Комплексная органоминеральная добавка для бетонов
COMPLEX ORGANIC-MINERAL ADDITIVE FOR CONCRETE

Изобретение относится к составам комплексных органоминеральных добавок для бетонов и может найти применение в производстве строительных материалов при изготовление бетонных изделий (тротуарных плит, бордюрных камней, фундаментов, дорожных покрытий).
Известен состав комплексный органоминеральной добавки (модификатор) для получения быстротвердеющих цементных бетонов и раствором, приведенный в патенте РФ №2232144, МПК С04В 28/04, включающий компоненты при следующем соотношении, мас. %: щелочный ускоритель 7,65-19,9; суперпластификатор 7,65-15,3; полигидроксидкарбоновая кислота 0,042-0,093; кальцинированная сода 0,22-0,5; микрокремнезем остальное.
Наряду с большими достоинствами добавки (не требуется термоподготовка, повышается удобоукладываемость и прочность бетона) имеются недостатки:
1. Суперпластификатор относится к числу дорогостоящих добавок и требуется его большой расход до 15,3%.
2. Микрокремнезем относится к числу дорогостоящих добавок (7000-9000 рублей за тонну, требуется большой расход).
3. Кальцинированная сода относится к дорогостоящим добавкам (35000 рублей за тонну).
Наиболее близкий состав комплексной органоминеральной добавки для бетонов и растворов к составу предлагаемой приведен в ГОСТ №24211 и, отвечающий требованиям «ТУ 5745-022-58042865-2007», т.е добавка к бетонам суперпластификатор полуфункционального действия с основной натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислоты - «ПФМ-НЛК».
Данная добавка изготавливается организацией «ООО Полипласт» и применяется на одном из заводов Тульской области по производству тротуарной плитки по литьевой технологии формования, причем с оптимально установленной нормой расхода такой добавки в количестве 0,47% от массы портландцемента с маркой М500. Наряду с достоинствами добавки (повышается удобоукладываемость, ускоряется процесс твердения) имеются недостатки:
1. Высокие материальные затраты на добавку (70000 рублей за тонну).
2. Требуются теплоэнергозатраты, т.к. воду для растворения добавки необходимо нагревать до оптимальной температуры, что отмечено в ГОСТ 24211, для указанной добавки «ПФМ-НЛК».
3. Замедленный период конца схватывания - 92 минуты.
Задача изобретения - уменьшить материальные и теплоэнергетические затраты, сократить срок конца схватывания смеси бетона без снижения эффекта удобоукладываемости и прочности бетона.
Поставленная задача достигается тем, что комплексная органоминеральная добавка для батонов, включающая - суперпластификатор полифункционального действия с основой натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислоты «ПФМ-НЛК», дополнительно содержит: содощелочный плав - отход производства капролактама, тонкодисперсный бурый уголь - попутный отход, образующийся на дне вагонов при транспортировке или в основании складов при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанный суперпластификатор 20,15-20,7; содощелочной плав 51,7-53,11; указанный бурый уголь 26,74-27,6.
Состав предлагаемой добавки приведен в таблице №1.
Таблица №1 – Состав предлагаемой комплексной органоминеральной добавки
Компоненты
Номера составов, мас.%
Прототип
1
2
3
4
5
«ПФМ-НЛК»
15,4
20,15
20,46
20,7
23,53
100
Содощелочной сплав
46,2
53,11
52,3
51,7
50
Бурый уголь
38,4
26,74
27,24
27,6
26,47
Примечание: составы №1 и №5 запредельные, т.к. не отвечают поставленной задаче, конкретно: состав №1 по сроку схватывания, а №5 по материальным затратам.
1. Суперпластификатор полифункционального действия «ПФМ-НЛК» отвечает требованиям ГОСТ 24211 и ТУ 5745-022-58942865-2007. Производится организацией «ООО Полипласт» г. Новомосковск, Тульская область.
2
2. Содощелочной сплав - отход производства капролактама Щекинского химкомбината, г. Щекино, Тульская область. Представляет собой порошок желтого цвета, не токсичен. Применяется для приготовлении шлакощелочного вяжущего. Хорошо растворяется в обычной воде с температурой 15-20 градусов Цельсия. Химический состав, мас. %: NaCO3 - 87,0-94,1; NaOH - 8-10; Fe - 0,001-0,004; нерастворимый осадок - 0,2-0,7. Отпускная цена 11000 рублей за тонну.
2
3
3. Бурый уголь Подмосковного угольного бассейна «Сафоновское шахтоуправление». Принят порошок угля, образующейся самопроизвольно (за счет трения) на дне вагонов. При транспортировке железнодорожным транспортом или на основании складов с удельной поверхностью 2200-2500 см/г и средней плотностью 1,02 г/см, относится к числу попутных отходов. Отпускная цена 1500 рублей за тонну.
Реализация задачи опытами.
2
3
Пример №1 - приготавливали предлагаемый состав комплексной органоминеральной добавки для бетонов. Для этого дозировали по массе компоненты состава №2, приведенного в таблице №1. Взяли 1 кг дистиллированной воды, в которую при перемешивании добавили 732,5 г содощелочного плава (53,11%). Через 2 минуты раствор нагрелся за счет экзотермического эффекта до 40 градусов Цельсия, и в него ввели 275 г (20,15%) суперпластификатора «ПФМ-НЛК», а затем 366 г (26,74%) тонкодисперсного бурого каменного угля, с удельной поверхностью 2200-2500 см/г и средней плотностью 1,02 г/см, взятого со дна железнодорожного вагона. Полученный комплексный органоминеральный раствор принят в качестве модификатора для бетонов, причем не требующий дополнительных затрат на подогрев воды. Полученный раствор устойчив к расслаиванию, черного цвета, равномерно однородный.
Аналогичным методом были приготовлены составы комплексных органоминеральных добавок №1, №3, №4, №5, приведенные в таблице №1.
Раствор суперпластификатора (прототипа) был приготовлен по ГОСТ 24211, т.е. дистиллированную воду, взятую из расчета В/Ц=0,55, подогрели до оптимальной температуры 40 градусов Цельсия и при перемешивании в нее ввели порошковый суперпластификатор «ПФМ-НЛК» в количестве, соответствующем 0,47% от массы цемента. Через 3 минуты смешивания был получен однородный раствор светло-желтого цвета.
3
Эффект действия разработанной комплексной органоминеральной добавки и добавки прототипа был проверен на составе мелкозернистой бетонной смеси, взятой в соотношении ПЦ М500 и кварцевого песка с модулем крупности 2,5 как 1:3, причем добавку вводили сверх 100% бетонной смеси. Количество цемента принято 250 кг/м при В/Ц-0,55. Образцы формовали размером 10×10×10 см, по шесть штук в каждой партии.
Твердели образцы при нормальных условиях 28 суток, а затем были испытаны на показание прочности при сжатии, чтобы установить оптимальный расход добавки, соответствующий максимально полученной прочности.
Результаты испытаний приведены в таблице №2.
Таблица №2 – Результаты испытания прочности бетона в зависимости от количества комплексной органоминеральной добавки
Количество добавки % от ПЦ М500
Прочность при сжатии после 28 суток нормального твердения, МПа
0,47 (прототип)
28,03
0,2
27,9
0,4
28,5
0,6
26,5
Из данных таблицы №2 видно, что оптимальное количество комплексной добавки состава прототипа составляет 0,47% от массы ПЦ М500, а предлагаемой 0,4% от массы ПЦ М500.
Сопоставительный анализ удобоукладываемости бетонной смеси и прочности бетона через 28 суток нормального твердения с предлагаемой добавкой (0,4% от массы ПЦ М500) и добавкой прототипа (0,47% от массы ПЦ М500) приведены в таблице №3, а в таблице №4 показаны материальные затраты предлагаемой добавки.
Анализ данных, приведенных в таблице №3.
1. С использованием заявляемого состава комплексной органоминеральной добавки по отношению к добавке прототипа - удобоукладываемость бетонной смеси и прочность не уменьшились, что согласуется с поставленной задачей.
2. Срок конца схватывания сократился на 17 минут, что согласуется с поставленной задачей.
Материальные затраты на покупку 1 тонны добавки «ПФМ-НЛК» составляют 70000 рублей.
Затраты на 1 тонну комплексной добавки составляют 20591 руб.
Анализ результатов, приведенных в таблице №4.
1. За счет снижения в составе предложенной комплексной органоминеральной добавки количества дорогостоящего суперпластификатора «ПФМ-НЛК» и утилизации содощелочного плава и тонкодисперсного бурого угля затраты на материалы 1 тонны добавки уменьшились на 70,6%, что согласуется с поставленной задачей.
2. За счет экзотермического эффекта при растворении содощелочного плава в воде исключается необходимость подогревать воду до 40 градусов Цельсия, т.е. предложенным составом комплексной органоминеральной добавки выполняется задача исключения теплоэнергетических затрат, что согласуется с поставленной задачей.
Химическая сущность природы действия комплексной добавки состоит в механизме соединения углеродосодержащего компонента, а точнее гумината, получаемого при растворении бурого угля в щелочной среде с суперпластификатором «ПФМ-НЛК», что привело к следующим эффектам:
1. Гуминат способен повышать прочность цементно-песчаного бетона, взятых по массе 1:3, а точнее прочность состава вяжущего в состоянии испытания на прочность (см. патент РФ №2524698, МПК С04В 7/13: «Вяжущее», авторы: Уруев В.М., Токарева и др., опубл. 10.08 2014).
2. Суперпластификатор «ПФМ-НЛК» обеспечивает удобоукладываемость в комплексе с принятой дополнительной щелочесодовой средой (содощелочным плавом).
3. Усиление щелочной среды бетонной смеси ускоряет процесс схватывания, при условии, что щелочность среды создается щелочным катионом натрия и натрия (см. патент США №3663286, кл. С04В 13/24, 1979 г.). Данное условие предусмотрено в разработке комплексной добавки. Это отражено и в принятом аналоге РФ, приведенном выше.
4. Содержащиеся в составе содощелочного плава катионы железа (0,001%-0,004%) выполняют роль центров кристаллизации, что способствует ускорению конца схватывания и прочности бетона.
5. Уменьшение затрат на материалы обеспечено не только уменьшением дорогостоящего суперпластификатора, но и применением отходов производств содощелочного плава и тонкодисперсного бурого угля, который скапливается на дне вагонов при транспортировке к ГЭС или на дне крытых складов.
6. Выбор бурого угля вместо обычного, например Донецкого, обоснован тем, что бурый уголь при растворении в щелочной среду дает большее количество гумината в сравнении с обычным каменным углем (см. Л.Н. Екатеринина, Л.В. Мотовилова и др. Гуминовые препараты из углей для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. М., 1989, с. 87).