Бетонная смесь
Владельцы патента RU 2786125:
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 монолитного бетонирования тонкостенных конструкций подземных сооружений. Бетонная смесь содержит, мас.%: портландцемент ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б 15,2-18,5, суперпластификатор Master Glenium 0,698-1,1, нанокремнезем в аморфном состоянии с размером частиц 5-100 нм 0,002-2,0, песчаную фракцию отсева бетонного лома крупностью 0,16-0,325 мм 65,0-69,3, алюмосиликатную добавку с общим содержанием оксидов кремния и алюминия 70 мас.%, для изготовления которой золошлаковую смесь подвергают дезинтеграции с получением фракции размером до 10 мм, которую очищают от недожога и железосодержащих компонентов, 5,0-5,4, воду - остальное. Алюмосиликатная добавка содержит оксид кремния в количестве 50 мас.% и оксид алюминия в количестве 20 мас.%. Технический результат – повышение прочности при сжатии и морозостойкости бетона, утилизация техногенных отходов. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к строительству и, в частности, к составам бетонных смесей и может быть использовано для монолитного бетонирования тонкостенных конструкций подземных сооружений.
Известна бетонная смесь, включающая портландцемент, заполнитель, микрокремнезем и воду, причем она содержит высокоактивный метакаолин, в качестве суперпластификатора взят «Линамикс ПК» при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент – 19-20; песок природный средний – 67-68; микрокремнезем – 0,8-1,81; высокоактивный метакаолин – 0,5-1,08; суперпластификатор «Линамикс ПК» – 0,1-0,2; вода – остальное (см. патент РФ № 2627344, МПК C04B 28/04, C04B 18/08, C04B 18/14, C04B 24/24, C04B 111/20, C04B 103/32, 2017 г.).
Недостатком такой бетонной смеси является сложность применения для обделки тонкостенных подземных сооружений из-за недостаточных реологических характеристик.
Известная бетонная смесь для изготовления материала, имитирующего природный камень (см. патент РФ № 2528810, МПК C04B 28/04, 2013 г.), включающая измельченную слюду и жидкое стекло, отличающаяся тем, что дополнительно включает воду, белый портландцемент, кварцевый песок, пигмент фталоцианиновый зеленый или пигмент фталоцианиновый голубой при следующем соотношении компонентов, мас.%: измельченная и просеянная через сетку №5 слюда 35,0-40,0; жидкое стекло 3,0-5,0; вода 16,0-18,0; белый портландцемент 27,0-31,0; кварцевый песок 10,7-13,9; пигмент фталоцианиновый зеленый или пигмент фталоцианиновый голубой 0,1-0,3.
Недостатком известного материала, изготовленного из бетонной смеси, является высокая усадка и низкая огнеупорность.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана бетонная смесь, включающая портландцемент, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира, микрокремнезем с содержанием аморфного-стекловидного кремнезема не менее 75-80%, средний или крупный кварцевый или полевошпатовый песок, крупностью до 5 мм, щебень из горных пород с маркой по дробимости 800-1400 и воду, дополнительно содержит молотый кварцевый песок или молотую каменную муку из плотных горных пород с удельной поверхностью (3-5) 103 см2/г и очень мелкий кварцевый песок фракции 0,1-0,63 мм при следующем содержании компонентов, кг на 1 м3 бетонной смеси: портландцемент марки не ниже М500 150-300, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира, % от массы цемента в пересчете на сухое вещество 0,5-1,5, микрокремнезем, % от массы цемента 10-15, средний или крупный кварцевый или полевошпатовый песок 400-550, щебень из указанных горных пород 800-850, молотый кварцевый песок или каменная мука 150-290, очень мелкий кварцевый песок 40-500, вода 140-170 (см. патент РФ № 2435746, МПК C04B 28/04, C04B 111/20, 2009 г.).
Недостатком прототипа является низкая ударная вязкость бетона, полученного в результате твердения бетонной смеси, что затрудняет его применение в качестве ремонтного состава для ограждающих конструкций подземных сооружений.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эксплуатационной надежности подземных сооружений при монолитном усилении их тонкостенных конструкций бетонной смесью, которую можно наносить слоями от 5 см толщиной.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в повышении несущей способности и характеристик долговечности тонкостенных конструкций подземных сооружений при повышении экологичности и возможности нанесения бетонной смеси слоями от 5 см толщиной.
Поставленная задача решается тем, что бетонная смесь, содержащая портландцемент, кремнеземсодержащую добавку, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира, мелкий заполнитель и воду, отличается тем, что применяют портландцемент ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б и суперпластификатор Master Glenium, в качестве кремнеземсодержащей добавки используют нанокремнезем в аморфном состоянии с размером частиц 5-100 нм, а в качестве мелкого заполнителя – песчаную фракцию отсева бетонного лома крупностью 0,16-0,325 мм, кроме того, бетонная смесь дополнительно содержит алюмосиликатную добавку с общим содержанием оксидов кремния и алюминия 70 мас.%, для изготовления которой золошлаковую смесь подвергают дезинтеграции с получением фракции размером до 10 мм, которую очищают от недожога и железосодержащих компонентов, при следующем содержании компонентов в мас.%:
портландцемент ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б – 15,2-18,5;
суперпластификатор Master Glenium – 0,698-1,1;
нанокремнезем – 0,002-2,0;
песчаная фракция отсева бетонного лома – 65,0-69,3;
очищенная золошлаковая смесь – 5,0-5,4;
вода – остальное.
Кроме того, алюмосиликатная добавка содержит оксид кремния в количестве 50 мас.% и оксид алюминия в количестве 20 мас.%.
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 «применяют портландцемент ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б» обеспечивает повышенную прочность бетона через трое суток твердения.
Признак «применяют суперпластификатор Master Glenium» описывает тип используемого суперпластификатора на основе поликарбоксилатного эфира, который позволяет повысить удобоукладываемость бетонной смеси при снижении водоцементного отношения, что положительно сказывается на структурообразовании бетона при исключении процесса микротрещинообразования.
Признак «в качестве кремнеземсодержащей добавки используют нанокремнезем в аморфном состоянии с размером частиц 5-100 нм» позволяет наномодицфицировать цементную матрицу, что положительно сказывается на целом комплексе эксплуатационных характеристик, включая морозостойкость, стойкость к истиранию и водопоглощение.
Признак «в качестве мелкого заполнителя используют песчаную фракцию отсева бетонного лома крупностью 0,16-0,325 мм» способствует повышению экологичности за счет утилизации отходов сноса зданий с одновременным задействованием ранее непрореагировавших бетонных цементных частиц.
Признак «бетонная смесь дополнительно содержит алюмосиликатную добавку с общим содержанием оксидов кремния и алюминия 70 масс. %» позволяет достичь снижения расхода портландцемента путем замены его активированным наполнителем техногенного происхождения с высоким содержанием оксидов кремния и алюминия.
Признаки «для изготовления [алюмосиликатной добавки] золошлаковую смесь подвергают дезинтеграции с получением фракции размером до 10 мм, которую очищают от недожога и железосодержащих компонентов» описывают технологию получения алюмосиликатной добавки.
Признаки «при следующем содержании компонентов в мас.%:
портландцемент ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б – 15,2-18,5;
суперпластификатор Master Glenium – 0,698-1,1;
нанокремнезем – 0,002-2,0;
песчаная фракция отсева бетонного лома – 65,0-69,3;
очищенная золошлаковая смесь – 5,0-5,4;
вода – остальное» описывают оптимальное соотношение компонентов.
Признаки зависимого пункта формулы описывают конкретное содержание оксидов в алюмосиликатной добавке.
Сведения об используемых компонентах приведены в таблице 1.
Таблица 1
Компоненты бетонной смеси
| Компонент | Нормативный документ | Пример источника | Характеристики | Назначение в составе бетонной смеси |
| Портландцемент II/А-Ш 32,5Б | ГОСТ 31108-2003 | Класс прочности 32,5 | Вяжущее | |
| Суперпластификатор Master Glenium | ГОСТ 24211-2008 | Водоредуцирующая способность 75-80% | Пластифицирующий химический модификатор | |
| Нанокремнезем | ГОСТ 30459-2008 | Предоставлен научно-исследовательским геотехнологическим центром ДВО РАН | Размер частиц 5-100 нм; поглощение гидроксида кальция 700 мг/г |
Наномодифицирование |
| Песчаная фракция отсева бетонного лома | ГОСТ 8736-2014 | Бетонный лом | Крупность 0,16-0,325 мм | Мелкий заполнитель |
| Очищенная золошлаковая смесь | ГОСТ 30459-2008 | Отходы ТЭЦ | Фракция размером до 10 мм с общим содержанием оксидов кремния и алюминия 70 мас.% | Регулирование структурообразования |
| Вода | ГОСТ 23732-2011 | Затворение вяжущего |
Заявляемую бетонную смесь готовят на стандартном оборудовании по стандартной технологии в несколько этапов.
1. Предварительно изготавливают алюмосиликатную добавку.
Для этого золошлаковую смесь подвергают трехступенчатой очистке, при которой осуществляют дезинтеграцию с получением фракции менее 10 мм, которую очищают от недожога с помощью флотации и на заключительном этапе с помощью магнитной сепарации удаляют железосодержащие компоненты, выход целевого продукта составляет примерно 60%.
2. Смешивают песчаную фракцию отсева бетонного лома и 20% общего количества воды в лопастном роторном смесителе в течение 5-7 минут до однородности.
3. Затем к данной смеси добавляют портландцемент II/А-Ш 32,5Б, алюмосиликатную добавку в виде очищенной золошлаковой смеси, нанокремнезем и еще 40% общего количества воды, смешивают в течение 5-7 минут до однородности.
4. Оставшуюся часть воды вносят вместе с суперпластификатором Master Glenium, что позволяет получить гомогенную смесь, смешивают в течение 5-7 минут до однородности.
5. Полученную бетонную смесь доставляют в опалубку с помощью виброхобота.
Примеры составов бетонной смеси приведены в таблице 2.
Таблица 2
Составы бетонной смеси
| Компонент | Содержание, мас.% | |||
| Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | Пример 4 | |
| Портландцемент II/А-Ш 32,5Б | 18,5 | 18,3 | 16,1 | 15,2 |
| Суперпластификатор: Master Glenium 116 |
0,698 | - | 0,9 | - |
| Master Glenium 117 | - | 0,8 | - | 1,1 |
| Нанокремнезем с размером частиц, нм: 5 |
0,002 | - | - | - |
| 35 | - | 1,0 | - | - |
| 70 | - | - | 2,0 | - |
| 100 | - | - | - | 2,0 |
| Песчаная фракция отсева бетонного лома крупностью, мм: 0,16 |
- | - | - | 69,3 |
| 0,20 | 65,0 | - | - | - |
| 0,30 | - | 66,5 | - | - |
| 0,325 | - | - | 68,5 | - |
| Очищенная золошлаковая смесь | 5,0 | 5,2 | 5,1 | 5,4 |
| Вода | 10,8 | 8,2 | 7,4 | 7,0 |
| Всего: | 100 | 100 | 100 | 100 |
Эксплуатационные характеристики разработанных бетонных составов приведены в таблице 3.
Таблица 3
Свойства бетонной смеси
| Характеристика | Прототип | Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | Пример 4 |
| Предел прочности при сжатии (28 дней), МПа | 35,1 | 48,5 | 46,2 | 44 | 43,7 |
| Марка по истираемости | G3 | G1 | G1 | G2 | G2 |
| Морозостойкость | F100 | F300 | F300 | F200 | F200 |
| Марка по водопоглощению | W8 | W18 | W16 | W14 | W12 |
На основе данных таблицы 3 можно сделать вывод, что заявляемый состав бетонной смеси имеет следующие преимущества по сравнению с известными:
- повышены прочностные свойства на 25-38% с одновременным комплексным улучшением характеристик долговечности и возможностью нанесения слоями от 5 см толщиной;
- снижен расход портландцемента за счет его замены алюмосиликатной добавкой – активированным наполнителем техногенного происхождения и предварительной подготовки данного наполнителя;
- повышена экологичность благодаря сниженному потреблению портландцемента с одновременной утилизацией техногенных отходов.
1. Бетонная смесь, содержащая портландцемент, кремнеземсодержащую добавку, суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира, мелкий заполнитель и воду, отличающаяся тем, что применяют портландцемент ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б и суперпластификатор Master Glenium, в качестве кремнеземсодержащей добавки используют нанокремнезем в аморфном состоянии с размером частиц 5-100 нм, а в качестве мелкого заполнителя – песчаную фракцию отсева бетонного лома крупностью 0,16-0,325 мм, кроме того, бетонная смесь дополнительно содержит алюмосиликатную добавку с общим содержанием оксидов кремния и алюминия 70 мас.%, для изготовления которой золошлаковую смесь подвергают дезинтеграции с получением фракции размером до 10 мм, которую очищают от недожога и железосодержащих компонентов, при следующем содержании компонентов, мас.%:
| портландцемент ЦЕМ II/А-Ш 32,5Б | 15,2-18,5 |
| суперпластификатор Master Glenium | 0,698-1,1 |
| нанокремнезем | 0,002-2,0 |
| песчаная фракция отсева бетонного лома | 65,0-69,3 |
| очищенная золошлаковая смесь | 5,0-5,4 |
| вода | остальное |
2. Бетонная смесь по п.1, отличающаяся тем, что алюмосиликатная добавка содержит оксид кремния в количестве 50 мас.% и оксид алюминия в количестве 20 мас.%.
