БЕТОННАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК C04B28/04 C04B24/24 B28C5/00 C04B103/32 C04B111/22 

Изобретения относятся к строительным материалам, в частности к литым бетонным смесям, и могут быть использованы при изготовлении монолитных и сборных бетонных и железобетонных строительных изделий и конструкций с повышенными показателями трещиностойкости.

Литые бетонные смеси удобно использовать в густо армированных конструкциях и для бетонирования труднодоступных мест, для изготовления панелей, фундаментальных блоков, плит перекрытий, ригелей, плитных конструкций плоских кровель.

Известна бетонная смесь, включающая вяжущее вещество, содержащее смесь совместного помола портландцемента и суперпластификатора, щебень, песок и воду, отличающаяся тем, что в состав бетонной смеси дополнительно введен суперпластификатор, а в состав вяжущего вещества - кремнеземистые добавки в виде кварцевых песков со следами циркония, при этом совместный помол произведен до удельной поверхности вяжущего вещества 5-7 м²/г (см. патент РФ № 2147017 на изобретения «Бетонная смесь, способ изготовления изделий из бетонной смеси, форма для бетонной смеси», патентообладатели Князев Станислав Валентинович, Мироненко Сергей Владимирович, Янковский Юрий Фомич, опубл. 27.03.2000).

Недостатком данной бетонной смеси является необходимость дополнительного помола портландцемента с добавкой-пластификатором и кремнеземистым компонентом, что приводит к значительному увеличению стоимости вяжущего, вызванному необходимостью содержать и обслуживать дополнительное оборудование для помола и хранения пластифицированного цемента, а также возрастающим расходом электроэнергии, необходимой для работы мельницы.

Помол вяжущего до высокой удельной плотности приводит также к значительному увеличению водопотребности бетонной смеси. А бетоны, изготовленные с использованием цементов, размолотых до удельной поверхности свыше 6000 см²/г, обладают низкой морозостойкостью и прочностью.

Известна бетонная смесь, включающая портландемент, минеральный заполнитель, микрокремнезем, суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит гидрофобизирующую кремнийорганическую жидкость на основе силиконатов натрия и полигидросилоксанов (см. патент РФ №2057098 на изобретение «Бетонная смесь», патентообладатель Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона, опубл. 27.03.1996).

Недостатком данной бетонной смеси является слишком высокий расход вяжущего (30%) для получения высокопрочного бетона. Высокий расход вяжущего значительно снижает подвижность бетонной смеси при равном расходе воды, что приводит к снижению прочности.

Известен способ приготовления бетонной смеси, включающий предварительное перемешивание в течение 2-2,5 минут заполнителей с 70-80% воды затворения и добавкой 2,5% от массы цемента нитратнитритно-щелочной воды, являющейся отходом катализаторного производства и содержащей, мас.%: 26-30 нитрата натрия, 6-6 нитрита натрия, 3-5 каустической соды, остальное - до 100% вода, последующее введение цемента и дополнительное перемешивание всех компонентов в течение 1 мин (см. патент РФ №2158719 на изобретение «Способ приготовления бетонной смеси», патентообладатель Новочеркасская государственная мелиоративная академия, опубл. 10.11.2000).

Недостатком данного способа приготовления бетонной смеси является перемешивание в течение длительного времени заполнителей бетона с водой, так как помимо повышенного расхода энергии это может повлечь преждевременный износ оборудования; кроме того, возможна потеря части воды через неплотности оборудования из-за сравнительно низкой удельной поверхности заполнителей и, как следствие, их малой водопотребности.

Последующее введение всего объема цемента и оставшегося количества воды (20-30% от общего количества) и их дальнейшее перемешивание на последней стадии приготовления бетонной смеси может сопровождаться недостаточным качеством перемешивания вяжущего с остальными компонентами бетонной смеси вследствие образования комков цемента при недостаточном количестве воды затворения. Также следует отметить снижение удобоукладываемости бетонной смеси из-за возможного проявления цементом «ложного схватывания», которое предотвращается при более длительном перемешивании заполнителей бетона с цементом.

Известен способ приготовления бетонной смеси перемешиванием цемента, песка, пигмента органического или неорганического происхождения и суперпластификатора С-3 и воды, отличающийся тем, что используют песок с модулем крупности Мкр - 2,4-3,2, в бетонную смесь дополнительно вводят микрокремнезем, а компоненты берут при следующем соотношении, мас.%:

Цемент 19,5-22,0Указанный песок 69,0-69,2Указанный пигмент 0,7-1,0Суперпластификатор С-3 0,1-0,21Микрокремнезем 1,0-3,4Вода Остальное

Причем перемешивают сначала указанный песок и указанный пигмент в течение 45-50 с, затем к этой смеси добавляют цемент и микрокремнезем, снова перемешивают в течение 60 - 70 с, после чего добавляют воду с суперпластификатором С-3 и перемешивают в течение 120-180 с (см. патент РФ №2254987 на изобретение «Способ изготовления изделия из бетонной смеси», патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «МИСИ-КБ», опубл. 27.06.2005).

Недостатком данного способа приготовления бетонной смеси является поэтапное перемешивание заполнителей бетона и вяжущего. Увеличивается время сухого перемешивания компонентов бетонной смеси, возрастает расход электроэнергии и увеличивается износ оборудования.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является бетонная смесь (см. патент РФ №2131856 на изобретения «Бетонная смесь и способ ее приготовления», опубл. 20.06.1999), 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 19,5-20,1Щебень 48,2-48,5Песок 30,0-31,5Суперпластификатор на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 0,21-0,50Порошкообразный бентонит 0,4-1,2

Недостатком данной бетонной смеси является достаточно высокий расход цемента, что приводит к повышению себестоимости бетона, так как цемент является одним из дорогостоящих компонентов бетонной смеси. Кроме того, в составе известной бетонной смеси имеется явный перерасход пластификатора С-3 (расход пластификатора С-3 составляет 0,21-0,50 мас.% смеси, что соответствует 2,5% от массы цемента, в то время как согласно ТУ 5870-002-58042865-03 дозировка суперпластификатора С-3 должна находиться в пределах 0,25 - 0,7% от массы цемента), что существенно увеличивает стоимость бетонной смеси.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ приготовления бетонной смеси (см. патент РФ №2230048 на изобретение «Способ приготовления бетонной смеси», патентообладатель Государственное унитарное предприятие Алтайского края по управлению дорожным хозяйством, проектированию, строительству, реконструкции, ремонту и содержанию автомобильных дорог «Алтайавтодор», опубл. 10.06.2004), включающий перемешивание цемента, песка, щебня, воды затворения, суспензии пластификатора с микрокремнеземом, отличающийся тем, что осуществляют подачу в бетоносмеситель в последовательности цемент, песок, щебень, вода затворения, их перемешивание 0,5-0,9 мин, затем подачу суспензии пластификатора с микрокремнеземом и дополнительного количества воды до получения необходимой удобоукладываемости и окончательное перемешивание.

Кроме того, в качестве пластификатора в известном способе используют суперпластификатор С-3.

Кроме того, соотношение в суспензии суперпластификатора С-3 и микрокремнезема составляет 1:10.

Кроме того, соотношение в суспензии сухих компонентов и воды составляет (1,0-1,2):(2,8-3,0).

Недостатком известного способа является необходимость приготовления водной суспензии микрокремнезема и суперпластификатора, что не только увеличивает время и трудоемкость приготовления бетонной смеси, но и влечет дополнительные финансовые затраты на возведение и содержание шлам-бассейна..

Кроме того, суперпластификатор целиком адсорбируется на поверхности микрокремнезема, не снижая поверхностную энергию вяжущего, при этом возможно снижение подвижности получаемой бетонной смеси вследствие высокой удельной поверхности цемента.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что бетонная смесь, содержащая портландцемент, щебень, песок и бентонит, дополнительно содержит золу-унос, суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент 12,5-16,5Щебень 39-40Песок 27-29,3Бентонит 0,15-0,25Зола-унос 7,5-8,5

Суперпластификатор на

поликарбоксилатэфирном основании 0,3-0,35Вода 9,5-10

Сущность предлагаемого изобретения заключается также в том, что в способе приготовления бетонной смеси, включающем перемешивание портландцемента, щебня, песка, суперпластификатора и воды затворения, сначала в сухом виде перемешивают портландцемент, щебень, песок, бентонит и золу-унос в течение 20-30 секунд до получения однородной смеси, суперпластификатор растворяют во всем количестве воды затворения, после чего 2/3 водного раствора суперпластификатора вводят в сухую смесь и перемешивают в течение 30-40 секунд, затем в полученную смесь вводят оставшуюся 1/3 водного раствора суперпластификатора и повторно перемешивают в течение 40 - 60 секунд.

Техническим результатом является увеличение подвижности бетонной смеси по предлагаемому изобретению, приготовленной способом по предлагаемому изобретению, без перерасхода цемента и при сохранении низкого водовяжущего отношения. При этом благодаря высокой подвижности предлагаемой бетонной смеси происходит сокращение трудоемкости работ при формовании изделий из бетонной смеси, в частности при бетонировании труднодоступных мест снижается износ оборудования.

Техническим результатом является также уменьшение седиментационного расслоения бетонной смеси.

Техническим результатом является также снижение усадочных деформаций бетона изделий, полученных с использованием бетонной смеси по предлагаемому изобретению, повышение прочности и трещиностойкости изделий, полученных с использованием бетонной смеси, приготовленной по предлагаемому способу.

Введение в предлагаемую бетонную смесь дополнительно золы-уноса тепловых электростанций способствует увеличению растворной составляющей за счет низкой средней плотности золы до сравнению с портландцементом и появлению эффекта наполнения. Таким образом, замена части портландцемента по массе золой-унос приводит к повышению подвижности бетонной смеси. Эффект наполнения проявляется в отсутствии водоотделения в свежеприготовленной бетонной смеси, а в готовом бетонном изделии повышаются прочность, трещиностойкость, снижаются усадочные деформации.

Введение в предлагаемую бетонную смесь суперпластификатора на поликарбоксилатэфирном основании значительно повышает водоредуцирующий эффект по сравнению с обычными добавками. Повышение водоредуцирующего эффекта пластификатора на поликарбоксилат эфирном основании основано на совокупности электростатического и пространственного эффекта снижения трения компонентов цементной суспензии за счет использования полимеров с линейно-поперечными связями двух- или трехмерной формы. Таким образом, введение в предлагаемую бетонную смесь суперпластификатора на поликарбоксилатэфирном основании приводит к уменьшению седиментации в бетонной смеси, увеличению подвижности, а также способствует снижению усадочных деформаций в изделии, полученном с использованием бетонной смеси по предлагаемому изобретению, повышению прочности и трещиностойкости изделий.

Введение в бетонную смесь портландцемента в количестве 12,5-16,5 мас.% является оптимальным, так как в этом случае обеспечивается максимальная прочность при минимальном расходе цемента. Введение портландцемента в количестве менее 12,5 мас.% приводит к снижению прочности, уменьшению растворной составляющей, что, в свою очередь, приводит к снижению подвижности бетонной смеси, а введение портландцемента в количестве более 16,5 мас.% приводит к увеличению стоимости бетонной смеси, перерасходу цемента, значительному увеличению водопотребности бетонной смеси и повышенным усадочным деформациям бетона.

Введение в бетонную смесь щебня в количестве 39-40 мас.% является оптимальным, так как в этом случае достигается плотность упаковки, обеспечивающая максимальную подвижность бетонной смеси. Введение щебня в количестве менее 139 мас.% приводит к необходимости повышения растворной составляющей, что приводит к перерасходу остальных компонентов бетонной смеси, увеличению ее стоимости. Без пространственного каркаса заполнителей бетон снижает прочность и характеризуется повышенной усадкой и ползучестью. Введение щебня в количестве более 40 мас.% приводит к снижению растворной составляющей и, как следствие, уменьшению подвижности бетонной смеси.

Введение в бетонную смесь песка в количестве 27-29 мас.% является оптимальным, так как в этом случае обеспечиваются оптимальная плотность упаковки зерен. Введение песка в количестве менее 27 мас.% приводит либо к необходимости увеличения расхода вяжущего и тонкодисперсного наполнителя, либо вызывает недоуплотнение бетонной смеси, при этом снижается прочность. А введение песка в количестве более 29 мас.% приводит к снижению прочности вследствие большой раздвижки зерен крупного заполнителя.

Введение в бетонную смесь бентонита в количестве 0,15-0,25 мас.% является оптимальным, так как в этом случае обеспечивается максимальная трещиностойкость готового бетона и не снижается водопотребность бетонной смеси. Введение бентонита в количестве менее 0,15 мас.% приводит к ухудшению характеристик трещиностойкости, а введение бентонита в количестве более 0,25 мас.% приводит к значительному снижению подвижности бетонной смеси и повышению водопотребности.

Введение в бетонную смесь золы-унос в количестве 7,5-8,5 мас.% является оптимальным, так как в этом случае обеспечиваются оптимальное увеличение растворной составляющей, без значительного снижения водопотребности и подвижности. Введение золы-уноса в количестве менее 7,5 мас.% приводит к уменьшению растворной составляющей, а введение золы-уноса в количестве более 8,5 мас.% приводит к значительному снижению подвижности, а также к снижению прочности.

Введение в бетонную смесь суперпластификатора на поликарбоксилатэфирном основании в количестве 0,3-0,35 мас.% является оптимальным, так как в этом случае обеспечивается максимальная подвижность бетонной смеси без перерасхода суперпластификатора. Введение суперпластификатора в количестве менее 0,3 мас.% приводит к уменьшению подвижности бетонной смеси, а введение суперпластификатора в количестве более 0,35 мас.% приводит к перерасходу данного компонента, нарушению требований нормативной документации на использование данного вида пластификатора, увеличению стоимости бетона.

Введение в бетонную смесь воды в количестве 9,5-10 мас.% является оптимальным, так как в этом случае обеспечивается максимальная подвижность без снижения прочности. Введение воды в количестве менее 9,5 мас.% приводит к снижению подвижности бетонной смеси, а введение воды в количестве более 10 мас.% приводит к процессам седиментации бетонной смеси, а также к снижению прочности готового бетона.

Перемешивание в сухом виде портландцемента, щебня, песка, бентонита и золы-унос до получения однородной смеси обеспечивает однородную структуру готовой бетонной смеси, что ведет к повышению прочности и однородности изделий, полученных с использованием бетонной смеси.

Отдельное растворение суперпластификатора во всем количестве воды затворения помогает равномерно распределить суперпластификатор, что способствует максимально эффективному действию суперпластификатора, повышению водоредуцирующего эффекта и, как следствие, уменьшению расслоения, увеличению подвижности бетонной смеси, а также снижению усадочных деформаций бетона изделий, полученных с использованием бетонной смеси по предлагаемому изобретению, повышению прочности и трещиностойкости изделий.

Разделение водного раствора суперпластификатрра на две части и поочередное введение в сухую смесь сначала 2/3 водного раствора суперпластификатора, перемешивание, а затем введение оставшейся 1/3 водного раствора суперпластификатора и повторное перемешивание позволяет сухой смеси адсорбировать всю воду, что невозможно при одновременном введении всего количества водного раствора, так как при одновременном введении всей воды происходит ее полная адсорбция на поверхности заполнителей и вяжущего. При этом происходит снижение подвижности бетонной смеси.

Время перемешивания компонентов смеси в сухом виде в течение 20-30 секунд является оптимальным, так как в этом случае обеспечивается полное перемешивание компонентов за минимальное время. При перемешивании сухой смеси менее 20 секунд проявляется неравномерное перемешивание. При перемешивании сухой смеси более 30 секунд увеличивается расход электроэнергии и увеличивается износ оборудования.

Время перемешивания сухой смеси и введенного в нее 2/3 водного раствора суперпластификатора в течение 30-40 секунд является оптимальным, так как в этом случае обеспечивается полное и равномерное перемешивание. Перемешивание менее 30 секунд приводит к недостаточной однородности бетонной смеси. Перемешивание более 40 секунд приводит к излишнему расходу электроэнергии.

Время повторного перемешивания смеси и оставшейся 1/3 водного раствора суперпластификатора в течение 40 - 60 секунд является оптимальным, так как в этом случае обеспечивается полное перемешивание. Повторное перемешивание менее 40 секунд приводит к неравномерному распределению суперпластификатора в бетонной смеси. Повторное перемешивание более 60 секунд не улучшает качества бетонной смеси при перерасходе электроэнергии.

Заявляемые состав бетонной смеси и способ ее приготовления обладают новизной и изобретательским уровнем, так как при проведении поиска по источникам патентной и научно-технической документации заявителем не выявлены технические решения, аналогичные решениям по предлагаемым изобретениям.

Заявляемая бетонная смесь может быть получена предлагаемым способом с помощью стандартного оборудования в условиях промышленного производства. Следовательно, предлагаемые технические решения соответствуют критерию «промышленная применимость».

Примеры конкретного осуществления бетонных смесей по предлагаемому изобретению даны в таблице 1.

Таблица 1
Дозировка компонентов бетонной смеси для получения бетона классов В20, В25, В30Класс бетонаВ20В25B30Расход материалов бетонной смеси, мас.%Портландцемент (ПЦ-400 Д20)12,514,616,4Щебень39,739,738,9Песок29,327,227,5Бентонит0,150,20,25Зола-унос8,48,47,4Суперпластификатор FM-400,30,340,35Вода9,659,569,2

Приготавливали бетонную смесь (класс бетона В20) следующего состава, мас.%: портландцемент (ПЦ-400 Д20) - 12,5, щебень - 39,7, кварцевый песок - 29,3, бентонит - 0,15, зола-унос - 8,4, суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании - 0,3, вода - 9,65.

При этом в качестве золы-унос использовали золу-унос тепловых электростанций, содержащую углистые примеси в количестве 2,8-3,2%.

В качестве суперластификатора использовался суперпластификатор Addiment FM 40 немецкого концерна Heidelberger Zement, информация о котором представлена, в частности, на сайте www.orwil.ru/files/cataloge/6chast.pdf.

Данную бетонную смесь готовили следующим образом.

В сухом виде перемешивали портландцемент, щебень, песок, бентонит и золу-унос в течение 35 секунд до образования однородной смеси. Суперпластификатор растворили во всем количестве воды затворения, после чего 2/3 водного раствора суперпластификатора ввели в сухую смесь и перемешивали в течение 38 секунд, затем в полученную смесь ввели оставшуюся 1/3 водного раствора суперпластификатора и повторно перемешивали в течение 50 секунд.

Приготовленная таким образом бетонная смесь готова к формованию, обладает высокой подвижностью и не требует дополнительного уплотнения. У полученной бетонной смеси была зафиксирована способность без вибрации заполнять сложнодоступные места опалубки или форм, практическое отсутствие расслоения и седиментации, высокие показатели прочности и трещиностойкости бетона. Подвижность полученной бетонной смеси - П 5 (РК=60-62 см, где РК - расплыв конуса), а расслаиваемость не превышала 2%.

Физико-механические характеристики бетонов, приготовленных по предлагаемым изобретениям, в возрасте 1 и 28 суток и при различных условиях твердения даны в таблице 2.

Таблица 2
Физико-механические характеристики бетонов различного возраста и различных условий тверденияМаркировкаВозраст, сутСредняя плотность, кг/м³R_сж, МПаВ20 (п)1228624,9428225133,39В25 (п)1228732,4928226742,32В30 (п)1230334,9128229143,73В20 (н)28222731,43В25 (н)28220739,22В30 (н)28224544,52

Примечание: индекс «п» в маркировке означает, что образцы прошли ТВО по режиму 3+6+10+2 ч (85°С), «н» - образцы твердели при нормальных условиях (t=20±2°С; w=100%).

Характеристики трещиностойкости и прочности бетонов, приготовленных по предлагаемым изобретениям, нормального твердения в возрасте 28 суток даны в таблице 3.

Таблица 3
Характеристики трещиностойкости и прочности бетонов нормального твердения в возрасте 28 сутокКласс бетона№ образцаh, ммt, ммλF_c, HR_сж, МПаR_btf, МПа, МПаК_с, МПа·м^0,5В25156,7100,00,433388040,36,424,531,33256,099,30,440360039,06,234,341,29356,8100,00,432392042,76,454,561,34В20157,599,00,425340035,85,443,901,13255,099,60,450366037,66,664,561,38355,399,20,447352037,56,334,351,31В30155,598,50,445426052,07,635,271,58256,099,50,440386049,06,664,641,38356,299,50,438416051,817,104,961,47

Примечание: h=b-α₀-α_0t - высота сечения с надрезом «нетто», t - размер образца, λ - относительная длина начального подреза.

Изобретения относятся к строительным материалам, в частности к литым бетонным смесям, и могут быть использованы при изготовлении монолитных и сборных бетонных и железобетонных строительных изделий и конструкций с повышенными показателями трещиностойкости, предпочтительно густо армированных конструкций, а также при бетонировании труднодоступных мест конструкций, и изготовлении панелей, фундаментальных блоков, плит перекрытий, ригелей, плитных конструкций плоских кровель. Техническим результатом является увеличение подвижности бетонной смеси, приготовленной способом по изобретению, без перерасхода цемента и при сохранении низкого водовяжущего отношения, уменьшение седиментационного расслоения бетонной смеси, сокращение трудоемкости работ при формовании изделий, повышение прочности и трещиностойкости изделий, а также снижение износа оборудования. Бетонная смесь, содержащая портландцемент, щебень, песок, бентонит и воду затворения, дополнительно содержит золу-унос, суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 12,5-16,5, щебень - 39-40, песок - 27-29,3 бентонит - 0,15-0,25, зола-унос - 7,5-8,5, суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании - 0,3-0,35, вода затворения - 9,5-10. В способе приготовления указанной бетонной смеси сначала в сухом виде перемешивают портландцемент, щебень, песок, бентонит и золу-унос в течение 20-30 секунд до получения однородной смеси, суперпластификатор растворяют во всем количестве воды затворения, после чего 2/3 водного раствора суперпластификатора вводят в сухую смесь и перемешивают в течение 30-40 секунд, затем в полученную смесь вводят оставшуюся 1/3 водного раствора суперпластификатора и повторно перемешивают в течение 40-60 секунд. 2 с.п. ф-лы, 3 табл.

1. Бетонная смесь, содержащая портландцемент, щебень, песок, бентонит и воду затворения, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит золу-унос и суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент12,5-16,5Щебень39-40Песок27-29,3Бентонит0,15-0,25Зола-унос7,5-8,5Суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании0,3-0,35Вода затворения9,5-10