Сырьевая смесь и способ изготовления из нее бетона
Владельцы патента RU 2378214:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" (RU)
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам сырьевых смесей и способам изготовления из них бетонов. Сырьевая смесь содержит, мас.%: шлаковый заполнитель - доменный гранулированный шлак 40-52, регулятор твердения - двуводный гипс - 4-7, активизатор твердения - песок, содержащий 10-15% минералов гранатов - 5-10, комплексную добавку для бетонов «Реламикс. Тип 2» 0,2-0,4, шлаковое вяжущее - шлак электросталеплавильный - остальное. Способ получения бетона из указанной сырьевой смеси включает затворение, перемешивание, измельчение строительной смеси в литейных бегунах до получения жидкоподвижной массы, заливку ее в формы и отверждение. Технический результат - повышение прочности бетона на сжатие и изгиб, а также повышение водостойкости и морозостойкости. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам бесцементной бетонной смеси и способу ее получения, которая может быть использована в производстве бетонных и железобетонных изделий и строительных растворов.
Известна бетонная смесь [1], содержащая цемент, заполнитель, суперпластификатор С-3, воду, грунт естественной влажности, гидрофобизирующую кремнийорганическую жидкость ГКЖ-94 [1]. Недостаток этой смеси заключается в низком качестве бетона.
Известна также сырьевая смесь для изготовления шлакобетона [2], включающая шлакопортландцемент, шлаковый заполнитель фракции 10 мм, молотый гранулированный доменный шлак, сульфат кальция, сульфидно-дрожжевая бражку, известь, воду. Недостаток этих составов заключается в низком качестве бетонов, недостаточной прочности на сжатие и изгиб, низкой морозостойкости. При этом использование одной партии цемента для приготовления смесей сопровождается снижением его вяжущих свойств во времени. Например, при хранении портландцемента одной партии в течение 15, 30, 45, 60 суток марка его снижается от М 400 до М 370, М 350, М 310, М 269 соответственно за счет поглощения влаги из атмосферы и протекания химических реакций. Цемент окомковывается и теряет свои вяжущие свойства. Применение различных добавок [3] для повышения качества бетона из лежалого цемента не достигает положительного результата. Шлакопортландцемент обладает высокой стоимостью и является дефицитным материалом. Как недостаток следует отметить необходимость специальной подготовки шлакового заполнителя ≤10 мм, а также молотого гранулированного доменного шлака. В этом случае значительно усложняется процесс приготовления бетона. Известь также требует специальной подготовки и применения ее в бетоне возможно в измельченном виде или в виде раствора.
Известен также способ приготовления бетона, включающий заливку в бетономеситель воды, загрузку цемента, гравия, песка, пластифицирующих добавок, смешение компонентов до жидкоподвижной массы с последующей подачей смеси в формы [4]. Недостаток этого способа заключается в том, что при смешении не достигается измельчение слежавшихся комков заполнителей бетонной смеси, не достигается тонкого измельчения заполнителей.
Задача, решаемая изобретением, состоит в замене цемента недефицитными отходами металлургической промышленности: электросталеплавильным, доменным гранулированным шлаками и гипсом, а также повышение качества бетона за счет лучшего перемешивания.
Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в подборе состава и соотношения компонентов бетона и связующего при одновременном их изготовлении путем перемешивания и измельчения на бегунах. В результате оптимизации состава смеси и ее обработки на бегунах достигается необходимая тонкость помола и гранулометрического состава и необходимая максимальная гидравлическая (химическая) активность компонентов.
Для достижения предлагаемым изобретением технического результата сырьевая смесь, содержащая шлаковое вяжущее, шлаковый заполнитель, регулятор твердения - гипс и добавку, содержит в качестве шлакового вяжущего - шлак электросталеплавильный, в качестве шлакового заполнителя - доменный гранулированный шлак, в качестве добавки - комплексную добавку «Реламикс. Тип 2», в качестве гипса - гипс двуводный и дополнительно - в качестве активизатора твердения песок горный, содержащий 10-15% минералов гранитов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| «Реламикс. Тип 2» | 0,2-0,4 |
| указанный песок | 5-10 |
| указанный доменный шлак | 40-52 |
| гипс двуводный | 4-7 |
| шлак электросталеплавильный | остальное. |
Указанная задача достигается также и тем, что способ получения бетона из сырьевой смеси включает затворение, перемешивание, измельчение строительной смеси в литейных бегунах до получения жидкоподвижной массы, заливку ее в формы и отверждение.
В предлагаемом способе осуществляют одновременно процесс затворения, перемешивания и измельчения крупных частиц, в частности электросталеплавильного и доменного шлаков, которые обладают вяжущими свойствами, заливают в формы и отверждают. Одновременно измельчение и затворение увеличивают химическую активность смеси и соответственно качество бетона. При измельчении шлаков наблюдается повышение температуры частиц за счет раскалывания их, что дополнительно способствует росту скорости гидратации и твердения бетона.
Сущность изобретения состоит в том, что минеральный состав доменного гранулированного шлака, электросталеплавильного шлака и вяжущего (цемента) представлен одинаковыми химическими соединениями: силикатами (CaO·SiO2, 2CaO·SiO2, 3CaO·SiO2, 4CaO-SiO2), алюминатами кальция (СаО·Аl2O3, 2СаО·Al2О3, 3СаО·Al2О3, 4СаО·Al2О3), а также ферратами кальция (xСаО·Fе2O3) и др. Указанные химические вещества обладают вяжущими свойствами, поэтому в заявленном изобретении заменяют цемент шлаками, а водная обработка смеси компонентов в бегунах обеспечивает получение бетона любых марок в зависимости от состава смеси - соотношения доменного и электросталеплавильного шлаков.
Горный песок представляет собой отход обогащения железных руд. Крупность его 0,15-5,0 мм. Химический состав приведен в таблице 1. Обладает высокой твердостью в результате того, что в нем содержится до 20% (по массе) минералов гранитов. Минералы гранита обладают высокой твердостью и по твердости уступают только алмазам. Наличие минералов в горном песке обеспечивает более высокую прочность бетона по сравнению с речным песком, имеет много сколов, поверхностей, острых граней, углов, что способствует более прочному сцеплению его с силикатами и алюминатами кальция при гидратации и твердении бетонов. Кроме того, в горном песке содержатся силикаты и алюминаты кальция, обладающие вяжущими свойствами. Горный песок обладает вяжущими свойствами, это природный вяжущий материал. Указанные свойства повышают качество бетона. Поэтому рекомендуется использовать горный песок в производстве строительных материалов. Горный песок является чистым материалом, не требует дополнительной обработки. Речной песок необходимо отмывать от глинистых материалов.
Доменный шлак образуется при доменной выплавке чугуна, является отходом производства. Возможно использование доменного дробленого и гранулированного шлака в производстве строительных материалов как заменителя речного гравия в качестве заполнителя бетона. Химический состав приведен в таблице 1. Применяется для подсыпки дорог в качестве горной породы. В последние годы организовано производство гранулированного доменного шлака, представляющего преимущественно гранулы округлой формы размером от 0,15 до 10 мм. Применяется для подсыпки дорог, выравнивания строительных площадок. Плотность гранулированного шлака (граншлака) от 1 до 1,3 г/мм3. Граншлак измельченный до крупности 320-350 м2/кг обладает вяжущими свойствами, из него можно изготовить цемент марки М 100. Доменные шлаки - инертный материал, рекомендуется использовать в производстве бетонов в качестве заменителя речного гравия. В бетонной смеси позволяет увеличить прочность бетона. В шлаке содержатся силикаты, алюминаты кальция и железа. Это экологически безвредный материал, по всем причинам доменные шлаки рекомендуется использовать в производстве бетонов.
Электросталеплавильный шлак является отходом производства стали. Имеет сложный химический состав (таблица 1). Минерологический состав - силикаты и алюминаты кальция, поэтому шлак обладает вяжущими свойствами. Цвет белый или серый. Крупность от 0,15 до 40 мм. Электросталеплавильный шлак по сравнению с клинкером или доменным шлаком является более мягким материалом. Легко размалывается, не агрессивный по отношению к стальному оборудованию. Вяжущие свойства этого шлака близки к вяжущим свойствам клинкера, что позволит использовать его в производстве строительных материалов как заменитель клинкера. В настоящее время складируются в отвалы.
Гипс двуводный применяется в качестве регулятора скорости схватывания бетона в начальный период твердения.
Доменный и электросталеплавильный шлак обладают различной хрупкостью и соответственно разной размолоспособностью. При обработке смеси на бегунах образуется повышенное количество мелких классов из электросталеплавильного шлака. Такое свойство приводит к преимущественной гидратации в начальный период мелких частиц и дальнейшей гидратации крупных частиц, что обеспечивает более высокую прочность бетона по сравнению с составами близких размеров частиц. Перечисленные факторы получения бесцементного бетона позволяют максимально использовать вяжущие свойства компонентов бетона.
Для получения предлагаемого бетона применяли доменный гранулированный и электросталеплавильный шлак ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат», горный песок ОАО «Абагурская агломерационная фабрика», комплексная добавка «Реламикс. Тип 2» ООО «Полипласт-УралСиб» (порошок) ТУ 5870-002-14153664-04 с изм. 1, гипс двуводный (реактив марки «Ч»). Химические составы представлены в таблице 1. Составы бетонных смесей приведены в таблице 2.
Горный песок, электросталеплавильный и доменный шлаки дробили в лабораторной дробилке до крупности менее 3 мм. Комплексную добавку растворяли в воде.
Бетонные смеси обрабатывались в лабораторной установке, имитирующей промышленные бегуны, применяемые в литейных цехах ОАО «КМК» [5]. Строительную смесь загрузили в бегуны, катки опустили на дно бегунов, залили водный раствор добавки «Реламикс. Тип 2» и воду, нагретую до 45 градусов по Цельсию. Воду применяли хозяйственную из городского водопровода. Расход воды составил 15-33% (по массе) от веса строительной смеси. Расход воды в опытах 1, 2, 3 составил соответственно 0,33, 0,16, 0,26 литра на 100 граммов строительной смеси. Продолжительность обработки строительной смеси в бегунах составила 20 минут. Из полученных бетонов приготавливали образцы - балочки размером 4×4×16 см с уплотнением на стандартной виброплощадке в течение 3 минут. Твердение образцов осуществляли в нормальных условиях в гидравлической ванне при комнатной температуре. Испытание образцов проводили в стандартном возрасте 28 суток по стандартным методикам и ГОСТам. Результаты испытаний приведены в таблице 2, из которой следует, что качество полученного бетона выше, чем по прототипу.
Производство предлагаемого бесцементного бетона позволяет расширить области эффективного использования шлаков текущего производства и отвальных лежалых шлаков и создать базу для производства дешевых бетонов, экономить цемент и получить качественный бетон.
Источники информации
1. Патент РФ 2269499. МПК 7 С04В 28/02. 2004.
2. Патент SU 1271846. МПК С04В 28/08. 1986.
3. Волженский А.В., Стамбулко В.И., Ферронская А.В. Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, бетоны и изделия // М.: Изд-во по строительству, - 1971, с.96-116.
4. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. // М.: Машиностроение, 1977, с.32б-331.
5. Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1976, с.52.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Химический состав, мас.% | ||||||||||
| Материал | SiO2 | Аl2O3+TiO2 | FeO+Fe2O3 | Fe | CaO | MgO | MnO | SO3 | Na2O+K2O | П.П.П |
| Доменный гранулированный шлак | 36,2 | 12,3-17,0 | 0,6-2,6 | - | 38-42,2 | 4,8-9,9 | 0,2-1,1 | 0,4-1,2 | 0,13-0,17 | 0,1-1,5 |
| Электросталеплавильный шлак | 22-26,5 | 7,1-9,5 | 1,2-1,7 | - | 46-47,5 | 1,2-1,5 | 0,4-0,9 | 0,2-0,4 | 0,3-0,4 | 2,3-3,7 |
| Горный песок | 34,1-39,9 | 9,8-11 | 12,8-46,1 | 2,3-3,5 | 11,3-13,7 | 4,2-5,7 | 0,3-0,55 | 1,7-3,2 | 1,3-3,2 | 8,5-15 |
| Таблица 2 | ||||||||||
| Состав бетона | № опыта | Состав бетона, мас.% | Качество бетона | |||||||
| Доменный шлак | Электросталеплавильный шлак | Гипс | Цемент | Гравий | Песок | Грунт | ||||
| Предложенное | Добавки | |||||||||
| 1 | 40 | 50,8 | 4 | 0,2 | 5 | М400 | ||||
| 2 | 52 | 30,6 | 7 | 0,4 | 10 | М400 | ||||
| 3 | 45,5 | 40,2 | 6,5 | 0,3 | 7,5 | М400 | ||||
| По патенту 2269499 | 4 | 10,4-11,0 | 54,7-55,4 | 28,2-28,4 | 2-4 | М300 | ||||
| По патенту 2272796 | 5 | М300 |
1. Сырьевая смесь, включающая шлаковое вяжущее, шлаковый заполнитель, регулятор твердения - гипс и добавку, отличающаяся тем, что содержит в качестве шлакового вяжущего - шлак электросталеплавильный, в качестве шлакового заполнителя - доменный гранулированный шлак, в качестве добавки - комплексную добавку «Реламикс. Тип 2», в качестве гипса - гипс двуводный и дополнительно в качестве активизатора твердения - песок горный, содержащий 10-15% минералов гранатов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| «Реламикс. Тип 2» | 0,2-0,4 |
| Указанный песок | 5-10 |
| Указанный доменный шлак | 40-52 |
| Гипс двуводный | 4-7 |
| Шлак электросталеплавильный | Остальное |
2. Способ получения бетона из сырьевой смеси по п.1, включающий затворение, перемешивание, измельчение строительной смеси в литейных бегунах до получения жидкоподвижной массы, заливку ее в формы и отверждение.
