Бетонная смесь
Владельцы патента RU 2461524:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) (RU)
Изобретение относится к составам бетонных смесей и может найти применение в производстве строительных материалов для изготовления стеновых камней, тротуарных плит и других бетонных изделий. Технический результат - исключение трещин при твердении и повышение прочность на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения. Бетонная смесь включает, масс.% смешанное вяжущее, содержащее портландцемент, тонкодисперсный наполнитель - отсев доменного шлака фракции 0,14 мм, пыль электрофильтров ферросплавных производств, пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты, обычную воду и воду, модифицированную электротоком с рН 2,1-2,5, при следующем соотношении компонентов, мас.%: смешанное вяжущее: портландцемент 11,86-12,15, отсев доменного шлака, фракции менее 0,14 мм 2,4-3,34, пыль от выплавки ферросилиция 0,8-1,28, пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты 0,03-0,04, вода затворения: обычная 6,6-6,8, модифицированная с рН 2,1-2,5 0,35-0,56, заполнитель 76,82-76,97, водовяжущее отношение 0,45. 2 табл.
Изобретение относится к составам бетонных смесей и может найти применение в производстве строительных материалов для изготовления стеновых камней, тротуарных плит и других бетонных изделий.
Известен состав мелкозернистой бетонной смеси (строительный раствор). Данный состав приведен в авт. свид. СССР №637357 М.Кл2. С04В 13/00, опубликованном 15.12.1978 г., при следующем соотношении, мас.%:
| цемент | 5,05-5,2 |
| пыль-уноса производства ферросилиция | 1,0-1,49 |
| известь | 2,03-2,1 |
| сульфитно-спиртовая барда | 0,0075-0,0078 |
| отходы обогащения железных руд | 74,5-76, |
имеющие следующий фракционный состав, масс.%:
| 0,63-1,0 мм | 5-15 |
| 0,31-0,63 мм | 15-25 |
| 0,14-0,31 мм | 30-40 |
| менее 0,14 мм | 30-40 |
| - вода | остальное |
К достоинствам смеси следует отнести:
1) утилизируются отходы металлургических производств;
2) повышается коррозийная стойкость мелкозернистого бетона (раствора), т.к. пыль от выплавки ферросилиция является аморфной кремнеземсодержащей активной минеральной добавкой.
Наряду с достоинствами имеются и недостатки:
1) низкая прочность на сжатие в возрасте 28 суток - 3,6 МПа;
2) низкая адгезия смеси со стальной арматурой, т.к. отходы железных руд в смеси имеют одинаковый со сталью электрический заряд - положительный («+»заряд).
Наиболее близкий состав бетонной смеси по качественному и техническому решению приведен в авт. свид. СССР №1346617 С04В 28/08 (С04В 28/08//22/08, 24/20), опубликованном 23.10.1987 г., при следующем соотношении компонентов, масс.%:
| портландцемент | 1-5 |
| тонкодисперсный электросталеплавильный шлак | 20-25 |
| комплексная добавка | 1-3 |
в добавке:
| серно-кислый магний | 40-60 |
| нафтеновые сульфокислоты | 40-60 |
| вода | 8-15 |
| заполнитель | остальное |
К достоинствам смеси следует отнести утилизацию тонкодисперсных шлаков.
Наряду с достоинствами имеются и недостатки:
1) низкая трещиностойкость при твердении бетона вследствие большого содержания тонкодисперсного шлака в составе смеси (20-25%), тампонирующего капилляры, по которым диффундирует влага к поверхности для испарения;
2) низкая прочность на сжатие в возрасте 28 суток - 9,2 МПа.
Задача изобретения - улучшить качество за счет исключения трещин при твердении и повысить прочность на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения при водовяжущем (В/Вяж) отношении в пределах 0,4-0,5, а также снизить себестоимость бетонной смеси.
Бетонная смесь включает портландцемент, тонкодисперсный наполнитель - шлак и пыль электрофильтров ферросплавных производств, пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты, воду с кислой добавкой и заполнитель, В качестве дисперсного наполнителя вводят отсев доменного шлака фракции 0,14 мм и пыль электрофильтров от выплавки ферросилиция в качестве кислой добавки. В счет частичной замены обычной воды затворения вводят модифицированную электротоком воду с рH 2,1-2,5.
Соотношение всех компонентов, масс.%:
Смешанное вяжущее:
| портландцемент | 11,86-12,15 |
| отсев доменного шлака, фракции менее 0.14 мм | 2,4-3,34 |
| пыль от выплавки ферросилиция | 0,8-1,28 |
| пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты | 0,03-0,04 |
Вода затворения:
| обычная | 6,6-6,8 |
| модифицированная с рН 2,1-2,5 | 0,35-0,56 |
| заполнитель | 76,82-76,97 |
| водовяжущее отношение (В/Вяж) | 0,45. |
Характеристика компонентов бетонной смеси:
1. Портландцемент марки М400 «ПЦ-ДО» (ГОСТ 10178-85, ГОСТ 30515-97) (ОАО «Михайловцемент» Рязанская обл., Михайловский р-он, пос.Октябрский).
2. Отсев доменного отвального шлаки фракции менее 0,14 мм (отход от дробленного основного доменного шлака (отвальный)). Последний дробят для получения щебня и песка для облегченных бетонов. Все, что проходит через сито с ячейками 0,14 мм, является отходом. В данном изобретении этот отход предложено утилизировать в качестве наполнителя смешанного вяжущего и соответственно добавки бетонной смеси.
Химический состав шлакового отсева включает, масс.%: CaO=(39-47)%; MgO=(5-10)%); SiO2=(38-45)%; Al2O3=(5-10)%; FeO - до 1%; MnO - до 1%; S - до 1,7%; TiO2 - до 0,5%.
Удельная поверхность 0,16-0,18 м2/г, модуль основности 1,1-1,15.
3. Пылевидный отход (МК-85) ферросплавного производства ОАО "Кузнецкие ферросплавы". Данная пыль из электрофильтров производства ферросилиция имеет размеры частиц 1-1 мкм. Под действием высокой температуры микрочастицы кремнезема превращаются в стекловидную аморфную пыль. Удельная поверхность микрочастиц 14000-30000 м2/кг, что в 3-10 раз превышает удельную поверхность цемента. Насыпная плотность в уплотненном состоянии составляет 0,8 т/м3.
Химический состав, масс.%: SiO2=(91-97)%; Al2O3=(1,0-1,4)%; Fe2O3=(0,2-0,4)%; CaO=(0,2-0.4)%.
В предлагаемом составе бетонной смеси принята пыль в качестве активной минеральной добавки, т.к. частицы микрокремнезема являются аморфными и более реакционными в сравнении с опокой, туфом и трепелом, а также в качестве дополнительной - пластифицирующей добавки.
4. Пластификатор смеси. В опытах принят два вида суперпластификаторов, получаемых растворением нафталина в серной кислоте с добавкой полимерных смол и являющихся аналогом суперпластификатора С-3. Т.е. приняты «Полипласт СП-1» и «Реламикс» тип 2 ГОСТ 24211-2008, производимых ООО «Полипласт» г.Новомосковск. Добавки обладают слабощелочной средой рН 9±1. Применяются в виде жидкости или порошка. Основой состава является нафтеновая сульфокислота в виде соли Na2SO3 и радикалов - СН2. В изобретении принят в комплексе с пылью микрокремнезема в роли пластификатора и нейтрализатора оставшейся кислой среды после смешения, т.к. обладает щелочной средой.
5. Модифицированная электротоком («мертвая») вода с рН в пределах 2,1-3. Данный тип воды получен методом электролиза родниковой воды с исходным рН 6,9. Электролиз осуществляли с помощью прибора «Живица» в течение 10 минут. Прибор электротоком разрушает молекулы воды на ионы Н+, т.е. «мертвую» воду с рН 2,1-3, и «живую», обогащенную ионами ОН-. В опытах применили воду с рН 2.1-3, т.е. «мертвую» - кислую.
6. Заполнители:
- мелкий, т.е. кварцевый песок - 1 класс соответствует требованиям ГОСТ 8736-93 (ООО «Атлантида» г.Серпухов.) Модуль крупности - 2,25.
- крупный - гранитный щебень фракции от 5 до 20 мм соответствует требованиям ГОСТ 8267-93 (ОАО «Павловскгранит», Воронежская обл.). Марка щебня по дробимости 1400.
7. Вода для затворения соответствует техническим условиям ГОСТ 23732-79.
| Таблица 1 | ||||||
| Составы предлагаемых бетонных смесей №2, №3, №4; составы №1 и №5 - запредельные, №6 - состав известного прототипа | ||||||
| Компоненты вяжущего |
Номер смесей и содержание компонентов, масс % | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 (прототип) | |
| 1. Портландцемент М400 «ПЦ-Д0» | 11,5 | 11,86 | 12,0 | 12,15 | 12,2 | 5,0 |
| 2. Наполнитель: - электосталеплавильный шлак - пылевидный отход ферросплавного произ-ва - отсев доменного шлака фр. менее 0,14 мм |
---- | ---- | ---- | ---- | ---- | 25,0 |
| 0,7 | 0,8 | 1,04 | 1,28 | 1,5 | ||
| 2,5 | 3,34 | 2,87 | 2,4 | 2,4 | ||
| 3. Пластификатор: - сернокислый магний - нафтеновая сульфокислота |
---- | ---- | ---- | ---- | ---- | 1,5 |
| 0,01 | 0,03 | 0,035 | 0,04 | 0,045 | 1,5 | |
| 4. Вода - обычная рН 6,9 - модифицированная: с рН 2,1 с рН 2,2 с рН 2,5 с рН 3,0 |
6,0 | 6,8 | 6,7 | 6,6 | 7,0 | 15,0 |
| 0,1 | 0,35 | ---- | ---- | ---- | ---- | |
| ---- | ---- | 0,46 | ---- | ---- | ---- | |
| ---- | ---- | ----- | 0,56 | ---- | ---- | |
| ---- | ---- | ---- | ---- | 0,6 | ---- | |
| 5.Заполнители | 78,2 | 76,82 | 76,9 | 76,97 | 76,26 | 52,0 |
| 6. Водовяжущее отношение (В/Вяж) | 0,41 | 0,45 | 0,45 | 0,45 | 0,47 | 0,45 |
Пример реализации задачи. Бетонную смесь готовят путем дозирования компонентов по массе, приведенной в таблице 1. Перемешивают смесь из мелкого заполнителя (песка), макро- и микронаполнителей (отсева шлака + пыли от производства ферросилиция) с модифицированной (кислой) и 1/2 частью обычной воды - 5 мин, с последующим добавлением пластификатора с основой нафтеновой сульфокилоты, щебня, портландцемента и остатка обычной воды и перемешивание продолжают еще 5-6 мин. Формуют и твердеют образцы бетона в соответствии с требованиями ГОСТ 7473-94.
Бетонную смесь состава прототипа (.№6) готовили по методике, приведенной в примере авт. свид. СССР №1346617 С04В 28/08 (С04В 28/08//22:08, 24:20), опубликованного 23.10.1987 года. Наличие трещин определяли визуально.
В таблице 2 приведены результаты испытаний прочности при сжатии после 28 суток естественного твердения и показано наличие трещин в образцах.
| Свойства | Номера смесей бетона и величина параметров | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 (прототип) | |
| 1. Прочность на сжатие в возрасте суток (МПа) | 36,0 | 43,5 | 41,3 | 40,4 | 36,7 | 9,2 |
| 2. Наличие трещин | есть | нет | нет | нет | нет | есть |
Анализ данных, приведенных в таблице 2, показывает:
1) прочность бетона увеличилась в четыре раза при одинаковом В/Вяж=0,45, причем в состав смешанных вяжущих (предлагаемого и известного) включены портландцемент, наполнители и пластификатор;
2) состав бетонной смеси №1 и №5 не отвечают поставленной задачи, т.к. на поверхности образцов бетона у состава №1 проявились мелкие трещины, а прочность на сжатии бетона смеси №5 - ниже составов №2; №3 и №4.
Появление трещин (смесь №1) обосновано недостатком кислой среды (воды с рН 2,1) для предотвращения запоздалого процесса гашения (гидратации) пережженных частиц свободной извести, содержащейся в составе шлаковых высевок. Уменьшение прочности бетона у состава смеси №5 объясняется превышением оптимальной нормы пыли от выплавки ферросилиция, несмотря на самый высокий расход портландцемента.
Химическая сущность достижения (задачи заключается в химическом взаимодействии пережженных свободных частиц оксида кальция (СаО) с кислой модифицированной водой и переходом в гидроокись кальция (Са(ОН)2), т.е. предотвращается запоздалый процесс пиления извести, а следовательно, и образование трещин бетона при твердении.
Превращение СаО в Са(ОН)2 способствует и увеличению в структуре бетона гидросиликатов кальция, а следовательно, и прочности бетона.
В составе смеси прототипа пережженные частицы свободной окиси кальция при взаимодействии с кислой средой, образованной MgSO4, переходят в гипс CaSO4, что также положительно сказывается на трещиностойкости, но отрицательно на прочности бетона, так как гипс (ангидрит) является труднорастворимым веществом и не образует дополнительного количества гидросиликатов кальция в структуре бетона. Однако трещины на поверхности бетона прототипа возникают вследствие повышенного содержания в составе бетонной смеси тонкодисперсного сталеплавильного шлака и тампонирования им капилляров, по которым диффундирует вода к поверхности для испарения, что создает внутренние напряжения, приводящие к трещинам.
Эффект достижения повышения прочности заключается в химическом взаимодействии модифицированной воды с рН 2,1-2,5 с пылевидным аморфным микрокремнеземом и переходом его вначале в метакремниевую (H2SiO3), а затем за счет полимеризации последней в гель ортокремниевой (H4SiO4).
Достоверность такого химизма превращения в ортокремниевую кислоту аморфного кремнезема в кислой среде подтверждена экспериментально и приведена в работе Чукина Г.Д. (Г.Д.Чукин, рецензент: д.х.н., профессор Б.К.Нефедов, «Химия поверхности и строения дисперсного кремнезема», гл. №8, раздел 8.2. - Строение глобулы силикагеля, синтезированного в кислой среде - М.: Типография Паладин, ООО «Принта», 2008. - 172 с.).
В составе бетонной смеси гель ортокремниевой кислоты вступает в реакцию с Са(ОН)4, образующейся при гидратации минералов клинкера портландцемента по реакции (1):
Ca(OH)2+2H2O+SiO2=CaSiO3·3H2O (1).
Молекулярная масса Са(ОН)2=74 а.е.м., a CaSiO3·3H2O=170 а.е.м. или выход гидросиликата кальция по реакции (1) составляет 70% от общей массы.
При взаимодействии Са(ОН)2 с традиционными активными кемнеземсодержащими минеральными добавками (опокой, трепелом и др.) выход гидросиликата кальция меньше, т.e
Ca(OH)2+SiO2+H2O=CaSiO3-2H2O (2).
Молекулярная масса CaSiO3·2H2O=160 a.e.м или выход гидросиликата кальция по реакции (2) составляет 68% от общей массы, т.е на 2% меньше по отношению к реакции (1).
Уравнение реакции (2) написано из литературы (Волженский А.В., Ю.С.Колокольников и др. Минеральные вяжущие вещества, 1979. - 472 с).
Таким образом пыль от выплавки ферросилиция совместно с «мертвой» водой с рН 2,1-2,5 способствует исключению трещин бетона при твердении и увеличению продуктов гидратации гидроспликатов кальция, а соответственно прочности бетона.
Повышению прочности способствует меньшая водонотребность предлагаемой бетонной смеси за счет совокупного действия трех компонентов: пластифкатора с основой нафтеновой кислоты, пыли от выплавки ферросилиция и модифицированной кислой воды рН 2,1-2,5, а также использования крупного заполнителя (гранитный щебень).
Экономическая целесообразность предлагаемой бетонной смеси по отношению к известной (№6-прототип) заключается в следующих факторах:
1) уменьшается расход смешанного вяжущего (в %) на 1% заполнителя, т.е.:
- для известного (48%:52%)=0,923;
- для предлагаемого (23,l% сред.:76,9% сред.)=0,3, т.е расход уменьшен в три раза;
2) уменьшен расход бетонной смеси на единицу прочности (МПа) бетона в возрасте 28 суток нормального твердения, т.е.:
- для известного (100% б.смеси : 9.2 МПа)=10,87;
- для предлагаемого (100% б.смеси : 39,3 сред.)=2,54 (в 4,28 раза меньше, что положительно отразилось на снижении себестоимости смеси).
Последнему способствует и тот факт, что высевки шлака в 10 раз дешевле тонкодисперсного сталеплавильною шлака, а затраты на получение модифицированной воды в три раза дешевле сернокислого магния. Таким образом, себестоимость предлагаемой бетонной смеси на 6-8% ниже известной.
Бетонная смесь, включающая портландцемент, тонкодисперсный наполнитель - шлак и пыль электрофильтров ферросплавных производств, пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты, воду и заполнитель, отличающаяся тем, что в качестве тонкодисперсного наполнителя вводят отсев доменного шлака фракции 0,14 мм и пыль электрофильтров от выплавки ферросилиция, в счет частичной замены обычной воды затворения, вводят модифицированную электротоком воду с рН 2,1-2,5, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Смешанное вяжущее:
| портландцемент | 11,86-12,15 |
| отсев доменного шлака, фракции менее 0,14 мм | 2,4-3,34 |
| пыль от выплавки ферросилиция | 0,8-1,28 |
| пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты | 0,03-0,04 |
Вода затворения:
| обычная | 6,6-6,8 |
| модифицированная с рН 2,1-2,5 | 0,35-0,56 |
| заполнитель | 76,82-76,97 |
| водовяжущее отношение (В/Вяж) | 0,45 |
