КОМПЛЕКСНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2014 года по МПК C04B24/24 C04B28/02 C04B103/65 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к бетонной смеси для изготовления и производства бетонных и железобетонных изделий с увеличенным сроком службы за счет снижения водонепроницаемости бетона, для высокоэтажного строительства, для увеличения несущей способности фасадов.

К бетонам, применяющимся в гидротехническом и дорожном строительстве, предъявляются высокие требования по долговечности, которая, в первую очередь, оценивается по морозостойкости и водонепроницаемости бетона. Современное разнообразие и сложность технических проблем формируют новые задачи по совершенствованию строительных материалов, применяемых в различных областях. Одним из решений подобных задач является создание и применение новых комплексных добавок для бетонных смесей и строительных растворов, рационально сочетающих необходимые технологические и эксплуатационные характеристики.

Водонепроницаемость является очень важной характеристикой бетона, не только применяемого в гидротехнических сооружениях, например для плотин, водохранилищ, бассейнов, опор мостов, но и в повседневмном строительстве. Неоднократное проникновение влаги в поры бетона и ее замораживание приводит к появлению трещин в бетонном камне и снижению прочности бетона.

Водопроницаемость бетона

Фильтрация воды в бетоне средней плотности может происходить главным образом в обход цементного камня по микрополостям в местах контактов цементного камня и заполнителей, образовавшихся в результате внутреннего водоотделения при седиментации цементного теста или неравномерных усадочных напряжений, а также через поры и капилляры в цементном камне. Общая пористость бетона и его проницаемость - понятия неоднозначные. Бетон может обладать достаточной пористостью и в то же время иметь малую водопроницаемость. Так, капилляры диаметром до 1 мкм практически непроницаемы для воды, так как адсорбционные слои воды пристенного слоя примерно на 0,5 мкм сужают живое сечение капилляров и иногда полностью их перекрывают, сильно затрудняют фильтрацию воды через эти капилляры. Однако перемещение воды в бетоне может происходить не только чисто механически, в результате непосредственной фильтрации при наличии давления, но и в силу диффузионных процессов. Перемещение влаги в тончайших капиллярах, называемое капиллярной влагопроницаемостью, может иметь место в достаточно плотном цементном камне и бетоне, для этого требуется лишь небольшой влажностный или тепловой потенциал. Интенсивность миграции или капиллярного подсоса зависит от формы и диаметра капилляров.

Получение практически водонепроницаемых бетонов обеспечивается необходимым содержанием цемента в бетоне, зависящим от гранулометрического состава заполнителей, малым водоцементным отношением и соответствующим малому содержанию воды уплотнением бетонной смеси при формовании изделий в растворобетонных узлах, а также оптимальным влажностным режимом твердения бетона, позволяющим удлинить процесс гидратации. Водопроницаемость может быть в отдельных случаях резко снижена при введении в бетон добавок поверхностно-активных веществ, как гидрофильных, так и гидрофобных. Так, при введении в состав бетона поверхностно-активных добавок водопроницаемость бетона значительно (в 10-20 раз) снижается. Такое влияние добавок объясняется изменением структуры цементного камня вследствие уменьшения водопотребности бетонной смеси и уменьшения водоотделения цементным тестом. В свою очередь это приводит к уменьшению количества и величины пор в цементном камне и к улучшению контактов последнего с зернами заполнителя. Хотя с введением добавок, вовлекающих воздух, общее количество пор несколько увеличивается, но эти микропоры, будучи замкнутыми, блокируют ходы сообщения между отдельными капиллярами и понижают капиллярную водопроницаемость бетона.

На современном рынке строительных материалов существует потребность в особо прочных и тяжелых бетонах, содержащих заполнители, например барит, лимонит, и служащих для изготовления различных строительных деталей и конструкций с объемным весом бетона Y_o=3000-3300 кг/м³, например массивные фундаменты, испытательные стенды, различные пригрузы, балансиры и т.д.

Известна бетонная смесь для изготовления изделий и конструкций из тяжелого бетона, включающая высококальциевую золу-унос, щебень, песок, хлоридсодержащую добавку и воду (RU 2101251 C1, C04B 28/08, 15.08.1995). Указанная смесь не позволяет на ее основе получать конструкции с объемным весом в пределах 3000-3300 кг/м³, а хлоридсодержащая добавка может стать причиной коррозии арматурного каркаса бетонируемого изделия.

Известна бетонная смесь, включающая гидравлический цемент, барит, золу-унос, а также различные химические добавки, в том числе на основе карбоксилатов и сульфонатов (GB 1413121, C04B 28/04, 05.11.1975).

Указанная смесь обеспечивает получение конструкций с объемным весом 3000-3300 кг/м³, однако не позволяет в должной мере обеспечить другие характеристики бетона: подвижность и сохраняемость для дальних перевозок.

Поставленная задача решается тем, что бетонная смесь включает цемент из клинкера нормированного состава ПЦ 500Д0-Н, баритовый концентрат различных фракций, золу-унос (порошковая из отходов производства), а также комплексные химические добавки на основе поликарбоксилатов и лигносульфонатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%

портландцемент ПЦ 500Д0-Н 10,9-11,5 зола-унос 0,97-2,4 баритовый концентрат 79,1-80,72 добавки: поликарбоксилаты 0,11-0,16 и лингосульфонаты 0,01-0,02 вода 6,76-6,88

Сущность этого изобретения заключается в том, что, уменьшив расходы цемента и воды на единицу объема (м³), высвободившуюся часть объема смеси заполняют баритовым концентратом, тем самым увеличивая удельный вес бетонной смеси. Указанный состав бетонной смеси для изготовления тяжелого бетона позволяет повысить среднюю плотность и прочность материала, а также расширить сырьевую базу путем сокращения дозировки наиболее легких составляющих бетонной смеси, в частности воды. Бетонная смесь для изготовления этого бетона предназначена для строительных конструкций с повышенным объемным весом, включает портландцемент, изготовленный из клинкера нормированного состава, утяжеленный заполнитель (баритовый или лимонитовый концентрат с плотностью не менее 3,8 г/см³) различных фракций в зависимости от назначения бетонной смеси, условий перевозки и укладки. Также бетонная смесь включает золу-унос сухого отбора с электрофильтров тепловых электростанций, образующуюся в результате сжигания углей в пылевидном состоянии, т.е. используются отходы от сжигания топлива, тем самым улучшается экология. Кроме того, в составе бетонной смеси используются суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов.

Соотношение компонентов бетонной смеси составляет по массе в %: цемент ПЦ 500Д0-Н 10,9-11,5 мас.%, баритовый концентрат 79,1-80,72 мас.%, зола-унос 0,97-2,4 мас.%, поликарбоксилаты 0,11-0,16 мас.%, лигносульфонаты 0,01-0,02 мас.% и вода 6,76-6,88. Вода дозируется в зависимости от условий перевозки, укладки бетонной смеси, требуемой прочности и т.д. Цемент ПЦ 500Д0-Н должен отвечать требованиям ГОСТ 10178, баритовый концентрат - ГОСТ 4682, зола-унос - ГОСТ 25818.

Золы-уноса имеют следующий химический состав: SiO₂ 46,44%; Al₂O₃ 10,86%; Fe₂O₃ 10,00%; CaO 22,15%; MgO 5,98%; SO₃ 2,17%; TiO₂ 0,60%; Na₂O 0,74%; K₂O 0,56%. Удельная поверхность 374 м²/кг. Остаток на сите 008-7,0%.

Применение золы-уноса в этом составе бетонной смеси для изготовления тяжелого бетона позволяет кроме утилизации отходов производства получить более плотную структуру бетона, сократить расход цемента или увеличить его прочностные характеристики, а также улучшить технологические свойства бетонной смеси.

Недостатки - относительно низкая прочность и высокая влагопроницаемость.

Известна минеральная добавка к бетону по патенту РФ на изобретение №2478589, МПК C04B 7/12, опубл. 10.04.2013 г.

Технический результат - уменьшение содержания щелочных оксидов в жидкой фазе цемента и получение качественных цемента, раствора и бетона с указанной добавкой без ухудшения их свойств. Минеральная добавка к цементу, содержащая цементную пыль-унос электрофильтров вращающихся печей, дополнительно содержит компонент с удельной поверхностью не менее 800 м²/кг, по крайней мере, один, выбранный из группы: мел, глина, известняк, при соотношении между указанным компонентом и пылью от 1:1 до 1:10, при этом содержание R₂O в пересчете на Na₂O в добавке не более 4%. Добавка может содержать в качестве указанного компонента пыль от электрофильтров агрегата для совместной сушки и помола цементного сырья.

Недостатки - не улучшены основные характеристики бетона

Известна добавка для бетона по патенту РФ на изобретение №2478589, МПК C04B 7/12, опубл. 10.04.2013 г.

Технический результат: получение экологически безопасной смеси веществ, используемой в качестве добавки, которая способствует повышению гибкости бетона и уменьшению усадки. Смесь веществ, применяемая в качестве добавки для отверждающихся материалов, в частности для бетонной смеси, содержит, вес.%: ксантановую смолу 1-8; псевдовязкий загуститель, содержащий воду, 1-6; разжижитель 2-10; синтетическую смолу, совместимую с цементом, 20-50; пенообразователь 0,1-3; ускоритель отверждения 30-70, консервант 0,2-4, причем полный вес всех компонентов смеси веществ должен равняться 100 вес.%. Применение указанной смеси веществ для бетонной смеси, содержащей 0,01-0,5 кг предпочтительно 0,05-0,1 кг на кг цемента смеси веществ, цемент, заполнитель. Вышеуказанная бетонная смесь, содержащая в качестве заполнителя любые виды песка, любые виды почвы, загрязненной или незагрязненной, и/или такие материалы, как боксит, латерит, вулканический пепел, пемза и зола с установок сжигания.

Недостатки - не улучшены основные характеристики бетона: прочность и влагостойкость.

Известна комплексная добавка для бетона по патенту РФ на изобретение №2457190, МПК C04B 22/08, опубл. 27.07.2012 г.

Технический результат - повышение темпа роста прочности бетона в ранние сроки твердения при сохранении его высокой конечной прочности, обеспечение морозостойкости и водонепроницаемости. Комплексная добавка для бетонной смеси содержит, мас.%: фенилэтоксисилоксан 2-4, карбоксилатный полиэфир 30-35, ускоритель твердения 61-68.

Недостатки заключаются в том, что несмотря на ускорение роста прочности уровень прочности бетона не возрос и влагопроницаемость не изменилась.

Известна комплексная добавка для бетонной смеси по патенту РФ на изобретение №2443648, МПК C04B 24/24, опубл. 27.02.2012 г.

Технический результат - сохранение и улучшение технологических свойств бетонной смеси и повышение прочности на сжатие цементного камня и бетона при более рациональном использовании пластифицирующей добавки. Комплексная добавка для бетонной смеси содержит, мас.%: Melflux 265IF - 50-75, полиэтиленгликоль-ПЭГ 2000 - 25-50.

Недостатки - использование дорогостоящих импортных наполнителей и плохая влагостойкость бетона.

Известна комплексная добавка для портландцемента по патенту РФ на изобретение №2431623, МПК C04B 22/00, опубл. 20.10.2011 г.

Комплексная добавка для портландцемента содержит, мас.%: гипс или ангидрит 30-54, суперпластификатор С-3 0,5-4,5, колошниковую пыль 10-25, золошлаковые отходы с содержанием оксида алюминия не менее 25 мас.% 16,5-52,5, карбонатную горную породу 12-35. Технический результат - увеличение степени расширения портландцемента, обладающего повышенной гидравлической активностью, снижение пористости бетона на портландцементе с указанной добавкой.

Недостатки - низкая прочность и высокая влагостойкость бетона.

Известна комплексная добавка для бетонной смеси по патенту РФ на изобретение №2422395, МПК C04B 24/24, опубл. 27.06.2011 г.

Технический результат - повышение прочности бетона в ранние сроки твердения при сохранении их высокой конечной прочности, повышение морозостойкости и водонепроницаемости. Комплексная добавка для бетонной смеси содержит, мас.%: гиперпластификатор «Мобет марки 2» - 33-40, ускоритель твердения «Мобет марки 3 эконом» - 60-67.

Недостаток - высокая влагопроницаемость бетона.

Известны модификатор бетона и способ его производства по патенту РФ на изобретение №2421424, МПК C04B 22/00, опубл. 20.06.2011 г.

Технический результат - повышение прочности бетона на осевое растяжение и растяжение при изгибе, усиление пассивирующих свойств бетона по отношению к стальной арматуре. В способе получения модификатора бетона, включающем совместный сухой помол бокситового шлама и органической добавки, используют бокситовый шлам от производства глинозема по щелочному способу, в качестве органической добавки - порошкообразный пластификатор один из группы: сульфированный меламин - или нафталинформальдегидный, модифицированный лигносульфонат, поликарбоксилат, указанный помол осуществляют в аппарате ударного действия при скорости движения частиц 100-400 м/сек до дисперсности частиц 15-30 мкм

Недостатки - низкая прочность и влагопроницаемость бетона.

Известно применение карбамида (мочевины) в качестве модификатора, ускоряющего схватывание бетонных смесей и твердение бетона (ГОСТ 2081-75, также В.Г. Батраков. Модифицированные бетоны, М., 1998, с.746).

Известно применение полиэтиленоксида (полиоксиэтилена, полиэтиленгликоля) в качестве модификатора стабилизирующего, водоудерживающего действия и улучшающего перекачиваемость бетонных смесей (ГОСТ 2081-75, также В.Г. Батраков. Модифицированные бетоны, М., 1998, с.745).

Известно применение полиэтиленоксида в составе комплексных добавок для бетона (авт.св. СССР №№1447779, опубл. в 1988 г.; 1143719, опубл. в 1985 г.), усиливающих пластичность бетонного раствора, его прочность и морозостойкость. Известно применение полиэтиленоксида с молекулярной массой (4,1-6,0)·10⁶ в качестве органической добавки для теплозвукоизоляционной строительной смеси для улучшения укладываемости и однородности по объему.

Общим недостатком указанных составов являются низкие прочностные показатели при их применении в составах бетонов, а также низкая морозостойкость.

Известна комплексной добавки для бетонных смесей и строительных растворов по патенту РФ на изобретение №2479522, МПК C04B 24/18, опубл. 20.04.2013 г.

Технический результат: повышение морозостойкости бетона в солях и повышение прочности бетона в возрасте 28 суток. Комплексная добавка содержит (мас.ч.): суперпластификатора С-3 5-50, изопропиловый спирт 10-55, карбамид 5-45. При частном случае осуществления изобретения комплексная добавка содержит (мас.ч.): суперпластификатор С-3 10-30, изопропиловый спирт 10-55, карбамид 5-45, соли балластные сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия 5-50.

Недостаток - высокая влагопроницаемость бетона.

Известна комплексная добавка для бетонной смеси и строительных растворов, содержащая смесь натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот, выпускаемых под торговым наименованием суперпластификатор С-3, и смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия по патенту РФ №2228306 (опубл. в 2004 г.). Существенными недостатками указанной комплексной добавки являются недостаточная прочность в ранние сроки твердения и низкие показатели морозостойкости в солях.

Известно использование в качестве добавки суперпластификатора С-3 (патент Украины №24298, опубл. в 1998 г.). Суперпластификатор С-3 добавляют в бетонную смесь в количестве, составляющем 1,35-1,65 от массы цемента. Известная добавка обуславливает повышение пластичных свойств бетонной смеси при сниженном водосодержании, что предотвращает ее расслоение при транспортировке, а также способствует получению высокоплотного бетона. Существенными недостатками решения по прототипу являются недостаточная прочность в ранние сроки твердения и низкие показатели морозостойкости в солях.

Известна комплексная добавка, содержащая суперпластификатор С-3 и другие компоненты по патенту РФ на изобретение №248208, МПК C04B 24/24, опубл. 20.05.2013 г. Суть этого изобретения заключается в следующем.

Указанный технический результат достигается за счет применения в составе комплексной добавки суперпластификатора С-3, смеси полиэтиленгликоля и/или полипропиленгликоля с молекулярной массой 250-3500 и карбамида при следующем соотношении компонентов (мас.ч.):

Суперпластификатор С-3 10-30 Полиэтиленгликоль и/или пропиленгликоль 5-55 Карбамид 10-60

При частном случае осуществления изобретения заявляемая комплексная добавка дополнительно содержит формиат натрия при следующем соотношении компонентов:

Суперпластификатор С-3 10-30 Полиэтиленгликоль и/или пропиленгликоль 5-55 Карбамид 10-60 Формиат натрия 5-35

Достижение технического результата обусловлено синергетическим эффектом используемых ингредиентов.

Для осуществления изобретения могут быть использованы следующие вещества:

Суперпластификатор С-3 ТУ 5745-001-97474489-2007;

Полиэтиленгликоль низкомолекулярный ТУ 2483-71150986-2006;

Полипропиленгликоль ТУ 6-09-2434-81;

Карбамид ГОСТ 2081-92 «Карбамид. Технические условия»;

Формиат натрия ТУ 2432-011-00203803-98.

Преимущества этого изобретения оценивали путем сравнения с прототипом следующих показателей: морозостойкости в солях (по второму и третьему базовому методам определения морозостойкости по ГОСТ 10060-2-95), осадки конуса, плотности бетона, прочности бетона в 28 суток.

Для исследования свойств заявленной добавки была приготовлена бетонная смесь, содержащая цемента 1 часть, песка 1,8 частей, щебня фракции 5-20 мм 2,8 частей, воды 0,4 части.

В эту добавку вводили в бетонную смесь с водой затворения в количестве 0,7-2% жидкого продукта от массы цемента. Испытания заявляемой комплексной добавки в составе бетонных смесей проводили по ГОСТ 10181-200 «Смеси бетонные. Методы испытаний», ГОСТ 10180 - ГОСТ 10060.2-95 «Бетоны. Ускоренный метод определения морозостойкости при многократном замораживании и оттаивании».

Недостатки прототипа - относительно низкая прочность бетона и его высокая влагопроницаемость.

Задача создания изобретения, совпадающее с техническим результатом, - увеличение прочности бетона при одновременном уменьшении его влагопроницаемости.

Решение указанных задач достигнуто в комплексной добавке для бетонных смесей и строительных растворов, содержащей суперпластификатор С-3 тем, что согласно изобретению она дополнительно содержит смесь исландского шпата, сульфата алюминия и тонкодисперсного пирита в соотношении, % мас.

Суперпластификатор С3 10-30 Исландский шпат 50-80 Сульфат алюминия 5-7,5 Тонкодисперсный пирит 5-7,5

Дополнительно добавка может содержать гидросульфоалюминат кальция 10-15, гидрокарбоалюминат кальция 5-7,5 и гидроаллюминат кальция 5-7,5%.

Сущность изобретения поясняется на графике (чертеж), где показано изменение прочности предлагаемого бетона и прототипа в зависимости от процентного содержания суперпластификатора С-3 Линией 1 показаны физические свойства бетона-прототипа, а линией 2 - предложенного бетона.

Доказательство оптимальности состава бетонной смеси при использовании отечественных добавок и добавки С-3: приведено в таблице.

Приготовление высокопрочного водонепроницаемого бетона с добавками суперпластификатора С-3 и исландского шпата производилось в следующих пропорциях на 1 м³:

Цемент - 315 кг;

Песок - 580 кг;

Щебень - 1350 кг;

Вода - 156 кг.

Марки испытываемого цемента М250, М400 и М500.

Комплексная добавка вносилась в цементную смесь в количестве от 1 до 2% мас., от веса бетона. Внесение большего количества комплексной добавки никаких положительных результатов не дало и повысило стоимость бетонных работ из-за относительно высокой стоимости некоторых компонентов добавки.

Основные данные из таблицы приведены на графике: линией 1 показано изменение прочности бетона по прототипу, а линией 2 - изменение прочности предложенного бетона. При этом сравнение производилось для бетонов на основе цемента марки М-400.

Очевидно, что предложенный бетон при прочих равных условиях обладает прочностью как минимум на 10% выше, чем бетон по прототипу, кроме того, предложенный бетон обладает гораздо более высокой водопроницаемостью.

Выводы

Прочность цемента М-400 с применением комплексной добавки выше, чем с применением добавки по прототипу С-3 на 10%.

Оптимальный диапазон добавки модификатора С-3 совпал с прототипом.

В несколько раз возросла влагостойкость бетона по сравнению с прототипом.

Применение изобретения позволило:

- повысить прочность изделия из бетона на 10%.

- снизить влагопроницаемость в несколько раз.

- снизить стоимость комплексной добавки по сравнению с добавками, основанными на импортных наполнителях

.

Результаты испытаний бетонов с комплексной добавкой Вещество % % % % % % % % Исландский шпат, % 85 70 6 7 6 4 61 58 55 70 Сульфат алюминия, % 5 5 5,5 6 6,5 7, 0 7,5 10 Тонкодисперсный пирит, % 5 5 5,5 6 6,5 7, 0 7,5 10 Суперпластикатор, С-3, % 5 10 20 24 26 28 30 10   Физические свойства бетона на основе цемента М-250 с применением предложенной комплексной добавки Прочность на сжатие, МПа 16,6 24,9 26,46 28,02 29,58 31,14 32,7 32,9 Адгезия, кг/см² 89,5 92,5 92,8 93,1 93,4 93,7 94,0 98,0 Плотность, кг/см³ 2395 2400 2401 2402 2403 2404 2405 2407 Водонепроницаемость W W4 W10 W12 W12 W12 W12 W12 W12     Оптимально     Физические свойства бетона на основе цемента М-400 с применением предложенной комплексной добавки Прочность, МПа 48,3 50,5 50,6 50,5 49,9 49,3 49,5 48,3 Адгезия, кг/см² 89,5 92,5 92,8 93,1 93,4 93,7 94,0 98,0 Плотность, кг/см³ 2395 2400 2401 2402 2403 2404 2405 2407 Водонепроницаемость W W4 W10 W12 W12 W12 W12 W12 W12     Оптимально   Прототип Физические свойства бетона на основе цемента М-400 с применением добавки С-3 (прототип) Прочность на сжатие, МПа 44,2 46,2 45,9 45,6 45,3 45,0 44,7 - Водонепроницаемость W W4 W4 W4 W4 W4 W4 W4 W4

Изобретение относится к строительной технике и может применяться при изготовлении изделий из бетона для улучшения их основных физико-химических свойств. Технический результат - улучшение основных свойств бетона: повышение прочности и снижение влагопроницаемости. Комплексная добавка для бетонных смесей и строительных растворов содержит суперпластификатор С-3, смесь исландского шпата, сульфата алюминия и тонкодисперсного пирита в соотношении, % масс.: суперпластификатор С3 10-30, исландский шпат 50-80, сульфат алюминия 5-7,5, тонкодисперсный пирит 5-7,51. 1 ил., 1 табл.

Комплексная добавка для бетонных смесей и строительных растворов, содержащая суперпластификатор С-3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит смесь исландского шпата, сульфата алюминия и тонкодисперсного пирита в соотношении, % масс.:
Суперпластификатор С3 10-30 Исландский шпат 50-80 Сульфата алюминия 5-7,5 Тонкодисперсный пирит 5-7,5