СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕТОНА С ПРОЧНОСТЬЮ ПРИ СЖАТИИ ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ 400 МПА И ЭНЕРГИЕЙ РАСТРЕСКИВАНИЯ ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ 1000 У/М, СМЕСЬ ДЛЯ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ИЗДЕЛИЕ ИЗ ЭТОГО БЕТОНА Российский патент 1998 года по МПК C04B28/02 C04B28/02 C04B14/48 C04B111/20 

Изобретение относится к способу и смеси для получения бетона и к изготовлению сборных или отливаемых непосредственно в месте использования изделий из бетона с прочностью при сжатии, по крайней мере, 400 МПа, и энергией растрескивания, по крайней мере, 1000 J/м².

Согласно изобретению, для получения такого бетона используют способ, при котором перемешивают смесь, включающую следующие пропорции, выраженные в весовых частях (вес.ч.):
Портландцемент - 100
Мелкий песок с величиной частиц по меньшей мере 150 мкм - 30-100
Аморфный диоксид кремния с величиной частиц менее 0,5 мкм - 10-40
Измельченный кварц с величиной частиц менее 10 мкм - 20-60
Стальная "вата" - 25-100
Разжижитель - вода - 13-26
причем после схватывания смеси осуществляют термообработку бетона при температуре по крайней мере 250^oC в течение времени, достаточного для превращения продукта гидратации цемента в кристаллические гидраты типа ксонотлита, и почти полного удаления свободной воды и, по крайней мере, большей части адсорбированной и химически связанной воды.

Возможно получение бетона с упомянутыми характеристиками при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:
Портландцемент - 100
Мелкий песок с величиной частиц по меньшей мере 150 мкм - 40-70
Аморфный диоксид кремния с величиной частиц менее 0,5 мкм - 20-30
Измельченный кварц с величиной частиц менее 10 мкм - 30-50
Стальная "вата" - 45-80
Разжижитель - вода - 15-22
Возможно также использовать мелкий песок с величиной частиц ниже 800 мкм или с величиной частиц в пределах 150-400 мкм.

Предпочтительно при осуществлении способа использовать стальную "вату", образованную измельченными до размера 1-5 мм стальными стружками, соответствующего размеру отверстий решетки в дробилке.

При этом используют "вату" из нержавеющей стали.

Возможно в вышеуказанную смесь включают, по меньшей мере, 0,6 вес.ч., предпочтительно 1,4 вес.ч., суперпластификатора.

Возможно также вводить в смесь металлические, цилиндрические гладкие волокна длиной 4-20 мм, предпочтительно 10-14 мм, и диаметром менее 500 мкм, предпочтительно, в пределах 100-200 мкм, причем объем этих волокон составляет 1-4% или лучше 2-3% от объема бетона после схватывания.

Далее возможно получение бетона с упомянутыми характеристиками упомянутым способом, при котором перемешивают смесь при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:
Портландцемент - 100
Мелкий песок - 50
Аморфный диоксид кремния - 23
Измельченный кварц - 39
Суперпластификатор - 2
Стальная "вата" - 63
Вода - 18
При этом предпочтительно подвергать бетон термообработке при температуре, по меньшей мере равной 250^oC, или лучше, по меньшей мере, равной 400^oC при давлении и влажности окружающей среды.

Кроме того, предпочтительно подвергать бетон во время схватывания давлению, по меньшей мере, 5 МПа, а лучше 50 МПа.

Согласно изобретению смесь для приготовления бетона с прочностью при сжатии по крайней мере 400 МПа и энергией растрескивания по крайней мере 1000 J/м², содержит компоненты при следующем соотношении, вес.ч.:
Портландцемент - 100
Мелкий песок с величиной частиц по меньшей мере 150 мкм - 30-100
Аморфный диоксид кремния с величиной частиц менее 0,5 мкм - 10-40
Измельченный кварц с величиной частиц менее 10 мкм - 20-60
Стальная "вата" - 25-100
Разжижитель - вода - 13-26
При этом такая смесь может содержать соотношение компонентов, вес.ч.:
Портландцемент - 100
Мелкий песок с величиной частиц по меньшей мере 150 мкм - 40-70
Аморфный диоксид кремния с величиной частиц менее 0,5 мкм - 20-30
Измельченный кварц с величиной частиц менее 10 мкм - 30-50
Стальная "вата" - 45-80
Разжижитель - вода - 15-22
Предпочтительно, чтобы мелкий песок имел величину частиц ниже 800 мкм или величину частиц в пределах 150-400 мкм.

Далее предпочтительно, чтобы в этой смеси стальная "вата" состояла из стальных стружек, измельченных до 1-5 мм, соответствующих размеру отверстия решетки в дробилке.

При этом что стальная вата является "ватой" из нержавеющей стали.

Желательно, чтобы в смеси в качестве разжижителя использовали суперпластификатор в количестве, по меньшей мере, 0,6 вес.ч., предпочтительно 1,4 вес.ч.

Возможно также, чтобы смесь включала металлические, цилиндрические, гладкие волокна длиной 4-20 мм, предпочтительно 10-14 мм и диаметром менее 500 мкм, предпочтительно в пределах 100-200 мкм, причем объем этих волокон составляет 1-4% или лучше 2-3% от объема бетона после схватывания смеси.

Изобретение также обеспечивает возможность выполнения изделий из бетона с прочностью при сжатии, по крайней мере, 400 МПа и энергией растрескивания, по крайней мере, 1000 J/м², характеризующееся тем, что оно изготовлено согласно вышеописанному способу из вышеописанной смеси.

Изобретение ниже поясняется подробнее на примерах со ссылкой на прилагаемые рисунки, на которых на фиг. 1 представлен график программы термообработки; на фиг. 2 представлена кривая содержания остаточной воды в бетоне, согласно изобретению, в зависимости от температуры обработки; на фиг. 3 представлена кривая прочности на сжатие бетона, согласно изобретению, в зависимости от содержания остаточной воды; на фиг. 4 представлена микрография электронной развертки, показывающая микроструктуру бетона согласно изобретению, и на фиг. 5 представлен вид анкерного блока концевых кабельных муфт предварительного напряжения, получаемый согласно изобретению.

Пример 1. Получают образцы бетона путем перемешивания смеси, содержащей на 100 вес.ч. портландского цемента:
50 вес.ч. мелкого песка (размер частиц 150-400 мкм);
23 вес.ч. аморфного диоксида кремния (размер частиц менее 0,5 мкм);
39 вес.ч. раздробленного кварца (размер частиц менее 10 мкм);
2 вес.ч. суперпластификатора (сухой экстракт);
63 вес.ч. "ваты" из нержавеющей стали AISI 430, размельченной до величины 3 мм (размер отверстия в решетке дробилки), выпускаемой в продажу фирмой GER V 01 S;
18 вес.ч. воды.

Суперпластификатор представляет собой таковой, например, типа полиакрилата, меламина или нафталина.

Эти образцы подвергают воздействию различных температур и измеряют обезвоживание (высыхание) образцов. Констатируют (фиг. 2), что это обезвоживание слабо увеличивается с температурой термообработки вплоть до 220^oC и выше 250^oC. Напротив, это обезвоживание интенсивно протекает в пределах температур 230-240^oC. Эта температура соответствует превращению аморфных, полукристаллических гидратов и тоберморита в ксонотлит.

Для того, чтобы это превращение осуществлялось полностью, следовательно, пригодна термообработка образца при температуре, равной или выше 250^oC.

Условия термообработки приводят к выдержке стальных стружек в условиях высокой температуры в комбинации с высокой влажностью. Несмотря на замкнутость в цементной матрице, обычные стальные стружки подвергаются коррозии. Получающиеся в результате этой коррозии оксиды железа видимы на внешней поверхности образца. В случае использования нержавеющей стали коррозия намного более ограничена и на внешней поверхности не появляется никаких следов ржавчины.

Механические рабочие характеристики бетона согласно изобретению могут быть улучшены за счет прикладывания к образцу из свежеприготовленного бетона давления сжатия (уплотнения) 5-50 МПа. Целью приложения этого давления является ликвидация пористости образца, вследствие окклюдированного воздуха, снижение содержания воды в свежеприготовленном бетоне путем отжатия.

Наблюдают, например, результаты, приведенные в нижеследующей таблице (см. табл. 1).

Традиционный бетон характеризуется своей прочностью в течение 28 дней, измеряемой в цилиндре. Обычные бетоны имеют прочности при сжатии 25-45 МПа. Так называемые бетоны с высокой рабочей характеристикой имеют прочности 50-60 МПа. Так называемые бетоны с очень высокими рабочими характеристиками имеют прочности, которые могут слегка превышать 100 МПа.

Прочности, получаемые в случае бетона по изобретению, составляют 400-680 МПа.

Испытания на прогиб в трех точках, проводимые на образцах размеров 4 х 4 х 16, позволяют измерить энергии растрескивания, доходящие до 1200 - 1800 J/м², тогда как обычные бетоны, бетоны с высокой рабочей характеристикой и бетоны с очень высокими рабочими характеристиками, все имеют энергии растрескивания ниже J/м².

Испытания на цилиндрических образцах диаметром 7 см и высотой 14 см, подвергнутые давлению сжатия и термообработанные при 400^oC, показывают нижеприведенные результаты:
Прочность при сжатии - 490-680 МПа
Прочность при растяжении (за счет прогиба) - 45-141 МПа
Энергия растрескивания - 1200-2000 J/м²
Модуль Юнга - 65-75 ГПа
На фиг.4 представлена микрография, сделанная при использовании микроскопа с электронной разверткой, показывающая микроструктуру бетона, полученного согласно изобретению, и который имеет растрескивание. Видно, что это растрескивание происходит на некотором расстоянии от межфазовой поверхности тесто/агрегат. Это иллюстрирует повышенное сцепление с межфазовой поверхностью.

Бетон согласно изобретению позволяет изготовлять заменяющие сталь детали: анкерный блок концевых кабельных муфт предварительного напряжения, панели для защиты от пуль и т.д.

Пример 2. Характеристика с помощью механики разрушения
Очень высокой прочности при растяжении бетона согласно изобретению достигают за счет добавления стальных волокон и путем термообработки.

Охарактеризовывание материала с помощью механики разрушения требует изготовления призматических опытных элементов с помощью инструментов, которые подвергают испытаниям на прогиб. Используемая для реализации образцов формулировка следующая, вес.ч:
Портландский цемент типа У - 1
Высокодисперсный диоксид кремния из производства циркония (средний диаметр 0,5 мкм) - 0,23
Размельченный кварц (средний диаметр 4 мкм) - 0,39
Песок (максимальный диаметр 0,5 мм) - 0,5
Стальная "вата" (как в примере 1) - 0,25
Волокна из стали (длина 12,5 мм, диаметр 0,150 мм) - 0,4
Суперпластификатор полиакрилатного типа (сухой экстракт) - 0,02
Вода - 0,21
Смешение реализуют в лабораторном смесителе с высокими рабочими характеристиками. Введение волокон и стальной "ваты" требует особого внимания. Пачки волокон образуют большие дефекты в материале, охрупчивающие структуру.

Бетон уплотняют в призматических формах на вибростоле, вибрирующем с частотой 50 Гц. Неуплотненные образцы, необходимые для характеристики прочности при растяжении за счет прогиба, имеют обычный размер 4 х 4 х 16 см; образцы для характеристики энергии растрескивания имеют габариты 7 х 7 х 28 см. Величина призматических уплотненных во время схватывания образцов составляет 3 х 3 х 12 см. Прилагаемое давление составляет 581 бар.

Образцы после извлечения из формы подвергают термообработке при 90^oC с последующей термообработкой при 250^oC.

Прочность при растяжении измеряют путем испытания на прогиб в трех точках.

Энергию растрескивания измеряют на образце с выемками. Испытание вызывает необходимость измерения укосины и прилагаемой силы, что позволяет определять площадь ниже кривой нагрузка-деформация, соответствующую энергии растрескивания.

Измеренные результаты представлены в нижеприведенной таблице (см. табл. 2).

Пример 3. Анкерный блок концевых кабельных муфт предварительного напряжения
Анкерные блоки предварительного напряжения 22Т15 реализуют из бетона путем укладки бетона согласно изобретению в конический наружный обод из стали, используемый в качестве опалубки (фиг.5).

Бетон, используемый для этих анкерных блоков, состоит из следующих элементов:
Портландский цемент типа Y - 1
Высокодисперсный диоксид кремния (средний диаметр 0,7 мкм) - 0,23
Размельченный кварц (средний диаметр 10 мкм) - 0,39
Песок (средний диаметр 0,25 мм) - 0,5
Стальная "вата" (как в примере 1) - 0,63
Суперпластификатор на основе полиакрилата (сухой экстракт) - 0,26
Вода - 0,21
Смеситель с высокими рабочими характеристиками облегчает дефлокуляцию наиболее мелких вводимых элементов. Процессор смешения продолжается 6 мин и разделяется на четыре основные фазы:
0' начало смешения сухих составляющих без волокон;
1'30" введение воды для замешивания и половины добавки;
2'30" введение второй половины добавки;
4' введение волокна;
6' окончание смешения.

Металлический модуль, образованный коническим стальным цилиндром, основанием формы и резервациями в форме усеченных конусов для прохождения жил, заполняют бетоном путем вибрации.

После заполнения формы осуществляют уплотнение свежеприготовленного бетона, которое поддерживают в течение времени схватывания бетона. Прилагаемое давление составляет величину порядка 500 бар.

Извлечение из формы анкеровки состоит в вынимании основания (дна) формы и конических деталей, используемых для резервации. Извлеченную из формы анкеровку подвергают циклу термообработки, который включает пропускание при 90^oC, за которым следует цикл при 250^oC.

Прочность при сжатии, измеряемая на контрольных образцах, реализуемых параллельно, дает результаты выше 600 МПа с максимумом при 673 МПа.

Интерес к анкерному блоку концевых кабельных муфт предварительного напряжения множественный: осуществляется значительная экономия на механической обработке обычной детали из стали; улучшают контакт зажимных клиньев по сравнению с существующими решениями; общая масса анкерного блока намного ниже таковой традиционных анкеровок из стали, что облегчает использование на строительной площадке.

Эти примеры не ограничивают объема охраны изобретения.

Изобретение относится к способу приготовления бетона с прочностью при сжатии по крайней мере 400 МПа и энергией растрескивания по крайней мере 1000 J/м², составу смеси для приготовления бетона и к изделию, изготовленному из этого бетона. Бетон готовят перемешиванием смеси, содержащей цемент, мелкий песок, аморфный диоксид кремния, размельченный кварц, "вату" из стали, разжижитель и воду в необходимом соотношении, а после схватывания бетон подвергают термообработке при температуре по крайней мере 250^oC. 3 с. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Способ приготовления бетона с прочностью при сжатии, по крайней мере 400 МПа и энергией растрескивания по крайней мере 1000 У/м², характеризующийся тем, что он включает операцию перемешивания смеси при следующем соотношении компонентов, вес.ч:
Портландцемент - 100
Мелкий песок с величиной частиц по меньшей мере 150 мкм - 30 - 100
Аморфный диоксид кремния с величиной частиц менее 0,5 мкм - 10 - 40
Измельченный кварц с величиной частиц менее 10 мкм - 20 - 60
Стальная "вата" - 25 - 100
Разжижитель - вода - 13 - 26
причем после схватывания смеси осуществляют термообработку бетона при температуре по крайне мере 250^oC в течение времени, достаточном для превращения продукта гидратации цемента в кристаллические гидраты типа ксонотлита, и почти полного удаления свободной воды и по крайней мере большей части адсорбированной и химически связанной воды. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание смеси ведут при следующем соотношении компонентов, вес.ч.: Портландцемент - 100
Мелкий песок с величиной частиц по меньшей мере 150 мкм - 40 - 70
Аморфный диоксид кремния с величиной частиц менее 0,5 мкм - 20 - 30
Измельченный кварц с величиной частиц менее 10 мкм - 30 - 50
Стальная "вата" - 45 - 80
Разжижитель - вода - 15 - 22
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют мелкий песок с величиной частиц ниже 800 мкм. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют мелкий песок с величиной частиц в пределах 150 - 400 мкм. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что используют стальную "вату", образованную измельченными до размера 1 - 5 мм стальными стружками (размер отверстия решетки в дробилке). 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что используют "вату" из нержавеющей стали. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в вышеуказанную смесь включают по меньшей мере 0,6 вес.ч., предпочтительно 1,4 вес.ч, суперпластификатора. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что в смесь вводят металлические, цилиндрические гладкие волокна длиной 4 - 20 мм, предпочтительно 10 - 14 мм и диаметром менее 500 мкм, предпочтительно в пределах 100 - 200 мкм, причем объем этих волокон составляет 1 - 4% или лучше 2 - 3% от объема бетона после схватывания. 9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что перемешивают смесь при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:
Портландцемент - 100
Мелкий песок - 50
Аморфный диоксид кремния - 23
Измельченный кварц - 39
Суперпластификатор - 2
Стальная вата - 63
Вода - 18
10. Способ по любому из пп.1 - 9, отличающийся тем, что бетон подвергают термообработке при температуре, по меньшей мере равной 250^oC, или лучше по меньшей мере равной 400^oC при давлении и влажности окружающей среды. 11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что бетон во время схватывания подвергают давлению по меньшей мере 5 МПа, предпочтительно 50 МПа. 12. Смесь для приготовления бетона с прочностью при сжатии по крайней мере 400 МПа и энергией растрескивания по крайне мере 1000 У/м², характеризующаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, вес.ч.:
Портландцемент - 100
Мелкий песок с величиной частиц по меньшей мере 150 мкм - 30 - 100
Аморфный диоксид кремния с величиной частиц менее 0,5 мкм - 10 - 40
Измельченный кварц с величиной частиц менее 10 мкм - 20 - 60
Стальная "вата" - 25 - 100
Разжижитель - вода - 13 - 26
13. Смесь по п.12, отличающаяся тем, что содержит следующее соотношение компонентов, вес.ч.:
Портландцемент - 100
Мелкий песок с величиной частиц по меньшей мере 150 мкм - 40 - 70
Аморфный диоксид кремния с величиной частиц менее 0,5 мкм - 20 - 30
Измельченный кварц с величиной частиц менее 10 мкм - 30 - 50
Стальная "вата" - 45 - 80
Разжижитель - вода - 15 - 22
14. Смесь по п. 12, отличающаяся тем, что мелкий песок имеет величину частиц ниже 800 мкм. 15. Смесь по п. 14, отличающаяся тем, что мелкий песок имеет величину частиц в пределах 150 - 400 мкм. 16. Смесь по любому из пп.12 - 15, отличающаяся тем, что стальная "вата" состоит из стальных стружек, измельченных до 1 - 5 мм (размер отверстия решетки в дробилке). 17. Смесь по п. 16, отличающаяся тем, что стальная "вата" является "ватой" из нержавеющей стали. 18. Смесь по любому из пп.12 - 17, отличающаяся тем, что в качестве разжижителя используют суперпластификатор в количестве по меньшей мере 0,6 вес. ч., предпочтительно 1,4 вес.ч. 19. Смесь по любому из пп.12 - 18, отличающаяся тем, что включает металлические, цилиндрические, гладкие волокна длиной 4 - 20 мм, предпочтительно 10 - 14 мм и диаметром менее 300 мкм, предпочтительно в пределах 100 - 200 мкм, причем объем этих волокон составляет 1 - 4% или лучше 2 - 3% от объема бетона после схватывания смеси. 20. Изделие из бетона с прочностью при сжатии по крайней мере 400 МПа и энергией растрескивания по крайней мере 1000 У/м², характеризующееся тем, что оно изготовлено по способу по любому из пп.1 - 11.

Приоритет по пунктам:
01.07.93 по пп.1,2,4-20;
10.03.94 по п.3.0