Высокопрочный порошково-активированный бетон

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при производстве конструкций и изделий из бетона на цементном вяжущем для зданий и сооружений гражданского, промышленного и специального назначения, в том числе зданий и сооружений, к конструкциям которых предъявляются высокие требования по трещиностойкости и биологическому сопротивлению.

Известен способ активации воды затворения бетонных смесей путем ее модифицирования углеродными фуллероидными наночастицами c последующей ее обработкой ультразвуком, в сосуд с водой помещают шунгит, масса которого составляет не менее 1% массы воды, и возбуждают в воде ультразвуковые колебания, частота которых лежит в диапазоне 20 кГц до 100 кГц, от 1,5 Вт/см² до 2,5 Вт/см², и воздействуют на воду и шунгит упомянутыми ультразвуковыми колебаниями в течение 5-10 мин до достижения концентрации фуллерена, выделяемого из шунгита в активируемую воду 10^-3-10^-5% , после чего активированную воду пропускают через фильтр и используют в качестве жидкости затворения, а осадок шунгита оставляют в сосуде, заливают в сосуд следующую порцию воды и процедуру активации жидкости затворения повторяют вновь (RU 2533516, МПК C04B 40/00, опубл. 20.11.2014).

Известный способ не устанавливает связи влияния активации воды затворения на биологическую стойкость и трещиностойкость бетонов. Приведенные в описании изобретения составы не относятся к высокопрочным бетонам.

Известен способ активации воды затворения композитов на основе цемента, который заключается в обработке водопроводной воды в плазмотроне низкотемпературной неравновесной плазмой в период времени от 1·10^-2 с до 5·10^-2 с (RU 2533506, МПК С04В 40/00, опубл. 20.11.2014).

В основу известного решения положена задача повышения эффективности и степени активации воды для обеспечения ускорения процессов гидратации и набора прочности в ранний период твердения бетона, но составы не относятся к высокопрочным бетонам и при этом отсутствуют показатели биостойкости и трещиностойкости.

Известен способ активации воды для строительных растворов и смесей, включающий обработку воды затворения путем электролиза при постоянном напряжении 100-200 В в течение 10-40 мин в электролизной ванне и последующее смешение с сухими компонентами строительной смеси, причем для затворения строительных растворов и смесей используют воду из прикатодной зоны электролизной ванны, образованной путем помещения катода в проницаемую оболочку или отделения указанной зоны проницаемой перегородкой (RU 2355667, МПК С04В 40/00, опубл. 20.05.2009).

Данный способ, согласно описанию патента на изобретение, позволяет ускорить схватывание строительного раствора и повысить его прочность, но при этом отсутствуют данные о степени влияния активации воды затворения на снижение расхода цемента в бетонных смесях и прочностные показатели бетона. Отсутствуют показатели биостойкости и трещиностойкости.

Известна биоцидная добавка для бетонов и строительных растворов, содержащая в качестве активного компонента биоактивный сложный эфир на основе монозамещенного полиэтиленгликоля, при этом она содержит смесь моно- и бисэтерифицированного полиалкиленоксида и неорганического производного серной кислоты (RU 2527439, МПК C04B 24/02, C04B 103/67, опубл. 27.08.2014).

В известном способе не рассматриваются вопросы снижения количественного содержания цементного вяжущего и применения добавки в составах высокопрочных бетонов. Отсутствуют показатели трещиностойкости.

Известна сырьевая смесь для высокопрочного фибробетона, включающая портландцемент, кварц-полевошпатовый песок Мкр=2,1, армирующий компонент, кремнеземсодержащую добавку и воду. В качестве армирующего компонента содержит базальтовое волокно, полученное центробежно-дутьевым способом, а в качестве кремнеземсодержащей добавки – нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05. Используют нанодисперсный порошок диоксида кремния Таркосил-05, предварительно подвергнутый обработке в ультразвуковом диспергаторе совместно с водой затворения в течение 10 мин, а портландцемент совместно с базальтовым волокном смешан в виброистирателе в течение 45 с (RU 2569140, МПК C04B 28/04, B82B 1/00, C04B 111/20, опубл. 20.11.2015).

Недостатком данного технического решения является отсутствие данных о показателях биологической стойкости и трещиностойкости.

Известна сырьевая смесь для высокопрочного бетона, включающая портландцемент, кварцполевошпатный песок с модулем крупности 2,1, гранитные отсевы фр. 2,5-5 мм, фуллеренсодержащую модифицирующую добавку и воду, в качестве фуллеренсодержащей модифицирующей добавки содержит углеродные наноматериалы, образуемые в качестве побочного продукта при плазменной газификации угля, предварительно смешанные и нагретые до температуры 50-60°С (RU 2466110, МПК C04B 28/04, B28B 1/00, C04B 111/20, опубл. 10.11.2012).

В основу известного решения положена задача повышения прочностных показателей, в том числе в начальные сроки твердения, и уменьшения расхода воды для получения бетона, но при этом отсутствуют показатели биостойкости и трещиностойкости. Недостатком также является увеличение содержания вяжущего.

Известен состав бетонной смеси для получения высокопрочного торкрет-бетона мокрым способом, содержащий портландцемент, заполнитель, микрокремнезем, пластификатор и воду. Содержит в качестве пластификатора гиперпластификатор Sika ViscoCrete 5 New, в качестве заполнителя – смесь фракций кварцевого песка с размерами частиц от 0,16 до 1,25 мм, дополнительно содержащий редиспергируемый полимерный порошок Vinnapas 5011L, диабазовую муку, известь негашеную (RU 2658076, МПК C04B 28/04, С04B 14/06, C04B 18/14, C04B 24/26, C04B 111/20, C04B 111/27, опубл. 19.06.2018).

В известном способе достигнуты высокие прочностные показатели и показатели морозостойкости и водонепроницаемости торкрет-бетона. К недостаткам можно также отнести отсутствие данных о показателях биологической стойкости и трещиностойости. Эффект снижения содержания вяжущего в составах не достигнут.

Известен высокопрочный бетон, полученный из смеси, содержащей портландцемент, песок, щебень, добавку и воду, добавка является комплексной и состоит из золя берлинской лазури с плотностью 1,013 г/см³, водородным показателем 4,7-5,3 и гиперпластификатора «Peramin SMF-10» (RU 2433098, МПК C04B 28/04, С04B 22/06, C04B 24/24, C04B 24/26, C04B 111/20, опубл. 10.11.2011).

В известном решении не изучены показатели биологической стойкости и не в полном объеме проведены исследования трещиностойкости. Снижение содержания вяжущего в составах не достигнуто.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является высокопрочный порошково-активированный бетон, который получен из смеси, содержащей вяжущее, кварцевый песок, наполнитель – тонкоизмельченный порошок кварца или известняка, гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» и воду затворения (Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения / В.И. Калашников // Строительные материалы. – 2012. – № 10. – С. 70-71).

В прототипе в высокопрочном порошково-активированном бетоне не изучены показатели биологической стойкости.

Технический результат заключается в создании высокопрочного порошково-активированного бетона с пониженным расходом цементного клинкера и повышенными показателями трещиностойкости и биологической стойкости за счет рационально подобранного состава, включающего композиционное вяжущее и активированную воду затворения.

Сущность изобретения заключается в том, что высокопрочный порошково-активированный бетон из смеси включает вяжущее, кварцевый песок, наполнитель – тонкоизмельченный порошок кварца или известняк, гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» и воду затворения. Вяжущее содержит, мас.%: портландцементный клинкер 70, золу-уноса – 26, двуводный гипс – 3 и натрий сернокислый – 1, наполнитель имеет удельную поверхность 600 м²/кг, а заполнитель используют фракции 0,63-5,0 мм, в качестве воды затворения используют активированную воду, с введением окисно-гидроокисных соединений меди в количестве 7…69 г/м³, прошедшую электрохимическую и электромагнитную активацию при плотности тока в камере электрохимической активации 5,65…43,55 A/м² и напряженности электромагнитного поля в рабочих зазорах камеры электромагнитной активации 24…135 кА/м, при следующем соотношении компонентов смеси, мас.%:

В табл. 1 представлены рекомендуемые режимы и их параметры для приготовления активированной воды затворения, в табл. 2 – составы высокопрочного порошково-активированного бетона, в табл. 3 – результаты испытаний порошково-активированного бетона.

Для изготовления композиционного вяжущего могут быть использованы следующие компоненты: портландцементный клинкер ОАО «Мордовцемент» (3СаО·SiO₂ 59-63%; 2СаО·SiO₂ 18-18%; 3СаО·Аl₂О₃ 6-7,5%; 4СаО·Аl₂O₃·Fе₂О₃ 11-12%), зола-уноса (ГОСТ 25818-2017), двуводный гипс второго сорта Порецкого месторождения (ГОСТ 4013-82), сернокислый натрий (ГОСТ 6318-77). Способ изготовления композиционного вяжущего заключается в следующем. Производят весовую дозировку компонентов. Затем в помольном агрегате производят совместный размол цементного клинкера, золы-уноса, двуводного гипса и сернокислого натрия до удельной поверхности 300-400 м²/кг. Для изготовления бетона в качестве наполнителя могут быть использованы тонкоизмельченный порошок кварца, известняка с удельной поверхностью 600 м²/кг по ГОСТ, в качестве заполнителя – кварцевый песок фракции 0,63-5,0 мм по ГОСТ 8736-2014. Применяют гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» – поликарбоксилатный эфир третьего поколения, производства компании Degussa Constraction Polymers, SKW Trostberg, Германия.

В качестве активированной воды затворения используют электрохимически и электромагнитно-активированную воду, соответствующую требованиям ГОСТ 23732-2011. Активация воды затворения цементных композиций производится с использованием установки для безреагентной обработки водных систем УПОВС2-5.0 «Максмир» (RU 74911, МПК C02F 9/00, опубл. 20.07.2008). Данная установка представляет собой многоконтурную программирующую систему, содержащую в самой себе три циркуляционных контура, способных обеспечить эффект на безвозвратных потоках и позволяющая совершенствовать технологический процесс приготовления смеси без существенных изменений используемых технологических линий. Обработку воды затворения производят в камерах электрохимической и электромагнитной активации установки за счет пропускании в них потока воды, используемой в дальнейшем в качестве воды затворения, а отбор воды – на выпускном трубопроводе. С целью достижения высоких стабильных значений степени активации воды затворения и получения ее с заданными свойствами в зависимости от физико-химических свойств обрабатываемой воды и производительности используют гибкую настройку установки. Режим работы установки может быть выбран по параметрам плотности электрического тока в камере электрохимической активации j в пределах 5,65…43,55 A/м² и напряженности электромагнитного поля в рабочих зазорах камеры электромагнитной активации Н в пределах 24…135 кА/м. Рекомендуемые режимы и их параметры представлены в табл. 1.

В заявленном изобретении в процессе активации в воду затворения вводят окисно-гидроокисные соединения меди в количестве 7…69 г/м³, образующиеся при ее прохождении между электродами электролитического модуля, один из электродов которого изготовлен из меди, анодно-растворяющегося с образованием с гидроксид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярных гидроокисных наноструктур, содержащие в связанном виде ионы одно- и двухвалентной меди (табл. 1). Содержание ионов в воде определяют аналитическим способом по известной методике (Руководство по химическому и технологическому анализу воды. М.: Стройиздат, 1973. – 306 с.).

Изготовлено три состава, предлагаемых в качестве примера, высокопрочного порошково-активированного бетона, состоящего из композиционного вяжущего, наполнителя, заполнителя, гиперпластификатора и активированной воды затворения (табл. 2).

Способ изготовления высокопрочного порошково-активированного бетона заключается в следующем. Производят весовую дозировку компонентов. Затем в бетоносмеситель вводят отмеренное количество композиционного вяжущего, активированную по установленным режимам работы установки воду затворения, гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F», кварцевый песок фракции 0,63-5,0 мм, порошок тонкоизмельченного известняка с удельной поверхностью 600 м²/кг и полученную сырьевую смесь тщательно перемешивают в течение 3 мин.

Для проведения исследований из приготовленной сырьевой смеси формуют образцы-кубы размерами 10×10×10 см путем заполнения стандартных форм 2ФК-100 по ГОСТ 10181-2014. Время выдержки в формах 24 ч. После распалубливания образцы помещают в камеру с нормальными тепло-влажностными условиями твердения на 28 суток. Затем образцы высокопрочного порошково-активированного бетона испытывают на прочность при сжатии по ГОСТ 10180. Силовую характеристику трещиностойкости бетона (вязкость разрушения при статическом нагружении) определяют по ГОСТ 29167-91.

Испытания на биостойкость проводят по ГОСТ 9.049-91 методом 1 и 3. В качестве тест-организмов используют следующие виды плесневых грибов: Aspergillius niger, A. flafus, A. terreus, Penicillium cuclopium, P. funiculosum, P. chrysogenum, Paecilomyces varioti, Chaetomium globosum, Trichoderma viride.

Полученные результаты приведены в табл. 3.

Результаты исследований подтверждают, что технический результат заявленного изобретения достигается за счет аддитивности эффектов применения комплекса мероприятий по улучшению прочностных показателей бетона и его биологической стойкости и трещиностойкости. Предлагаемые в изобретении составы содержат рационально-подобранную высокотекучую реологическую матрицу с низким пределом текучести при минимуме содержания воды и низким удельным расходом вяжущего на единицу прочности (Высокоэффективные порошково-активированные бетоны различного функционального назначения с использованием суперпластификаторов / В. И. Калашников, Е. В. Гуляева, Д. М. Валиев [и др.] // Строит. материалы. – 2011. – № 11. – С. 44–47, Калашников В. И. Высокопрочные бетоны нового поколения / В. И. Калашников, И. В. Ерофеева // Materials of the XII International scientific and practical conference «Science without borders». – Sheffield, 2016. – Р. 82–84, Калашников В. И. Высокопрочные бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности / В. И. Калашников, В. М. Володин, И. В. Ерофеева // Материалы Международной научно-практической конференции «Vedeckypokroknaprelomutysyachalety». – Praha, 2015. – С. 65–67).

Высокие показатели биологической стойкости высокопрочного бетона обеспечивает применение в составах биоцидного композиционного вяжущего (RU 2491239, МПК С04В 7/52, опубл. 27.08.2013).

Применение реакционно-активной добавки золы-уноса и реалогически-активного тонкоизмельченного известнякового порошка обеспечивает изменение напряженно-деформированного состояния материала под воздействием внешней нагрузки в сторону уменьшения концентрации напряжений. Использование минеральных наполнителей способствует управлению структурой материала на микроуровне и соответственно его свойств, в частности, повышает параметры трещиностойкости порошково-активированного песчаного бетона, характеризующие упруго-вязкое состояние материала при статическом кратковременном нагружении (Ерофеева И. В. Физико-механические свойства, биологическая и климатическая стойкость порошково-активированных бетонов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Пенза, 2018. – 28 с.).

Для улучшения биологической стойкости и реологических свойств, а следовательно уменьшения содержания цементного клинкера в составах высокопрочных бетонов, используют электрохимически и электромагнитно-активированную воду затворения. Действие электромагнитного поля способствует деформации и (или) разрушению водородных связей между молекулами воды в аквакомплексах (кластерах) и, вследствие этого, изменению величины поверхностного натяжения воды. Электрохимическая активация основана на свойстве растворов, подвергнутых электрохимическому воздействию, переходить в неравновесное состояние, проявляющих при этом каталитическую активность и повышенную реакционную способность в окислительно-восстановительных, кислотно-основных и других сопряженных с ними, реакциях. За счет введения в раствор многовалентных ионов меди в результате электрохимического растворения электродов, обладающих перманентным дипольным моментом, появляется возможность способствовать возникновению центров кристаллизации. Получающиеся при этом соединения, находящиеся в ультрадисперсной фазе (1…100 нм), определяют активность воды, используемой в процессах затворения строительных растворов. Дисперсная фаза оксидов и гидрооксидов меди (анодные продукты) и гидрооксидов кальция и магния – за счет катодного восстановления молекул воды, образуют временно устойчивую систему центров кристаллизации в процессах перехода растворов цемента в фазу образования гелевых структур, способствующих образованию твердой фазы с более мелкокристаллической структурой.

В процессе затворения электрохимически обработанной водой бетонных смесей окисно-гидроокисные наноструктуры органически связываются с структурными компонентами смесей, обеспечивая защиту от грибкового воздействия образующегося материала. Электрохимическая и электромагнитная активация способствует изменению физико-химического состава воды: pH, содержание различных ионов, смачивамость и т.д. Присутствие в жидкой фазе цементного теста различных ионов и молекул, поступающих в систему в результате воздействия электромагнитным и электрическим полями на воду затворения, определенным образом влияет не только на структуру воды затворения, но и на процессы адсорбции, растворения и поверхностной гидратации образующейся твердой фазы, на свойства самого цементного композита (Теоретическое обоснование получения бетонов на основе электрохимически- и электромагнитноактивированной воды затворения / Ю. М. Баженов, В. Т. Фомичев, В. Т. Ерофеев, С. В. Федосов, А. А. Матвиевский, А. К. Осипов, Д. В. Емельянов, Е. А. Митина, П. В. Юдин // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2012. Вып. 2 (22). URL:http://vestnik.vgasu.ru/attachments/1_BazhenovFomichev-2012_2(22).pdf, Фомичев В. Т., Ерофеев В. Т., Емельянов Д. В., Матвиевский А. А., Митина Е. А. Роль продуктов анодных процессов в ходе электромагнитной активации воды // Фундаментальные исследования. 2015. № 2 (часть 6). С. 1194–1197, Nikolay Karpenko, Vladimir Erofeev, Denis Emelianov, Valery Fomichev, Alexey Bulgakov Technology, structure formation and properties of foam concrete on activated water of mixing / Proceedings of the Creative Construction Conference (2018) pp. 213–219. DOI 10.331/CCC2018-028).

Заявленный высокопрочный порошково-активированный бетон на основе композиционного вяжущего с применением активированной воды затворения удовлетворяет всем поставленным задачам. Получен высокопрочный бетон со сниженным расходом цементного клинкера – 16,1 мас. % (прототип – 25,4 мас. %) и высокой прочностью при сжатии в возрасте 28 сут – 94,2-97,5 МПа (прототип – 74,1 МПа). Таким образом, по сравнению с известным решением предлагаемое позволяет получать высокопрочные бетоны с высокими показателями трещиностойкости и биологической стойкости. Статический критический коэффициент интенсивности напряжений при статическом нагружении материала составляет 1,15-1,18 МПа·м^1/2 (прототип – 1,10 МПа·м^1/2), а сами составы являются фунгицидными (прототип – негрибостоек).

Таблица 1

Таблица 2

* Вода, активированная по режимам, указанным в табл. 1.

Таблица 3