Бетонная смесь и способ ее приготовления Российский патент 2024 года по МПК C04B28/04 C04B111/20 B28C5/48 B03B9/04 

Группа изобретений относится к строительству и может быть использована при торкрет-бетонировании.

Известна бетонная смесь, в состав которой входят портландцемент, щебень или гравий, песок строительный, суперпластификатор на нафталин-формальдегидной основе, аморфный наномодифицированный диоксид кремния, наномодифицированные трепел или опока, нитрат натрия, смола древесная омыленная или смола нейтрализованная воздухововлекающая и вода (см. патент РФ № 2771650, 2022 г.).

Недостатком известной бетонной смеси является наличие тяжелого заполнителя, что затрудняет бетонирование вертикальных конструкций.

Известна мелкозернистая бетонная смесь, в состав которой входят портландцемент бездобавочный с активностью 33-41 МПа и с показателем нормальной густоты цементного теста не более 26%, кварцевый песок с модулем крупности не менее 1,4, микрокальцит с содержанием карбоната кальция СаСО₃ не менее 97%, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира и вода (см. патент РФ № 2649996, 2018 г.).

Недостатком данной бетонной смеси является низкая адгезия, а также медленное схватывание, что затрудняет ее применение в качестве ремонтного материала.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) принята бетонная смесь, в состав которой входят портландцемент 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 «Melflux 5581 F» 0,3 и вода (см. патент РФ № 2778123, 2022 г.).

К недостаткам прототипа можно отнести высокую себестоимость и значительную экологическую нагрузку при производстве компонентов бетонной смеси.

Проблемой, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является повышение эксплуатационной надежности бетонных конструкций при торкрет-бетонировании.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной проблемы, выражается в получении торкрет-бетона с высокими физико-механическими свойствами и эксплуатационными характеристиками, способствующего улучшению экологической обстановки за счет использования в составе бетонной смеси техногенных отходов.

Поставленная проблема решается тем, что бетонная смесь, содержащая вяжущее - портландцемент на основе портландцементного клинкера и двуводного гипса, мелкий заполнитель, поликарбоксилатный пластификатор и воду отличается тем, что вяжущее дополнительно содержит минеральную добавку - золошлаковую смесь, обогащенную посредством флотации с последующей магнитной сепарацией, в качестве мелкого заполнителя используют полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7, в качестве поликарбоксилатного пластификатора - поликарбоксилатный суперпластификатор, кроме того, бетонная смесь дополнительно содержит ускоритель твердения при следующем соотношении компонентов, кг на 1 м³ бетонной смеси:

портландцементный клинкер 292,5-450;

двуводный гипс 14,6-22,5;

обогащенная золошлаковая смесь 0-157,5;

полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7 1350;

поликарбоксилатный суперпластификатор 1,125-3,375;

ускоритель твердения 2,25;

вода 135-180.

Поставленная проблема решается тем, что способ приготовления бетонной смеси, в состав которой входят вяжущее - портландцемент на основе портландцементного клинкера и двуводного гипса, мелкий заполнитель, поликарбоксилатный пластификатор и вода, включающий дозировку указанных компонентов и их перемешивание с водой отличается тем, что вяжущее дополнительно содержит минеральную добавку - обогащенную золошлаковую смесь, в качестве мелкого заполнителя используют полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7, в качестве поликарбоксилатного пластификатора - поликарбоксилатный суперпластификатор, кроме того, бетонная смесь дополнительно содержит ускоритель твердения, при этом предварительно осуществляют подготовку - обогащение золошлаковой смеси посредством флотации с последующей магнитной сепарацией и совместное измельчение в вибрационной мельнице портландцементного клинкера, двуводного гипса и указанной золошлаковой смеси до удельной поверхности 450 м²/кг, к полученной смеси добавляют полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7, поликарбоксилатный суперпластификатор, ускоритель твердения и воду и перемешивают до получения однородной массы при следующем соотношении компонентов, кг на 1 м³ бетонной смеси:

портландцементный клинкер 292,5-450;

двуводный гипс 14,6-22,5;

обогащенная золошлаковая смесь 0-157,5;

полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7 1350;

поликарбоксилатный суперпластификатор 1,125-3,375;

ускоритель твердения 2,25;

вода 135-180.

Кроме того, золошлаковую смесь обогащают посредством флотации, проводимой при интенсивности перемешивания 1700 об/мин в течение 7 минут, с последующей магнитной сепарацией, осуществляемой при магнитной индукции 0,5 Тл.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемой группы изобретений с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о ее соответствии критерию «новизна».

Отличительные признаки формулы бетонной смеси решают следующие функциональные задачи.

Признак, указывающий на применение портландцементного клинкера, позволяет снизить затраты путем отказа от традиционно применяющегося портландцемента без ухудшения качества получаемого торкрет-бетона.

Признак, указывающий на применение обогащенной золошлаковой смеси, позволяет управлять структурообразованием торкрет-бетона, повышая весь комплекс физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик; при этом происходит утилизация техногенных отходов.

Признак, указывающий на применение полифракционного отсева дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7, позволяет на основе закона сродства структур создать внутреннюю устойчивую связь, призванную обеспечить хорошую адгезию торкрет-бетонного слоя к бетонируемой конструкции, при этом полифракционность гранулометрического состава обеспечивает наилучшую плотность упаковки бетонной смеси.

Признак, указывающий на применение поликарбоксилатного суперпластификатора, позволяет обеспечить необходимую удобоукладываемость смеси, что значительно повышает возможности торкрет-бетонирования, в том числе подземных сооружений.

Признак, указывающий на применение двуводного гипса, позволяет эффективно регулировать процесс схватывания бетонной смеси.

Признак, указывающий на применение ускорителя твердения, позволяет обеспечить необходимую скорость схватывания смеси, не допуская ее сползания со стены.

Признак, описывающий подбор компонентов, позволяет управлять структурообразованием, повышая физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики торкрет-бетона, а также снижая стоимость конечной продукции с одновременным улучшением экологической обстановки за счет использования в составе бетонной смеси техногенных отходов.

Признак, описывающий соотношение компонентов, направлен на оптимизацию состава бетонной смеси.

Отличительные признаки формулы способа приготовления бетонной смеси решают следующие функциональные задачи.

Признак, указывающий что золошлаковую смесь обогащают посредством флотации с последующей магнитной сепарацией, а также признак зависимого пункта формулы позволяют очистить золошлаковую смесь от неактивных компонентов.

Признак, указывающий что портландцементный клинкер, золошлаковую смесь, обогащенную посредством флотации с последующей магнитной сепарацией, и двуводный гипс совместно измельчают в вибрационной мельнице до удельной поверхности 450 м²/кг, позволяет интенсифицировать процессы гидратации клинкерных минералов, создавая более плотную упаковку новообразований и тем самым повышая прочность торкрет-бетона.

Признак, указывающий что к полученной смеси добавляют полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7, поликарбоксилатный суперпластификатор, ускоритель твердения и воду и перемешивают до получения однородной массы, описывает технологию приготовления бетонной смеси.

Более подробная информация о компонентах бетонной смеси приведена в таблице 1.

Таблица 1

Компоненты бетонной смеси

Наименование компонента Назначение в составе бетонной смеси Содержание, кг на 1 м³ смеси Регламентирующий нормативный документ Портландцементный клинкер вяжущее 292,5-450 ГОСТ 34850-2022 Обогащенная золошлаковая смесь минеральная добавка 0-157,5 ГОСТ 25818-2017 Полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7 мелкий заполнитель 1350 ГОСТ 31424-2010 Поликарбоксилатный суперпластификатор пластифицирующий химический модификатор 1,125-3,375 ГОСТ 24211-2008 Двуводный гипс регулирование схватывания 14,6-22,5 ГОСТ 4013-2019 Ускоритель твердения снижение сроков схватывания 2,25 ГОСТ 24211-2008 Вода затворение вяжущего 135-180 ГОСТ 23732-2011

Процесс приготовления бетонной смеси осуществляется на стандартном оборудовании и состоит из следующих этапов:

1. Обогащают золошлаковую смесь, для чего удаляют из нее частицы недожженного угля с помощью флотации, проводимой при интенсивности перемешивания 1700 об/мин в течение 7 минут, и затем совместно удаляют железосодержащие частицы и разные инородные примеси с помощью магнитной сепарации, осуществляемой при магнитной индукции 0,5 Тл.

2. Портландцементный клинкер, обогащенную золошлаковую смесь и двуводный гипс совместно измельчают в вибрационной мельнице до удельной поверхности 450 м²/кг.

3. К полученной смеси добавляют полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7, поликарбоксилатный суперпластификатор, ускоритель твердения и воду и перемешивают при скорости вращения барабана 28 об/мин в течение 10 минут, что позволяет получить гомогенную смесь.

Трехэтапное приготовление бетонной смеси способствует регулированию структурообразования и гомогенизации многокомпонентной системы, а также позволяет снизить энерго- и ресурсоемкость производства.

Физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики бетонов, полученных из бетонных смесей различного состава, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Физико-механические свойства и

эксплуатационные характеристики бетонов

№ п/п Компоненты бетонной смеси, кг на 1 м³ Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при изгибе, МПа Адгезия к бетону, МПа Марка по водонепроницаемости Портландцементный клинкер Обогащенная золошлаковая смесь Двуводный гипс Ускоритель твердения Поликарбоксилатный суперпластификатор Полифракционный отсев дробления гранитного щебня Вода Торкрет-бетон
пример 1 450 0 22,5 2,25 1,125 1350 135 76,7 9,4 2,9 W8 Торкрет-бетон
пример 2 382,5 67,5 19,1 2,25 1,125 1350 157,5 82,3 10,8 3,5 W10 Торкрет-бетон
пример 3 337,5 112,5 16,9 2,25 2,25 1350 157,5 84,5 11,2 4,4 W12 Торкрет-бетон
пример 4 292,5 157,5 14,6 2,25 3,375 1350 180 90,1 10,5 4,0 W16 Прототип, 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 66,7-72,1 8,2-8,7 1,5 W6

Таким образом, заявляемая бетонная смесь имеет следующие преимущества по сравнению с известными:

- повышены прочностные характеристики на 15-25% и адгезия к бетону в 1,9-2,7 раза;

- достигаются стабильно высокие характеристики водонепроницаемости (марка W16);

- экономический и экологический эффект достигается за счет снижения расхода традиционно применяющегося товарного портландцемента путем замены его до 45 мас. % наполнителем техногенного происхождения без ухудшения качества бетона.

Группа изобретений относится к строительству и может быть использована при торкрет-бетонировании. Бетонная смесь содержит вяжущее - портландцемент на основе портландцементного клинкера и двуводного гипса, мелкий заполнитель, поликарбоксилатный пластификатор и воду. При этом вяжущее дополнительно содержит минеральную добавку - золошлаковую смесь, обогащенную посредством флотации с последующей магнитной сепарацией. А в качестве мелкого заполнителя используют полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7. В качестве поликарбоксилатного пластификатора - поликарбоксилатный суперпластификатор. Кроме того, бетонная смесь дополнительно содержит ускоритель твердения при следующем соотношении компонентов, кг на 1 м³ бетонной смеси: портландцементный клинкер 292,5-450; двуводный гипс 14,6-22,5; обогащенная золошлаковая смесь 0-157,5; полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7 1350; поликарбоксилатный суперпластификатор 1,125-3,375; ускоритель твердения 2,25; вода 135-180. Изобретение позволяет получить торкрет-бетон с высокими физико-механическими свойствами и эксплуатационными характеристиками, способствующий улучшению экологической обстановки за счет использования в составе бетонной смеси техногенных отходов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Бетонная смесь, содержащая вяжущее - портландцемент на основе портландцементного клинкера и двуводного гипса, мелкий заполнитель, поликарбоксилатный пластификатор и воду, отличающаяся тем, что вяжущее дополнительно содержит минеральную добавку - золошлаковую смесь, обогащенную посредством флотации с последующей магнитной сепарацией, в качестве мелкого заполнителя используют полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7, в качестве поликарбоксилатного пластификатора - поликарбоксилатный суперпластификатор, кроме того, бетонная смесь дополнительно содержит ускоритель твердения при следующем соотношении компонентов, кг на 1 м³ бетонной смеси:

портландцементный клинкер 292,5-450 двуводный гипс 14,6-22,5 обогащенная золошлаковая смесь 0-157,5 полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7 1350 поликарбоксилатный суперпластификатор 1,125-3,375 ускоритель твердения 2,25 вода 135-180

2. Способ приготовления бетонной смеси, в состав которой входят вяжущее - портландцемент на основе портландцементного клинкера и двуводного гипса, мелкий заполнитель, поликарбоксилатный пластификатор и вода, включающий дозировку указанных компонентов и их перемешивание с водой, отличающийся тем, что вяжущее дополнительно содержит минеральную добавку - обогащенную золошлаковую смесь, в качестве мелкого заполнителя используют полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7, в качестве поликарбоксилатного пластификатора - поликарбоксилатный суперпластификатор, кроме того, бетонная смесь дополнительно содержит ускоритель твердения, при этом предварительно осуществляют подготовку - обогащение золошлаковой смеси посредством флотации с последующей магнитной сепарацией и совместное измельчение в вибрационной мельнице портландцементного клинкера, двуводного гипса и указанной золошлаковой смеси до удельной поверхности 450 м²/кг, к полученной смеси добавляют полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7, поликарбоксилатный суперпластификатор, ускоритель твердения и воду и перемешивают до получения однородной массы при следующем соотношении компонентов, кг на 1 м³ бетонной смеси:

портландцементный клинкер 292,5-450 двуводный гипс 14,6-22,5 обогащенная золошлаковая смесь 0-157,5 полифракционный отсев дробления гранитного щебня с модулем крупности 2,7 1350 поликарбоксилатный суперпластификатор 1,125-3,375 ускоритель твердения 2,25 вода 135-180

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что золошлаковую смесь обогащают посредством флотации, проводимой при интенсивности перемешивания 1700 об/мин в течение 7 минут, с последующей магнитной сепарацией, осуществляемой при магнитной индукции 0,5 Тл.