СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО БЕТОНА С НАНОДИСПЕРСНОЙ ДОБАВКОЙ
CRUDE MIXTURE FOR HIGH-STRENGTH CONCRETE WITH NANODISPERSED ADDITIVE

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления изделий из бетона в гражданском и промышленном строительстве, в том числе с использованием нанотехнологий.
Известна сырьевая смесь для изготовления высокопрочного мелкозернистого бетона, содержащая портландцемент, отсев дробления кварцитопесчанника и воду (см. Глаголев Е.С. Высокопрочный бетон на композиционных вяжущих и техногенных песках для монолитного строительства: Автореферат диссертации на соискание уч. ст. канд. техн. наук. - Белгород: Изд-во БГТУ им. Шухова, 2010. - 20 с.).
Недостатком известного состава сырьевой смеси является недостаточная прочность при сжатии мелкозернистого бетона.
2
3
4
6
3
Известна сырьевая смесь для изготовления высокопрочного бетона, включающая портландцемент, песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент, добавку и воду, в качестве кремнеземсодержащего компонента содержит золь кремниевой кислоты - HSiO с плотностью ρ=1,014 г/см, рН 5…6, а в качестве добавки - калий железистосинеродистый - KFe(CN), при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 43,58-47,08, песок - 14,43-15,69, щебень 25,7-27,84, указанный кремнеземсодержащий компонент 0,25-0,27, добавку - калий железистосинеродистый 0,44-0,47, вода 12,1-12,15 (см. патент RU №2256630, МПК C04B 28/04, опубл. 20.07.2005).
Недостатком известной сырьевой смеси является повышенный расход кремнеземсодержащего компонента и дополнительное введение добавки - калия железистосинеродистого.
2
3
3
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является высокопрочный бетон, содержащий: портландцемент, песок, гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм, добавку из кремнеземсодержащего компонента, представленного золем HSiO с плотностью ρ=1,014 г/см, рН 5…6, и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент
20,8-25
Песок
24,0-25,6
Гранитный отсев фр. 2,5-5 мм
42,45-45,55
Добавка - кремнеземсодержащий
компонент, представленный золем
H<sub>2</sub>SiO<sub>3</sub> с плотностью ρ=1,014 г/см<sup>3</sup>,
рН 5…6
0,75
Вода
7,30-7.8
(см. Комохов П.Г. Золь-гель как концепция нанотехнологии цементного композита // Строительные материалы. - 2006. - №9. - С.89-90).
Недостатком состава сырьевой смеси для получения высокопрочного бетона является ограниченность максимального значения прочности при сжатии, а также повышенное значение водопоглощения бетона.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой с улучшенными строительно-техническими и эксплуатационными свойствами.
Технический результат изобретения заключается в повышении подвижности бетонной смеси за счет введения нанодисперсной добавки-модификатора, снижении расхода модификатора, повышении прочностных показателей, в том числе в начальные сроки твердения, и снижении водопоглощения бетона.
Технический результат достигается тем, что сырьевая смесь для высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой, включающая портландцемент, песок, гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм, добавку и воду, согласно изобретению в качестве добавки содержит нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент
25,0-25,6
Песок
32,5-33,0
Гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм
32,5-33,0
Нанодисперсный порошок
диоксида кремния Таркосил-05
0,013-0,052
Вода
8,348-9,987
Отличительной особенностью состава предлагаемой смеси для получения высокопрочного бетона является использование новой нанодисперсной добавки, которая представлена нанодисперсным порошком диоксида кремния Таркосил-05, что способствует повышению пластичности цементного теста, сокращению сроков схватывания цемента, а также подвижности бетонной смеси и ее первоначальной сохраняемости во времени. Экспериментально установлено, что в зависимости от концентрации новой нанодисперсной добавки и количественного соотношения ингредиентов бетона эффект повышения пластичности цементного теста в начальный момент после завершения перемешивания составляет 50% и через 150 мин достигает максимума - 80%.
2
Новая добавка - нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 получена способом (см. патент RU №2067077, МПК 7 C01B 33/18, опубл. в бюл. №27, 1996 г.) со средним размером первичных частиц около 53 нм, с удельной поверхностью 50,6 м/г (по данным прибора для измерения удельной поверхности «Сорби-М»).
Нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 состоит более чем на 99% из аморфного кремнезема, содержание примесей, мас.%: Al - 0,01, Fe - 0,01, Ti - 0,03.
2
2
2+
+
Сокращение времени схватывания цемента при добавлении добавки -нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 связано с изменением скорости связывания Са(ОН) в жидкой фазе. За счет интенсивной протонизации зерен цемента происходит переход избыточного количества Са(ОН) в гидратный раствор и связывание молекул портландита аморфным кремнеземом. Развитие ионного обмена Са↔2Hприводит к высвобождению новых молекул воды, что способствует увеличению пластификации цементного теста. Повышению пластичности цементного теста способствует и высвобождаемая иммобилизованная вода при пептизации агрегатов из флоккул цемента.
Предлагаемый высокопрочный бетон с нанодисперсной добавкой содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: портландцемент - 25-25,6, песок - 32,5-33, гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм - 32,5-33, нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 - 0,013-0,052, вода - 8,348-9,987. Экспериментально установлено, что именно такой состав высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении подвижности бетонной смеси на 20-25%, повышении прочностных показателей в среднем на 50-55% и понижении показателей водопоглощения в среднем на 40-45% по сравнению с контрольным бездобавочным составом.
Нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05, заполняя поры в структуре твердеющего камня, способствует повышению его плотности. При этом наблюдается уменьшение содержания открытых пор, изменение распределения пор по размерам. Высокая удельная поверхностная энергия нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 изменяет термодинамические условия химических реакций и приводит к появлению продуктов измененного, по сравнению с системой твердения без модификаторов, минералогического, морфологического и дисперсного составов.
Введение в состав бетона новой добавки - нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 позволяет регулировать микроструктуру затвердевающего камня и, соответственно, его физико-механические свойства. Введение указанной добавки ускоряет пуццолановую реакцию. Ускорение пуццолановой реакции и образование большого количества гидросиликатов кальция (ГСК), преимущественно низкоосновных типа CSH(I), благодаря наночастицам аморфного кремнезема, увеличивает прочностные характеристики.
Экспериментально установлено, что при введении в состав смеси для высокопрочного бетона нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 менее 0,013% наблюдается незначительное повышение прочностных показателей по сравнению с контрольным бездобавочным составом, а введение нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 более 0,052% является нецелесообразным, так как ведет к удорожанию конечной стоимости готового продукта - бетона. При этом введение новой добавки - нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 в указанном интервале в состав бетона позволяет получить параметры прочности при сжатии, превышающие показатели бездобавочного бетона в среднем на 50-55% и показатели водопоглощения, значение которых в среднем на 40-45% ниже, чем у контрольного бездобавочного бетона.
Экспериментальные исследования показали, что количественное изменение соотношения компонентов сырьевой смеси для получения высокопрочного бетона, мас.%: портландцемента - 25-25,6, песка - 32,5-33, гранитных отсевов фр. 2,5-5 мм - 32,5-33, добавки - нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 - 0,013-0,052, воды - 8,348-9,987 позволяет варьировать состав бетона без ощутимого изменения прочностных показателей и водопоглощения.
Компоненты сырьевой смеси для получения высокопрочного бетона подобраны таким образом, чтобы получаемые образцы имели максимальные прочностные показатели.
Для получения предлагаемой смеси для высокопрочного бетона применяют портландцемент М400 Д0 ООО «Тимлюйский цементный завод», кварцполевошпатовый песок (содержание кварца - 65,6 мас.%, полевых шпатов - 27,4 мас.%) с модулем крупности Мкр=2,1, гранитные отсевы ОАО «Горняк» фракции 2,5-5 мм.
Химический состав материалов представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав сырьевых материалов
Материал/оксиды
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
MgO
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
FeO
SO<sub>3</sub>
ппп
Портландцемент
20,7
4,81
63,73
4,44
1,65
0,36
0,40
-
2,90
1,01
Кварцполевошпатовый песок
74,54
13,45
2,5
1,66
0,64
6,21
-
0,15
1,66
2
3
3
Готовят три смеси компонентов, мас.%: портландцемент - 25-25,6, песок - 32,5-33, гранитный отсев фр. 2,5-5 мм - 32,5-33, нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 - 0,013-0,052, вода 8,348-9,987 (составы 1-3, табл.2), соответственно. Одновременно готовят контрольный бездобавочный состав бетона (состав 4, табл.2). Кроме того, готовят два известных состава бетона с использованием портландцемента, песка, гранитного отсева и золя HSiO с плотностью ρ=1,014 г/см и рН 5…6, мас.%: 20,8-25; 24,0-25,6; 42,45-45,55 и 0,75, соответственно (составы 5 и 6, табл.2).
2
Смеси для составов 1-3 (табл.2) готовят следующим образом. Добавку - нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05, полученный на ускорителе электронов с удельной поверхностью 50,6 м/г (по данным прибора для измерения удельной поверхности «Сорби-М»), подвергают ультразвуковой обработке в ультразвуковом диспергаторе УЗДН-А в течение 10 минут вместе с водой затворения. Портландцемент М400 смешивают с заполнителями - песком с Мкр=2,1 и гранитными отсевами фракции 2,5-5 мм, добавляют водную суспензию, содержащую добавку, при водоцементном отношении, равном 0,33-0,40, тщательно перемешивают в течение 4-5 минут, затем формуют образцы-призмы из полученной бетонной смеси одинаковой подвижности размером 40×40×160 мм. Аналогичным образом готовят образцы из контрольной смеси для состава 4, табл.2: портландцемент М400 смешивают с заполнителями - песком с Мкр=2,1 и гранитными отсевами фракции 2,5-5 мм, добавляют воду до водоцементного отношении 0,44, тщательно перемешивают в течение 4-5 минут, затем формуют образцы-призмы из полученной бетонной смеси одинаковой подвижности размером 40×40×160 мм. Образцы твердеют в нормальных условиях при t=20±2°C и влажности 95-98% в гидравлической ванне затвора.
Таблица 2
№ составов
Содержание компонентов, мас.%
Портландцемент М400
Заполнитель
Добавка
Вода
Песок Мкр=2,1
Гранитные отсевы, фр.=2,5-5 мм
Золь H<sub>2</sub>SiO<sub>3</sub> с плотностью ρ=1,014 г/см<sup>3</sup> и рН 5…6
Таркосил-05
1
25
32,5
32,5
0,013
9,987
2
25,3
32,8
32,8
0,032
9,068
3
25,6
33
33
0,052
8,348
4 контрольный
25
32
32
11
5 прототип
20,8
25,6
45,55
0,75
7,3
6 прототип
25
24
42,45
0,75
7,8
Испытания проводятся по стандартным методикам и для каждого вида испытаний изготавливаются образцы в соответствии с требованиями ГОСТ 10181.1-81 «Смеси бетонные. Методы определения удобоукладываемости», ГОСТ 10180-90 (СТ СЭВ 3978-83) «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения».
2
3
2
3
2
2
3
2
3
3
3
3
3
Известные составы (5, 6 по прототипу, табл.2) готовят следующим образом: из дистиллированной воды и жидкого стекла NaSiO с плотностью ρ=1,46 г/см, рН 11, готовят раствор с соотношением NaSiO:HO - 1:20. Отдозированные материалы помещают в стеклянную емкость и перемешивают до получения гомогенного раствора с ρ=1,014 г/см, рН 10. Раствор NaSiO с ρ=1.014 г/см, рН 10 пропускают через катионитовую колонку и получают на выходе золь HSiO с плотностью ρ=1,014 г/см рН 5…6, который представляет собой кремнеземсодержащий компонент. Отдозированный кремнеземсодержащий компонент помещают в отдозированную воду. Отдозированные компоненты сырьевой смеси: портландцемент М400, песок  Мкр=2,1, гранитные отсевы камнедробления фр. 2,5-5 мм и воду, содержащую кремнеземсодержащий компонент, смешивают, затем формуют образцы-призмы одинаковой подвижности размером 40×40×160 мм. Образцы твердеют в нормальных условиях при t=20±2°C и влажности 95-98%. Исследуемые образцы испытывают на прочность через 3 и 28 суток.
В табл. 3 представлены физико-механические характеристики составов 1-6 исследуемых бетонов.
Таблица 3
№ составов
Предел прочности при сжатии, МПа
Водопоглощение, мас.%
после 3 суток
после 28 суток
1
32
56
3,6
2
38
69
1,5
3
56
79
1,3
4
28
44
5,5
5
63
76
2,5
6
51
62
2,6
Анализ полученных результатов (табл.3) позволяет сделать следующие выводы:
- прочность высокопрочного бетона с использованием нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 лежит в пределах 56-79 МПа после 28 суток нормального твердения, что превышает прочность бетона без добавок в среднем на 50-55%;
2
3
- расход добавки - модификатора бетона - нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 в 5-10 раз меньше по сравнению с введением в состав бетона кремнеземсодержащего компонента, представленного золем HSiO;
- повышение прочности связано с ускорением пуццолановой реакции и образованием большого количества гидросиликатов кальция (ГСК), преимущественно низкоосновных типа CSH(I), что приводит к ускорению твердения и повышению прочности;
- оптимальное водоцементное отношение для получения смеси для высокопрочного бетона лежит в пределах 0,33-0,40, при котором получены оптимальные физико-механические свойства бетона.
Предлагаемую сырьевую смесь для получения высокопрочного бетона готовят следующим образом.
2
Отдозированный нанодисперсный порошок диокида кремния Таркосил-05, полученный на ускорителе электронов с удельной поверхностью 50,6 м/г, помещают в отдозированную воду. Для лучшего диспергирования агломератов наночастиц диоксида кремния в воде компоненты подвергают ультразвуковой обработке в ультразвуковом диспергаторе УЗДН-А в течение 10 минут вместе с водой затворения. Отдозированные компоненты сырьевой смеси: вяжущее - портландцемент М400 25-25,6 мас.% смешивают с заполнителями - песком с Мкр=2,1 в количестве 32,5-33 мас.% и гранитными отсевами фракции 2,5-5 мм в количестве 32,5-33 мас.%, добавляют водную суспензию, содержащую добавку - нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 в количестве 0,013-0,052 мас.%, добавляют воду в количестве 8,348-9,987 мас.% при водоцементном отношении, равном 0,33-0,40, помещают в бетоносмеситель, тщательно перемешивают компоненты в течение 4-5 минут, затем из полученной бетонной смеси формуют образцы-призмы одинаковой подвижности размером 40×40×160 мм для контроля качества по параметрам прочности при сжатии, а также водопоглощения.
Твердение бетона осуществляют в нормальных условиях, а результаты испытаний согласно ГОСТ 10180-90 «Методы определения прочности по контрольным образцам» представлены в табл. 3.
Примеры, подтверждающие получение смеси для высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой
Пример 1. Добавку - нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 подвергают ультразвуковой обработке в ультразвуковом диспергаторе УЗДН-А вместе с водой затворения в течение 10 минут. Вяжущее - портландцемент М400 смешивают с заполнителями - песком с модулем крупности Мкр=2,1 и гранитными отсевами фракции 2,5-5 мм.
Содержание компонентов в смеси, мас.%:
Портландцемент - 25;
Песок Мкр=2,1 - 32,5;
Гранитные отсевы фракции 2,5-5 мм - 32,5;
Нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 - 0,013.
После перемешивания в бетоносмесителе компонентов в течение 4-5 минут добавляют воду в количестве 9,987 мас.% - В/Ц отношение 0,40, затем из полученной бетонной смеси формуют образцы-балочки размером 40×40×160 мм. Образцы твердеют в нормальных условиях при t=20±2°C и влажности 95%.
Предел прочности при сжатии в возрасте 3 суток - 32 МПа, 28 суток - 56 МПа.
Пример 2. Проводят аналогично примеру 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент - 25,3;
Песок Мкр=2,1 - 32,8;
Гранитные отсевы фракции 2,5-5 мм - 32,8;
Нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 - 0,032.
Для получения бетонной смеси берут воду в количестве 9,068 мас.%, В/Ц - отношение 0,36. Предел прочности при сжатии в возрасте 3 суток - 38 МПа, 28 суток - 69 МПа.
Пример 3. Проводят аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент - 25,6;
Песок Мкр=2,1 - 33;
Гранитные отсевы фракции 2,5-5 мм - 33;
Нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 - 0,052.
Берут воду в количестве 8,348 мас.%, В/Ц - отношение 0,33. Предел прочности при сжатии в возрасте 3 суток - 56 МПа, 28 суток - 79 МПа.
В табл. 4 приведены сравнительные данные по прочности при сжатии в возрасте 3 и 28 суток нормального твердения, водопоглощения по массе высокопрочного бетона, полученного по предлагаемому изобретению в сравнении с прототипом (см. Комохов П.Г. Золь-гель как концепция нанотехнологии цементного композита // Строительные материалы. - 2006. - №9. - С.89-90).
Таблица 4
Физико-технические свойства
Единица измерения
Бетон с нанодисперсным порошоком диоксида кремния Таркосил-05
Бетон с золем H<sub>2</sub>SiO<sub>3</sub>
Средняя плотность
кг/м<sup>5</sup>
2450
2400
Прочность при сжатии после 3 сут
МПа
32-56
51-63
Прочность при сжатии после 28 сут
МПа
56-79
62-76
Водопоглощение
% по массе
1,3-3,6
2,5-2,6
Таким образом, предлагаемая сырьевая смесь для получения высокопрочного бетона с новой нанодисперсной добавкой нанодисперсным порошком диоксида кремния Таркосил-05 имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом (см. Комохов П.Г. Золь-гель как концепция нанотехнологии цементного композита // Строительные материалы. - 2006. - №9. - С.89-90):
- эффект увеличения прочности достигается вследствие применения нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05, в результате происходит ускорение пуццолановой реакции и образование большого количества гидросиликатов кальция, преимущественно низкоосновных типа CSH(I), что приводит к ускорению твердения и повышению прочности;
2
3
2
3
- прочность при сжатии и водопоглощение полученного бетона с использованием новой добавки - нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 выше прочности при сжатии бетона с использованием золя HSiO, что объясняется повышенной плотностью полученного бетона, а количество добавки - нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 лежит в пределах 0,013-0,052%, в то время как в бетоне с золем HSiO содержание добавки составляет 0,75%;
2+
+
- повышение подвижности бетонной смеси за счет введения добавки-модификатора, а именно нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05, введение которого способствует развитию ионного обмена Са↔2Ни увеличению пластификации цементного теста.
Предлагаемая смесь для высокопрочного бетона на основе портландцемента, песка, гранитных отсевов и новой добавки нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 может быть использована для изготовления изделий из бетона в гражданском и промышленном строительстве, в том числе с использованием нанотехнологии.