Сырьевая смесь для высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой

Сырьевая смесь  для высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой.

 

 

Изобретение относится к  промышленности строительных материалов и может быть использовано для  изготовления изделий из бетона в  гражданском и промышленном строительстве, в том числе с использованием нанотехнологий. Сырьевая смесь для высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой, включающая портландцемент, кварцполевошпатный песок с модулем крупности 2,1, гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм, добавку и воду, в качестве добавки содержит нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05, который предварительно подвергают ультразвуковой обработке совместно с водой затворения в ультразвуковом диспергаторе УЗДН-А в течение 10 минут при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 25-25,6, кварцполевошпатный песок с модулем крупности 2,1 32,5-33, гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм 32,5-33, нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 0,013-0,052 вода 8,348-9,987. Технический результат изобретения - повышение подвижности бетонной смеси за счет введения добавки-модификатора, снижение расхода модификатора, повышение прочностных показателей, в том числе в начальные сроки твердения, и снижение водопоглощения бетона. 4 табл.

 

 

Известна сырьевая смесь  для изготовления высокопрочного мелкозернистого  бетона, содержащая портландцемент, отсев  дробления кварцитопесчанника и воду (см. Глаголев Е.С. Высокопрочный бетон на композиционных вяжущих и техногенных песках для монолитного строительства: Автореферат диссертации на соискание уч. ст. канд. техн. наук. - Белгород: Изд-во БГТУ им. Шухова, 2010. - 20 с.).

Недостатком известного состава  сырьевой смеси является недостаточная  прочность при сжатии мелкозернистого  бетона.

Известна сырьевая смесь  для изготовления высокопрочного бетона, включающая портландцемент, песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент, добавку  и воду, в качестве кремнеземсодержащего компонента содержит золь кремниевой кислоты - H₂SiO₃ с плотностью ρ=1,014 г/см³, рН 5…6, а в качестве добавки - калий железистосинеродистый - K₄Fe(CN)₆, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 43,58-47,08, песок - 14,43-15,69, щебень 25,7-27,84, указанный кремнеземсодержащий компонент 0,25-0,27, добавку - калий железистосинеродистый 0,44-0,47, вода 12,1-12,15 (см. патент RU №2256630, МПК C04B 28/04, опубл. 20.07.2005).

Недостатком известной сырьевой смеси является повышенный расход кремнеземсодержащего компонента и дополнительное введение добавки - калия железистосинеродистого.

Наиболее близким по технической  сущности к заявляемому изобретению  является высокопрочный бетон, содержащий: портландцемент, песок, гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм, добавку из кремнеземсодержащего компонента, представленного золем H₂SiO₃ с плотностью ρ=1,014 г/см³, рН 5…6, и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

 

Портландцемент	20,8-25
Песок	24,0-25,6
Гранитный отсев фр. 2,5-5 мм	42,45-45,55
Добавка - кремнеземсодержащий
компонент, представленный золем
H2SiO3 с плотностью ρ=1,014 г/см3,
рН 5…6	0,75
Вода	7,30-7.8

 

(см. Комохов П.Г. Золь-гель как концепция нанотехнологии цементного композита // Строительные материалы. - 2006. - №9. - С.89-90).

Недостатком состава сырьевой смеси для получения высокопрочного бетона является ограниченность максимального  значения прочности при сжатии, а  также повышенное значение водопоглощения бетона.

Задачей, на решение которой  направлено изобретение, является создание высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой с улучшенными строительно-техническими и эксплуатационными свойствами.

Технический результат изобретения  заключается в повышении подвижности  бетонной смеси за счет введения нанодисперсной добавки-модификатора, снижении расхода модификатора, повышении прочностных показателей, в том числе в начальные сроки твердения, и снижении водопоглощения бетона.

Технический результат достигается  тем, что сырьевая смесь для высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой, включающая портландцемент, песок, гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм, добавку и воду, согласно изобретению в качестве добавки содержит нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

 

Портландцемент	25,0-25,6
Песок	32,5-33,0
Гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм	32,5-33,0
Нанодисперсный порошок
диоксида кремния Таркосил-05	0,013-0,052
Вода	8,348-9,987

 

Отличительной особенностью состава предлагаемой смеси для  получения высокопрочного бетона является использование новой нанодисперсной добавки, которая представлена нанодисперсным порошком диоксида кремния Таркосил-05, что способствует повышению пластичности цементного теста, сокращению сроков схватывания цемента, а также подвижности бетонной смеси и ее первоначальной сохраняемости во времени. Экспериментально установлено, что в зависимости от концентрации новой нанодисперсной добавки и количественного соотношения ингредиентов бетона эффект повышения пластичности цементного теста в начальный момент после завершения перемешивания составляет 50% и через 150 мин достигает максимума - 80%.

Новая добавка - нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 получена способом (см. патент RU №2067077, МПК 7 C01B 33/18, опубл. в бюл. №27, 1996 г.) со средним размером первичных частиц около 53 нм, с удельной поверхностью 50,6 м²/г (по данным прибора для измерения удельной поверхности «Сорби-М»).

Нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 состоит более чем на 99% из аморфного кремнезема, содержание примесей, мас.%: Al - 0,01, Fe - 0,01, Ti - 0,03.

Сокращение времени схватывания  цемента при добавлении добавки  -нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 связано с изменением скорости связывания Са(ОН)₂ в жидкой фазе. За счет интенсивной протонизации зерен цемента происходит переход избыточного количества Са(ОН)₂ в гидратный раствор и связывание молекул портландита аморфным кремнеземом. Развитие ионного обмена Са²⁺↔2H⁺приводит к высвобождению новых молекул воды, что способствует увеличению пластификации цементного теста. Повышению пластичности цементного теста способствует и высвобождаемая иммобилизованная вода при пептизации агрегатов из флоккул цемента.

Предлагаемый высокопрочный  бетон с нанодисперсной добавкой содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: портландцемент - 25-25,6, песок - 32,5-33, гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм - 32,5-33, нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 - 0,013-0,052, вода - 8,348-9,987. Экспериментально установлено, что именно такой состав высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении подвижности бетонной смеси на 20-25%, повышении прочностных показателей в среднем на 50-55% и понижении показателей водопоглощения в среднем на 40-45% по сравнению с контрольным бездобавочным составом.

Нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05, заполняя поры в структуре твердеющего камня, способствует повышению его плотности. При этом наблюдается уменьшение содержания открытых пор, изменение распределения пор по размерам. Высокая удельная поверхностная энергия нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 изменяет термодинамические условия химических реакций и приводит к появлению

Таблица 1
Химический состав сырьевых материалов
Материал/оксиды	SiO2	Al2O3	CaO	Fe2O3	MgO	K2O	Na2O	FeO	SO3	ппп
Портландцемент	20,7	4,81	63,73	4,44	1,65	0,36	0,40	-	2,90	1,01
Кварцполевошпатовый песок	74,54	13,45	2,5	1,66	0,64	6,21	-	0,15	1,66

 

Готовят три смеси компонентов, мас.%: портландцемент - 25-25,6, песок - 32,5-33, гранитный отсев фр. 2,5-5 мм - 32,5-33, нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05 - 0,013-0,052, вода 8,348-9,987 (составы 1-3, табл.2), соответственно. Одновременно готовят контрольный бездобавочный состав бетона (состав 4, табл.2). Кроме того, готовят два известных состава бетона с использованием портландцемента, песка, гранитного отсева и золя H₂SiO₃ с плотностью ρ=1,014 г/см³ и рН 5…6, мас.%: 20,8-25; 24,0-25,6; 42,45-45,55 и 0,75, соответственно (составы 5 и 6, табл.2).

Смеси для составов 1-3 (табл.2) готовят следующим образом. Добавку - нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05, полученный на ускорителе электронов с удельной поверхностью 50,6 м²/г (по данным прибора для измерения удельной поверхности «Сорби-М»), подвергают ультразвуковой обработке в ультразвуковом диспергаторе УЗДН-А в течение 10 минут вместе с водой затворения. Портландцемент М400 смешивают с заполнителями - песком с Мкр=2,1 и гранитными отсевами фракции 2,5-5 мм, добавляют водную суспензию, содержащую добавку, при водоцементном отношении, равном 0,33-0,40, тщательно перемешивают в течение 4-5 минут, затем формуют образцы-призмы из полученной бетонной смеси одинаковой подвижности размером 40×40×160 мм. Аналогичным образом готовят образцы из контрольной смеси для состава 4, табл.2: портландцемент М400 смешивают с заполнителями - песком с Мкр=2,1 и гранитными отсевами фракции 2,5-5 мм, добавляют воду до водоцементного отношении 0,44, тщательно перемешивают в течение 4-5 минут, затем формуют образцы-призмы из полученной бетонной смеси одинаковой подвижности размером 40×40×160 мм. Образцы твердеют в нормальных условиях при t=20±2°C и влажности 95-98% в гидравлической ванне затвора.

Таблица 2
№ составов	Содержание компонентов, мас.%
Портландцемент М400	Заполнитель	Добавка	Вода
Песок Мкр=2,1	Гранитные отсевы, фр.=2,5-5 мм	Золь H2SiO3с плотностью ρ=1,014 г/см3 и рН 5…6	Таркосил-05
1	25	32,5	32,5		0,013	9,987
2	25,3	32,8	32,8		0,032	9,068
3	25,6	33	33		0,052	8,348
4 контрольный	25	32	32			11
5 прототип	20,8	25,6	45,55	0,75		7,3
6 прототип	25	24	42,45	0,75		7,8

 

Испытания проводятся по стандартным  методикам и для каждого вида испытаний изготавливаются образцы  в соответствии с требованиями ГОСТ 10181.1-81 «Смеси бетонные. Методы определения  удобоукладываемости», ГОСТ 10180-90 (СТ СЭВ 3978-83) «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения».

Известные составы (5, 6 по прототипу, табл.2) готовят следующим образом: из дистиллированной воды и жидкого  стекла Na₂SiO₃ с плотностью ρ=1,46 г/см³, рН 11, готовят раствор с соотношением Na₂SiO₃:H₂O - 1:20. Отдозированные материалы помещают в стеклянную емкость и перемешивают до получения гомогенного раствора с ρ=1,014 г/см³, рН 10. Раствор Na₂SiO₃ с ρ=1.014 г/см³, рН 10 пропускают через катионитовую колонку и получают на выходе золь H₂SiO₃ с плотностью ρ=1,014 г/см³ рН 5…6, который представляет собой кремнеземсодержащий компонент. Отдозированный кремнеземсодержащий компонент помещают в отдозированную воду. Отдозированные компоненты сырьевой смеси: портландцемент М400, песок Мкр=2,1, гранитные отсевы камнедробления фр. 2,5-5 мм и воду, содержащую кремнеземсодержащий компонент, смешивают, затем формуют образцы-призмы одинаковой подвижности размером 40×40×160 мм. Образцы твердеют в нормальных условиях при t=20±2°C и влажности 95-98%. Исследуемые образцы испытывают на прочность через 3 и 28 суток.

В табл. 3 представлены физико-механические характеристики составов

1-6 исследуемых бетонов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3
№ составов	Предел прочности при  сжатии, МПа	Водопоглощение, мас.%
после 3 суток	после 28 суток
1	32	56	3,6
2	38	69	1,5
3	56	79	1,3
4	28	44	5,5
5	63	76	2,5
6	51	62	2,6

 

Анализ полученных результатов (табл.3) позволяет сделать следующие  выводы:

- прочность высокопрочного  бетона с использованием нанодисперсного порошка диоксида кремния Таркосил-05 лежит в пределах 56-79 МПа после 28 суток нормального твердения, что превышает прочность бетона без добавок в среднем на 50-55%;