Легкий бетон конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения Российский патент 2022 года по МПК C04B38/08 

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к легким бетонам конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения, и может быть использовано при изготовлении бетонных и железобетонных изделий и конструкций (монолитных, сборно-монолитных и сборных), применяемых в гражданском, промышленном и транспортном строительстве, где по технологии требуется повышенная прочность и сниженная теплопроводность легкого бетона.

Известен легкий бетон [1], включающий цемент, полые микросферы - компонент, выделенный безреагентной флотацией из золошлаковых смесей, воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит кремнистую опал-кристобалитовую породу - трепел фракционного состава, %: 0,315-0,14 мм - 27-31,1, 0,14-0,071 мм - 30,1-33,2, менее 0,071 мм - 32,9-39,7, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

цемент 24,9-29,3, указанный трепел 6,8-14,2, указанные микросферы 34,8-41,1, вода остальное

Недостатком известного технического решения является относительно низкая прочность легкого бетона при сжатии (17,4-20,7 МПа), обусловленная повышенным водосодержанием бетонной смеси (19,8-29,1 мас. %) вследствие отсутствия в составе пластифицирующей добавки. Достигнутый уровень показателя прочности при сжатии свидетельствует о сниженном конструкционном потенциале структуры, что существенно сужает область применения указанного легкого бетона в несущих конструкциях.

Известна цементсодержащая строительная смесь [2], включающая цемент, песок, модификаторы, воду и активную минеральную добавку, содержащую микросферы алюмосиликатные (ценосферы), диоксид кремния аморфный (микрокремнезем) и золу высококальциевую, при следующем соотношении компонентов, мас. %: цемент 25,0-40,0, песок 5,0-30,0, активная минеральная добавка 35,0-60,0, модификаторы 0,2-2,0, вода - остальное, отличающаяся тем, что размер частиц диоксида кремния аморфного составляет 0,01-1 мкм, размер частиц золы высококальциевой составляет 1-25 мкм, а массовое соотношение диоксида кремния аморфного и золы высококальциевой составляет 1:3.

Недостатком известного технического решения является увеличенное число компонентов строительной смеси, в частности, за счет наличия в рецептуре многочисленных химических модификаторов (ускоритель твердения, водоудерживающая добавка, редиспергируемые полимерные порошки и др.), что значительно повышает стоимость и трудоемкость изготовления указанного цементсодержащего материала.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является высокопрочный легкий бетон [3], полученный из смеси, содержащей цемент, наполнитель - микросферы, пластификатор и воду, и отличающийся тем, что дополнительно содержит минеральную часть, состоящую из микрокремнезема, имеющего средний размер частиц 0,01-1 мкм, каменной муки - продукта измельчения кварцевого песка с удельной поверхностью 700-800 м²/кг и кварцевого песка фракции 0,16-0,63 мм, а в качестве пластификатора - гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе при следующем соотношении компонентов, мас. %:

портландцемент 33,8-53,0, микрокремнезем 4,77-13,8, указанная каменная мука 1,5-11,9, указанный кварцевый песок 5,1-32,2, микросферы 4,3-19,27, указанный гиперпластификатор 0,3-0,48, вода остальное

Недостатком известного технического решения является повышенный коэффициент теплопроводности (0,475-0,691 Вт/(м⋅К)), свидетельствующий о сниженных теплоизоляционных свойствах и теплотехнической эффективности указанного легкого бетона, что сужает область его возможного применения.

Технический результат заключается в снижении теплопроводности легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения при сохранении требуемого уровня показателя удельной прочности при сжатии (отношение предела прочности при сжатии к относительной плотности материала) путем оптимизации поровой структуры материала на различных масштабных уровнях за счет использования рационально подобранного комплекса мелкого плотного заполнителя и пористых наполнителей.

Сущность изобретения заключается в том, что легкий бетон конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения, полученный из смеси, содержащей портландцемент, наполнитель - стеклянные или алюмосиликатные полые микросферы, гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе, минеральную часть и воду, отличается тем, что минеральная часть включает кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм и модулем крупности 2,0-2,5, а также смесь измельченных кремниевых опал-кристобалитовых пород - диатомита с удельной поверхностью 2000-2100 м²/кг и опоки с удельной поверхностью 1300-1400 м²/кг, используемых в соотношении по массе 1:1, при следующем содержании компонентов, мас. %:

портландцемент 33,7-50,0, указанная смесь измельченных кремниевых опал-кристобалитовых пород 2,98-8,1, указанный кварцевый песок 4,32-41,3, указанные полые микросферы 5,15-17,32, указанный гиперпластификатор 0,39-0,55, вода остальное

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна». При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:

1. Признак, указывающий, что «…минеральная часть включает кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм и модулем крупности 2,0-2,5…» вместо кварцевого песка фракции 0,16-0,63 мм у прототипа [3], позволяет оптимизировать каркасную матрицу твердеющего бетона за счет полифракционного состава заполнителя, характеризующегося повышенной плотностью упаковки частиц.

2. Признак, указывающий, что в состав минеральной части входит «… смесь измельченных кремниевых опал-кристобалитовых пород - диатомита с удельной поверхностью 2000-2100 м²/кг и опоки с удельной поверхностью 1300-1400 м²/кг, используемых в соотношении по массе 1:1, …» вместо микрокремнезема и продукта измельчения кварцевого песка у прототипа [3], позволяет снизить теплопроводность при сохранении требуемого уровня показателя удельной прочности при сжатии легкого бетона. Качественный и количественный состав смеси опал-кристобалитовых пород подобран таким образом, чтобы компоненты усиливали основной эффект (снижение теплопроводности легкого бетона) и компенсировали нежелательные побочные действия, каждого из них в отдельности, в частности, повышенную загущающую способность диатомита, а также сниженную водоудерживающую способность и химическую активность опоки. Таким образом, совместное использование в составе минеральной части диатомита и опоки в соотношении по массе 1:1 позволяет достичь синергетического эффекта и универсальности действия кремниевого комплекса, что дает возможность направленно воздействовать на физико-химические процессы структурообразования цементной системы с достижением требуемого уровня технологических свойств бетонной смеси, физико-механических и теплофизических характеристик легкого бетона.

3. Признаки, указывающие на соотношение масс компонентов, направлены на оптимизацию состава легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения, обеспечивающую достижение заявленного технического результата.

Для приготовления легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения используют:

1. Портландцемент по ГОСТ 31108-2020, например, класса ЦЕМ I 42,5.

2. Кремниевые опал-кристобалитовые породы - диатомит и опоку, предварительно высушенные до постоянной массы и измельченные до удельной поверхности 2000-2100 и 1300-1400 м²/кг соответственно.

Диатомит - мягкая легкая тонкопористая осадочная порода с биоморфной структурой, сложенная более чем на 50% из мельчайших панцирей (цельных или обломков) диатомитовых водорослей - диатомей, состоящих преимущественно из аморфного опалового кремнезема [4, 5, 6]. Возможно присутствие в породе в качестве примесей обломочного материала (обычно кварц), глауконита, глинистых минералов, спикул кремниевых губок, скелетов радиолярий [6]. Размер створок диатомей, как правило, находится в пределах от 0,01-0,03 до 0,1-0,2 мм [5]. Содержание диоксида кремния в породе может изменяться от 62 до 97% [7, 8]. Окраска - белая, светло- и желтовато-серая, иногда серая, темно-серая и буровато-серая [5, 6]. Средняя плотность диатомитов обычно не превышает 1000 кг/м³ (увеличивается с возрастанием содержания обломочного и глинистого материала) и у лучших разностей достигает 500-700 кг/м³, пористость - до 92% (в среднем 70-75%) [4, 6]. Прочность, как правило, не превышает 3-3,5 МПа [5].

Опока - легкая плотная тонкопористая осадочная порода с абиоморфной структурой, сложенная в основном мельчайшими (менее 0,005 мм) изометрическими и неправильными частицами опал-кристобалитового кремнезема и характеризующаяся по сравнению с диатомитами большей твердостью, прочностью и плотностью [4, 5, 6]. В различном количестве возможно присутствие в породе обломочного (преимущественно кварцевого) материала, глинистых минералов, редко - органических остатков (скелетов радиолярий, спикул кремниевых губок, панцирей диатомей). Текстура - однородная, слоистая. Излом - раковистый, полураковистый, землистый [5]. Окраска от светло-серой, желтовато-серой, буровато-серой до темно-серой и даже черной [6]. Средняя плотность составляет 1100-1600 кг/м³, пористость - 25-55% (обычно 30-40%). Прочность «нормальных» разностей варьируется от 5 до 20, выветрелых (трепеловидных) - от 3 до 7, крепких кремнеподобных (окремнелых) - до 150 МПа, в некоторых разностях (обычно слабокарбонатных) присутствует цеолитовый компонент (до 10-20%) [5, 6].

Ввиду повышенной пористости рассматриваемые кремниевые породы имеют сниженную теплопроводность, что предопределяет перспективность их применения для достижения заявленного технического результата изобретения.

Природная влажность диатомитов и опок значительно колеблется в зависимости от климатических условий, глубины залегания, пористости породы и может достигать 15-50% [4, 5, 8, 9]. При этом более плотные разновидности характеризуются меньшей влажностью. Наличие влаги в порах кремниевых пород приводит к ухудшению их теплоизоляционных свойств. Поэтому с целью снижения коэффициента теплопроводности легкого бетона при его изготовлении используют высушенные кремниевые породы. Для этого поступившие с карьеров диатомит и опоку измельчают до требуемой удельной поверхности (2000-2100 и 1300-1400 м²/кг соответственно), а затем проводят их сушку до постоянной массы при температуре 100-105°С, что позволяет удалить из структуры значительную часть поровой воды.

В рецептуре легкого бетона применялись диатомит Атемарского и опока Алексеевского месторождений Республики Мордовия с химическим составом, приведенным в таблице 1.

По данным рентгенофазового анализа установлено, что минералогический состав используемых кремниевых пород отличается преимущественным содержанием кристаллического кварца и частично закристаллизованной опал-кристобалит-тридимитовой фазы (ОКТ-фаза), представляющей собой смесь кристаллических и скрытокристаллических разновидностей кремнезема: кристобалита, тридимита и рентгеноаморфного опала. Кроме этого, в фазовом составе кремниевых пород выявлено незначительное содержание минералов групп полевых шпатов (альбит, кальций-калиевый силикат), слюд (мусковит) и гидрослюд (иллитовая группа). Степень кристалличности исследуемых образцов диатомита и опоки составила 22 и 36% [10] при соответствующем содержании в них аморфной фазы - 78 и 64 мас. %. Степень пуццоланической активности кремниевых пород, определенная с использованием прямого химического метода ГОСТ Р 56593-2015 (п. 14), равнялась 114 и 110 мг/г для диатомита и опоки соответственно.

1. Природный кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм, отвечающий требованиям ГОСТ 8736-2014. В результате фракционирования песка модуль крупности изменялся в диапазоне 2,0-2,5.

2. Наполнитель - стеклянные или алюмосиликатные полые микросферы, индивидуальные свойства которых обеспечивают снижение средней плотности при достижении требуемого уровня прочности при сжатии легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения.

3. Гиперпластификаторы на поликарбоксилатной основе различных марок - «Melflux 1641 F», «Melflux 5581 F», «Sika ViscoCrete-5 New», «Sika ViscoCrete-5-600 SP». Данный класс химических добавок характеризуется высоким пластифицирующим и водоредуцирующим эффектами, регламентируемыми ГОСТ 24211-2008, что позволяет значительно снизить водопотребность и увеличить подвижность бетонной смеси.

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

Процесс приготовления легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения включает следующие этапы:

1) поступившие с карьеров кремниевые породы (диатомит и опока) предварительно измельчают до требуемой удельной поверхности, а затем сушат до постоянной массы при температуре 100-105°С и смешивают в соотношении по массе 1:1;

2) проводят фракционирование кварцевого песка с отбором частиц не более 5 мм и достижением модуля крупности в диапазоне 2,0-2,5 с последующей сушкой заполнителя до постоянной массы при температуре 100-105°С (при необходимости);

3) выполняют дозирование каждого компонента легкого бетона по массе согласно принятой рецептуре;

4) первоначально в бетоносмеситель загружают отвешенное количество портландцемента, комплекса кремниевых пород (диатомита и опоки), полых микросфер и осуществляют перемешивание компонентов до получения однородной смеси;

5) добавляют требуемое количество кварцевого песка и всю сухую смесь перемешивают до достижения равномерного распределения в ней мелкого заполнителя;

6) добавляют воду с растворенным в ней гиперпластификатором с последующим перемешиванием до получения бетонной смеси требуемой однородности и удобоукладываемости.

Для приготовления бетонной смеси используют смеситель принудительного действия. Продолжительность перешивания смеси принимают в соответствии с требованиями ГОСТ 7473-2010.

После перемешивания готовую бетонную смесь укладывают в формы и уплотняют исходя из достигнутой подвижности. Из полученной смеси изготавливают образцы для испытаний: призмы размером 40×40×160 мм, кубы размером 100×100×100 мм и пластины размером 25×150×150 мм. Образцы до распалубливания хранят в формах, покрытых влажной тканью, после распалубливания - в камере с нормальными условиями твердения (температура (20±2)°С и относительная влажность воздуха (95±5)%). Распалубливание и испытание образцов проводят соответственно через 1 и 28 сут с момента изготовления.

Определение основных физико-механических и теплофизических характеристик легкого бетона проводят по следующим методикам:

- среднюю плотность - по ГОСТ 12730.1-2020;

- прочность на сжатие - по ГОСТ 10180-2012;

- теплопроводность - по ГОСТ 7076-99.

Удельная прочность легкого бетона, МПа, характеризующая его техническую эффективность и конструкционный потенциал, рассчитывается по формуле:

R_уд= R_сж / ρ_отн, (1)

где R_сж - предел прочности при сжатии, МПа;

ρ_отн - относительная плотность бетона, отн. ед.:

ρ_отн = ρ_б/ρ_в, (2)

где ρ_б - средняя плотность бетона, кг/м³;

ρ_в - плотность воды, 1000 кг/м³.

С целью осуществления корректного сравнения теплотехнической эффективности составов легкого бетона изобретения и прототипа [3], имеющих разную среднюю плотность, используется показатель удельной теплопроводности, Вт/(м⋅К), рассчитываемый по формуле:

λ_уд=λ/ ρ_отн, (3)

где λ - коэффициент теплопроводности легкого бетона, Вт/(м⋅К);

ρ_отн - тоже, что и в формуле (1).

Составы предлагаемого легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения приведены в таблице 2, а его физико-механические и теплофизические свойства - в таблице 3.

Таким образом, как видно из таблицы 3, по сравнению с прототипом [3] предлагаемый легкий бетон конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения обладает более низким показателем удельной теплопроводности (до 2,26 раза) при сопоставимой удельной прочности (26,8-41,1 против 28,7-41,0 МПа у прототипа [3]).

Список использованных источников

1. RU 2277076 С1, МПК С04В 38/08, опубл. 27.05.2006.

2. RU 2708138 C1, МПК С04В 28/02, С04В 7/13, С04В 24/26, С04В 111/20, С04В 103/32, опубл. 04.12.2019.

3. RU 2515450 C1, МПК С04В 28/00, С04В 111/20, опубл. 10.05.2014.

4. Фролов В.Т. Литология. Кн. 1: Учебное пособие / В.Т. Фролов. М.: Изд-во МГУ, 1992. 336 с.

5. Дистанов У.Г. Кремнистые породы СССР / У.Г. Дистанов. Казань: Татарское книжное издательство, 1976. 412 с.

6. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Кремниевые породы. М.: МПР России, 2007. 36 с.

7. RU 2623272 С1, МПК С09D 133/00, С09D 5/02, опубл. 23.06.2017.

8. Селяев В.П. Теплоизоляционные материалы и изделия на основе вакуумированных дисперсных порошков микрокремнезема и диатомита: монография / В.П. Селяев, В.А. Осипов, Л.И. Куприяшкина [и др.]. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2013. 220 с.

9. Низина Т.А. Анализ влияния обжига диатомита на теплопроводность жидких теплоизоляционных покрытий / Т.А. Низина, А.Е. Инин, О.А. Синюков, В.А. Неверов // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2016. №2 (29). С. 86-89.

10. Балыков А.С. Рецептурно-технологическая эффективность осадочных пород различного состава и генезиса в цементных системах / А.С. Балыков, Т.А. Низина, В.М. Кяшкин, С.В. Володин // Нанотехнологии в строительстве. 2022. Т. 14, № 1. С. 53-61.

Таблица 1 Осадочная порода Химический (оксидный) состав, мас. % SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ K₂O+Na₂O CaO+MgO TiO₂ P₂O₅ SO₃ прочее Диатомит Атемарского месторождения 87,23 5,15 3,41 1,21 2,48 0,32 0,06 0,03 0,11 Опока Алексеевского месторождения 73,46 13,26 4,32 1,90 6,01 0,67 0,06 0,09 0,23

Таблица 2 Компоненты Содержание компонентов, масс. % Предлагаемые составы Прототип [3] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Портландцемент 50,0 45,9 42,3 38,9 36,7 33,7 47,7 35,0 50,3 40,7 Микрокремнезем - - - - - - 4,77 6,9 7,55 13,8 Каменная мука - - - - - - 5,65 7,9 1,7 1,5 Смесь измельченных кремниевых опал-кристобалитовых пород - диатомита с удельной поверхностью 2000-2100 м²/кг
и опоки с удельной поверхностью 1300-1400 м²/кг, используемых в соотношении по массе 1:1 4,06 8,1 3,46 6,86 2,98 5,95 - - - - Кварцевый песок фракции 0,16-0,63 мм - - - - - - 16,4 18,6 5,1 13,8 Кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм и модулем крупности 2,0-2,5 4,32 4,33 25,6 25,6 41,3 41,3 - - - - Стеклянные микросферы - 17,32 10,32 - 5,15 - 10,3 - - - Алюмосиликатные микросферы 17,3 - - 10,3 - 5,16 - 15,5 19,27 15,5 Гиперпластификатор
Melflux 1641 F 0,54 - - 0,47 - - 0,38 - - - Гиперпластификатор
Melflux 2651 F - - - - - - - - - 0,4 Гиперпластификатор
Melflux 5581 F - - 0,46 - 0,39 - - - - - Гиперпластификатор
Одолит Т - - - - - - - - 0,48 - Гиперпластификатор
Sika ViscoCrete-5 New - 0,55 - - - - - 0,4 - - Гиперпластификатор
Sika ViscoCrete-5-600 SP - - - - - 0,4 - - - - Вода 23,78 23,8 17,86 17,87 13,48 13,49 14,8 15,7 15,6 14,3

Таблица 3 Показатель Значения показателей Предлагаемые составы Прототип [3] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Средняя плотность, кг/м³ 1197 1137 1533 1455 1785 1708 1370 1423 1252 1483 Предел прочности
при сжатии, МПа 40,5 30,5 53,7 39,9 73,4 50,2 56,2 40,9 45,3 59,3 Удельная прочность*, МПа 33,8 26,8 35,0 27,4 41,1 29,4 41,0 28,7 36,2 40,0 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К) 0,246 0,233 0,339 0,314 0,608 0,508 0,599 0,588 0,475 0,688 Удельная
теплопроводность**, Вт/(м⋅К) 0,206 0,205 0,221 0,216 0,341 0,297 0,437 0,413 0,379 0,464 Примечание.
* Показатель, рассчитываемый по формуле (1).
** Показатель, рассчитываемый по формуле (3).

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к легким бетонам конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения, и может быть использовано при изготовлении бетонных и железобетонных изделий и конструкций (монолитных, сборно-монолитных и сборных), применяемых в гражданском, промышленном и транспортном строительстве. Технический результат заключается в снижении теплопроводности легкого бетона при сохранении требуемого уровня удельной прочности при сжатии. Легкий бетон конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения, полученный из смеси, содержащей портландцемент, наполнитель - стеклянные или алюмосиликатные полые микросферы, гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе, минеральную часть и воду. Минеральная часть включает кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм и модулем крупности 2,0-2,5, а также смесь измельченных кремниевых опал-кристобалитовых пород - диатомита с удельной поверхностью 2000-2100 м²/кг и опоки с удельной поверхностью 1300-1400 м²/кг, используемых в соотношении по массе 1:1, при следующем содержании компонентов, мас.%: портландцемент 33,7-50,0, указанная смесь измельченных кремниевых пород 2,98-8,1, указанный кварцевый песок 4,32-41,3, указанные полые микросферы 5,15-17,32, указанный гиперпластификатор 0,39-0,55, вода - остальное. 3 табл.

Легкий бетон конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения, полученный из смеси, содержащей портландцемент, наполнитель – стеклянные или алюмосиликатные полые микросферы, гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе, минеральную часть и воду, отличающийся тем, что минеральная часть включает кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм и модулем крупности 2,0-2,5, а также смесь измельченных кремниевых опал-кристобалитовых пород – диатомита с удельной поверхностью 2000-2100 м²/кг и опоки с удельной поверхностью 1300-1400 м²/кг, используемых в соотношении по массе 1:1, при следующем содержании компонентов, мас.%:

портландцемент 33,7-50,0 указанная смесь измельченных кремниевых опал-кристобалитовых пород 2,98-8,1 указанный кварцевый песок 4,32-41,3 указанные полые микросферы 5,15-17,32 указанный гиперпластификатор 0,39-0,55 вода остальное