Способ получения наномодифицированной добавки для пенобетонов и пенобетонная смесь, содержащая указанную добавку
METHOD FOR OBTAINING A NANOMODIFIED ADDITIVE FOR FOAM CONCRETE AND A FOAM CONCRETE MIXTURE CONTAINING THE SPECIFIED ADDITIVE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к промышленности строительных материалов – к производству ячеистых бетонов, в частности, пенобетона, применяемого для изготовления любых изделий из ячеистого бетона, более предпочтительно для мелких стеновых блоков производственных помещений, многоэтажных и индивидуальных жилых домов. Более конкретно, изобретение относится к способу приготовления пенобетона, к сырьевой смеси для приготовления пенобетона и к пенобетону, приготовленному из такой сырьевой смеси вышеупомянутым способом.
Уровень техники
Из патента Российской Федерации № 2471753 С1, опубл. 10.01.2013, известны способ получения пенобетона и сырьевая смесь для получения пенобетона, включающая, мас.%: портландцемент 52,06-57,73, пенообразователь ПБ-2000 0,24-0,25, кварцевый песок 7,99-18,56, воду 23,96-24,75. Помимо вышеуказанных компонентов сырьевая смесь содержит жидкое натриевое стекло и молотый бой листового стекла. Согласно данному способу получения пенобетона кварцевый песок, молотый бой стекла и портландцемент смешивают в отдельной емкости. В другой емкости в течение 5 минут взбивают однородную пену из 4%-ного рабочего раствора пенообразователя ПБ-2000 с добавлением жидкого натриевого стекла. После приготовления пены в нее постепенно вводят смесь из сухих компонентов, продолжая постоянно перемешивать массу. После приготовления пенобетонной смеси ее заливают в предварительно смазанные маслом металлические формы и оставляют до затвердевания.
Недостатком данного известного из уровня техники способа является невысокая прочность пенобетона в связи с отсутствием эффекта обжатия пор в его пористой структуре, а также в связи с отсутствием в сырьевой смеси смолы, имеющей соответствующие характеристики.
Известен способ получения пенобетона и сырьевая смесь по патенту Российской Федерации № 2377225 С1, МПК С04В 38/10, опубл. 27.12.2009. Сырьевая смесь по прототипу содержит, мас.%: портландцемент 30,0-32,0, пенообразователь ПБ-2000 0,6-0,7, смолу древесную омыленную (СДО) 0,7-1,0 и воду 36,0-37,0. Помимо вышеуказанных компонентов сырьевая смесь содержит золу ТЭС и пыль кремнезема. Согласно прототипу, в пеногенераторе взбивают пену из смеси смолы и пенообразователя (СДО и ПБ-2000) с водой. Смешение всех компонентов бетона происходит в шнековом смесителе, в который сначала подают сухие компоненты: цемент, золу ТЭС (фракции менее 0,14 мм), пыль кремнезема, а затем приготовленную пену. Из смесителя приготовленную смесь равномерно распределяют в предварительно смазанных маслом металлических формах и подают на тепловлажностную обработку, которую проводят по режиму 3+9+3 ч при температуре изотермической выдержки 90°С. Затем готовые изделия извлекают из форм и транспортируют на склад, где происходит "дозревание" материала.
Недостатком способа, сырьевой смеси и пенобетона по прототипу является невысокая прочность пенобетона в связи с отсутствием в сырьевой смеси смолы, предназначенной для создания эффекта обжатия в нем поверхности пор. Используемая в сырьевой смеси по прототипу смола древесная омыленная не обеспечивает нужного эффекта в повышении прочности пенобетона, так как не обладает необходимыми для этого параметрами, приводящими к обжатию поверхности пор в пористой структуре пенобетона. Дополнительно к повышению прочности пенобетона использование смолы в пенообразователе может привести к положительным эффектам, важным для пенобетона – повышению коэффициента размягчения пенобетона и снижению его коэффициента теплопроводности.
Известен способ приготовления пенобетона (RU (11) 2742784, МПК C04B 38/10 (2006.01) C04B 40/02 (2006.01), Опубл: 10.02.2021, Бюл. № 4), согласно которому осуществляют следующие этапы: наливают в пеногенератор воду для приготовления пены, пенообразователь ПБ-Люкс и карбамидоформальдегидную смолу КФ-Ж; перемешивают в пеногенераторе вышеуказанные компоненты до получения пены; перемешивают в бетоносмесителе портландцемент, мелкий заполнитель – кварцевый песок и воду для приготовления однородного раствора требуемой консистенции; подают в бетоносмеситель с цементным раствором из пеногенератора пену и осуществляют перемешивание в течение 2-5 минут до получения однородной пенобетонной смеси с образованием пористой структуры; готовую пенобетонную смесь укладывают в предварительно смазанные металлические формы; полученные образцы пенобетона подвергают тепловлажностной обработке и/или выдерживают в нормальных условиях, при этом компоненты для приготовления пенобетонной смеси используют в следующем соотношении, мас.%:
Портландцемент 48,5-49,44
Мелкий заполнитель – кварцевый песок 19,7-20,0
Пенообразователь ПБ-Люкс 0,16-0,18
Карбамидоформальдегидная смола КФ-Ж 1,20-1,32
Вода для приготовления пены 9,8-10,0
Вода для приготовления цементного раствора 19,7-20,0.
Согласно рассматриваемому способу, поры пенобетона имеют диаметр не выше 2,0 мм, однородно распределены в объеме пенобетона и являются полифракционными.
C04B 24/00
B82B 1/00
За прототип изобретения принят пат. РФ 2545226 (МПК , , опубл: 27.03.2015, Бюл. № 9) на получение комплексной добавки для бетонной смеси, содержащей пластификатор и углеродный наноструктурированный материал «Таунит», отличающийся тем, что в качестве пластификатора используется гиперпластификатор «Гиперлит», при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- гиперпластификатор «Гиперлит» - 9,5-99,7,
- углеродный наноструктурированный материал «Таунит» - 0,3-0,5.
Способ приготовления комплексной добавки заключается в диспергации углеродного наноструктурированного материала «Таунит» в пластификаторе, углеродный наноструктурированный материал подвергают ультразвуковой диспергации в гиперпластификаторе «Гиперлит» в течение 3-7 минут с помощью ультразвукового генератора УЗГ13-0,1/22.
Недостатком является невысокая прочность бетона в ранние сроки твердения, а также высокая сложность равномерного распределения углеродных нанотрубок в бетонной смеси.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения - повышение темпа роста прочности бетонов в ранние сроки твердения, обеспечение высокой марочной прочности, повышение водонепроницаемости, а также однородное распределение углеродного наноматериала (УНМ) в его структуре.
Технический результат - высокие прочностные характеристики бетона в ранние сроки твердения, высокая марочная прочность.
Результат достигается тем, что комплексная добавка для пенобетона, содержит многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), нанесенные на поверхность заполнителя – песок, согласно изобретению.
Для получения пенобетонной смеси смешивали компоненты (мас.%):
портландцемент (ГОСТ 31108-2016)
41,2
указанная наномодифицированная добавка
0,42
заполнитель – кварцевый песок
41,6
пенообразователь
0,1
вода (ГОСТ 23732-2011)
16,68
Наномодифицирование песчаного носителя осуществляли импрегнированием раствором нитратов металлов, которые являются предшественниками активных центров роста МУНТ. Для получения катализатора использовали следующее сырье, мас.%:
3
2
2
- кобальт азотнокислый 6-водный Co(NO)·6HO ГОСТ 4528-78 (ч.д.а.) – 22,2;
3
2
2
- магний нитрат 6-водный Mg(NO)·6HO ГОСТ 11088-75 (ч.д.а.) – 23,2;
3
3
2
- алюминий азотнокислый 9-водный Аl(NO)·9HO ГОСТ 3757-75 (ч.д.а.) – 10,5;
4
6
7
24
2
- аммоний молибденовокислый 4-водный (NH)MoO·4HO ГОСТ 3765-78 (х.ч.) – 1,3;
- кислота лимонная моногидрат ГОСТ 3652-69 (ч.д.а.) – 42,8.
Технология наномодифицирования заключается в следующем: на начальном этапе аммоний молибденовокислый растворяли при температуре 30°С с помощью магнитной мешалки MSH-20D-Set при частоте вращения 1000 об/мин до полного растворения. Затем в раствор добавляли нитраты алюминия, магния, кобальта и лимонную кислоту. Раствор выдерживали при температуре 60°С и частоте вращения мешалки 500 об/мин до тех пор, пока раствор не станет однородным без содержания твердофазных включений. Далее предварительно обработанный в муфельной печи при 200°С кварцевый песок добавляли в полученный раствор катализатора и перемешивали при частоте вращения мешалки 500 об/мин в течение 30 мин. Затем пропитанный песок подвергали прокалке при температуре 600°C в течение 60 мин на воздухе. В результате на поверхности частиц песка образуется ксерогель, состоящий из оксидов металлов молибдена, кобальта, магния и алюминия. Для получения МУНТ песчаный наполнитель помещали в реактор периодического действия (время синтеза – 60 мин, газовая смесь – пропан-бутан, температура процесса – 650°C). С помощью просвечивающей электронной микроскопии FEI Tecnai Spirit M3000 (Цюрих, Швейцария) (рис. 1) было доказано, что на поверхности частиц песка образуются МУНТ, а не другие углеродные наночастицы.
Для получения пенобетонной смеси сырье – портландцемент, наномодифицированный песок, заполнитель (кварцевый песок), вода – подают в пенобетоносмеситель, где происходит смешение при 70 об/мин до образования однородной смеси с последующим добавлением пенообразователя и финишным перемешиванием при 300 об/мин до появления стабильности смеси. Полученную пенобетонную смесь помещали в призматическую форму (40×40×160 мм). Образцы извлекали через 24 ч после литья и погружали в воду (28 дней) для отверждения при 23±2°С в соответствии ГОСТ 31108-2016. Среднее значение для трех призм сначала было испытано в соответствии с ГОСТ 310.4-76 для определения прочности на изгиб, затем брали половинки образцов призм для оценки прочности на сжатие. Водопоглощение образцов определяли по ГОСТ 12730.3-78. Для механических испытаний применялась одноосная испытательная машина мощностью 2000 кН и нагрузка составляла 0,4 МПа/с.
Проводилась оценка влияния массовой доли наномодифицированного песка (0,2; 0,5, 1 и 2% от массы цемента) и размера фракции песка – 0,16; 0,315 и 0,63 мм - на эксплуатационные характеристики пенобетонов.
В результате проведенных исследований были получены показатели прочности, указанные в табл. 1, 2.
Таблица 1. Предел прочности на изгиб, МПа.
Процент внесения наномодификатора
Размер фракции, мм
0,63
0,315
0,16
0
3,1
3,4
3,6
0,2
3,3
3,7
4,1
0,5
3,6
3,9
4,4
1
3,9
4,6
4,9
2
3,7
4,3
4,5
Таблица 2. Предел прочности на сжатие, МПа.
Процент внесения наномодификатора
Размер фракции, мм
0,63
0,315
0,16
0
11,4
11,6
12
0,2
12,1
13,2
14
0,5
13,7
14,1
15
1
14
15,6
16,2
2
13,6
14,7
15,6
Максимальный прирост прочности на сжатие наблюдается при внесении 1 мас.% наномодифицированного песка фракции 0,16 мм и составляет 35%, прочности на изгиб – 32%. В результате испытаний по определению водопоглощения установлено (табл. 3), что при внесении наномодифицированного песка достигается минимальное значение водо-поглощения – на 22% меньше контрольного образца (без наномодифицированного песка) при использовании 1 мас.% нанодобавки.
Таблица 3. Определение значения водопоглощения.
Процент внесения наномодификатора
Процент водопоглощения
0
13,7
0,2
13,1
0,5
12,2
1
10,8
2
11,9