РАЗРАБОТАННАЯ ВЯЖУЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ БЕТОНА Российский патент 2021 года по МПК C04B111/00 C04B22/06 C04B24/18 C04B24/22 C04B7/02 C04B7/13 C04B7/153 C04B7/24 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится к новой разработанной вяжущей композиции для бетона, имеющей общий пониженный коэффициент клинкера. Более конкретно, в настоящем изобретении предложена вяжущая композиция для бетона, позволяющая минимизировать суммарное потребление обычного портландцемента в бетонной промышленности. Кроме того, указанная вяжущая композиция для бетона способствует максимальному применению пуццолановых материалов в производстве бетона. Соответственно, настоящее изобретение позволяет уменьшить общую зависимость от применения обычного портландцемента в бетонной промышленности. Указанная вяжущая композиция для бетона обеспечивает решетчатую структуру макро-микро-наночастиц, что приводит к повышению прочностных характеристик и показателя долговечности готового бетонного материала.

УРОВЕНЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Бетон представляет собой высоко потребляемый и часто используемый сделанный человеком продукт на земле. Инфраструктура, такая как здания, дороги, аэропорты, плотины, порты, всегда рассматривается в качестве ключевого показателя развития нации. Развитие такой инфраструктуры всегда требует применения, наряду с обычным портландцементом, сырьевых материалов для бетона/материалов заполнителей. Тем не менее, регулярное применение сырьевых материалов для бетона/материалов заполнителей вместе с обычным портландцементом представляет большую угрозу для окружающей среды.

[0003] При производстве обычного портландцемента потребляется очень большое количество энергии и, с другой стороны, образуется большое количество CO₂. Поэтому при производстве бетона всегда желательно минимизировать применение обычного портландцемента. Однако прочность и долговечность сделанной из бетона инфраструктуры всегда зависит от соотношения обычного портландцемента, смешанного с сырьевыми материалами для приготовления бетона. С другой стороны, минимизация соотношения обычного портландцемента оказывает негативное влияние на конечную прочность и долговечность сделанной из бетона инфраструктуры.

[0004] Соответственно, исследователи постоянно предпринимают попытки разработать состав бетонной смеси при минимальном применении обычного портландцемента. В то же время также желательно поддерживать конечную прочность и долговечность сделанной из бетона инфраструктуры. Также отмечается, что прочность и долговечность сделанной из бетона инфраструктуры зависит от связывания частиц обычного портландцемента с частицами сырьевых материалов для приготовления бетона.

[0005] В общем случае частицы обычного портландцемента вместе с частицами сырьевых материалов для приготовления бетона/материалов заполнителей плотно упаковывают с образованием твердой породы, такой как бетонная конструкция. Конечная прочность и долговечность сделанной из бетона инфраструктуры является результатом химического взаимодействия цемента в присутствии частиц заполнителя и воды, подвергаемого процессу гидратации. Такой процесс гидратации наряду с эффективностью упаковки частиц цемента и частиц заполнителя придает готовой бетонной конструкции высокую прочность.

[0006] Кроме того, известен тот факт, что улучшенная эффективность упаковки частиц заполнителя минимизирует количество цемента, необходимое для связывания частиц заполнителя с образованием твердой бетонной конструкции. Соответственно, всегда желательно получить вяжущую композицию для бетона, которая может обеспечить частицам заполнителя максимальную способность к связыванию.

[0007] Максимальную способность к связыванию можно обеспечить, когда частицы цемента и заполнителя плотно упакованы в трехмерную структуру. В общем случае для достижения более высокой способности частиц заполнителя к связыванию увеличивают соотношение обычного портландцемента. Кроме того, для достижения максимальной способности частиц заполнителя к связыванию также очень важной является реакционная кинетика цемента.

[0008] Соответственно, важно получить вяжущую композицию для бетона, которая может обеспечить частицам заполнителя улучшенную максимальную способность к связыванию, а также имеет лучшую реакционную кинетику цемента. Кроме того, также желательно уменьшить применение обычного портландцемента в качестве цементного вяжущего компонента из-за текущих экологических проблем, таких как глобальное потепление, изменения окружающей среды, вследствие крупномасштабной добычи известняка.

[0009] Существуют общепринятые способы достижения указанных результатов получения плотно упакованных частиц цемента и заполнителя. Указанные способы включают смешивание обычного портландцемента, мелкозернистых материалов заполнителя, крупнозернистых материалов заполнителя в оптимальном процентном соотношении с получением подходящего показателя структуры упаковки частиц. Однако такие способы все же не обеспечивают оптимальную упаковку частиц и не гарантируют применение низких количеств обычного портландцемента.

[0010] Поэтому имеется потребность в получении вяжущей композиции для бетона, которая может обеспечить оптимальную упаковку частиц и гарантировать применение низких количеств портландцемента. Кроме того, также существует потребность в получении вяжущей композиции для бетона, которая может обеспечить упаковку макро-микро-наночастиц, увеличивающую показатель долговечности готового бетонного материала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] С учетом упомянутых выше потребностей и недостатков на существующем уровне техники согласно одному из аспектов в настоящем изобретении предложена новая разработанная вяжущая композиция для бетона.

[0012] Специалисту в данной области техники будет понятно, что настоящая новая разработанная вяжущая композиция для бетона адаптирована для замены устаревшей композиции обычного портландцемента и придает частицам заполнителя улучшенную способность к связыванию. Кроме того, настоящая изобретенная новая разработанная вяжущая композиция для бетона имеет общий пониженный коэффициент клинкера. Соответственно, настоящее изобретение также позволяет уменьшить суммарные объемы углеродного следа при производстве портландцемента.

[0013] Согласно одному из аспектов настоящая вяжущая композиция для бетона состоит из первичного вяжущего вещества и вторичного вяжущего вещества. Указанное первичное вяжущее вещество присутствует в соотношении от 10 до 60 процентов по массе и указанное вторичное вяжущее вещество присутствует в соотношении от 40 до 90 процентов по массе относительно массы указанной вяжущей композиции для бетона.

[0014] Указанное первичное вяжущее вещество выбирают из группы первичных материалов, обладающих способностью к самопроизвольной гидратации. Указанное первичное вяжущее вещество содержит частицы, модовый средний диаметр которых составляет от 1/4 до 1/25 относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя. Специалисту в данной области техники хорошо известно, что указанный модовый средний диаметр частиц первичного вяжущего вещества можно дополнительно модифицировать в соответствии с потребностью и необходимостью обеспечения модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя сырьевых материалов конкретного заполнителя для бетона.

[0015] Согласно одному из аспектов указанную группу первичных материалов выбирают, но не ограничиваются ими, из по меньшей мере одного материала, включающего обычный портландцемент общего назначения, механически модифицированный обычный портландцемент, химически модифицированную летучую золу, химически модифицированный доменный шлак.

[0016] Кроме того, модовый средний диаметр самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя определяют посредством анализа распределения частиц по размерам (PSD) сырьевого материала для бетона, содержащего фракцию самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя.

[0017] Согласно одному из аспектов указанное вторичное вяжущее вещество выбирают из группы вторичных материалов, обладающих способностью к индуцируемой гидратации. Кроме того, указанную группу вторичных материалов выбирают из по меньшей мере одного материала, придающего пуццоланическую активность. При этом указанный материал, придающий пуццоланическую активность, выбирают из по меньшей мере одного материала, включающего природный пуццолановый материал, искусственный пуццолановый материал.

[0018] Кроме того, указанное вторичное вяжущее вещество содержит частицы, модовый средний диаметр которых составляет от 1/4 до 1/625 относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя. Специалисту в данной области техники хорошо известно, что указанный модовый средний диаметр частиц вторичного вяжущего вещества можно дополнительно модифицировать в соответствии с потребностью и необходимостью обеспечения модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя сырьевых материалов конкретного заполнителя для бетона.

[0019] Согласно другому аспекту настоящая новая разработанная вяжущая композиция для бетона также содержит химически активированный материал и механически модифицированный материал. Указанный химически активированный материал и указанный механически модифицированный материал выбирают из летучей золы, доменного шлака, вулканического пепла, кварца и/или пуццоланового материала.

[0020] Согласно другому аспекту настоящая новая разработанная вяжущая композиция для бетона также содержит агент, модифицирующий реологические свойства, выбранный из соединения, включающего лигносульфонатные соединения, поликарбоксилатное соединение, сульфированный формальдегид нафталина, сульфированный формальдегид меламина.

[0021] Согласно другому аспекту настоящая новая разработанная вяжущая композиция для бетона также содержит модулятор рН, выбранный по меньшей мере из одного соединения, включающего гидроксид группы щелочных металлов, гидроксид группы щелочноземельных металлов.

[0022] Согласно другому аспекту настоящая новая разработанная вяжущая композиция для бетона также содержит активатор реакции. Указанный активатор реакции выбирают из соединения, включающего оксид группы щелочноземельных металлов, гидроксид группы щелочноземельных металлов, карбонат группы щелочноземельных металлов.

[0023] Согласно еще одному аспекту указанная группа первичных материалов и указанная группа вторичных материалов, содержащихся в настоящей новой разработанной вяжущей композиции для бетона, образуют решетчатую структуру макро-микро-наночастиц, что приводит к повышению прочностных характеристик и показателя долговечности готового бетонного материала. Другими словами, указанное первичное вяжущее вещество и указанное вторичное вяжущее вещество адаптированы для компактного заполнения пустого пространства, образованного решетчатой структурой указанной группы первичных материалов и указанной группы вторичных материалов и наоборот. Соответственно, следует понимать, что указанное первичное вяжущее вещество и указанное вторичное вяжущее вещество расположены внутри одного и другого и наоборот.

[0024] Таким образом, аспекты настоящего изобретения касаются экологически приемлемой вяжущей композиции для бетона, имеющей улучшенную связующую способность.

[0025] В частности, настоящая вяжущая композиция для бетона обеспечивает суммарное снижение объемов углеродного следа, общее уменьшение коэффициента клинкера, улучшенную связующую способность, оптимизацию суммарной потребности в воде, лучшее использование пуццолановых материалов при производстве бетона, при этом указанные улучшения представляют собой некоторые примеры желательных преимуществ, обеспечиваемых настоящим изобретением.

[0026] Все перечисленное выше наряду с другими аспектами настоящего изобретения вместе с различными признаками новизны, характеризующими настоящее изобретение, подробно описано в формуле изобретения, прилагаемой к настоящему документу, и составляет часть настоящего изобретения. Для лучшего понимания настоящего изобретения, его эксплуатационных преимуществ и заданной цели, достигаемой при его применении, следует сделать ссылку на прилагаемый текстовый материал, в котором проиллюстрированы типичные варианты реализации настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0027] Преимущества и особенности настоящего изобретения станут более понятными со ссылкой на следующее подробное описание, приведенное в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

[0028] На фиг. 1 продемонстрированы свободные пустоты на макро-микро-наноуровне и показано связывание группы первичных материалов на основе гранецентрированной кубической решетки молекул.

[0029] На фиг. 2 продемонстрированы свободные пустоты на макро-микро-наноуровне и показано связывание группы первичных материалов на основе объемно-центрированной кубической решетки молекул.

[0030] На фиг. 3 продемонстрированы пустоты, показанные на фиг. 1 на макро-микро-наноуровне, заполненные группой вторичных материалов, что приводит к повышению прочностных характеристик и показателя долговечности согласно настоящему изобретению.

[0031] На фиг. 4 продемонстрированы пустоты, показанные на фиг. 2 на макро-микро-наноуровне, заполненные группой вторичных материалов, что приводит к повышению прочностных характеристик и показателя долговечности согласно настоящему изобретению.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0032] Типичные варианты реализации, подробно описанные в настоящем документе с иллюстративными целями, можно подвергнуть многим изменениям. Однако следует подчеркнуть, что настоящее изобретение не ограничено вяжущей композицией для бетона. Понятно, что рассматриваются различные пропуски и замены эквивалентов, которые могут быть предложены или быть целесообразными в зависимости от обстоятельств, но подразумевается, что они включают применение или воплощение настоящего изобретения без отступления от его сущности и объема.

[0033] Если не указано иное, термины, используемые в описании и формуле изобретения, имеют значения, обычно применяемые в области строительства инфраструктуры и цементно-бетонной промышленности. В частности, следующие термины имеют значения, указанные ниже.

[0034] В настоящем документе термины в единственном числе не означают ограничение количества, но скорее обозначают присутствие по меньшей мере одного из указанных элементов.

[0035] Термины «имеющий», «содержащий», «включающий» и их варианты обозначают присутствие компонента.

[0036] Термин «способность к самопроизвольной гидратации» относится к ранней и/или немедленной гидратации материала при смешивании такого материала с водой. Трехкальциевый силикат является примером такой способности к самопроизвольной гидратации.

[0037] Термин «способность к индуцируемой гидратации» относится к поздней, медленной и/или зависящий от времени гидратации материала при смешивании такого материала с водой. Двухкальциевый силикат является примером такой способности к индуцируемой гидратации.

[0038] Термин «химически активированный материал» относится к материалу, который химически активируют для достижения требуемой химической реакции и/или результатов.

[0039] В настоящем документе подразумевают, что термин «механически модифицированный материал» означает материал, размер частиц которого можно изменять с получением необходимого размера частиц путем приложения требуемой силы и энергии.

[0040] В настоящем документе подразумевают, что термин «модулятор рН» означает агент для уравновешивания рН. В частности, в настоящем изобретении такой «модулятор рН» относится к обычному соединению-основанию, увеличивающему основность матрицы.

[0041] В настоящем документе подразумевают, что термин «активатор реакции» означает соединение, которое может способствовать естественной реакции пуццоланизации с летучей золой.

[0042] В настоящем документе подразумевают, что термин «агент, модифицирующий реологические свойства» означает соединение, которое может изменять вязкость и/или исходную связующую способность бетонной композиции.

[0043] Следует отметить, что термин «пуццоланическая активность», упоминаемый ниже, обозначает способность связывать гидроксид кальция в присутствии воды, как известно в данной области техники.

[0044] Под модовым средним диаметром частиц, упоминаемым в настоящем документе, понимают пик кривой гранулометрического состава частиц. Проще говоря, мода представляет собой самый высокий пик, наблюдаемый на кривой гранулометрического состава частиц. Мода представляет собой размер частиц (или диапазон размеров), наиболее часто встречающийся на кривой гранулометрического состава частиц.

[0045] В настоящем документе модовый средний диаметр самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя называют модовым средним диаметром самых мелких мелкодисперсных частиц, присутствующих в заполнителе для бетона. Таким образом, модовый средний диаметр самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя предоставляет четкое представление о решетчатой структуре самой мелкой частицы заполнителя для бетона.

[0046] Кроме того, в настоящем документе анализ распределения частиц по размерам (PSD) называют математическим выражением для вычисления соотношения/доли различных диапазонов размеров частиц, присутствующих в данном образце заполнителя для бетона. В общем случае в качестве стандартных размеров для определения количества частиц, присутствующих в образце заполнителя для бетона, используют объем, площадь, длину и количество. Однако объем образца заполнителя для бетона рассматривается как самый удобный размер и/или способ определения соотношения различных диапазонов размеров частиц, присутствующих в данном образце заполнителя для бетона.

[0047] Вследствие давления, оказываемого в настоящее время во всем мире в отношении снижения выбросов CO₂, все страны ищут наилучшие технологии и продукты, производящие более низкие объемы углеродного следа. Производство цемента является одной из основных отраслей промышленности, которая производит очень большое количество CO₂. Следовательно, всегда желательно найти лучшие способы сокращения общего выброса СО₂ при производстве цемента и бетона. Однако это все же нельзя рассматривать как окончательное и полное решение минимизации выбросов СО₂, поскольку само производство цемента и бетона приводит к выделению стандартного количества СО₂.

[0048] Существует еще одно решение, связанное со снижением применения цемента в производстве бетона, однако указанное сокращение цемента оказывает неблагоприятное влияние на конечную прочность сделанной из бетона инфраструктуры. Соответственно, настоящее цементное вяжущее вещество разработано таким образом, что оно автоматически уменьшает суммарное потребление цемента и одновременно обеспечивает улучшенную способность к связыванию и более высокую прочность готовой сделанной из бетона инфраструктуры.

[0049] Вяжущая композиция для бетона, описанная в настоящем изобретении, представляет собой специально разработанную вяжущую композицию для бетона, обеспечивающую полную решетчатую упаковку частиц бетона. Указанная решетчатая упаковка разработана с обеспечением макро-микро-наноуровня, что придает улучшенный показатель долговечности готовой бетонной конструкции.

[0050] Кроме того, настоящая вяжущая композиция для бетона обеспечивает способ лучшего применения пуццолановых материалов при их производстве и одновременно демонстрирует улучшение характеристик ранней прочности, несмотря на добавление значительного количества пуццолановых материалов.

[0051] Соответственно, настоящая вяжущая композиция для бетона состоит из по меньшей мере одного первичного вяжущего веществ и по меньшей мере одного вторичного вяжущего вещества. Указанное первичное вяжущее вещество присутствует в соотношении от 10 до 60 процентов по массе и указанное вторичное вяжущее вещество присутствует в соотношении от 40 до 90 процентов по массе относительно массы указанной вяжущей композиции для бетона.

[0052] Указанное первичное вяжущее вещество выбирают из группы первичных материалов, обладающих способностью к самопроизвольной гидратации. Специалисту в данной области техники должно быть хорошо известно, что материалы, демонстрирующие такую способность к самопроизвольной гидратации, можно выбрать из любого материала, включающего трехкальциевый силикат, гидроксид, моносульфат, монокарбонат кальция и другие известные материалы, демонстрирующие такую способность к самопроизвольной гидратации. Указанное первичное вяжущее вещество содержит частицы, модовый средний диаметр которых составляет от 1/4 до 1/25 относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя. Специалисту в данной области техники хорошо известно, что указанный модовый средний диаметр частиц первичного вяжущего вещества можно дополнительно модифицировать в соответствии с модовым средним диаметром самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя, содержащихся в материале конкретного заполнителя для бетона.

[0053] Согласно предпочтительному варианту реализации указанную группу первичных материалов выбирают, но не ограничиваются ими, из по меньшей мере одного материала, включающего обычный портландцемент общего назначения, механически модифицированный обычный портландцемент, химически модифицированную летучую золу, химически модифицированный доменный шлак. Следует понимать, что в настоящем документе механически модифицированный обычный портландцемент определяют как модифицирующий размер частиц обычного портландцемента до требуемого уровня размеров посредством любого процесса, включающего применение механических устройств. Измельчение, дробление, размол, пароструйный размол с применением перегретого пара, измельчение частиц под действием силы электрического поля, измельчение частиц под действием силы магнитного поля следует рассматривать в качестве примера применения механических устройств для изменения размера частиц обычного портландцемента до требуемого уровня размеров согласно сущности настоящего изобретения.

[0054] Кроме того, модовый средний диаметр самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя определяют посредством анализа распределения частиц по размерам (PSD) сырьевого материала для приготовления бетона.

[0055] Согласно предпочтительному варианту реализации указанное вторичное вяжущее вещество выбирают из группы вторичных материалов, обладающих способностью к индуцируемой гидратации. Специалисту в данной области техники должно быть хорошо известно, что материалы, демонстрирующие такую способность к индуцируемой гидратации, можно выбрать из любого из соединений, таких как двухкальциевый силикат, гидроксид кальция, летучая зола, материалы, придающие пуццоланическую активность, и другие известные материалы, проявляющие такую способность к индуцируемой гидратации. При этом указанные материалы, придающие пуццоланическую активность, выбирают из по меньшей мере одного материала, включающего природный пуццолановый материал, искусственный пуццолановый материал.

[0056] Согласно предпочтительному варианту реализации указанный искусственный пуццолановый материал выбирают из по меньшей мере одного химически активированного материала и по меньшей мере одного механически модифицированного материала. Указанный по меньшей мере один химически активированный материал и указанный по меньшей мере один механически модифицированный материал выбирают из летучей золы, доменного шлака, вулканического пепла, кварца и/или пуццоланового материала.

[0057] Согласно типичному варианту реализации указанный искусственный пуццолановый материал выбирают из материалов, таких как, но не ограничиваясь ими, измельченный гранулированный доменный шлак (GGBS); облегченный вспученный керамический заполнитель (LECA); пульверизованная топливная зола (PFA); кальцинированная глина (Metastar); микрокремнезем (MS); зола отходов от обработки риса (RHA); пыль красного кирпича (RBD); пыль пустотелого и желтого кирпича (YBD).

[0058] Кроме того, указанное вторичное вяжущее вещество содержит частицы, модовый средний диаметр которых составляет от 1/4 до 1/625 относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя. Специалисту в данной области техники хорошо известно, что указанный модовый средний диаметр частиц вторичного вяжущего вещества можно дополнительно модифицировать в соответствии с потребностью и необходимостью обеспечения модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя сырьевых материалов конкретного заполнителя для бетона.

[0059] Согласно еще одному варианту реализации настоящая новая разработанная вяжущая композиция для бетона также содержит агент, модифицирующий реологические свойства, выбранный из соединения, включающего лигносульфонатные соединения, поликарбоксилатное соединение, сульфированный формальдегид нафталина, сульфированный формальдегид меламина.

[0060] Согласно еще одному варианту реализации настоящая новая разработанная вяжущая композиция для бетона также содержит модулятор рН, выбранный по меньшей мере из одного соединения, включающего гидроксид группы щелочных металлов, гидроксид группы щелочноземельных металлов. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что такой модулятор рН можно выбрать из по меньшей мере одного соединения, включающего гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид магния, гидроксид кальция. В частности, указанный модулятор рН выбирают из гидроксида кальция.

[0061] Согласно еще одному варианту реализации настоящая новая разработанная вяжущая композиция для бетона также содержит активатор реакции. Указанный активатор реакции выбирают из соединения, включающего оксид группы щелочноземельных металлов, такой как оксид магния и оксид кальция, гидроксид группы щелочноземельных металлов, такой как гидроксид магния и гидроксид кальция, карбонат группы щелочноземельных металлов, такой как карбонат магния и карбонат кальция.

[0062] Согласно типичному варианту реализации указанный модулятор рН и активатор реакции подвергают химической модификации указанные пуццолановые материалы указанной группы вторичных материалов.

[0063] Согласно еще одному варианту реализации указанная группа первичных материалов и указанная группа вторичных материалов, содержащихся в настоящей новой разработанной вяжущей композиции для бетона, образуют решетчатую структуру макро-микро-наночастиц, что приводит к повышению прочностных характеристик и показателя долговечности готового бетонного материала. Кроме того, указанное вторичное вяжущее вещество адаптировано для компактного заполнения пустого пространства, образованного решетчатой структурой группы первичных материалов.

[0064] Таким образом, аспекты настоящего изобретения касаются экологически приемлемой вяжущей композиции для бетона, имеющей улучшенную связующую способность. Кроме того, указанная разработанная вяжущая композиция для бетона улучшает показатель общей долговечности готовой бетонной конструкции.

[0065] В частности, настоящая вяжущая композиция для бетона обеспечивает суммарное снижение объемов углеродного следа, суммарное уменьшение коэффициента клинкера, улучшенную связующую способность, лучшее использование пуццолановых материалов при производстве бетона, при этом указанные улучшения представляют собой некоторые примеры желательных преимуществ, обеспечиваемых настоящим изобретением.

НАИЛУЧШИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ

[0066] Наилучший режим работы согласно настоящему изобретению позволяет получить специально разработанную вяжущую композицию для бетона, имеющую компактно упакованную решетчатую структуру частиц в диапазоне от макро- до микро- и наноразмеров. При приготовлении бетонной смеси в указанной вяжущей композиции для бетона используют значительно меньшее количество цементных материалов.

[0067] Кроме того, для достижения максимально возможного уменьшения объема углеродного следа указанная вяжущая композиция для бетона содержит большой объем пуццолановых материалов в качестве замены цемента. Кроме того, указанная вяжущая композиция для бетона также обеспечивает высокую раннюю прочность, а также придает высокий показатель долговечности готовому продукту, в частности, бетонам и вспомогательным бетонным изделиям.

[0068] В частности, вышеуказанная компактно упакованная решетчатая структура частиц в диапазоне от макро- до микро- и наноразмеров представляет собой основу настоящей специально разработанной вяжущей композиции для приготовления бетона. Это конкретное свойство достигается путем определения модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя данного сырьевого материала для приготовления бетона посредством анализа распределения частиц по размерам (PSD). Далее первичное вяжущее вещество и вторичное вяжущее вещество получают с учетом модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя.

[0069] Указанное первичное вяжущее вещество содержит частицы, модовый средний диаметр которых составляет от 1/4 до 1/25 относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя. Указанное вторичное вяжущее вещество содержит частицы, модовый средний диаметр которых составляет от 1/4 до 1/625 относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя. Следует отметить, что в настоящем документе такие ограничения модового среднего диаметра частиц приведены для описания настоящего изобретения, однако модовый средний диаметр частиц, составляющий ниже указанных ограничений, следует рассматривать как находящийся в пределах объема настоящего изобретения.

[0070] Важно зафиксировать модовый средний диаметр частиц указанного первичного вяжущего вещества, а также указанного вторичного вяжущего вещества, относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя (изображаемого как «S0») для данного сырьевого материала для бетона. Указанный модовый средний диаметр частиц указанного первичного вяжущего вещества, а также указанного вторичного вяжущего вещества, обеспечивают при применении различных процессов и способов изменения размеров частиц, таких как, но не ограничиваясь ими, дробление, измельчение, истирание, размол, размол на струйной мельнице с применением сжатого воздуха, размол на струйной мельнице с применением перегретого пара, разрушение частиц лазером.

[0071] Согласно типичному варианту реализации модовый средний диаметр частиц указанного первичного вяжущего вещества и указанного вторичного вяжущего вещества можно понять с помощью примеров модового среднего диаметра частиц S1, S2, S3, S4 .............. SN. При этом под модовым средним диаметром S1 частиц понимают те частицы, модовый средний диаметр которых составляет приблизительно от 1/4 до 1/5 относительно модового среднего диаметра (S0) самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя.

[0072] Далее, под модовым средним диаметром S2 частиц понимают частицы, модовый средний диаметр которых приблизительно составляет от 1/4 до 1/5 относительно диаметра частиц, имеющих модовый средний диаметр S1. Соответственно, под модовым средним диаметром S3 частиц понимают частицы, модовый средний диаметр которых приблизительно составляет от 1/4 до 1/5 относительно диаметра частиц, имеющих модовый средний диаметр S2. Аналогичным образом, под модовым средним диаметром S4 частиц понимают частицы, модовый средний диаметр которых приблизительно составляет от 1/4 до 1/5 относительно диаметра частиц, имеющих модовый средний диаметр S3.

[0073] Такой непрерывный ряд размеров разных частиц, имеющих определенный модовый средний диаметр, обеспечивают с помощью различных методов изменения размеров частиц в пределах от механической до химической обработки. Такая оптимизация размеров разных частиц, характеризующихся непрерывным рядом разных модовых средних диаметров, обеспечивает полную упаковку структуры решетки частиц в диапазоне от макро- до микро- и наноуровня. Предложенная смесь обеспечивает отличную химию частиц для заполнения максимальных пустот структуры решетки частиц, а также улучшает химию бетона, связанную с ранним схватыванием и более поздним схватыванием бетонного материала.

[0074] Кроме того, на фигуре 1 и фигуре 2 показаны пустоты объемно-центрированной кубической (ВСС) и гранецентрированной кубической (FCC) решетчатых структур, соответственно. Следует понимать, что указанное первичное вяжущее вещество и указанное вторичное вяжущее вещество спроектированы таким образом, чтобы заполнить указанное пустое пространство, образованное разными решетчатыми структурами частиц. Указанное первичное вяжущее вещество и указанное вторичное вяжущее вещество компактно расположены таким образом, чтобы заполнить пустое пространство одной другой частицы и наоборот, т.е. первичное вяжущее вещество компактно упаковано внутри вторичного вяжущего вещества и вторичное вяжущее вещество компактно упаковано внутри первичного вяжущего вещества, и/или первичное и вторичное вяжущее вещество внутри первичного вяжущего вещества и/или первичное и вторичное вяжущее вещество внутри вторичного вяжущего вещества. Соответственно, для готового вяжущего вещества для бетона получают полную трехмерную упаковку частиц.

[0075] Модовый средний диаметр самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя, описанный в настоящем документе, означает модовый средний диаметр самых мелких мелкодисперсных частиц заполнителя для бетона. Основная цель определения модового среднего диаметра самых мелких мелкодисперсных частиц заполнителя для бетона состоит в том, чтобы узнать оптимальную структуру пустот заполнителя для бетона. В свою очередь, знание оптимальной структуры пустот заполнителя для бетона помогает заполнить такие пустоты специально разработанными материалами. Указанные специально разработанные материалы выбирают из по меньшей мере одного материала, включающего обычный портландцемент, механически модифицированный обычный портландцемент; и/или материалов, придающих пуццоланическую активность, таких как, но не ограничиваясь ими, обычная летучая зола, механически модифицированная летучая зола, химически модифицированная летучая зола, химически модифицированный доменный шлак, измельченный гранулированный доменный шлак (GGBS), облегченный вспученный керамический заполнитель (LECA), пульверизованная топливная зола (PFA), кальцинированная глина (Metastar), микрокремнезем (MS), зола отходов от обработки риса (RHA), пыль красного кирпича (RBD), пыль пустотелого и желтого кирпича (YBD).

[0076] Все перечисленные выше материалы высушивают и смешивают в их соответствующих массовых соотношениях в подходящем смесителе с получением готовой вяжущей композиции для бетона. Распределение по группам, т.е. на первичное вяжущее вещество и вторичное вяжущее вещество, и соотношение таких специально разработанных материалов можно лучше понять с помощью различных следующих примеров.

[0077] Согласно одному из типичных вариантов реализации в таблице 1 приведен пример указанной вяжущей композиции для бетона.

[0078] Согласно другому варианту реализации все указанные ингредиенты одновременно смешивают в смесителе и рекомендуют использовать способом, аналогичным способу применения обычного портландцемента общего назначения (ОРС), или пуццоланового портландцемента общего назначения (РРС), или шлакового портландцемента общего назначения (PSC), применяемых в качестве вяжущих веществ для бетона. Однако экспериментально подтверждено, что при применении указанной новой разработанной вяжущей композиции для бетона, содержащей такие значительные доли микро- и наночастиц, реологические свойства бетонной смеси также изменяется, что, таким образом, приводит к уменьшению общей потребности в воде и, таким образом, к повышению конечной прочности бетонной конструкции.

[0079] Согласно еще одному типичному варианту реализации в таблице 2 приведен другой пример указанной вяжущей композиции для бетона.

[0080] Согласно еще одному типичному варианту реализации в таблице 3 приведен другой пример указанной вяжущей композиции для бетона.

[0081] После тщательного экспериментального исследования был сделан вывод, что настоящая специально разработанная вяжущая композиция для бетона удовлетворяет всем механическим свойствам, показателю времени схватывания, химическим свойствам, показателю крупности, а также стоимости производства, как того требуют различные стандарты бетонной промышленности.

[0082] Настоящее изобретение обеспечивает несколько других преимуществ в отношении его применения и связующей способности. В указанной вяжущей композиции для бетона используют максимальное количество пуццолановых материалов вместо обычного портландцемента и, тем не менее, указанная композиция обеспечивает улучшенные свойства схватывания, требуемые в бетонной промышленности.

[0083] Хотя настоящее изобретение было описано в отношении конкретной композиции и включает предпочтительные в настоящее время способы осуществления изобретения, специалисты в данной области поймут, что существуют многочисленные вариации и перестановки описанных выше вариантов реализации, которые находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено при его применении деталями конструкции и компоновками компонентов, изложенными в данном документе. Вариации и модификации вышеизложенного находятся в пределах объема настоящего изобретения.

[0084] Соответственно, в пределах объема настоящего изобретения предусмотрены многие вариации указанных вариантов реализации.

[0085] Приведенное выше описание конкретных вариантов реализации настоящего изобретения было представлено с целями описания. Подразумевается, что указанное описание не является исчерпывающим или не ограничивает настоящее изобретение раскрытыми точным формами, при этом очевидно, что в свете изложенных выше идей возможны многие модификации и вариации. Варианты реализации были выбраны и описаны таким образом, чтобы обеспечить наилучшее объяснение принципов настоящего изобретения и его практического применения, и тем самым дать возможность другим специалистам в данной области техники наилучшим образом использовать настоящее изобретение и различные варианты реализации с различными модификациями, подходящими для конкретного предполагаемого применения. Понятно, что рассматриваются различные пропуски и замены эквивалентов, которые могут быть предложены или быть целесообразными в зависимости от обстоятельств, но подразумевается, что такие пропуски и замены включают применение или воплощение настоящего изобретения без отступления от его сущности и объема.

Изобретение относится к вяжущей композиции для бетона для связывания заполнителя для бетона с получением бетонного материала. Разработанная вяжущая композиция содержит по меньшей мере одно первичное вяжущее вещество в соотношении от 10 до 60 процентов по массе, и по меньшей мере одно вторичное вяжущее вещество в соотношении от 40 до 90 процентов по массе. При этом первичное вяжущее вещество выбрано из группы первичных материалов, обладающих способностью к самопроизвольной гидратации. Вторичное вяжущее вещество выбрано из группы вторичных материалов, обладающих способностью к индуцируемой гидратации. Первичное вяжущее вещество содержит частицы, модовый средний диаметр которых составляет от 1/4 до 1/25 относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя, при этом модовый средний диаметр самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя относится к модовому среднему диаметру частиц самых мелких мелкодисперсных частиц, присутствующих в заполнителе для бетона. Вторичное вяжущее вещество содержит частицы, модовый средний диаметр которых равен или менее модового среднего диаметра частиц первичного вяжущего вещества, при этом модовый средний диаметр вторичного вяжущего вещества составляет от 1/4 до 1/625 относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя. Причем указанная группа первичных материалов и указанная группа вторичных материалов образуют решетчатую структуру макро-микро-наночастиц. Техническим результатом является улучшение вяжущих свойств, повышение прочностных характеристик и показателя долговечности готового бетонного материала. 10 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил.

1. Разработанная вяжущая композиция для бетона для связывания заполнителя для бетона с получением бетонного материала, содержащая:

по меньшей мере одно первичное вяжущее вещество в соотношении от 10 до 60 процентов по массе, выбранное из группы первичных материалов, обладающих способностью к самопроизвольной гидратации;

по меньшей мере одно вторичное вяжущее вещество в соотношении от 40 до 90 процентов по массе, выбранное из группы вторичных материалов, обладающих способностью к индуцируемой гидратации;

указанное первичное вяжущее вещество содержит частицы, модовый средний диаметр которых составляет от 1/4 до 1/25 относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя, при этом модовый средний диаметр самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя относится к модовому среднему диаметру частиц самых мелких мелкодисперсных частиц, присутствующих в заполнителе для бетона;

указанное вторичное вяжущее вещество содержит частицы, модовый средний диаметр которых равен или менее модового среднего диаметра частиц первичного вяжущего вещества, при этом модовый средний диаметр вторичного вяжущего вещества составляет от 1/4 до 1/625 относительно модового среднего диаметра самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя; и

указанная группа первичных материалов и указанная группа вторичных материалов образуют решетчатую структуру макро-микро-наночастиц, что приводит к повышению прочностных характеристик и показателя долговечности готового бетонного материала.

2. Разработанная вяжущая композиция для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что указанный модовый средний диаметр самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя определяют посредством анализа распределения частиц по размерам (PSD) фракции, состоящей из самых мелких частиц мелкодисперсного заполнителя, сырьевого материала для приготовления бетона.

3. Разработанная вяжущая композиция для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что группа первичных материалов выбрана из по меньшей мере одного материала, включающего обычный портландцемент общего назначения, механически модифицированный обычный портландцемент, химически модифицированную летучую золу, химически модифицированный доменный шлак.

4. Разработанная вяжущая композиция для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что указанная группа вторичных материалов выбрана из по меньшей мере одного материала, придающего пуццоланическую активность.

5. Разработанная вяжущая композиция для бетона по п. 4, отличающаяся тем, что указанный материал, придающий пуццоланическую активность, выбран из по меньшей мере одного материала, включающего природный пуццолановый материал, искусственный пуццолановый материал.

6. Разработанная вяжущая композиция для бетона по п. 5, отличающаяся тем, что указанный искусственный пуццолановый материал содержит:

химически активированный материал, выбранный из летучей золы, доменного шлака, вулканического пепла, кварца, пуццоланового материала; и

механически модифицированный материал, выбранный из летучей золы, доменного шлака, вулканического пепла, кварца, пуццоланового материала.

7. Разработанная вяжущая композиция для бетона по п. 1, дополнительно содержащая агент, модифицирующий реологические свойства, модулятор pH, активатор реакции.

8. Разработанная вяжущая композиция для бетона по п. 7, отличающаяся тем, что указанный агент, модифицирующий реологические свойства, выбран из соединения, включающего лигносульфонатные соединения, поликарбоксилатное соединение, сульфированный формальдегид нафталина, сульфированный формальдегид меламина.

9. Разработанная вяжущая композиция для бетона по п. 7, отличающаяся тем, что указанный модулятор pH выбран по меньшей мере из одного соединения, включающего гидроксид группы щелочных металлов, гидроксид группы щелочноземельных металлов.

10. Разработанная вяжущая композиция для бетона по п. 7, отличающаяся тем, что указанный активатор реакции выбран из соединения, включающего оксид группы щелочноземельных металлов, гидроксид группы щелочноземельных металлов, карбонат группы щелочноземельных металлов.

11. Разработанная вяжущая композиция для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что указанная группа вторичных материалов адаптирована для компактного заполнения пустого пространства, образованного решетчатой структурой указанной группы первичных материалов.