Бетонная смесь

 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления изделий и конструкций из тяжелого бетона на основе высококальциевой золы-уноса от сжигания бурого угля. Бетонная смесь включает высококальциевую золу-унос, щебень, песок, хлоридсодержащую добавку и воду. Новым является включение в бетонную смесь золы-уноса с содержанием свободного оксида кальция 20-32,2%, песка с содержанием зерен размером менее 0,16 мм 10-18% и растворимого активного кремнезема 4-6,5%, а в качестве хлоридсодержащей добавки - хлорида кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%: высококальциевая зола-унос с содержанием CaO_св 20-32,2 12-16%; щебень 42-52; песок с содержанием зерен менее 0,16 мм 10-18% и растворимого (активного) кремнезема 4-6,5% 26-34; хлорида кальция 0,16-0,24; вода - остальное. Способ приготовления бетонной смеси заключается в предварительной совместной обработке в бетоносмесителе принудительного действия роторного типа золы-уноса, щебня, хлорида кальция и 40-60% воды затворения в течение 180-240 с, последующем введении песка, оставшегося количества воды затворения и дополнительном перемешивании компонентов смеси в течение 50-60 с. 2 табл.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам бетонных смесей на бесклинкерном вяжущем в виде высококальциевой буроугольной золы-унос и способам их приготовления.

Известны бетонные смеси, включающие высококальциевую золу-унос от сжигания бурого угля, заполнитель, хлоридсодержащую добавку и воду [1] [2] Недостатками известных смесей являются пониженная прочность бетона и неравномерность изменения его объема (повышенные деформации расширения) в процессе ускоренного твердения при тепловлажностной обработке.

Наиболее близкой к предлагаемой бетонной смеси по технической сущности и достигаемому результату является бесцементная бетонная смесь, включающая высококальциевую буроугольную золу-унос, щебень, песок, хлоридсодержащую добавку и воду [3] Недостатками известной смеси также являются пониженная прочность, морозостойкость и повышенные деформации расширения бетона, особенно в случаях использования разновидности высококальциевой золы-уноса с особо высоким содержанием свободного оксида кальция, составляющем более 20% Наиболее высокое содержание частиц свободного CaO в буроугольных золах, установленное в настоящее время по результатам многочисленных анализов, составляет 32% (зола от сжигания бурого угля Березовского разреза, п. Дубинино, Красноярского края). Вследствие этих недостатков зола от сжигания этого угля (с CaO_св более 20%) не находила применения в производстве строительных материалов на основе вяжущих без трудоемкой и дорогостоящей предварительной подготовки для обеспечения равномерности изменения объема материала (тонкий помол, обработка кислотой, предварительная гидратация в гранулах с последующим их помолом и др.).

Известен также способ приготовления бетонной смеси путем предварительного перемешивания части компонентов смеси в смесителе принудительного действия с последующим перемешиванием с остальными компонентами.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в значительном повышении прочности, морозостойкости и снижении деформаций расширения бесцементного бетона при использовании для его изготовления высококальциевой золы-уноса с содержанием свободного оксида кальция 20-32% Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в реализации потенциала высококальциевой золы как вяжущего вещества за счет выбранных вещественного состава бетонной смеси и соотношения ее компонентов, находящихся в неразрывной связи с предлагаемым способом приготовления смеси.

Для достижения обеспечиваемого изобретения технического результата бетонная смесь, включающая золу-унос от сжигания бурого угля, щебень, песок, хлоридсодержащую добавку и воду, содержит высококальциевую золу-унос с содержанием свободного оксида кальция 20-32% песок с содержанием зерен размером менее 0,16 мм 10-18 мас. и растворимого (активного) кремнезема 4-6,5% а в качестве хлоридсодержащей добавки хлорид кальция при следующем соотношении компонентов, мас. зола-унос с содержанием свободного CaO 20-32,2% 12-16; щебень 42-52; песок с содержанием зерен размером менее 0,16 мм 10-18% и растворимого (активного) SiO₂ 4-6,5% 26-34; хлорид кальция 0,16-0,24; вода остальное. Способ приготовления бетонной смеси заключается в том, что предварительно осуществляют совместную обработку в бетоносмесителе принудительного действия роторного типа золы-унос, щебня, хлорида кальция и 40-60% воды затворения в течение 180-240 с, затем вводят песок, оставшееся количество воды затворения и дополнительно перемешивают компоненты смеси в течение 50-60 с.

Сущность заявляемого изобретения состоит прежде всего в том, что входящие в состав бетонной смеси высококальциевая зола и мелкие фракции песка, в частности зерна размером менее 0,16 мм (как активная минеральная добавка), которые характеризуются наиболее высоким содержанием активного кремнезема по сравнению с другими фракциями, выполняют в смеси роль вяжущего (типа бесклинкерного известьсодержащего). Эффект от сочетания в смеси эти компонентов обусловлен сравнительно низким содержанием в используемой разновидности буроугольной золы кремнезема (16-22% ) (что приводит к кремнеземистому "голоду" в системе зола-вода, и как следствие к низкой прочности зольного камня при неравномерности изменения его объема).

Соотношение в бетонной смеси золы и песка с выбранным повышенным содержанием мелких фракций и активного кремнезема оптимизировано для более полного взаимодействия свободного оксида кальция и кремнезема с образованием гидросиликатов кальция. Последние в свою очередь присутствуют в золо-песчаном камне в оптимальном соотношении с гидросиликатами и гидроалюминатами кальция, образующими при гидратации активных фаз (минералов) золы.

Роль добавки хлорида кальция, являющейся солью кислотного характера, так же как и в известных бетонных смесях, состоит во взаимодействии со свободным оксидом кальция золы и нейтрализации деструктивного влияния на бетон его пережженных и остеклованных частиц, которое проявляется вследствие замедленной гидратации этих частиц с увеличением объема.

Однако дополнительный признак заявляемого изобретения, заключающийся в способе приготовления бетонной смеси, в значительной степени интенсифицирует этот процесс. Предварительная обработка золы в бетоносмесителе принудительного действия водным раствором хлорида кальция при истирающем действии щебня является механо-химическим процессом, который не только ускоряет гидратацию и взаимодействие частиц свободного оксида кальция с хлоридом кальция, но и активирует процесс гидратации гидравлически активных минералов золы-уноса. Количество воды затворения, равное 40-60% от расчетного, вводимое в золу на первой стадии приготовления смеси, является оптимальным с точки зрения интенсивности истирающего эффекта (по изменению удельной поверхности золы), достигающего максимума при этом количестве воды.

Особенность предлагаемой бетонной смеси по сравнению с известными состоит в низком содержании золы-уноса, которое оптимизировано по показателям прочности, морозостойкости и деформаций расширения бетона. Установлено, то наиболее высокие показатели прочности и морозостойкости бетона достигаются при значении относительных деформаций расширения бетона в процессе твердения не более 0,5% Этому предельно допускаемому значению деформации расширения соответствует оптимальное содержание в бетонной смеси золы-уноса от 12 до 16% Для получения предлагаемой бетонной смеси применяют высококальциевую буроугольную золу-унос Березовской ГРЭС-1 с удельной поверхностью 283 м²/кг, имеющую следующий химический состав, CaO_общ 39,8-54,7; CaO_св 20,0-32,2; MgO 4,5-6,0; SiO₂ 15,5-21,6; Al₂O₃ 6,9-10,3; Fe₂O₃ 6,7-12; Na₂O + K₂O 1,2-1,8; SO₃ 2,6-4,9; п.п.п. 1,2-5,8; песок в виде отсева от гравийно-песчаной смеси с предельной крупностью зерен 5 мм и содержанием зерен размером менее 0,16 мм 10-18 мас. имеющий химический состав, SiO_2общ 63,7-68,3; SiO_2раств 4-6,5; CaO 4,1-5,2; MgO 1,2-2,1; Al₂O₃ 12,1-14,4; Fe₂O₃ 4,3-7,6; Na₂O + K₂O 0,8-1,3; п.п.п. 2,4-3,2; щебень из гравия с предельной крупностью зерен 40 мм и хлорид кальция. Готовят три смеси компонентов, содержащие, мас. зола-унос 12-16; щебень 42-52; песок 26-34; хлорид кальция 0,16-0,24; вода 7,76-9,84 (составы 1-3), соответственно с использованием проб золы с содержанием свободного CaO 32,2, 26 и 20% Одновременно готовят две смеси с запредельным содержанием CaO_св в золе (составы 4 и 5) и две смеси с содержанием золы и добавки хлорида кальция (составы 6 и 7), четыре смеси с запредельными значениями характеристик свойств песка (составы 8-11) и шесть смесей с запредельными значениями параметров способа приготовления смеси (составы 12-17) для подтверждения оптимальности. Кроме того, готовят две известных смеси на золах-уносах с содержанием свободного оксида кальция 20 и 32,2% и перемешиванием всех компонентов с водой в течение 240 с (составы 18 и 19).

Для приготовления бетонной смеси предложенным способом предварительно золу-унос, щебень, хлорид кальция и 40-60% расчетного количества воды затворения обрабатывают в лабораторном бетоносмесителе принудительного действия роторного типа марки СБ-146 в течение 180-240 с, затем вводят песок, оставшееся количество воды затворения и осуществляют дополнительное перемешивание компонентов в течение 50-60 с.

Для определения свойств бетона из предложенных смесей, имеющих одинаковую подвижность, соответствующую осадке стандартного конуса 4-5 см, формируют образцы размером 10 х 10 х 10 см для определения прочности и морозостойкости и призмы 10 х 10 х 40 см для определения относительных деформаций расширения. Для ускорения твердения бетона образцы пропаривают при 70^oC по режиму 3 + 10 + 3 ч, а часть образцов-близнецов выдерживают в нормальных условиях (20-25^oC) в течение 28 сут. Образцы обоих режимов твердения испытывают в возрасте 28 сут.

В связи с наличием в составе бетонной смеси хлорида кальция испытывают стальную арматуру (сталь Ст3) на корозионную стойкость, которую оценивают по 12-балльной шкале (через 500 ч испытаний).

Конкретные составы бетонных смесей и параметры их приготовления приведены в табл. 1, результаты испытания образцов в табл. 2.

Как видно из данных табл. 2, бетон из предлагаемой смеси характеризуется по сравнению с известным более высокой прочностью и морозостойкостью, что обусловлено прежде всего обеспечением равномерности изменения объема (низких значений деформаций расширения) в процессе твердения. Предлагаемые бетонные смесь и способ ее приготовления позволяют получать бесцветный бетон прочностью до 43 МПа (М400) при использовании золы-уноса с особо высоким содержанием свободного оксида кальция. Более высокая прочность пропаренного бетона по сравнению с бетоном естественного твердения объясняется более высокой скоростью и степенью гидратации вяжущего при повышенной температуре.

Коррозионная стойкость арматуры в бетоне из предложенной и известной смесей оценивается одинаковыми или близкими баллами. Высокое содержание в золе свободного оксида кальция обусловливает повышенную щелочность жидкой фазы в бетоне из предложенной смеси (pH 12,6 12,9), что является фактором, повышающим стойкость металла к коррозии.

Себестоимость изготовления изделий из предлагаемой бетонной смеси на 30-35% меньше по сравнению с бетонной смесью на основе портландцемента.

Формула изобретения

Бетонная смесь, включающая высококальциевую золу-унос от сжигания бурого угля, щебень, песок, хлоридсодержащую добавку и воду, отличающаяся тем, что она содержит золу-унос с содержанием свободного оксида кальция CaO 20 32,2% песок с содержанием зерен размером менее 0,16 мм 10 18% и растворимого активного кремнезема SiO₂ 4 6,5% а в качестве хлоридсодержащей добавки хлорид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.

Высококальциевая зола-унос с содержанием свободного CaO 20 32,2% 12 - 16 Щебень 42 52 Песок с содержанием зерен размером менее 0,16 мм 10 18% и растворимого активного SiO₂ 4 6,5% 26 34 Хлорид кальция 0,16 0,24 Вода Остальноеа

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3