрации 10^-8-10^-5 мас.%.

2. Сырьевая смесь для строительных материалов, включающая цемент, наполнитель, заполнитель, добавки, в том числе углеродные кластеры фуллероидного типа, воду затворения, отличающаяся тем, что вода затворения имеет рН 8-9 и содержит указанные кластеры в концентрации 10^-8-10^-5 мас.%.

Описание изобретения к патенту

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

Известны сырьевые смеси строительных композитов, которые в качестве модификаторов структуры и упрочнителей содержат зернистые, в том числе порошкообразные, и волокнистые компоненты различного происхождени (Тараканов О.В., Пронина Т.В. Проблемы и направления использования минеральных шламов в производстве строительных материалов / Популярное бетоноведение. № 2 (16), 2007 - С.41; Рамачандран В. и др. Наука о бетоне / М., Стройиздат, 1986. - c.125, табл.6.1).

Эффективность использования волокон (фибры) по этому назначению основывается на системном анализе неоднородностей (несовершенств, дефектов) структуры упрочняемого (модифицируемого) объекта (матрицы) для установления размерного и количественного соответствия между ними (Рабинович Ф.М. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов / М., 2004. - c.81-84). В приведенном источнике из четырех уровней дисперсности армирования матрицей нижнего (четвертого) уровня является цементный камень, размеру дефектов и несовершенств которого отвечают волокна с сечением менее 0,1 мм и расстоянием между ними не более 0,5 мм. Однако технические и технологические средства, удовлетворяющие этим условиям, до сих пор отсутствуют, поэтому вывод о низкой эффективности имеющихся типоразмеров фибры для упрочнения цементного камня и подобных ему матриц представляется справедливым. Кроме того, теми же авторами теоретически показано, что при использовании волокон диаметром менее 0,1 мм моменты трещинообразования в конструкции и ее разрушения могут оказаться весьма близкими друг к другу, а это значит, что композит утрачивает одно из своих замечательных качеств - способность к вязкому разрушению (Рабинович Ф.Н., Романов В.П. О пределе трещиностойкости мелкозернистого бетона, армированного стальными фибрами // Механика композитных материалов, 1985, № 2. - с.277-283). Таким образом, эффективность армирующего действия волокон ограничивается более высоким (третьим) масштабным уровнем, при этом цементный камень и подобные ему матрицы могут содержать тонкодисперсные порошки с размерами одного порядка или меньше зерен цемента или другого минерального вяжущего. Продолжая рассматривать подобным образом структуру строительных композитов в направлении «сверху вниз», устанавливаем, что для смеси минерального вяжущего и порошков как структурных элементов появляется еще одна реологическая матрица с меньшим масштабным уровнем - вода и водные растворы добавок, реакционная активность которых может быть увеличена введением нанодисперсных частиц, являющихся по сути кластерами.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является патент РФ № 2233254 (RU 2233254, опубл. 27.07.04), согласно которому минеральное вяжущее, затворенное водой, дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

минеральное вяжущее	33 77
углеродные кластеры фуллероидного типа	0,0001 2
вода	остальное.

При этом дополнительными пунктами патентной формулы предусмотрено в качестве углеродных кластеров использование различных наноструктур и их комбинаций, в том числе полидисперсных углеродных нанотрубок, а в описании изобретения указывается, что 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 по патенту РФ № 2233254 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.

Однако практика опытного применения на производстве композиции по патенту РФ № 2233254 выявила недостатки, несовместимые с его промышленным использованием: по неустановленным авторами патента причинам, добиться ежецикличной повторяемости результатов в пределах допустимой вариации не удается. В предусмотренных защищенным техническим решением рецептурных вариантах возникают неустановленные явления, приводящие к ухудшению, относительно ожидаемых, показателей во всем объеме материала или местно.

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, включающая минеральное вяжущее, наполнители, заполнители, суперпластификатор, углеродные кластеры фуллероидного типа и воду затворения, содержит суперпластификатор и упомянутые кластеры, предварительно введенные в воду затворения в концентрации 10^-8 10^-5 мас.%. По варианту изобретения сущность заключается в том, что сырьевая смесь, включающая минеральное вяжущее, наполнители, заполнители, добавки, углеродные кластеры фуллероидного типа и воду затворения, содержит упомянутые кластеры, предварительно введенные в воду затворения в концентрации 10 ^-8 10^-5 мас.%, при этом вода имеет рН 8 9.

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 седиментация 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 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 добавления нанодисперсных кластеров в воду затворения в присутствии каталитического количества суперпластификатора.

По варианту изобретения задача решена путем добавления нанодисперсных кластеров в воду затворения, имеющую рН 8 9, что обеспечивает содержание гидроксильных групп, достаточное для предотвращения седиментационных процессов.

Экспериментально установлено, что удовлетворительное предотвращение седиментации фуллероидов в воде в присутствии суперпластификатора или щелочей обеспечивается при их концентрации до 1 мас.%. Вместе с тем, предварительные расчеты показали, что прочность, достигаемая в бетоне с концентрацией фуллероидов в воде более 10^-2 мас.% по экономическим показателям не может представлять интереса для промышленности и строительства. Учитывая это, дальнейшим исследованиям подвергались составы смесей с концентрацией нанофаз в воде от 10^-2 мас.% и ниже.

Для оценки эффективности указанных в изобретении технических решений в качестве базового (он же контрольный) использовался состав сырьевой смеси для получения бетона класса ВЗО с маркой по подвижности П4, который подбирался по стандартной методике и содержал следующие компоненты, мас.%: портландцемент- 15,1; песок - 32,0; щебень - 45,4; наполнитель - каменная мука - 3,8, суперпластификатор поликарбоксилатного типа «Муропласт FK-63» - 0,04; вода - 3,66. Результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1
№ п/ п	Наличие суперпластификатора в воде затворения	Концентрация фуллероидных кластеров в воде затворения, мас.%	Характеристика бетонной смеси	Характеристика бетона
Осадка конуса, см	Коэф-т вариации, %	Прочность при сжатии, МПа	Коэф-т вариации, %
1	нет	0	17	12,0	39,0	9,0
2	есть	10-9	18	8,5	39,5	7,5
3	есть	10-8	21	5,3	41,6	4,8
4	есть	10-5	22	4,5	43,4	4,1
5	есть	10-4	19	7,8	40,8	6,9
6	нет	10-2	18	14,2	40,0	11,3
Примечание: - состав № 1 не содержит фуллероидных кластеров (контрольный); - состав № 6 - прототип

Таблица 2
№ п/п	рН воды затворения	Концентрация фуллероидных кластеров в воде затворения, мас.%	Характеристика бетонной смеси	Характеристика бетона
Осадка конуса, см	Коэф-т вариации, %	Прочность при сжатии, МПа	Коэф-т вариации, %
1	6,5	0	17	12,0	39,0	9,0
2	7,5	10-5	19	7,5	41,5	6,1
3	8,0	10-5	20	5,1	43,4	4,3
4	9,0	10-5	21	4,7	44,6	4,0
5	9,5	10-5	19	7,1	42,8	5,9
6	6,5	10-2	18	14,2	40,0	11,3
Примечание: - состав № 1 не содержит фуллероидных кластеров (контрольный); - состав № 6 - прототип

Из таблиц следует, что наилучшие показатели подвижности смеси и прочности с обеспечением высокой однородности этих показателей демонстрируют составы № 3 и 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.1 и 2) приготавливались на заводской бетоносмесительной установке, оснащенной серийным двухвальным лотковым смесителем с объемом готового замеса 1 м³. Порядок загрузки компонентов в работающий смеситель: заполнители - песок и щебень, вода затворения, содержащая суперпластификатор и углеродные кластеры фуллероидного типа, портландцемент (приготовление состава по п.1 формулы изобретения). Порядок загрузки компонентов в работающий смеситель: заполнители - песок и щебень, вода затворения с рН 9, содержащая и углеродные кластеры фуллероидного типа, портландцемент (приготовление состава по п.2 формулы 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 3.

Таблица 3
№ п/ п	Концентрация фуллероидных кластеров в воде затворения, мас, %	Характеристика бетонной смеси	Свойства бетона
Осадка конуса, см	Коэф-т вариации, %	Прочность при сжатии, МПа	Марка по морозостойкости	Марка по водонепроницаемости
1.	0	18	11,2	39,5	F300	W8
2	10-5	23	4,3	44,3	F600	W18
3	10-5	22	5,1	43,6	F600	W20
4	10-2	19	13,8	40,4	F300	W12
Примечание: - состав № 1 не содержит фуллероидных кластеров (контрольный); - состав № 2 - сырьевая смесь по п.1 формулы изобретения; - состав № 3 - сырьевая смесь (вариант) по п.2 формулы изобретения; - состав № 4 - прототип.

Из таблицы, составленной по результатам производственных экспериментов, следует, что заявленные в изобретении сырьевые смеси (составы № 2 и 3 табл.3) обладают 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.