Бетонная смесь

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

С?

Cll

М ф;омитет Российской Федерация по патентам и товарным ананасам

Ф (21) 5064389/33 (22) 04.08.92 (46) 15.12.93 Бюл. hh 45-46 (76) Свиридов Николай.Васильевич: Коваленко Михаил Григорьевич; Чесноков Владимир Михайлович;

Чеков Андрей Николаевич; Строке Леонид Викторовйч (54) 6ЕТОННАЯ СМЕСЬ (57) Использование: строительные материалы, в частности особо прочные цементные бетоны для использования в железобетонных конструкциях, воспринимающих механические нагрузки высокой интенсивности статического и динамического характера. Сущность изобретения: бетонная смесь (в) RU (и) 2004515 Cl (5Ц 5 С 04 В Z8 04 содержит песок с показателем дробимости 5—

30%, крупный заполнитель — щебень фракций 5—

10 мм или 5 — 10 и 1.0 — 20 мм в соотношении 30—

50 и 50 — 70% соответственно с показателем дробимости 4 -8% и цемент в соотношении по объему (t,00 — 14): (2,00 — 3,00): 1, количество воды затворения содержится в соответствии с формулой, учитывающей проектную прочность бетона, активность цемента, коэффициент, учитывающий удобоукладываемость смеси, коэффициенты, учитывающие прочность заполнителей, определяемую по показателю дробимости, а. количество суперпластификатора равно 0,5 — 1,6% от массы цемента. 1 ил, 9 ил.

2004515 :-.;с бра"„с ие относится к строительным . . -;opèалвм, в частности к особо прочным

i.,ем .и ным бегонам (классов В105-8135), и

:; ".,. ээначено для использования в желе""0": :-.;;".ных конструкциях, воспринимаюгци;; механические нагрузки высокой ингенсивности статического и динамиче-. ского характера, воздействия сурового климата, высокого гидростатического давления и др. воздействий.

Известны (аналоги) составы цементных бетоноо про чностью свыше 100 МПа и техк-.со-ия и::; получения. Приводятся сведения о, е1онах прочностью до 110 МПа. Они ь;.л .:.,аюг пор;ландцемент марки М700(685

i:.ã/*.ã I, аэгльтовый щебень, речной песок, плести:. ицирующую добавку ССБ. Водоцементное о-.ношение 0,26, а.жесткость смеси

240 с. Смесь уплотнялась с пригрузом, -1е,::;статок этого технического реше:: - ак.,-.г1 е-:.ся в том, что бетонная смесь ,--..:: r. oî- la жесткой и практическое ис— о:;.:.о -: н .-; ее для изготовления бетонных

: . х л =:-:. ж-.онных изделий нереально. Кро;1е -,o o, воспроизводство составов смеси для гч1лучения прочности бетона свыше 100

МПз не ..озможно из-за отсутствия количественных характеристик механических свойств компонентов, составляющих бетонí;."io ñã 1ось. /оп Kun Walz получен бетон прочностью 123...143 МПа. Смесь включала базальтовый щебень, кварцевый песок, высокопрочный цемент. Бетонная смесь укладывалась в формы в четыре слоя, каждый из которых уплотняется с пригрузом.2 МПа.

Уплотнение повторялось через 30 мин.

Твердение образцов осуществлялосй в 3 этапа, первые сутки при температуре 5ОС, последующие 6 сут при 10 С, в последующие 35 сут при 20 С. 28 сут от начала изготовления образцы твердели в воде, Эта технология очень сложная. Она не реальна для практики. Кроме того, нет данных для подбора составов бетонных смесей, поэто му даже по описанной выше весьма сложной технологии воспроизвести опыт невозможно.

Приведены сведения о цементном бетоне прочностью l50...160 МПа: перечень компонентов, составляющих бетон, качественная характеристика компонентов, режим твердения бетона, основные принципы технологии получения бетона, Бетонная смесь включает вяжущее. состоящее иэ высокопрочного и быстротвердеющего портландцемента и кварцевой муки., заполнители из высокопрочных кварцевых и кремнесодержащих породмаксималь . л крупностью 8 мм, суперпластификвтор.

Твердение смеси осуществляют в автоклаве по следующему режиму: выдержка при температуре

15...200 С вЂ” 8.„10 ч; подъем температуры до 60 С со скоростью 0,7 С/мин — 1,0...1,2 ч; выдержка при температуре 60ОС и давлении в автоклаве

0,1...0,2 МПа (1-й этап) — 5...8 ч; подъем температуры до l80. 200 С и давления до 1,0 МПа . — 4...6 ч; выдержка при температуре 180...200 С и давлении до 1,0 Mila — l5 ч; выдерживание образцов после

15 автоклавной обработки при температуре около 20 С и относительной влажности 1007, — 7 сут.

Указанный способ имеет следующие недостатки:

20 — технология исключительно энергоемкая, длительная и дорогостоящая; — составы смесей и требования к ее компонентам не приводятся, что исключает возможность воспроизводства технологии и

25 получение указанных прочностей бетона.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату, т.е, прототипом, является бетонная смесь, описанная в статье Гофри К. Й ней описываются ре30 зультаты подбора составов цементного бетона прочностью 135 МПа и опыт промышленного применения его. В работе излагается качественное отличие компонентов и состава такого бетона от бетонных

35 смесей рядовых классов бетона. Оно состоит в следующем: — применено рекордно низкое водоцементное отношение для подвижных бетонных смесей — 0,22;

40 — использован самый прочный цемент из серийно выпускаемых в США; — в смесь вводился суперпластификатор, наиболее сильно действующий из существующих;

45 " — применены очень прочные заполнители, полученные дроблением окатанного гравия ледникового происхождения; — s бетонную смесь вводили тонкодисперсную кремнеземистую добавку; — найдено оптимальное отношение между компонентами бетонной смеси.

Рассматриваемый прототип имеет следующие недостатки: — не приводятся критерии выбора мате55 риалов, пригодных для указанного выше бетона, поэтому воспроизвести результаты невозможно; — в состав смеси вводят тонкодисперсную силикатную добавку — "крем неэемистая пыль", что безусловно повышает прочность

2004515 бетона, но усложняет технологию приготовления и увеличивает стоимость бетона; — прочность в 135 МПа получена в 56сут, вместо общепринятых 28 сут, прочность в

28-суточном возрасте составляет 120 МПа.

Целью изобретения является повышение прочности и упрощение технологии приготовления бетона сверхвысокой прочности.

Цель достигается тем, что бетонная смесь, включающая портландцемент, мелкий, крупный заполнители, суперпластификатор и воду затворения, содержит мелкий заполнитель (песок) с показателем дробимости не ниже 5...30 и крупный заполнитель — щебень фракции 5...10 мм или 5...10 и

10..;20 мм в соотношении 30 — 50 и 50 — 70 соответственно при следующем соотношении цемента, песка и щебня по обьему:

Чц. Чп. Чц 1,00:(1,00-1,45):(2,00-3.00), (1) при этом количество воды затворения опразделяют по следующей зависимости:

R - Квйв(1-0.0082йц) фА1 Ат Аз, (1) ,в.

К.йц 1-0.008гй„Ц А А2 Аз . в

R где R — проектная прочность бетона, МПа; йц — активность цемента, МПа;

K> — поправочный коэффициент удобо= укладываемости бетонной смеси и равный

1,15 для жесткой смеси. (марки Ж1 и П1) и

1,05 — для литой (марки П4 и П5); †. цементно-водное отношение, приЦ нимаемое от 3,50 до 4,08 в зависимости от марки бетонной смеси до удобокладываемости и крупности песка;

A> — коэффициент, учитывающий фактическую прочность мелкого заполнителя, определяемую по показателю дробимости; он изменяется от 0,92 до 1,10;

А2 — коэффициент, учитывающий фактическую прочность крупного заполнителя; он изменяется от 0,85 до 1вюю;

Аз — коэффициент, учитывающий состОяние поверхности и загрязненность мелкого заполнителя; он изменяется от 0,87 до

1,00 для природного песка и равен 1,00— для дробленого песка, В смесь вводят суперпластификатор в количестве 0,5...1,0 от массы цемента.

Для приготовления бетонной смеси используют следующие материалы:

Портландцементы марок 500 и 600 Белгородского завода, активность которых соответственно йц 49,5 Mlle и йц - 60 МПа.

Мелкий заполнитель- песок природный

Академического месторождения, фракционированный, загрязненность — 0,3,ф, наибольшая дробимость Dpn - 18, А1 - 1.00.

Песок природный Дмитровского месторождения, фракционированный, эагряз10 ненность — 0,3, наибольшая дробимость

Орд - 28$, А) - 0,92.

Модули крупности обоих песков находятся в интервале 2,6-3,2.

К выбору мелкого заполнителя необхо15 димо дать следующие пояснения. В зернах мелкого заполнителя как и крупного возникают концентраторы напряжений при приложении нагрузки к конструкции, В бетонах, средних классов прочность зерен песка, как правило, превышает величины напряжений, возникающие в них, а в бетонах прочностью от 100 МПа и выше напряжения в зернах нередко превышают их прочность.

Для указанных бетонов недостаточно

25 стандартных требований к мелкому заполнителю (ГОСТ 10268). Необходимо иметь еще один показатель — прочность зерен песка.

Установлено, что удовлетворительным показателем прочности зерен песка является их дробимость. Методика испытаний изложена и она близка к методике испытания на дробимость щебня. Отличие состоит в режиме нагружения и критерии оценки при35 годности песка для особо прочного бетона.

В табл.1 приведены прочности песков различных месторождений по фракциям и прочности бетона на них одного и того же состава за исключением месторождения

40 песка. Бетон приготовляли на габбродиабазовом щебне и Белгородском портландцементе активностью 56 МПа. Состав бетонной смеси на 1 м": расход щебня 1380 кг; песка 650 кг; цемента 530 кг; В! Ц = 0,26;

45 суперпластификатор "С-3" 3,8 кг.

Из приведенных выше результатов видно, что прочность зерен песка существенно влияет на формирование прочности бетона.

Эмпирическим путем установлены значе50 ния коэффициента А, которым учитывают влияние показателя дробимости песка на прочность бетона табл.г).

Крупный заполнитель — щебень габбродиабазовый Прионежского месторождения

55 с максимальной дробимостью зерен до 67 и щебень гранодиоритовый Ново-Смолинского месторождения с максимальной дробимостью зерен до 8 ), Загрязненность заполнителей не превышала О,ЗО . Д)) я ()ер2004515

15

30

40

55 ного небня коэффициент А2 =1,00, для BTOрого А2 = 0,90, Существующие стандарты на крупный заполнитель не позволяют выбрать щебень для бетона прочностью свыше 100 МПа, а

-.ем более — 150 МПа.

Б и. l,5 ГОСТ 10268 "Заполнители для тяжелого бетона" для бетона марки 300 и

î : :I: марку щебня рекомендуется прини ..- :; 2 р:.за выше марки бетона. Требова; о;:грагышении прочности щебня над г:рочносгью бетона, приготавливаемого на данном щебне, обусловлено возникновенисм в отдельных зернах щебня напряжений, преоц,шающих напряжение в бетоне в стадии нэгружания., близкой к предельной, Если следовать логике указанного стандарта, то для особо прочность бетона класса Â135, ::.оотве.;-..тву;ощегo по старой классификации марке "1500", требуется щебень марки

"3000, э в стандарте на щебень(ГОСТ 8267) вклк чена ь эксимальнэя марка его — "1400".

Таким образом, при разработке технологии особо прочного бетона встала проблема..oi.к,2рсв-гния прочности крупного заполiiигс. я. =" э проблема решена эксперимен- .

: эл и . - гас ретическим путем. В ыя влено, что оп;ималь -:о прочность щебня должна пре-. вышэть прочность бетона в диапазоне его классов В l05...8150 (марки М120...М150) в i.70 (!à:». При весьма высоких прочностях мелкого заполнителя и цемента, о чем изложено ниже, применим щебень, прочность которого в 1,5 "àçà выше прочности бетона, Указанные интервалы важны, так как месторождений горных пород прочностью свыше

200 МПа недостаточно. Для практической оценки прочности горной породы, переработанной в щебень, установлена его прочность. по дробимости фракций щебня. Для бетона класса В135 она должна находиться в интервале 6„.7 (, а для В105 8...970.

В табл.3 приведены соотношения между прочностью горной породы, дробимостью щебня и прочностью бетона.

Рассматривая приведенные в табл;3 показатели прочности бетона, видно, что существует минимальный показатель прочности щебня, обеспечивающий получение особо прочного бетона, а также есть 50 весьма прочные горные породы (показатель дробимости меньше 5 ), использование которых позволяет несколько снизить требования к другим составным компонентам бетона или получить наивысшую прочность бетона, Эти механические свойства щебня учитываются эмпирическим коэффициентом А2. его значения для различных горных пород, прочность которых определя ется показателем дробимости. приведены в табл.4.

Выбор цементно-водного отношения и количества воды затворения, При одинакоBblx характеристиках других компонентов бетонной смеси прочность бетона зависит от В, которое, в свою очередь, регламентиЦ руется требуемой удобоукладываемостью смеси.

В табл,5 приведены величины — в завиЦ

В симости от удобоукладываемости смеси и крупности песка.

Для рассматриваемых примеров принимают удобоукладываемость бетонной смеси

5-9 см. По указанной таблице выбирают — = 3,92. Выбранную величину — подставЦ Ц

В В ляют в формулу (2) и определяют прочность бетона, которую получат на данных материалах. Если прочность бетона отвечаеттребуемой, то по расходу цемента устанавливают необходимое количество воды затворения.

К Яц(1 — 0.00828ц Ц А1 А2 As аа

00 — 137

Выбор поправочного коэффициента Êi8.

Состав бетонной смеси и будущая структура и свойства бетона в определенной мере определяются требуемой удобоукладываемостью бетонной смеси. Чем онэ выше, тем относительно больше расход воды, цемента и мелкого заполнителя, и тем несколько ниже механические характеристики бетона, Эта особенность смеси учитывается поправочным эмпирическим коэффициентом Кв, которая для крайних значений по величинам удобоукладываемости смеси равна соответственно 1,15 и 1,05 (жесткая — литая смесь).

Для промежуточных значений удобоукладываемости (см. табл.5) принимается по графику (см. чертеж). В рассматриваемых. примерах Kii - 1,10.

Выбор коэффициента Аз. Коэффициент учитывает шероховатость поверхности природного песка и его загрязненность, Шероховатость поверхности определяется экспериментально и характеризуется коэффициентом Кф, Применительно к песку как заполнителю для бетона достаточно двух значений К :, . 1,20 и К g > 1,20. Как правило, для речных песков К < 1.20, а для овражных или горных К > 1,20, 2004515

В табл.б приведены значения коэффициента Аэ.

Для рассматриваемых примеров W =

=1,00.

В табл.7 приведены результаты подбора их "îñòàâîâ бетона из смесей удобоукладываемостью 5...9 см.

Из результатов подбора следует, что из

8 составов отвечают критерию особо прочного бетона 4 состава (R «120 МПа).

Для получения бетона прочностью 150

МПа выбирают материалы с более высокими прочностными характеристиками: — портландцемент М600 активностью йц = 58,5 МПа: — песок природный фракционированный " максимальной дробимостью отдельных фракций 9,0;,ь; — щебень базальтовый, дробимость зерен не превышает 5

-удобоукладываемость бетонной смеси принимают ОК.= 4,0 см.

По табл.2, 4, 5, 6 устанавливают значения коэффициентов и параметров, характеризующих состав бетонной смеси:

К = 1,15 Ц/В =-3,92

А = 1,06

А2 = 1,07

Аз = 1,00, По формуле 2 определяют ожидаемую прочность бетона:

R = 1,15. 58,5(1 — 0,0082 58,5) 3,9 1,06 i,07 х 1,00 == 155 МПа.

Следовательно, на данных материалах достигают получение бетона класса В135.

Обоснование прочностных и деформативных характеристик цементного камня и растворной части как составных компонентов особа прочного бетона.

Теоретическими расчетами и экспериментами установлено, что для гарантированного получения бетона прочностью

120...150 МПа предельная деформативность цементного камня на 20...30;4 должна превышать аналогичную характеристику растворной части, а предельная деформативность растворной части на такую же величину должна превышать предельную деформативность бетона.

Прочность на сжатие ц4ментного камня должна составлять не менее 90; . прочности растворной части, а прочность последней— не менее 807, прочности бетона. В табл.8 приведены механические характеристики цементного камня, растворной части и батона, полученные экспериментально и вычисленные теоретически применительно к составам особо прочного бетона из смесей марок П1...П4 по удобоукладываемости.

Представленные в таблице результате получены на материалах, отвечающих требованиям для особо прочного бетона.

5 Из табл.8 следует, что в определенном интервале прочностных и деформативных характеристик компонентов бетона имеется возможность компенсировать пониженные характеристики одних компонентов за счет

10 более высоких других, что и использовано в приведенных выше примерах, Предлагаемая бетонная смесь для особо прочного бетона на стандартных марках по,зтландцемента позволит получить такие

15 бетоны в производственных условиях. В табл. 9 приведены наиболее характерные составы предлагаемого особо прочного бетона на Белгородском портландцементе марки 550 и габбродиабазовом щебне При20 онежского месторождения.

Ниже приведены основные механические и физические характеристики особо прочного бетона; — кубиковая прочность в воз25 расте 28 суток (R) 120...155 МПа; — приэменная прочность (Rs) (0,80...0,9)R; модуль упругости (Ев} (50...60) 10 МПа;

30 -предельная деформативность продольного сжатия (а в) (2,4...2,8) 10

-з. — границы микротрещинообраэования . -R ñãñ =(0,62...0,78)Re;

-ccrc = (0,82...0,95)йв;

35 — коэффициент Пуассона > 0,19...0,23; масштабный коэффициент (Кгп) 1,00; коэффициент прироста прочности во времени; к году Кт = 1,10...1,20; к 5 годам Kr=- 1,15...1,35; мороэостойкость (Г} более 800 циклов; водонепроницаемость (й ) более 1,2 МПа; коэффициенты вариации (Cv): механических свойств до 50/; фивиисокит своиств до 12 (: — объемная масса (pa} 2,65...2,72 т/м .

Применение особо прочного бетона позволит снизить массу центрально с>катых железобетонных конструкций до 2 раэ, вне50 центренно сжатых до 40...707, „изгибаемых до 257, расход арматуры до 25 ь по сравнению с бетоном классов ВЗО...В40, Кроме того, открываются возможности создавать из особо прочного бетона конструкции и соо55 ружения нового технического уровня. (56} Берг ОЯ., Щербаков Е,Н., Писанко Г.H.

Высокопрочный бетон. М,: Стройиздат, 1971, с. 52„56

2004515

Таблица 1

Vi e3сторо >

Г:.": .

),. е1гие ге с . о у% о ъ

Таблица 2

Таблица 3

l1

Von Kurt VVaIz. Uber die Herstellung von

Re>on посЬМег l=estlnkelt. — Ветоп, 16, lg., ?-i8, 1966, s.s. 320...321.

Tognon G.. Огзе??а P. апб.Coppetti G. Вы?9п and propetis of concrete with strength

, (.: (андарт. б ееок)

1 V:ртышско Академиче ское !

Дмитровское

Яблоновскае

Песок дроб леный из прочного базальта

То же иэ гоанита

over 1500 М9/зт . Journal Amer?can Concrete

Institute, 180, 77, М 3. р.р. 171...178.

Гофри К. Новый рекорд прочности бетона. Гражданское строительство. 1987, N. 10, 5 с. 2...6. Пер. с английского.

Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1250948, кл. 6 01 N 33/38, 1984.

Таблица 4

Таблица 5

Таблица 6

Таблица 7

Таблица 8

2004515

Таблица 9

1(л

Мар бег

Формула изобретения

БЕ1 ОНЙАЯ СМЕСЬ, включающая портлэндцемент, мелкий и крупный заполнители, суперпластификатор и воду затворения, отличающаяся тем, что она содержт мелкий заполнитель - песок с показателем дробимости 5 - ЗО и крупный .0

«заполнитель - щебень фракций 5 - 10 мм. . или 5 - 10 и 10 - 20 мм в процентн6м отнд, шенин ЗО - 50 и 60 - 70 соответственно с

- показателем дробимости.4 - 8 при обьемном соотношении цемента, песка и щебня;:15

1,00: 1,00 - 1,4: 2,00 - 3,00, при этом вода затворения содержится в количестве,. опредляемом по формуле

R - Ks Rq ° (1 - 0,0082 ° Вц) ° Ц / 8

Al А2 АЗ, 20

В = Ks ° Н„° (1-0,0082 Rg Ц А1

Аг - Аз/В, где R - проектная прочность бетона, МПа;

Йц - активность цемента, ЧПа;

К -поправочный коэффициент, учитывающий удобоукладываемость бетонной смеси и равный 1,15 для жесткой смеси и 1,05- для литой;

8 / Ц- водоцементное отношение;

Ц - расход цемента, кгlм ;

А1- 0.92 - 1,10 - коэффициент, учитываю-. щий фактическую прочность песка, определяемую по показателю дробимости;

Az - 0,9 - 1,07 - коэффициент. учитывающий фактическую и рочность щебня, определяемую по показателю дробимости:

Аз -,коэффициент, учитывающий состояwe поверхности и загрязненность мелкого заполнителя, и равный 0,871,00 для природного песка и 1,00 - для дробленого песка, а количество суперпластификатора составляет 0,5--1,0Я, от массы цемента.

2004515

Составитель Ф.Сорина

Техред M.Ìîðãåÿòàë 1(орректор В.Петраш

Редактор В.Трубченко

Тираж . Подписное

НПО "Поиск" Роспатента .

113035, Москва. Ж 35, Раушскаа на6„4/5

Заказ 3376

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101