Результат интеллектуальной деятельности: Высокопрочный мелкозернистый бетон

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано для изготовления изделий из мелкозернистого бетона в гражданском, промышленном строительстве и транспортном строительстве.

Известен состав бетонной смеси, приведенный, РФ №2358938, МКП⁸ С04В 28/04. Данный состав имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: портландцемент 18,0-19,04; глауконитовый песок 68,1-68,9; наполнитель 1,0-2,0; суперпластификатор С-3 0,1-0.2; вода 11,0-11,7.

Наряду с достоинствами данного состава (низкое водопоглощение, 3,1%), имеется недостаток - низкие показатели прочности при изгибе (4,1 МПа) и при сжатии (18,9 МПа).

Известен состав бетонной смеси, приведенный в патенте РФ №2435746, МПК⁸ С04В 28/04, С04В 111/20. Он включает компоненты: портландцемент марки не ниже М500 150-300; суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира 10-15% от массы цемента в перерасчете на сухое вещество; микрокремнезем 10-15% от массы цемента; кварцевый или полевошпатновый песок 400-550; щебень из плотных горных пород 800-850; молотый кварцевый песок или каменная мука 150-290; очень мелкий кварцевый песок 400-550; вода 140-170.

Наряду с достоинствами (низкий расход цемента на единицу прочности, не более 4,5 кг/МПа), имеются и недостатки - используется щебень из плотных горных пород марки по дробимости 800-1400, который является дефицитным и дорогостоящим.

Наиболее близкий состав бетонной смеси для получения мелкозернистого бетона приведен в RU 2013155156 А1, 20.06.2015, который имеет следующий состав, мас.%: портландецмент 24,7-25,0, песок 65,3-65,43, золь нанокремнезема 0,0025-0,0028, микрокремнезем 1,24-1,3, белая сажа 0,025-0,028, суперпластификатор «Реламикс» 0,2-0,21, вода 8,4-8,8%. Заявляемая смесь для модифицированного бетона отличается от известной соотношением компонентов и видом используемого пластификатора. Недостатком данного технического решения является недостаточная удобоукладываемость бетонной смеси, значительный расход цемента, повышенные пористость и водопоглощение.

Задачи изобретения - повысить удобоукладываемость смеси для модифицированного бетона (марку по подвижности) с уменьшением количества цемента и воды, увеличением прочности мелкозернистого бетона с минимальной пористостью и водопоглощением.

Для реализации задачи предлагается смесь для модифицированного бетона, содержащая портландцемент, песок, золь нанокремнезема, микрокремнезем, белую сажу, суперпластификатор и воду, отличающаяся тем, что в качестве суперпластификатора взята добавка Линамикс ПК, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Составы предлагаемой смеси для модифицированного бетона и прототипа приведены в таблице.

Характеристика компонентов смеси для модифицированного бетона

1. Портландцемент общестроительный класса ЦЕМ I 52,5 Н (марки ПЦ 500-Д0-Н), соответствующий ГОСТ 31108-2003. Изготовитель ООО «Тула-цемент», расположенный по адресу: Российская Федерация, Тульская область, Алексинский район, рабочий поселок Новогуровский, ул. Железнодорожная, д. 3. Физические характеристики цемента приведены в таблице 2.

2. Природный речной кварцевый песок в качестве заполнителя соответствует ГОСТ 8736-2014 и ГОСТ 26633-2012. Модуль крупности песка М_к=2,65, истинная плотность ρ_и=2,64 г/м³, насыпная плотность ρ_и=1,55 г/м³. Удельная эффективная активность естественных радионуклидов А_эфф в песке составляет 82,3 Бк/кг. Содержание пылевидных и глинистых частиц 1%, глины в комках 0,2%.

3. Добавка Линамикс ПК. Основу добавки составляет смесь на основе полиоксиэтиленовых производных поликарбоновых кислот и полиэтиленгликоля. Добавка «Линамикс ПК» производится ООО «Полипласт Новомосковск», расположенным по адресу: Тульская обл., г. Новомосковск, ул. Комсомольское шоссе, д. 72. Применяемая добавка Линамикс ПК имеет следующие свойства: плотность раствора 1,09 г/см³; концентрация - 15,0%.

4. Микрокремнезем - TR680085008 (ОАО ЧЭМК г. Челябинск). Микрокремнезем - аморфный кремнезем, побочный продукт производства ферросилиция, осаждается в электрофильтрах. Большую часть образуют частички аморфного оксида кремния круглой формы средним размером 0,1 мкм и удельной поверхностью 16-22 м²/г.

5. Золь нанокремнезема производства ООО НПФ «Наносилика» со следующим содержанием аморфного кремнезема SiO₂:SiO₂ - 22,5%, ρ=1,14 г/см³. Минимальный размер составил 45 нм и средний размер 60 нм.

6. Белая сажа марки БС-50 по ГОСТ 18307-78 с массовой долью оксида кремния SiO₂ не менее 76%. Белая сажа представляет собой гидратированный диоксид кремния с химической формулой mSiO₂⋅nH₂O. Материал обладает очень высокой площадью поверхности, что является основой его высокой пуццолановой активности.

Пример реализации

Дозировали сухие компоненты по массе, тщательно перемешивали, затем вводили раствор добавки и воду и вновь перемешивали до гомогенного состояния, затем определяли удобоукладываемость в соответствии с ГОСТ 10181-2014. После определения удобоукладываемости формовали образцы 100х100х100х мм и уплотняли на виброплощадке.

Твердение образцов происходило в нормальных условиях в ванне с гидравлическим затвором.

В возрасте 28 суток образцы подвергались испытанию на прочности при сжатии, определялась пористость и водопоглощение.

Результаты испытаний приведены в таблице 3,4.

Анализ результатов испытаний

Предлагаемое техническое решение позволило получить смесь для модифицированного бетона с удобоукладываемостью (марка по подвижности П2 и выше), с минимальным использованием цемента и воды по отношению к прототипу.

1. Оптимальным составом является состав №4, так как он обеспечивает максимальную прочность и имеет наибольшую подвижность.

По результатам сравнения показателей разработанного состава смеси для модифицированного бетона с показателями прототипа установлено следующее.

1. Прочность образцов на сжатие достигла 82,3 МПа.

2. Пористость снизилась до 4,3%.

3. Водопоглощение снизилось до 2,1%.

Такой результат объясняется совокупным действием добавок. Применение микро- и нанокремнеземных добавок совместно с суперпластификатором обеспечивает уплотнение и упрочнение структуры мелкозернистого бетона за счет заполнения пор кремнеземом, а также за счет перевода гидрооксида кальция, в следствие пуццоланических реакций в низкоосновные гидросиликаты.

Использование данных добавок в модифицированном бетоне приводит к следующим эффектам.

1. Добавки микрокремнезема и белой сажи взаимодействуют с гидросиликатом кальция, проявляя пуццоланическй эффект. В полностью гидратированном портландцементе содержание Са(ОН)₂ составляет около 20-25% твердого вещества. В результате пуццоланических реакций аморфный кремнезем связывает известь в низкоосновные гидросиликаты кальция. В результате менее плотная фаза Са(ОН)₂ замещается более плотной фазой гидросиликатов типа C-S-H. Это приводит к снижению пористости и повышению плотности цементного камня.

2. Добавки микрокремнезема блокируют капиллярные каналы, что снижает водопоглощение и проницаемость бетона.

3. Высокая удельная поверхность микрокремнезема и белой сажи значительно повышает водопотребность бетонной смеси, но введение суперпластификатора Линамикс ПК позволяет нивелировать такой эффект.

Механизм действия суперпластификтора заключается в том, что он относится к поверхностно-активным веществам, поэтому его основное свойство заключается в адсорбции молекул на поверхности частиц цемента и формирующихся новообразований, образуя тончайший слой. При этом сглаживается микрошероховатость частиц, уменьшается коэффициент трения между частицами, а создание одноименного электрического заряда в результате адсорбции суперпластификатора на поверхности частиц твердой фазы исключает возможность их сцепления за счет электростатических сил. Кроме того, суперпластификатор предотвращает агрегацию частиц и высвобождает блокированную воду, которая участвует в дальнейшем увлажнении бетонной смеси.