Результат интеллектуальной деятельности: Комплексная органоминеральная добавка для бетонов

Изобретение относится к составам комплексных органоминеральных добавок для бетонов и может найти применение в производстве строительных материалов при изготовление бетонных изделий (тротуарных плит, бордюрных камней, фундаментов, дорожных покрытий).

Известен состав комплексный органоминеральной добавки (модификатор) для получения быстротвердеющих цементных бетонов и раствором, приведенный в патенте РФ №2232144, МПК С04В 28/04, включающий компоненты при следующем соотношении, мас. %: щелочный ускоритель 7,65-19,9; суперпластификатор 7,65-15,3; полигидроксидкарбоновая кислота 0,042-0,093; кальцинированная сода 0,22-0,5; микрокремнезем остальное.

Наряду с большими достоинствами добавки (не требуется термоподготовка, повышается удобоукладываемость и прочность бетона) имеются недостатки:

1. Суперпластификатор относится к числу дорогостоящих добавок и требуется его большой расход до 15,3%.

2. Микрокремнезем относится к числу дорогостоящих добавок (7000-9000 рублей за тонну, требуется большой расход).

3. Кальцинированная сода относится к дорогостоящим добавкам (35000 рублей за тонну).

Наиболее близкий состав комплексной органоминеральной добавки для бетонов и растворов к составу предлагаемой приведен в ГОСТ №24211 и, отвечающий требованиям «ТУ 5745-022-58042865-2007», т.е добавка к бетонам суперпластификатор полуфункционального действия с основной натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислоты - «ПФМ-НЛК».

Данная добавка изготавливается организацией «ООО Полипласт» и применяется на одном из заводов Тульской области по производству тротуарной плитки по литьевой технологии формования, причем с оптимально установленной нормой расхода такой добавки в количестве 0,47% от массы портландцемента с маркой М500. Наряду с достоинствами добавки (повышается удобоукладываемость, ускоряется процесс твердения) имеются недостатки:

1. Высокие материальные затраты на добавку (70000 рублей за тонну).

2. Требуются теплоэнергозатраты, т.к. воду для растворения добавки необходимо нагревать до оптимальной температуры, что отмечено в ГОСТ 24211, для указанной добавки «ПФМ-НЛК».

3. Замедленный период конца схватывания - 92 минуты.

Задача изобретения - уменьшить материальные и теплоэнергетические затраты, сократить срок конца схватывания смеси бетона без снижения эффекта удобоукладываемости и прочности бетона.

Поставленная задача достигается тем, что комплексная органоминеральная добавка для батонов, включающая - суперпластификатор полифункционального действия с основой натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислоты «ПФМ-НЛК», дополнительно содержит: содощелочный плав - отход производства капролактама, тонкодисперсный бурый уголь - попутный отход, образующийся на дне вагонов при транспортировке или в основании складов при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанный суперпластификатор 20,15-20,7; содощелочной плав 51,7-53,11; указанный бурый уголь 26,74-27,6.

Состав предлагаемой добавки приведен в таблице №1.

Примечание: составы №1 и №5 запредельные, т.к. не отвечают поставленной задаче, конкретно: состав №1 по сроку схватывания, а №5 по материальным затратам.

1. Суперпластификатор полифункционального действия «ПФМ-НЛК» отвечает требованиям ГОСТ 24211 и ТУ 5745-022-58942865-2007. Производится организацией «ООО Полипласт» г. Новомосковск, Тульская область.

2. Содощелочной сплав - отход производства капролактама Щекинского химкомбината, г. Щекино, Тульская область. Представляет собой порошок желтого цвета, не токсичен. Применяется для приготовлении шлакощелочного вяжущего. Хорошо растворяется в обычной воде с температурой 15-20 градусов Цельсия. Химический состав, мас. %: Na₂CO3 - 87,0-94,1; NaOH - 8-10; Fe - 0,001-0,004; нерастворимый осадок - 0,2-0,7. Отпускная цена 11000 рублей за тонну.

3. Бурый уголь Подмосковного угольного бассейна «Сафоновское шахтоуправление». Принят порошок угля, образующейся самопроизвольно (за счет трения) на дне вагонов. При транспортировке железнодорожным транспортом или на основании складов с удельной поверхностью 2200-2500 см²/г и средней плотностью 1,02 г/см³, относится к числу попутных отходов. Отпускная цена 1500 рублей за тонну.

Реализация задачи опытами.

Пример №1 - приготавливали предлагаемый состав комплексной органоминеральной добавки для бетонов. Для этого дозировали по массе компоненты состава №2, приведенного в таблице №1. Взяли 1 кг дистиллированной воды, в которую при перемешивании добавили 732,5 г содощелочного плава (53,11%). Через 2 минуты раствор нагрелся за счет экзотермического эффекта до 40 градусов Цельсия, и в него ввели 275 г (20,15%) суперпластификатора «ПФМ-НЛК», а затем 366 г (26,74%) тонкодисперсного бурого каменного угля, с удельной поверхностью 2200-2500 см²/г и средней плотностью 1,02 г/см³, взятого со дна железнодорожного вагона. Полученный комплексный органоминеральный раствор принят в качестве модификатора для бетонов, причем не требующий дополнительных затрат на подогрев воды. Полученный раствор устойчив к расслаиванию, черного цвета, равномерно однородный.

Аналогичным методом были приготовлены составы комплексных органоминеральных добавок №1, №3, №4, №5, приведенные в таблице №1.

Раствор суперпластификатора (прототипа) был приготовлен по ГОСТ 24211, т.е. дистиллированную воду, взятую из расчета В/Ц=0,55, подогрели до оптимальной температуры 40 градусов Цельсия и при перемешивании в нее ввели порошковый суперпластификатор «ПФМ-НЛК» в количестве, соответствующем 0,47% от массы цемента. Через 3 минуты смешивания был получен однородный раствор светло-желтого цвета.

Эффект действия разработанной комплексной органоминеральной добавки и добавки прототипа был проверен на составе мелкозернистой бетонной смеси, взятой в соотношении ПЦ М500 и кварцевого песка с модулем крупности 2,5 как 1:3, причем добавку вводили сверх 100% бетонной смеси. Количество цемента принято 250 кг/м³ при В/Ц-0,55. Образцы формовали размером 10×10×10 см, по шесть штук в каждой партии.

Твердели образцы при нормальных условиях 28 суток, а затем были испытаны на показание прочности при сжатии, чтобы установить оптимальный расход добавки, соответствующий максимально полученной прочности.

Результаты испытаний приведены в таблице №2.

Из данных таблицы №2 видно, что оптимальное количество комплексной добавки состава прототипа составляет 0,47% от массы ПЦ М500, а предлагаемой 0,4% от массы ПЦ М500.

Сопоставительный анализ удобоукладываемости бетонной смеси и прочности бетона через 28 суток нормального твердения с предлагаемой добавкой (0,4% от массы ПЦ М500) и добавкой прототипа (0,47% от массы ПЦ М500) приведены в таблице №3, а в таблице №4 показаны материальные затраты предлагаемой добавки.

Анализ данных, приведенных в таблице №3.

1. С использованием заявляемого состава комплексной органоминеральной добавки по отношению к добавке прототипа - удобоукладываемость бетонной смеси и прочность не уменьшились, что согласуется с поставленной задачей.

2. Срок конца схватывания сократился на 17 минут, что согласуется с поставленной задачей.

Материальные затраты на покупку 1 тонны добавки «ПФМ-НЛК» составляют 70000 рублей.

Затраты на 1 тонну комплексной добавки составляют 20591 руб.

Анализ результатов, приведенных в таблице №4.

1. За счет снижения в составе предложенной комплексной органоминеральной добавки количества дорогостоящего суперпластификатора «ПФМ-НЛК» и утилизации содощелочного плава и тонкодисперсного бурого угля затраты на материалы 1 тонны добавки уменьшились на 70,6%, что согласуется с поставленной задачей.

2. За счет экзотермического эффекта при растворении содощелочного плава в воде исключается необходимость подогревать воду до 40 градусов Цельсия, т.е. предложенным составом комплексной органоминеральной добавки выполняется задача исключения теплоэнергетических затрат, что согласуется с поставленной задачей.

Химическая сущность природы действия комплексной добавки состоит в механизме соединения углеродосодержащего компонента, а точнее гумината, получаемого при растворении бурого угля в щелочной среде с суперпластификатором «ПФМ-НЛК», что привело к следующим эффектам:

1. Гуминат способен повышать прочность цементно-песчаного бетона, взятых по массе 1:3, а точнее прочность состава вяжущего в состоянии испытания на прочность (см. патент РФ №2524698, МПК С04В 7/13: «Вяжущее», авторы: Уруев В.М., Токарева и др., опубл. 10.08 2014).

2. Суперпластификатор «ПФМ-НЛК» обеспечивает удобоукладываемость в комплексе с принятой дополнительной щелочесодовой средой (содощелочным плавом).

3. Усиление щелочной среды бетонной смеси ускоряет процесс схватывания, при условии, что щелочность среды создается щелочным катионом натрия и натрия (см. патент США №3663286, кл. С04В 13/24, 1979 г.). Данное условие предусмотрено в разработке комплексной добавки. Это отражено и в принятом аналоге РФ, приведенном выше.

4. Содержащиеся в составе содощелочного плава катионы железа (0,001%-0,004%) выполняют роль центров кристаллизации, что способствует ускорению конца схватывания и прочности бетона.

5. Уменьшение затрат на материалы обеспечено не только уменьшением дорогостоящего суперпластификатора, но и применением отходов производств содощелочного плава и тонкодисперсного бурого угля, который скапливается на дне вагонов при транспортировке к ГЭС или на дне крытых складов.

6. Выбор бурого угля вместо обычного, например Донецкого, обоснован тем, что бурый уголь при растворении в щелочной среду дает большее количество гумината в сравнении с обычным каменным углем (см. Л.Н. Екатеринина, Л.В. Мотовилова и др. Гуминовые препараты из углей для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. М., 1989, с. 87).