Бетонная смесь Российский патент 2024 года по МПК C04B28/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно к строительным растворам, используемым при заливке монолитных сооружений, при создании элементов сборных конструкций – дорожных плит, плит перекрытий, фундаментных блоков, свай и других изделий.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Термины и определения

Тяжёлые бетоны - группа бетонов с объёмной массой от 2000 до 2500 кг/м³. Вне зависимости от вида и марки тяжёлого бетона, в его состав неизменно входят следующие компоненты:

вяжущий компонент - в его качестве используются различные виды цементов по составу и марочной прочности от М200 до М800 или полимеры. От него зависят конечные прочностные характеристики и время затвердевания искусственного камня.

Крупный заполнитель - придает дополнительную прочность. Один из наиболее распространённых - щебень гранитных пород.

Мелкий заполнитель - его роль состоит в том, чтобы сделать смесь максимально однородной. Чаще всего для растворов используют среднефракционный песок (от 0,14 до 5 мм).

Для улучшения экологии и снижения себестоимости бетона песок и щебень заменяют техногенными отходами металлургического и промышленного производства и угледобычи.

Известен состав бетонной смеси (RU 2288199, МПК C04В 28/04, C04В 111/20, опубл. 27.11.2006) [1], включающий, масс. %: портландцемент 6–12, золу-унос 4–6, отвальный металлургический шлак 35–40, горелые породы терриконов 35–40, вода остальное. Бетонная смесь по прочности на сжатие соответствует классу бетона В20 (26,1МПа), морозостойкость 50 и 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания (F50, F300).

Известна бетонная смесь и способ ее приготовления (RU 2439019, МПК C04В 28/00, C04В 5/00, опубл. 10.01.2012) [2], которая содержит, масс. %: цемент 12–17, щебень из дробленого бетонного лома 39–41, песок 35–39, вода 8–9. Прочность бетона 38–40 МПа, данные о морозостойкости бетона отсутствуют.

Известна бетонная смесь (RU 2462425, МПК C04В 18/12, C04В 28/04, опубл. 27.09.2012) [3], в которой расход на 1 м³ составляет, кг: портландцемент 167–256, песчаные фракции дробленой горелой породы 683–508, щебеночные фракции дробленой горелой породы 683–798, вода 315–300. Прочность бетонной смеси 6,0–10,2 МПа, морозостойкость 35, 50, 75 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Недостатком известной бетонной смеси является низкая прочность и морозостойкость.

Известен состав бетонной смеси (RU 2463271, МПК C04В 28/00, опубл. 10.10.2012) [4], содержащая, мас. ч.: цемент 356, зола-унос 89, песок 561, крупный заполнитель 615, асфальтобетонный гранулят (мелкая фракция до 3 мм - 468, асфальтобетонный гранулят (крупная фракция 5–20 мм) 468, вода 180.

Прочность бетона 19,65–32,74 МПа (класс бетона В15, В20, В 25), морозостойкость F50, F75, F100 (циклы). Недостатком известной бетонной смеси являются невысокие показатели физико-механических свойств бетона.

В качестве прототипа выбрана бетонная смесь, наиболее близкая по составу крупного и мелкого наполнителя (Н.И. Буравчук, О.В. Гурьянова. Материалы из горелых пород для бетонной шахтной крепи // Инноватика и экспертиза. 2022. Выпуск 1(33). С. 106–114) [5]. Бетонная смесь по прототипу содержит, масс. кг: цемент 260–450, отсев дробления горелых пород 560–640, щебень из дробленых горелых пород 1210–1320, вода 154–194. В качестве вяжущего использован портландцемент марки 500, ГОСТ 31108-2020. Цементы общестроительные. Технические условия.

Прочность бетона на сжатие составляет18,6–34,0 МПа, прочность при изгибе 2,58–4,62. Сведения о морозостойкости не приведены.

Недостатком известной бетонной смеси является невысокая прочность бетона на сжатие и при изгибе и большой расход цемента (вяжущего).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей настоящего изобретения является улучшение экологии, уменьшение расхода портландцемента и обеспечение прочности на сжатие, прочности при изгибе и морозостойкости бетона, соответствующего классам тяжелого бетона В30, В35, В45, В50.

Поставленная задача решена с достижением новых технических результатов: улучшение экологии, за счет использования техногенного сырья, снижение расхода портландцемента, обеспечение прочности на сжатие в пределах 40,3 – 68,5 МПа, прочности при изгибе в пределах 4,8 – 8,8 МПа и морозостойкости бетона, соответствующего маркам F200, F300, F400, F500, F600.

Указанные технические результаты достигаются тем, что бетонная смесь, содержит вяжущее и мелкий заполнитель - отсев дробления горелых пород, крупный заполнитель - щебень из дробленых горелых пород.

Согласно изобретения вяжущее содержит, масс. %: активированный продукт 36–38, полученный путем совместного помола до удельной поверхности не менее 350 м²/кг активной минеральной добавки - золы-уноса и/или горелой породы с твердыми щелочесодержащими отходами на основе едкого натра и хлористого натрия в соотношении NaOH:NaCl=1:1,5 и в количестве 5-10% от веса активной минеральной добавки, гипсосодержащий компонент 0,9–2,8, портландцементный клинкер - остальное, а мелкий заполнитель дополнительно содержит мелкодисперсную золу-унос и молотую мелкодисперсную горелую породу при следующем соотношении исходных компонентов, масс. %:

Вяжущее 7,7-11,0 Отсев дробления горелых пород 25,5-29,5 Щебень из дробленых пород 32,0-36,0 Мелкодисперсная зола-унос 12,0-12,8 Молотая мелкодисперсная горелая порода 8,1-8,8 Вода Остальное

В предпочтительном варианте выполнения бетонной смеси:

- отсев дробления горелых пород имеет фракцию от 0,16 до 5 мм;

- щебень из дробленых горелых пород имеет фракцию от 5 до 20 мм;

- зола-унос имеет удельную поверхность не менее 350 м²/кг;

- молотая горелая порода имеет удельную поверхность не менее 350 м²/кг.

Указанные технические результаты достигаются качественным и количественным составом бетонной смеси, в которой синергетический эффект совместного действия отдельных компонентов влияет на всю композицию в целом.

Используемый состав активированного композиционного вяжущего известен и ранее разработан авторами настоящего изобретения (RU 2664567, МПК С04В 7/13 С04В 7/52, опубл. 21.08.2018) [6]. Его активность составляет не менее 50 МПа, удельная поверхность не менее 380 м²/кг, что приводит к снижению расхода портландцементного клинкера и повышению прочности вяжущего.

Заполнители создают скелет композиции, состоящей из твердых частиц различной крупности, сформированных в единый конгломерат под действием адсорбционных, физико-химических и химических связей. Формирование структуры бетонной смеси происходит по принципу оптимальных смесей и дисперсного армирования. Зерна самой крупной фракции образуют скелет композиции, пустоты которого заполняют следующие более мелкие фракции, заполняя пустоты между частицами, включая золу-унос и молотую горелую породу. Лещадные и игольчатые зерна дробленой породы в определенном смысле являются элементами короткой арматуры, влияют на прочность сцепления между частицами, способствуя их взаимному физическому переплетению, создавая эффект дисперсного армирования. Формируется каркас бетонной композиции с плотной упаковкой частиц.

Вяжущее и активные компоненты золы-уноса и молотой горелой породы выполняют роль связки на стадии структурообразования при твердении бетонной смеси. Шероховатая поверхность частиц заполнителей из дробленых горелых пород обеспечивает хорошее сцепление их с цементом. Заполнители из горелых пород являются активными компонентами, принимающими участие в твердении бетонной смеси.

Пластифицирующий эффект, связанный с гладкой и шарообразной формой частиц золы, сказывается на реологических свойствах бетонной смеси. Совместное влияние пластифицирующего эффекта золы и упрочняющих факторов взаимодействия компонентов смеси способствуют не только снижению расхода цемента, но и повышению связанности и подвижности, улучшению удобоукладываемости и формуемости бетонной смеси. Поэтому поверхность затвердевшего бетона плотная, ровная, без раковин и любых других дефектов. В данном случае имеет место выраженного синергетического эффекта совместного влияния золы и горелой породы на свойства бетонной смеси.

Положительную роль в формировании структуры и свойств бетонной смеси играет дисперсность золы-уноса и горелой породы. В золах и горелых породах в силу их происхождения содержатся реакционноспособные компоненты, придающие им свойства пуццоланов, что обуславливает их гидравлическую активность.

Результатом проявления пуццолановой активности золы-уноса и горелой породы является связывание активными компонентами свободной извести, образующейся при гидратации цемента, увеличивается количество новообразований. В присутствии активных тонкодисперсных частиц пуццоланового характера усиливается степень гидратации цемента. Такие тонкодисперсные частицы являются центрами кристаллизации, располагающихся в порах цементного камня. На их поверхности выкристаллизовываются гидратные новообразования. В результате увеличивается число контактов между отдельными гидратами. Система приобретает структурную прочность в связи с появлением необратимых фазовых контактов и образованием низкоосновных гидроалюмосиликатов кальция. Продукты твердения заполняют поры и микротрещины, усиливают контактирование частиц, что способствует формированию более плотной и прочной структуры, стойкой к различным внешним воздействиям и перепадам температур. Это положительно сказывается на прочности, морозостойкости и такая смесь продолжает набирать прочность в течение длительного времени.

ПРИМЕР КОНКРЕТНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ

Используемые в составе бетонной смеси зола-унос и горелые породы – это алюминий-кремнийсодержащие отходы термического воздействия. Горелые породы образуются при длительном самообжиге угля вмещающих пород, который происходит в терриконах – конусообразных отвалах вблизи угольных шахт при температурах 600‒1000 °С. Зола-унос – это продукт сжигания угля в топках котлов при температурах выше 1000 °С, вплоть до 1700 °С. В таблице 1 приведен химический состав золы-уноса и горелой породы.

Таблица 1. Химический состав используемого техногенного сырья

Проба SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO SO₃ K₂O + Na₂O P₂O₅ п.п.п.^♦ Зола-унос 55,87 22,59 5,78 3,66 1,87 0,61 2,57 0,54 6,41 Горелая порода 58,94 6,14 1,81 1,59 1,64 2,62 0,44 4,88

^♦п.п.п. – потери при прокаливании.

Тонкодисперсные золы-уносы и молотая горелая порода в составе бетонной смеси имеют удельную поверхность не менее 300 м²/кг. Шарообразная и гладкая поверхность зерен золы-уноса придает ей в бетонной смеси свойства пластификатора.

Используемый отсев дробления горелых пород по зерновому составу соответствует фракции от 0,16 до 5,0 мм, что соответствует ГОСТ 8736-2014 Песок для строительных работ. Технические условия, п. 4.2.10.

Используемый щебень из дробленых горелых пород фракции от 5 до 20 мм соответствует ГОСТ8267-93 Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия, п. 4.2.2.

Существенная особенность заполнителей из горелых пород – это отсутствие глинистых и илистых частиц. Наличие их в заполнителях из природных пород снижает прочность и морозостойкость бетона. Поверхность частиц заполнителей из горелых пород – отсева дробления и щебня, шероховатая, структура пористая. В зерновом составе заполнителей в допустимых пределах присутствуют лещадные и игольчатые частицы.

Для приготовления используемого вяжущего состава, масс. %: активированный продукт 36–38, гипсосодержащий компонент 0,9–2,8, портландцементный клинкер остальное, предварительно проводят активацию золы-уноса, горелой породы и/или их смеси совместным помолом с твердыми щелочесодержащими отходами на основе едкого натра и хлористого натрия в соотношении NaOH:NaCl = 1:1,5 и в количестве 5-10% от веса активной минеральной добавки с последующим помолом полученного активированного продукта с портландцементным клинкером и гипсосодержащим компонентом - отходами гипсокартона.

Приготовление бетонной смеси и изготовление опытных образцов бетона.

Вяжущее смешивается с золой-уносом и молотой горелой породой, добавляется мелкий и крупный заполнитель, смесь сухих компонентов тщательно перемешивается и затворяется водой. Тщательное перемешивание смеси ведется до равномерного распределения всех ингредиентов в объеме бетонной смеси. Уплотнение полученной бетонной смеси происходит при формовании образцов на лабораторной виброплощадке.

Для испытания прочности на сжатие изготавливались образцы - кубы (длина ребра 100 мм), прочности при изгибе – образцы призмы квадратного сечения размером 100×100×400, на морозостойкость – образцы кубы (длина ребра 100 мм).

Отформованные образцы через сутки распалубливаются и подвергаются твердению по двум вариантам:

– набор прочности в условиях нормального твердения при температуре (20±3)°С и относительной влажности воздуха (95±5)% (ГОСТ 18105-2010 БЕТОНЫ. Правила контроля и оценки прочности);

– набор прочности в условиях тепловлажностной обработки проводится в формах для образцов бетонной смеси с золой-уносом и материалами из горелых пород по режиму: предварительная выдержка образцов 4–5 ч, подъем температуры 3 ч, продолжительность изотермического прогрева 8–10 ч при температуре 90–95 °С, постепенное охлаждение до комнатной температуры.

Испытание бетонных образцов на прочность проведено по ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

Испытание бетонных образцов на морозостойкость проведено по ГОСТ10060-2012 Бетоны. Методы определения морозостойкости.

Пример 1

Состав бетонной смеси, масс. %: вяжущее – 11,5; отсев дробления из горелых пород – 24,6; щебень из дробленых горелых пород – 36,5; зола-унос – 12,3; молотая горелая порода – 7,8; вода – 7,3. Прочность бетона на сжатие в проектном возрасте (28 суток нормального твердения) – 42,8 МПа (класс бетона В30), марка по морозостойкости F300.

Пример 2

Состав бетонной смеси, масс. %: вяжущее – 11,0; отсев дробления из горелых пород – 25,5; щебень из дробленых горелых пород – 36,0; зола-унос – 12,0; молотая горелая порода – 8,1; вода – 7,4. Прочность бетона на сжатие в проектном возрасте (28 суток нормального твердения) – 59,4 МПа (класс бетона В45), марка по морозостойкости F500.

Пример 3

Состав бетонной смеси, масс. %: вяжущее – 9,35; отсев дробления из горелых пород – 27,5; щебень из дробленых горелых пород – 34,0; зола-унос – 12,4; молотая горелая порода – 8,45; вода – 8,3. Прочность бетона на сжатие в проектном возрасте (28 суток нормального твердения) – 68,5 МПа (класс бетона В50), марка по морозостойкости F600.

Пример 4

Состав бетонной смеси, масс. %: вяжущее – 7,7; отсев дробления из горелых пород – 29,5; щебень из дробленых горелых пород – 32,0; зола-унос – 12,8; молотая горелая порода – 8,8; вода – 9,2. Прочность бетона на сжатие в проектном возрасте (28 суток нормального твердения) – 46,7 МПа (класс бетона В35), марка по морозостойкости F400.

Пример 5

Состав бетонной смеси, масс. %: вяжущее – 7,5; отсев дробления из горелых пород – 30,0; щебень из дробленых горелых пород – 31,5; зола-унос – 13,2; молотая горелая порода – 9,2; вода – 8,6. Прочность бетона на сжатие в проектном возрасте (28 суток нормального твердения) – 40,3 (класс бетона В30), марка по морозостойкости F200.

Составы заявляемой бетонной смеси приведены в табл. 2

Таблица 2. Составы бетонных смесей, расход материалов, масс. %

Номер состава Вяжущее Отсев дробления горелых пород Щебень из дробленых горелых пород Зола-унос Молотая горелая порода Вода 1 11,5 24,6 36,5 12,3 7,8 7,3 2 11,0 25,5 36,0 12,0 8,1 7,4 3 9,35 27,5 34,0 12,4 8,45 8,3 4 7,7 29,5 32,0 12,8 8,8 9,2 5 7,5 30,0 31,5 13,2 9,2 8,6

В таблице 3 приведено сравнение физико-механических свойств бетона заявляемых составов бетонной смеси и прототипа.

Таблица 3. Сравнение физико-механических свойств бетона из заявляемых составов бетонной смеси и прототипа

Номер состава Прочность, МПа Морозостойкость,
марка Твердение при тепловлажностной обработке Твердение в нормальных условиях, 28 сут на сжатие при изгибе на сжатие при изгибе 1 31,5 3,4 42,8 5,3 F300 2 41,6 5,5 59,4 7,4 F500 3 49,3 6,6 68,5 8,8 F600 4 35,7 4,2 46,7 5,6 F400 5 29,6 3,2 40,3 4,8 F200 прототип 14,2-24,4 2,43-3,10 18,6-34,0 2,58-4,62 Сведений нет

Высокие физико-механические свойства бетона обусловлены оптимизацией вещественного состава и соотношением компонентов бетонной смеси, в том числе сбалансированным гранулометрическим составом используемых компонентов.

Применение вяжущего указанного состава и тонкодисперсных наполнителей (золы-уноса и горелой породы), а также мелкого и крупного заполнителя из дробленой горелой породы позволяет в полной мере реализовать потенциальные возможности цемента, таким образом, сократить его расход и получить высокопрочный, морозостойкий и экономичный бетон, в том числе и за счет использования заполнителей из техногенного сырья. В данном случае в предлагаемом составе бетонной смеси проявляется эффективность совместного действия отдельных компонентов на всю композицию в целом.

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно к строительным растворам, используемым при заливке монолитных сооружений, при создании элементов сборных конструкций - дорожных плит, плит перекрытий, фундаментных блоков, свай и других изделий. Техническим результатом является улучшение экологии за счет использования техногенного сырья, снижение расхода портландцемента, обеспечение прочности на сжатие в пределах 40,3-68,5 МПа, прочности при изгибе в пределах 4,8-8,8 МПа и морозостойкости бетона, соответствующего маркам F200, F300, F400, F500, F600. Технический результат достигается тем, что бетонная смесь содержит вяжущее, мелкий заполнитель - отсев дробления горелых пород, крупный заполнитель - щебень из дробленых горелых пород. В качестве вяжущего она содержит, масс. %: активированный продукт 36-38, полученный путем совместного помола до удельной поверхности не менее 350 м²/кг активной минеральной добавки - золы-уноса и/или горелой породы с твердыми щелочесодержащими отходами на основе едкого натра и хлористого натрия в соотношении NaOH:NaCl=1:1,5 и в количестве 5-10% от веса активной минеральной добавки, гипсосодержащий компонент 0,9-2,8, портландцементный клинкер остальное, а мелкий заполнитель дополнительно содержит мелкодисперсную золу-унос и молотую мелкодисперсную горелую породу при следующем соотношении исходных компонентов, масс. %: вяжущее 7,7-11,0, отсев дробления горелых пород 25,5-29,5, щебень из дробленых пород 32,0-36,0, мелкодисперсная зола-унос 12,0-12,8, молотая мелкодисперсная горелая порода 8,1-8,8, вода остальное. 4 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 пр.

1. Бетонная смесь, содержащая вяжущее, мелкий заполнитель - отсев дробления горелых пород, крупный заполнитель - щебень из дробленых горелых пород, отличающаяся тем, что в качестве вяжущего она содержит, масс. %: активированный продукт 36-38, полученный путем совместного помола до удельной поверхности не менее 350 м²/кг активной минеральной добавки - золы-уноса и/или горелой породы с твердыми щелочесодержащими отходами на основе едкого натра и хлористого натрия в соотношении NaOH:NaCl=1:1,5 и в количестве 5-10% от веса активной минеральной добавки, гипсосодержащий компонент 0,9–2,8, портландцементный клинкер - остальное, а мелкий заполнитель дополнительно содержит мелкодисперсную золу-унос и молотую мелкодисперсную горелую породу при следующем соотношении исходных компонентов, масс. %:

Вяжущее 7,7-11,0 Отсев дробления горелых пород 25,5-29,5 Щебень из дробленых пород 32,0-36,0 Мелкодисперсная зола-унос 12,0-12,8 Молотая мелкодисперсная горелая порода 8,1-8,8 Вода Остальное

2. Бетонная смесь по п. 1, отличающаяся тем, что отсев дробления горелых пород имеет фракцию от 0,16 до 5 мм.

3. Бетонная смесь по п. 1, отличающаяся тем, что щебень из дробленых горелых пород имеет фракцию от 5 до 20 мм.

4. Бетонная смесь по п. 1, отличающаяся тем, что зола-унос имеет удельную поверхность не менее 350 м²/кг.

5. Бетонная смесь по п. 1, отличающаяся тем, что молотая горелая порода имеет удельную поверхность не менее 350 м²/кг.