СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ НАНОДИСПЕРСНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ
METHOD OF PRODUCING COMPLEX NANO-DISPERSIVE ADDITIVE FOR CONCRETE MIXTURE

Изобретение относится к строительству и промышленности строительных материалов, в частности к способам изготовления комплексных нанодисперсных добавок в цементные бетоны и растворы для увеличения подвижности бетонной смеси, повышения прочности, плотности бетона, снижения водопоглощения, ускорения твердения строительных изделий и конструкций.
Известна комплексная микрогранулированная добавка для бетонной смеси (патент RU №2390509, МПК 7 С04В 22/06, опубл. 27.05.2010 г.) на основе суперпластификатора С-3, смолы древесной омыленной, алюмометилсиликоната натрия и полученная способом распылительной сушки водного раствора ее компонентов.
К недостаткам способа изготовления добавки относятся: недостаточно высокая прочность и большое водопоглощение бетона, многокомпонентность добавки, трудоемкость ее производства, связанная с получением суспензии, ее распылением и сушкой водного раствора компонентов добавки, что усложняет технологию, повышает энергоемкость способа приготовления и соответственно ведет к удорожанию продукции.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления комплексной добавки в бетонную смесь, включающую, мас.%: микродисперсный шунгит 33,3, суспензию из нанодисперс-ного шунгита с размером частиц 62-716 нм и суперпластификатора С-3 в виде сухого вещества 66,7. (Пыкин А.А., Лукутцова Н.П., Костюченко Г.В. Регулирование свойств бетонов добавками на основе нанодисперсного шунгита // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф., Белгород, 5-8 окт.2010 г. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. - Ч.1. - С.292-296; подписано к печати 22.09.2010)
2
Суспензия, изготовленная известным способом, получена путем ультразвукового диспергирования порошка, осуществленного совместным помолом в дисковой вибрационной мельнице шунгита и суперпластификатора С-3 до удельной поверхности 320-350 м/кг при соотношении компонентов 1:0,6. При этом концентрация данного порошка в воде составляет 1%, а частота ультразвука - 22 кГц.
К недостаткам известного способа относятся: большое соотношение шунгита и суперпластификатора С-3, который, вследствие экранирования поверхности образующихся нанодисперсных шунгитовых частиц, снижает их положительную роль на процессы структурообразования в бетонной смеси и формирование физико-механических свойств бетона; необходимость в дополнительном введении микродисперного шунгита для компенсации указанной отрицательной роли суперпластификатора С-3, что повышает энергоемкость производства и стоимость комплексной добавки, полученной известным способом. Технический задачей предложенного изобретения является увеличение подвижности бетонной смеси, повышение прочности, плотности бетона, снижение водопо-глощения, ускорение твердения строительных изделий и конструкций
2
Техническая задача достигается за счет того, что в способе изготовления комплексной нанодисперсной добавки для бетонной смеси, полученной путем ультразвукового диспергирования водной суспензии, полученной смешением шунгита, суперпластификатора С-3 и воды, сначала получают твердую фазу суспензии совместным помолом в шаровой мельнице шунгита и суперпластификатора С-3 в виде сухого вещества до удельной поверхности 380-400 м/кг, затем смешивают ее с водой а диспергирование полученной суспензии с концентрацией твердой фазы 3% осуществляют до размера частиц 90-280 нм при частоте ультразвука 35 кГц и следующем содержании компонентов, мас.%: шунгит 75,0-89,3, суперпластификатор С-3 10,7-25,0.
Выбор шаровой мельницы, времени операции, а также использование суперпластификатора С-3 обусловлены возможностью повышения эффективности измельчения шунгита до порошка с большей удельной поверхностью при минимальных затратах энергии на помол.
В связи с лучшей размалываемостью шунгита, он более предпочтителен как дисперсный носитель, чем кварцевый песок, шлаки и другие минеральные добавки. Адсорбирование молекул суперпластификатора на поверхности шунгитовых частиц способствует лучшему их измельчению в результате развития дефектов в структуре минеральной кремнеземсодержащей составляющей, а также уменьшению агрегации вновь образующихся микрочастиц, их налипанию на мелющие тела и стенки шаровой мельницы.
2
Известно, что характерной особенностью шунгита является наличие у него двухкаркасной структуры, состоящей из достаточно равномерно распределенных минеральных кристаллических частиц с преобладанием кремнезема β-модификации размерами от 1-2 до 10-12 мкм и матрицы из сферических, пустотелых, многослойных фуллереноподобных глобул аморфного углерода с размерами 10-20 нм. Несмотря на отсутствие химических связей между кремнеземом и углеродом, в составе шунгитов они представляют собой две взаимопроникающие фазы с контактной поверхностью около 20 м/г и не разделяются даже при диспергировании до размеров 1 мкм.
Использование тонко дисперсных шунгитовых наполнителей в составе цементных композиций вызывает ряд технологических проблем, связанных со сложностью получения гомогенной смеси и обеспечения равномерного распределения шунгитовых микрочастиц в объеме цементной матрицы. Кроме того, между частицами цемента и шунгита практически отсутствует адгезия. Наличие гидрофобной углеродной пленки на поверхности кремнезема в структуре шунгита приводит к сегрегации шунгитового наполнителя и цементных частиц, а ее сорбирующие свойства способствуют формированию структуры порового пространства, не заполненного твердой фазой новообразований цементного камня. При этом потенциально полезные элементы шунгита, в частности кремнезем, связаны и не проявляют своих свойств.
2
Установлено, что в результате ультразвукового диспергирования шунгитового порошка в воде происходит разделение ее углеродной и кремнеземистой фаз. При этом кремнеземистая составляющая шунгита, отделенная от углерода, под действием ультразвука подвергается эрозии и диспергированию с образованием наноразмерных частиц с аморфизированным поверхностным слоем. В свою очередь анионы суперпластификатора С-3 препятствуют обратной агрегации аморфных углеродных наноструктур и образующихся наночастиц SiO.
Предлагаемый способ изготовления комплексной нанодисперсной добавки для бетонной смеси осуществляется в следующей последовательности. Предварительно взвешанные в необходимом массовом соотношении шунгит и суперпластификатор С-3 перемешивают и совместно измельчают в шаровой мельнице до получения тонко дисперсного порошка. После дозирования воды и полученного порошка осуществляют загрузку компонентов в ультразвуковой механоактиватор, где они перемешиваются до образования однородной суспензии. Далее проводят ультразвуковое диспергирование полученной суспензии.
Пример
В качестве исходных сырьевых материалов при осуществлении предлагаемого способа изготовления комплексной нанодисперсной добавки применяли:
- шунгитовый щебень фракции 5-10 мм разновидности III с содержанием диоксида кремния 51-67% и 28-32% аморфного углерода;
- суперпластификатор С-3 в виде сухого вещества (ТУ 5870-002-58042865-03).
2
Для приготовления 1000 л добавки смешивали 970 л водопроводной воды и 30 кг порошка с удельной поверхностью 380-400 м/кг, полученного путем совместного помола в шаровой мельнице в течение 1 часа 20,6-26,8 кг шунгитового щебня и 3,2-9,4 кг суперпластификатора С-3.
Далее в течение 15 мин проводили ультразвуковое диспергирование полученной суспензии в импульсном механоактиваторе ПСБ-4035-04 при температуре воды (20±2)°C и частоте ультразвука 35 кГц.
кр
Для проверки эффективности комплексной нанодисперсной добавки, изготовленной предложенным способом, бетонную смесь приготавливали по следующей методике. Портландцемент марки ПЦ 500 Д0 перемешивали в сухом состоянии с кварцевым песком с М=1,6 и гранитным щебнем фракции 5-20 мм. Затем в полученную сухую смесь вводили добавку вместе с водой затворения в количестве 10% от массы цемента. Смесь тщательно перемешивали до однородной массы. Далее формовали образцы-кубы размерами 10×10×10 см согласно стандартной методике. Испытания образцов проводили через 1, 3, 7 и 28 суток нормального твердения.
Составы бетонных смесей, комплексных добавок и результаты испытаний образцов тяжелого бетона представлены в табл.1 и 2.
Таблица 1
Составы бетонных смесей и комплексных добавок
№ п/п
Расход материалов на 1 м<sup>3</sup>, кг
Содержание компонентов нанодисперсной добавки, мас.% *
цемент
песок
щебень
вода
добавка, %
Микродобавка шун-гита
шунгит
С-3
1 (контрол.)
400
650
1300
200
-
-
-
-
2
400
650
1300
160
10
-
68,3
31,7
3
400
650
1300
160
10
-
72,5
27,5
4
400
650
1300
160
10
-
75,0
25,0
5
400
650
1300
160
10
-
83,3
16,7
6
400
650
1300
160
10
-
89,3
10,7
7
400
650
1300
160
10
-
92,4
7,6
прототип
400
650
1300
160
15
33,3
62,5**
37,5**
Примечание: *При концентрации твердой фазы 3%, воды - 97%. ** При концентрации твердой фазы 1%, воды - 99%.
Таблица 2
Результаты испытаний образцов тяжелого бетона
Составы из табл.1
Подвиж-ность, см
Плотность, кг/м
Предел прочности при сжатии, МПа, через сутки
Водопоглощение (по массе), %
1
3
7
28
1 (контрол.)
7,7
2250
6,6
13,0
24,5
31,2
1,94
2
6,9
2292
12,1
20,6
39,8
45,4
0,90
3
7,5
2304
14,1
34,6
45,3
54,8
0,47
4
7,9
2312
15,3
38,2
52,0
65,2
0,38
5
8,2
2345
16,1
39,2
52,4
67,1
0,37
6
8,0
2340
15,7
38,6
52,1
65,7
0,38
7
7,1
2291
13,8
27,8
43,4
43,6
0,57
прототип
7,9
2310
15,3
16,1
43,3
54,2
0,45
Из данных табл.2 следует, что введение комплексной нанодисперсной добавки, изготовленной предложенным способом, в бетонную смесь в количестве 10% от массы цемента (составы 4-6), повышает прочность бетона более чем в 2 раза и снижает водопоглощение более чем в 5 раз. Кроме того, добавка, изготовленная предложенным способом, позволяет повысить прочность бетона в ранние сроки твердения: через 1 сутки - в 2,1-2,4 раза, через 3 суток - в 2,7-3 раза, через 7 суток - в 1,8-2,2 раза и подвижность бетонной смеси или сократить расход воды до 20%.
Максимальный эффект от применения комплексной нанодисперсной добавки, изготовленной предложенным способом, наблюдается у составов 4-6. Изменение соотношения данных компонентов в большую или меньшую сторону приводит к снижению эффективности добавки.
2
Механизм влияния комплексной нанодисперсной добавки, изготовленной по заявляемому способу, на свойства бетонной смеси и бетона связан с ускорением гидратации клинкерных минералов цемента и образования портландита Са(OH). За счет взаимодействия интенсивно выделяющегося портландита с наночастицами аморфизированного кремнезема добавки, в поровом пространстве цементного камня твердеющего бетона образуется дополнительное количество эттрингита и преимущественно низкоосновных гидросиликатов кальция, способствующих уплотнению структуры и отвечающих за повышение прочности бетона. При этом аморфные углеродные наночастицы добавки выполняют роль центров кристаллизации указанных новообразований.
Предлагаемый способ изготовления комплексной нанодисперсной добавки отличается простотой и низкими энергозатратами, а применение полученной добавки в качестве ускорителя твердения бетонных смесей позволяет повышать производительность заводов товарного бетона, сборного железобетона, увеличивать оборачиваемость форм, снижать расход цемента до 30%, снижать расход электроэнергии при пропаривании изделий и конструкций.