Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕТОНА

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно к производству высокопрочного и долговечного бетона, и может быть использовано для уменьшения пористости бетона и увеличения его прочности при изготовлении бетона в местности, лежащей на уровне моря или ниже уровня моря, а также в условиях нормального или высокого атмосферного давления.

Известен способ изготовления бетона, включающий предварительное смешивание цемента, песка и гравия, после чего к этой смеси медленно добавляют чистую, свежую и не соленую воду в соотношении цемент/вода 1:0,5 (Making Concrete for Use in Water Well Construction: The Basics. http://www.clean-water-for-laymen.com/making-concrete.html).

Недостатком известного способа является низкая прочность бетона из-за высокой пористости бетона, приготовленного при нормальном или высоком атмосферном давлении, поскольку способ не обеспечивает предварительную дегазацию воды, а также последующее хранение и транспортировку жидкого бетона в условиях вакуума. Поэтому изготовление бетона по известному способу в местности с нормальным и/или высоким атмосферным давлением ведет к тому, что вода, вливаемая к цементу и наполнителю для их смачивания и смешивания, содержит большое количество воздуха, растворенного в воде. Вода в процессе гидратации цемента связывается химической реакцией с цементом, и цементное тесто постепенно твердеет, но воздух, растворенный в воде, не участвует в химической реакции, поэтому воздух остается в виде газа, который формирует множество воздушных полостей во всей массе цементного теста и жидкого бетона. Так формируются микроскопические полости в бетоне, которые именуются порами. Это явление известно под названием пористость бетона.

При изготовлении бетона по известному способу в условиях нормального или высокого атмосферного давления множество микропор в бетоне иногда сливаются друг с другом в микрокапилляры. В итоге структура бетона представляет собой большую пористость и капиллярность, что становится причиной низкой прочности бетона при сжатии, способствует большой влажности бетона и сокращения срока эксплуатации. Дело в том, что легкое впитывание воды в бетон вследствие его пористости и капиллярности способствует увеличению влажности бетона. При этом вода впитывается в бетон вместе с кислородом окружающего воздуха, который находится в воде в растворенном состоянии. Появление воды и кислорода внутри массы бетона ускоряет окисление и коррозию металла и других наполнителей бетона, которые могут быть наполнителями бетонных изделий, а также ускоряет разрушение бетона в морозную погоду из-за увеличения объема воды при ее замерзании и превращении в лед. Дело в том, что при превращении в лед вода расширяется и вызывает микротрещины в бетоне.

Поэтому бетон, изготовленный по известному способу при нормальном или высоком атмосферном давлении, имеет большую пористость, капиллярность и влажность, увеличенную объемность, меньшую плотность (меньший удельный вес), низкую прочность при сжатии, высокую разрушаемость на морозе, что сокращает срок эксплуатации бетонных изделий и конструкций и может стать причиной их внезапного разрушения, приводя к техногенным катастрофам и массовым поражениям, например при разрушении мостов, эстакад, плотин и высотных зданий и башен.

Известен способ изготовления бетона, включающий смешивание цемента (обычно портландцемента) с заполнителями (например, песком или гравием), добавками (в частности, химическими добавками), необходимыми волокнами и с водой для образования жидкого бетона, который затем доставляется на рабочую площадку, укладывается, уплотняется и отверждается (Concrete.http://www.madehow.com/Volume-1/Concrete.html#:~:text=First%2C%20the%20cement%20(usually%20Portland,placed%2C%20compacted%2C%20and%20cured).

Недостатком известного способа является низкая прочность бетона из-за высокой пористости бетона, приготовленного при нормальном или высоком атмосферном давлении, поскольку способ не обеспечивает предварительную дегазацию воды за счет ее инкубации в условиях вакуума, а также последующее хранение и транспортировку жидкого бетона в условиях вакуума. Поэтому изготовление бетона по известному способу в местности с нормальным и/или высоким атмосферным давлением ведет к тому, что вода, добавляемая к цементу и наполнителю для смешивания с ними, содержит большое количество воздуха, растворенного в воде. Причем, вода в процессе гидратации цемента связывается химической реакцией с цементом и освобождает из себя воздух, так как он не участвует в химической реакции. Свободный воздух остается в цементном тесте виде пузырьков газа, формирует множество воздушных полостей во всей массе цементного теста и жидкого бетона. Эти полости в бетоне именуются порами, а само явление известно под названием пористость бетона.

Кроме этого, при изготовлении бетона по известному способу в условиях нормального или высокого атмосферного давления множество микропор в бетоне иногда сливаются друг с другом. Так появляются микрокапилляры. В итоге образуется бетон, имеющий большую пористость и капиллярность, что становится причиной низкой прочности бетона при сжатии, большой влажности бетона и уменьшения срока службы изделий из бетона. Дело в том, что легкое впитывание воды в бетон вследствие его пористости и капиллярности способствует увеличению влажности бетона. При этом вода впитывается в бетон вместе с кислородом окружающего воздуха, который растворяется в воде. Появление воды и кислорода внутри массы бетона ускоряет коррозию металла и других наполнителей бетона, которые могут быть наполнителями бетонных изделий, а также ускоряет разрушение бетона в морозную погоду из-за увеличения объема воды при ее замерзании и превращении в лед. Дело в том, что вода заполняет собой поры и капилляры внутри бетона, поэтому при превращении воды в лед и расширения на морозе он формирует микротрещины в бетоне.

Поэтому бетон, изготовленный по известному способу при нормальном или высоком атмосферном давлении, имеет большую пористость, капиллярность и влажность, увеличенную объемность, меньшую плотность (меньший удельный вес), низкую прочность при сжатии, высокую разрушаемость на морозе и короткий срок службы.

Известен способ подбора цементно-водного отношения при изготовлении бетона и раствора, включающий приготовление контрольных проб из цемента и воды, определение активности цемента на каждой пробе, приготовление n-го количества серий образцов бетона с различной активностью цемента и цементно-водными отношениями, при этом в каждой серии образцов активность цемента одна и та же с последующим определением прочности бетона для каждого образца и построением по полученным данным для каждой серии базовой зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения, предусматривающий определение активности цемента по косвенной характеристике - времени нагрева контрольных проб цемента, начиная с 30 до 80°С или электропроводности через 30 с, при поступлении каждой новой партии цемента определяют активность по указанной косвенной характеристике и устанавливают оптимальное цементно-водное отношение на основании построенных базовых зависимостей (RU Заявка: 5032769/33, 18.03.1992).

Недостатком известного способа является низкая прочность бетона, изготовленного в условиях нормального и высокого атмосферного давления. Дело в том, что способ не обеспечивает дегазацию воды, приливаемой к цементу, не обеспечивает хранение и транспортировку жидкого бетона в условиях вакуума, поэтому способ не исключает высокое содержание воздуха, растворенного в воде и появление воздуха в водной фазе цементного теста и жидкого бетона. Высокое содержание воздуха в воде становится причиной большой пористости бетона, приготовленного по известному способу при нормальном или высоком атмосферном давлении. Поэтому в известном способе изготовление бетона в местности при нормальном и высоком атмосферном давлении ведет к тому, что вода после связывания с цементом оставляет воздух свободным во всей массе цементного теста, так как воздух не вступает в химическую реакцию. Оставшийся воздух формирует множество воздушных полостей во всей массе цементного теста и жидкого бетона. Эти микроскопические полости в бетоне становятся причиной большой пористости бетона. При этом некоторые микропоры сливаются друг с другом в цепи и формируют микрокапилляры. Чрезмерно большая пористость и капиллярность бетона уменьшает прочность бетона при сжатии, повышает влажность бетона и снижает срок его хранения, особенно в северных широтах. Легкое впитывание воды с воздухом в бетон вследствие его пористости и капиллярности способствует высокой влажности бетона, что увеличивает коррозию металла и других наполнителей бетона, а также ускоряет разрушение бетона в морозную погоду из-за увеличения объема воды при ее замерзании и превращении в лед. Дело в том, что вода заполняет собой поры и капилляры внутри бетона, превращенная в лед она вызывает появление микротрещин в бетоне.

Поэтому бетон, изготовленный по известному способу при нормальном или высоком атмосферном давлении, имеет большую пористость, капиллярность и влажность, увеличенную объемность, меньшую плотность (меньший удельный вес), низкую прочность при сжатии, высокую разрушаемость на морозе особенно при эксплуатации в северных широтах. Кроме этого, изделия, изготовленные из такого бетона, представляют собой опасность из-за возможности преждевременного разрушения. Дело в том, что известный способ не обеспечивает определение длительности безопасного срока службы бетонных изделий при их эксплуатации в местностях с изменчивым климатом и высокой влажностью, особенно при многократном периодическом понижении температуры ниже 0°С. Поэтому бетонный мост, эстакада, опора, вышка, высотное здание и другое сооружение может внезапно рухнуть и стать причиной множества жертв.

Известен способ комплексного изготовления изделий из бетона автоклавного твердения, включающий размалывание силикатной шихты и отходов силикатного производства, получение известково-песчаного вяжущего, смешивание с цементом, газообразователем и водой (RU 2292324).

Недостатком известного способа является непригодность для изготовления высокопрочного и долговечного бетона, поскольку способ обеспечивает высокую пористость, капиллярность и ячеистость бетона. В свою очередь, высокая пористость, ячеистость и капиллярность бетона становится причиной низкой прочности бетона при сжатии и короткого срока службы изделий из бетона.

Задачей изобретения является расширение сферы применения, повышение эффективности, точности и безопасности за счет предварительной дегазации воды, последующего прекращения поступления воздуха в воду и в водную фазу цементного теста и жидкого бетона за счет их хранения и транспортировки в вакуумных контейнерах в условиях среднего вакуума.

Поставленная цель достигается за счет предварительного удаления воздуха из воды благодаря применению вакуумному деаэратору, последующего применения вакуумных контейнеров для смешивания всех компонентов бетона друг с другом, хранения цементного теста и транспортировки жидкого бетона в условиях среднего вакуума, что исключает растворение газов из окружающего воздуха в водной фазе цементного теста, минимизирует пористость бетона, уменьшает его объем, увеличивает плотность бетона, повышает его удельный вес, увеличивает прочность бетона при сжатии, сохранность на морозе, удлиняет срок службы бетонных изделий и повышает их безопасность.

Техническим результатом является уменьшение пористости и капиллярности бетона, увеличение плотности, прочности и долговечности бетона при его изготовлении в условиях нормального и повышенного атмосферного давления и последующей эксплуатации бетонных изделий в условиях повышенной влажности, периодического и многократного снижения температуры ниже 0°С, достигаемое посредством предварительной дегазации воды в вакуумном деаэраторе, последующего исключения поступления воздуха в водную фазу цементного теста и жидкого бетона за счет нахождения всех компонентов бетона в вакуумных контейнерах, обеспечивающих средний вакуум, последующей минимизации увлажнения готового бетона благодаря минимизации его пористости, исключения капиллярности, увеличения плотности, и исключения морозного разрушения бетона благодаря его внутренней сухости из-за отсутствия в нем воды при исключении преждевременного разрушения бетонных изделий и массовых поражений.

Сущность способа изготовления бетона, включающего предварительное определение оптимального цементно-водного отношения, применение герметичных контейнеров, смешивание сухих цемента, песка, гравия, химических добавок и волокон, медленное добавление к полученной сухой смеси чистой, свежей и не соленой воды в оптимальном соотношении и смешивание их до образования жидкого бетона, транспортировку его на рабочую площадку, укладывание, уплотнение и отверждение, заключается в том, что перед добавлением воду дегазируют в вакуумном деаэраторе, сухую смесь помещают в вакуумный контейнер, в котором к смеси добавляют дегазированную воду в условиях среднего вакуума, а жидкий бетон хранят и транспортируют в емкости, внутри которой сохраняется средний вакуум.

В предложенном способе за счет предварительной дегазации воды с помощью вакуумного деаэратора обеспечивается высокая точность, эффективность, безопасность и расширение сферы применения, поскольку вода благодаря дегазации лишается всех газов независимо от разнообразия их состава и наличия в окружающем воздухе и независимо от величины атмосферного давления. Отсутствие газов, растворенных в воде, минимизирует пористость цементного теста и жидкого бетона, приготовленных с помощью такой воды, что повышает их прочность, а также прочность и долговечность бетонных изделий, сооружений и конструкций, уменьшает вероятность их неожиданного разрушения и исключает массовые поражения людей и животных под их завалами. Дело в том, что воздух, растворенный в воде, является причиной пористости и капиллярности бетона. При этом пористость и капиллярность бетона тем выше, чем больше воздуха в воде, а количество в воздуха в воде тем больше, чем выше величина атмосферного давления, при котором находится вода. В свою очередь, увеличение пористости и капиллярности бетона уменьшает его прочность при сжатии.

За счет дегазации воды в вакуумном деаэраторе повышается эффективность, точность и расширяется сфера применения, поскольку благодаря использованию стандартного устройства и стандартной технологии дегазации воды обеспечивается стандартность качества готовой дегазированной воды, так как вакуумный деаэратор обеспечивает практически полную дегазацию воды независимо от исходного содержания в ней газов и их состава, а также независимо от внешней температуры и внешнего давления воздуха.

Помещение готовой сухой смеси в вакуумный контейнер, медленное добавление дегазированной воды к этой к смеси внутри вакуумного контейнера в условиях среднего вакуума достигается сохранение дегазированного состояния воды, исключается последующее растворение в ней наружного воздуха и удаление воздуха из сухой смеси. Отсутствие воздуха в воде, внутри сухой смеси и вокруг них внутри вакуумного контейнера, в котором смешиваются эти компоненты вплоть до образования цементного теста и жидкого бетона, минимизирует пористость и капиллярность бетона, что повышает прочность и долговечность бетона и бетонных изделий и конструкций и безопасность их эксплуатации особенно в северных широтах в условиях повышенной влажности и многократного понижения температуры ниже 0°С.

Хранение и транспортировка на рабочую площадку жидкого бетона в емкости, внутри которой сохраняется средний вакуум, расширяется сфера применения, повышается эффективность, точность и безопасность, поскольку благодаря среднему вакууму исключается дополнительное растворение воздуха в жидком бетоне независимо от внешней температуры и величины атмосферного давления, что сохраняет дегазированное состояние бетона, его минимальную пористость и отсутствие капиллярности. В свою очередь, отсутствие воздуха с кислородом внутри массы бетона, минимальная пористость бетона и отсутствие капиллярности бетона обеспечивают ему долговечность, высокую прочность при сжатии, длительную сохранность бетонных изделий, конструкций и сооружений, а также повышают их безопасность при эксплуатации в самых различных широтах земного шара.

Способ осуществляют следующим образом. Предварительно воду дегазируют с помощью вакуумного деаэратора. Приготовленную смесь портландцемента с песком, гравием, химическими добавками и волокнами в сухом состоянии помещают в вакуумный контейнер, создают в нем средний вакуум и полученную воду медленно вливают в оптимальном соотношении внутрь этого вакуумного контейнера, смешивают все компоненты друг с другом до состояния жидкого бетона. Полученный жидкий бетон хранят и транспортируют на рабочую площадку в емкости, внутри которой сохраняется средний вакуум. Укладывают, уплотняют и отверждают бетон.

Пример. В местности в условиях атмосферного давления 760 мм рт.ст. и температуре наружного воздуха +19°С был использован известный и заявленный способы изготовления бетона. Для этого использовали портландцемент, песчано-гравийную смесь и свежую питьевую артезианскую воду. Путем тщательного смешивания сухих компонентов приготовили готовую смесь сухих компонентов. Затем эту смесь разделили на 2 равные части. Параллельно разделили воду на 2 равных объема. Одну порцию воды дегазировали с помощью термического вакуумного деаэратора марки Babcock Wanson и оставили в дегазированном состоянии в вакууме в герметичной емкости.

Затем в первом опыте в уличных условиях внесли порцию готовой сухой смеси в открытую емкость, влили в нее расчетный объем обычной воды, смешали компоненты, получили жидкий бетон, перенесли его в открытом состоянии на 5 метров и через 10 минут влили в 5 одинаковых форм, имеющих вид пустой прямоугольной ванны. После этого с помощью рук уплотнили бетон путем легкой тряски форм вместе с залитым в них бетоном и оставили их в стационарном состоянии на сутки. Через сутки после затвердевания бетона достали бетонные прямоугольники из форм и измерили их объем с помощью измерения объема воды, вытесненной бетонным изделием при утоплении его в ней. Обработали полученные результаты статистически и средний результат объема приняли за 100%.

Во втором опыте, проведенном в это же время в этой местности внесли порцию готовой сухой смеси в специально подготовленный вакуумный контейнер, закрыли герметично контейнер и создали внутри него средний вакуум. Для создания среднего вакуума использовали двухроторную машину отечественного производства производительностью 150 л/с. Остаточное давление в герметичном контейнере измеряли электронным вакуумметром комбинированного типа Mini-Convectron с жидкокристаллическим дисплеем с демонстрацией текущего давления в диапазоне 10^-4-10^-3 мм рт.ст. После того, как давление внутри контейнера понизилось до 20×10^-3 мм рт.ст. влили в смесь расчетный объем дегазированной воды, сохраняя средний вакуум. После этого внутри этого контейнера в условиях среднего вакуума перемешали компоненты до состояния жидкого бетона и через 10 минут перелили приготовленный жидкий бетон в 5 пустых форм, имеющих вид прямоугольной ванны, аналогичных тем, что были использованы в первом опыте. После этого с помощью рук уплотнили бетон путем легкой тряски форм вместе с залитым в них бетоном и оставили в открытом стационарном состоянии на сутки. Через сутки после затвердевания бетона достали бетонные прямоугольники из форм и измерили объем каждого из них с помощью измерения объема воды, вытесненной бетонным изделием при утоплении его в ней. Полученные результаты подвергли статистической обработке. Среднее значение объема бетонного изделия сравнили со средним значением объема бетонного изделия, полученного по известному способу в первом опыте. Результат выразили в процентах. Оказалось, что заявленный способ обеспечил уменьшение величины объема бетонного изделия в среднем на 0,43%.

Таким образом, разработанный способ изготовления бетона позволяет уменьшить объем бетона, что свидетельствует об отсутствии в нем воздуха. Отсутствие воздуха в бетоне минимизирует пористость и капиллярность бетона, что повышает его прочность при сжатии и долговечность эксплуатации изделий, изготовленных из него.