Наномодифицированный высокопрочный легкий бетон

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления изделий в гражданском и промышленном строительстве, монолитном строительстве, при возведении сооружений специального назначения. Техническим результатом изобретения является получение высокопрочного легкого бетона с высоким модулем упругости при сохранении (повышении) удельной прочности. Наномодифицированный высокопрочный легкий бетон обладает средней плотностью 1300…1510 кг/м³; пределом прочности при сжатии 50,5…65,8 МПа; удельной прочностью 38,8…43,6 МПа; коэффициентом трещиностойкости 0,084…0,085; модулем упругости 6,10…8,22 ГПа, коэффициентом Пуассона 0,093…0,136. 2 табл.

 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления строительных изделий и конструкций, в монолитном строительстве объектов гражданского, промышленного и транспортного строительства.

В патенте на изобретение CN 108083737 А представлены рецептура и способ изготовления высокопрочного легкого конструкционного цементного бетона, включающего 1100…1200 мас. частей крупного заполнителя, 1000…1100 мас. частей цемента для тампонажных растворов, 800…900 мас. частей песка, 150…200 мас. частей микрокремнезема, 10…15 мас. частей ПАВ, 50…60 мас. частей модифицированных полых стеклянных микросфер со средней плотностью 420 кг/м³ и дисперсностью 300…400 mesh (размер частиц 37…48 мкм) и 200…250 мас. частей воды. В качестве крупного заполнителя предлагается керамзит, в качестве ПАВ - сульфонированная алкилнафталинметильная смола. Модификация микросфер состоит в очистке их поверхности и: а) плазменной обработке при пониженном давлении (7 Па) в течение 50 с при мощности разряда 60 Вт; б) плазменной обработке при пониженном давлении (7 Па) в течение 300 с при мощности разряда 350 Вт; в) CVD-обработке высокочастотным разрядом мощностью 250 Вт в течение 300 с с целью формирования акрилатов на поверхности микросфер. Техническим результатом является повышение коррозионной стойкости и предела прочности при сжатии по сравнению с существующими решениями в области легких бетонов. Удельная прочность композита составляет 35,6…37,9 МПа при средней плотности 1500 кг/м³.

Недостатком такого решения является сложная многостадийная подготовка исходных компонентов.

Известна также бетонная смесь (патент RU 2355656 С2, опубликовано 20.05.2009) включающая цемент, наполнитель, воду и базальтовое волокно диаметром 8-10 мкм и длиной 100…500 мкм, модифицированное веществом, выбранным из группы, включающей полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа, имеющие межслоевое расстояние 0,34…0,36 нм, средний размер частиц 60…200 нм и насыпную плотность 0,6…0,8 г/см³, и многослойные углеродные нанотрубки, имеющие межслоевое расстояние 0,34…0,36 нм, взятым в количестве 0,0001…0,005 мас. ч. на одну мас. ч. базальтового волокна, причем в качестве наполнителя смесь содержит компонент, выбранный из группы, включающей смесь гравия с песком и смесь гравия с алюмосиликатными микросферами, и дополнительно бетонная смесь содержит пластификатор -полинафталинметиленсульфонат натрия при следующем соотношении компонентов (% мас.): цемент - 24…48, наполнитель 30…60, модифицированное базальтовое волокно 2…6, пластификатор 0,9…1,1, вода остальное.

Недостатком такой бетонной смеси является невысокое значение удельной прочности (отношение предела прочности при сжатии к относительной плотности материала) 22…28,8 МПа при 1630…1680 кг/м³.

Наиболее близким по технической сущности является состав высокопрочного легкого бетона (патент RU 2515450 С1, опубликовано 10.05.2014), включающий цемент, полые микросферы, микрокремнезем, каменную муку, кварцевый песок, пластификатор и воду, мас. %: цемент - 30,0…60,0; микрокремнезем - 3,5…15,0; каменная мука - 1,5…12,0; кварцевый песок - 5,0…35,0; микросферы - 3,5…35,0; пластификатор - 0,27…0,48; вода - остальное.

Недостатком такого высокопрочного легкого бетона является невысокое значение модуля упругости.

Техническим результатом изобретения является получение высокопрочного легкого бетона с высоким модулем упругости при сохранении (повышении) удельной прочности.

Поставленный технический результат достигается тем, что высокопрочный легкий бетон содержащий портландцемент, наполнитель, пластификатор и воду, а также минеральную часть, состоящую из микрокремнезема, имеющего средний размер частиц 0,01…1 мкм, каменной муки (продукт измельчения кварцевого песка или другой горной породы, содержащей кремнезем) с площадью удельной поверхности 750 м²/кг и кварцевого песка фракции 0,16-0,63 мм, в качестве пластификатора используются гиперпластификаторы на поликарбоксилатной основе, наполнителем выступают полые алюмосиликатные микросферы, дополнительно на поверхности полых микросфер содержится наноразмерный модификатор, представляющий собой коллоидный раствор золя кремневой кислоты и золя гидроксида железа (III) с размером частиц менее 30 нм, где концентрация кремневой кислоты в форме H₂SiO₃ составляет 3,02%, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Портландцемент	- 41,3…45,8
Микрокремнезем	- 6,92…7,65
Указанная каменная мука	- 1,78…5,86
Указанный кварцевый песок	- 2,7…14,7
Наномодифицированные алюмосиликатные
микросферы,	- 15,4…20,8
в том числе указанный наномодификатор	- 0,010…0,012
Указанный пластификатор	- 0,410…0,458
Вода	- остальное

Для приготовления бетона используются портландцемент, например, марки СЕМ I 42,5 N по ГОСТ 31108-2003. Минеральная часть, в состав которой входит кварцевый песок фракционированный (фр. 0,16-0,63 мм), соответствующий ГОСТ 8739-93, каменная мука с удельной поверхностью 750 м²/кг и микрокремнезем, обеспечивают заполнение межзерновых пустот наполнителя, образуя плотную структуру.

В качестве наполнителя используются алюмосиликатные полные микросферы, характерные свойства которых обеспечивают снижение средней плотности. Указанные микросферы является носителем наномодификатора, что позволяет с одной стороны распределить его по объему композита, а с другой - использовать химическую активность его составляющих локализовано, на границе раздела фаз «цементный камень -микросфера».

Наномодификатор представляет собой коллоидный раствор на основе золя гидроксида железа (III) и кремневой кислоты и используется для поверхностного модифицирования наполнителя [1, 2]. Образуя кремний-кислородный каркас, выступающий стабилизатором наночастиц гидроксида железа (III), на поверхности микросфер, модификатор создает вторичную оболочку, схожую по составу с материалом носителя. Функциональное назначение наномодификатора заключается в обеспечении на поверхностности полых микросфер активного по отношению к вяжущему веществу и продуктам его гидратации слоя, обеспечивающего зону контакта «наполнитель-цементный камень» дополнительным количеством гидросиликатов [3], уплотняя и упрочняя границу раздела фаз [4-6] -наиболее слабую часть формирующегося композита.

Применение в качестве пластификатора гиперпластификатора на основе поликарбоксилатов типа «Melflux 1641F» позволяет увеличить подвижность и снизить водопотребность бетонной смеси.

Наномодифицированный высокопрочный легкий бетон готовят следующим образом. Предварительно подготавливаются микросферы, путем перемешивания их с коллоидным раствором золя кремневой кислоты и золя гидроксида железа (III) (аппретирование) перед приготовлением бетонной смеси. Наномодифицирование микросфер также может осуществлять на этапе производства микросфер, когда аппретирование выполняется перед термической обработкой частиц после флотации. Затем смешивают в смесителе портландцемент, каменную муку и микрокремнезем с наномодифицированными микросферами до получения однородной цементно-минерального смеси, вводят растворенный в воде гиперпластификатор, перемешивая до получения однородной смеси, после чего добавляют фракционированный песок и перемешивают в соответствии с EN 196-1-ASTM С305. Из полученной смеси изготавливают образцы для испытаний: балочки размером 40×40×160 мм, кубы 70×70×70 мм и призмы 70×70×280 мм.

Испытания проводятся по следующим методикам:

- ГОСТ 12730.1-78. Бетоны. Методы для определения плотности;

- ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы для определения прочности по контрольным образцам.

- ГОСТ 24452-80 Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона.

Подвижность бетонной смеси оценивали по диаметру расплыва конуса размерами D×d×h - 101,6×69,9×50,8 мм на встряхивающем столике (ASTM С230) в соответствии с методикой согласно п. 1.3 ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии».

Удельная прочность рассчитывается по формуле:

R_уд=R_сж/ρ_отн,

где R_сж - предел прочности при сжатии, МПа, ρ_отн - относительная плотность: ρ_отн=ρ_ср/ρ_о (ρ_ср - средняя плотность бетона; ρ_о - плотность воды).

Коэффициент трещиностойкости - отношение предела прочности при изгибе к пределу прочности при сжатии.

Составы предлагаемого наномодифицированного высокопрочного легкого бетона приведены в таблице 1, а его физико-механические и деформативные свойства - в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый наномодифицированный высокопрочный легкий бетон обладает боле высоким модулем упругости (в 1,11…1,48 раза), прочностью при сжатии (в 1,11…1,45 раз) при сопоставимой удельной прочностью (увеличение удельной прочности составляет 10…24%) по сравнению с прототипом.

Используемые источники

1. Inozemtcev A.S., Korolev E.V. A method for the reduction of deformation of high-strength lightweight cement concrete // Advances in Cement Research. 2016. T. 28. №2. C. 92-98.

2. Inozemtcev A.S., Korolev E.V., Smirnov V.A. Nanoscale modifier as an adhesive for hollow microspheres to increase the strength of high-strength lightweight concrete / Structural Concrete. 2017. T. 18. №1. C. 67-74.

3. Иноземцев A.C., Королев E.B. Структурообразование и свойства конструкционных высокопрочных легких бетонов с применением наномодификатора Bisnanoactivus // Строительные материалы. 2014. №1-2. С. 33-37.

4. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Прочность наномодифицированных высокопрочных легких бетонов // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2013. Т. 5. №1. С. 24-38.

5. Иноземцев А.С. Средняя плотность и пористость высокопрочных легких бетонов // Инженерно-строительный журнал. 2014. №7 (51). С. 31-37.

6. Иноземцев А.С, Королев Е.В. Деформации высокопрочных легких бетонов на полых микросферах и способ их снижения // Строительные материалы. 2015. №9. С. 23-30.

Наномодицированный высокопрочный легкий бетон содержит портландцемент, наполнитель, пластификатор и воду, а также минеральную часть, состоящую из микрокремнезема, имеющего средний размер частиц 0,01…1 мкм, каменной муки (продукт измельчения кварцевого песка или другой горной породы, содержащей кремнезем) с площадью удельной поверхности 750 м²/кг и кварцевого песка фракции 0,16-0,63 мм, в качестве пластификатора используется гиперпластификаторы на поликарбоксилатной основе, наполнителем выступают полые алюмосиликатные микросферы, отличающийся тем, что дополнительно на поверхности полых микросфер содержится наноразмерный модификатор, представляющий собой коллоидный раствор золя кремневой кислоты и золя гидроксида железа (III) с размером частиц менее 30 нм, где концентрация кремневой кислоты в форме H₂SiO₃ составляет 3,02%, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Портландцемент	41,3…45,8
Микрокремнезем	6,92…7,65
Указанная каменная мука	1,78…5,86
Указанный кварцевый песок	2,7…14,7
Наномодифицированные алюмосиликатные
микросферы	15,4…20,8
в том числе указанный наномодификатор	0,010…0,012
Указанный пластификатор	0,410…0,458
Вода	остальное