Способ изготовления комплексной нанодисперсной добавки для бетонной смеси
Владельцы патента RU 2500634:
Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Нанокомпозит-БГИТА" (RU)
Изобретение относится к строительству и промышленности строительных материалов, в частности к способам изготовления комплексных нанодисперсных добавок в бетонные смеси. Технический результат - увеличение подвижности бетонной смеси, повышение прочности, плотности, снижение водопоглощения бетона, ускорение твердения строительных изделий и конструкций. 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 м2/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 при следующем содержании компонентов, масс.%: шунгит - 75,0-89,3, суперпластификатор С-3 - 10,7-25. 2 табл.
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)
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 м2/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
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 м2/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.
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 м2/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.
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 SiO2.
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).
Для приготовления 1000 л добавки смешивали 970 л водопроводной воды и 30 кг порошка с удельной поверхностью 380-400 м2/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.
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 Мкр=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 м3, 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.
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)2. 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.
Способ изготовления комплексной нанодисперсной добавки для бетонной смеси, полученной путем ультразвукового диспергирования водной суспензии, полученной смешением шунгита, суперпластификатора С-3 и воды, отличающийся тем, что сначала получают твердую фазу суспензии совместным помолом в шаровой мельнице шунгита и суперпластификатора С-3 в виде сухого вещества до удельной поверхности 380-400 м2/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 при следующем содержании компонентов, мас.%: шунгит - 75,0-89,3, суперпластификатор С-3 - 10,7-25.
