композиция для получения строительных материалов

Формула изобретения

Композиция для получения строительных материалов, содержащая портландцемент, песок, воду и углеродный материал, отличающаяся тем, что в качестве углеродного материала она содержит водную суспензию кавитационно-активированного углеродосодержащего материала - КАУМ, в состав которого входят многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34÷0,36 нм и размером частиц 60÷200 нм, полидисперсные углеродные трубчатые образования размерами 10^-6÷10^-5 м, гидрированные углеродные фрактальные структуры размерами 10^-8÷10 ^-5 м и активный рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 при следующем соотношении компонентов в композиции, мас.%:

Портландцемент	25÷50
Песок	30÷60
Водная суспензия КАУМ	0,024÷0,64
Вода	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составам на основе минеральных вяжущих, таких как цемент, и может быть использовано в промышленности строительных материалов при изготовлении бетона, фибробетона, цементно-волокнистых строительных материалов, шифера, штукатурки, отделочных покрытий, в том числе лепнины и т.п.

Известна композиция для получения строительного материала [пат. RU № 2345968, МПК С04В 28/02 В82В 1/00 В82В 3/00 С04В 111/20, опубл. 10.02.2009 г.], содержащая цемент, песок, воду и углеродный наноматериал - сажу, полученную электродуговым методом и содержащую 7% углеродных нанотрубок, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цемент	20-30
Наполнитель	50-70
Указанный углеродный наноматериал	1-2
Вода	Остальное

Сажу, содержащую 7% углеродных нанотрубок, получали из графита марки МПГ-4 на установке в массовых количествах (порядок 1 кг/час) при следующих основных параметрах: сила тока 1150 А, напряжение 42 В, диаметр анода 30 мм электродуговым методом, изложенным в статье Грушко Ю.С., Егоров В.М., Зимкин И.Н., Орлова Т.С., Смирнов Б.И. Некоторые физико-механические свойства катодных депозитов, образующихся при получении фуллеренов дуговым способом [журнал «Физика твердого тела». - 1995. - Т.37. - N6. - С.1838-1842].

Недостатком известной композиции является ее высокая стоимость вследствие энергозатратности и неэкономичности метода получении сажи.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой композиции является композиция для получения строительных материалов [пат. RU № 2233254, МПК С04В 28/02 С04В 111:20, опубл. 27.07.2004 г.] на основе минерального вяжущего, включающая минеральное вяжущее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс или их смеси и воду, дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более при следующем соотношении компонентов в композиции (мас.%): минеральное вяжущее 33÷77; углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001÷2,0; вода остальное. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может содержать полидисперсные углеродные нанотрубки. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа она может содержать полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34÷0,36 нм и размером частиц 60÷200 нм. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может содержать смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена С₆₀. Композиция может дополнительно содержать технологические добавки, взятые в количестве 100÷250 мас.ч. на 100 мас.ч. минерального вяжущего.

Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34÷0,36 нм и размером частиц 60÷200 нм выделены из корки катодного депозита, полученного в пламени дугового разряда в атмосфере гелия путем последовательных операций окисления в газовой и в жидкой фазе, и идентифицированы им.

Недостатком данной композиции является ее высокая стоимость вследствие энергозатратности методов получения углеродных кластеров фуллероидного типа, а также недостаточное увеличение прочности на сжатие (в 1,3 раза) бетона.

Задачей настоящего изобретения является получение высокопрочной композиции строительных материалов при снижении ее стоимости за счет снижения энергозатратности метода получения углеродных кластеров.

Технический результат заключается в повышении прочности строительных материалов.

Поставленная задача достигается тем, что композиция для получения строительных материалов, содержащая цемент, песок, воду и углеродные кластеры, содержащие многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34÷0,36 нм и размером частиц 60÷200 нм, согласно изобретению в качестве указанных углеродных кластеров содержит кавитационно-активированный углеродосодержащий материал (КАУМ), содержащий полидисперсные углеродные трубчатые образования размерами 10^-6÷10^-5 м, гидрированные углеродные фрактальные структуры размерами 10 ^-8÷10^-5 м и активный рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 , при следующем соотношении компонентов в композиции, мас.%:

Минеральное вяжущее (цемент)	25-50
Песок	30-60
Кавитационно-активированный
углеродосодержащий материал (КАУМ)	0,024-0,64
Вода	Остальное

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлена фотография кавитационно-активированного углеродосодержащего материала, полученная с помощью электронного микроскопа;

на фиг.2 - фотография кавитационно-активированного углеродосодержащего материала, полученная с помощью оптического микроскопа;

на фиг.3 представлены морфологии композиции для получения строительных материалов без кавитационно-активированного углеродосодержащего материала (а) и с кавитационно-активированным углеродосодержащим материалом (б).

Кавитационно-активированный углеродосодержащий материал (КАУМ), содержащий многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34÷0,36 нм и размером частиц 60÷200 нм, полидисперсные углеродные трубчатые образования размерами 10^-6÷10^-5 м, гидрированные углеродные фрактальные структуры размерами 10^-8÷10 ^-5 м и активный рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 , получали путем гидродинамической обработки водной суспензии древесной сажи в кавитационном реакторе роторного типа в режиме суперкавитации. Опытным путем было установлено, что в режиме суперкавитации значение числа кавитации _кр составило 0,2 [Кулагин В.А., Вильченко А.П., Кулагина Т.А. Моделирование двухфазных суперкавитационных потоков. - Красноярск: ИПЦ КГТУ. 2001. - 108 с.].

В кавитирующем реакторе роторного типа в режиме суперкавитации (число кавитации _кр=0,2) под действием пульсации кавитационных пузырьков происходит механодеструкция водной суспензии древесной сажи с образованием дефектных сажевых частиц с размерами 10 ^-10÷10^-8 и активного рыхлого углерода с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 . В результате турбулетного перемешивания активный рыхлый углерод частично взаимодействует с дефектными сажевыми частицами (глобулами) с образованием различных гидрированных агрегатов и ассоциатов: многослойных углеродных наноструктур с межслоевым расстоянием 0,34÷0,36 нм и размером частиц 60÷200 нм, полидисперсных углеродных трубчатых образований размерами 10 ^-6÷10^-5 м, гидрированных углеродных фрактальных образований размерами 10^-8÷10^-5 м. Примеси тяжелых элементов выпадают в осадок, который затем удаляют.

Как видно на фиг.1, многослойные углеродные наноструктуры представляют собой более крупные сфероподобные образования, чем гидрированные углеродные фрактальные структуры. Многослойные углеродные наноструктуры и гидрированные углеродные фрактальные структуры имеют усредненные размеры частиц, равные 11,5·10 ^-8 м и 64,3 10^-9 м соответственно. Усредненные размеры частиц полидисперсных углеродных трубчатых образований равны 5,3·10^-6 м (см. фиг.2).

Углеродные кластеры вводятся в композицию в виде водной суспензии кавитационно-активированного углеродосодержащего материала (КАУМ).

Повышение прочности строительных материалов обеспечивается тем, что композиция, в которую вводят углеродные кластеры в виде водной суспензии кавитационно-активированного материала (КАУМ), приобретает фибриллярную упрочняющую надмолекулярную структуру цементного камня (см. фиг.3, б). Это происходит вследствие того, что при введении данной суспензии в композицию твердая дисперсная фаза является центром направленной кристаллизации, а жидкая дисперсионная среда (активированная вода) оказывает влияние на кристаллохимические реакции твердения цементного камня. В результате прочность строительного материала повышается в 1,7 раз.

Далее заявляемое изобретение поясняется примерами.

Пример 1 (контрольный). Речной песок в количестве 43 мас.% смешивают с водой в количестве 14 мас.%. В него добавляют портландцемент марки М 400 в количестве 43 мас.%. Получившийся состав тщательно перемешивают до получения однородной массы, которую разливают по формам. Состав отвердевал в течение 28 суток в нормальных условиях.

На полученных образцах определили микротвердость, МПа, с помощью микротвердомера ПМТ-3 по методу Виккерса.

Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблице.

Пример 2. Песок в количестве 43 мас.% смешивают с водной суспензией кавитационно-активированного углеродосодержащего материала (КАУМ) в количестве дисперсной фазы 0,024 мас.%, содержащий многослойные углеродные наноструктуры с усредненным размером частиц 11,5·10 ^-8 м, полидисперсные углеродные трубчатые образования с усредненным размером частиц 5,3·10^-6 м, гидрированные углеродные фрактальные структуры с усредненным размером частиц 64,3 10^-9 м и активной рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 .

В него добавляют портландцемент марки М 400 в количестве 43 мас.% и воду в количестве 13,976 мас.%. Получившийся состав тщательно перемешивают до получения однородной массы, которую разливают по формам. Состав отвердевал в течение 28 суток в нормальных условиях.

На полученных образцах определили микротвердость, МПа, с помощью микротвердомера ПМТ-3 по методу Виккерса.

Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблице.

Пример 3. Композицию получали, как в примере 2, при следующем соотношении масс (мас.%):

Песок	43
КАУМ	0,044
Портландцемент	43
Вода	13,956.

Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблице.

Пример 4. Композицию получали, как в примере 2, при следующем соотношении масс (мас.%):

Песок	43
КАУМ	0,064
Портландцемент	43
Вода	13,936.

Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблице.

Пример 5. Композицию получали, как в примере 2, при следующем соотношении масс (мас.%):

Песок	60
КАУМ	0,024
Портландцемент	25
Вода	14,976.

Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблице.

Состав композиции и прочностная характеристика
Пример	Состав композиции, мас.%:	Микротвердость, МПа
Портландцемент	КАУМ	Песок	Вода
1к	43	-	43	14,000	45,8
2	43	0,024	43	13,976	50,4
3	43	0,044	43	13,956	75,6
4	43	0,064	43	13,936	46,63
5	25	0,024	60	14,976	56,9

Как видно из таблицы, во всех случаях добавление водной суспензии КАУМ в состав композиции приводит к возрастанию микротвердости полученных образов в сравнении с контрольным образцом. В результате добавления водной суспензии КАУМ в количестве 0,044 мас.% в состав композиции (см. пример 3) значение микротвердости полученных образов, равное 75,6 МПа, больше значения микротвердости контрольного образца в 1,7 раз.