Результат интеллектуальной деятельности: БЕТОННАЯ СМЕСЬ

Изобретение относится к промышленности строительным материалов, в частности к составам бетона, используемым в производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

Известна бетонная смесь из портландцемента, заполнителей и добавок при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 14,58-24,69; заполнитель 62,96-80,31; лимонная кислота 0,00073-0,0741; хлористый натрий 0,073-0,247 и вода - остальное (Авт.свид. SU 1470701 А1, дата приоритета 07.05.1987, дата публикации 07.04.1989, авторы Гиренко И.В. и др.).

Недостатком известного состава является то, что для получения высоких прочностных показателей требуются дорогостоящие дефицитные компоненты, к которым предъявляются жесткие требования по их отбору.

В качестве прототипа принята бетонная смесь, которую приготавливают путем смешения цемента, заполнителей и активных веществ с водой затворения, при этом используют отходы производства цветных металлов в виде минерализованных стоков, активными веществами в которых являются хлориды кальция и натрия при их соотношении 1,01:1-1,4:1, концентрация хлоридов в стоках составляет 7,8-17,2%, а количество стоков в составе бетонной смеси составляет 1-5% по активному веществу от массы цемента (Патент RU 2233818 С2, дата приоритета 31.07.2001, дата публикации 10.08.2004, авторы Шевченко В.А. и др., прототип).

Недостатком прототипа является ограничение применения получаемой бетонной смеси для железобетона с предварительно-напряженной арматурой и армированного проволочной арматурой диаметром менее 5 мм. Ограничение обусловлено наличием в стоках солей-хлоридов, под действием которых при длительной эксплуатации конструкции возможно развитие коррозии арматуры. (Пособие по применению химических добавок при производстве сборных железобетонных конструкций и изделий к СНиП 3.09.01 - 85/ НИИЖБ. - М.: Стройиздат, 1989. - 30 с.). Кроме того, бетон характеризуется разбросом показателей по прочности.

Задачей изобретения является повышение прочности бетона и обеспечение длительной коррозионной стойкости арматуры в железобетонных конструкциях.

Поставленная задача достигается тем, что бетонная смесь, включающая цемент, мелкий и крупный заполнитель, минерализованные стоки, содержащие хлориды кальция и натрия, при их соотношении 1,01:1-1,4:1, причем количество стоков в составе бетонной смеси составляет от 1 до 4% по активному веществу от массы цемента, согласно изобретению она дополнительно содержит ингибитор коррозии арматуры - бихромат калия К₂СrO₇ (БХК) в количестве 0,2-0,25% от массы цемента при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 15-19; песок - 23-27; щебень фракции 5 - 20 мм - 47 - 49; указанные минерализованные стоки - 0,15-0,76; указанный ингибитор коррозии - 0,03-0,047; вода - остальное.

Минерализованные стоки, используемые в заявляемом составе, представляют собой концентрированный раствор хлоридов кальция и натрия при их соотношении 1,01:1-1,4:1, получаемый в результате нейтрализации промстоков - попутного продукта основного производства цветной металлургии, известковым молоком с последующим упариванием. Концентрация хлоридов в стоках после упаривания составляет 7,8 - 17,2%. Хлориды, содержащиеся в промстоках, являются солями-электролитами. При затворении бетонной смеси минерализованными стоками соли-электролиты, вступая в реакцию присоединения либо в обменные реакции, увеличивают степень гидратации силикатной фазы портландцементного клинкера.

Одновременно с положительным влиянием на процессы гидратации и структурообразования, способствующим повышению прочности цементного камня и бетона, ионы хлора Сl^-, содержащиеся в стоках, могут отрицательно повлиять на состояние стальной арматуры в железобетоне. Положительное влияние стоков на прочность бетона проявляется при их расходе по активному веществу не менее 1%, но не более 4% от массы вяжущего, так как при более высоком расходе эффект повышения прочности незначительный, а возможность развития коррозии арматуры максимальная.

В обычной щелочной среде бетона арматура покрывается защитной пленкой из оксидов железа (g-Fe₂O₃ и Fе₃O₄) толщиной около 80…100 А, что вполне достаточно для защиты арматуры от воздействия агрессивной внешней среды. В присутствии хлоридов возможно разрушение хлорид-ионами защитной пленки и, как следствие, развитие коррозии арматуры. Механизм разрушения защитной пленки заключается в том, что ионы хлора Сl^-, вступая в химическое взаимодействие, преобразуют нерастворимый оксид железа в растворимый хлорид железа. В этом случае требуется дополнительная защита стали от коррозии либо путем непосредственной обработки арматуры, либо путем усиления защиты, обеспечиваемой бетоном. Это достигается введением в бетон добавок, замедляющих или предотвращающих реакции металла с окружающей средой - добавок-ингибиторов.

Механизм действия добавок-ингибиторов заключается в том, что в их присутствии происходит быстрое окисление растворимого оксида двухвалентного железа с образованием на поверхности стали пассивирующих защитных пленок из гидрооксида железа. Постепенно из области действия коррозии исключаются новые участки поверхности стали, и процесс коррозии прекращается.

Критерием коррозионного состояния стальной арматуры является ее анодная поляризуемость, оцениваемая по анодным поляризационным кривым, которые выражают зависимость плотности тока в стальной арматуре в зависимости от величины потенциала. Сталь находится в пассивном состоянии, если при снятии анодной поляризационной кривой потенциалу +300 мВ по каломельному электроду соответствует плотность тока не более 10 мкА/см². При плотности тока, составляющей от 10 до 25 мкА/см², сталь находится в неустойчивом состоянии и возможно развитие коррозии. Величина тока более 25 мкА/см² указывает на наличие и дальнейшее развитие коррозии стальной арматуры.

Оценка коррозионного состояния стальной арматуры в бетоне разных составов (без добавки, с добавкой солевых стоков и с добавкой солевых стоков в сочетании с ингибитором - БХК), произведенная согласно нормативным документам (ГОСТ 27677 Защита от коррозии в строительстве. Бетоны. Общие требования к проведению испытаний и СТ СЭВ 4421 Защита от коррозии в строительстве. Защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре. Электрохимический метод испытаний) показала, что наличие стоков в составе бетонной смеси не оказывает отрицательного влияния на состояние стальной арматуры в начальный период (28 суток), но в возрасте 180 суток и более переводит сталь из пассивного состояния в неустойчивое, а затем в коррозионное. В бетоне, приготовленном в соответствии с заявленным составом (табл.1), сталь находится в пассивном состоянии как в начальные сроки, так и в более поздние (через 180 и 365 суток), табл.2.

Бетонная смесь предлагаемого состава готовится смешением мелкого заполнителя (кварцевого песка), портландцемента, крупного заполнителя (гравия или щебня фракции 5-20 мм), минерализованных стоков, раствора ингибитора с добавлением воды. Приготовление смеси осуществляют в смесителе принудительного действия, оснащенном жидкостным дозатором, через который дозируют растворы стоков, ингибитора и воду. Количество стоков и ингибитора в составе бетонной смеси рассчитывается по активному веществу и должно составлять соответственно 1…4% и 0,2…0,25% от массы вяжущего.

Положительное влияние ингибитора - бихромата калия - на состояние стальной арматуры в бетоне сопровождается приростом прочности бетона благодаря химической природе добавки - ингибитора как электролита, способствующего интенсивной гидратации силикатных фаз портландцементного клинкера в различных условиях твердения. Прочностные показатели бетонов представлены в таблице 2.

Положительный эффект прироста прочности при использовании стоков в комплексе с бихроматом калия дает возможность получения равнопрочных бетонов со сниженным расходом цемента; возможность сокращения продолжительности тепловой обработки в заводских условиях при изготовлении сборных конструкций с отпускной прочностью; возможность проведения бетонных работ в условиях отрицательных температур.

Экологический аспект применения стоков в комплексе с ингибиторами коррозии арматуры заключается в сохранении окружающей среды.

Экономический аспект заключается в расширении номенклатуры недефицитных химических добавок, не требующих специального производства для их изготовления, и расширении их области применения в технологии бетонных и железобетонных изделий и конструкций.