Композиционная сырьевая смесь для изготовления гидротехнических свай Российский патент 2022 года по МПК C04B28/04 C04B18/08 C04B24/24 C04B111/20 

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано для изготовления гидротехнических свай.

Известен состав бетонной смеси приведенный в патенте РФ №2435746, МПК⁸ С04В 28/04, С04В 111/20. Он включает компоненты: портландцемент марки не ниже М500 150-300; суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира 10-15% от массы цемента в пересчете на сухое вещество; микрокремнезем 10-15% от массы цемента; кварцевый или полевошпатный песок 400-550; щебень из плотных горных пород 800-850; молотый кварцевый песок или каменная мука 150-250; очень мелкий кварцевый песок 400-500, вода 140-170.

Наряду с достоинствами (низкий расход цемента на единицу прочности, не более 4,5 кг/МПа), имеются и недостатки: используется щебень из плотных горных пород, марки по дробимости 800-1400, который является дефицитным и дорогостоящим; недостаточные реологические свойства.

Известен состав бетонной смеси (патент РФ №2616964, МПК С04В 28/04, С04В 24/26, С04В 18/24, 2017 г.) включающий портландцемент, кварцевый песок, щебень гранитный, тонкомолотый наполнитель, добавку и воду, содержащий в качестве песка - кварцевый песок с модулем крупности 2,2, в качестве тонкомолотого наполнителя - тонкомолотый известняк с удельной поверхностью 260 м²/кг, а в качестве добавки - различные химические модификаторы.

Недостатком данного бетона является необходимость значительного уплотнения в опалубке.

Известен самоуплотняющийся бетон (патент РФ №2679322, МПК⁸ С04В 28/04, С04В 24/26, С04В18/24, 2019 г.) содержащий: портландцемент ЦЕМ I 42,5Н; золу рисовой шелухи; мелкий заполнитель - песок 40%; щебень 31-32%, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира 0,7-1%; воду 7-9%.

Недостаток данного бетона - низкий коэффициент раздвижки зерен, значительная водопроницаемость.

Состав композиционной сырьевой смеси приведенный в патенте RU 2569947 МПК С04В 28/04 от 10.12.2015 г. «Бетон песчаный» имеет следующий состав, масс %: портландцемент 16,7-18,4; кварцевый песок 68,4-70,0; ШХВО 1,2-2,5; микрокремнезем 0,8-2,8; гиперпластификатор «Melflux 2651 F» 0,08-0,09; вода 8,91-10,11, при этом удельная поверхность ШХВО составляет от 1200 до 1300 м²/кг.

Недостатком данного технического решения является низкий коэффициент гидравличности, повышенная водопроницаемость.

Наиболее близкий состав композиционной сырьевой смеси приведен в патенте RU 2307810С, МПК⁸ С04В 28/04, В28С 5/00, С04В 24/24, С04В 103/32, С04В 111/22 от 10.10.2007 г. «Бетонная смесь и способ ее приготовления» содержит: портландцемент 12,5-16,5%; щебень 39-40%; песок 27-29,3%; бентонит 0,15-0,25%; золу-унос 7,5-8,5%; суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании (Addiment FM 40) 0,3-0,35%; вода 9,5-10%.

Недостатком данного технического решения является недостаточная прочность из-за низкого коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя, незначительный коэффициент гидравличности и повышенная водопроницаемость.

Задачей технического решения является увеличение прочности и водонепроницаемости путем повышения коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя и коэффициента гидравличности.

Для решения поставленной задачи предложена композиционная сырьевая смесь для изготовления гидротехнических свай, содержащая портландцемент, щебень, песок, золу-унос, суперпластификатор, воду, причем в качестве суперпластификатора на поликарбоксилатэфирном основании взят MasterGlenium АСЕ 430 и дополнительно введен модификатор вязкости MasterMatrix 100 при следующем соотношении компонентов, масс %:

Портландцемент 15,86-17,84; Зола-унос 1,984-3,96; Песок 37,4-37,82; Щебень 33,28-33,7; Суперпластификатор 0,14-0,16; Модификатор вязкости 0,016-0,020; Вода 8,5-9,32.

Состав предлагаемой композиционной сырьевой смеси для изготовления гидротехнических свай и прототипа приведен в таблице 1.

В качестве критерия оценки коэффициента гидравличности и коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя приняты следующие соотношения:

Характеристика материалов

1. Цемент (Филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в п. Новогуровский - Алексинский район, Тульская область). Портландцемент типа ЦВМ I класса прочности 42,5, нормальнотвердеющий по ГОСТ 31108-2016:

- класс прочности (МПа): не менее 42,5;

- средняя активность цемента в возрасте 2 суток (МПа): 28,4;

- вспомогательные компоненты (%): 4,5;

- специальные добавки (%): нет;

- технологические добавки (интенсификатор помола) (%): 0,02;

- нормальная густота цементного теста (%): 28,60;

- ложное схватывание: нет;

- равномерность изменения объема (расширение) мм, при норме не более 10 мм: 1,0;

- удельная эффективная активность естественных радионуклидов (Бк/кг), при норме не более 370 Бк/кг: 134.

2. Зола-унос марки КУК-4 по ГОСТ 25818-2017 (филиал «Черепетская ГРЭС имени Д.Г. Жимерина» ОАО «Интер РАО - Электрогенерация» - Тульская область, г. Суворов.):

- остаток на сите №008, %: 5,5;

- удельная поверхность, см²/г: 3000;

- влажность, %: 0,10;

- насыпная плотность: 1,40;

- удельная активность естественных радионуклидов, Бк/кг: 221.

3. Песок (ООО «ТоргСервис 71», Вороваевское месторождение - Калужская область). Песок (речной) по ГОСТ 8736-2014:

- класс, группа: 2 класс; гр. «Мелкий»;

- модуль крупности: 1,71;

- полный остаток на сите №063, %: 10,28;

- содержание глинистых и пылевидных частиц, %: 1,12;

- удельная эффективная активность радионуклидов (Аэфф), Бк/кг: 23,88 (±20,20);

- коэффициент фильтрации, м/сут: 6.

4. Щебень из плотных горных пород (ООО «Обуховский щебзавод», Обуховское месторождение - Ростовская область, Красносулинский район).

Щебень смеси фракций от 5 до 20 мм по ГОСТ 8267-93:

Марка щебня по дробимости: 1200;

Марка щебня по истираемости: И1;

Марка по морозостойкости: F200;

Насыпная плотность для перевода количества материала из единиц массы в объемные: 1,42 т/м³;

Содержание зерен слабых пород 0,3% по массе;

Удельная эффективная активность радионуклидов (А эфф.): 247±17 Бк/кг, первый класс использования;

Устойчивость структуры щебня против распадов 1,6%;

Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы 13,24%, 2 гр.;

Содержание пылевидных и глинистых частиц 0,46% по массе;

Содержание глины в комках 0,00% по массе;

Содержание вредных компонентов и примесей:

- каменный уголь до 0%,

- пирита до 0,01%,

- сульфатов до 0,02%.

5. Суперпластификатор - MasterGlenium АСЕ 430 (ООО «Новые технологии строительства» - г. Тула, официальный дилер BASF). Высоководоредуцирующая/суперпластифицирующая добавка на основе эфира поликарбоксилата для производства сборных железобетонных изделий и конструкций. (Раствор основан на поликарбоксилате и воде):

- производитель: BASF («Badische Anilin- & Soda-Fabrik» / «Бадише анилин-унд сода- фабрик» - Германия);

- внешний вид: однородная жидкость оранжевого или светло-коричневого цвета;

- плотность при 20°С, г/см: 1,06±0,02;

- водородный показатель, рН: 5,5;

- содержание Cl-иона, в масс. %, не более: 0,1.

6. Модификатор вязкости MasterMatrix 100 (ООО «Новые технологии строительства» - г. Тула, официальный дилер BASF). Высокоэффективная добавка на основе водного раствора высокомолекулярного синтетического полимера - модификатор вязкости для подвижных и самоуплотняющихся бетонов:

- производитель: BASF («Badische Anilin- & Soda-Fabrik» / «Бадише анилин-унд сода- фабрик» - Германия);

- внешний вид: однородная жидкость светло-коричневого цвета;

- плотность, кг/м: 1010;

- водородный показатель, рН: 8;

- содержание Cl-иона, в масс. %, не более: 0,1.

7. Вода для бетонов и строительных растворов по ГОСТ 23732-2011.

Пример реализации

Приготовление разработанной композиционной сырьевой смеси для изготовления гидротехнических свай осуществлялось следующим образом. Сначала в сухом виде перемешивают портландцемент, щебень, песок, золу-унос в течение 15-25 секунд до получения однородной смеси, суперпластификатор и модификатор вязкости растворяют во всем количестве воды затворения, после чего 2/3 полученного водного раствора вводят в сухую смесь и перемешивают в течение 25-35 секунд, затем в полученную смесь вводят оставшуюся 1/3 водного раствора суперпластификатора и модификатора вязкости и повторно перемешивают в течение 35-55 секунд.

Разделение водного раствора суперпластификатора 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.

Из каждого разработанного состава композиционной сырьевой смеси для изготовления гидротехнических свай и прототипа изготовлено (отформовано без уплотнения и вибрации) по двенадцать образцов-кубиков 100×100×100 мм в соответствии с требованиями ГОСТ 10181-2014, ГОСТ 18105-2018 и ГОСТ 7473-2010 в предварительно очищенные и смазанные формы, отвечающие ГОСТ 22685-89. Укладка смеси производилась сразу после ее приготовления.

Кубики подверглись тепловой обработке, на стенде, при температуре t=45±5°С. Время ТО - 20 часов. Распалубка образцов осуществлялась после тепловой обработки. После распалубки образцы хранились при t=20±5°С при влажности 90-95%. Результаты испытаний приведены в таблице 4.

Анализ результатов испытаний

Предлагаемое техническое решение позволило получить композиционную сырьевую смесь для изготовления гидротехнических свай с улучшенными физико-механическими характеристиками по отношению к прототипу.

Из анализа результатов испытаний видно, что оптимальным составом является №2, так как он обеспечивает выполнение поставленной задачи технического решения.

По результатам сравнения показателей разработанной композиционной сырьевой смеси для изготовления гидротехнических свай с показателями прототипа, установлено:

- прочность образцов на сжатие увеличилась на 20%;

- коэффициент гидравличности увеличился на 15%;

- коэффициент раздвижки зерен увеличился на 12%.

Механизм твердения характеризуется способностью таких композиционных бетонных смесей растекаться и уплотняться под действием собственной массы. Качественное заполнение опалубки происходит без применения внешней и внутренней вибрации. Бетонную смесь можно подавать к месту укладки по трубопроводу, сохраняя ее однородность.

Реологические свойства таких смесей оцениваются не только традиционно, по осадке стандартного конуса, но и по расплыву, способных к самонивелированию бетонной смеси.

Решение относится к строительным материалам и может быть использовано для изготовления гидротехнических свай. Задачей технического решения является увеличение прочности, водонепроницаемости, коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя и коэффициента гидравличности. Композиционная сырьевая смесь для изготовления гидротехнических свай содержит портландцемент, щебень, песок, золу-унос, суперпластификатор, воду, причем в качестве суперпластификатора на поликарбоксилатэфирном основании взят MasterGlenium АСЕ 430 и дополнительно введен модификатор вязкости MasterMatrix 100 при следующем соотношении компонентов, масс. %: портландцемент 15,86-17,84; зола-унос 1,984-3,96; песок 37,4-37,82; щебень 33,28-33,7; суперпластификатор 0,14-0,16; модификатор вязкости 0,016-0,020; вода 8,5-9,32. 4 табл.

Композиционная сырьевая смесь для изготовления гидротехнических свай содержит портландцемент, щебень, песок, золу-унос, суперпластификатор, воду, отличающаяся тем, что в качестве суперпластификатора на поликарбоксилатэфирном основании взят MasterGlenium АСЕ 430 и дополнительно введен модификатор вязкости MasterMatrix 100 при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Портландцемент 15,86-17,84 Зола-унос 1,984-3,96 Песок 37,4-37,82 Щебень 33,28-33,7 Суперпластификатор 0,14-0,16 Модификатор вязкости 0,016-0,020 Вода 8,5-9,32