Композиция для изготовления строительных материалов и способ ее получения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Турки Сауд Мохаммед Аль-СаудМохаммед А.А.Бин ХуссаинЖданок Сергей АлександровичКрауклис Андрей ВладимировичСамцов Петр ПетровичБотяновский Эдуард Иванович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук БеларусиНаучно-технологический центр им. Короля Абдулазиза(57) 1. Композиция для изготовления строительных материалов, содержащая цементное вяжущее, песок, пластификатор, углеродный наноматериал и воду, отличающаяся тем,что в качестве углеродного наноматериала содержит смесь следующего состава, мас.углеродные нановолокна 20-40 углеродные нанотрубки 20-30 графитовые наночастицы 2-5 аморфный углерод остальное,при следующем соотношении компонентов композиции, мас.цементное вяжущее 22-23 песок 68,55-68,67 пластификатор 0,070-0,072 углеродный наноматериал 0,012-0,120 вода остальное. 2. Способ получения композиции для изготовления строительных материалов по п. 1,при котором смешивают песок, углеродный наноматериал и пластификатор в течение не менее 3 минут, после чего к полученной смеси при постоянном перемешивании добавляют цементное вяжущее, а затем воду. Изобретение относится к области создания композиции на основе минеральных вяжущих и может найти применение в промышленности строительных материалов при из 16486 1 2012.10.30 готовлении блочного и монолитного бетона, фибробетона, полимерцементных растворов,сухих растворных и бетонных смесей, пенобетона, а также шифера, штукатурных, отделочных и защитных покрытий. Строительные материалы, изготовленные из цемента, песка и воды, обычно имеют недостаточные показатели прочности. Для повышения прочности строительных материалов в композициях для их изготовления применяют в качестве добавок углеродные наноматериалы. Известная композиция для получения строительных материалов 1, содержащая цемент, воду, дополнительно содержит в качестве добавки углеродные кластеры фуллероидного типа. Добавка используется для повышения физико-механических характеристик изделий из композиций с целью упрочнения цементного камня за счет микроструктурирования. Углеродные кластеры вводятся в композицию в виде водной дисперсии. Недостатком известной композиции является то, что способ получения углеродных кластеров фуллероидного типа, основанный на распылении графитового анода в плазме дугового разряда, является недостаточно производительным. Стоимость получения композиции является высокой, что приводит к существенному удорожанию строительного материала. Известен более производительный способ получения углеродного наноматериала 2,при котором происходит разложение газообразных углеводородов в плазме высоковольтного разряда атмосферного давления. Углеродный наноматериал, полученный указанным способом, представляет собой смесь, содержащую 20-30 углеродных нанотрубок,20-40 углеродных нановолокон, 2-5 графитовых наночастиц и до 40 аморфного углерода. Известен также способ получения углеродных наноматериалов, описанный в монографии 3, при котором происходит разложение газообразных углеводородов на частицах катализатора. Углеродный наноматериал, полученный указанным способом, представляет собой смесь углеродных нанотрубок с объемом примесей до 1,5 , в том числе 0,3-0,5 аморфного углерода. Известен также относительно дешевый способ получения металлсодержащих углеродных наноструктур из органического соединения с добавлением неорганических солей 4. Углеродные наноструктуры получают из смеси поливинилового спирта и хлоридов меди, нагреваемой до температуры 300 С. Полученные углеродные наноструктуры представляют собой многослойные углеродные нанотрубки, искривленные и сплетенные между собой. Полости нанотрубок заполнены неорганической фазой, в частности металлической медью. Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой композиции, выбранной в качестве прототипа является композиция для получения строительных материалов 5. Данная композиция для получения (изготовления) строительных материалов на основе цементного вяжущего, песка, пластификатора и воды содержит в качестве добавки металлсодержащие углеродные наноматериалы, полученные из смеси поливинилового спирта с умеренно токсичными хлоридами меди. Углеродные наноматериалы вводятся в композицию в виде водной дисперсии. Полученная композиция обладает повышенной прочностью на сжатие. Недостатком известной композиции является то, что использование наноструктур, полученных с применением умеренно токсичных хлоридов меди, может приводить к функционализации нанотрубок вредными веществами, ограничивающими применение строительных материалов. Известна также композиция для изготовления строительных материалов и способ ее получения, описанный в 6. Известная композиция содержит в качестве добавки углеродный наноматериал, представляющий собой смесь углеродных нановолокон и нанотрубок. Способ получения указанной композиции, выбранный в качестве прототипа, заключается в том, что диспергирование углеродного наноматериала с образованием дисперсной смеси производят при введении смеси углеродных нановолокон и нанотрубок, содержащей 0,32 16486 1 2012.10.30 0,5 аморфного углерода, в воду, а ультразвуковую обработку производят в ультразвуковом диспергаторе в течение 3-5 минут. В дисперсную смесь добавляют пластификатор нафталинформальдегидного типа с концентрацией 0,5 и вводят в смесь цемента и песка при непрерывном перемешивании композиции в смесителе. Полученная композиция обладает повышенной прочностью как на изгиб (прирост прочности 21 ), так и на сжатие(прирост прочности 15 ). Недостатком данной композиции является то, что для диспергирования добавки, в качестве которой используют углеродный наноматериал, представляющий собой смесь углеродных нановолокон и нанотрубок, содержащую 0,3-0,5 аморфного углерода,приходится применять сложное и дорогостоящее оборудование - ультразвуковые диспергаторы, что повышает энергоемкость и стоимость строительного материала, а также сложность технологии ее приготовления. Задачей изобретения является повышение физико-механических характеристик строительных материалов, изготовленных из композиции, снижение их энергоемкости и стоимости, а также существенное упрощение способа получения композиции. Задача решается следующим образом. Известная композиция для изготовления строительных материалов содержит цементное вяжущее, песок, пластификатор, углеродный наноматериал и воду. Согласно предлагаемому изобретению, она в качестве углеродного наноматериала содержит смесь следующего состава, мас.углеродные нановолокна 20-40 углеродные нанотрубки 20-30 графитовые наночастицы 2-5 аморфный углерод остальное,при следующем соотношении компонентов композиции, мас.цементное вяжущее 22-23 песок 68,55-68,67 пластификатор 0,070-0,072 углеродный наноматериал 0,012-0,120 вода остальное. Способ получения вышеуказанной композиции для изготовления строительных материалов, при котором смешивают песок, углеродный наноматериал и пластификатор в течение не менее 3 минут, после чего к полученной смеси при постоянном перемешивании добавляют цементное вяжущее, а затем воду. Изобретение иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. При изготовлении композиции берут в качестве минерального вяжущего 5 кг портландцемента и 15 кг мелкого заполнителя в виде кварцевого песка. В песок добавляют 0,0025 кг (0,012 мас. ) углеродного наноматериала, 0,015 кг (0,07 мас. ) пластификатора(в виде порошка) и перемешивают (диспергируют) в смесителе в течение 3 минут. В смесь песка, углеродного наноматериала и пластификатора вводят портландцемент и дополнительно перемешивают в течение 2 минут. В сухую смесь при медленном перемешивании вливают 1,8 кг воды. Смесь перемешивают 2 минуты, укладывают в формы 4040160 мм и уплотняют на виброплощадке 2 минуты. Состав отвердевает в течение 28 суток в нормальных условиях. На полученных образцах определяют прочность балочек на растяжение при изгибе, а половинки балочек испытывают на сжатие. Состав композиции и результаты испытаний приведены в таблице. Пример 2. При изготовлении композиции берут в качестве минерального вяжущего 5 кг портландцемента и 15 кг мелкого заполнителя в виде кварцевого песка. В песок добавляют 0,005 кг (0,023 мас. ) углеродного наноматериала, 0,015 кг (0,07 мас. ) пластификатора 3 16486 1 2012.10.30(в виде порошка) и перемешивают (диспергируют) в смесителе в течение 3 минут. В смесь песка, углеродного наноматериала и пластификатора вводят портландцемент и дополнительно перемешивают в течение 2 минут. В сухую смесь при медленном перемешивании вливают 1,8 кг воды. Смесь перемешивают 2 минуты, укладывают в формы 4040160 мм и уплотняют на виброплощадке 2 минуты. Состав отвердевает в течение 28 суток в нормальных условиях. На полученных образцах определяют прочность балочек на растяжение при изгибе, а половинки балочек испытывают на сжатие. Состав композиции и результаты испытаний приведены в таблице. Пример 3. При изготовлении композиции берут в качестве минерального вяжущего 5 кг портландцемента и 15 кг мелкого заполнителя в виде кварцевого песка. В песок добавляют 0,025 кг (0,12 мас. ) углеродного наноматериала, 0,015 кг (0,07 мас. ) пластификатора(в виде порошка) и перемешивают (диспергируют) в смесителе в течение 3 минут. В смесь песка и пластификатора вводят портландцемент и дополнительно перемешивают в течение 2 минут. В сухую смесь при медленном перемешивании вливают 1,8 кг воды. Смесь перемешивают 2 минуты, укладывают в формы 4040160 мм и уплотняют на виброплощадке 2 минуты. Состав отвердевает в течение 28 суток в нормальных условиях. На полученных образцах определяют прочность балочек на растяжение при изгибе,а половинки балочек испытывают на сжатие. Состав композиции и результаты испытаний приведены в таблице. Пример 4 (контрольный). При изготовлении композиции берут в качестве минерального вяжущего 5 кг портландцемента и 15 кг мелкого заполнителя в виде кварцевого песка. В песок добавляют 0,015 кг (0,072 мас. ) пластификатора(в виде порошка) и перемешивают(диспергируют) в смесителе в течение 3 минут. В смесь песка и пластификатора вводят портландцемент и дополнительно перемешивают в течение 2 минут. В сухую смесь при медленном перемешивании вливают 1,8 кг воды. Смесь перемешивают 2 минуты, укладывают в формы 4040160 мм и уплотняют на виброплощадке 2 минуты. Состав отвердевает в течение 28 суток в нормальных условиях. На полученных образцах определяют прочность балочек на растяжение при изгибе, а половинки балочек испытывают на сжатие. Состав композиции и результаты испытаний приведены в таблице. Пример 5. При изготовлении композиции берут в качестве минерального вяжущего 5 кг портландцемента и 15 кг мелкого заполнителя в виде кварцевого песка. В песок добавляют 0,005 кг (0,023 мас. ) углеродного наноматериала, 0,015 кг (0,07 мас. ) пластификатора(в виде порошка) и перемешивают (диспергируют) в смесителе в течение 0,5 минут. В смесь песка, углеродного наноматериала и пластификатора вводят портландцемент и дополнительно перемешивают в течение 2 минут. В сухую смесь при медленном перемешивании вливают 1,8 кг воды. Смесь перемешивают 2 минуты, укладывают в формы 4040160 мм и уплотняют на виброплощадке 2 минуты. Состав отвердевает в течение 28 суток в нормальных условиях. На полученных образцах определяют прочность балочек на растяжение при изгибе, а половинки балочек испытывают на сжатие. Состав композиции и результаты испытаний приведены в таблице. Пример 6. При изготовлении композиции берут в качестве минерального вяжущего 5 кг портландцемента и 15 кг мелкого заполнителя в виде кварцевого песка. В песок добавляют 0,005 кг (0,023 мас. ) углеродного наноматериала, 0,015 кг (0,07 мас. ) пластификатора(в виде порошка) и перемешивают (диспергируют) в смесителе в течение 5 минут. В смесь песка, углеродного наноматериала и пластификатора вводят портландцемент и дополнительно перемешивают в течение 2 минут. В сухую смесь при медленном перемешивании вливают 1,8 кг воды. Смесь перемешивают 2 минуты, укладывают 4 16486 1 2012.10.30 в формы 4040160 мм и уплотняют на виброплощадке 2 минуты. Состав отвердевает в течение 28 суток в нормальных условиях. На полученных образцах определяют прочность балочек на растяжение при изгибе, а половинки балочек испытывают на сжатие. Состав композиции и результаты испытаний приведены в таблице. Пример Цемент Песок Углеродный 0,012 0,023 наноматериал Состав композиции, мас.Пластификатор 0,07 0,07 Вода 8,258 8,257 Время диспергиро 3 3 вания (минут) Прочность на растяжение 12,8 15,6 при изгибе, МПа Прочность на сжатие, МПа 75,7 83,6 Из таблицы следует, что во всех случаях добавление углеродных наноматериалов, даже в количествах 0,012 мас.(пример 1) приводит к возрастанию как прочности на растяжение при изгибе, так и прочности на сжатие. При оптимальном содержании углеродного наноматериала (0,023 ) прочность на растяжение при изгибе возрастает на 31 , а прочность на сжатие возрастает на 24 . На фиг. 1 и 2 приводится электронно-микроскопическая структура цементного камня,не содержащего углеродные наноматериалы (фиг. 1) и содержащие их (фиг. 2). Сравнение полученных структур позволяет заключить, что использование углеродного наноматериала, состоящего из смеси углеродных нановолокон, углеродных нанотрубок, графитовых наночастиц и аморфного углерода, изменяет внутреннюю структуру цементного камня,что приводит к увеличению прочности материала. Из приведенных примеров также видно, что предлагаемый способ получения композиции для изготовления строительных материалов с использованием в качестве добавки смеси углеродных нановолокон, углеродных нанотрубок, графитовых наночастиц и аморфного углерода проще в реализации и более эффективен энергетически. Источники информации 1. Патент РФ 2233254, МПК 04 28/02, 2004. 2. Патент РБ 10010, МПК 01 31/00, 2007. 3.Ткачев А.Г. Золотухин И.В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур. - М. Машиностроение-1, 2007. - 316 с. 4. Патент РФ 2221744, МПК 01 31/02, 2004. 5. Патент РФ 2281262, МПК 04 28/00, 2006 (прототип). 6. Ладохина М.Н., Буракова Е.А. Влияние методов диспергирования углеродных наноматериалов на прочность бетонов. Труды Тамбовского гос. университета. Вып. 20,2007. - С. 20-23 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6