Нанобетоны в строительстве

Строительный комплекс Российской Федерации будет применять в ближайшее десятилетие бетонные и железобетонные конструкции и изделия повышенной прочности и долговечности с более широким использованием в их производстве вторичного сырья и отходов других отраслей промышленности.

Известно, что потенциальные возможности портландцемента и его разновидностей, оцениваемые по прочности цементного камня при сжатии в пределах 150–200 МПа, на практике реализуются не более чем на 50%.

В настоящее время вопрос использования добавок в вещественный состав цемента возник с новой остротой. Предлагаются новые подходы к решению задачи повышения эффективности вяжущих путем использования комплексных функциональных добавок в сочетании с нанообъектами, что позволяет получать высокопрочные бетоны с высокими строительно-техническими свойствами для жёстких условий эксплуатации.

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН

Патент №2256629

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано для изготовления изделий из бетона как в гражданском, так и в промышленном строительстве. Техническим результатом является создание высокопрочного бетона с повышенной прочностью при сжатии и повышенной водонепроницаемостью.

Высокопрочный бетон включает портландцемент, песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент, добавку и воду. В качестве крем-неземсодержащего компонента используется золь H2SiO3 плотностью с = 1,014 г/см3, рН = 5–6 и в качестве добавки – «ДЭЯ-М» при следую- щем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент песок

44,4–48,0

20,0–22,2

20,0–22,2

0,43–0,48

0,43–0,48

10,34–11,04

щебень кремнеземсодержащий компонент добавка «ДЭЯ-М»

вода

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве

Известна сырьевая смесь для изготовления высокопрочного бетона, содержащая цемент, заполнитель, щебень, воду, добавку [1]. Однако на основе данной сырьевой смеси бетон имеет недостаточные прочность при сжатии и водонепроницаемость.

Известна сырьевая смесь для изготовления высокопрочного бетона [2], содержащая цемент, заполнитель, воду, добавку «Поззолит 100» и золу-унос. Данное техническое решение не удовлетворяет из-за недостаточной прочности при сжатии в проектном возрасте и пониженной водонепроницаемости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является высокопрочный бетон [3], содержащий портландцемент, кремнеземсодержащий компонент, песок, щебень, силикатную муку, добавку и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент                   3,5–4,5

кремнезёмсодержащий компонент, представленный микрокремнезёмом 3,5–4,5

силикатная мука                  7,5–8,5

песок                             35,9–37,9

щебень                           41,9–43,9

добавка-суперпластификатор        0,3–0,5

вода                               3,5–4,3

Данное техническое решение не удовлетворяет из-за недостаточной прочности при сжатии и водонепроницаемости.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание высокопрочного бетона с повышенной прочностью при сжатии и повышенной водонепроницаемостью.

Поставленная задача достигается тем, что высокопрочный бетон содержит портландцемент, песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент, добавку и воду. По сравнению с прототипом, новым является то, что в качестве кремнеземсодержащего компонента бетон содержит золь H2SiO3 плотностью с = 1,014 г/см3, рН = 5–6 и добавку «ДЭЯ-М».

Механизм действия добавки в присутствии кремнезёмсодержащего компонента, представленного золем H2SiO3 плотностью с = 1,014 г/см3, рН = 5–6, основан на усилении смещения кислотно-основного равновесия в твердеющей системе, которое приводит к увеличению гидратационных процессов в системе.

( к содержанию з

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве

Процесс сопровождается, как правило, гидролизом* силиката кальция, что, безусловно, приводит к повышению прочности при сжатии камня, повышению его плотности и водонепроницаемости.

Новым в данном техническом решении является сочетание известных компонентов, используемых в бетонах, и их новое количественное соотношение, что позволяет получить указанный выше технический результат.

Готовят сырьевую смесь из дистиллированной воды и жидкого стекла Na2SiO3 плотностью с = 1,46 г/см3, рН = 11, обеспечивают соотношение Na2SiO3:Н2O = 1:20. Отдозированные материалы помещают в стеклянную емкость и перемешивают до получения гомогенного раствора плотностью с = 1,014 г/см3, рН = 10. Раствор Na2SiO3 плотностью с = 1,014 г/см3, pH = 10 пропускают через катионитовую колонку и получают на выходе золь H2SiO3 плотностью с = 1,014 г/см3, рН = 5–6, который является кремнезёмсодержащим компонентом.

Отдозированные кремнеземсодержащий компонент и добавку «ДЭЯ-М» (ТУ 5743-003-46969976-2000), которая состоит из фильтрата дрожжевого производства, содержащего сухих веществ, мас.% 4,5–5,0, рН = 5, окалины металлургического производства, содержащей Fe3O4, в количестве, большем или равном 70 мас.%, с тонкостью помола, определяемой по остатку на сите №008 – 15%, NaF и NaOH помещают в от-дозированную воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

окалина указанная 5,0–6,0

NaF 0,75–1,0

NaОН 0,25–0,5

Отдозированные компоненты: портландцемент М400, песок Мкр. = 2,1, щебень фр.5 – 10 мм и воду, содержащую отдозированные крем-неземсодержащий компонент и добавку «ДЭЯ-М», помещают в бетоносмеситель, где осуществляется перемешивание компонентов и приготовление бетонной смеси, из которой изготавливают требуемые бетонные изделия и образцы для контроля качества по ГОСТ 10180.

Твердение бетона осуществляется в нормальных условиях.

Анализ экспериментальных данных показывает, что предлагаемый высокопрочный нанобетон, по сравнению с прототипом, повышает прочность при сжатии на 42%, а водонепроницаемость – на две ступени.

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН

Патент №2256630

Известна сырьевая смесь для изготовления высокопрочного бетона, содержащая цемент, заполнитель, щебень, воду и добавку [4]. Бетон на основе данной сырьевой смеси имеет недостаточную прочность при сжа- тии и характеризуется повышенным водопоглощением.

Известна сырьевая смесь для изготовления высокопрочного бетона, содержащая цемент, заполнитель, воду, химическую добавку «Поззо-лит 100» и золу-унос [2]. Недостатком данного технического решения является недостаточные прочность при сжатии и морозостойкость.

Задачей явилось создание высокопрочного бетона с повышенной прочностью при сжатии в проектном возрасте, пониженным водопогло- щением и повышенной морозостойкостью за счёт введения кремнезём- содержащего компонента, представленного золем H2SiO3 плотностью с = 1,014 г/см3, рН = 5–6, с добавкой калия железистосинеродистого

К4Fe(CN)6, при следующем соотношении, мас.%: портландцемент

43,58–47,08

14,43–15,69

25,7–27,84

0,25–0,27

0,44–0,47

12,1–12,15

песок щебень кремнеземсодержащий компонент, представленный золем Н2SiO3

плотностью с = 1,014 г/см3, рН = 5–6

добавка – калий железистосинеродистый K4Fe(CN)6 вода

Кремнеземсодержащий компонент, представленный золем Н2SiO3 плотностью с = 1,014 г/см3 и рН = 5–6, уплотняет структуру бетона. Добавка – калий железистосинеродистый К4Fе(СN)6 в сочетании с золем Н2SiO3 является нанообъектом. Она пластифицирует бетонную смесь и увеличивает гидратационную активность цемента с образованием низкоосновного гидросиликата CSH(I) волокнистой структуры и небольшого количества тоберморита C5S6H5, совместное присутствие которых дополнительно уплотняет структуру бетона.

В результате повышается прочность при сжатии бетона на 31% и долговечность бетона по параметру морозостойкости на 35% при понижении водопоглощения на 20%.

Готовят сырьевую смесь следующим образом: из дистиллированной воды и жидкого стекла Nа2SiO3 плотностью с = 1,46 г/см3, рН = 11, готовят раствор с соотношением Na2SiО3:H20 = 1:20. Отдозированные мате-

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве риалы помещают в стеклянную ёмкость и перемешивают до получения гомогенного раствора плотностью с = 1,014 г/см³, рН = 10.

Полученный раствор пропускают через катионитовую колонку и получают на выходе золь Н2SiО3 плотностью с = 1,014 г/см3, рН = 5–6, который представляет собой кремнеземсодержащий компонент.

Отдозированные кремнеземсодержащий компонент и добавку калия железистосинеродистого помещают в отдозированную воду.

Отдозированные компоненты сырьевой смеси: портландцемент М400, песок с Мкр. = 2,1, щебень фр. 5–10 мм и воду, содержащую от-дозированные кремнезёмсодержащий компонент и добавку – калий железистосинеродистый К4Fе(СN)6, помещают в бетоносмеситель, где осуществляется перемешивание компонентов и приготовление бетонной смеси, из которой изготавливают требуемые бетонные изделия и образцы для контроля качества по ГОСТ 10180.

Твердение бетона осуществляется в нормальных условиях.

По сравнению с прототипом, предлагаемый высокопрочный нанобетон обладает повышенной прочностью при сжатии в проектном возрасте, пониженным водопоглощением и повышенной морозостойкостью за счёт введения нанообъекта.

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН

Патент №2331602

Техническим результатом данного изобретения является повышение прочности при сжатии в проектном возрасте и понижение ползучести.

Высокопрочный бетон содержит портландцемент, песок, щебень, воду и комплексную добавку состава, мас.%: золь гидрооксида железа (III) Fe(ОН)3 плотностью с = 1,021 г/см3, рН = 4,5 гексоцианоферрат (II) калия K4[Fe(CN)6] суперпластификатор С-3

84,85–85,20

0,80–0,85

14,00–14,30

при следующем соотношении компонентов бетона, мас.%:

портландцемент песок щебень

20,60–27,40 21,80–24,70 43,10–44,90

0,60–0,80

7,10–9,00

указанная добавка вода

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является высокопрочный бетон (RU №2256630, 20.07.2005 г.).

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве

Задачей данного изобретения является создание высокопрочного бетона с повышенной прочностью при сжатии и пониженной ползучестью. Поставленная задача достигается тем, что высокопрочный бетон содержит портландцемент, песок, щебень, добавку и воду. Новым, по сравнению с высокопрочным бетоном, выбранным за прототип, является комплексная добавка, состоящая из золя гидрооксида железа (III) Fe(ОН)3 плотностью с = 1,021 г/см3, рН = 4,5, гексоцианоферрата (II) калия К4[Fe(CN)6] и суперпластификатора С-3 при вышеуказанном соотношении компонентов. мас.%.

Использование комплексной зольсодержащей нанодобавки обеспечивает повышение прочности бетона и уплотнение структуры искусственного камня, так как предлагаемая добавка обладает повышенным пластифицирующим и активирующим эффектом действия, обеспечивая снижение водопотребности сырьевой смеси и повышение гидратационной активности, содержащей цемент твердеющей системы. Усиление гидратационной активности подтверждается проведенными колориметрическими исследованиями. В результате испытаний установлено, что суммарное тепловыделение активированной, содержащей цемент твердеющей системы, на 28% выше контрольной бездобавочной и составляет 135 Дж/г против 105 Дж/г. Об увеличении гидратационной активности свидетельствуют данные дифференциально-термических исследований. Количество химически связанной воды, обусловленное наличием гидратных соединений, на 40% выше у активированного образца, и составляет 3,5% против 2,5% у контрольного образца.

Нанодисперсии, входящие в состав золя, также способствуют уплотнению искусственного камня за счет блокирования пор сопоставимого размера. Нанодисперсии обладают повышенной поверхностной энергией и, соответственно, обладают большей подвижностью, в результате этого они вовлекают большее количество частиц цемента в гидратационные процессы и препятствуют возможному образованию перенапряжений в твердеющей системе, а также равномерно распределяются во всем объеме системы, диспергируя частицы цемента.

Общая пористость активированного искусственного камня, по данным микроскопических исследований, уменьшается на 42% и составляет 17,04%.

Заявляемая совокупность существенных признаков проявляет новое свойство в присутствии комплексной добавки, представленной золем гидрооксида железа (III) Fe(ОН)3 плотностью с = 1,021 г/см3, рН = 4,5,

В.П. КУЗЬМИНА Нанобетоны в строительстве гексоцианоферратом (II) калия К4[Fe(CN)6] и суперпластификатором С-3, а именно: уменьшает водопотребность сырьевой смеси на 23%, повышает прочность при сжатии в проектном возрасте на 61% до значения 51,70 МПа, понижает относительную деформацию ползучести на 30% до значения п(180cyт.) = 175·10–5 по сравнению с контрольным без-добавочным составом.

Готовят комплексную добавку, представленную золем гидрооксида железа (III) Fe(ОН)3 плотностью с = 1,021 г/см3, рН = 4,5, гексоциано-ферратом (II) калия К4[Fe(CN)6] и суперпластификатором С-3, следующим образом.

К 100 см3 кипящей воды прибавляют 3–4 капли насыщенного раствора хлорида железа FeCl3. При этом энергично протекает гидролиз хлорида железа, и появляющиеся молекулы гидрооксида железа (III) Fe(ОН)3 конденсируются в коллоидные частицы. Образующийся золь гидрооксида железа (III) Fe(ОН)3 имеет вишнево-коричневый цвет. Затем золь модифицируют добавлением гексоцианоферрата (II) калия К4[Fe(CN)6] и суперпластификатора С-3 в количестве 0,15% от массы золя.

Отдозированную комплексную добавку, представленную золем гидрооксида железа (III) Fe(ОН)3 плотностью с = 1,021 г/см3, рН = 4,5, гек-социаноферратом (II) калия К4[Fe(CN)6] и суперпластификатором С-3, помещают в отдозированную воду. Отдозированные компоненты сырьевой смеси: портландцемент М400, песок Мкр. = 2,1, щебень фр. 5–10 мм и воду, содержащую отдозированную комплексную добавку, помещают в бетоносмеситель, где осуществляется перемешивание компонентов и приготовление бетонной смеси, из которой изготавливают требуемые бетонные изделия и образцы для контроля качества по параметрам прочности при сжатии и ползучести.

Твердение бетона осуществлялось в нормальных условиях согласно ГОСТ 10180-90 «Методы определения прочности по контрольным образцам» и ГОСТ 24544-81* «Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести».

Анализ экспериментальных данных показывает, что водопотребность сырьевой смеси понижается на 23%.

Предлагаемый высокопрочный бетон характеризуется повышенной на 61% (до значения 51,70 МПа) прочностью при сжатии в проектном возрасте, а также пониженной относительной деформацией ползучести на 30% (до значения П180сут = 175·10–5), по сравнению с контрольным бездобавочным составом.

Результаты воздействия нанодобавки на уплотнение структуры нанобетонов проявлены в свойствах полученных материалов.

Следует заметить, что при использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве могут возникнуть следующие проблемы.

Строительные нормы и правила Российской Федерации, такие как Федеральные (типовые) элементные нормы расхода цемента при изготовлении бетонных и железобетонных изделий и конструкции СНиП 82-02-95 предусматривают применение бетонов класса В60, марки 800 и не выше. А при использовании нанодобавок может быть получен бетон класса В80, марки 1000 и выше.

Применение новых технологий сдерживается очень длительными традиционными натурными испытаниями эксплуатационных свойств изделий нового поколения в лабораториях научно-исследовательских институтов, которые не готовы выполнять работы на современном уровне и практически перекрыли доступ новым технологиям в строительство.

Применение новых бетонов в промышленном и гражданском строительстве влечёт за собой изменение всех технологических приёмов и способов производства в смежных отраслях.

Несмотря на то, что нанотехнологии имеют огромный потенциал применения в строительстве и, как говорят эксперты, кардинально могут изменить общество XXI века, ученые должны дать исчерпывающую оценку всем достижениям в этой области и определить, какое влияние они окажут на экосистему и, прежде всего, на здоровье человека.