ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН Российский патент 2023 года по МПК C04B28/04 

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано для изготовления конструкций из бетона, а также при проведении монолитного строительства объектов промышленных, гражданских и специального назначений.

Известна смесь для изготовления высокопрочного бетона, состоящая из следующих компонентов, мас. %: портландцемент 22,48-28,61; песок 23,00-25,60; щебень 36,30-39,00; добавка 0,69-0,92; вода 11,40-12,00, используемая добавка состоит из следующих компонентов, мас. %: золь гидроксида железа (III) Fe(OH)₃ с плотностью ρ=1,021 г/см³ и значением водородного показателя рН=4,0-5,0 99,83-99,87; сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ 0,13-0,17 (RU №2332388, С04В 40/00, С04В 22/08, С04В 111/20, С04В 111/27, 27.08.2008).

Недостатками данного технического решения являются: недостаточная подвижность и недостаточная связность бетонной смеси, а также пониженные значения прочности на сжатие и прочности на растяжение при изгибе.

Известна смесь для изготовления высокопрочного бетона, содержащая портландцемент, песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент, представленный золем кремниевой кислоты H₂SiO₃ с плотностью ρ=1,014 г/см³, значением водородного показателя рН=5-6, добавку «ДЭЯ-М» и воду при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент - 44,4-48,0; песок - 20,0-22,2; щебень 20,0-22,2; указанный кремнеземсодержащий компонент - 0,43-0,48; добавка «ДЭЯ-М» - 0,43-0,48; вода - 10,34-11,04 (RU №2256629, С04В 28/04, 20.07.2005).

Недостатками данного технического решения являются: недостаточная подвижность и недостаточная связность бетонной смеси, а также пониженные значения прочности на сжатие и прочности на растяжение при изгибе.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является сырьевая смесь для высокопрочного бетона, содержащая портландцемент, песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент, представленный золем H₂SiO₃ с плотностью ρ=1,014 г/см³, значением водородного показателя рН=5,0 - 6,0, добавку калий железистосинеродистый K₄[Fe(CN)₆] и воду при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент 43,58-47,08; песок 14,43-15,69; щебень 25,70-27,84; кремнеземсодержащий компонент, представленный золем кремниевой кислоты H₂SiO₃ с плотностью ρ=1,014 г/см³, водородным показателем рН=5,0-6,0, добавка калий железистосинеродистый K₄[Fe(CN)₆] - 0,44-0,47; вода - 12,10-12,15 (RU №2256630, С04В 28/04, С04В 111/20, 20.07.2005).

Недостатками данного технического решения являются: недостаточная подвижность и недостаточная связность бетонной смеси, а также пониженные значения прочности на сжатие и прочности на растяжение при изгибе.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание сырьевой смеси повышенной подвижности и повышенной связности для самоуплотняющегося высокопрочного бетона, характеризуемого повышенной прочностью на сжатие и повышенной прочностью на растяжение при изгибе.

Поставленная задача достигается тем, что высокопрочный бетон, полученный из смеси, включающей портландцемент, песок, щебень, добавку и воду, согласно изобретению, в качестве песка содержит песок с модулем крупности 2,1 в качестве щебня содержит щебень гранитный фракции 3-10 мм, в качестве добавки содержит комплексную химическую добавку, представленную водным раствором с плотностью ρ=1,047 г/см³ и значением водородного показателя рН=6,8, состоящую из водного раствора поликар-боксилатного полимера на основе ангидрида малеиновой кислоты с плотностью ρ=1,027 г/см³ и значением водородного показателя рН=6,2, высокомолекулярного соединения на основе калиевой соли высшей жирной кислоты с плотностью ρ=1,056 г/см³, значением водородного показателя рН=9,2; нанодисперсий диоксида кремния, используемых в виде золя гидродиоксида кремния с плотностью ρ=1,012 г/см³ и значением водородного показателя рН=3,1; водного раствора нитрита кальция с плотностью ρ=1,038 г/см³, значением водородного показателя рН=5,7; водного раствора нитрата кальция с плотностью ρ=1,040 г/см³, значением водородного показателя рН=5,8 при следующем соотношении компонентов добавки, мас. %:

- указанный поликарбоксилатный полимер - 37,74-39,00 - указанное высокомолекулярное соединение - 5,40-5,66 - указанные нанодисперсии - 22,30-22,64 - указанный водный раствор нитрита кальция - 14,80-15,09 - указанный водный раствор нитрата кальция - 18,50-18,87,

дополнительно содержит комплексный реакционно-активный стабилизатор, характеризуемый величиной насыпной плотности D=0,750 г/см³ и значением водородного показателя рН=8,3, состоящий из тонкомолотого доменного металлургического шлака с величиной удельной поверхности, S=470 м²/кг; глиноземистого цемента; метилцеллюлозы с насыпной плотностью D=0,620 г/см³ и значением водородного показателя рН=7,3 и поли-карбоксилатного полимера с сополимерами из акриловой кислоты и этилового эфира метакриловой кислоты с насыпной плотностью D=0,620 г/см³ и величиной водородного показателя рН=6,3 при следующем соотношении компонентов стабилизатора, мас. %:

- указанный шлак - 81,06-82,0 - глиноземистый цемент - 15,35-16,2 - указанная целлюлоза - 1,05-1,1 - указанный поликарбоксилатный полимер - 1,6-1,64,

при следующем соотношении компонентов сырьевой смеси высокопрочного бетона, мас. %:

-портландцемент - 18,32-19,42 - указанный песок - 30,16-30,56 - указанный щебень - 39,89 - 40,39 - указанный стабилизатор - 3,30-3,39 - указанная комплексная химическая добавка - 0,14-0,18 - вода - 7,09-7,16,

Совместное использование комплексной химической добавки, содержащей поликарбоксилатный полимер на основе ангидрида малеиновой кислоты в сочетании с комплексным реакционно-активным стабилизатором, содержащим поликарбоксилатный полимер на основе оксида полипропилена с сополимерами из акриловой кислоты и этилового эфира метакриловой кислоты, обеспечивают получение высокоподвижной смеси для самоуплотняющегося высокопрочного бетона.

Использование комплексного реакционно-активного стабилизатора, в состав которого входит метилцеллюлоза и тонкомолотый доменный металлургический шлак с величиной удельной поверхности S_уд.=470 м²/кг, обеспечивают повышенную связность высокоподвижной бетонной смеси, уменьшая расслаиваемость высокоподвижной бетонной смеси.

Использование комплексной химической добавки, в состав которой входит поликарбоксилатный полимер на основе ангидрида малеиновой кислоты в сочетании с высокомолекулярным соединением на основе калиевой соли высшей жирной кислоты, которые в присутствии цемента, в раннем возрасте, начиная со 2 суток, вступают в химическое взаимодействие образуя разветвленную структуру, оказывающую армирующее действие на формирующуюся структуру бетона, что положительно влияет на повышение прочности на растяжение при изгибе, начиная с раннего возраста, и на протяжении всего процесса твердения бетона.

Присутствие в составе добавки нитрита кальция и нитрата кальция усиливают процессы гидратации цемента в раннем возрасте, в наибольшей степени повышая прочность на сжатие.

Повышение прочности на сжатие и на растяжение при изгибе в проектном возрасте обусловлено повышенной гидратационной активностью компонентов активированной и стабилизированной бетонной смеси.

Нанодисперсии диоксида кремния, в результате сформированной поверхности обладают повышенной поверхностной энергией при пониженном значении водородного показателя рН, что оказывает положительное влияние на усиление процессов гидратации, образуя повышенное количество комплексных гидратных фаз, оказывающих положительное влияние на формирование повышенного количества контактов в твердеющей системе, таким образом, уплотняя и упрочняя структуру бетона, и при этом увеличивая прочность на сжатие твердеющего бетона.

Кроме этого, нанодсиперсии диоксида кремния, обладая повышенной реакционной активностью, вступают в реакции синтеза с образовавшимися гидратными фазами, обеспечивая образование новых гидратных фаз с повышенным содержанием диоксида кремния, SiO₂, отличающихся, как правило, повышенной прочностью и твердостью и кристаллизующихся в виде удлиненных волокон, что положительно влияет на повышение прочности на растяжение при изгибе.

Повышение прочности на сжатие и в большей степени на растяжение при изгибе достигается при гидратации доменного металлургического шлака, так как в качестве гидратных фаз, при создании определенных условий, образуются прочные и твердые, удлиненные кристаллы кальций-магниевых гидросиликатов. Наиболее эффективно гидратационная активность шлака проявляется в присутствии глиноземистого цемента, процессы гидратации которого сопровождается выделением большого количества тепла, которое является необходимым для активации процессов гидратации шлака.

Заявляемая совокупность существенных признаков проявляет новое свойство при совместном использовании комплексной химической добавки, состоящей из поликарбоксилатного полимера на основе ангидрида малеиновой кислоты, высокомолекулярного соединения на основе калиевой соли высшей жирной кислоты, нанодисперсий диоксида кремния, SiO₂, нитрита кальция и нитрата кальция и комплексного реакционно-активного стабилизатора, состоящего из глиноземистого цемента, тонкомолотого доменного металлургического шлака, метилцеллюлозы и поликарбоксилатного полимера на основе оксида полипропилена с сополимерами из акриловой кислоты и этилового эфира метакриловой кислоты, обеспечивает получение сверхсуммарного эффекта, который заключается в создании высокоподвижной бетонной смеси, обладающей повышенной связностью, пониженной расслаиваемостью, на основе которой получен высокопрочный бетон с повышенной прочностью на растяжении при изгибе.

Смесь, включающая портландцемент, песок с модулем крупности 2,1; щебень гранитный фракции 3-10 мм, комплексную химическую добавку, состоящую из водного раствора поликарбоксилатного полимера ангидрида малеиновой кислоты, высокомолекулярного соединения на основе калиевой соли высшей жирной кислоты, нанодисперсий диоксида кремния, водного раствора нитрита кальция и водного раствора нитрата кальция, и дополнительно содержит комплексный реакционно-активный стабилизатор, состоящий из тонкомолотого доменного металлургического шлака с величиной удельной поверхности S_уд.=470 м²/кг; глиноземистого цемента; метилцеллюлозы и поликарбоксилатного полимера с сополимерами из акриловой кислоты и этилового эфира метакриловой кислоты, обеспечивает получение высокоподвижной бетонной смеси, обладающей повышенной связностью, пониженной расслаиваемостью и получением на ее основе высокопрочного бетона, обладающего повышенной прочностью на сжатие и на растяжение при изгибе.

По мнению заявителя и авторов, заявляемое изобретение соответствует критерию охраноспособности - изобретательский уровень.

Заявляемое изобретение промышленно применимо и может быть использовано в гражданском и промышленном строительстве, а также на объектах специального назначения.

Пример конкретного выполнения.

Готовят сырьевую смесь следующим образом: 1. Приготовление водного раствора комплексной химической добавки с плотностью ρ=1,047 г/см³ и значением водородного показателя рН=6,8:

1.1. Дозируют водный раствор поликарбоксилатного полимера ангидрида малеиновой кислоты с плотностью ρ=1,027 г/см³ и значением водородного показателя рН=6,2.

1.2. Дозируют высокомолекулярное соединение на основе калиевой соли высшей жирной кислоты с плотностью ρ=1,056 г/см³, значением водородного показателя рН=9,2.

1.3. Дозируют золь гидродиоксида кремния с плотностью ρ=1,012 г/см³ и значением водородного показателя рН=3,1, в состав которого входят нанодисперсии диоксида кремния.

1.4. Дозируют водный раствор нитрита кальция с плотностью ρ=1,038 г/см³, значением водородного показателя рН=5,7.

1.5. Дозируют водный раствор нитрата кальция с плотностью ρ=1,040 г/см³, значением водородного показателя рН=5,8.

1.6. Все компоненты, отдозированные по п.п. 1.1. - 1.5. транспортируют в лопастной смеситель, где перемешивают отдозированные компоненты в течение 25 мин. и после этого осуществляют контроль плотности водного раствора добавки и значение водородного показателя рН, готовую к употреблению добавку транспортируют в накопительную емкость.

2. Приготовление комплексного реакционно-активного стабилизатора, характеризуемого величиной насыпной плотности D=0,750 г/см³ и значением водородного показателя рН=8,3.

2.1. Дозируют тонкомолотый доменный металлургический шлак с величиной удельной поверхности S_уд.=470 м²/кг;

2.2. Дозируют глиноземистый цемент;

2.3. Дозируют метилцеллюлозу с насыпной плотностью D=0,620 г/см³ и значением водородного показателя рН=7,3;

2.4. Дозируют поликарбоксилатный полимер на основе оксида полипропилена с сополимерами из акриловой кислоты и этилового эфира метакриловой кислоты с насыпной плотностью D=0,620 г/см³ и значением водородного показателя рН=6,3;

2.5. Все компоненты, отдозированные по п.п. 2.1. - 2.4. транспортируют в лопастной смеситель, где перемешивают отдозированные компоненты в течение 15 мин. и после этого осуществляют контроль насыпной плотности и водородного показателя рН готового к употреблению комплексного стабилизатора, готовый к употреблению комплексный стабилизатор транспортируют в накопительную емкость.

3. Приготовление смеси для высокопрочного бетона:

3.1. Дозируют портландцемент ПЦ500 Д0;

3.2. Дозируют песок с модулем крупности 2,1;

3.3. Дозируют гранитный щебень фракции 3-10 мм;

3.4. Дозируют воду;

3.5. Дозируют комплексную химическую добавку, приготовленную по п. 1.6;

3.6. В отдозированную воду транспортируют комплексную химическую добавку, отдозированную по п. 3.5.

3.7. Дозируют комплексный реакционно-активный стабилизатор, приготовленный по п. 2.5.

3.8. Все компоненты, отдозированные по п.п. 3.1-3.7. транспортируют в бетоносмеситель любой модификации, используемый на действующем производстве, и тщательно перемешивают до получения однородной, высокоподвижной смеси, которую используют для изготовления изделий или осуществляют монолитное строительство из высокопрочного самоуплотняющегося бетона, для которого определяют удобоукладываемость по расплыву конуса по ГОСТ Р 59715-2022 п. 5 «Смеси бетонные самоуплотняющиеся. Методы испытаний».

Определяют связность бетонной смеси по параметру расслаиваемости самоуплотняющейся бетонной смеси по ГОСТ Р 59715-2022 п. 8 «Смеси бетонные самоуплотняющиеся. Методы испытаний».

Для определения прочности на сжатие изготавливают образцы-кубы размером 100×100×100 мм; для определения прочности на растяжение при изгибе изготавливают образцы - призмы размером 100×100×400 мм.

Твердение всех образцов осуществляется в нормальных условиях, при температуре воздуха 20±°С и влажности ≥95%.

Испытание образцов на определение показателей прочности осуществляется в возрасте 28 суток по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

Составы бетона представлены в таблице 1, полученные результаты представлены в таблице 2.

По результатам испытаний установлено, что удобоукладываемость самоуплотняющейся бетонной смеси, определяемая по расплыву конуса увеличивается в 2,1 раза, расслаиваемость бетонной смеси уменьшается на 47%, прочность на сжатие повышается на 38%, прочность на растяжение при изгибе на 71%.

Изобретение относится к строительным материалам и рекомендовано для изготовления конструкций из бетона или монолитного строительства объектов промышленного, гражданского и специального назначения. Технический результат - повышение подвижности, понижение расслаиваемости самоуплотняющейся бетонной смеси и создание бетона на ее основе повышенной прочности на сжатие и повышенной прочности на растяжение при изгибе. Высокопрочный бетон получен из смеси, включающей мас. %: портландцемент - 18,32-19,42; песок с модулем крупности 2,1 - 30,16-30,56; щебень гранитный фракции 3-10 мм - 39,89-40,39; комплексный реакционно-активный стабилизатор с D=0,750 г/см³, рН=8,3, состоящий из следующих компонентов, мас. %: доменного металлургического шлака с удельной поверхностью, S=470 м²/кг, - 81,06-82,00; глиноземистого цемента - 15,35-16,2; метилцеллюлозы - 1,05-1,10; поликарбоксилатного полимера - 1,60-1,64, - 3,30-3,39; водного раствора комплексной химической добавки, р=1,047 г/см³, рН=6,8, состоящей из следующих компонентов, мас. %: поликарбоксилатного полимера - 37,74-39,00; высокомолекулярного соединения - 5,40-5,66; нанодисперсий диоксида кремния - 22,30-22,64; нитрита кальция - 14,80-15,09; нитрата кальция - 18,50-18,87; воду - 7,09-7,16. 2 табл.

Высокопрочный бетон, полученный из смеси, включающей портландцемент, песок, щебень, добавку и воду, отличающийся тем, что в качестве песка содержит песок с модулем крупности 2,1, в качестве щебня содержит щебень гранитный фракции 3-10 мм, в качестве добавки содержит комплексную химическую добавку, представленную водным раствором с плотностью ρ=1,047 г/см³, значением водородного показателя рН=6,8, состоящую из водного раствора поликарбоксилатного полимера ангидрида малеиновой кислоты с плотностью ρ=1,027 г/см³, значением водородного показателя рН=6,2; высокомолекулярного соединения на основе калиевой соли высшей жирной кислоты с плотностью ρ=1,056 г/см³, значением водородного показателя рН=9,2; нанодисперсий диоксида кремния, используемых в виде золя гидродиоксида кремния с плотностью ρ=1,012 г/см³, значением водородного показателя рН=3,1; водного раствора нитрита кальция с плотностью ρ=1,038 г/см³, значением водородного показателя рН=5,7; водного раствора нитрата кальция с плотностью ρ=1,040 г/см³, значением водородного показателя рН=5,8 при следующем соотношении компонентов добавки, мас. %:

казанный поликарбоксилатный полимер 37,74-39,00 указанное высокомолекулярное соединение 5,40-5,66 указанные нанодисперсии 22,30-22,64 указанный водный раствор нитрита кальция 14,80-15,09 указанный водный раствор нитрата кальция 18,50-18,87,

дополнительно содержит комплексный реакционно-активный стабилизатор, характеризуемый величиной насыпной плотности D=0,750 г/см³, значением водородного показателя рН=8,3, состоящий из тонкомолотого доменного металлургического шлака с величиной удельной поверхности S=470 м²/кг; глиноземистого цемента; метилцеллюлозы с насыпной плотностью D=0,620 г/см³, значением водородного показателя рН=7,3 и поликарбоксилатного полимера с сополимерами из акриловой кислоты и этилового эфира метакриловой кислоты с насыпной плотностью D=0,620 г/см³, величиной водородного показателя рН=6,3 при следующем соотношении компонентов стабилизатора, мас. %:

указанный шлак 81,06-82,0 глиноземистый цемент 15,35-16,2 указанная целлюлоза 1,05-1,1 указанный поликарбоксилатный полимер 1,60-1,64,

при следующем соотношении компонентов сырьевой смеси высокопрочного бетона, мас. %:

портландцемент 18,32-19,42 указанный песок 30,16-30,56 указанный щебень 39,89-40,39 указанный стабилизатор 3,30-3,39 указанная комплексная химическая добавка 0,14-0,18 вода 7,09-7,16.