Результат интеллектуальной деятельности: Самоуплотняющийся бетон

Изобретение относится к строительству и, в частности, к составам самоуплотняющихся бетонных смесей и может быть использовано для монолитного бетонирования.

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, 2017г.).

Недостатком такого бетона является сложность применения для обделки подземных сооружений из-за недостаточных реологических характеристик.

Известен высокопрочный мелкозернистый бетон на основе композиционного вяжущего с применением техногенного сырья (патент РФ № 2627811, 2017г.), содержащий портландцемент, активную добавку, наполнитель, заполнитель, пластифицирующую добавку и воду, в качестве активной добавки используется глиноземистый цемент и микрокремнезем, в качестве наполнителя - техногенное сырье кварцитопесчаник, в качестве заполнителя - кварцевый песок и отсев дробления кварцитопесчаника, в качестве пластифицирующей добавки - гиперпластификатор Melflux 2651 F и воду при следующем соотношении компонентов, %: портландцемент - 21,0-21,7, глиноземистый цемент - 2,0-2,1, микрокремнезем - 2,0, техногенное сырье кварцитопесчаник - 1,6-1,9, кварцевый песок - 20,5-21,0, отсев дробления кварцитопесчаника - 46,5-47,0, гиперпластификатор Melflux 2651 F-0,2, вода - остальное.

К недостаткам данного бетона относится высокая стоимость и трудоемкость приготовления.

Известен высокопрочный бетон из смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок, щебень гранитный, тонкомолотый наполнитель, добавку и воду, содержит в качестве песка кварцевый песок с модулем крупности 2,2, в качестве щебня - щебень гранитный фракции 5-20 мм, в качестве тонкомолотого наполнителя - тонкомолотый известняк с удельной поверхностью 260 м²/кг, а в качестве добавки - различные химические модификаторы (см. патент РФ № 2616964, 2017г.).

Недостатком данного бетона является необходимость уплотнения в опалубке.

Известен также самоуплотняющийся бетон, содержащий цемент, инертный наполнитель разного гранулометрического состава, суперпластификатор и добавки (см. патент РФ № 2359936, 2009г.).

Недостатками данного бетона является относительно низкая эксплуатационная надежность, что не позволяет его применять для подземных камер большого объема и многоэтажного подземного строительства.

Предлагаемое техническое решение решает задачу повышения эксплуатационной надёжности бетонных конструкций при монолитном бетонировании. Достоинством монолитной обделки из самоуплотняющегося бетона является возможность ее применения в широком диапазоне инженерно-геологических условий – в любых грунтах, способных оказать отпор бетонной смеси в процессе ее обжатия.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной надежности бетонных конструкций, при одновременном снижении трудозатрат на вибрацию бетона в опалубке за счет применения самоуплотняющегося бетона, а также снижение стоимости конечной продукции с одновременным улучшением экологической обстановки, за счет использования в составе бетона техногенных отходов.

Для решения поставленной задачи, самоуплотняющийся бетон, содержащий цемент, инертный наполнитель разного гранулометрического состава, суперпластификатор, добавки и воду, отличается тем, что инертный наполнитель включает смесь песка и щебня в соотношении 5:4, в качестве суперпластификатора использован суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира, а в качестве добавки использована зола рисовой шелухи, термически обработанная с последующим шоковым охлаждением, при следующем содержании ингредиентов, в мас. %:

портландцемент – 15 - 18,3;

смесь песка и щебня – 71 - 72;

суперпластификатор – 0,7 – 1;

зола рисовой шелухи – 2 - 4;

вода – остальное.

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 «…инертный наполнитель включает смесь песка и щебня в соотношении 5:4…» позволяет оптимизировать каркасную матрицу твердеющего бетона.

Признак, указывающий применение в составе бетонной смеси «суперпластификатора на основе поликарбоксилатного эфира» позволяет улучшить реологические характеристики бетонной смеси.

Признак, указывающий, что «в качестве добавки использована зола рисовой шелухи» позволяет достичь снижения расхода портландцемента путем замены его активированным наполнителем техногенного происхождения, источником аморфного кремнезема с содержанием SiO₂ от 80 до 90%.

Признак, указывающий, что зола рисовой шелухи, «термически обработанная с последующим шоковым охлаждением» позволяет за счет нагрева до 800°C в течение 60 минут добиться дегидроксилирования золы, а следующее после нагрева шоковое охлаждение приводит к образованию трещин в частицах золы за счет внутреннего напряжения. Комбинация нагрева с последующим резким охлаждением способствует более высокой начальной реакционной способности золы, уменьшая время схватывания бетонной смеси и повышая механическую прочность самоуплотняющегося бетона.

Признаки, указывающие на соотношение масс ингредиентов, направлены на оптимизацию состава самоуплотняющегося бетона, направленную на достижение технического результата.

Таблица 1

Компоненты самоуплотняющегося бетона

Процесс приготовления самоуплотняющегося бетона включает пять этапов:

1. Золу рисовой шелухи нагревают до 800°C в течение 60 минут, затем немедленно охлаждают в воде. После этого порошок сушат при 300°С в течение 30 минут.

2. Смешивают песок, щебень и 10% общего количества воды.

3. Затем к данной смеси добавляют цемент, золу рисовой шелухи и еще 50% общего количества воды.

4. Оставшуюся часть воды добавляют к смеси с суперпластификатором, что позволяет получить гомогенную смесь.

5. Бетонную смесь доставляют в опалубку с помощью виброхобота, состоящего из металлических труб диаметром 350 мм с раструбным соединением, что способствует сохранению качеств самоуплотняющейся бетонной смеси и снижению трудозатрат.

Пятистадийное приготовление и подача в опалубку самоуплотняющейся бетонной смеси способствует регулированию структурообразования и гомогенизации многокомпонентной системы, а также позволяет снизить энерго- и ресурсоемкость производства.

Устройство монолитной обделки самоуплотняющимся бетоном осуществляют по мере перемещения проходческого щита в горизонтальном направлении. После обнажения породных стенок возводят опалубку, в которую подают бетон с помощью виброхобота. После достижения бетоном распалубочной прочности, опалубку устанавливают на следующей заходке.

Физико-механические характеристики монолитной обделки подземного сооружения при различных составах самоуплотняющегося бетона сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Физико-механические характеристики монолитной обделки подземного сооружения

Таким образом, предлагаемый состав имеет следующие преимущества по сравнению с известными:

- повышены прочностные характеристики на 9-15%;

- экономический эффект достигается за счет снижения расхода портландцемента путем замены его активированным наполнителем техногенного происхождения и предварительной подготовки данного наполнителя;

- применение самоуплотняющегося бетона, подаваемого по виброхоботу непосредственно в опалубку, позволяет снизить трудозатраты на возведение обделки.