Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ НАНОДИСПЕРСНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО БЕТОНА

Изобретение относится к строительству и промышленности строительных материалов, в частности к способам изготовления комплексных нанодисперсных добавок для получения высокопрочного цементного бетона.

Известна комплексная микрогранулированная добавка для бетонной смеси (патент RU №2390509, МПК7 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: невысокая 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.

Известен способ получения комплексной добавки в бетонную смесь, включающую, мас. %: микродисперсный шунгит 33,3, суспензию из нанодисперсного 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).

К недостаткам известного способа относятся: большое соотношение шунгита и суперпластификатора С-3, который вследствие экранирования поверхности образующихся нанодисперсных шунгитовых частиц снижает их положительную роль в процессах структурообразования в бетонной смеси и формирования 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.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления комплексной добавки для бетонной смеси получаемой совместным помолом в шаровой мельнице шунгита и суперпластификатора С-3 в виде сухого вещества до удельной поверхности 380-400 м²/кг, перемешивают ее с водой и диспергирование полученной суспензии с концентрацией твердой фазы 3% осуществляют до размера частиц 90-280 нм в течение 15 минут при частоте ультразвука 35 кГц и следующем содержании компонентов, мас. %: шунгит 75,0-89,3, суперпластификатор С-3 10,7-25,0 (патент RU №2500634, С04В 22/06, опубл. 10.12.2013 г. бюл. №34).

К недостаткам известного способа относятся недостаточная стабильность добавки за счет большого размера частиц 90-280 нм, сложность и энергоемкость технологических операций, связанных с размолом шунгитовой породы совместно с суперпластификатором С-3, невысокая прочность, например, для получения высокопрочного быстротвердеющего бетона в начальный и более поздний период твердения.

Техническая задача, положенная в основу заявляемого изобретения, состоит в осуществлении способа изготовления комплексной нанодисперсной добавки для высокопрочного бетона, позволяющего уменьшить размеры частиц до 100 нм, т.е. увеличить время жизнеспособности добавки, сократить время ультразвукового воздействия, повысить прочность, ускорить твердение, снизить расход цемента, уменьшить количество технологических операций при получении добавки и, следовательно, упростить технологию ее получения.

Поставленная задача изготовления комплексной нанодисперсной добавки для высокопрочного бетона решается путем ультразвукового диспергирования при частоте ультразвука 35 кГц суспензии с концентрацией твердой фазы 3%, содержащей минеральный компонент, суперпластификатор С-3 в виде сухого вещества и воду, дополнительно содержит в качестве твердой фазы - метакаолин с удельной поверхностью 1200-1300 м²/кг, а диспергирование до размера частиц 20-80 нм производят в течение 7 минут при следующем содержании компонентов, мас. %: метакаолин 65-70, суперпластификатор С-3 30-35.

Пример. В качестве исходных сырьевых материалов при осуществлении предлагаемого способа изготовления комплексной нанодисперсной добавки применяли:

- метакаолин с удельной поверхностью 1200-1300 м²/кг (ТУ 572901-001-65767184);

- суперпластификатор С-3 в виде сухого вещества (ТУ 5870-002-58042865-03).

Метакаолин представляет собой смесь аморфного кремнезема и глинозема следующего химического состава, % по массе: Al₂O₃ - не менее 40; SiO₂ - 50-57; Fe₂O₃ - не более 3; (Na₂O+K₂O) - не более 1.

Для приготовления 1000 мл добавки смешивали 970 мл водопроводной воды и 19,5-21 г метакаолина и 9-10,5 г суперпластификатора С-3.

Далее в течение 7 минут проводили ультразвуковое диспергирование суспензии в импульсном механоактиваторе ПСБ-4035-04 при температуре воды (20±2)°C и частоте ультразвука 35 кГц.

Для проверки эффективности комплексной нанодисперсной добавки, полученной предложенным способом, бетонную смесь приготавливали по следующей методике. Портландцемент марки ПЦ 500 Д0 перемешивали в сухом состоянии с кварцевым песком с М_кр=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 3, 7 и 28 суток нормального твердения.

Составы бетонных смесей, комплексных добавок и результаты испытаний образцов тяжелого бетона представлены в табл. 1 и 2.

Максимальный эффект от применения комплексной нанодисперсной добавки, изготовленной предложенным способом, наблюдается у составов состав 3 и 4.

Из данных табл. 2 следует, что введение комплексной нанодисперсной добавки, изготовленной предложенным способом, в количестве 10% от массы цемента (составы 3 и 4), повышает прочность бетона в 1,7-1,9 раза. Кроме того, добавка позволяет повысить прочность в ранние сроки твердения и снизить истираемость бетона в 1,9-2,2 раза.

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(ОН)₂. За счет взаимодействия портландита с наночастицами аморфного кремнезема и глинозема добавки в поровом пространстве цементного камня твердеющего бетона образуется дополнительное количество гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, способствующих уплотнению и соответственно упрочнению структуры бетона.

Частицы метакаолина, имеющие пластинчатую форму и соответственно большую удельную поверхность, являясь центрами кристаллизации, способствуют более быстрому протеканию химических реакций в твердеющей системе.

Предлагаемый способ изготовления комплексной нанодисперсной добавки позволяет сократить время ультразвукового воздействия с 15 до 7 минут, отличается простотой и низкими энергозатратами за счет исключения такой энергоемкой технологической операции как помол минерального компонента.