Бетонная смесь
Владельцы патента RU 2633623:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) (RU)
Изобретение относится к составам бетонных смесей и может быть использовано в производстве строительных материалов и изделий для укрепления нижних оснований дорожных покрытий и аэродромов, заполнения выработанных пустотных объемов шахт.
Известен состав бетонной смеси, приведенный в патенте РФ №2272860, МПК С04В 28/04, С04В 24/24 и включающий, масс. ч. (мас. %): цемент - 450 кг/м3 (19,9-24,3); песок - 100 кг/м3 (44,25-54); нефтяной шлам 100-150 кг/м3 (4,42-8,1); вода 150 кг/м3 (6,65-8,2).
В составе 1 кг нефтяного шлама содержится твердого нефтепродукта 200 г, т.е. 20%. В/Ц бетонной смеси составляет 150/450=0,33, а с учетом воды нефтешлама 0,51-0,6. Наряду с достоинствами состава известной бетонной смеси (утилизация отходов нефтяного шлама, повышение прочности сжатия бетона нормального твердения до 39,8 МПа) имеются и недостатки:
1. Требуется применение высокопрочного дорогостоящего цемента, что увеличивает материальные затраты на 1 м3 бетона и ограничивает рекомендуемую область применения;
2. Нефтяной шлам необходимо нагревать до 33°С, что усложняет технологию подготовки бетонной смеси и влечет дополнительные энергозатраты.
Наиболее близкий состав по техническому решению к заявляемому приведен в работе авторов: A.M. Ананьев и Э.Д. Подлозный «Олигомер пиперилена - новый модификатор бетона» / см. источник издат. ВНИИЭСМ, серия №11 «Использование отходов попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий, охрана окружающей среды», выпуск №7, 1986 г. Конкретно с. 18-19.
Известная бетонная смесь с указанным модификатором - олигомером пиперилена «ОП», который вводят в смесь в виде приготовленной эмульсии, состоящей из пиперилена, воды и эмульгатора типа канифольного мыла, взятых в мас. частях 49:94:2, или масс. %: ОП - 33,8; вода - 64,8; канифольное мыло 1,4. Данная эмульсия является жидким компонентом и вводится вместе с водой затворения. Для сопоставления с заявляемым составом бетонной смеси в качестве прототипа принят состав №3 из таблицы №5 с. 1 указанной выше работы, причем ОП принят не в сухом виде (2 кг/м3), а в составе эмульсии, взятой в количестве 5,92 кг/м3 бетонной смеси, т.е. 2 кг/м3 ОП + 3.84 кг/м3 воды + 0,08 кг/м3 канифольного мыла. Принятый прототип бетонной смеси содержит компоненты при следующем соотношении в масс. частях на м3 и масс. %: портландцемент М500 - 400 кг/м3 (17); кварцевый песок - 1780 (75,61); эмульсия пиперилена ОП - 5,92 (0,25); Вода - 168 (7,14). Выбор данного состава обоснован наибольшей прочностью при сжатии после 28 суток естественного твердения - 24,4 МПа. В таких условиях твердеет бетонная смесь в нижних слоях оснований дорог, аэродромах, в пустотных пространствах выработанных шахт.
Наряду с достоинствами состава бетонной смеси (утилизируется отход побочного продукта нефтепереработки - пиперилен, достигается достаточная прочность бетона для нижних оснований дорог, аэродромов - 24,4 МПа), имеются и недостатки, конкретно: требуется высокопрочный дорогостоящий ПЦ М500 и канифольное мыло, что увеличивает себестоимость бетона и ограничивает этим область применения бетонной смеси, например - для нижних оснований дорог, заполнения пустых объемов шахт.
Задача изобретения - снизить денежные затраты на материалы без снижения прочности при сжатии после 28 суток естественного твердения.
Для реализации задачи состав бетонной смеси, включающей: цемент М500, мелкий заполнитель, жидкий модификатор на основе отхода нефтепродукта и воду, отличается тем, что цемент взят некондиционный M150-200, в качестве жидкого модификатора введен раствор отработанной графитовой смазки в керосине, взятых в массовых частях 30:70, и мелкодисперсная ферромарганцевая колошниковая пыль, фракции менее 0,14 мм при соотношении масс. %:
| некондиционный цемент М150-М200 | 20,48-20,7 |
| кварцевый песок (Мк=2,5) | 42,47-42,94 |
| мелкодисперсная ферромарганцевая колошниковая пыль фр.0,14 | 25,32-25,61 |
| раствор отработанной графитовой смазки в керосине | 0,37-1,46 |
| вода | 10,27-10,38 |
Для реализации поставленной задачи и сопоставления заявляемой смеси с составом смеси прототипа, были приготовлены бетонные смеси, приведенные в таблице 1.
Примечание: Составы 1 и 5 являются запредельными, т.к. не отвечают требованиям поставленной задачи.
Характеристика компонентов бетонной смеси
1. Некондиционный портландцемент с прочностью 15-20 МПа. Не отвечает требованиям ГОСТ 31108-2003. Прочность определена по ГОСТ 10180-2012, применительно к обычным цементам. Потеря прочности цемента произошла по непредвиденным обстоятельствам (длительное хранение с нарушениями материала тары и другим причинам).
2. Ферромарганцевая колошниковая пыль фракции 0,14 мм - отход производства ферромарганцевого чугуна. Насыпная плотность 1475 кг/м3. Химический состав ферромарганцевой колошниковой пыли, масс. %: SiO2 - 9,89-13,7; Al2O3 - 2,84-2,89; СаО - 8,14-9,44; Mn3O4 - 25,84-33,92; Fe2O3 - 5,86-14,16; S - 0,85-1,38; (K2O+Na2O) - 4,13-5,75; FeO - 2,15-2,25; Р - 0,13-0,15; ппп - остальное.
3. Отработанный отход графитовой смазки - это вязкое мазеобразное вещество, смесь солидола с порошком графита. Скапливается при падении на основания оборудования механических цехов, по мере отработки при истирании контактирующих деталей в винтообразных нарезках, зубчатых стальных деталях подшипников и других видах оборудования. Основная масса смазки состоит из углеводородных молекул и относятся к продукту переработки нефти. Графитовая смазка хорошо растворяется в ароматических углеводородных жидкостях типа: керосина, бензола, толуола, причем микрочастицы графита находятся во взвешенном состоянии, образуя раствор черного цвета. В данных опытах используется отход графитовой смазки, растворенный в керосине, в соотношении 30:70 массовых частей соответственно. Вследствие износа трущихся деталей станков, в состав отработанной смазки попадают и стальные микрочастицы, поэтому раствор отработанной графитовой смазки в керосине имеет состав масс. %: керосин - 68,3-72,1; солидол - 21-25,4; графит - 7,2-8,9; стальная пыль - 1,28-3,71.
4. Кварцевый песок с модулем крупности 2,5 отвечает требованиям ГОСТ 8736-2014.
5. Керосин. Отвечает требованиям ГОСТ 18499-73.
РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ ОПЫТАМИ
Способ приготовления предлагаемой бетонной смеси осуществлен по принципу близкому к прототипу, в следующей последовательности:
1. Приготовили раствор, путем растворения 300 г. отхода графитовой смазки в 700 г. керосина.
2. Дозировали по массе порошки некондиционного цемента прочностью при сжатии 15-20 МПа, ферромарганцевую колошниковую пыль, предварительно просеянную через сито 0,14 мм кварцевый песок с модулем крупности 2,5 и воду в соотношениях, указанных в таблице 1. Смесь сухих порошков перемешивали до однородного состояния.
3. Однородную сухую смесь затворили водой в которую ввели раствор отхода графитовой смазки в керосине, приготовленную по пункту №1 и имеющую состав, указанный выше.
4. Из полученной строительной смеси формовали образцы 10×10×10 см. на виброплощадке. Твердели образцы в камере нормального твердения 28 суток.
Далее проводились испытания образцов на прочность в соответствии с ГОСТ 10180-90. Результаты испытаний прочности в приведены в таблице 2.
Сопоставительный анализ результатов испытаний прочности, приведенных в таблице 2:
1. Как видно из данных таблицы 2, прочность образцов из составов бетонной смеси №2, 3, 4, не ниже прочности образцов из смеси прототипа.
2. Прочность образцов из смеси №1 ниже прочности образцов прототипа, а прочность образцов из смеси №5 не превышает прочности образцов из смеси №4, а затраты на материалы выше. Поэтому составы бетонной смеси №1 и №5 являются запредельными.
Материальные затраты на 1 тонну известной и предлагаемой строительной смеси приведены в таблице 3.
Вывод к данным из таблицы 3.
Из таблицы 3 видно, что на 1 м3 заявляемой бетонной смеси затраты на материалы уменьшились на 40,92% по отношению к затратам на 1 м3 оптимального состава бетонной смеси прототипа, т.е.:
(3783,1-1234,93)×100/3783,1=40,92%,
что согласуется с поставленной задачей.
Уменьшение затрат на материалы для 1 м3 бетонной смеси объясняется применением более дешевого цемента М150-М200 (вместо дорогостоящего ПЦ М500) и утилизацией ферромарганцевой колошниковой пыли.
Прочность на сжатие заявляемой бетонной смеси не снижается по отношению к прочности прототипа, что объясняется следующей физико-химической природой действия:
1. В составе ферромарганцевой колошниковой пыли фракции менее 0,14 мм, а конкретно эта пыль имеет диапазон диаметра частиц от 0 до 0,14 мм.
2. Частицы мелкодисперсной ферромарганцевой колошниковой пыли с размером, равным размерам частиц цемента, способны вступать в реакцию с щелочной средой бетонной смеси, образуя дополнительное гидравлическое шлакощелочное вяжущее, т.к. ферромарганцевая колошниковая пыль - это диспергированный продукт металлургического шлака /см. «Шлакощелочные бетоны» Наназашвили И.Х. Материалы и конструкции: Справочник. М.: Высш. шк. 1990-495 с., конкретно с. 38.
3. Предложенный углеводородный жидкий модификатор (солидол в составе отработанной графитовой смазки) растворен в керосине до состояния углеродосодержащих наночастиц, а в прототипе углеводородный продукт - пиперилен переведен в более крупные коллоидные частицы посредством воды и эмульгатора, поэтому химический процесс действия активен в сравнении с предложенным модификатором. Большее влияние на прочность в прототипе оказывает цемент М500, а в предложенном - модификатор и ферромарганцевая колошниковая пыль.
Бетонная смесь для производства бетонных изделий дорожного строительства, включающая цемент, мелкий заполнитель, жидкий модификатор на основе отхода нефтепродукта и воду, отличается тем, что цемент взят некондиционный M150-200, а в качестве жидкого модификатора введен раствор отработанной графитовой смазки в керосине, взятых в массовых частях 30:70, и мелкодисперсная ферромарганцевая колошниковая пыль фракции менее 0,14 мм при соотношении, масс. %:
| некондиционный цемент M150-М200 | 20,48-20,7 |
| кварцевый песок Мкр=2,5 | 42,47-42,94 |
| мелкодисперсная ферромарганцевая | |
| колошниковая пыль фр.0,14 | 25,32-25,61 |
| раствор отработанной графитовой смазки в керосине | 0,37-1,46 |
| вода | 10,27-10,38 |
