БЕТОННАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C04B28/04 C04B28/04 C04B24/22 C04B14/06 C04B14/10 C04B40/00 

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при получении бетонных смесей для приготовления облицовочных плит из бетона, например, фасадных, цокольных или тротуарных.

Известна бетонная смесь, содержащая цемент, щебень, песок и воду, а также суперпластификатор на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом С-3 в качестве добавки при следующем соотношении компонентов, мас. ч. : цемент - 350, щебень - 1200, песок - 760, вода - 142, суперпластификатор на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом С-3 - 210 (т.е. 0,6 от массы цемента) или мас.%: цемент - 13,15; щебень - 45,08; песок - 28,55; вода - 5,33; суперпластификатор на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом С-3 - 7,89 (см. Бетоны с эффективными суперпластификаторами. М., НИИЖБ, 1979, с. 21-22).

Недостатками описанной бетонной смеси являются низкая механическая прочность бетона на ее основе для ряда изделий, например, для тротуарных плит, вследствие малого содержания суперпластификатора С-3 (0,6 от массы цемента), значительное коробление плоских изделий на основе этой смеси при увлажнении и сушке, постепенное растрескивание плоских изделий и сокращение срока их службы из-за расслоения бетонной смеси при виброуплотнении для высокопластичных масс, т.к. введение суперпластификатора С-3 без специальных водоудерживающих добавок сильно снижает водоудерживающую способность смеси и, как следствие, из-за нарушения однородности бетона по толщине изделий. Кроме этого, поверхности изделий, изготовленных на основе описанной бетонной смеси, характеризуются темным грязным цветом, так как суперпластификатор С-3, имея темный цвет и являясь поверхностно-активным веществом, адсорбируется на поверхности зерен цемента и окрашивает его в темный цвет, что придает всему изделию грязный оттенок.

Известен способ приготовления декоративной бетонной смеси, включающий одновременное введение портландцемента, заполнителя и белого пигмента - концентрата покровной казеиновой краски. Концентрат покровной казеиновой краски вводят в количестве до 10% от массы цемента (см. Черных В.Ф. Стеновые и отделочные материалы. М., Росагропромиздат, 1991, с. 141-143).

Недостатками этого способа приготовления бетонной смеси являются узкая сфера применения вследствие дефицитности белого пигмента и значительное коробление плоских изделий, изготовленных с использованием этого способа, при увлажнении и сушке, так как полученная бетонная смесь не обладает достаточной водоудерживающей способностью и расслаивается при виброуплотнении, и, как следствие, сокращается срок службы изделий. Кроме этого, изделия, изготовленные с использованием описанного способа, не обладают высокой механической прочностью.

Известен способ приготовления бетонной смеси, включающий предварительную обработку цемента суперпластификатором в количестве 2,2 - 20,0% от массы цемента при механическом воздействии 30 - 120 Вт на килограмм обрабатываемой смеси в течение 20,0 - 3,6 • 10⁴ сек, последующее перемешивание в бетоносмесителе полученного вяжущего с заполнителем и затворение водой. В качестве заполнителя используют щебень и песок (см. авторское свидетельство СССР N 1812769, МПК⁶ C 04 B 40/00, 24/30, опубл. 10.05.96).

Недостатками описанного способа приготовления бетонной смеси являются сложность технологического процесса приготовления бетонной смеси вследствие необходимости использования дополнительного перемешивающего устройства для смешивания цемента с суперпластификатором и повышенный расход дорогостоящего суперпластификатора С-3 (2,2 - 20,0% от массы цемента). Кроме этого, поверхности изделий, изготовленных с использованием описанного способа, характеризуются темным грязным цветом вследствие обработки цемента суперпластификатором С-3, который, адсорбируясь на поверхности зерен цемента, окрашивает его в темный цвет, придавая всему изделию грязный оттенок.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является бетонная смесь, содержащая портландцемент, щебень, песок, суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3, порошкообразный поливинилацетат и метилпиразол при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 18,9 - 19,4; щебень 44,1 - 44,5; песок 35,0 - 35,6; указанный суперпластификатор 0,1 - 0,2; порошкообразный поливинилацетат 0,8 - 1,1; метилпиразол 0,1 - 0,2 (см. патент РФ N 2064907, МПК⁶ C 04 B 28/02, 24/12, 24/20).

Основными недостатками бетонной смеси-прототипа являются, во-первых, низкая механическая прочность изделий на ее основе, т.к. указанное количество суперпластификатора С-3 в бетонной смеси (0,1 - 0,2 мас.%) не обеспечивает снижения требуемого количества воды затворения для бетонной смеси и, следовательно, не приводит к повышению плотности и механической прочности изделий (при увеличении количества суперпластификатора С-3 в бетонной смеси - сверх 0,2 мас.% - замедляются процессы схватывания и твердения портландцемента, и прирост механической прочности изделий также не происходит), во-вторых, значительное коробление изделий на основе этой бетонной смеси при увлажнении и сушке, что сокращает срок их службы, т.к. для описанной бетонной смеси характерно расслоение при виброуплотнении вследствие низкой водоудерживающей способности смеси, и, как следствие, нарушение однородности бетона по толщине изделий; в-третьих, не обеспечивается необходимая белизна поверхностей изделий, изготовленных на основе этой бетонной смеси, т.к. цвет поверхностей характеризуется как грязноватый, вследствие того, что суперпластификатор С-3, имея темный цвет и являясь поверхностно-активным веществом, адсорбируется на поверхности зерен цемента и окрашивает его в темный цвет, что придает всему изделию грязный оттенок.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ приготовления бетонной смеси, включающий введение портландцемента, щебня, песка, суперпластификатора на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3, перемешивание всех компонентов в сухом виде и последующее затворение водой в количестве 40% от массы цемента (см. патент РФ N 2064907, МПК⁶ C 04 B 28/02, 24/12, 24/20).

Основными недостатками способа приготовления бетонной смеси, выбранного в качестве прототипа, являются, во-первых, низкая механическая прочность изделий, изготовленных с использованием способа, т.к. введение суперпластификатора С-3 не позволяет его эффективно использовать для снижения водопотребности цемента и, следовательно, для повышения механической прочности изделий, т. к. его значительная часть в процессе приготовления бетонной смеси адсорбируется на поверхности зерен цемента и не пластифицирует цемент; во-вторых, значительное коробление плоских изделий, изготовленных с использованием описанного способа, при увлажнении и сушке, что сокращает срок их службы вследствие расслаивания бетонной смеси при виброуплотнении, так как получаемая бетонная смесь имеет низкую водоудерживающую способность; в-третьих, не обеспечивается необходимая белизна поверхностей изделий, изготовленных с использованием описанного способа, вследствие введения суперпластификатора С-3, который окрашивает цемент в темный цвет и придает изделию грязный оттенок. Кроме этого, введение в способ приготовления бетонной смеси, выбранный в качестве прототипа, высокодисперсного порошкообразного бентонита, который является одновременно отбеливателем цементного камня, активатором процессов схватывания и твердения бетонной смеси и предотвращает расслаивание бетонной смеси при уплотнении, было бы неэффективно, т.к. бентонит не достаточно полно диспергируется в воде при затворении сухой бетонной смеси по способу-прототипу.

Сущность изобретения заключается в том, что бетонная смесь, содержащая портландцемент, щебень, песок и суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3, дополнительно содержит порошкообразный бентонит при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент 19,5 - 20,1; щебень 48,2 - 48,5; песок 30,0 - 31,5; суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 0,21 - 0,50; порошкообразный бентонит 0,4 - 1,2.

Сущность изобретения заключается также в том, что в способе приготовления бетонной смеси, включающем введение портландцемента, щебня, песка, суперпластификатора на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3, перемешивание, а также затворение водой, предварительно вводят 5 - 20% портландцемента от его общей массы в порошкообразный бентонит и производят их перемешивание, после чего вводят концентрированный раствор суперпластификатора на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 и осуществляют перемешивание до получения однородной смеси. Затем добавляют остальной портландцемент, производят затворение водой до получения необходимой подвижности смеси и вновь осуществляют перемешивание. После этого вводят щебень и песок, выдерживают в течение 5 - 15 минут и осуществляют окончательное перемешивание до получения однородной бетонной смеси.

Техническим результатом является повышение механической прочности изделий, изготовленных на основе предлагаемой бетонной смеси, полученной в соответствии с предлагаемым способом ее приготовления, уменьшение коробления плоских изделий, изготовленных на основе предлагаемого изобретения, при увлажнении и сушке и, следовательно, увеличение их срока службы, а также обеспечение осветления поверхностей изделий, изготовленных на основе предлагаемого изобретения.

Повышение механической прочности изделий, изготовленных на основе предлагаемого изобретения, обеспечивается путем введения порошкообразного бентонита, который, являясь химически активным веществом по отношению к портландцементу, способствует образованию дополнительного количества гидратных соединений в цементном камне, что вызывает рост его механической прочности.

Кроме того, приготовление бетонной смеси по предлагаемого способу, когда в первую очередь смешивают портландцемент, бентонит, суперпластификатор С-3 и воду, позволяет наиболее эффективно пластифицировать бетонную смесь и, следовательно, получить наиболее плотный бетон с высокими показателями механической прочности.

Уменьшение коробления плоских изделий, изготовленных на основе предлагаемого изобретения, при увлажнении и сушке и, следовательно, увеличение их срока службы, а также осветление поверхностей этих изделий достигается путем тщательного диспергирования порошкообразного бентонита (0,4 - 1,2% от массы бетонной смеси) и равномерного его распределения по объему бетонной смеси. Это способствует значительному осветлению поверхностей изделий, изготовленных на основе предлагаемого изобретения, даже при небольшом количественном содержании бентонита, являющегося отбеливателем цементного камня. Кроме этого, благодаря высокой водоудерживающей способности бентонита, уменьшается склонность бетонной смеси к расслаиванию при виброуплотнении, при этом повышается однородность бетонной смеси по толщине изделий и в результате уменьшается коробление изделий при увлажнении и сушке.

Введение в бетонную смесь портландцемента в количестве 19,5 - 20,1 мас.% является оптимальным, т.к. в этом диапазоне обеспечиваются наилучшие показатели по механической прочности, искривлению при увлажнении и сушке, коэффициенту белизны изделий, изготовленных на основе предлагаемой бетонной смеси (см. таблицу). Введение портландцемента в количестве менее 19,5 мас.% приводит к снижению механической прочности изделий, а введение портландцемента в количестве более 20,1 мас.% не приводит к существенному росту механической прочности изделий, но ухудшает такие показатели, как искривление при увлажнении и сушке и коэффициент белизны (см. таблицу).

Введение в бетонную смесь щебня в количестве 48,2 - 48,5 мас.% является оптимальным, т.к. в этом диапазоне обеспечивается наиболее плотная структура бетонной смеси и наилучшие показатели по механической прочности, искривлению при увлажнении и сушке и коэффициенту белизны изделий, изготовленных на основе предлагаемой бетонной смеси (см. таблицу). Введение щебня в количестве менее 48,2 мас.% приводит к резкому возрастанию показателя искривления изделий при увлажнении и сушке, т.к. такого количества щебня не достаточно для создания плотного скелета бетонной смеси, а введение щебня в количестве более 48,5 мас.% ведет к снижению механической прочности, т.к. при этом структура бетонной смеси становится не оптимальной и возрастает пористость бетонной смеси (см. таблицу в конце описания).

Введение в бетонную смесь песка в количестве 30,0 - 31,5 мас.%, суперпластификатора на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 в количестве 0,21 - 0,50 мас.%, порошкообразного бентонита в количестве 0,4 - 1,2 мас.% также является оптимальным, т.к. в этих диапазонах количественного содержания песка, суперпластификатора С-3 и порошкообразного бентонита обеспечиваются наилучшие показатели по механической прочности, искривлению при увлажнении и сушке и коэффициенту белизны изделий, изготовленных на основе предлагаемой бетонной смеси (см. таблицу).

Введение в бетонную смесь песка в количестве менее 30,0 мас.% приводит к появлению дополнительного количества пустот между зернами щебня. Плотность бетона при этом и его механическая прочность снижаются (см. таблицу). Введение в бетонную смесь песка в количестве более 31,5 мас.% приводит к увеличению необходимой воды затворения, снижению плотности бетона и падению его механической прочности (см. таблицу).

Введение в бетонную смесь указанного суперпластификатора С-3 в количестве менее 0,21 мас.% приводит к снижению механической прочности изделий, которая становится равной или меньшей механической прочности изделий, изготовленных из бетонной смеси-прототипа, а введение суперпластификатора С-3 в количестве более 0,50 мас.% не вызывает дальнейший рост механической прочности изделий, но значительно снижает коэффициент белизны изделий, т.к. суперпластификатор С-3 в больших количествах, адсорбируясь на поверхности зерен цемента, окрашивает его в темный цвет (см. таблицу).

Введение в бетонную смесь порошкообразного бентонита в количестве менее 0,4 мас. % приводит к снижению механической прочности изделий, повышению расслаиваемости бетонной смеси при виброуплотнении и, следовательно, к повышению искривления изделий при увлажнении и сушке, а также к снижению коэффициента белизны изделий, т.к. бентонит является отбеливающей добавкой (см. таблицу). Введение в бетонную смесь порошкообразного бентонита в количестве более 1,2 мас.% приводит к снижению механической прочности изделий, хотя коэффициент белизны остается высоким, а показатель искривления изделий при увлажнении и сушке - незначительным (см. таблицу).

Бентонит в бетонную смесь вводится в виде порошка, т.к. в ином виде его не возможно равномерно распределить в бетонной смеси.

Введение портландцемента в количестве 5 - 20% от его общей массы в порошкообразный бентонит, их перемешивание с последующим введением концентрированного раствора суперпластификатора на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 с последующим перемешиванием до получения однородной смеси, способствует тщательному диспергированию бентонита и, следовательно, его равномерному распределению в бетонной смеси. Портландцемент при этом выполняет роль пептизирующей (разжижающей) добавки. Если взять портландцемент в количестве менее 5% от его общей массы, эффект пептизации осуществляется слабо, и бентонит диспергирует не полно. При введении в порошкообразный бентонит портландцемента в количестве более 20% от его общей массы, диспергация бентонита также ухудшается, так как возрастает вязкость массы после введения суперпластификатора С-3.

Время выдержки смеси после введения щебня и песка, составляющее 5 - 15 минут, является оптимальным, т.к. в этот период заканчивается перераспределение влаги и суперпластификатора С-3 в бетонной смеси. При выдержке смеси менее 5 минут, при последующем перемешивании формируется бетонная смесь с большим количеством вовлеченного воздуха, а следовательно, не плотная и малопрочная. Увеличивать выдержку бетонной смеси сверх 15 минут экономически не целесообразно, т.к. технический эффект от этого не улучшается.

Способ приготовления бетонной смеси осуществляют следующим образом.

Предварительно вводят 5 - 20% портландцемента от его общей массы в порошкообразный бентонит и производят их перемешивание. Готовят концентрированный раствор суперпластификатора на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 путем растворения в воде сухого указанного суперпластификатора С-3 до плотности ρ = (1,03 - 1,2) г/см³. Затем приготовленный концентрированный раствор суперпластификатора С-3 заливают в полученную смесь порошкообразного бентонита и портландцемента и осуществляют перемешивание, например, в бетоносмесителе принудительного действия, до получения однородной массы. После этого в бетоносмеситель добавляют оставшийся портландцемент в количестве 80 - 95% от его общей массы, производят затворение водой до получения необходимой подвижности бетонной смеси и вновь осуществляют перемешивание до однородности массы.

Далее в бетоносмеситель вводят щебень и песок, выдерживают полученную смесь без перемешивания в течение 5 - 15 минут и осуществляют окончательное перемешивание до получения однородной бетонной смеси.

Пример конкретного выполнения бетонной смеси.

Предлагаемая бетонная смесь содержит, мас.%: портландцемент 19,5 - 20,1; щебень 48,2 - 48,5; песок 30,0 - 31,5; суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 0,21 - 0,50; порошкообразный бентонит 0,4 - 1,2. Для изготовления предложенной бетонной смеси были взяты пятнадцать составов смесей, из которых три состава смесей содержали предложенное соотношение компонентов (1-3 составы), одиннадцать составов смесей содержали соотношения компонентов, выходящие за пределы, указанные в заявляемом изобретении, и один состав смеси - по прототипу (патент РФ N 2064907) - содержал следующие компоненты, мас.%: портландцемент - 19,0; щебень - 44,3; песок - 35,4; суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 - 0,15; порошкообразный поливинилацетат 1,0; метилпиразол 0,15.

Бетонную смесь готовили следующим образом. Сырьевые компоненты взвешивали на напольных весах с точностью ± 2,5%. Далее в отдельной емкости перемешивали порошкообразный бентонит и часть портландцемента (5 - 20% от его общей массы), а также готовили концентрированный раствор суперпластификатора С-3 плотностью 1,07 г/см³ путем смешивания сухого суперпластификатора С-3 с водой. Затем в бетоносмесителе принудительного действия тщательно перемешали полученные предварительно раствор суперпластификатора С-3 и смесь бентонита с портландцементом. Далее в бетоносмеситель загружали оставшийся портландцемент и расчетное количество воды, необходимое для обеспечения подвижности бетонной смеси 2-4 см по осадке стандартного конуса и вновь осуществили тщательное перемешивание. Затем в бетоносмеситель загружали песок и щебень, смесь выдерживали без перемешивания 5 - 15 минут, после чего окончательно тщательно перемешивали, корректируя расход воды до получения заданной подвижности бетонной смеси.

Из полученной бетонной смеси формовали методом виброуплотнения образцы: для испытания прочности - кубы размером 15 х 15 х 15 см в металлических формах; для испытания искривления при увлажнении и сушке - плиты размером 40 х 30 х 2 см в резиновых эластоформах. На этих же плитах определялась степень белизны изделий. Все образцы подвергались тепловлажностной обработке в течение 12 часов, после чего были испытаны. Прочность при сжатии определялась по ГОСТ 10180, искривление плит по ТУ 426 - МП 234/8-029-92, зарегистрированном в Алтайском центре стандартизации и метрологии 27.06.96 г., степень белизны определялась с помощью прибора ФМ-56.

Для сравнения свойств были заформованы параллельно образцы из бетонной смеси-прототипа. Бетонная смесь по прототипу готовилась следующим образом. Сырьевые компоненты перемешивали сухими в бетоносмесителе принудительного действия, далее добавляли воду в количестве 40% от массы портландцемента и вновь перемешивали до получения однородной массы. Формование и испытание образцов производили вышеизложенным образом.

Составы предложенной бетонной смеси и состав бетонной смеси-прототипа (патент РФ N 2064907), свойства изделий, изготовленных на основе предложенной бетонной смеси и бетонной смеси-прототипа представлены в таблице.

Как следует из таблицы, бетонные смеси составов 1-3, содержащие предложенные в данном изобретении компоненты, их количественный и качественный состав, обладают оптимальными свойствами, т.к. они обеспечивают предпочтительные по сравнению с составом бетонной смеси по прототипу прочность при сжатии 45,0 - 54,2 МПа; искривление при увлажнении 0,7 - 1,1; коэффициент белизны по BaSO₄ 23,5 - 35,4%.

Таким образом, использование предлагаемой бетонной смеси и способа ее приготовления позволит повысить механическую прочность изделий, изготовленных на их основе, уменьшить коробление при увлажнении и сушке плоских изделий, а следовательно, увеличить их срок службы, и обеспечить белизну поверхностей изделий, изготовленных на основе предлагаемого изобретения.

Изобретение применимо в промышленности строительных материалов, а именно при получении бетонных смесей для изготовления облицовочных плит из бетона, например фасадочных, цокольных или тротуарных. Бетонная смесь содержит, мас.%, портландцемент 19,5-20,1, щебень 48,2-48,5, песок 30,0-31,5, суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 0,21-0,50, порошкообразный бентонит 0,4-1,2. Для приготовления бетонной смеси предварительно в порошкообразный бентонит вводят 5-20% портландцемента от его общей массы и производят их перемешивание. Готовят концентрированный раствор суперпластификатора на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 путем растворения в воде сухого указанного суперпластификатора С-3 до плотности 1,03-1,2 г/см³. Затем приготовленный концентрированный раствор суперпластификатора С-3 заливают в полученную смесь порошкообразного бентонита и портландцемента и осуществляют перемешивание, например, в бетоносмесителе принудительного действия до получения однородной массы. После этого в бетоносмеситель добавляют остальной портландцемент, производят затворение водой до получения необходимой подвижности бетонной смеси и вновь осуществляют перемеширание до однородности массы. Далее в бетоносмеситель вводят щебень и песок, выдерживают полученную смесь без перемешивания в течение 5-15 мин и осуществляют окончательное перемешивание до получения однородной бетонной смеси. Достигается повышение механической прочности изделий, уменьшение коробления при увлажнении и сушке плоских изделий, а следовательно, увеличение их срока службы и обеспечение осветления поверхностей изделий. 2 c.п. ф-лы, 1 табл.

1. Бетонная смесь, содержащая портландцемент, щебень, песок и суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит порошкообразный бентонит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент - 19,5 - 20,1
Щебень - 48,2 - 48,5
Песок - 30,0 - 31,5
Суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 - 0,21 - 0,50
Порошкообразный бентонит - 0,4 - 1,2
2. Способ приготовления бетонной смеси, включающий введение портландцемента, щебня, песка, суперпластификатора на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3, перемешивание, а также затворение водой, отличающийся тем, что предварительно вводят 5 - 20% портландцемента от его общей массы в порошкообразный бентонит и производят их перемешивание, после чего вводят концентрированный раствор суперпластификатора на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 и осуществляют перемешивание до получения однородной смеси, затем добавляют остальной портландцемент и производят затворение водой до получения необходимой подвижности смеси, после этого вводят щебень и песок, выдерживают в течение 5 - 15 мин и осуществляют окончательное перемешивание до получения однородной бетонной смеси.