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
Основой повышения эффективности производства бетонов является разработка способов направленного формирования структуры композиционных материалов, получение продукта с заданными эксплуатационными свойствами и экономия цемента. Одним из наиболее распространенных способов модифицирования структуры является применение нанодисперсных добавок. Использование нанодисперсных добавок, обладающих структурирующим и фотокаталитическим эффектом, способствует повышению физико-технических характеристик композиционных материалов и деградированию адсорбированных на поверхности материала загрязняющих веществ. Наиболее популярным фотокатализатором широко применяемым в составе строительных материалов является анатаз - полиморфная разновидность диоксида титана. Однако низкая скорость фотохимических процессов, активность под действием только ближнего ультрафиолетового света и склонность наночастиц TiO к агломерации снижает эффективность применения диоксида титана в составе строительных материалов.
Известен способ получения сырьевой смеси для высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой (см. пат. 2471752 С1 РФ, МПК С04В 38/00, В82В 1/00, (2006.01), 2013), включающей портландцемент (ГЩ), кварцполевошпатный песок с модулем крупности 2,1, гранитные отсевы фракции 2,5-5 мм, добавку и воду, в качестве добавки используют нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил 05, который предварительно подвергают УЗД совместно с водой затворения при следующем соотношении компонентов, мас. %:
портландцемент
25-25,6,
кварцполешпатовый песок
32-32,5,
гранитные отсевы
32,5-33,
нанодисперсный порошок диоксида кремния
Таркосил 05
0,013-0,052,
вода
8,348-9,987.
К недостаткам состава сырьевой смеси для высокопрочного бетона относится сложность технологического процесса приготовления диоксида кремния Таркосил 05, невысокая начальная прочность.
Известен также принятый в качестве прототипа состав бетонной смеси (см. пат. 2632082 РФ, МПК С04В 28/04, 14/06, 14/22, 22/06, 111/20 (2006.01), 2017) включающий портландцемент, песок кварцевый, воду, стеклобой в виде тарного или строительного стекла фракции 0.16-10 мм, 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,
фотокаталитическая добавка диоксида титана
0,15-0,45,
вода
остальное.
К недостаткам известной бетонной смеси следует отнести относительно невысокие показатели прочности, истираемости и отсутствие данных, подтверждающих ее фотокаталитическую активность.
Заявляемая бетонная смесь, как и известные, включает портландцемент, песок кварцевый, воду, фотокаталитическую добавку, пластификатор.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении прочности, приобретении самоочищающейся поверхности бетона при облучении не только ультрафиолетовым светом (УФ), но и видимым (ВС), и улучшении эксплуатационных характеристик бетона.
Технический результат достигается тем, что в качестве фотокаталитической добавки содержит титаносиликатный порошок (TiSi), являющийся отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента, а в качестве пластификатора - гексаметафосфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас. %:
портландцемент типа СЕМ I 42.5 Н
22,0-22,4,
песок кварцевый
67,4-68,5,
фотокаталитическая добавка
(титаносиликатный порошок)
0,11-0,45,
пластификатор
0,01-0,03,
вода
остальное.
2
2
2
2
2
Достижению технического результата способствует то, титаносиликатный порошок, являющийся отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента, содержит, мас. %: 21,1-25,7 SiO, 36,4-39,8 TiO, 9,4-12,4 NaO, 4,1-6,0 KO и имеет удельную поверхность 50,2 - 143 м/г (определяли методом тепловой десорбции азота на установке FlowSorb II 2300 (Micromeritics)).
В качестве вяжущего использовался портландцемент СЕМ I 42.5 Н, ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия». Содержание вяжущего в бетонной смеси 22,0-22,4 мас. %, необходимо и достаточно для получения бетона требуемой прочности. Уменьшение доли цемента менее 22,0 приводит к снижению прочностных характеристик и долговечности готовой продукции, а количество вяжущего более 22,4 мас. % приводит к появлению микротрещин вследствие повышенной усадки при твердении и удорожанию готовой продукции.
В качестве заполнителя использовали кварцевый песок с модулем крупности 2,3 по ГОСТ «Песок для строительных работ. Технические условия». Содержание кварцевого песка в бетонной смеси составляет 67,4-68,5 мас. % необходимо и достаточно для получения бетона требуемой консистенции и прочности. Количество кварцевого песка менее 67,4 мас. % приводит к появлению микротрещин и расслаиванию бетонной смеси, а введение более 68,5 мас. % приводит к снижению удобоукладываемости и прочностных характеристик бетона.
Использование в составе бетонной смеси титаносиликатного порошка, являющегося отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента, обусловлено следующим.
2
2
2
2
Одним из способов получения TiO, фотокаталитически активного при дневном свете, является его легирование ионами металлов. Легирование TiO кремнеземом может значительно повысить его сорбционные характеристики и фотокаталитическую активность. Поскольку SiO является одним из компонентов бетона, то его присутствие в составе фотокатализатора может обеспечить не только синергетический эффект с TiO, выражающийся в усилении фотокаталитической активности последнего, но и повысить качество бетона за счет улучшения его основных характеристик.
2
2
2
Применение смешанных оксидов диоксида титана и диоксида кремния в составе цементных композитов способствует приобретению не только самоочищающихся и бактерицидных свойств, но также улучшает механические свойства цементного камня. Улучшению прочности на сжатие способствует присутствие нанокремнезема, а диоксид титана обеспечивает фотокаталитическую активность. Наночастицы TiO-SiO ускоряют гидратацию цемента, способствуют повышению степени гидратации и снижению пористости камня, а также могут ограничивать агломерацию наночастиц TiO в цементной матрице, кроме того, они могут реагировать с портлантидом (СН) с образованием гидросиликатов кальция (CSH), что будет способствовать созданию более плотной структуры цементной матрицы.
Содержание титаносиликатного порошка в бетонной смеси в количестве 0,11-0,45 мас. % необходимо и достаточно для получения бетонной смеси с повышенной прочностью и самоочищающейся поверхностью, как в ультрафиолетовой области спектра, так и в видимой. Содержание титаносиликатного порошка менее 0,11 мас. % не обеспечивает достаточного эффекта самоочищения и повышения прочности, а введение более 0,45 ведет к увеличению водопотребности и снижению прочности.
С целью поддержания заданной удобоукладываемости и равномерного распределения частиц в состав бетонной смеси вводили пластификатор.
Использование в качестве пластификатора гексаметафосфата калия обусловлено тем, что он обладает хорошими адсорбционными и диспергирующими свойствами. Механизм действия указанного пластификатора основан на адсорбции его молекул на поверхности частиц с образованием на них отрицательного заряда. Это не позволяет частицам сблизиться и образовать конгломераты, в результате чего снижается количество воды затворения, необходимое для получения бетонной смеси с заданными характеристиками. Содержание гексаметафосфата натрия в количестве 0,01-0,03 мас. % необходимо и достаточно для равномерного распределения нанодисперсной титаносиликатной добавки в объеме цементной матрице и получения требуемой консистенции бетонной смеси. Количество ПАВ менее 0,01 не обеспечивает равномерное распределение наночастиц титаносиликатной добавки в объеме цементной матрице и требуемую подвижности бетонной смеси. При введении в состав бетонной смеси гексаметафосфата более 0,03 замедляется скорость твердения в раннем возрасте и снижается прочность бетона.
Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата и изобретения, заключающегося в повышении прочности, приобретении самоочищающейся поверхности бетона не только при облучении ультрафиолетовым светом, но и видимым, и повышении долговечности эксплуатационных характеристик бетона. В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны следующие исходные компоненты бетонной смеси и их количественное соотношение.
2
2
2
2
2
2
2
Использование в качестве компонента бетонной смеси титаносиликатного порошка состава, мас. %: 21,1-25,7 SiO, 36,4-39,8 TiO, 7,0-12,4 NaO, 3,2-4,2 KO, с удельной поверхностью поверхность 50,2-143 м/г обусловлено условиями синтеза титаносиликатного сорбента. При удельной поверхности меньше 50,2 м/г снижается реакционная способность титаносиликатного порошка, а при удельной поверхности 143 м/г усиливается склонность титаносиликатного порошка к агломерации, что препятствует равномерному распределению наночастиц в цементной матрице и приводит к возникновению слабых зон в цементном камне.
Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют получить оптимальный состав бетонной смеси с точки зрения обеспечения повышенной прочности, самоочищающейся поверхности и улучшения эксплуатационных свойств.
Для получения бетонной смеси используют следующие компоненты.
2
2
3
2
3
2
3
3
2
3
4
-
Портландцемент типа СЕМ I 42.5Н по ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия». Химический состав цемента, мас. %: 65,7 СаО, 21,3 SiO, 4,4 AlO, 4,0 FeO, 2,0 MgO, 0,7 NaO, 3,0 SO, 0,06 Cl, 2,8 потери при прокаливании. Минеральный состав, мас. %: 65,8 CS, 11,3 CS, 5,0 СА, 12,2 CAF. Прочность при сжатии в возрасте 2 сут.28,5 МПа, 28 сут.48,8 МПа, начало схватывания 135 мин., конец схватывания 230 мин.
2
Песок кварцевый с модулем крупности 2,3 по ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия», содержание SiO не менее 98,3 мас. %.
2
2
2
2
2
Титаносиликатный порошок, являющийся отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента с удельной поверхностью 50,2 - 143,1 м/г содержит, мас. %: 21,1-25,7 SiO, 36,4-39,8 TiO, 9,4-12,4 NaO, 4,1-6,0 KO.
3
2
5
Гексаметафосфат натрия с плотностью 2,181 г/см и рН 6,0-7,7 содержит не менее 68 мас. % полифосфата натрия в пересчете на PO и нерастворимых в воде веществ не более 0,1 мас. %.
2
2
Приготовление бетонной смеси согласно изобретению осуществляется путем смешения расчетного количества портландцемента, кварцевого песка, фотокаталитической добавки, пластификатора в лабораторном автоматическом смесителе. Первоначально для предотвращения агломерации и максимального разделения наночастиц TiO-SiO в объеме цементной матрицы титаносиликатный порошок предварительно подвергали ультразвуковому диспергированию в 0,2-0,6% растворе гексаметафосфата натрия в течение 10 минут при помощи ультразвукового диспергатора УЗД 2-0,1/22, генерирующего ультразвуковое поле с частотой 22 кГц и мощностью 0,2 Квт. Далее в чашу затворения помещают воду, суспензию фотокаталитической добавки и портландцемент; песок высыпают в дозирующее устройство. Смесь перемешивают в растворосмесителе со следующей последовательностью: в начале со скоростью 145 об/мин портландцемент, суспензию фотокаталитической добавки и воду в течение 30 с, а далее дозирование песка в течение 30 с, затем со скоростью 275 об/мин перемешивание цементного раствора в течение 30 с. На второй стадии процедуру перемешивания продолжают в течение 60 с при скорости 275 об/мин.
Для определения характеристик бетонной смеси формовали образцы размерами 4×4×16 см, которые выдерживали в формах в течение 1 суток при нормальных условиях. Затем образцы расформовывали, далее образцы твердели в воде в течение 28 суток.
Прочность образцов определяли по ГОСТ 310.4-81, истираемость по ГОСТ 13087-2018, фотокаталитическую 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 приведены Свойства титаносиликатного порошка (Примеры 1-6). В Таблице 3 указаны Свойства бетонной смеси согласно Примерам 1-7.
Из данных, приведенных в Таблице 3, видно, что предлагаемая бетонная смесь по сравнению с прототипом имеет более высокую прочность при изгибе и сжатии, меньшую истираемость и обладает способностью к самоочищению как в УФ, так в видимой области спектра.