КОМПЛЕКСНЫЙ МОДИФИКАТОР БЕТОНА Российский патент 2006 года по МПК C04B22/00 C04B103/14 

Изобретение относится к составам многокомпонентных модификаторов бетона полифункционального действия.

Известен модификатор бетона, позволяющий получать высокопрочные бетоны, состоящий из микрокремнезема (77,2-94,0 мас.%), химической добавки (4,7-15,7 мас.%) и воды (остальное) (см. RU 2096372, опубл. 20.11.1997).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является комплексный модификатор бетона, состоящий из дисперсного минерального компонента, который содержит диоксид кремния и представляет собой горную породу и/или продукт газоочистки печей, выплавляющих кристаллический кремний, и/или ферросиликохром, и/или силикокальций и/или сжигающих каменный уголь, или смесь, по крайней мере, одного из вышеуказанных компонентов с продуктом газоочистки печей, выплавляющих ферросилиций, а в качестве химической добавки он содержит пластификаторы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

дисперсный минеральный компонент 51,9-94,1химическая добавка 4,7-45,5вода остальное

(см. RU 2160723, опубл. 20.12.2000).

Недостатком указанного комплексного модификатора является то, что, способствуя получению высокой марочной прочности бетонов при осевом сжатии, он не обеспечивает такого же прироста прочности в раннем возрасте и на растяжение при изгибе, а также компенсацию усадки, или расширение, или самонапряжение бетона.

Техническая задача заключается в разработке такого комплексного модификатора, который обеспечил бы получение высокопрочных бетонов с повышенной ранней прочностью, в том числе на растяжение при изгибе при отсутствии усадочных деформаций или расширении, или самонапряжении при использовании высокоподвижных бетонных смесей на обычном портландцементе.

Это может быть достигнуто при создании условий формирования в цементной системе дополнительных кристаллогидратов сульфоалюминатного типа, что обеспечивается, в свою очередь, оптимизацией соотношения оксидов кремния, алюминия, кальция, серного ангидрида и воды в составе модификатора.

В связи с изложенным техническая задача решается тем, что в комплексном модификаторе бетона, содержащем дисперсный минеральный компонент, включающий горную породу или ее смесь с золой-уноса и/или с продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, и пластифицирующую добавку, дисперсный минеральный компонент в качестве горной породы включает подвергнутый термической обработке каолин и гипс и модификатор может дополнительно включать гидроксид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

дисперсный минеральный компонент80-98пластифицирующая добавка2-20гидроксид кальция0-10

которое обеспечивает наличие в модификаторе следующих оксидов при следующем содержании, мас.%:

SiO₂20-66Al₂O₃4-27SO₃4-26CaO3-22Н₂O3-12

В первом варианте модификатора дисперсный минеральный компонент включает подвергнутый термической обработке каолин и гипс при следующем их содержании, мас.%:

подвергнутый термической обработке каолин42-68гипс32-58

Во втором варианте дисперсный минеральный компонент включает смесь подвергнутого термической обработке каолина и гипса с золой уноса при следующем их содержании, мас.%:

подвергнутый термической обработке каолин10-83гипс10-83зола-уноса5-60

В третьем варианте дисперсный минеральный компонент включает смесь подвергнутого термической обработке каолина и гипса с продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, при следующем их содержании, мас.%:

подвергнутый термической обработке каолин10-83гипс10-83продукты газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы5-60

В четвертом варианте дисперсный минеральный компонент включает смесь подвергнутого термической обработке каолина и гипса с золой-уноса и продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, при следующем их содержании, мас.%:

подвергнутый термической обработке каолин10-78гипс10-78зола-уноса5-60продукты газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы5-60

Модификатор может также дополнительно содержать воздухововлекающую добавку в количестве 0,01-1,0% от массы модификатора.

Модификатор может также в качестве пластифицирующей добавки содержать соль поликонденсата β-нафталинсульфокислоты и формальдегида, и/или соль лигносульфоновой кислоты, и/или поликарбоксилат.

Для приготовления комплексного модификатора выбраны дисперсные материалы, которые в связи с наличием или преобладанием в своих составах SiO₂, Al₂O₃, СаО, SO₃, Н₂О в сочетании между собой способствуют формированию кристаллогидратов сульфоалюминатного типа.

Характеристики использованных дисперсных материалов приведены в таблице 1.

1. В качестве горной породы использованы природный обогащенный каолин (К) Глуховецкого месторождения (Украина) и тот же каолин, подвергнутый термической обработке при температуре изотермического выдерживания 650...800°С (КТ).

Термическая обработка осуществлялась с целью получения рентгено-аморфных фаз из минералов, присутствующих в составе природного каолина.

2. В качестве продуктов газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, использовали пылевидный отход производства ферросилиция (ФС) Челябинского электрометаллургического комбината.

3. В качестве продуктов газоочистки печей, сжигающих каменный уголь, использовали золу-уноса (3-У) - пылевидный отход Рефтинской ГРЭС по ГОСТ 25818 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия».

4. В качестве горной породы использовали молотый гипсовый камень (ГК) по ГОСТ 4013 «Камень гипсовый и гипсоангидритовый для производства вяжущих. Технические условия».

Таблица 1
Характеристики дисперсных минеральных компонентовНаименование компонентовОбозначение компонентовПотери при прокаливании (п.п.п.)Содержание основных оксидов, мас.%:SiO₂Al₂O₃SO₃CaOН₂OMgOFe₂O₃Na₂OК₂OTiO₂MnOР₂O₅CO₂КаолинК13,5047,6034,800,020,081,040,41,70,10,060,35-0,13-Каолин, подвергнутый термической обработкеКТ0,6554,7040,000,030,091,200,12,270,20,070,46 0,23 Отход производства ферросилицияФС4,7790,401,250,020,411,800,50,20,420,150,010,06  Зола-уноса3-У2,7357,0028,800,052,342,001,714,280,540,45-0,08--ГипсГ---46,5034,0019,50--------ИзвестьИ----98,200,80-------1,0

5. В качестве вещества, содержащего гидроксид кальция, использовали известь (И) гидратную (гашеную) воздушную по ГОСТ 9179 «Известь строительная. Технические условия».

В дополнение к вышеуказанным дисперсным материалам использовали химические добавки, приведенные ниже.

1. В качестве сульфированного нафталинформальдегидного поликонденсата использовали порошкообразный суперпластификатор марки С-3 согласно ГОСТ 24211 «Добавки для бетонов. Общие технические требования», соответствующий пластифицирующей добавке I группы.

2. В качестве лигносульфоната использовали порошкообразный лигносульфонат технический согласно ГОСТ 24211, соответствующий пластифицирующей добавке II группы.

3. В качестве поликарбоксилата использовали добавку ViscoCrete-105 Pulver, являющуюся сополимером на основе оксиэтилен- и оксипропиленовых соединений и согласно ГОСТ 24211 соответствующую пластифицирующей добавке I группы.

4. В качестве воздухововлекающей добавки использовали смолу нейтрализованную воздухововлекающую - СНВ, соответствующую требованиям ГОСТ 24211.

Из вышеприведенных дисперсных материалов и химических добавок в скоростном смесителе готовили образцы модификаторов, которые представляли собой сыпучие порошкообразные композиции, отличающиеся соотношением компонентов.

В таблице 2 приведены вещественные составы и соотношения основных компонентов приготовленных образцов модификаторов.

Образцы №1 и №2, включающие отходы производства ферросилиция, золу-уноса, каолин и пластификаторы, приготовленные по патенту-прототипу, являлись контрольными, остальные образцы (№№3-27) приготовлены в соответствии с предлагаемым техническим решением.

С использованием образцов модификаторов готовили мелкозернистые бетонные смеси разной подвижности с дозировками модификаторов от 10 до 50% от массы цемента. Составы и характеристики бетонных смесей приведены в таблице 3. Составы модификаторов в образцах бетонной смеси соответствуют составам образцов модификаторов, приведенных в таблице 2 под соответствующими номерами.

В качестве компонентов мелкозернистых бетонных смесей использовали портландцемент М500 ДО, песок кварцевый М_кр=2,5, образцы модификатора с разным соотношением компонентов (табл.2).

Из бетонных смесей приготовлены:

- образцы-кубы размерами 70,7×70,7×70,7 мм для определения предела прочности при осевом сжатии;

- образцы-призмы размерами 70×70×280 мм для определения предела прочности на растяжение при изгибе;

образцы-призмы размерами 40×40×160 мм для определения деформаций расширения;

- образцы-призмы размерами 31,5×31,5×95 мм в динамометрических кольцах для определения величины самонапряжения.

Подвижность бетонных смесей оценивали по осадке конуса по ГОСТ 10181.1.

Величины пределов прочности на сжатие и изгиб определяли по ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

Показатели линейного расширения и самонапряжения определяли по ТУ 5743-157-46854090-2003 «Цемент напрягающий. Технические условия».

Испытания на прочность проводили в возрасте 1 и 28 суток нормального твердения бетонов (t=20±2°C, W=98%), а величины деформаций расширения и самонапряжения измеряли в течение 28 суток при выдерживании образцов в воде.

Таблица 2
Вещественный и химический состав модификаторов№композицииИнгредиенты дисперсного минерального компонента (ДМК), мас.%Вещественный состав, мас.%Соотношения оксидов, мас.%ИДМКхимическая добавкаSiO₂Al₂O₃SO₃CaOН₂OингредиентыКТФСКГЗ-УЛСТС-3VC-105PСНВВсегоОбразцы по прототипу1-50--50-9028--1066,3313,520,031,241,712-4412-44-9028--1063,7215,50,031,111,62Образцы по предлагаемому решению367--2211-90--10-1038,5226,889,037,084,82463--37-686410--1427,3520,0013,9716,146,49544--4412-9028--1027,5818,8818,6213,878,48644--4412-90262-1027,5818,8818,6213,878,48744--4412-90261,70,31027,5818,8818,6213,878,48844--4412-90-73-1027,5818,8818,6213,878,48944--4412-907-3-1027,5818,8818,6213,878,481044--4412-9010---1027,5818,8818,6213,878,481144--4412-90-10--1027,5818,8818,6213,878,481244--4412-90--10-1027,5818,8818,6213,878,481342--58--94--6-621,3315,6025,5818,7411,201453--47-1080-20--2020,2314,8015,3521,076,96153511-431119442--632,7916,2118,6214,898,58162525-2525290-10--1044,4615,4110,2510,075,40172525-252529028--1044,4615,4110,2510,075,40182256-22-19136--956,148,639,328,015,051922--2256-90-10--1039,4422,409,337,995,14202635-2613280-20--2041,9511,239,329,134,86211733-1733-9028--1052,4315,027,005,944,25221111-11678982---248,7121,414,6912,719,75231111-11678981,98--0,02248,7121,414,6912,719,75241111-1167898-2--248,7121,414,6912,719,75251111-1167898--2-248,7121,414,6912,719,752612,575-12,5--80-20--2059,714,754,673,663,27271167-111119163--965,417,634,674,873,47

В табл.3 приведены результаты испытаний бетонов, приготовленных с использованием модификаторов разных составов. Из полученных результатов следует, что образцы №№3-27, приготовленные с применением предлагаемых поликомпонентных модификаторов, отличаются от контрольных (приготовленных по прототипу) рядом существенных преимуществ:

- повышенной на 12-44% ранней (в возрасте 1 сут) прочностью при сжатии;

- повышенной на 26-43% ранней (в возрасте 1 сут) прочностью на растяжение при изгибе;

- повышенной прочностью при сжатии (на 13-44%) и растяжении при изгибе (на 12-38%) в возрасте 28 сут;

- линейным расширением в пределах 0,05-0,13% и самонапряжением в пределах 1,0-2,1 МПа в возрасте 28 сут.

Все указанные преимущества проявили образцы, приготовленные из смесей подвижностью, аналогичной контрольным.

Полученные эффекты являются следствием оптимизации соотношения между содержащимися в дисперсных компонентах модификатора основными оксидами (SiO₂, Al₂O₃, SO₃, СаО, Н₂О), которые способствуют формированию гидросульфоалюминатов кальция (эттрингита), приводящих не только к повышению прочности, но и к расширению цементной системы. При этом повышенная подвижность смесей обеспечивается за счет оптимизации соотношения между дисперсным минеральным компонентом и химическими добавками.

Таким образом, поставленная техническая задача решается многокомпонентной композицией - комплексным модификатором, в составе которого присутствуют выбранные ингредиенты в оптимальных соотношениях.

Изобретение относится к составам многокомпонентных модификаторов бетона полифункционального действия. В комплексном модификаторе бетона, содержащем дисперсный минеральный компонент, включающий горную породу или ее смесь с золой-уноса и/или с продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, и пластифицирующую добавку, дисперсный минеральный компонент в качестве горной породы включает подвергнутый термической обработке каолин и гипс и модификатор может дополнительно включать гидроксид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%: дисперсный минеральный компонент - 80-98, пластифицирующая добавка - 2-20, гидроксид кальция - 0-10, которое обеспечивает наличие в модификаторе следующих оксидов при следующем содержании, мас.%: SiO₂ - 20-66, Al₂О₃ - 4-27, SO₃ - 4-26, CaO - 3-22, Н₂О - 3-12. Дисперсный минеральный компонент включает, мас.%: подвергнутый термической обработке каолин - 42-68, гипс - 32-58 или подвергнутый термической обработке каолин - 10-83, гипс - 10-83, золу-уноса - 5-60 или подвергнутый термической обработке каолин - 10-83, гипс - 10-83, продукты газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы - 5-60, или подвергнутый термической обработке каолин - 10-78, гипс - 10-78, золу-уноса - 5-60, продукты газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы - 5-60. Модификатор дополнительно содержит воздухововлекающую добавку в количестве 0,01-1,0% от массы модификатора, а в качестве пластифицирующей добавки - соль поликонденсата β-нафталинсульфокислоты и формальдегида, и/или соль лигносульфоновой кислоты, и/или поликарбоксилат. Технический результат - обеспечение высокой марочной и ранней прочности бетонов на сжатие и растяжение при изгибе, а также компенсации усадки, расширения или самонапряжения бетона. 6 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Комплексный модификатор бетона, содержащий дисперсный минеральный компонент, включающий горную породу или ее смесь с золой-уносом и/или с продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, и пластифицирующую добавку, отличающийся тем, что дисперсный минеральный компонент в качестве горной породы включает подвергнутый термической обработке каолин и гипс и модификатор может дополнительно включать гидроксид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Дисперсный минеральный компонент80-98Пластифицирующая добавка2-20Гидроксид кальция0-10

которое обеспечивает наличие в модификаторе следующих оксидов при следующем содержании, мас.%:

SiO₂ 20-66Al₂O₃ 4-27SO₃ 4-26CaO3-22Н₂O3-12

Подвергнутый термической обработке каолин42-68Гипс32-58

Подвергнутый термической обработке каолин10-83Гипс10-83Зола-унос5-60

Подвергнутый термической обработке каолин10-83Гипс10-83Продукты газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы5-60

Подвергнутый термической обработке каолин10-78Гипс10-78Зола-унос5-60Продукты газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы5-60