EA019884B1

EA019884B1 - Композиция для получения строительных материалов

Info

Publication number: EA019884B1
Application number: EA201101292A
Authority: EA
Inventors: Людмила Васильевна Кашкина; Владимир Алексеевич Кулагин; Олеся Павловна Стебелева; Людмила Владимировна Кулагина
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2014-07-30
Also published as: EA201101292A3; RU2447036C1; EA201101292A2

Abstract

Изобретение относится к составам на основе минеральных вяжущих, таких как цемент, и может быть использовано в промышленности строительных материалов при изготовлении бетона, фибробетона, цементно-волокнистых строительных материалов, шифера, штукатурки, отделочных покрытий, в том числе лепнины и т.п. Технический результат заключается в повышении прочности строительных материалов на сжатие. Композиция для получения строительных материалов содержит цемент в качестве минерального вяжущего, песок в качестве наполнителя, воду и углеродные кластеры. В качестве углеродных кластеров композиция содержит кавитационно-активированный углеродосодержащий материал (КАУМ), содержащий многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм, полидисперсные углеродные трубчатые образования размерами 10-10м, гидрированные углеродные фрактальные структуры размерами 10-10м и активный рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 Å.

Description

Изобретение относится к составам на основе минеральных вяжущих, таких как цемент, и может быть использовано в промышленности строительных материалов при изготовлении бетона, фибробетона, цементно-волокнистых строительных материалов, шифера, штукатурки, отделочных покрытий, в том числе лепнины и т.п.

Известна композиция для получения строительного материала [пат. ВИ № 2345968, МПК С04В 28/02 В82В 1/00 В82В 3/00 С04В111/20, опубл. 10.02.2009 г.], содержащая цемент, песок, воду и углеродный наноматериал - сажу, полученную электродуговым методом и содержащую 7% углеродных нанотрубок при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цемент 20+30;

наполнитель 50+70;

указанный углеродный наноматериал 1+2;

вода остальное.

Сажу, содержащую 7% углеродных нанотрубок, получали из графита марки МИГ -4 на установке в массовых количествах (порядок 1 кг/ч) при следующих основных параметрах: сила тока 1150 А, напряжение 42 В, диаметр анода 30 мм электродуговым методом, изложенным в статье Грушко Ю.С., Егоров В.М., Зимкин И.Н., Орлова Т.С., Смирнов Б.И. Некоторые физико-механические свойства катодных депозитов, образующихся при получении фуллеренов дуговым способом [журнал Физика твердого тела. 1995, т. 37, № 6, с. 1838-1842].

Недостатком известной композиции является её высокая стоимость вследствие энергозатратности и неэкономичности метода получения сажи.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой композиции является композиция для получения строительных материалов [пат. ВИ № 2233254, МПК С04В 28/02 С04В 111:20, опубл. 27.07.2004 г.] на основе минерального вяжущего, включающая минеральное вяжущее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс или их смеси и воду, дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более при следующем соотношении компонентов в композиции (мас.%): минеральное вяжущее 33-77; углеродные кластеры фуллероидного типа 0,0001-2,0; вода - остальное. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может содержать полидисперсные углеродные нанотрубки. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа она может содержать полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может содержать смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена С₆₀. Композиция может дополнительно содержать технологические добавки, взятые в количестве 100-250 мас.ч. на 100 мас.ч. минерального вяжущего.

Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм выделены из корки катодного депозита, полученного в пламени дугового разряда в атмосфере гелия путем последовательных операций окисления в газовой и в жидкой фазе и идентифицированы им.

Недостатком данной композиции является её высокая стоимость вследствие энергозатратности методов получения углеродных кластеров фуллероидного типа, а также недостаточное увеличение прочности на сжатие (в 1,3 раза) бетона.

Задачей настоящего изобретения является получение высокопрочной композиции строительных материалов при снижение её стоимости за счет снижения энергозатратности метода получения углеродных кластеров.

Технический результат заключается в повышении прочности строительных материалов.

Поставленная задача достигается тем, что композиция для получения строительных материалов, содержащая цемент в качестве минерального вяжущего, песок в качестве наполнителя, воду и углеродные кластеры, содержащие многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,340,36 нм и размером частиц 60-200 нм, согласно изобретению в качестве углеродных кластеров содержит кавитационно-активированный углеродосодержащий материал (КАУМ), содержащий дополнительно полидисперсные углеродные трубчатые образования размерами 10^-6-10^-5 м, гидрированные углеродные фрактальные структуры размерами 10^-8-10^-5м и активный рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 А при следующем соотношении компонентов в композиции, мас.%:

- 1 019884 минеральное вяжущее (цемент) 25-50: наполнитель (песок) 30-60:

кавитационно-активированный углеродосодержащии материал (КАУМ)

0,024-0,64;

вода остальное.

На чертеже, фиг. а представлена морфология композиции для получения строительных материалов без кавитационно-активированного углеродосодержащего материала, а на фиг. б - с кавитационноактивированным углеродосодержащим материалом.

Кавитационно-активированный углеродосодержащий материал (КАУМ), содержащий многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм, полидисперсные углеродные трубчатые образования размерами 10^-6 -10^-5 м, гидрированные углеродные фрактальные структуры размерами 10^-8-10^-5 м и активный рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 А получали путем гидродинамической обработки водной суспензии древесной сажи в кавитационном реакторе роторного типа в режиме суперкавитации. Опытным путем было установлено, что в режиме суперкавитации значение числа кавитации п_кр составило 0,2 [Кулагин В. А., Вильченко А. П., Кулагина Т. А. Моделирование двухфазных суперкавитационных потоков. - Красноярск: ИПЦ КГТУ. 2001, 108 с.].

В кавитирующем реакторе роторного типа в режиме суперкавитации (число кавитации п_кр = 0,2) под действием пульсации кавитационных пузырьков происходит механодеструкция водной суспензии древесной сажи с образованием дефектных сажевых частиц с размерами 10^-10-10^-8 и активного рыхлого углерода с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 А. В результате турбулетного перемешивания активный рыхлый углерод частично взаимодействует с дефектными сажевыми частицами (глобулами) с образованием различных гидрированных агрегатов и ассоциатов: многослойных углеродных наноструктур с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм, полидисперсных углеродных трубчатых образований размерами 10^-6-10^-5м, гидрированных углеродных фрактальных образований размерами 10^-8-10^-5 м. Примеси тяжелых элементов выпадают в осадок, который затем удаляют.

Углеродные кластеры вводятся в композицию в виде водной суспензии кавитационноактивированного углеродосодержащего материала (КАУМ).

Повышение прочности строительных материалов обеспечивается тем, что композиция, в которую вводят углеродные кластеры в виде водной суспензии кавитационно-активированного материала (КАУМ), приобретает фибриллярную упрочняющую надмолекулярную структуру цементного камня (см. фиг. б). Это происходит вследствие того, что при введении данной суспензии в композицию твердая дисперсная фаза является центром направленной кристаллизации, а жидкая дисперсионная среда (активированная вода) оказывает влияние на кристаллохимические реакции твердения цементного камня. В результате прочность строительного материала повышается в 1,7 раз.

Далее заявляемое изобретение поясняется примерами.

Пример 1 (контрольный).

Речной песок в количестве 43 мас.% смешивают с водой в количестве 14 мас.%. В него добавляют портландцемент марки М 400 в количестве 43 мас.%. Получившийся состав тщательно перемешивают до получения однородной массы, которую разливают по формам. Состав отвердевал в течение 28 суток в нормальных условиях.

На полученных образцах определили микротвердость МПа с помощью микротвердомера ПМТ-3 по методу Виккерса.

Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблице.

Пример 2.

Песок в количестве 43 мас.% смешивают с водной суспензией кавитационно-активированного углеродосодержащего материала (КАУМ) в количестве 0,024 мас.%. В него добавляют портландцемент марки М 400 в количестве 43 мас.% и воду в количестве 13,976 мас.%. Получившийся состав тщательно перемешивают до получения однородной массы, которую разливают по формам. Состав отвердевал в течение 28 суток в нормальных условиях.

Пример 3. Композицию получали как в примере 2 при следующем соотношении масс (мас.%):

Песок - 43;

КАУМ - 0,044;

Портландцемент - 43;

- 2 019884

Вода - 13,956.

Пример 4. Композицию получали как в примере 2 при следующем соотношении масс (мас.%): Песок - 43;

КАУМ - 0,064;

Портландцемент - 43;

Вода - 13,936.

Пример 5. Композицию получали как в примере 2 при следующем соотношении масс (мас.%): Песок - 60;

КАУМ - 0,024;

Портландцемент - 25;

Вода - 14,976.

Таблица. Состав композиции и прочностная характеристика

Пример	Состав композиции, мас.%:	Микротвердость, МПа
Портландцемент	КАУМ	Песок	Вода
1к	43	-	43	14,000	45,8
2	43	0,024	43	13,976	50,4
3	43	0,044	43	13,956	75,6
4	43	0,064	43	13,936	46,63
5	25	0,024	60	14,976	56,9

Как видно из таблицы, во всех случаях добавление водной суспензии КАУМ в состав композиции приводит к возрастанию микротвердости полученных образцов в сравнении с контрольным образцом. В результате добавления водной суспензии КАУМ в количестве 0,044 мас.% в состав композиции (см. пример 3) значение микротвердости полученных образов, равное 75,6 МПа, больше значения микротвердости контрольного образца в 1,7 раз.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Композиция для получения строительных материалов, содержащая цемент в качестве минерального вяжущего, песок в качестве наполнителя, воду и углеродные кластеры, содержащие многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм, отличающаяся тем, что в качестве углеродных кластеров содержит кавитационно-активированный углеродосодержащий материал (КАУМ), содержащий дополнительно полидисперсные углеродные трубчатые образования размерами 10^-6-10^-5 м, гидрированные углеродные фрактальные структуры размерами 10^-8-10^-5 м и активный рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 А, при следующем соотношении компонентов в композиции, мас.%:

минеральное вяжущее (цемент) 25+50;

наполнитель (песок) 30-60;

кавитационно-активированный углеродосодержащий материал