Способ получения наномодифицированной добавки для пенобетонов и пенобетонная смесь, содержащая указанную добавку
Владельцы патента RU 2789547:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") (RU)
Группа изобретений относится к промышленности строительных материалов – к производству ячеистых бетонов, в частности пенобетона, применяемого для изготовления мелких стеновых блоков производственных помещений, многоэтажных и индивидуальных жилых домов. Способ получения наномодифицированной добавки для пенобетона включает получение раствора катализатора путем растворения аммония молибденовокислого 4-водного (NH4)6Mo7O24⋅4H2O при температуре 30°С с помощью магнитной мешалки MSH-20D-Set при частоте вращения 1000 об/мин до полного растворения, добавления в раствор алюминия азотнокислого 9-водного Аl(NO3)3⋅9H2O, магния нитрата 6-водного Mg(NO3)2⋅6H2O, кобальта азотнокислого 6-водного Co(NO3)2⋅6H2O и лимонной кислоты при температуре раствора 60°С и частоте вращения мешалки 500 об/мин, предварительно обработанный в муфельной печи при 200°С кварцевый песок добавляют в полученный раствор катализатора и перемешивают при частоте вращения мешалки 500 об/мин в течение 30 мин, затем пропитанный песок подвергают прокалке при температуре 600°C в течение 60 мин на воздухе до образования на поверхности частиц песка ксерогеля, состоящего из оксидов молибдена, кобальта, магния и алюминия, и для синтеза на поверхности частиц песка многослойных углеродных нанотрубок – МУНТ, песок помещают в реактор периодического действия: время синтеза - 60 мин, газовая смесь - пропан-бутан, температура процесса - 650°C, при следующем содержании сырья, используемого для получения катализатора, мас.%: кобальт азотнокислый 6-водный Co(NO3)2⋅6H2O 22,2, магний нитрат 6-водный Mg(NO3)2⋅6H2O 23,2, алюминий азотнокислый 9-водный Аl(NO3)3⋅9H2O 10,5, аммоний молибденовокислый 4-водный (NH4)6Mo7O24⋅4H2O 1,3, кислота лимонная моногидрат 42,8. Пенобетонная смесь включает, мас.%: портландцемент 41,2, наномодифицированную добавку, полученную указанным выше способом, 0,42, заполнитель – кварцевый песок 41,6, пенообразователь 0,1, воду 16,68. Технический результат – повышение прочности пенобетона на сжатие и изгиб, снижение его водопоглощения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.
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.
За прототип изобретения принят пат. РФ 2545226 (МПК C04B 24/00, B82B 1/00, 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.%:
- кобальт азотнокислый 6-водный Co(NO3)2·6H2O ГОСТ 4528-78 (ч.д.а.) – 22,2;
- магний нитрат 6-водный Mg(NO3)2·6H2O ГОСТ 11088-75 (ч.д.а.) – 23,2;
- алюминий азотнокислый 9-водный Аl(NO3)3·9H2O ГОСТ 3757-75 (ч.д.а.) – 10,5;
- аммоний молибденовокислый 4-водный (NH4)6Mo7O24·4H2O 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 |
1. Способ получения наномодифицированной добавки для пенобетона, включающий получение раствора катализатора путем растворения аммония молибденовокислого 4-водного (NH4)6Mo7O24⋅4H2O при температуре 30°С с помощью магнитной мешалки MSH-20D-Set при частоте вращения 1000 об/мин до полного растворения, затем в раствор добавляют алюминий азотнокислый 9-водный Аl(NO3)3⋅9H2O, магний нитрат 6-водный Mg(NO3)2⋅6H2O, кобальт азотнокислый 6-водный Co(NO3)2⋅6H2O и лимонную кислоту при температуре раствора 60°С и частоте вращения мешалки 500 об/мин, предварительно обработанный в муфельной печи при 200°С кварцевый песок добавляют в полученный раствор катализатора и перемешивают при частоте вращения мешалки 500 об/мин в течение 30 мин, затем пропитанный песок подвергают прокалке при температуре 600°C в течение 60 мин на воздухе до образования на поверхности частиц песка ксерогеля, состоящего из оксидов молибдена, кобальта, магния, алюминия, и для синтеза на поверхности частиц песка многослойных углеродных нанотрубок – МУНТ, песок помещают в реактор периодического действия: время синтеза - 60 мин, газовая смесь - пропан-бутан, температура процесса - 650°C, при следующем содержании сырья, используемого для получения катализатора, мас.%: кобальт азотнокислый 6-водный Co(NO3)2⋅6H2O 22,2, магний нитрат 6-водный Mg(NO3)2⋅6H2O 23,2, алюминий азотнокислый 9-водный Аl(NO3)3⋅9H2O 10,5, аммоний молибденовокислый 4-водный (NH4)6Mo7O24⋅4H2O 1,3, кислота лимонная моногидрат 42,8.
2. Пенобетонная смесь, включающая портландцемент, заполнитель – кварцевый песок, пенообразователь, воду и наномодифицированную МУНТ добавку, полученную способом по п. 1, при следующем содержании компонентов, мас.%:
| портландцемент | 41,2 |
| указанная наномодифицированная добавка | 0,42 |
| заполнитель - кварцевый песок | 41,6 |
| пенообразователь | 0,1 |
| вода | 16,68 |
