BG3539U1 - Нано-армиран с двумерни включвания бетон - Google Patents

Abstract

Полезният модел се отнася до бетон, съдържащ до 1/10 от свързващата си компонента (цимент) биндер, базиран на каолинова глина, който представлява минерален геополимер от семейство силико-алуминати със състав, изразен като оксиди, както следва: 1/3х Li2О 2/3х K2O: Аl2O3: у SiO2: z Н2O, където в напълно хидратирана форма "z" е стойност, по-голяма от 0 и най-много равна на 5, "у" е стойност в диапазона 3 до 4, и "х" е стойност в диапазона 1 до около 1.5. Тези минерални полимери задължително съдържат каолин, който е източник на Аl2O3 и SiO2, но съдържанието му в геополимерната нано-армировка не се ограничава с това. Съставът представлява смес от твърди разтвори, като едната фаза е калиево-литиев полисиликат с формула: (1/3х-1) Li2O: (2/3х-1) K2O: (у-2) SiO2: (z-1) Н2O и втора фаза на калиево-литиев полисилатен полимер. Източниците на елементите не е задължително да се ограничават до оксидни форми, като в случая на литий, за предпочитане е хидроксидната форма. В състава задължително присъства каолин (каолинит), който има двойна роля. Каолинът е 1:1 алумино-силикат, съставен от свързани равнини с гръбнаци от тетраедрални силициеви атоми и октаедрални алуминиеви атоми. Отделните слоеве (с нано-размерна дебелина) са свързани помежду си с водородни връзки. В алкална среда зета потенциалът (енергия на границата) спада и достига силно негативни стойности, които позволяват ексфолирането на каолиновия кристал до индивидуални слоеве с дебелина в нано-метровия диапазон. За целта, водородните връзки, държащи каолиновия кристал (вторична структура) трябва да се разхлабят и това става посредством присъствието на литиеви катиони, които имат малък диаметър и интеркалират между слоевете, с което ги отдалечават един от друг и водят до разпада на вторичната кристална структура. Така получените слоеве, освен че участват във формирането на минерален полимер, също така действат ката вътрешна нано-размерна армировка (огромна специфична повърхнина), увеличаваща якостта на натиск на готови бетонни изделия. Свързващото действие е продиктувано от образуването на минерални полимери при реакцията между силико-алуминати и алкали във водна среда, т.е. това е незаобиколим артефакт на средата, необходима за интеркалирането и ексфолирането на каолинова глина до нано-размерна армировка in situ в състава на бетон.

Description

Област на техниката

Настоящият полезен модел принадлежи към областта на бетоните и по-специално до бетоните с високи якостни показатели от армировка и още по-точно тези с полимерна армировка.

Предшестващо състояние на техниката

Състави за бетон са известни на човечеството от времето на Римската империя. Бетоните, по подобие на стоманата, търпят непрекъсната еволюция и фина настройка.

Техническа същност на полезния модел

Настоящият полезен модел се отнася до състав на бетон армиран с нано-размерни включвания произлизащи от разслояването на тримерни вторични кристали в състава на бетона, които действат като вътрешна армировка предотвратяваща появата и разпространението на пукнатини, водещи до разрушение на материала. Нано-армировката се получава in situ, т.е. в рамките на омрежваща реакция, което гарантира нейната дисперсност и възможност за хомогенизиране.

Нано-армировката на бетона се постига в рамките на процес по производство на геополимер, който след пълно омрежване попада в класификацията на зеолит. Множество патенти и други справки описват методи за получаване на зеолити и молекулни сита. Книгата на Д. В. Брек, озаглавена „Zeolite Molecular Sieves“, публикувана от Interscience през 1974 г, е христоматийна. По принцип, синтези на силикоалуминатни гелове в силни, или силно концентрирани водни алкали се провеждат по хидротермален път. Сместа от реагенти, съдържаща голям излишък от вода, се запечатва в контейнер при постоянно налягане и температура. За предпочитане налягането е атмосферно, а температурата е в границите от около 25°С до 125°С. Реакцията продължава повече от десет часа, докато се получи кристализация на продуктите. Тези продукти са много порести и имат лоши механични свойства, дори когато са агломерирани със свързващо вещество и съдържат агрегат, т.е. са включени в състава на бетон.

Полезният модел се отнася по същество до състав на бетон, който е нано-армиран с двумерни включвания бетон и съдържащ от 1/100 до 1/10 от свързващата си компонента силико-алуминатно минерално полимерно съединение, получено чрез поликондензация на реагентна смес, която има състав, изразен като оксиди, както следва: 1/3 х Li₂O 2/3 х К₂О : А1₂О₃: у SiO₂: z Н₂О, където в напълно хидратирана форма ,,ζ“ е стойност по-голяма от 0 и най-много равна на 5, „у“ е стойност в диапазона 3 до 4, и „х“ е стойност в диапазона 1 до около 1.5. Този минерален полимер задължително съдържа каолин, който е източник на А1₂О₃ и SiO₂, но съдържанието му в геополимерната нано-армировка не се ограничава с това, а има за цел да бъде разлистен до двумерна нано-армировка in situ в състава на бетона съгласно полезния модел, към който е добавен в начален етап, т.е. тази част от свързващото вещество е разбъркана и приготвена преди добавянето на други компоненти като вода, агрегат, пясък и цимент. Съставът представлява смес от твърди разтвори, като едната фаза е калиево-литиев полисиликат с формула: (l/3x-l) Li₂O : (2/Зх-1) К₂О : (у-2) SiO₂: (z-1) Н₂О и втора фаза на калиево-литиев полисиалатен полимер.

По този начин съгласно полезния модел съставът представлява смес от твърди разтвори, като едната фаза е калиево-литиев полисиликат с формула: (l/3x-l) Li₂O : (2/Зх-1) К₂О : (у-2) SiO₂: (z-1) Н₂О и втора фаза на калиево-литиев полисиалатен полимер.

Количествата на реагентите за тази част на свързващото вещество, за предпочитане, следва съотношението (К₂О + Li₂O) / А1₂О₃ в границите от около 1 до 1,5 и съотношението SiO₂ / А1₂О₃ е в обхвата от 3 до 4. По-високите съотношения предизвикват фаза на свободен калиев или литиев силикат във втвърден бетон и причиняват миграция на калиев или литиев силикат, което може да наруши физичните и механичните свойства на получените бетонни продукти. Задължително е източникът на SiO₂ и А1₂О₃ да представлява каолинова глина, като остатъчната част от SiO₂ в пропорцията се доставя от други минерали като диатомична пръст. Задължително е съдържанието на литиево съединение с алкална реакция, като за предпочитане това е литиев хидроксид. Алкалната реакция на разтвора осигурява минимализиране на зета-потенциала на каолинита, а литиевите катиони интеркалират между слоевете на каолинита и водят до неговия разпад в двумерни нано-размерни кристалити, служещи за вътрешна

3148 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 04.2/30.04.2020 армировка. Геополимерната реакция е артефакт на състава и pH на средата, като корекцията на съдържанието на силика има за цел да предотврати нежелани физико-химични последствия от дефицит на SiO₂ и разширяване на действието на сместа и като свързващо вещество, т.е. биндер в състава на бетона, където осигурява наличие на нано-размерни двумерни армиращи агенти - слоеве от химически ексфолиран in situ каолинит.

Последователността от действия по смесване за получаване на това минерално полимерно съединение и нано-армировка включва смесване на алумино-силикатен оксид (каолинит) и диатомна пръст в смесител. Смесването на калиевия и литиев хидроксид може да се извърши чрез смесване на алкалите във вода е полисиликат (диатомна пръст) и след това добавяне на този разтвор към алумино-силикатния оксид. За предпочитане, смесването на алумино-силикатния оксид е воден полисиликат предшества добавянето на алкали, които се въвеждат посредством воден разтвор. Така получената реагентна смес е стабилна и запазва своята реактивност дори след дълги периоди на съхранение. Освен това тази смес е лесна за работа и съхранение. Зреенето на сместа продължава от 1 до 4 h при стайна температура, за което време каолинитът ще претърпи химическо разслоение in situ до двумерна нано-размерна вискозна смес. След етапа на зреене, сместа се въвежда в състава на бетон, без да е необходимо да се модифицира състава му. Ефектът от включването на двумерни нано-размерни слоеве в състава на бетона е неговото уякчаване.

Пример

Следващият пример илюстрира начина за получаване на нано-армиран бетон, съдържащ наноразмерен армиращ агент, получен in situ, съгласно настоящия полезен модел.

Приготвя се 860 g реагентна смес, съдържаща 11.33 шо! вода, 1.1 шо1 калиев хидроксид, 0.5 шо1 литиев хидроксид, 4.46 шо1 силициев диоксид и 1.081 шо1 алуминиев триоксид. Източникът на алуминиев триоксид е изцяло каолинит (калкулиран като 1:1 силициев диоксид и алуминиев триоксид). Остатъкът от силициев диоксид е добавен като диатомна пръст. Хидроксидите, посочени по-горе, са разтворени и смесени във водата. Останалите компоненти са разбъркани до хомогенна суха смес в блендер. Към сместа е добавен алкалния разтвор и двете компоненти са смесени в блендер.

Разбърканата смес се изважда след това и се съхранява в ПЕ затворен съд по време на зреенето, проведено при стайна температура в продължение на 4 h. От така получения състав се взима 60 g аликвота за рентгеноструктурен анализ, който потвърждава наличието на нано-размерни двумерни слоеве от каолинит и идентифицира геополимерната двуфазна структура.

Остатъкът от сместа се добавя като пълнител на референтна бетонна смес без корекции към водо-циментното съотношение, т.е. механично добавен като фин агрегат и се разбърква е останалите компоненти на състав за бетон в блендер. Тегловното съотношение на армировката в бетонната смес е 1/10 от теглото на циментовата смес. Изработени и изпитани са множество тестови блокчета за проверка на якостните характеристики на получения бетон на 7-мия и 28-мия ден, както и сравнени е референтни стойности за неармиран бетон, т.е. еталон. Изненадващо беше установено статистически значимо увеличение на якостта на огъване (+7%) и натиск (+22%) на армирания бетон спрямо този на еталона, както и свиване на разброса от стойности, за якостите, т.е. тестовите образци на армирания бетон имат показатели в (44%) по-тесен диапазон около средната стойност.

Claims (2)

1. Претенции

   1. Състав на нано-армиран бетон, съдържащ вода, агрегат, пясък и свързващо вещество, включващо цимент, характеризиращ се е това, че свързващото вещество освен това включва литиево съединение и каолинит и диатомна пръст, като 1/100 до 1/10 от общото тегло на свързващото вещество е формиран in situ минерален геополимер от групата на силико-алуминати със състав, изразен като оксиди, както следва: 1/3 х Li₂O 2/3 х К^О: А1₂О₃: у SiO₂: z Н₂О, при което „х“ е число от 1 до 1.5; „у“ е число между 3 и 4; и ,,ζ” е число, по-голямо от 0 и най-много равно на 5.
2. 2. Състав съгласно претенция 1, характеризиращ се е това, че литиевото съединение е литиев хидроксид.