Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы и способ ее приготовления

Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы и способ ее приготовления

Реферат

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности, к составам комплексных добавок, используемых в производстве бетонов, строительных растворов, железобетонных и специальных бетонных изделий.

Известно использование в качестве добавки в бетонные смеси суперпластификатора С-3 (см. п. Украины № 24298А от 28.09.1993 г., опубл. 30.10.1998 г., М.кл.⁶ С 04 В 7/04, 28/04). Суперпластификатор С-3 (полинафталинсульфонат натрия) добавляют в бетонную смесь в количестве, составляющем 1,35-1,65% от массы цемента. Известная добавка обуславливает повышение пластичных свойств бетонной смеси при сниженном водосодержании, что предотвращает ее расслоение при транспортировке, а также способствует уплотнению дисперсной фазы и снижению объема воздушных пор в контактной зоне с получением высокоплотного бетона.

Однако бетонная смесь с добавкой суперпластификатора С-3 характеризуется недостаточно высокой прочностью в ранние сроки твердения. Экспериментально установлено, что прочность такого бетона составляет 11,5 МПа, а для получения 70% марочной прочности бетона необходимо 120 часов твердения, что удлиняет распалубочные работы. Это объясняется следующим.

Входящие в состав суперпластификатора С-3 высокомолекулярные соединения (продукты поликонденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида - полинафталинсульфонаты) образуют на поверхности частиц цемента адсорбционный слой и изменяют свойства границы вода-цемент, что обуславливает высокую стойкость бетонной смеси к расслоению и ее пластичность при низком водосодержании. Но именно образование прочного структурированного адсорбционного слоя, препятствующего водоотдаче, обуславливает удлинение срока твердения бетонной смеси.

Кроме того, известная бетонная смесь, содержащая суперпластификатор С-3, не обеспечивает получение бетона с высокой морозостойкостью за счет повышенного содержания капиллярных пор.

Известна также комплексная добавка для растворных и бетонных смесей, содержащая смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия, мелассную упаренную послеспиртовую барду и сульфат натрия (см. п. Украины № 23457А от 28.12.1996 г., опубл. 31.08.1998 г., М. кл.⁶ С 04 В 13/24) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Смесь балластных солей сероочистки
коксового газа на основе тиосульфата
и роданида натрия	20-60
Сульфат натрия	10-15
Мелассная упаренная
послеспиртовая барда	30-65

Известная добавка не обеспечивает высокую прочность бетонов на ранних стадиях, что не позволяет выполнять распалубочные работы в ранние сроки. Кроме того, известная добавка не обеспечивает получение бетонных изделий с высокой морозостойкостью. Это объясняется повышенным водосодержанием бетонной смеси для обеспечения необходимой пластичности и высокой капиллярной пористостью бетонных изделий.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемой добавке является комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы, содержащая смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия в количестве 61-95 мас.% и суперпластификатора С-3 на основе полинафталинсульфонатов - остальное (Патент РФ №2228306 от 09.12.2002 г. на изобретение под названием "Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы").

Для получения указанной добавки дозируют исходные компоненты - смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия и суперпластификатор С-3 в емкость для смешения, а затем производят их принудительное перемешивание до получения однородной смеси. Этот способ получения комплексной добавки является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату.

Обеспечивая необходимую подвижность бетонных и растворных смесей, а также хорошие свойства строительных растворов и бетонов по показателям марочной прочности и морозостойкости, указанная комплексная добавка характеризуется тем не менее недостаточной сохраняемостью ее свойств при хранении и недостаточной сохраняемостью показателей пластификации (подвижности) бетонных смесей с ней.

В связи с этим предлагаемая группа изобретений направлена на решение технической задачи стабилизации свойств комплексной добавки при ее хранении по показателям пластификации и морозостойкости растворной смеси с ней. Дополнительно решается задача стабилизации свойств комплексной добавки при ее хранении по показателям подвижности бетонной смеси и набору ранней прочности бетоном, в том числе при пониженной температуре.

Первая из поставленных задач решается тем, что известная комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы, содержащая смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия и суперпластификатор С-3 на основе полинафталинсульфонатов, дополнительно содержит щелочной компонент в количестве, необходимом для придания 1,0% водному раствору добавки значения рН в диапазоне значений от 8,1 до 10,8 включительно, а соотношение по массе смеси балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата натрия и роданида натрия к суперпластификатору С-3 на основе полинафталинсульфонатов составляет 1:0,1-10,0.

Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы по настоящему изобретению может содержать в качестве щелочного компонента едкий натр при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Суперпластификатор С-3 на основе
полинафталинсульфонатов	15,00-85,00
Едкий натр	0,02-0,25
Смесь балластных солей сероочистки
коксового газа на основе тиосульфата
и роданида натрия	Остальное.

Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы, указанная выше, может дополнительно содержать лигносульфонаты технические при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Суперпластификатор С-3 на основе
полинафталинсульфонатов	15,00-85,00
Едкий натр	0,02-0,20
Лигносульфонаты технические	1,50-15,00
Смесь балластных солей сероочистки
коксового газа на основе тиосульфата
и роданида натрия	Остальное.

Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы по настоящему изобретению может дополнительно содержать нитрит натрия или формиат натрия при следующем соотношении компонентов:

Суперпластификатор С-3 на основе
полинафталинсульфонатов	15,00-85,00
Едкий натр	0,02-0,20
Нитрит натрия или формиат натрия	5,00-42,50
Смесь балластных солей сероочистки
коксового газа на основе тиосульфата
и роданида натрия	Остальное

Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы по настоящему изобретению может содержать основные компоненты балластных солей сероочистки коксового газа и суперпластификатора С-3 в следующем соотношении по массе: тиосульфат натрия:роданид натрия (ТСН):полинафталинсульфонаты (NaCNS) = 1:1,6-2,4:3,0-12,0.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.

Смесь балластных солей сероочистки коксового газа, содержащая тиосульфат, роданид и сульфат натрия, способствует ускорению твердения бетонной смеси за счет интенсификации развития гидратационных процессов. Полинафталинсульфонаты (обычно, натрия), являющиеся основой суперпластификатора С-3, характеризуются высокими пластифицирующими свойствами за счет снижения поверхностного натяжения на границе вода-цемент, но замедляют процесс твердения бетонной смеси. Введение же в бетонную смесь добавки, содержащей смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия и полинафталинсульфонатов в заявляемом соотношении, обуславливает повышение прочности бетона в ранние сроки твердения и морозостойкости бетонных изделий при сохранении высокой пластичности бетонной смеси. Однако в составе исходных компонентов комплексной добавки по настоящему изобретению (смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия и суперпластификатор С-3 на основе полинафталинсульфонатов) присутствуют некоторые содержащиеся в небольшом количестве компоненты, которые после их смешения способствуют протеканию физико-химических процессов, изменяющих состав и свойства комплексной добавки, при иных, чем заявленные в настоящем изобретении значениях рН ее 1% раствора, что, в свою очередь, ведет к снижению ее эффективности при хранении, а также к значительному разбросу результатов испытаний при введении комплексной добавки в растворные и бетонные смеси. Необходимое значение рН необходимо установить после смешения основных исходных компонентов заявляемой комплексной добавки. Определение рН ведется для 1,0% раствора комплексной добавки, так более концентрированные (в том числе 2%) растворы не позволяют определять достоверные значения рН вследствие их большей ионной силы и относительно высокой концентрации примесей, влияющих на протекание электродных реакций в процессе определения рН.

Заявляемый диапазон значений рН и 1,0% концентрация раствора комплексной добавки в бетонные смеси и строительные растворы по настоящему изобретению при определении этого показателя являются оптимальными для стабильности свойств комплексной добавки при ее хранении и влиянии на свойства бетонных смесей и строительных растворов и изделий из них. Этот диапазон установлен экспериментально, то же относится и к значениям соотношений компонентов комплексной добавки и к их виду. Наиболее эффективно применение в качестве щелочного компонента едкого натра, имеющего общий ион натрия с основными компонентами комплексной добавки по настоящему изобретению. Дополнительное введение формиата или нитрита натрия и технических лигносульфонатов (желательно на натриевой же основе) позволяет дополнительно стабилизировать свойства комплексной добавки при ее применении, в том числе после длительного хранения.

Снижение величины рН комплексной добавки в бетонные смеси и строительные растворы по отношению к заявленному диапазону ведет к нестабильности ее пластифицирующего действия и снижению сроков сохранения своей первоначальной эффективности.

Повышение величины рН комплексной добавки в бетонные смеси и строительные растворы по отношению к заявленному диапазону ведет к значительному падению ее эффективности после хранения и ухудшению стабильности показателей добавки по ее влиянию на показатели морозостойкости и ранней прочности растворов с ней.

Сказанное выше подтверждается следующими конкретными примерами осуществления изобретения.

Для приготовления комплексной добавки использовали суперпластификатор С-3 по ТУ 5870-002-58042865-03 (СП С-3) и смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия по ТУ 5 61-к-118-001-92 (СБС), лигносульфонаты технические по ТУ 13-0281036-05-89 (ЛСТ), хлористый натрий, едкий натр NaOH и другие щелочные компоненты, сульфат натрия (СН) реактивные - марки "ч.". Для определения величины рН 1,0% раствора комплексной добавки (получаемого из готовой комплексной добавки путем ее растворения в дистиллированной воде) использовали стандартный рН-метр со стеклянным электродом, обеспечивающий необходимую точность измерений (0,05 ед. рН). Определение содержания отдельных компонентов в комплексной добавке проводили стандартными методами количественного химического анализа. Плотность раствора комплексной добавки определяли денсиметром при 20°С, содержание влаги в комплексной добавке определяли путем ее высушивания до постоянной массы при 105°С.

Составы комплексных добавок и результаты их воздействия на растворную смесь стандартного состава 1:3 по ГОСТ 310.4 при В/Ц=0,4 приведены в таблицах 1-4.

Для решения дополнительной технической задачи предлагается комплексную добавку в бетонные смеси и строительные растворы готовить следующим способом: сначала дозируют балластные соли сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия, суперпластификатор С-3 на основе полинафталинсульфонатов и остальные компоненты в емкость для смешения при температуре 15-50°С с расчетом получения водного раствора приготавливаемой комплексной добавки с плотностью 1120-1320 кг/м³, затем начинают их принудительное перемешивание до получения комплексной добавки, имеющей стабильное значение рН 1,0% водного раствора.

Таблица 1.
№ п/п	Соотношение компонентов комплексной добавки	Вид щелочного компонента	рН 1% раствора	Сохраняемость свойств комплексной добавки после 6 месяцев хранения, отношение исходного показателя в растворной смеси к показателю после хранения, %
СБС	СП С-3	По пластификации	По морозостойкости
1.1	1	0,1	Са(ОН2	8,1	100	100
1.2	1	1	КОН	9,0	110	100
1.3	1	10	NaOH	10,8	110	120
1.4	1	0,1	Са(ОН2	7,5	80	80
1.5	1	1	КОН	8,0	85	90
1.6	1	10	NaOH	11,0	95	80
1.7	4	1	нет	7,0	90	80
Таблица 2.
№ п/п	Состав добавки, мас.%	рН 1% раствора	Стабильность свойств комплексной добавки по показателям растворной смеси с ней (относительные величины разброса результатов испытаний, %, контрольный образец по прототипу принят за 100%) после 6 месяцев хранения
СБС	СП С-3	NaOH		Пластификация	Марочная прочность	Морозостой-кость
2.1	84,75	15,00	0,25	10,8	90	85	90
2.2	49,90	50,00	0,10	9,2	90	85	80
2.3	14,98	85,00	0,02	8,1	90	90	90
2.4	61	39	нет	7,5	100	100	100
Таблица 3.
№	Состав комплексной добавки, мас.%	рН 1%	Сохраняемость
п/п	СП С-3	NaOH	NaNO2 Нитрит натрия	ЛСТ	Формиат натрия	СБС	раствора	свойств комплексной добавки после 6 месяцев хранения, по показателю пластификации/морозостойкости, %
3.1	15,00	0,20	-	15,00	-	69,80	10,8	100/110
3.2	50	0,17	-	5,00	-	44,83	9,5	105/105
3.3	85,00	0,02	-	1,50	-	13,48	8,1	100/105
3.4	30	нет	нет	нет	нет	70	7,5	70/60
3.5	15,00	0,02	42,50	-	-	42,48	8,1	100/100
3.6	85,00	0,20	5,00	-	-	9,80	10,8	105/100
3.7	49,90	0,10	-	-	25,0	25,0	8,9	110/105

Таблица 4.
№ п/п	Соотношение основных компонентов комплексной добавки по массе	рН 1% раствора	Сохраняемость свойств комплексной добавки после 6 месяцев хранения, по показателю пластификации/морозостойкости, %
ТСН	NaCNS	Полинафталин-сульфонаты натрия
4.1	1	1,6	12,0	8,1	110/105
4.2	1	1,8	10,0	10,0	115/110
4.3	1	2,0	6,5	9,0	115/115
4.4	1	2,4	3,0	10,8	110/105
Примечание к Табл.4: В качестве щелочного компонента использованы: карбонат калия (пример 4.1), едкий натр (пример 4.2), аммиак (пример 4.3), гидроксид лития (пример 4.4). Соотношение СБС к СП С-3 составляет: 1 к 4 для примера 4.1; 1 к 3 для примера 4.2; 1 к 2 для примера 4.3; 1 к 1 для примера 4.4.

Полученный раствор комплексной добавки со стабильным значением рН может быть высушен при температуре 80-130°С до достижения содержания влаги в сухой комплексной добавке в диапазоне величин от 2,0 до 9,5 мас.%, включительно.

Получение комплексной добавки можно вести таким образом, что водные растворы указанных исходных компонентов дозируют при температуре 25-50°С с расчетом получения раствора приготавливаемой комплексной добавки с плотностью 1180-1280 кг/м³, принудительное перемешивание осуществляют с использованием циркуляционного насоса, при этом общая кратность циркуляции принудительного перемешивания должна быть не менее 10, а общее время перемешивания после окончания дозирования щелочного компонента не более 0,5 часа.

Кратность циркуляции определяется традиционно как соотношение количества раствора, прошедшего через насос (определяется умножением производительности насоса на время перемешивания), к общему количеству раствора приготавливаемой комплексной добавки. При температуре ниже 15°С не все компоненты комплексной добавки по настоящему изобретению достаточно хорошо растворимы в воде, а при температуре более 50°С невозможно стабилизировать значение рН, и происходит ухудшение свойств комплексной добавки. При кратности циркуляции 10 и выше свойства комплексной добавки при ее хранении не улучшаются.

Исходные основные компоненты комплексной добавки, а именно смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия и суперпластификатор С-3 на основе полинафталинсульфонатов натрия в предварительно рассчитанных количествах дозируют любым известным весовым (или объемным - для растворов) методом в емкость для принудительного перемешивания, добавляют в нее, при необходимости, воду до получения требуемой плотности раствора. Выход от циркуляционного перемешивающего насоса устанавливают как можно дальше от точки забора перемешиваемого раствора. Щелочной компонент дозируют, по возможности, в зоны забора раствора циркуляционным насосом или зону подачи этого раствора в емкость для перемешивания после насоса. Возможно и предварительное дозирование щелочного компонента в любой другой компонент до подачи их в емкость для смешения. При этом исключают контакт раствора комплексной добавки с углекислым газом из атмосферного воздуха. Определение величины рН начинают вести через 5-10 минут после начала перемешивания или на 7-8 цикле циркуляции и считают ее установившейся, если значение рН не изменилось в течение 2-х минут или 2-х циклов циркуляции. Хранение раствора добавки осуществляют в герметически закрытых емкостях, например в стальных или пластмассовых бочках с завинчивающимися крышками. Примеры приготовления комплексной добавки приведены в таблице 5.

Таблица 5
№ п/п	Параметры смешения компонентов комплексной добавки	Параметры сушки
№ состава по табл.1-4	t,°C	рН 1% раствора	Плотность, кг/м3	Кратность циркуляции	Время смешения, час	t,°C	Содержание влаги, мас.%
5.1	1.1	15	8,1	1120	-	-	-	-
5.2	1.2	30	9,0	1180	-	-	-	-
5.3	1.3	50	10,8	1320	-	-	-	-
5.4	2.3	25	8,1	1180	10	0,4	-	-
5.5	2.1	50	10,8	1280	12	0,5	-	-
5.6	2.2	25	10,8	1180	-	0,2	130	2,0
5.7	3.2	4	10,0	1260	-	-	110	6,0
5.8	4.4	4,5	8,1	1320	-	-	80	9,5
5.9	1.7	30	7,9	1200	-	-	-	-

Для проверки свойств комплексной добавки по настоящему изобретению была приготовлена бетонная смесь, содержащая 1 часть бетона, 1,5 части песка, 3 части щебня фракции 10-20, 2 части щебня фракции 10-40 и 0,38 частей воды. Для приготовления бетонной смеси использовали:

- цемент Старооскольского цементного завода марки ПЦ-500Д0;

- песок для строительных работ с модулем крупности 2, 3.

Заявляемую добавку, параметры получения которой приведены в таблице 6, вводили в бетонную смесь в количестве 0,3-1,5% от массы цемента в расчете на сухое вещество. В полученных бетонных смесях определяли подвижность по ГОСТ 10181.1. Из бетонных смесей готовили образцы бетонов для испытаний на раннюю прочность, в том числе при отрицательных температурах, и морозостойкость. Для определения времени достижения 70%-ной марочной прочности образцов в возрасте, начиная с 24 часов, определяли прочность на сжатие в соответствии с ГОСТ 10180. После 28 суток образцы подвергали испытаниям на морозостойкость по ГОСТ 10060.2. Были испытаны бетонные смеси, содержащие добавку как с заявляемым соотношением компонентов, так и с запредельным соотношением заявляемых компонентов, как сразу после приготовления добавок, так и после хранения их в течение 6 месяцев. Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 6. Были также проведены испытания бетонной смеси, изготовленной с комплексной добавкой по прототипу.

Из таблицы 6 видно, что комплексная добавка по настоящему способу обеспечивает сохранение своих свойств после ее хранения в течение 6 месяцев по влиянию на подвижность бетонной смеси и марочную прочность бетона, а также на ускорение раннего набора прочности, в том числе при пониженной температуре (опыты № 3-8).

1. Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы, содержащая смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия и суперпластификатор С-3 на основе полинафталинсульфонатов, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит щелочной компонент в количестве, необходимом для придания 1,0%-ному водному раствору комплексной добавки значения рН от 8,1 до 10,8, а соотношение по массе смеси балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата натрия и роданида натрия и суперпластификатора С-3 на основе полинафталинсульфонатов составляет 1 : 0,1-10,0.

2. Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы по п.1, отличающаяся тем, что она содержит в качестве щелочного компонента едкий натр при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Суперпластификатор С-3 на основе
полинафталинсульфонатов	15,00-85,00
Едкий натр	0,02-0,25
Смесь балластных солей сероочистки коксового
газа на основе тиосульфата и роданида натрия	Остальное

3. Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы по п.2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лигносульфонаты технические при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Суперпластификатор С-3 на основе
полинафталинсульфонатов	15,00-85,00
Едкий натр	0,02-0,20
Лигносульфонаты технические	1,50-15,00
Смесь балластных солей сероочистки
коксового газа на основе тиосульфата и
роданида натрия	Остальное

4. Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы по п.2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит нитрит натрия или формиат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Суперпластификатор С-3 на основе
полинафталинсульфонатов	15,00-85,00
Едкий натр	0,02-0,20
Нитрит натрия или формиат натрия	5,00-42,50
Смесь балластных солей сероочистки коксового
газа на основе тиосульфата и
роданида натрия	Остальное

5. Комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что она содержит основные компоненты балластных солей сероочистки коксового газа и суперпластификатора С-3 в следующем соотношении по массе соответственно тиосульфат натрия:роданид натрия:полинафталинсульфонаты = 1:1,6-2,4:3,0-12,0.

6. Способ приготовления комплексной добавки в бетонные смеси и строительные растворы, включающий дозирование балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия и суперпластификатора С-3 на основе полинафталинсульфонатов в емкость для смешения и их последующее принудительное перемешивание, отличающийся тем, что для получения комплексной добавки по одному из пп.1-5 ее компоненты дозируют при температуре 15-50°С с расчетом получения водного раствора приготавливаемой комплексной добавки с плотностью 1120-1320 кг/м³, затем начинают их принудительное перемешивание до получения комплексной добавки, имеющей стабильное значение рН 1%-ного водного раствора.

7. Способ приготовления комплексной добавки в бетонные смеси и строительные растворы по п.6, отличающийся тем, что полученный раствор комплексной добавки со стабильным значением рН высушивают при температуре 80-130°C до достижения содержания влаги в сухой комплексной добавке в диапазоне величин от 2,0 до 9,5 мас.% включительно.

8. Способ приготовления комплексной добавки в бетонные смеси и строительные растворы по п.6, отличающийся тем, что водные растворы указанных исходных компонентов дозируют при температуре 25-50°С с расчетом получения раствора приготавливаемой комплексной добавки с плотностью 1180-1280 кг/м³, принудительное перемешивание осуществляют с использованием циркуляционного насоса, при этом общая кратность циркуляции принудительного перемешивания должна быть не менее 10, а общее время перемешивания после окончания дозирования щелочного компонента не более 0,5 ч.