Мелкозернистая самоуплотняющаяся бетонная смесь Российский патент 2022 года по МПК C04B28/04 C04B111/20 C04B111/62 

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к мелкозернистым самоуплотняющимся бетонным смесям, и может быть использовано для монолитного бетонирования и ремонтных работ, где по технологии требуется повышенная подвижность смеси, высокая ранняя и проектная прочность мелкозернистого бетона.

Известен состав песчаного бетона, включающий портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 2,7-3,2, шлам химической водоочистки (ШХВО) с удельной поверхностью 1200-1300 м²/кг, микрокремнезем, суперпластификатор «Melflux 2651 F» и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 16,7-18; кварцевый песок - 68,4-70,0; ШХВО - 1,2-2,5; микрокремнезем - 0,8-2,8; суперпластификатор - 0,08-0,09; вода - 8,9-10,1 [1].

Недостатком данной бетонной смеси является недостаточно высокая прочность песчаного бетона при сжатии в возрасте 28 сут, а также необходимость применения крупных кварцевых песков с модулем крупности 2,7-3,2, являющих дефицитными во многих регионах Российской Федерации.

Известна мелкозернистая бетонная смесь, включающая портландцемент, природный песок средней крупности, микрокремнезем и метакаолин в качестве минеральных добавок, суперпластификатор полифункционального действия на основе полиоксиэтиленовых производных полиметакриловой кислоты «Динамикс ПК» и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 19-19,9; песок - 67-67,5; микрокремнезем - 0,8-1,81; метакаолин - 0,5-1,08; суперпластификатор - 0,1-0,2; вода - остальное [2].

Недостатком данной бетонной смеси являются низкие прочностные показатели получаемого бетона и необходимость использования песков средней крупности (Мк=2,0-2,5).

Известна мелкозернистая бетонная смесь, включающая портландцемент, кварцевый песок, наполнитель, порошковый гиперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира «Melflux», водоудерживающую добавку, воду, в качестве портландцемента содержит портландцемент бездобавочный с показателем нормальной густоты цементного теста не более 26%, в качестве наполнителя микрокальцит с содержанием карбоната кальция не менее 97% с частицами фракции не более 120 мкм - не менее 98%, в том числе фракции менее 20 мкм - не более 7%, в качестве водоудерживающей добавки микрокремнезем конденсированный неуплотненный с содержанием аморфного кремнезема не менее 85% и удельной поверхностью 12-25 м²/г или метакаолин с содержанием аморфного глинозема не менее 40%, аморфного кремнезема - не менее 50%, аморфизацией структуры алюмосиликата не менее 90% и удельной поверхностью 1,2-2,5 м²/г при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент бездобавочный с показателем нормальной густоты цементного теста не более 26% 15,8-23,6; кварцевый песок 35,6-61,4; микрокальцит с содержанием карбоната кальция не менее 97% с частицами фракции не более 120 мкм - не менее 98%, в том числе фракции менее 20 мкм - не более 7% 1,8-27,4; порошковый гиперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира «Melflux» 0,14-0,30; микрокремнезем конденсированный неуплотненный с содержанием аморфного кремнезема не менее 85% и удельной поверхностью 12-25 м²/г или метакаолин с содержанием аморфного глинозема не менее 40%, аморфного кремнезема - не менее 50%, аморфизацией структуры алюмосиликата не менее 90% и удельной поверхностью 1,2-2,5 м²/г 0,81-4,20; вода остальное [3].

Известное техническое решение позволяет получить самоуплотняющиеся бетонные смеси со значениями осадки стандартного конуса 26-28 см (П5), повысить предел прочности при сжатии в проектном возрасте мелкозернистых бетонов до уровня высокопрочных бетонов с марочной прочностью М500-М1000 и выше (класс В40-В80 и выше), использовать в их составе портландцементы сниженных марок (с активностью 33-41 МПа), а также очень мелкие кварцевые пески с модулем крупности 1,4 (известные составы №7, 8 и 10). Однако данные составы содержат достаточно дорогостоящие компоненты - наполнитель микрокальцит КМ 100, водоудерживающие добавки (микрокремнезем конденсированный неуплотненный МК-85, метакаолин ВМК-40), что способствует повышению стоимости самоуплотняющихся смесей и изделий на их основе.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является мелкозернистая самоуплотняющаяся смесь, включающая портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности М_кр=1,9, кварцевый наполнитель с удельной поверхностью 100 м²/кг, поликарбоксилатный суперпластификатор «Glenium ACE 430», ускоритель твердения «X-SEED 100» и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 44,2-44,7; кварцевый песок - 33,1-39,1; кварцевый наполнитель - 5,6-11,1; суперпластификатор - 0,3-0,4; ускоритель твердения - 0,2; вода - 10-11,1 [4].

Данное решение позволяет получать самоуплотняющиеся бетонные смеси с использованием мелких кварцевых песков с модулем крупности 1,9. Недостатками прототипа являются повышенный расход портландцемента (44,2-44,7 мас.%), необходимость применения дорогого кварцевого наполнителя с удельной поверхностью 100 м²/кг при недостаточно высокой ранней прочности в возрасте 1-их сут (20-22,2 МПа).

Технический результат, при использовании заявленного изобретения, заключается в повышении предела прочности при сжатии мелкозернистых бетонов, получаемых на основе самоуплотняющихся смесей, в раннем (1-ые сут - не менее 25 МПа) и проектном возрасте (28 сут - не менее 65 МПа (не ниже класса В50) за счет применения оптимальных комплексов добавок на основе порошкового поликарбоксилатного гиперпластификатора марки «Melflux 5581 F» и активной минеральной добавки, получаемой на основе термоактивированной (2 ч при температуре 700°С) полиминеральной глины Никитского месторождения Республики Мордовия, измельченный до удельной поверхности 7800 см²/г.

Сущность изобретения заключается в том, что мелкозернистая самоуплотняющаяся бетонная смесь содержит портландцемент бездобавочный класса ЦЕМ I 42,5Б с нормальной густотой 25-26%, мелкий природный песок с модулем крупности 1,8, порошок, получаемый из полиминеральной глины после термической обработки при температуре 700°С в течение 2 ч и последующем помоле до удельной поверхности 7800 см²/г, порошковый гиперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира марки «Melflux 5581 F» и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Б с нормальной густотой 25-26% 27,0-27,1 мелкий природный песок с модулем крупности 1,8 58,6-61,0 порошок, получаемый из полиминеральной глины после термической обработки при температуре 700°С в течение 2 ч и последующем помоле до удельной поверхности 7800 см²/г 3,0-4,8 порошковый гиперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира «Melflux 5581 F» 0,3 вода остальное

Для изготовления составов мелкозернистой самоуплотняющейся бетонной смеси использовались:

- портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Б с нормальной густотой 25-26% производства ОАО «Мордовцемент», ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия»;

- природный мелкий кварцевый песок Болотниковского карьера Республики Мордовия с частицами размером не более 5 мм, модулем крупности 1,8, ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия»;

- активная минеральная добавка на основе термоактивированной полиминеральной глины Никитского месторождения Республики Мордовия;

- порошковый гиперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира марки «Melflux 5581 F» производства BASF Construction Solutions (Trostberg, Германия);

- вода для бетонов и строительных растворов по ГОСТ 23732-2011.

Способ приготовления активной минеральной добавки на основе полиминерального глинистого сырья заключается в предварительном измельчении исходного сырья (полиминеральной глины Никитского месторождения Республики Мордовия с содержанием 62% реакционных минералов (каолинита и иллита) до фракции не более 2,5 мм, термической обработке при температуре 700°С в течение 2 ч и последующем помоле до удельной поверхности 7800 см²/г. Оптимизация технологического режима получения активной минеральной добавки осуществлялась на основе результатов исследований, проведенных для следующих комбинаций факторов: температура обжига - 400-800°С; длительность обжига - 2-4 ч; концентрация добавки - 2-18% от массы вяжущего.

Смешивание компонентов бетонной смеси осуществляют последовательно, причем первоначально в смесителе перемешивают портландцемент и порошковый гиперпластификатор в течение 1-2 мин, затем засыпают минеральную добавку на основе полиминерального глинистого сырья и перемешивают в течение 1-2 мин, после чего вводят кварцевый песок и перемешивают сухую смесь до однородности в течение 1-2 мин. На заключительном этапе добавляют требуемое количество воды и перемешивают до получения бетонной смеси требуемой подвижности и однородности. Общее время приготовления бетонной смеси составляет от 8 до 10 мин (данное время включает в себя дополнительные операции по засыпке компонентов).

Для определения подвижности бетонной смеси, как и для прототипа, определялся расплыв из конуса Хегерманна по ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения прочности при изгибе и сжатии». Кроме того, была определена осадка бетонных смесей из стандартного конуса согласно ГОСТ 10181-2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний». Согласно [5], при разработке составов самоуплотняющихся мелкозернистых и тонкозернистых бетонных смесей классов по удобоукладываемости SF1-SF3 осадка стандартного конуса должна составлять от 25,5 до 28 см.

После приготовления бетонной смеси изготавливались образцы-балочки размером 40*40*160 мм и образцы-кубы с длиной ребра 100 мм по ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Все образцы до проектного возраста в 28 сут хранились в нормальных условиях (температура 20±2°С, относительная влажность окружающего воздуха не менее 90%, создаваемая в камере нормального твердения). Испытания образцов-балочек с определением предела прочности на растяжение при изгибе и при сжатии проводились в возрасте 1 и 28 сут, образов-кубов при сжатии - в проектном возрасте. Также определялась плотность образцов в равновесно-влажностном состоянии.

Составы предлагаемых мелкозернистых самоуплотняющихся бетонных смесей и прототипа представлены в табл. 1. Результаты испытаний данных составов и бетонов на их основе приведены в табл. 2.

Подвижность бетонных смесей по предлагаемой рецептуре при расплыве из конуса Хегермана 230-280 мм, что сопоставимо или выше прототипа (220-240 мм), осадка стандартного конуса 26-28 см (марка по подвижности согласно ГОСТ 7473-2010 - П5). Согласно [5], предлагаемые составы можно отнести к самоуплотняющимся смесям с осадкой конуса не менее 26 см и диаметром расплыва не менее 55 см.

Из мелкозернистой самоуплотняющейся бетонной смеси были получены бетоны с прочностью при сжатии на 1-ые сут твердения 25,6-31,5 МПа и в проектном возрасте 66,7-72,1 МПа (на образца-кубах 100*100*100 мм), что соответствует классам В50-В55. Плотность бетонов в равновесно-влажностном состоянии в возрасте 28 сут составляет 2 282-2 298 кг/м³.

Таким образом, по сравнению с известным техническим решением предлагаемое изобретение позволяет получить мелкозернистые самоуплотняющиеся бетонные смеси с повышенными показателями предела прочности при сжатии в раннем (1 сут - не менее 25 МПа) и проектном возрасте (28 сут - не менее 65 МПа (не ниже класса В50)) без использования ускорителей твердения и дорогого кварцевого наполнителя с удельной поверхностью 100 м²/г, расширить номенклатуру мелкозернистых самоуплотняющихся бетонов с возможностью применения в их составе активной минеральной добавки (взамен более дорогих добавок - микрокремнезема и метакаолина) на основе термоактивированной глины и мелких природных кварцевых песков с модулем крупности 1,8, широко распространенных во многих регионах Российской Федерации.

Источники информации

1. RU 2569947, МПК С04В 28/04, C04B 18/04, C04B 24/24, C04B 103/46, опубл. 10.12.2015.

2. RU 2627344, МПК С04В 28/04, C04B 18/04, C04B 18/14, С04В 24/24, C04B 111/20, C04B 103/32, опубл. 07.08.2017.

3. RU 2657303, МПК С04В 28/04, C04B 14/06, C04B 14/26, С04В 24/26, C04B 103/32, C04B 103/46, C04B 111/20, опубл. 13.06.2018.

4. RU 2603991, МПК С04В 28/04, C04B 24/24, C04B 103/32, C04B 103/14, C04B 111/62, опубл. 10.12.2016.

5. Калашников В.И. Расчет составов высокопрочных самоуплотняющихся бетонов / В.И. Калашников // Строительные материалы. 2008. №10. С. 4-6.

Таблица 1 - Составы мелкозернистых самоуплотняющихся бетонных смесей

№
состава Портландцемент (удельная поверхность 360 м²/кг) Портландцемент
(класс ЦЕМ I 42,5Б) Кварцевый песок
с модулем крупности 1,9 Кварцевый песок
с модулем крупности 1,8 Кварцевый наполнитель,
S_уд=100 м²/кг Активная минеральная добавка на основе термоактивированной полиминеральной глины Поликарбоксилатный суперпластификатор
«Glenium ACE 430» Гиперпластификатор
«Melflux 5581 F» Ускоритель твердения
«X-SEED 100» Вода 1 Прототип 44,2 - 33,1 - 11,1 - 0,3 - 0,2 11,1 2 Прототип 44,7 - 39,1 - 5,6 - 0,4 - 0,2 10,0 3 - 27,0 - 61,0 - 3,0 - 0,3 - 8,7 4 - 27,1 - 58,6 - 4,8 - 0,3 - 9,2

Таблица 2 - Свойства мелкозернистых самоуплотняющихся бетонных смесей,

мелкозернистых бетонов на их основе

№
состава Подвижность смеси Образцы-балочки размером 40*40*160 мм Образцы-кубы
100*100*100 мм Расплыв из конуса Хегерманна, мм Осадка стандартного конуса (марка смеси по подвижности), см Прочность при изгибе,
МПа, в возрасте, сут Прочность при сжатии,
МПа, в возрасте, сут Плотность в проектном возрасте, кг/м³ Прочность
при сжатии в проектном возрасте,
МПа (класс бетона) 1 28 1 28 1 Прототип 220-240 -* -* -* 20,0 -* -* -* 2 Прототип 220-240 -* -* -* 22,2 -* -* -* 3 230 26 (П5) 5,60 8,69 25,6 66,3 2 298 66,7 (В50) 4 280 28 (П5) 5,96 8,23 31,5 71,2 2 282 72,1 (В55)

Примечание:

*Указанный показатель бетонной смеси и бетона для прототипа не определялся.

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к мелкозернистым самоуплотняющимся бетонным смесям, и может быть использовано для монолитного бетонирования и ремонтных работ, где по технологии требуется повышенная подвижность смеси, высокая ранняя и проектная прочность мелкозернистого бетона. Мелкозернистая самоуплотняющаяся бетонная смесь содержит, мас.%: портландцемент бездобавочный класса ЦЕМ I 42,5Б с нормальной густотой 25-26% 27,0-27,1, мелкий природный песок с модулем крупности 1,8 58,6-61,0, активную минеральную добавку – порошок, получаемый из полиминеральной глины после термической обработки при температуре 700°С в течение 2 ч и последующем помоле до удельной поверхности 7800 см²/г 3,0-4,8, порошковый гиперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира марки «Melflux 5581 F» 0,3, воду - остальное. Технический результат – повышение предела прочности при сжатии мелкозернистого бетона. 2 табл.

Мелкозернистая самоуплотняющаяся бетонная смесь, состоящая из портландцемента, кварцевого песка, активной минеральной добавки, пластифицирующей добавки, воды, отличающаяся тем, что в качестве портландцемента используют портландцемент бездобавочный класса ЦЕМ I 42,5Б с нормальной густотой 25-26%, в качестве кварцевого песка - мелкий природный песок с модулем крупности 1,8, в качестве активной минеральной добавки - порошок, получаемый из полиминеральной глины после термической обработки при температуре 700°С в течение 2 ч и последующем помоле до удельной поверхности 7800 см²/г, в качестве пластифицирующей добавки - порошковый гиперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира марки «Melflux 5581 F», при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Б с нормальной густотой 25-26% 27,0-27,1 мелкий природный песок с модулем крупности 1,8 58,6-61,0 порошок, получаемый из полиминеральной глины после термической обработки при температуре 700°С в течение 2 ч и последующем помоле до удельной поверхности 7800 см²/г 3,0-4,8 порошковый гиперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира «Melflux 5581 F» 0,3 вода остальное