СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ)
RAW MIXTURE FOR CONSTRUCTION MATERIALS (VERSIONS)

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.
-8
-5
-8
-5
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…10 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…10 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.
-2
-2
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 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 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<sup>-9</sup>
18
8,5
39,5
7,5
3
есть
10<sup>-8</sup>
21
5,3
41,6
4,8
4
есть
10<sup>-5</sup>
22
4,5
43,4
4,1
5
есть
10<sup>-4</sup>
19
7,8
40,8
6,9
6
нет
10<sup>-2</sup>
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<sup>-5</sup>
19
7,5
41,5
6,1
3
8,0
10<sup>-5</sup>
20
5,1
43,4
4,3
4
9,0
10<sup>-5</sup>
21
4,7
44,6
4,0
5
9,5
10<sup>-5</sup>
19
7,1
42,8
5,9
6
6,5
10<sup>-2</sup>
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:
3
Сырьевые смеси по составу №4 (табл.1 и 2) приготавливались на заводской бетоносмесительной установке, оснащенной серийным двухвальным лотковым смесителем с объемом готового замеса 1 м. 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<sup>-5</sup>
23
4,3
44,3
F600
W18
3
10<sup>-5</sup>
22
5,1
43,6
F600
W20
4
10<sup>-2</sup>
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.