ВЯЖУЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ И БЕТОН ИЗ ЭТОЙ КОМПОЗИЦИИ Российский патент 2010 года по МПК C04B7/13 C04B28/02 C04B111/20 

Вяжущая композиция и бетон из этой композиции

Целью изобретения является усовершенствование вяжущей композиции, как это указано в преамбуле к п.1 формулы изобретения, и бетон из такой вяжущей композиции.

Предшествующий уровень техники

Вяжущие составы, содержащие гидравлический цемент, разрабатывались давно. Обычно льют бетон, состоящий из портландцемента или "стандартного цемента", то есть соответствующего стандартам МОС. Основой его может служить композиция из известняка и различных вспомогательных материалов, среди прочих гипса и кварца, обожженная примерно при 1500°С. Обожженный клинкер измельчают и, возможно, также добавляют небольшие количества известняка, гипса и сульфата железа, золы-уноса и диоксида кремния. Когда к этой композиции добавляют воду, происходят сложные реакции, вызывающие затвердевание цемента. Как правило, к вязкой массе добавляют различные заполнители, чтобы придать конечному продукту свойства, которые подходили бы для различных назначений. Этим способом изготавливают несколько различных типов бетона. В бетоне строительного назначения наиболее распространенными являются заполнители, состоящие из песка и гравия и различных других минералов.

Известно, что заполнитель, состоящий из гранулированного гранитоподобного аплита, добавляют, чтобы получить особенно устойчивый к истиранию бетон. Однако при этом не образуется бетон, который является и совершенно плотным и очень долговечным. Аплит находится, среди прочих мест, в Монпелье, Виргиния, США, Овен Вэлли, Калифорния, США, Финволдален, в Норвегии, в Тоскане, Италия, и в нескольких местностях России и Японии. Аплит коммерчески доступен от фирм Maffei Natural Resources, Италия, и US Silica Company, Западная Виргиния, США. Аплит, как правило, состоит из кремния, магния, железа, натрия, алюминия, калия, титана и кальция, причем наиболее важными компонентами являются кремний и алюминий (в форме оксидов), как правило, присутствующие в относительных количествах 60-85 и 10-25 мас.% соответственно.

Японский патент 72033048 (Shiga-Ken, 1972) описывает применение аплита в качестве основного заполнителя в вяжущей композиции из глиноземистого цемента. Вместе с другими заполнителями и вспенивающим агентом он дает пористый бетонный продукт. Несколько других материалов были испытаны в качестве составляющих цемента. Например, было предложено добавление нескольких различных пластификаторов, чтобы иметь возможность снизить содержание воды в свежеприготовленном цементе. Несмотря на это продолжает существовать потребность в лучших и более прочных цементах для требующихся применений.

Патент США №6024791 описывает цементную композицию, включающую до 20 мас.% порошкового материала, выбранного из таких материалов, как стекло, микрокремнезем, аплит и доменный шлак. В этом патенте не делается предположений о том, что один из этих материалов является более подходящим, чем другие.

Патент США №3945840 описывает негорючий материал, изготовленный из а) неорганического соединения, содержащего диоксид кремния, и неорганического соединения, являющегося источником оксида кальция, б) минерального волокна и в) соединения, выбранного из битума, кристаллического оксида алюминия, серы, сульфида металла и оксида ванадия. Предполагается, что аплит может служить источником соединения, обозначенного в подпункте (а). В этом патенте отмечено, что цемент или гипс не должны быть частью композиции (колонка 1, строки 54-58), поскольку это привело бы к нежелательным характеристикам продукта.

Цели

Главная цель изобретения состоит в том, чтобы обеспечить улучшенную вяжущую композицию, которая может быть использована для различных назначений, где важны высокая прочность, низкая усадка, плотная структура и высокая долговечность. Целью также является обеспечить вяжущую композицию, которую можно адаптировать для использования в сочетании с известными цементами и различными известными заполнителями, так чтобы ее можно было использовать для различных специальных назначений, где предъявляются необычные требования, например, требования по высокой термостойкости, устойчивости в отношении агрессивных химикатов и/или высокого давления.

Существует необходимость в универсальной вяжущей композиции, которую можно было бы использовать в производстве бетона на месте, в зданиях и на строительных площадках, для мостов и других строений, для производства пластинчатых элементов, контейнеров и т.д.

Изобретение

В соответствии с первым аспектом изобретение относится к вяжущей композиции, описанной в формуле изобретения, п.1. В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к бетону, изготовленному из такой композиции, как это описано в п.17. Изобретение дополнительно относится к применению аплита, как это описано в п.18.

Предпочтительные воплощения изобретения следуют очевидным образом из соответствующих пунктов формулы изобретения. Используемый здесь термин "тонкоизмельченный" означает порошковый материал, где размер частиц лежит в диапазоне от примерно 200 микрон, предпочтительно ниже 75 микрон. Определенный таким образом размер частиц будет соответствовать стандартным размерам сита. Когда указан размер частиц меньше, чем данная величина, то по меньшей мере 50 об.%, предпочтительно, по меньшей мере, 80 об.% частиц могут пройти сквозь сито, имеющее данный размер отверстий. Если в некоторых случаях слишком небольшая доля частиц способна пройти сквозь такое сито, то удержанные частицы могут быть переданы на измельчение в обычное оборудование для измельчения.

Аплит - это гранитная порода, главным образом состоящая из кварца и полевого шпата. Он имеется, как сказано выше, на различных континентах и различного качества. В связи с этим изобретением желательно, чтобы содержание кварца, измеряемое как доля SiO₂, составляло 68-90 об.%, более предпочтительно находилось в диапазоне 68-90 об.%. Предпочтительно, чтобы используемый аплит был природным аплитом, но упоминание в этой публикации термина "аплит" вообще включает в себя комбинации наиболее важных пород, содержащихся в природном аплите.

Цемент может состоять из 100% тонкоизмельченного аплита, но предпочтительно содержит не более 80 мас.% тонкоизмельченного аплита и не менее 20, но менее 80 мас.%, гидравлического цемента, такого как портландцемент, но не ограничиваясь этим. Могут быть использованы другие гидравлические цементы, включая пуццалановые цементы, гипсовые цементы, глиноземные цементы, кремнеземистые цементы и шлаковые цементы. Преимущества вяжущей композиции по изобретению в том, что касается усадки, становятся очевидны уже при содержании аплита менее 35 мас.%, но еще возрастают, когда содержание аплита увеличивается. Преимущества в виде увеличившейся прочности, чтобы стать очевидными, требуют несколько более высокой доли аплита. Предпочтительно поэтому, чтобы цемент содержал по меньшей мере 50 мас.% тонкоизмельченного аплита, а если цемент состоит из 75 мас.% тонкоизмельченного аплита и 25 мас.% портландцемента, это особенно целесообразно. Присутствие в цементе значительного количества аплита создает несколько преимуществ, из которых явным преимуществом является то, что этот цемент при затвердевании дает очень незначительное снижение объема (усадку). Без аплита усадка может составить до 4 об.%, но при содержании аплита 28% усадка согласно измерению составляет 1,2 об.%, при содержании аплита 33-50% она согласно измерению снижается до 0,7 об.%, а при содержании аплита 60% она согласно измерению составляет 0,2 об.%. Предпочтительно, чтобы усадка при затвердевании была менее 3 об.%, более предпочтительно менее 1,5 об.% и наиболее предпочтительно менее 0,7 об.%.

Помимо кварца из аплита к цементу, если это желательно, добавляют кварц из других источников.

Целесообразно, чтобы к вяжущей композиции было добавлено до 20 мас.% кальцита. Кальцит - это форма известняка, и он используется в мелкоистолченном виде, который не требуется так сильно измельчать, как основные составляющие цемента. Добавление кальцита прежде всего способствует долговечности бетона.

Добавление в вяжущую композицию углеродных волокон может создать преимущества в различных отношениях. Наиболее очевидные из этих преимуществ проявляются в отношении характеристик цемента при затвердевании. Однако углеродные волокна в цементе также усиливают его способность удерживать влагу, сохраняя содержание воды в вяжущей композиции в ситуациях, когда это особенно благоприятно. Потеря влаги, например, часто создает проблемы при бетонировании в подземных горизонтах. В затвердевшем цементе присутствие углеродных волокон приводит к более высокой прочности на сжатие и на разрыв. Углеродные волокна могут поставляться в форме индивидуальных волокон (одиночное волокно) или в форме фибролита, тканого или вязаного, или каким-то другим способом структурированного в виде сплошного изделия. В виде одиночных волокон они, как правило, имеют длину от 1 до 100 мм, предпочтительно в диапазоне 3-70 мм и более предпочтительно в диапазоне 5-10 мм. Предпочтительно, волокна имеют диаметр от 1 до 15 мкм, более предпочтительно от 3 до 10 мкм и наиболее предпочтительно от 6 до 8 мкм. Подходящие волокна коммерчески доступны от Devoid AMT AS, N-6030, Langevag, Норвегия.

Заполнитель, состоящий из гранулированного аплита, можно с успехом добавлять к вяжущей композиции. Другими возможными заполнителями являются один или более из следующих материалов: песок, гравий, ангидрит, стекло, пеностекло.

Использование тонкоизмельченного аплита в качестве составляющей вяжущей композиции находится в пределах объема настоящего изобретения.

Пример

Проведены испытания с использованием стандартного коммерчески доступного портландцемента марки Norcem "G", содержащего варьируемую долю тонкоизмельченного аплита от Finnvolldalen в Nord-Trendelag, содержащего от 70 до 90 мас.% SiO₂, в среднем 82 мас.%. Сравнение проводили с цементом без добавки. Использовали две различные температуры затвердевания и время затвердевания. Измерения проводили с использованием Ультразвукового Цементного Анализатора (УЦА) и в соответствии с "API Recommended Practice for Testing Well Cements", 22 издание, 1997. Результаты приведены ниже в Таблице 1.

Таблица 1 указывает на возрастание прочности и снижение усадки при увеличении содержания аплита в цементе. Вяжущая композиция, таким образом, хорошо подходит для выполнения вышеупомянутых применений изобретения. Существует возможность увеличить прочность бетона по сравнению с приведенными выше примерами, например, путем выбора заполнителя.

Изобретение относится к вяжущей композиции, бетону, изготовленному из вяжущей композиции, и к применению тонкоизмельченного аплита в качестве составляющей гидравлического цемента. Технический результат - повышение плотности и механической прочности. Вяжущая композиция, включающая цемент, содержащий гидравлический цемент, и один или более заполнителей, добавленных к нему или смешиваемых с цементом и водой, при этом цемент содержит более 20 мас.% тонкоизмельченного аплита. Бетон, изготовленный из указанной вяжущей композиции. Применение тонкоизмельченного аплита в качестве составляющей цемента. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 3 н. и 16 з.п. ф-лы. 1 табл.

1. Вяжущая композиция, включающая цемент, содержащий гидравлический цемент и предпочтительно один или более заполнитель, добавленный к нему или смешиваемый с цементом и водой, отличающаяся тем, что цемент содержит более 20 мас.% тонкоизмельченного аплита.

2. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что цемент состоит из тонкоизмельченного аплита.

3. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что цемент содержит не более 80 мас.% тонкоизмельченного аплита и не менее 20, но менее 80 мас.% гидравлического цемента.

4. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что цемент содержит по меньшей мере 50 мас.% тонкоизмельченного аплита.

5. Вяжущая композиция по п.3, отличающаяся тем, что цемент содержит 75 мас.% тонкоизмельченного аплита и 25 мас.% гидравлического цемента.

6. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что гидравлический цемент выбран из портландцемента, пуццалановых цементов, гипсовых цементов, глиноземистых цементов, кремнеземистых цементов и шлаковых цементов.

7. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что цемент содержит по меньшей мере 80% аплита с размером частиц менее 200 микрон.

8. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что аплит имеет размер частиц менее примерно 75 микрон.

9. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что аплит содержит диоксид кремния (кварц) в количестве в диапазоне 60-95 мас.%, или более предпочтительно в диапазоне 68-90 мас.%.

10. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит кварц из источников иных, нежели аплит.

11. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что к вяжущей композиции добавлен тонкоизмельченный кальцит в количестве до примерно 20 мас.%.

12. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что к вяжущей композиции добавлены углеродные волокна длиной 1-100 мм, предпочтительно 3-70 мм.

13. Вяжущая композиция по п.12, отличающаяся тем, что углеродные волокна имеют диаметр в диапазоне от 1 до 15 мкм, предпочтительно от 3 до 10 мкм, и более предпочтительно от 6 до 8 мкм.

14. Вяжущая композиция по п.1, отличающаяся тем, что к композиции добавлен заполнитель, состоящий из гранулированного аплита.

15. Вяжущая композиция по любому из пп.1-14, отличающаяся тем, что в качестве заполнителя использован по меньшей мере один или более из следующих материалов: песок, гравий, ангидрит, стекло и пеностекло.

16. Вяжущая композиция по любому из пп.1-15, отличающаяся тем, что при затвердевании она дает усадку менее 3%, предпочтительно менее 1,5% и, наиболее предпочтительно менее 0,7%.

17. Бетон, характеризующийся тем, что он изготовлен из вяжущей композиции по любому из пп.1-16.

18. Применение тонкоизмельченного аплита в качестве составляющей более 20% от массы цемента в вяжущей композиции.

19. Применение по п.18, где аплит имеет размер частиц менее 200 микрон и составляет по меньшей мере 50% от массы цемента.