Архитектурный бетон Российский патент 2024 года по МПК C04B28/08 C04B28/24 C04B28/26 C04B111/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к декоративному бетону, и может быть использовано в изготовлении архитектурных бетонов («арх-бетонов») для производства мелкоштучных изделий любой формы, которые применяют в декоративных целях.

Уровень техники

Декоративный (архитектурный) бетон предназначен для отделки зданий и сооружений. Применяются светлые, цветные и офактуренные (имитирующие природный камень и т.п.) бетоны. В качестве вяжущего используют белый портландцемент, цветные цементы, иногда используют обычный портландцемент с отбеливающей добавкой и (или) с добавкой пигмента. Мелким заполнителем обычно служит природный песок. Для получения бетонов светлых тонов применяют белые кварцевые пески. В качестве крупного заполнителя используют щебень из мрамора, гранита, известняка, доломита. Для получения цветного бетона на белом цементе в бетонную смесь добавляют различные минеральные и органические пигменты. Для достижения высокой прочности и долговечности архитектурного бетона в него вводят дисперсные наполнители (микрокремнезем и др.) в композиции с суперпластификатором и другие добавки (БЕЛОВ В.В. и др. Строительные материалы, Москва, Изд-во АСВ, 2014, 272с., с.110).

В настоящее время к бетону, помимо структурной прочности, предъявляются требования к эстетической составляющей, в частности к цвету. Бетоны, окрашенные в объеме, отличаются повышенным спросом со стороны потребителей. Однако бетоны черного цвета наиболее сложно изготовить технологически.

Из уровня техники известен способ получения черных архитектурных бетонов путем окрашивания бетонов на портландцементе до 10 мас.% (Крамар Л.Я. Железоокисные пигменты местного производства для декоративных бетонов / Л.Я. Крамар, Б.Я. Трофимов, И.П. Добровольский // Вестник ЮУрГУ, Серия: Строительство и архитектура. – 2012. – № 17. – С. 51-55).

Недостатком данного способа является растворение пигмента в геле цементного теста и снижение прочности, также повышение вязкости смеси, что ведет к повышенному воздухововлечению (снижение качества поверхности).

Известен способ получения цветного цемента из рядового серого портландцемента путем его перемешивания с красящими пигментами (Боженов П.И. Цветные цементы и их применение / П.И. Боженов, Л.И. Холопова. – Л.: Стройиздат, 1968. – с. 9).

По данному способу необходимо использование большого количества красителя, получаемые цементы имеют весьма недекоративную окраску и характеризуются низкой прочностью.

Известен способ получения цветных бетонов, включающий совместный помол серого портландцемента с пигментом, причем перед помолом осуществляют перемешивание серого портландцемента и пигмента, а помол осуществляют в виброцентробежной мельнице с ускорением движения частиц 35-50 g при шаровой загрузке барабана мельницы 40-75 % до достижения материалом удельной поверхности 900-1100 м²/кг (RU 2168474, МПК C04B 7/52, опубл. 10.06.2001).

Недостатком данного способа является высокая энергоемкость процесса, и снижение долговечности изделий из-за утончения помола цемента.

Известен декоративный шлаковый цемент, включающий доменный гранулированный шлак, щелочной и сульфатный компоненты, содержит в качестве доменного гранулированного шлака – доменный гранулированный шлак со степенью белизны более 65 %, полученный выстаиванием шлакового расплава в ковшах до грануляции в течение 40-45 мин, в качестве щелочного компонента - тонкодисперсную газоочистную пыль известкового хозяйства и дополнительно – отработанную формовочную смесь – отход литейного производства при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанная пыль 15-20, отработанная формовочная смесь – отход литейного производства 3-6, сульфатный компонент 3-5, указанный шлак – остальное. Цемент дополнительно может содержать пигмент в количестве 2-5 мас.% сверх 100 %. Цемент в качестве пигмента содержит отход метизного производства – порошок насыщенного кирпичного цвета. Цемент в качестве сульфатного компонента содержит сульфат аммония (RU 2232139, МПК C04B 7/14, опубл. 10.07.2004).

Недостатком данного цемента является ограниченная гамма оттенков – только тона коричневого оттенка.

В качестве прототипа взята стандартная бетонная смесь по ГОСТ 7473-2010, содержащая портландцемент, мелкий заполнитель (кварцевый песок), крупный заполнитель (габбро-диабаз фракции 2-5 мм или щебень) и воду (для проведения испытаний и сравнения с добавлением поликарбоксилатного пластификатора и пигмента).

Недостатком известного решения является ограниченная эффективность окрашивания цементной матрицы бетона, связанная с переходом в гель цементных мицелл. При дальнейшем повышении содержания железноокислого пигмента глубина цвета бетона не изменяется, при ухудшении физических характеристик бетона таких как прочность на сжатие, морозостойкость.

Раскрытие изобретения

Технический результат заключается в получении архитектурного бетона черного цвета, обладающего глубиной цвета в 2 % отраженного света, с низким расходом пигмента (в 2-3 раза ниже по сравнению с цементными бетонами), за счет нейтральной к пигменту среды (без образования геля) частицы пигмента находятся во взвешенном состоянии и дают стойкую окраску.

Сущность изобретения заключается в том, что архитектурный бетон получен из смеси, содержащей кварцевый песок, заполнитель, вяжущее, пигмент и воду, отличающийся тем, что в качестве вяжущего применяют отходы промышленности и щелочной активатор вяжущего, в качестве заполнителя применяют черный щебень фракции 2-5 мм или фракции 5-20 мм, а в качестве пигмента – железноокислый пигмент черного цвета, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварцевый песок 28,96-29,15 указанный заполнитель 36,45-36,67 вяжущее 24,3-24,45 щелочной активатор вяжущего 6,08-9,33 железноокислый пигмент черного цвета 0,81 вода остальное

В качестве вяжущего применяют золу-уноса ТЭЦ или отходы металлургической промышленности в виде молотого гранулированного шлака. В качестве вяжущего применяют смесь золы-уноса и молотого гранулированного шлака. В качестве активатора вяжущего применяют 30%-ный водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃. В качестве активатора вяжущего применяют смесь 30%-ного водного раствора карбоната натрия Na₂CО₃ и жидкого натриевого стекла с силикатным модулем 2,0-2,5 в соотношении раствор карбоната натрия Na₂CО₃ : жидкое натриевое стекло 2:1 или 3:2 соответственно. Дополнительно применяют микрокремнезем в количестве 2-5 % от массы вяжущего. Дополнительно к железноокислому пигменту черного цвета добавляют железноокислый пигмент зеленого цвета.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлены образцы полученного архитектурного бетона.

Осуществление изобретения

Архитектурный бетон, полученный из смеси, содержащей кварцевый песок, заполнитель – черный щебень фракции 2-5 мм или фракции 5-20 мм, вяжущее, щелочной активатор вяжущего, железноокислый пигмент черного цвета и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварцевый песок 28,96-29,15 указанный заполнитель 36,45-36,67 вяжущее 24,3-24,45 активатор вяжущего 6,08-9,33 железноокислый пигмент черного цвета 0,81 вода остальное

Составы заявленного архитектурного бетона представлены в табл. 1.

Более подробно сущность активации шлакощелочных вяжущих описана в источнике: Глуховский В.Д., Пахомова В.А. Шлакощелочные цементы и бетоны. – К.: Будивельник, 1978. 181 с.

В качестве вяжущего могут применять золу-уноса ТЭЦ или отходы металлургической промышленности в виде молотого гранулированного шлака. В качестве вяжущего могут применять смесь золы-уноса и молотого гранулированного шлака. В качестве активатора вяжущего могут применять 30%-ный водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃. В качестве активатора отходов промышленности могут применять смесь 30%-ного водного раствора карбоната натрия Na₂CО₃ и жидкого натриевого стекла с силикатным модулем 2,0-2,5 в соотношении раствор карбоната натрия Na₂CО₃:жидкое натриевое стекло 2:1 или 3:2 соответственно. Дополнительно для повышения дисперсности могут применять микрокремнезем в количестве 2 % от массы отходов промышленности. Дополнительно к железноокислому пигменту черного цвета могут добавлять железноокислый пигмент зеленого цвета.

Способ получения архитектурного бетона включает активацию вяжущего щелочным активатором для образования искусственного камня (в качестве активатора вяжущего, может применяться водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃, жидкое натриевое стекло, также их смесь) с окрашиванием бетонной смеси пигментом черного цвета. Жидкие компоненты активатора смешивают с водой для бетонов и строительных растворов. Кварцевый песок и крупный заполнитель смешивают с вяжущим и пигментом в течение 30-60 с, далее в смеситель вливают смесь активатора с водой и перемешивают до гомогенной смеси заданной подвижности. Из готовой смеси производятся изделия. Архитектурный бетон отверждается до прочности 40-50 МПа.

Пример 1 (состав № 1 табл. 1)

Архитектурный бетон, полученный из смеси, содержащей кварцевый песок, черный щебень фракции 2-5 мм или 5-20 мм, вяжущее (зола-уноса ТЭЦ), активатор вяжущего (смесь 30%-ного водного раствора карбоната натрия Na₂CО₃ и жидкого натриевого стекла с силикатным модулем 2,0-2,5 в соотношении раствор карбоната натрия Na₂CО₃:жидкое натриевое стекло 2:1 или 3:2 соответственно) и железноокислый пигмент черного цвета, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварцевый песок 29,01 черный щебень 36,51 вяжущее (зола-уноса ТЭЦ) 24,34 активатор вяжущего (смесь 30%-ного водного раствора карбоната натрия Na₂CО₃ и жидкого натриевого стекла) 9,33 железноокислый пигмент черного цвета 0,81

Вода содержится в активаторе вяжущего до требуемого водовяжущего соотношения.

Пример 2 (состав № 2 табл. 1)

Архитектурный бетон, полученный из смеси, содержащей кварцевый песок, черный щебень фракции 2-5 мм или 5-20 мм, вяжущее (зола-уноса ТЭЦ), активатор вяжущего (30%-ный водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃), железноокислый пигмент черного цвета и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварцевый песок 28,96 черный щебень 36,45 вяжущее (зола-уноса ТЭЦ) 24,30 активатор вяжущего (30%-ный водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃) 6,08 железноокислый пигмент черного цвета 0,81 вода 3,40

Пример 3 (состав № 1 табл. 1)

Архитектурный бетон, полученный из шлакощелочной смеси, содержащей кварцевый песок, черный щебень фракции 2-5 мм или 5-20 мм, вяжущее (отходы металлургической промышленности в виде молотого гранулированного шлака), активатор вяжущего (смесь 30%-ного водного раствора карбоната натрия Na₂CО₃ и жидкого натриевого стекла с силикатным модулем 2,0-2,5 в соотношении раствор карбоната натрия Na₂CО₃ : жидкое натриевое стекло 2:1 или 3:2 соответственно) и железноокислый пигмент черного цвета, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварцевый песок 29,01 черный щебень 36,51 вяжущее (отходы металлургической промышленности в виде молотого гранулированного шлака) 24,34 активатор вяжущего (смесь 30%-ного водного раствора карбоната натрия Na₂CО₃ и жидкого натриевого стекла 9,33 железноокислый пигмент черного цвета 0,81

Вода содержится в активаторе отходов промышленности до требуемого В/Ц соотношения.

Пример 4 (состав № 2 табл. 1)

Архитектурный бетон, полученный из шлакощелочной смеси, содержащей кварцевый песок, черный щебень фракции 2-5 мм или 5-20 мм, вяжущее (отходы металлургической промышленности в виде молотого гранулированного шлака), активатор вяжущего (30%-ный водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃), железноокислый пигмент черного цвета и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварцевый песок 28,96 черный щебень 36,45 вяжущее (отходы металлургической промышленности в виде молотого гранулированного шлака) 24,30 активатор вяжущего (30%-ный водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃) 6,08 железноокислый пигмент черного цвета 0,81 вода 3,40

Пример 5 (состав № 1 табл. 1)

Архитектурный бетон, полученный из шлакощелочной смеси, содержащей кварцевый песок, черный щебень фракции 2-5 мм или 5-20 мм, вяжущее (смесь золы-уноса и молотого гранулированного шлака), активатор вяжущего (смесь 30%-ного водного раствора карбоната натрия Na₂CО₃ и жидкого натриевого стекла с силикатным модулем 2,0-2,5 в соотношении раствор карбоната натрия Na₂CО₃ : жидкое натриевое стекло 2:1 или 3:2 соответственно) и железноокислый пигмент черного цвета, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварцевый песок 29,01 черный щебень 36,51 вяжущее (смесь золы-уноса и молотого гранулированного шлака) 24,34 активатор вяжущего (смесь 30%-ного водного раствора карбоната натрия Na₂CО₃ и жидкого натриевого стекла 9,33 железноокислый пигмент черного цвета 0,81

Вода содержится в активаторе отходов промышленности до требуемого В/Ц соотношения.

Пример 6 (состав № 2 табл. 1)

Архитектурный бетон, полученный из шлакощелочной смеси, содержащей кварцевый песок, черный щебень фракции 2-5 мм или 5-20 мм, вяжущее (смесь золы-уноса и молотого гранулированного шлака), активатор вяжущего (30%-ный водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃), железноокислый пигмент черного цвета и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварцевый песок 28,96 черный щебень 36,45 вяжущее (смесь золы-уноса и молотого гранулированного шлака) 24,30 активатор вяжущего (30%-ный водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃) 6,08 железноокислый пигмент черного цвета 0,81 вода 3,40

Пример 7

Тоже самое, что в примерах 1-6, но дополнительно к железноокислому пигменту черного цвета добавляют железноокислый пигмент зеленого цвета для тонирования.

Определение основных физико-механических характеристик архитектурного бетона для всех составов проводят по следующим стандартам: прочность бетона по ГОСТ 10180-2012, среднюю плотность бетона по ГОСТ 12730.1-2020, подвижность бетона по ГОСТ 10181-2014, яркость по отраженному свету.

Результаты исследования физико-механических характеристик составов заявленного архитектурного бетона представлены в табл. 2.

В результате проведенных испытаний получен архитектурный бетон черного цвета с прочностью 44-56 МПа, обладающего подвижностью 19-25 см по конусу (марка П4 до 20 см включительно, марка П5 от 21 см включительно) (ГОСТ 10181-2014). Также результаты испытаний показали, что по сравнению с известным решением заявленное изобретение позволяет получить архитектурный бетон черного цвета, обладающий яркостью 2 % (поглощением 98 %), с низким расходом пигмента (в 2-3 раза ниже по сравнению с цементными бетонами). При этом шлакощелочные бетоны являются стойкими к содержанию мелких частиц в бетонной смеси, благодаря чему возможно увеличение добавления пигментов без снижения прочностных характеристик.

Конкретные примеры осуществления (реализации), приведенные в настоящем описании, никак не ограничивают объем правовой охраны согласно формуле заявленного изобретения. Любые изменения/модификация/замена компонентов заявленной композиции, которые могут быть осуществлены специалистом в данной области техники, подпадают в пределы объема настоящего изобретения.

Таблица 1

  Содержание компонентов в составах, мас.%: Компоненты Предлагаемые составы Прототип   1 2 3 Портландцемент 0 0 24,5 Кварцевый песок 29,01 28,96 28,58 Заполнитель – черный шебень 36,51 36,45 36,75 Вяжущее 24,34 24,30 0 Активатор вяжущего 30%-ный водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃ 0 6,08 0 смесь 30%-ного водного раствора карбоната натрия Na₂CО₃ и жидкого натриевого стекла 9,33 0 0 Поликарбоксилатный пластификатор 0 0 0,37 Пигмент 0,81 0,81 2,45 Вода 0 3,40 7,35

Таблица 2

Показатель Значение показателей Предлагаемые составы Прототип 1 2 3 Средняя плотность, кг/м³ 2400 2410 2380 Прочности при сжатии, МПа, 28 сут 50 44 52 Подвижность бетонной смеси, см 25 19 23 Яркость цвета, % 2 2 2

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к декоративному бетону, и может быть использовано в изготовлении архитектурных бетонов («арх-бетонов») для производства мелкоштучных изделий любой формы, которые применяют в декоративных целях. Архитектурный бетон получают из смеси, содержащей, мас.%: кварцевый песок 28,96-29,15, черный щебень фракции 2-5 мм или фракции 5-20 мм 36,45-36,67, вяжущее - отходы промышленности 24,3-24,45, щелочной активатор вяжущего 6,08-9,33, железноокислый пигмент черного цвета 0,81, вода - остальное. Технический результат – получение архитектурного бетона черного цвета, обладающего глубиной цвета в 2% отраженного света, с низким расходом пигмента, утилизация отходов промышленности. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 7 пр.

1. Архитектурный бетон, полученный из смеси, содержащей кварцевый песок, заполнитель, вяжущее, пигмент и воду, отличающийся тем, что в качестве вяжущего применяют отходы промышленности и щелочной активатор вяжущего, в качестве заполнителя применяют черный щебень фракции 2-5 мм или фракции 5-20 мм, а в качестве пигмента - железноокислый пигмент черного цвета при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварцевый песок 28,96-29,15 указанный заполнитель 36,45-36,67 вяжущее 24,3-24,45 щелочной активатор вяжущего 6,08-9,33 железноокислый пигмент черного цвета 0,81 вода остальное

2. Архитектурный бетон по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вяжущего применяют золу-унос ТЭЦ или отходы металлургической промышленности в виде молотого гранулированного шлака.

3. Архитектурный бетон по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вяжущего применяют смесь золы-уноса и молотого гранулированного шлака.

4. Архитектурный бетон по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активатора вяжущего применяют 30%-ный водный раствор карбоната натрия Na₂CО₃.

5. Архитектурный бетон по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активатора вяжущего применяют смесь 30%-ного водного раствора карбоната натрия Na₂CО₃ и жидкого натриевого стекла с силикатным модулем 2,0-2,5 в соотношении раствор карбоната натрия Na₂CО₃ : жидкое натриевое стекло 2:1 или 3:2 соответственно.

6. Архитектурный бетон по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно применяют микрокремнезем в количестве 2-5% от массы вяжущего.

7. Архитектурный бетон по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно к железноокислому пигменту черного цвета добавляют железноокислый пигмент зеленого цвета.