Бетонная смесь для конструкционного лёгкого бетона Российский патент 2025 года по МПК C04B28/04 

Изобретение относится к бетонным смесям и высокопрочным конструкционным лёгким бетонам со средней плотностью 1800-2000 кг/м³ (марки по плотности D1800–D2000), с пределом прочности при сжатии выше 60 МПа, что соответствует классам не ниже В55, и с улучшенными деформационными свойствами, характеризующимися значениями начального модуля упругости от 30 до 35 ГПа.

Известны бетонные смеси и лёгкие бетоны с объёмной массой от 1800 до 2000 кг/м³ с пределом прочности при сжатии около 60 МПа, начальным модулем упругости 20-25 ГПа [1, 2]. Особенностью смесей является то, что они производятся с применением легкого крупного заполнителя разного происхождения и тяжёлого песка.

Наиболее близкой к предлагаемому решению является бетонная смесь для получения лёгких бетонов с объёмной массой от 1800 до 2000 кг/м³ с пределом прочности при сжатии от 60 до 70 МПа. При её приготовлении используется портландцемент, органоминеральный модификатор МБ10-50С, включающий активную минеральную добавку и суперпластификатор, тяжелый природный или легкий керамзитовый песок и пористый лёгкий крупный заполнитель – керамзитовый гравий [3].

Недостатком этой смеси является то, что при обеспечении прочности бетона при сжатии на уровне 60 –70 МПа, значения начального модуля упругости лёгкого бетона не превышают 28 ГПа.

Техническая проблема состоит в получении бетонной смеси, обеспечивающей, при твердении бетона достижение значений более высокого начального модуля упругости и предела прочности при сжатии.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в обеспечении при твердении бетона в нормальных условиях к 28 суткам начального модуля упругости бетона выше 30 ГПа, предела прочности при сжатии – от 60 до 85 МПа, при средней плотности лёгкого бетона 1800–2000 кг/м³.

Указанный технический результат достигается тем, что бетонная смесь, содержащая портландцемент, песок фракции до 5 мм в качестве мелкого заполнителя, легкий крупный заполнитель из пористого материала фракции от 5 мм, по меньшей мере одну модифицирующую добавку и воду, согласно изобретению содержит в качестве легкого крупного заполнителя – щебень и/или гравий из пористого материала фракции 5-10 мм насыпной плотностью 250-950 кг/м³ и дополнительно содержит тяжелый крупный заполнитель – щебень и/или гравий из плотных пород фракции 5-10 мм или 5-20 мм истинной плотностью 2600-2750 кг/м³, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

портландцемент 24,0 – 33,0 указанный песок 28,0 – 40,0 указанный тяжелый крупный заполнитель 5,0 – 38,0 указанный легкий крупный заполнитель 7,0 – 25,0 по меньшей мере одна модифицирующая добавка 0,2 – 9,0 вода остальное

В частных случаях бетонная смесь в качестве по меньшей мере одной модифицирующей добавки может содержать:

- пластифицирующую добавку, в качество которой смесь может содержать суперпластификатор на основе полинафталинсульфонатов или суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров, или

- сочетание пластифицирующей добавки по меньшей мере с одной минеральной добавкой, в качестве которой смесь может содержать микрокремнезем, или золу-унос, или доменный граншлак, или

- сочетание пластифицирующей добавки с органоминеральным модификатором типа МБ, содержащим пластифицирующую и минеральную добавки, или

- органоминеральный модификатор типа МБ, содержащий пластифицирующую и минеральную добавки.

Ниже приведены примеры использованных материалов, приготовления бетонных смесей и образцов для испытания, методы и результаты испытаний. В таблице 1 приведены примеры бетонных смесей, в таблице 2 – характеристики полученного бетона (см. в графической части).

1.Материалы для приготовления бетонных смесей

1.1. Цемент:

- портландцемент марки ЦЕМ I 52,5 (ГОСТ 31108-2020);

1.2. Мелкий заполнитель тяжёлый:

- песок природный истинной плотностью 2600 кг/м³ фракций до 5 мм, соответствующий ГОСТ 8736-2014;

- песок природный для строительных работ истинной плотностью 2750 кг/м³ фракций до 5 мм, соответствующий ГОСТ 8736-2014;

- песок пористый фракций до 5 мм, соответствующий ГОСТ 32496-2013.

1.3. Крупный заполнитель тяжёлый из плотных пород:

- щебень гранитный из плотной породы с истинной плотностью 2750 кг/м³ фракции 5-10 или 5-20 мм, соответствующий ГОСТ 8267-96;

- гравий из плотных пород с истинной плотностью 2600 кг/м³ фракции 5-10 или 5-20 мм, соответствующий ГОСТ 8267-96, полученный рассевом песчано-гравийной смеси.

1.4. Крупный заполнитель лёгкий из пористых материалов:

- гравий керамзитовый насыпной плотностью 250 кг/м³ (марка по насыпной плотности М250), прочностью при сжатии 0,60 МПа (марка по прочности П35), соответствующий ГОСТ 32496-2013; производитель ЗАО «Керамзит»;

- гравий керамзитовый насыпной плотностью 450 кг/м³ (марка по насыпной плотности М500), прочностью при сжатии 2, 45 МПа (марка по прочности П100), соответствующий ГОСТ 32496-2013; производитель ООО «Алексинский керамзитовый завод»;

- гравий керамзитовый насыпной плотностью 720 кг/м³ (марка по насыпной плотности М800), прочностью при сжатии 4,10 МПа (марка по прочности П150), соответствующий ГОСТ 32496-2013; производитель ООО «Винзилинский завод керамзитового гравия»;

- щебень из туфа насыпной плотностью 950 кг/м³ (марка по насыпной плотности М1000), прочностью при сжатии 2,38 МПа (марка по прочности П200), соответствующий ГОСТ 22263-76; месторождение «Святогорское» Хабаровский край).

1.5. Добавки минеральные, активные по ГОСТ Р 56196-2014 :

- микрокремнезём конденсированный марки МКУ-85 (ГОСТ Р 58894-2020 и ТУ 24.10.12-005605757665-2021); производитель – АО «Новолипецкий металлургический комбинат»;

- зола уноса, кислая (ГОСТ 25818-2017); производитель – АО «Черепецкая ГРЭС»;

- доменный гранулированный шлак (ГОСТ 3476-2019 и ТУ 38.32.22-012-99126491-2017); производитель – АО «Мечел».

1.6. Добавки органические, пластифицирующие по ГОСТ 24211-2008 :

- суперпластификатор СП-1 на основе полинафталинсульфонатов (ГОСТ 24211-2008 и ТУ 5870-005-58042865-2005) в виде водного раствора 30 %-ной концентрации ; производитель - ООО «Полипласт»;

- суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров (ГОСТ 24211-2008 и ТУ 5745-033-58042865-2016 с изм. №1) в виде водного раствора 30 %-ной концентрации; производитель – ООО «Полипласт».

1.7. Добавки органоминеральные, модификаторы типа МБ по ГОСТ Р 56178-2014 :

- модификаторы марки МБ 2-30С А-I-4, МБ 10-50С А-II-2, МБ 10-01 А-I-2 (ГОСТ 56178-2014 и ТУ 5743-083-4685090-98); ЭМБЭЛИТ 8-100 Б-II-3 (ТУ 5870-176-46854090-04); производитель – ООО «Предприятие Мастер Бетон».

1. Приготовление бетонных смесей и образцов бетона для испытаний.

Бетонные смеси готовили в смесителе принудительного действия с объёмом каждого замеса (суммарным объёмом всех компонентов бетона) – 0,03 м³.

В качестве контрольного образца бетонной смеси выбран образец, приготовленный по составу-прототипу [3], остальные (основные) образцы приготовлены по составам, соответствующим предлагаемому техническому решению. Дозировки мелкого и крупных заполнителей, минеральных и органоминеральных добавок приведены из расчёта на сухие (относительная влажность 0%) материалы. Дозировки органических добавок – суперпластификаторов приведены по твёрдому остатку (сухому продукту).

Компоненты бетонных смесей загружались в смеситель в следующей последовательности:

- 2/3 расчетной воды затворения;

- цемент и модифицирующие добавки с перемешиванием 20 сек;

- смесь крупного и мелкого заполнителей с перемешиванием 30 сек;

- 1/3 расчетной воды затворения с перемешиванием 40 сек.

Из каждого замеса бетонной смеси приготовлены образцы бетона, в том числе: кубы размером 100×100×100 мм – для определения предела прочности при сжатии (R) – и призмы 100×100×400 мм – для определения начального модуля упругости (E_b). Образцы твердели в нормальных температурно-влажностных условиях (относительная влажность 95…100 %, температура + 18…22 ⁰С)

2. Методы испытаний

Испытания образцов бетонных смесей и бетонов проводили по стандартизированным методикам: свойства бетонных смесей (подвижность, плотность) – в соответствии с ГОСТ 10181-2014 , предел прочности бетонов при сжатии – по ГОСТ 10180-2012, плотность бетонов – по ГОСТ 12730.1-2020, начальный модуль упругости бетонов – по ГОСТ 24452-80.

Возраст бетонов в момент испытаний по определению прочности (R) – 28 сут, в момент испытаний по определению начального модуля упругости (E_b) – 28 сут.

3. Результаты испытаний

В таблице 1 приведены составы бетонных смесей, приготовленных с использованием выбранных материалов. Дозировки компонентов бетонных смесей приведены по массе (кг/м³), объёму (л/м³) и массовым процентам (мас.%).

Образцы смесей №№ 1–4, приготовленные по составам, соответствующим прототипу [3], так же как образцы смесей №№ 5 – 39, приготовленные согласно предлагаемому техническому решению с использованием смеси тяжёлого и лёгкого крупных заполнителей при разном их соотношении и дозировках, имели подвижность по осадке конуса от 3 до 26 см, а по расплыву конуса – от 55 до 70 см.

Значения подвижности смесей по расплыву и осадке конуса (РК/ОК) и свойств бетонов – плотности (D), предела прочности при сжатии (R) и начального модуля упругости (E_b) в возрасте 28 суток приведены в таблице 2.

Как видно из результатов, в отличие от прототипа, совмещение крупных заполнителей (щебня или гравия) разной плотности позволяет, при определённом диапазоне дозировок компонентов бетонных смесей, решить поставленную техническую задачу. Пороги дозировок, при которых задача достижения значения начального модуля упругости на уровне не ниже 30 ГПа при пределе прочности не ниже 60 МПа и средней плотности 1800 – 2000 кг/м³ не решается, приведены в составах образцов №№ 12, 13, 29, 30, 36, 37, 38.

4. Выводы.

Получен высокопрочный лёгкий бетон с пределом прочности при сжатии 60 –85 МПа, начальным модулем упругости 30 – 35 ГПа при средней плотности 1900 – 2000 кг/м³. В основе технического решения – совместное использование крупных заполнителей фракции 5-10 или 5-20 мм из тяжёлых плотных пород и фракции 5-10 мм из лёгких пористых материалов.

Оптимизация баланса между тяжёлым и лёгким крупными заполнителями по массе и объёму с учётом различия заполнителей по плотности и прочности позволяет управлять характеристиками лёгкого бетона – модулем упругости и прочностью.

Предлагаемое соотношение компонентов бетонной смеси позволяет повысить модуль упругости до 30–35 ГПа, обеспечивая высокую прочность лёгких бетонов марок по плотности D1800 – D2000 кг/м³.

В предлагаемых составах бетонных смесей в качестве легкого крупного заполнителя может использоваться керамзитовый гравий или щебень из туфа фракций от 5 до 20 мм, а в качестве добавок – пластификаторы или сочетание пластификаторов с активными минеральными добавками или органоминеральные модификаторы типа «МБ».

Источники информации:

1. Guide for Structural Lightweit-Aggregate Concrete. Reported by ACI Committee 213 // ACI 213R-03

2. Wilson H. S., Malhotra V. M.  Development of high strength lightweight concrete for structural applications. // lnternational Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete. Volume 10, Number 2, May 1988, pp. 79-90; 

3. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Селютин Н.М. «Самоуплотняющийся высокопрочный керамзитобетон классов В50-В65 — новое поколение легких бетонов для конструкций высотных зданий», «Строительные материалы», стр.42-50, №4, 2023 г.

Изобретение относится к бетонным смесям и высокопрочным конструкционным лёгким бетонам. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в обеспечении при твердении бетона в нормальных условиях к 28 суткам начального модуля упругости бетона выше 30 ГПа, предела прочности при сжатии – от 60 до 85 МПа, при средней плотности лёгкого бетона 1800-2000 кг/м³. Бетонная смесь содержит портландцемент, песок фракции до 5 мм в качестве мелкого заполнителя, легкий крупный заполнитель из пористого материала фракции от 5 мм, по меньшей мере одну модифицирующую добавку и воду. Смесь содержит в качестве легкого крупного заполнителя щебень и/или гравий из пористого материала фракции 5-10 мм насыпной плотностью 250-950 кг/м³ и дополнительно содержит тяжелый крупный заполнитель – щебень и/или гравий фракции 5-10 мм или 5-20 мм из плотных пород истинной плотностью 2600-2750 кг/м³, при определенном соотношении компонентов. 6 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Бетонная смесь, содержащая портландцемент, песок фракции до 5 мм в качестве мелкого заполнителя, легкий крупный заполнитель из пористого материала фракции от 5 мм, по меньшей мере одну модифицирующую добавку и воду, характеризующаяся тем, что содержит в качестве легкого крупного заполнителя щебень и/или гравий из пористого материала фракции 5-10 мм насыпной плотностью 250-950 кг/м³ и дополнительно содержит тяжелый крупный заполнитель – щебень и/или гравий фракции 5-10 мм или 5-20 мм из плотных пород истинной плотностью 2600-2750 кг/м³, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

портландцемент 24,0-33,0 указанный песок 28,0-40,0 указанный тяжелый крупный заполнитель 5,0-38,0 указанный легкий крупный заполнитель 7,0-25,0 по меньшей мере одна модифицирующая добавка 0,2-9,0 вода остальное

2. Бетонная смесь по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве по меньшей мере одной модифицирующей добавки содержит пластифицирующую добавку.

3. Бетонная смесь по п. 2, характеризующаяся тем, что в качестве пластифицирующей добавки содержит суперпластификатор на основе полинафталинсульфонатов или суперпластификатор на основе модифицированных поликарбоксилатных эфиров.

4. Бетонная смесь по п. 1, характеризующаяся тем, что в качестве по меньшей мере одной модифицирующей добавки она содержит сочетание пластифицирующей добавки по меньшей мере с одной минеральной добавкой.

5. Бетонная смесь по п. 4, характеризующаяся тем, что в качестве по меньшей мере одной минеральной добавки она содержит микрокремнезем, или золу-унос, или доменный граншлак.

6. Бетонная смесь по п. 1, характеризующаяся тем, что в качестве по меньшей мере одной модифицирующей добавки содержит сочетание пластифицирующей добавки с органоминеральным модификатором типа МБ, содержащим пластифицирующую и минеральную добавки.

7. Бетонная смесь по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве по меньшей мере одной модифицирующей добавки содержит органоминеральный модификатор типа МБ, содержащий пластифицирующую и минеральную добавки.