Самоуплотняющаяся бетонная смесь и способ ее приготовления Российский патент 2022 года по МПК C04B28/04 C04B14/06 C04B14/22 C04B24/26 C04B40/00 C04B111/20 C04B103/32 

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к самоуплотняющимся бетонным смесям, и может быть использовано при изготовлении преимущественно монолитных бетонных и железобетонных строительных изделий и конструкций, где по технологии требуется повышенная текучесть бетонной смеси на стадии применения, повышенная сохраняемость ее подвижности и высокая прочность бетона.

Известна самоуплотняющаяся бетонная смесь, включающая портландцемент, щебень, песок двух фракций, фибру, метакаолин, суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании, гидрофовизирующую кремнийорганическую жидкость на основе силиконатов натрия и воду затворения при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 17,37-19, щебень ф. 5÷10 мм 34,75-38,38, песок ф. 0.16÷5 мм 23,43-25,45, песок ф. 0.16÷0.63 мм 10-11,07, фибру металлическую «Челябинка» 1,26-2,21, метакаолин 0,55-1,27, суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании 0,22-0,33, гидрофобизирующую кремнийорганическую жидкость на основе силиконатов натрия 0,02-0,04, вода затворения 7,07-7,68 [Патент RU №2632795 С1, МПК С04В 28/04, С04В 111/20, С04В 111/62, опубл. 09.10.2017. Самоуплотняющаяся бетонная смесь].

Недостатком данного технического решения является недостаточно высокая текучесть и низкая сохраняемость подвижности самоуплотняющейся бетонной смеси, приводящая к дополнительным затратам при ее укладке, повышенный расход вяжущего при недостаточно высокой прочности бетона, необходимость применения крупных песков с модулем крупности 2,7.

Известна самоуплотняющаяся бетонная смесь, включающая портландцемент, щебень гранитный, смесь крупного песка с модулем крупности 2,8-2,85 и мелкого песка с модулем крупности 1,9-2,0, тонкомолотый медеплавильный шлак с удельной поверхностью 7800-8000 см²/г, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира «Альфа Б» и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 12,20-16,30, указанный крупный песок - 28,6-31,40, указанный мелкий песок - 6,70-7,30, указанный медеплавильный шлак - 5,50-7,30, указанный суперпластификатор - 0,13-0,18, щебень гранитный смесь фракций 5-20 32,70-35,90, при этом в указанной смеси содержание фракции 5-10 мм - 15,00-17,00, 10-20 мм - 83,00-85,00, вода 7,50-8,20, при этом водоцементное соотношение 0,5-0,62 [Патент RU №2659290 С1, МПК С04В 28/04, С04В 28/08, С04В 24/26, С04В 111/20, С04В 40/00, опубл. 29.06.2018. Способ получения самоуплотняющегося бетона и бетонная смесь].

Недостатком данного технического решения является недостаточно высокая текучесть и низкая сохраняемость подвижности самоуплотняющейся бетонной смеси, приводящая к дополнительным затратам при ее укладке, повышенный расход вяжущего при недостаточно высокой прочности бетона, необходимость применения крупных песков с модулем крупности 2,8-2,85.

Известна литая и самоуплотняющаяся бетонная смесь, включающая наноцемент типов 30, 35, 45, 55, строительный песок, отсев гранитного щебня фр. 2-5 мм, щебень гранитный фракции 5-10 мм, воду при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанный наноцемент 12-20, песок строительный 20-35, отсев гранитного щебня фракции 2-5 мм 15-21, щебень гранитный фракции 5-10 мм 20-29, вода - остальное [Патент RU №2725559 С1, МПК С04В 28/04, С04В 7/52, С04В 22/08, С04В 24/00, С04В 111/20, С04В 111/27, опубл. 03.07.2020. Литая и самоуплотняющаяся бетонная смесь для производства монолитного бетона и сборных изделий из железобетона].

Недостатком данного технического решения является недостаточно высокая текучесть и низкая сохраняемость подвижности самоуплотняющейся бетонной смеси, приводящая к дополнительным затратам при ее укладке, повышенный расход вяжущего и необходимость применения наномодифицированного портландцемента с удельной поверхностью 600-900 м²/кг, что способствует увеличению стоимости бетонной смеси.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является бетонная смесь для монолитного бетонирования, включающая шлакопортландцемент, кварцевый песок, щебень гранитный фракции 5-20 мм, тонкомолотый минеральный порошок МП-1, пластификатор на основе поликарбоксилатов Muraplast FK-63, замедлитель твердения Centrament Retard и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%: шлакопортландцемент 14,8-15,3, песок кварцевый 42,3-43,1, щебень 25,9-26,2, минеральный порошок МП-1 6,4-6,9, указанный суперпластификатор 2,8-3,3, замедлитель твердения 0,08-0,09, вода остальное [Патент RU №2498955 С1, МПК С04В 28/02, С04В 111/20, опубл. 20.11.2013. Бетонная смесь для монолитного бетонирования].

Недостатком данного технического решения является недостаточно высокая текучесть бетонной смеси, требующая дополнительных затрат на ее укладку, повышенное водосодержание бетонной смеси, приводящее к увеличению пористости бетона, низкая ранняя и проектная прочность бетона, необходимость применения замедлителя твердения и крупных песков с модулем крупности 2,5-3.

Известен способ приготовления бетонной смеси, включающий двухстадийное перемешивание вяжущего, заполнителей, суперпластификатора и воды затворения, отличающийся тем, что на первой стадии перемешивают вяжущее, мелкий заполнитель, 70-80% крупного заполнителя и 75-85% воды затворения, затем к полученной смеси добавляют оставшиеся 20-30% крупного заполнителя, суперпластификатор и остальную часть воды затворения, после чего окончательно перемешивают смесь до получения однородной бетонной смеси требуемой удобоукладываемости [Патент RU №2548263 С1, МПК С04В 40/00, опубл. 20.04.2015. Способ приготовления бетонной смеси].

Недостатком данного технического решения является высокая трудоемкость и длительность приготовления бетонной смеси. Перемешивание компонентов бетонной смеси на начальной стадии без суперпластификатора приведет к увеличению трудоемкости их перемешивания. Введение всего объема суперпластификатора на конечной стадии с малым количеством воды затворения приведет к его неравномерному распределению в бетонной смеси, что потребует увеличения времени перемешивания бетонной смеси.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является способ приготовления бетонной смеси, включающий двухстадийное перемешивание цемента, заполнителей, суперпластификатора и воды затворения, отличающийся тем, что предварительно на первой стадии в заводских условиях перемешивают цемент, заполнители, суперпластификатор и часть воды затворения до получения бетонной смеси с осадкой конуса, равной 10-12 см, затем полученная смесь транспортируется автобетоносмесителем к месту бетонирования монолитных конструкций, где в нее добавляют дополнительную часть воды затворения, необходимую для получения требуемой подвижности, и окончательно перемешивают бетонную смесь в автобетоносмесителе [Патент RU №2730235 С1, МПК С04В 40/00, СПК С04В 40/00, С04В 40/0046, опубл. 19.08.2020. Способ приготовления бетонной смеси].

Недостатком данного технического решения является низкая сохраняемость подвижности бетонной смеси, приводящая к дополнительным затратам при ее укладке. Введение всего объема суперпластификатора на начальной стадии приводит к его полной адсорбции на поверхности зерен цемента и продуктах его гидратации, что не обеспечивает наличие избытка суперпластификатора в жидкой фазе, повышающего сохраняемость подвижности бетонной смеси.

Техническим результатом является получение самоуплотняющихся бетонных смесей с высокими показателями текучести и сохраняемости подвижности, снижение расхода портландцемента, повышение прочности и морозостойкости бетона.

Технический результат достигается тем, что бетонная смесь, включающая цемент, песок, щебень, суперпластификатор, воду, дополнительно содержит микрокремнезем конденсированный неуплотненный с удельной поверхностью 25000 м²/кг и минеральный порошок из карбонатных горных пород с удельной поверхностью 300 м²/кг, в качестве цемента содержит портландцемент ЦЕМ I 52,5Н с содержанием трехкальциевого алюмината не более 5%, а в качестве суперпластификатора - суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров Sika ViscoCrete 25 НЕ-С при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 7,9-15,7, микрокремнезем конденсированный неуплотненный 1,96-1,97, минеральный порошок из карбонатных горных пород 3,9-11,9, песок с модулем крупности 1,8 32,32-32,4, щебень фракции 5-20 мм 39,4-39,5, суперпластификатор на основе модифицированного поликарбоксилатного эфира Sika ViscoCrete 25 НЕ-С 0,22, вода 6,11-6,5.

В способе приготовления самоуплотняющейся бетонной смеси, заключающемся в последовательном перемешивании компонентов бетонной смеси, сначала портландцемент перемешивают с микрокремнеземом, минеральным порошком, песком и 80% воды затворения с предварительно растворенным в ней поликарбоксилатным суперпластификатором до получения однородной смеси, затем в полученную смесь добавляют щебень и оставшиеся 20% приготовленного водного раствора суперпластификатора и бетонную смесь окончательно перемешивают до приобретения требуемой консистенции, характеризуемой расплывом конуса 700-740 мм.

Использование портландцемента с содержанием трехкальциевого алюмината не более 5% приводит к уменьшению количества выделяемого эттрингита, что позволяет повысить пластифицирующий эффект поликарбоксилатного суперпластификатора, улучшить реологические характеристики бетонной смеси и увеличить сохраняемость ее подвижности.

Использование неуплотненного микрокремнезема с удельной поверхностью 25000 м²/кг позволяет снизить расслоение и водоотделение самоуплотняющейся бетонной смеси, способствует уменьшению капиллярной пористости цементного камня и повышению прочности и морозостойкости бетонов за счет формирования структуры с пониженным содержанием портландита и повышенным содержанием аморфизированных низкоосновных гидросиликатов кальция.

Введение в бетонную смесь минерального порошка из карбонатных горных пород с удельной поверхностью 300 м²/кг позволяет снизить расход портландцемента, улучшить реологические характеристики бетонной смеси, увеличить сохраняемость ее подвижности.

Использование суперпластификатора на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров Sika ViscoCrete 25 НЕ-С позволяет добиться самоуплотняемости бетонных смесей даже при низких значениях водоцементного отношения за счет сильного пластифицирующего и водоредуцирующего эффекта, а также обеспечивает длительную сохраняемость подвижности бетонной смеси за счет медленной скорости адсорбции полимера на частицах цемента.

Приготовление бетонной смеси по предлагаемому способу обеспечивает наличие избытка суперпластификатора в жидкой фазе, что дополнительно повышает сохраняемость подвижности бетонной смеси.

Для приготовления самоуплотняющейся бетонной смеси использовались следующие материалы:

- портландцемент ЦЕМ I 52,5Н ГОСТ 31108-2016 производства ООО «Южно-уральская Горно-перерабатывающая Компания» (Оренбургская область, г. Новотроицк) с удельной поверхностью 400 м²/кг и содержанием трехкальциевого алюмината 4,8%;

- микрокремнезем конденсированный неуплотненный МК-85 ТУ 14-106-709-2004 производства ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (г. Липецк) с удельной поверхностью 25000 м²/кг, насыпной плотностью 155 кг/м³ и массовой долей оксида кремния SiO₂ 92%;

- минеральный порошок из карбонатных горных пород МП-2 ГОСТ 32761-2014 производства ООО «Ронгинский карьер» (Республика Марий Эл, шт. Советский) с удельной поверхностью 300 м²/кг;

- природный кварцевый песок Студенковского месторождения Республики Марий Эл с модулем крупности 1,8 и содержанием пылеватых и глинистых частиц 2,1% ГОСТ 8736-2014;

- щебень из плотных горных пород фракции 5-20 мм Северо-Западного карьера Волковского месторождения Свердловской области с маркой по дробимости 1200 ГОСТ 8267-93;

- суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров Sika ViscoCrete 25 НЕ-С в виде водного раствора плотностью 1,07-1,09 г/см³ компании Sika (Московская область, г. Лобня);

- вода, соответствующая ГОСТ 23732-2011.

Самоуплотняющаяся бетонная смесь приготавливалась в следующем порядке: портландцемент перемешивают с микрокремнеземом, минеральным порошком, песком и 80% воды затворения с предварительно растворенным в ней поликарбоксилатным суперпластификатором до получения однородной смеси. Затем в полученную смесь добавляют щебень и оставшиеся 20% приготовленного водного раствора суперпластификатора и бетонную смесь окончательно перемешивают до приобретения требуемой консистенции, характеризуемой расплывом конуса 700-740 мм.

Полученная самоуплотняющаяся бетонная смесь обладает высокой текучестью и не требует дополнительного уплотнения при ее укладке.

Количество воды подбиралось из условия получения самоуплотняющейся бетонной смеси с классом по удобоукладываемости SF2 (ГОСТ Р 57345-2016/EN 206:2013). Удобоукладываемость бетонных смесей определялась по расплыву конуса в соответствии с ГОСТ Р 58002-2017/EN 12350-8:2010.

Из бетонных смесей изготавливались образцы-кубы размером 100×100×100 мм. Через 1, 2 и 28 суток твердения в нормальных условиях образцы подвергались механическим испытаниям. Прочность образцов определялась в соответствии с ГОСТ 10180-2012, плотность - по ГОСТ 12730.1-2020, водопоглощение - по ГОСТ 12730.3-2020, морозостойкость - по ГОСТ 10060-2012.

Составы самоуплотняющихся бетонных смесей приведены в таблице 1.

Свойства самоуплотняющихся бетонных смесей и бетонов представлены в таблицах 2 и 3.

Из таблицы 2 видно, что полученные самоуплотняющиеся бетонные смеси обладают высокой текучестью с расплывом конуса 710-720 мм, не требующей дополнительного уплотнения при их укладке, а также отличаются повышенной сохраняемостью подвижности более 3 часов в пределах класса по удобоукладываемости SF2, что особенно важно при длительной транспортировке смесей и возведении монолитных конструкций. При этом наблюдается небольшое увеличение расплыва бетонных смесей в первые 60 минут с момента затворения, что дополнительно повышает их сохраняемость подвижности. Это связано с применением поликарбоксилатного суперпластификатора, обладающего медленной скоростью адсорбции полимера, цемента с пониженным содержанием трехкальциевого алюмината, а также способом приготовления бетонной смеси, обеспечивающем наличие избытка суперпластификатора в жидкой фазе.

По результатам определения физико-механических характеристик бетонов (таблица 3) установлено, что применение разработанных самоуплотняющихся бетонных смесей позволяет получить высокопрочные бетоны с классом по прочности В50-В65 и маркой по морозостойкости Fi300-F1800 при пониженном расходе портландцемента 7,9-15,7%.

Таким образом, полученные самоуплотняющиеся бетонные смеси характеризуются высокими показателями текучести и сохраняемости подвижности при пониженном расходе портландцемента, повышенной прочности и морозостойкости бетона.

Проведенный патентный поиск позволил выявить отличительные признаки в заявляемом техническом решении, следовательно, заявляемая самоуплотняющаяся бетонная смесь удовлетворяет критерию изобретения «новизна».

В обнаруженной информации отсутствуют сведения об указанном техническом результате, и из нее не выявляется влияние отличительных признаков на достижение технического результата, следовательно, данное техническое решение удовлетворяют критерию «изобретательский уровень».

Критерий изобретения «промышленная применимость» подтверждается тем, что внедрение предлагаемого технического решения не потребует капитальных затрат.

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к самоуплотняющейся бетонной смеси и способу ее приготовления. Техническим результатом является получение самоуплотняющейся бетонной смеси с высокими показателями текучести и сохраняемости подвижности, снижение расхода портландцемента, повышение прочности и морозостойкости бетона. Самоуплотняющаяся бетонная смесь, включающая цемент, песок, щебень, суперпластификатор, воду. Дополнительно содержит микрокремнезем конденсированный неуплотненный с удельной поверхностью 25000 м²/кг и минеральный порошок из карбонатных горных пород с удельной поверхностью 300 м²/кг, в качестве цемента содержит портландцемент ЦЕМ I 52,5Н с содержанием трехкальциевого алюмината не более 5%, а в качестве супер пластификатора - суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров Sika ViscoCrete 25 НЕ-С при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент ЦЕМ I 52,5Н с содержанием трехкальциевого алюмината не более 5% - 7,9-15,7, микрокремнезем конденсированный неуплотненный - 1,96-1,97, минеральный порошок из карбонатных горных пород - 3,9-11,9, песок с модулем крупности 1,8 - 32,32-32,4, щебень фракции 5-20 мм - 39,4-39,5, суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров Sika ViscoCrete 25 НЕ-С - 0,22, вода - 6,11-6,5. Также описан способ приготовления такой смеси. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

1. Самоуплотняющаяся бетонная смесь, включающая цемент, песок, щебень, суперпластификатор, воду, отличающаяся тем, что дополнительно содержит микрокремнезем конденсированный неуплотненный с удельной поверхностью 25000 м²/кг и минеральный порошок из карбонатных горных пород с удельной поверхностью 300 м²/кг, в качестве цемента содержит портландцемент ЦЕМ I 52,5Н с содержанием трехкальциевого алюмината не более 5%, а в качестве супер пластификатора - суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров Sika ViscoCrete 25 НЕ-С при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент ЦЕМ I 52,5Н с содержанием трехкальциевого алюмината не более 5% 7,9-15,7 Микрокремнезем конденсированный неуплотненный 1,96-1,97 Минеральный порошок из карбонатных горных пород 3,9-11,9 Песок с модулем крупности 1,8 32,32-32,4 Щебень фракции 5-20 мм 39,4-39,5 Суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров Sika ViscoCrete 25 НЕ-С 0,22 Вода 6,11-6,5

2. Способ приготовления самоуплотняющейся бетонной смеси по п. 1, заключающийся в последовательном перемешивании компонентов бетонной смеси, отличающийся тем, что сначала портландцемент перемешивают с микрокремнеземом, минеральным порошком, песком и 80% воды затворения с предварительно растворенным в ней поликарбоксилатным суперпластификатором до получения однородной смеси, затем в полученную смесь добавляют щебень и оставшиеся 20% приготовленного водного раствора суперпластификатора и бетонную смесь окончательно перемешивают до приобретения требуемой консистенции, характеризуемой расплывом конуса 700-740 мм.