Наномодифицирующий высокопрочный легкий бетон на композиционном вяжущем
NANO-MODIFYING HIGH-STRENGTH LIGHTWEIGHT CONCRETE BASED ON COMPOSITE BINDER

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления строительных изделий и конструкций, в монолитном строительстве объектов гражданского, промышленного и транспортного строительства.
В патенте RU 2616205 С1 (опубликовано 13.04.2017 Бюл. №11) предложено технологическое решение увеличения прочности бетона за счет использования наномодификатора. Рецептура указанного бетона включает, мас. %: портландцемент - 25,124…27,227; песок фракции 5-2,5 мм - 6,126…6,239; песок фракции 2,5-1,25 мм - 15,316…15,600; песок фракции 1,25-0,63 мм - 15,316…15,600; песок фракции 0,63-0,315 мм - 15,316…15,600; песок фракции 0,315-0,16 мм - 9,190…9,360; вода - 11,164…12,098; суперпластификатор на основе эфиров поликарбоксилатов - 0,041…0,045; нанодобавка на основе наноразмерного кремнезема - 0,304-0,334.
-3
Техническим результатом является увеличение прочности бетона при сжатии в возрасте 28 суток и повышение его долговечности за счет исключения вероятности возникновения внутренней коррозии бетона. Указанное решение имеет недостаток - высокий расход портландцемента на обеспечения 1 МПа удельной прочности - 20,3…22,7 кг/МПа. В указанном решении 1 кг портландцемента формирует удельную прочность 44,0…49,3⋅10 МПа.
Наиболее близким по технической сущности является состав высокопрочного легкого бетона (патент RU 2515450 С1, опубликовано 10.05.2014), включающий цемент, полые микросферы, микрокремнезем, каменную муку, кварцевый песок, пластификатор и воду, мас. %: цемент - 30,0…60,0; микрокремнезем - 3,5…15,0; каменная мука - 1,5…12,0; кварцевый песок - 5,0…35,0; микросферы - 3,5…35,0; пластификатор - 0,27…0,48; вода - остальное.
Недостатком такого высокопрочного легкого бетона является повышенный расход вяжущего вещества для достижения высоких показателей механических свойств.
Целью изобретения является получение эффективного высокопрочного легкого бетона на полых микросферах со сниженным удельным расходом портландцемента на единицу проектной прочности.
2
Поставленная цель достигается тем, что высокопрочный легкий бетон, содержащий вяжущее вещество, наполнитель, пластификатор и воду затворения, а также минеральную часть, состоящую из микрокремнезема, имеющего средний размер частиц 0,01…1 мкм, каменной муки (продукт измельчения кремнеземсодержащей горной породы или кварцевого песка) с площадью удельной поверхности 750 м/кг и кварцевого песка фракции 0,16-0,63 мм, в качестве пластификатора используется гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе, в качестве наполнителя - полые микросферы, при этом в качестве вяжущего вещества используется композиционное вяжущее вещество, состоящее из портландцемента и микроразмерных гидросиликатов бария и гидросиликатов цинка, со средним размером частиц 5…10 мкм, а в качестве воды затворения - коллоидный раствор наноразмерных гидросиликатов цинка со средним размером частиц 15…30 нм, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Указанное композиционное вяжущее вещество, в том числе
- 45,71
Портландцемент
- 39,3…40,7
микроразмерные гидросиликаты бария
- 4,57
микроразмерные гидросиликаты цинка
- 0,44…1,84
Микрокремнезем
- 6,43
Указанная каменная мука
- 5,36
Указанный кварцевый песок
- 13,5
Полые микросферы
- 14,8
Указанный пластификатор
- 0,50
Указанный коллоидный раствор
- остальное
2
Для приготовления бетона используются композиционное вяжущее вещество, состоящего из портландцемента, например, марки СЕМ I 42,5 N по ГОСТ 31108-2016, микроразмерных гидросиликатов бария и цинка, получаемых путем гидрохимического синтеза из гидросиликатов натрия и водорастворимых солей бария и цинка. Приготовление композиционного вяжущего осуществляется путем совместного помола компонентов в шаровой мельнице до среднего размера частиц 5…10 мкм. Наличие в составе указанных гидросиликатов обеспечивает образование дополнительного количества носителей прочности - гидросиликатов кальция, образующихся при химическом взаимодействии микроразмерных гидросиликатов бария и цинка с портландитом. Минеральная часть, в состав которой входит кварцевый песок фракционированный (фр. 0,16-0,63 мм), соответствующий ГОСТ 8739-2014, каменная мука с удельной поверхностью 750 м/кг и микрокремнезем, обеспечивают заполнение межзерновых пустот наполнителя, образуя плотную структуру.
В качестве наполнителя используются полые алюмосиликатные микросферы, характерные свойства которых обеспечивают снижение средней плотности.
Применение в качестве пластификатора гиперпластификатора на основе поликарбоксилатов, например, типа «Melflux 1641F», позволяет увеличить подвижность и снизить водопотребность бетонной смеси.
2
2
В качестве воды затворения используется коллоидный раствор наноразмерных гидросиликатов цинка концентрацией 0,054…0,144% (брутто-формула ZnO⋅5,49…16,46 SiO⋅nHO) со средним размером частиц 15…30 нм (Grishina, A., Korolev, Е. Aggregative stability of fungicidal nanomodifier based on zinc hydrosilicates // E3S Web of Conferences. - 2018. - Vol. 33. - 02035. DOI: 10.1051/e3sconf/20183302035.), синтезируемых путем совмещения низкоконцентрированных растворов солей цинка с кремниевой кислотой, полученной в среде золя гидроксида железа (Grishina, A., Korolev, Е. Nanomodifier based on zinc hydrosilicates for cement systems // AIP Conference Proceedings. - 2016. - Vol. 1772. - 020016. DOI: 10.1063/1.4964538.). Функция указанного раствора заключается в образовании дополнительного количества носителей прочности - гидросиликатов кальция, образующихся при химическом взаимодействии наноразмерных гидросиликатов цинка с портландитом.
Присутствие цинка в используемых нано- и микроразмерных гидросиликатах цинка дополнительно обеспечивает биоцидные свойства бетона (Строганов, В.Ф., Сагадеев, Е.В. Введение в биоповреждение строительных материалов. Казань: Изд-во КГАСУ, 2014. - 200 с.).
Наномодифицированный высокопрочный легкий бетон на композиционном вяжущем готовят следующим образом. Предварительно перемешивают композиционное вяжущее вещество, каменную муку и микрокремнезем с микросферами для образования равномерного слоя на поверхности наполнителя. Сухие компоненты загружают в смеситель, добавляют коллоидный раствор наноразмерных гидросиликатов цинка с растворенным в нем гиперпластификатором и перемешивают до получения однородной смеси, после чего добавляют фракционированный песок и перемешивают в соответствии с EN 196-1-ASTM С305. Из полученной смеси изготавливают образцы для испытаний: балки размером 40×40×160 мм.
Испытания проводятся по следующим методикам:
- ГОСТ 12730.1-2020. Бетоны. Методы для определения плотности;
- ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы для определения прочности по контрольным образцам.
Физико-механические свойства определяют в возрасте 28 суток нормального твердения (температура - 20±1°С, влажность - 85±2%).
Удельный расход вяжущего на единицу проектной прочности при изгибе и сжатии (кг/МПа) рассчитывается по формулам, соответственно:
изг
изг
Ц=Ц/R;
сж
сж
Ц=Ц/R;
3
изг
сж
где Ц - расход портландцемента на 1 м бетона, кг; R, R - предел прочности при изгибе и сжатии, МПа.
Приведенная прочность бетона при изгибе и сжатии, обеспечиваемая 1 кг портландцемента, рассчитывается по формулам:
Составы предлагаемого наномодифицированного высокопрочного легкого бетон на композиционном вяжущем приведены в таблице 1, а его физико-механические свойства - в таблице 2.
Указанное композиционное вяжущее вещество, в том числе
- 45,71
портландцемент
- 39,3…40,7
микроразмерные гидросиликаты бария
- 4,57
микроразмерные гидросиликаты цинка
- 0,44…1,84
Микрокремнезем
- 6,43
Указанная каменная мука
- 5,36
Указанный кварцевый песок
- 13,5
Полые микросферы
- 14,8
Указанный пластификатор
- 0,50
Указанный коллоидный раствор
- остальное
-3
-3
Как видно из таблицы 2, предлагаемый наномодифицированный высокопрочный легкий бетон на композиционном вяжущем имеет высокие механические свойства (приведенная прочность при изгибе - 4,93…5,48⋅10 МПа/кг, приведенная прочность при сжатии - 80,3…83,7⋅10 МПа/кг), что на 20,7…33,3 и 4,7…9,1% больше, чем у прототипа. При этом удельный расход портландцемента на единицу проектной прочности составляет 182,3…203,0 и 11,9…12,4 кг/МПа при изгибе и сжатии бетона, соответственно, что на 17,2…25,6 и 4,5…8,4% меньше, чем у прототипа.