Результат интеллектуальной деятельности: Специальный бетон для ограждающих конструкций защитных сооружений

Изобретение относится к строительству и, в частности, к составам бетонных смесей и может быть использовано для возведения ограждающих конструкций защитных сооружений.

Известен особо тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений, включающий следующие компоненты, мас. %: сера - 6,46-6,61; сажа - 0,02-0,03; парафин - 0,02-0,03; асбестовое волокно - 0,13-0,28; наполнитель (ферроборовый шлак с удельной поверхностью 150 м²/кг) - 10,68-10,93; заполнитель (свинцовая дробь с диаметром частиц 3-4 мм) - 82,14-82,67 (см. патент РФ №2294029, МПК G21F 1/00, С04В 28/36, 2007 г.).

Недостатком такого бетона является высокая проницаемость.

Известна композиция для изготовления особо прочного и тяжелого бетона для защиты от радиационного излучения, содержащая цемент марки не менее М500, тяжелый заполнитель из отходов производства черной металлургии - бой железосодержащих брикетов фракции не менее 1,25 мм и не более 20 мм, суперпластификатор С-3, воду при следующем соотношении компонентов, кг на м³ бетона: портландцемент - 500-950, суперпластификатор С-3 - 2-10, указанный бой брикетов - 2020-3500, вода - 160-320 (см. патент РФ №2379246, МПК С04В 28/04, С04В 28/06, G21F 1/04, 2010 г.)

К недостаткам данного бетона относится высокая стоимость и трудоемкость приготовления.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, принятый за прототип, является специальный бетон для ограждающих конструкций защитных сооружений, включающий неорганическое вяжущее, серпентинитовый щебень фракции 5-20 мм, серпентинитовую галю, суперпластификатор, оксид кальция, оксид магния, оксид бария или их смеси при следующем соотношении компонентов, масс. %: неорганическое вяжущее 5-20, серпентинитовый щебень фракции 5-20 мм - 31-55, серпентинитовая галя - 6-30 мм, оксиды щелочноземельных металлов - 8,9-10, суперпластификатор - 0,1-1, вода - 4-8 (см. патент РФ №2529031, МПК G21F 1/04, С04В 28/02, 2014 г.).

Недостатками данного бетона являются низкие прочностные характеристики.

Предлагаемое изобретение решает задачу обеспечения коллективной защиты людей от техногенных и природных воздействий. Достоинством ограждающих конструкций из специального бетона является возможность их применения в условиях радиационного, химического и биологического заражения местности, а также эффективно противостоять воздушной ударной волне и сейсмовзрывной волне.

Техническим результатом изобретения является повышение прочностных и радиационно-защитных характеристик бетонных конструкций, снижение газо- и водопроницаемости, а также уменьшение стоимости конечной продукции.

Для решения поставленной задачи, специальный бетон для ограждающих конструкций защитных сооружений, полученный из смеси, содержащей портландцемент, заполнитель, пластифицирующую добавку, органо-минеральный наномодификатор и воду, отличается тем, что органо-минеральный наномодификатор получен совместным помолом до удельной поверхности 550 м²/кг смеси портландцемента, кварцевой муки и аморфного диоксида кремния, при содержании названных компонентов, соответственно 30, 40 и 30 масс. %, при этом, перед приготовлением бетона, органо-минеральный наномодификатор смешивают с портландцементом и эту смесь подвергают измельчению до удельной поверхности 600 м²/кг, причем, в качестве пластифицирующей добавки использован поликарбоксилатный гиперпластификатор, а в качестве заполнителя использован базальтовый щебень фракции 5-20 мм и 20-40 мм и кварцевый песок, при следующем содержании ингредиентов, в кг на м³ бетона:

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, указывающий, что органо-минеральный наномодификатор получен «помолом до удельной поверхности 550 м²/кг» позволяет повысить активность наномодификатора, соответственно повышая активность всего вяжущего.

Признак, указывающий, что органо-минеральный наномодификатор получен совместным помолом «портландцемента, кварцевой муки и аморфного диоксида кремния при содержании названных компонентов, соответственно 30, 40 и 30 масс. %» позволяет за счет синергетического действия компонентов создавать центры кристаллизации новообразований, повышая физико-механические характеристики бетона.

Использование органо-минерального наномодификатора позволяет уплотнить и упрочнить структуру путём связывания гидроксида кальция в низкоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, увеличить прочность, предел огнестойкости, газо-, воздухо-, и паропроницаемость.

Признаки, указывающие, что «перед приготовлением бетона, органо-минеральный наномодификатор смешивают с портландцементом и эту смесь подвергают измельчению до удельной поверхности 600 м²/кг» позволяют обеспечить двухстадийное измельчение вяжущего, что способствует регулированию структурообразования и гомогенизации многокомпонентной системы.

Признак, указывающий что «в качестве пластифицирующей добавки использован поликарбоксилатный гиперпластификатор» позволяет улучшить реологические характеристики бетонной смеси, что снижает трещинообразование и, соответственно, повышает прочность и непроницаемость твердеющего бетона.

Признак, указывающий «в качестве заполнителя использован базальтовый щебень фракции 5-20 мм и 20-40 мм и кварцевый песок» позволяет создавать бетоны с большой однородностью плотности (2410-2 620 кг/м³) и химического состава. Кроме того, базальты отличаются от обычных заполнителей наличием значительного количества элементов с большим атомным номером (Fe, Са, Ti, Mn, K), которые хорошо ослабляют нейтроны.

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

Органо-минеральный наномодификатор вводится в вяжущее в количестве 7-12% в от массы портландцемента.

Аморфный диоксид кремния получен путем сжигания рисовой шелухи в воздушной среде при температуре 600-700°С в течение 2 часов. Для сравнения применялся диоксид кремния заводского производства «Микрокремнезем МК-85», который вводился в органо-минеральный наномодификатор в том же количестве (30% по массе).

В качестве поликарбоксилатного гиперпластификатора применяют Melflux 1641 F и ViscoCrete 225.Процесс приготовления специального бетона включает пять этапов:

1. Готовится органо-минеральный наномодификатор совместным помолом до удельной поверхности 550 м²/кг портландцемента, кварцевой муки и аморфного диоксида кремния.

2. Затем полученный органо-минеральный наномодификатор смешивают с портландцементом и эту смесь подвергают измельчению до удельной поверхности 600 м²/кг, получая вяжущее.

3. В бетоносмеситель принудительного действия (лопастной или планетарный) загружаются компоненты бетонной смеси в следующей последовательности: заполнитель, вяжущее, вода. Компоненты бетонной смеси подаются при работающем активаторе смесителя, что позволяет исключить комкование, а также сократить время начального смешивания.

Двухстадийное измельчение вяжущего способствует регулированию структурообразования и гомогенизации многокомпонентной системы, а также позволяет снизить энерго- и ресурсоемкость производства.

Бетоны на базальтовых заполнителях вследствие слабо кристаллизованной структуры являются стойкими к воздействию повышенных и высоких температур. Кроме того, температурное расширение базальтового заполнителя близко к аналогичному показателю цементного камня, что также обеспечивает высокую термическую стойкость указанных бетонов.

Физико-механические характеристики монолитной специального бетона сведены в таблицу 3.

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

- повышены прочностные характеристики на 30-54%;

- характеристики газо-, воздухо-, и паропроницаемости снижены на 20-40%;

- снижение стоимости происходит за счет применения в качестве радиационно-защитного заполнителя базальтового щебня взамен дорогих заполнителей (серпентинитовых, свинцовых и т.д.).

Дополнительные примеры составов бетонных смесей, в которых используются конкретные виды аморфного диоксида кремния и гиперпластификаторов.

Аморфный диоксид кремния получен путем сжигания рисовой шелухи в воздушной среде при температуре 600-700°С в течение 2 часов.

Для сравнения применялся диоксид кремния заводского производства -«Микрокремнезем МК-85», который вводился в органо-минеральный наномодификатор в том же количестве (30% по массе).

Несмотря на то, что в случае применения в качестве диоксида кремния «Микрокремнезема МК-85», значения эксплуатационных характеристик получены выше, чем в прототипе, однако, они ниже, чем для разработанного состава. Кроме того, «Микрокремнезем МК-85» значительно дороже, чем аморфный диоксид кремния, полученный из отходов производства (рисовой шелухи).