Бетонная смесь
CONCRETE MIX

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при изготовлении изделий из бетона в гражданском строительстве и строительстве дорожных и тротуарных покрытий.
2
Известные бетонные смеси, в состав которых входят пластификатор и фотокаталитическая добавка, не обеспечивают в должной степени прочность бетона при сжатии и изгибе, истираемость, а также высокие кинетические и технические показатели по самоочищению поверхности бетона при ультрафиолетовом и видимом излучении. В настоящее время значительный интерес представляют мелкодисперсные фотокаталитические добавки, в частности, полиморфная разновидность диоксида титана в виде анатаза. Однако низкая скорость фотохимических процессов, активность под действием только ближнего ультрафиолетового излучения и склонность наночастиц TiO к агломерации снижают эффективность применения диоксида титана в составе строительных материалов.
Известна бетонная смесь (см. пат. 2471752 РФ, МПК С04В 38/00, В82В 1/00, (2006.01), 2013), включающая портландцемент, кварцполевошпатный песок с модулем крупности 2,1, гранитные отсевы фракции 2,5-5,0 мм, добавку и воду. В качестве добавки используют нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил 05, который предварительно подвергают ультразвуковой диспергации совместно с водой затворения. Бетонная смесь содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%:
портландцемент
25,0-25,6
кварцполешпатный песок
32,0-32,5
гранитные отсевы
32,5-33,0
нанодисперсный порошок диоксида
кремния Таркосил 05
0,013-0,052
вода
8,348-9,987
Прочность получаемого бетона при сжатии составляет 56-79 МПа после 28 суток, водопоглощение 1,3-3,6% по массе.
К недостаткам данной бетонной смеси относится то, что при относительно высокой прочности получаемого бетона при сжатии, он не обладает фотокаталитическими свойствами, а также сложность получения нанодисперсной добавки, которую необходимо предварительно диспергировать с использованием ультразвука.
Известна также бетонная смесь, принятая в качестве прототипа (см. пат. 2632082 РФ, МПК С04В 28/04, 14/06, 14/22, 22/06, 111/20 (2006.01), 2017), включающая портландцемент, песок кварцевый, воду, стеклобой в виде тарного или строительного стекла фракции 0,16-10 мм и фотокаталитическую добавку диоксида титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
портландцемент М 500
12,0-20,0
песок кварцевый
26,0-32,0
стеклобой
40,0- 48,0
фото каталитическая добавка диоксида титана
0,15-0,45
вода
остальное
Прочность получаемого бетона при сжатии и изгибе составляет соответственно 39,4-42,0 и 6,35-7,0 МПа после 28 суток, истираемость составляет 1,95-2,0%, водопоглощение 3,65-4,0%, фотокаталитическая активность присутствует.
2
К недостаткам известной бетонной смеси следует отнести относительно невысокие показатели прочности, истираемости и низкие фотокаталитические свойства. Последнее обусловлено тем, что используемая фотокаталитическая добавка диоксида титана марки Р-O2 (ГОСТ9808-84) имеет структуру, устойчивую к атмосферным воздействиям, в том числе и к ультрафиолетовому излучению, а также низкую удельную поверхность частиц (4-6 м/г). Поэтому ее использование не позволяет достичь высоких фотокаталитических показателей.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении прочности получаемого бетона при сжатии и изгибе, обеспечения самоочищения поверхности бетона при ультрафиолетовом и видимом излучении, а также в улучшении истираемости бетона.
Технический результат достигается тем, что бетонная смесь, включающая портландцемент, песок кварцевый, фотокаталитическую титансодержащую добавку и воду, согласно изобретению, дополнительно содержит суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира Glenium 51, портландцемент используют марки ЦЕМ I 42.5Н, а в качестве фотокаталитической титансодержащей добавки смесь содержит ниобий-титаносиликатную добавку, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
портландцемент ЦЕМ I 42.5Н
22,14-22,47
песок кварцевый
67,42-68,44
ниобий-титаносиликатная добавка
0,07-0,24
суперпластификатор
0,025-0,035
вода
остальное
2
5
2
2
2
2
Достижению технического результата способствует также то, что ниобий-титаносиликатная добавка содержит, мас.%: 1-2 NbO, 21,8-24,4 SiO, 30,1-37,4 TiO, 18,2-21,2 NaO и имеет удельную поверхность 120-165 м/г.
Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.
Введение в состав бетонной смеси суперпластификатора обеспечивает удобоукладываемость смеси и равномерное распределение частиц смеси. Использование суперпластификатора на основе поликарбоксилатного эфира Glenium 51 обусловлено тем, что механизм действия указанного пластификатора основан на адсорбции его молекул на поверхности цементных частиц с образованием на них отрицательного заряда. Это не позволяет частицам сблизиться и образовать конгломераты под действием кулоновских сил электростатистического отталкивания, что приводит к эффекту диспергации и разжижению цементной смеси. В результате снижается количество воды затворения, необходимое для получения цементной композиции с заданными характеристиками. Содержание суперпластификатора в количестве 0,025-0,035 мас.% необходимо и достаточно для равномерного распределения нанодисперсной титаносиликатной добавки в объеме цементной матрицы и получения требуемой консистенции бетонной смеси. Количество суперпластификатора менее 0,025 мас.% ведет к нежелательному уменьшению подвижности бетонной смеси и к неравномерному распределению наночастиц в объеме цементной матрицы. При содержании суперпластификатора более 0,035 мас.% возрастает подвижность смеси, что приводит к снижению прочности, увеличению пористости и значительной усадке бетона.
Использование в составе бетонной смеси портландцемента марки ЦЕМ I 42.5Н обусловлено его высокой вяжущей способностью и прочностью. Содержание портландцемента в количестве 22,14-22,47 мас.% необходимо и достаточно для получения бетона требуемой прочности. Содержание портландцемента менее 22,14 мас.% приводит к снижению прочностных характеристик и. долговечности бетона, а содержание более 22,47 мас.% ведет к появлению микротрещин вследствие повышенной усадки при твердении и удорожанию бетона.
2
2
Использование в составе бетонной смеси в качестве фотокаталитической титансодержащей добавки ниобий-титаносиликатной добавки обусловлено следующим. Повышение фотокаталитических свойств полупроводниковых материалов и расширение диапазона спектральной чувствительности фотокатализатора в длинноволновую область достигаются путем допирования их переходными металлами. Допирование титаносиликата ниобием приводит к смещению края полосы поглощения в спектрах диффузного отражения в видимую область спектра, что способствует улучшению фотокаталитических свойств ниобий-титаносиликатной добавки в ультрафиолетовой и видимой области спектра. Кроме того, допирование титаносиликата ниобием способствует увеличению удельной поверхности, что значительно повышает реакционную способность добавки, тем самым уменьшая ее количество в составе бетонной смеси. Также присутствующий в составе титаносиликата диоксид кремния SiO, благодаря своей пуццолановой активности, может вступать в реакцию с Са(ОН) с образованием гидросиликатов кальция, уплотняя структуру цементной матрицы и повышая прочность.
Содержание фотокаталитической ниобий-титаносиликатной добавки в бетонной смеси в количестве 0,07-0,24 мас.% необходимо и достаточно для получения бетонной смеси с повышенной прочностью и самоочищающейся поверхностью, как в ультрафиолетовой области спектра, так и в видимой. Содержание добавки менее 0,07 мас.% не обеспечивает достаточного эффекта самоочищения и повышения прочности, а содержание более 0,3 мас.%) ведет к увеличению водопотребности и снижению прочности.
Содержание кварцевого песка в бетонной смеси в количестве 67,42-68,44 мас.% необходимо и достаточно для получения бетона требуемой консистенции и прочности. Количество кварцевого песка менее 67,42 мас.% приводит к появлению микротрещин и расслаиванию бетонной смеси, а его содержание более 68,44 мас.% приводит к снижению удобоукладываемости и прочностных характеристик бетона.
Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата и изобретения, заключающегося в повышении прочности получаемого бетона при сжатии и изгибе, обеспечении самоочищения поверхности бетона при ультрафиолетовом и видимом излучении, а также в улучшении истираемости бетона.
2
5
2
2
2
2
В частном случае осуществления изобретения ниобий-титаносиликатная добавка содержит, мас.%: 1-2 NbO, 21,8-24,4 SiO, 30,1-37,4 TiO, 18,2-21,2 NaO при величине удельной поверхности добавки 120-165 м/г.
2
2
При удельной поверхности добавки меньше 120 м/г снижается ее реакционная способность, а при удельной поверхности более 165 м/г усиливается склонность добавки к агломерации, что препятствует равномерному распределению наночастиц в цементной матрице и приводит к возникновению слабых зон в цементном камне.
Вышеуказанный частный признак изобретения позволяет получить оптимальный состав бетонной смеси с точки зрения прочности бетона при сжатии и изгибе, обеспечения самоочищения поверхности бетона при ультрафиолетовом и видимом излучении и улучшения истираемости бетона.
Для получения заявленной бетонной смеси используют следующие компоненты.
2
2
3
2
3
2
3
Портландцемент ЦЕМ I 42.5Н по ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия» имеет химический состав, мас.%: 65,7 СаО, 21,3 SiO, 4,4 AlO, 4,0 FeO, 2,0 MgO, 0,7 NaO, 3,0 SO, 0,06 СГ, 2,8 потери при прокаливании.
2
Песок кварцевый с модулем крупности 2,3 по ГОСТ «Песок для строительных работ. Технические условия» имеет содержание SiO 98,3 мас.%.
2
5
2
2
2
2
Фотокаталитическая ниобий-титаносиликатная добавка содержит, мас.%: 1-2 NbO, 21,8-24,4 SiO, 30,1-37,4 TiO, 18,2-21,2 NaO и имеет удельную поверхность 120-165 м/г. В качестве добавки используют техногенные отходы, образующиеся при получении титаносиликатного сорбента каркасной структуры или непосредственно титаносиликатный сорбент.
3
Суперпластификатор Glenium 51 на основе поликарбоксилатного эфира компании ООО «БАСФ Строительные системы» имеет плотность 1,10±0,02 г/см.
Приготовление бетонной смеси согласно изобретению осуществляют путем смешения расчетного количества портландцемента, кварцевого песка, фотокаталитической добавки, суперпластификатора и воды в лабораторном автоматическом смесителе. Первоначально в чашу затворения загружают 2/3 общего объема воды и портландцемент, песок помещают в дозирующее устройство. Ниобий-титаносиликатную добавку и суперпластификатор Glenium 51 растворяют в оставшемся 1/3 объеме воды. Последовательность перемешивания следующая: вначале со скоростью 145 об/мин перемешивают портландцемент и воду в течение 30 секунд, затем дозируют песок в течение 30 секунд и далее со скоростью 275 об/мин перемешивают полученный цементный раствор в течение 30 секунд. После этого в цементный раствор вводят смесь, состоящую из ниобий-титаносиликатной добавки и суперпластификатора. Для равномерного распределения фотокаталитической добавки и достижения требуемой консистенции перемешивание продолжают еще в течение 30 секунд со скоростью 145 об/мин и в течение 30 секунд со скоростью 275 об/мин.
Для определения характеристик бетонной смеси формуют образцы, которые выдерживают в формах в течение 1 суток при нормальных условиях. Затем образцы расформовывают, и они твердеют в воде в течение 28 суток. Прочность образцов определяли по ГОСТ 310.4-81, истираемость по ГОСТ 13087-2018, фото каталитическую активность (угол смачивания) по ГОСТ Р 57255-2016.
В Таблице 1 приведены Примеры 1-6 составов бетонной смеси согласно изобретению, а также Пример 7 по прототипу. В Таблице 2 указаны свойства бетонной смеси согласно Примерам 1-7.
Из данных, приведенных в Таблице 2, видно, что предлагаемая бетонная смесь по сравнению с прототипом имеет более высокую прочность при сжатии (до 68,3 МПа) и изгибе (8,4 МПа), меньшую истираемость (не более 0,48%) и обеспечивает самоочищение поверхности бетона, как при ультрафиолетовом, так и видимом излучении.