Специальный бетон для ограждающих конструкций защитных сооружений
Владельцы патента RU 2685384:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)
Изобретение относится к строительству, в частности к составам бетонных смесей, и может быть использовано для возведения ограждающих конструкций защитных сооружений. Специальный бетон, полученный из смеси, содержащей портландцемент, заполнитель, пластифицирующую добавку, органо-минеральный наномодификатор и воду. Органо-минеральный наномодификатор получен совместным помолом до удельной поверхности 550 м2/кг смеси портландцемента, кварцевой муки и аморфного диоксида кремния, при содержании названных компонентов соответственно 30, 40 и 30 масс.%. Перед приготовлением бетона органо-минеральный наномодификатор смешивают с портландцементом и эту смесь подвергают измельчению до удельной поверхности 600 м2/кг, причем в качестве пластифицирующей добавки использован поликарбоксилатный гиперпластификатор, а в качестве заполнителя использован базальтовый щебень фракции 5-20 мм и 20-40 мм и кварцевый песок, при следующем содержании ингредиентов, кг на м3 бетона: портландцемент – 300; органо-минеральный наномодификатор – 21-36;базальтовый щебень фракции 20-40 мм - 441-491; базальтовый щебень фракции 5-20 мм - 568-618; кварцевый песок - 657-687; поликарбоксилатный гиперпластификатор - 3,9-4,3; вода – 170. Техническим результатом изобретения является повышение прочностных и радиационно-защитных характеристик бетонных конструкций, снижение газо- и водопроницаемости, а также уменьшение стоимости конечной продукции. 3 табл.
Изобретение относится к строительству и, в частности, к составам бетонных смесей и может быть использовано для возведения ограждающих конструкций защитных сооружений.
Известен особо тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений, включающий следующие компоненты, мас. %: сера - 6,46-6,61; сажа - 0,02-0,03; парафин - 0,02-0,03; асбестовое волокно - 0,13-0,28; наполнитель (ферроборовый шлак с удельной поверхностью 150 м2/кг) - 10,68-10,93; заполнитель (свинцовая дробь с диаметром частиц 3-4 мм) - 82,14-82,67 (см. патент РФ №2294029, МПК G21F 1/00, С04В 28/36, 2007 г.).
Недостатком такого бетона является высокая проницаемость.
Известна композиция для изготовления особо прочного и тяжелого бетона для защиты от радиационного излучения, содержащая цемент марки не менее М500, тяжелый заполнитель из отходов производства черной металлургии - бой железосодержащих брикетов фракции не менее 1,25 мм и не более 20 мм, суперпластификатор С-3, воду при следующем соотношении компонентов, кг на м3 бетона: портландцемент - 500-950, суперпластификатор С-3 - 2-10, указанный бой брикетов - 2020-3500, вода - 160-320 (см. патент РФ №2379246, МПК С04В 28/04, С04В 28/06, G21F 1/04, 2010 г.)
К недостаткам данного бетона относится высокая стоимость и трудоемкость приготовления.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, принятый за прототип, является специальный бетон для ограждающих конструкций защитных сооружений, включающий неорганическое вяжущее, серпентинитовый щебень фракции 5-20 мм, серпентинитовую галю, суперпластификатор, оксид кальция, оксид магния, оксид бария или их смеси при следующем соотношении компонентов, масс. %: неорганическое вяжущее 5-20, серпентинитовый щебень фракции 5-20 мм - 31-55, серпентинитовая галя - 6-30 мм, оксиды щелочноземельных металлов - 8,9-10, суперпластификатор - 0,1-1, вода - 4-8 (см. патент РФ №2529031, МПК G21F 1/04, С04В 28/02, 2014 г.).
Недостатками данного бетона являются низкие прочностные характеристики.
Предлагаемое изобретение решает задачу обеспечения коллективной защиты людей от техногенных и природных воздействий. Достоинством ограждающих конструкций из специального бетона является возможность их применения в условиях радиационного, химического и биологического заражения местности, а также эффективно противостоять воздушной ударной волне и сейсмовзрывной волне.
Техническим результатом изобретения является повышение прочностных и радиационно-защитных характеристик бетонных конструкций, снижение газо- и водопроницаемости, а также уменьшение стоимости конечной продукции.
Для решения поставленной задачи, специальный бетон для ограждающих конструкций защитных сооружений, полученный из смеси, содержащей портландцемент, заполнитель, пластифицирующую добавку, органо-минеральный наномодификатор и воду, отличается тем, что органо-минеральный наномодификатор получен совместным помолом до удельной поверхности 550 м2/кг смеси портландцемента, кварцевой муки и аморфного диоксида кремния, при содержании названных компонентов, соответственно 30, 40 и 30 масс. %, при этом, перед приготовлением бетона, органо-минеральный наномодификатор смешивают с портландцементом и эту смесь подвергают измельчению до удельной поверхности 600 м2/кг, причем, в качестве пластифицирующей добавки использован поликарбоксилатный гиперпластификатор, а в качестве заполнителя использован базальтовый щебень фракции 5-20 мм и 20-40 мм и кварцевый песок, при следующем содержании ингредиентов, в кг на м3 бетона:
| портландцемент | - 300; |
| органо-минеральный наномодификатор | - 21-36; |
| базальтовый щебень фракции 20-40 мм | - 441-491; |
| базальтовый щебень фракции 5-20 мм | - 568-618; |
| кварцевый песок | - 657-687; |
| поликарбоксилатный гиперпластификатор | - 3,9-4,3; |
| вода | - 170. |
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий, что органо-минеральный наномодификатор получен «помолом до удельной поверхности 550 м2/кг» позволяет повысить активность наномодификатора, соответственно повышая активность всего вяжущего.
Признак, указывающий, что органо-минеральный наномодификатор получен совместным помолом «портландцемента, кварцевой муки и аморфного диоксида кремния при содержании названных компонентов, соответственно 30, 40 и 30 масс. %» позволяет за счет синергетического действия компонентов создавать центры кристаллизации новообразований, повышая физико-механические характеристики бетона.
Использование органо-минерального наномодификатора позволяет уплотнить и упрочнить структуру путём связывания гидроксида кальция в низкоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, увеличить прочность, предел огнестойкости, газо-, воздухо-, и паропроницаемость.
Признаки, указывающие, что «перед приготовлением бетона, органо-минеральный наномодификатор смешивают с портландцементом и эту смесь подвергают измельчению до удельной поверхности 600 м2/кг» позволяют обеспечить двухстадийное измельчение вяжущего, что способствует регулированию структурообразования и гомогенизации многокомпонентной системы.
Признак, указывающий что «в качестве пластифицирующей добавки использован поликарбоксилатный гиперпластификатор» позволяет улучшить реологические характеристики бетонной смеси, что снижает трещинообразование и, соответственно, повышает прочность и непроницаемость твердеющего бетона.
Признак, указывающий «в качестве заполнителя использован базальтовый щебень фракции 5-20 мм и 20-40 мм и кварцевый песок» позволяет создавать бетоны с большой однородностью плотности (2410-2 620 кг/м3) и химического состава. Кроме того, базальты отличаются от обычных заполнителей наличием значительного количества элементов с большим атомным номером (Fe, Са, Ti, Mn, K), которые хорошо ослабляют нейтроны.
Признаки, указывающие на соотношение масс ингредиентов, направлены на оптимизацию состава специального бетона, направленную на достижение технического результата.
Органо-минеральный наномодификатор вводится в вяжущее в количестве 7-12% в от массы портландцемента.
Аморфный диоксид кремния получен путем сжигания рисовой шелухи в воздушной среде при температуре 600-700°С в течение 2 часов. Для сравнения применялся диоксид кремния заводского производства «Микрокремнезем МК-85», который вводился в органо-минеральный наномодификатор в том же количестве (30% по массе).
В качестве поликарбоксилатного гиперпластификатора применяют Melflux 1641 F и ViscoCrete 225.Процесс приготовления специального бетона включает пять этапов:
1. Готовится органо-минеральный наномодификатор совместным помолом до удельной поверхности 550 м2/кг портландцемента, кварцевой муки и аморфного диоксида кремния.
2. Затем полученный органо-минеральный наномодификатор смешивают с портландцементом и эту смесь подвергают измельчению до удельной поверхности 600 м2/кг, получая вяжущее.
3. В бетоносмеситель принудительного действия (лопастной или планетарный) загружаются компоненты бетонной смеси в следующей последовательности: заполнитель, вяжущее, вода. Компоненты бетонной смеси подаются при работающем активаторе смесителя, что позволяет исключить комкование, а также сократить время начального смешивания.
Двухстадийное измельчение вяжущего способствует регулированию структурообразования и гомогенизации многокомпонентной системы, а также позволяет снизить энерго- и ресурсоемкость производства.
Бетоны на базальтовых заполнителях вследствие слабо кристаллизованной структуры являются стойкими к воздействию повышенных и высоких температур. Кроме того, температурное расширение базальтового заполнителя близко к аналогичному показателю цементного камня, что также обеспечивает высокую термическую стойкость указанных бетонов.
Физико-механические характеристики монолитной специального бетона сведены в таблицу 3.
Таким образом, предлагаемый состав имеет следующие преимущества по сравнению с известными:
- повышены прочностные характеристики на 30-54%;
- характеристики газо-, воздухо-, и паропроницаемости снижены на 20-40%;
- снижение стоимости происходит за счет применения в качестве радиационно-защитного заполнителя базальтового щебня взамен дорогих заполнителей (серпентинитовых, свинцовых и т.д.).
Дополнительные примеры составов бетонных смесей, в которых используются конкретные виды аморфного диоксида кремния и гиперпластификаторов.
Аморфный диоксид кремния получен путем сжигания рисовой шелухи в воздушной среде при температуре 600-700°С в течение 2 часов.
Для сравнения применялся диоксид кремния заводского производства -«Микрокремнезем МК-85», который вводился в органо-минеральный наномодификатор в том же количестве (30% по массе).
Несмотря на то, что в случае применения в качестве диоксида кремния «Микрокремнезема МК-85», значения эксплуатационных характеристик получены выше, чем в прототипе, однако, они ниже, чем для разработанного состава. Кроме того, «Микрокремнезем МК-85» значительно дороже, чем аморфный диоксид кремния, полученный из отходов производства (рисовой шелухи).
Специальный бетон для ограждающих конструкций защитных сооружений, полученный из смеси, содержащей портландцемент, заполнитель, пластифицирующую добавку, органо-минеральный наномодификатор и воду, отличающийся тем, что органо-минеральный наномодификатор получен совместным помолом до удельной поверхности 550 м2/кг смеси портландцемента, кварцевой муки и аморфного диоксида кремния, при содержании названных компонентов соответственно 30, 40 и 30 масс. %, при этом перед приготовлением бетона органо-минеральный наномодификатор смешивают с портландцементом и эту смесь подвергают измельчению до удельной поверхности 600 м2/кг, причем в качестве пластифицирующей добавки использован поликарбоксилатный гиперпластификатор, а в качестве заполнителя использован базальтовый щебень фракции 5-20 мм и 20-40 мм и кварцевый песок, при следующем содержании ингредиентов, кг на м3 бетона:
| портландцемент | 300 |
| органо-минеральный наномодификатор | 21-36 |
| базальтовый щебень фракции 20-40 мм | 441-491 |
| базальтовый щебень фракции 5-20 мм | 568-618 |
| кварцевый песок | 657-687 |
| поликарбоксилатный гиперпластификатор | 3,9-4,3 |
| вода | 170 |
