Результат интеллектуальной деятельности: Высокопрочный бетон

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано для изготовления изделий из бетона в гражданском и промышленном строительстве, а также при изготовлении сооружений специального назначения.

Известна смесь для изготовления высокопрочного бетона, состоящая из следующих компонентов, мас. %: портландцемент 22,48-28,61; песок 23,00-25,60; щебень 36,30-39,00; добавка 0,69-0,92; вода 11,40-12,00, используемая добавка состоит из следующих компонентов, мас. %: золь гидроксида железа III Fe(OH)₃ с плотностью ρ=1,021 г/см³ и значением водородного показателя рН=4,0 - 5,0 99,83-99,87; сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ 0,13-0,17 [Патент RU №2332388, С04В 40/00, С08В 22/08 С04В 111/20, С04В 111/27, 2008].

Недостатком данного технического решения является пониженная трещиностойкость и пониженная коррозионная стойкость бетона относительно сульфатной и магнезиальной коррозии.

Известна смесь для изготовления высокопрочного бетона, которая содержит мас. %: портландцемент 43,58-47,08; песок 14,43-15,69; щебень 25,70-27,84; кремнеземсодержащий компонент, представленный золем кремниевой кислоты H₂SiO₃ с ρ=1,014 г/см³, водородным показателем рН=5,0-6,0 0,25-0,27, добавка калий железисто-синеродистый K₄Fe(CN)₆ 0,44-0,47, вода 12,1-12,15 [Патент RU №2256630, С04В 28/04, С04В 111/20, 2005].

Недостатком данного технического решения является пониженная трещиностойкость и пониженная коррозионная стойкость бетона относительно сульфатной и магнезиальной коррозии.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является смесь для изготовления высокопрочного бетона, содержащая: портландцемент, песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент, представленный золем кремниевой кислоты H₂SiO₃ с ρ=1,014 г/см³, водородным показателем рН=5-6, добавку - «ДЭЯ - М», воду при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент 44,4-48,0; песок 20,0-22,2; щебень 20,0-22,2; указанный кремнеземсодержащий компонент 0,43-0,48; добавка «ДЭЯ - М» 0,43-0,48; вода 10,34-11,04 [RU №2256629, С04В 28/04, С04В 111/20, 2005 г.].

Недостатком данного технического решения является пониженная трещиностойкость и пониженная коррозионная стойкость бетона относительно сульфатной и магнезиальной коррозии.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание высокопрочного бетона с повышенной трещиностойкостью и повышенной коррозионной стойкостью бетона относительно сульфатной и магнезиальной коррозии.

Поставленная задача достигается тем, что высокопрочный бетон, полученный из смеси, включающей портландцемент, песок, щебень, добавку и воду, согласно изобретению в качестве песка содержит песок с модулем крупности 2,2-3,2, в качестве щебня содержит щебень гранитный или гравийный фракции 3-25 мм, дополнительно содержит доменный шлак с удельной поверхностью не менее 280 м²/кг и значением водородного показателя рН=7-13, а также содержит реакционно-активный наполнитель, состоящий из метакаолина, тонкодисперсного полимера на основе эфира аллила и ангидрита малеиновой кислоты и нитрата калия при следующем соотношении компонентов, мас. %:

при следующем соотношении компонентов смеси, мас. %:

В качестве добавки бетон содержит раствор поликарбоксилатных полимеров, модифицированных органическими и неорганическими веществами, а также нанодисперсиями гидратного диоксида кремния.

Сущность изобретения.

Совместное использование добавки на основе раствора поликарбоксилатных полимеров, модифицированных органическими и неорганическими веществами, а также нанодисперсиями гидратного диоксида кремния (добавка типа «Наноактив-М») в сочетании с реакционно-активным наполнителем оказывает гиперпластифицирующее действие на бетонную смесь, что способствует уплотнению твердеющего бетона, параллельно с этим присутствие в указанном реакционно-активном наполнителе нитрата калия, способствует вовлечению в гидратационные процессы повышенного количества молекул основных минералов портландцемента, в результате высокой подвижности катиона калия (I), имеющего большой радиус и как следствие маленькую сольватную оболочку, что способствует диспергированию конгломератов основных минералов портландцемента, которое приводит к увеличению количества молекул основных минералов портландцемента, имеющих возможность к взаимодействию с водой, обеспечивая увеличение образования гидратных фаз, например, тоберморитоподобных гидросиликатов кальция, типа CSH(I), и как следствие, приводит к образованию гидратных фаз в повышенном количестве, которые эффективно уплотняют формирующуюся структуру бетона.

В результате формирования плотной структуры тепло, выделяющееся в процессе экзотермических реакций гидратации, аккумулируется внутри твердеющей системы, оказывая эндотермическое действие на бетонную смесь и способствует вовлечению в гидратационные процессы малоактивных фаз портландцемента, таких как двухкальциевый силикат (2CaO⋅SiO₂) и основных минералов тонкомолотого доменного шлака, таких как окерманит (2CaO⋅MgO⋅2SiO₂), способствуя образованию труднорастворимых кальций-магниевых алюмосиликатов, в присутствии реакционно-активного наполнителя в состав которого входят метакаолин, основной фазой которого является гидроалюмосиликат, Al₂O₃⋅2SiO₂⋅2H₂O. Кальций-магниевые алюмосиликаты характеризуются волокнистой структурой.

Кроме этого, компоненты добавки, такие как золь кремниевой кислоты, представляющие собой нанодисперсии гидратного диоксида кремния SiO₂⋅nH₂O, за счет повышенной поверхностной энергии наночастиц, активно вступают в реакции синтеза с образующейся гидролизной известью и тоберморитоподобными гидросиликатами кальция, типа CSH(I), образуя низкоосновные гидросиликаты, обладающие, в основном, удлиненными волокнами или иглами. Образующиеся кальций-магниевые алюмосиликаты и низкоосновные гидросиликаты кальция оказывают микроармирующее действие на формирующуюся структуру бетона и способствуют повышению его прочности на растяжение при изгибе и как следствие повышают трещиностойкость бетона. Полное связывание гидролизной извести в труднорастворимые гидросиликаты и образование труднорастворимых кальций-магниевых алюмосиликатов, в т.ч. и в результате использования трехкальциевого алюмосиликата кальция (3СаО⋅Al₂O₃), основного минерала портландцемента, повышают коррозионную устойчивость бетона относительно сульфатной и магнезиальной коррозии.

Заявляемая совокупность существенных признаков проявляет новое свойство при совместном использовании добавки (добавка типа «Наноактив-М») и реакционно-активного наполнителя, обеспечивая получение сверхсуммарного эффекта, состоящего в достижении гиперпластифицирующего эффекта, в повышении гидратационной активности смеси для высокопрочного бетона, а также образования новых гидратных фаз, представленных кальций-магниевыми алюмосиликатами и низкоосновными гидросиликатами кальция, имеющих волокнистую или игольчатую структуру, и, как следствие, микроармирующих структуру твердеющего бетона, и способствующих повышению трещиностойкости и коррозионной стойкости бетона относительно сульфатной и магнезиальной коррозии.

Состав данного бетона по каждому компоненту обусловлен следующим.

Содержание портландцемента нижне 8% не обеспечивает минимальную требуемую прочность бетона. Содержание портландцемента более 15% экономически нецелесообразно.

Эксперементально установлено, что доменный шлак в количестве 3,0-6,0%, обеспечивает частичную замену цемента, при сохранении требуемых свойств.

Содержание песка в количестве 33,9-36,0% и щебня в количестве 40,0-46,0% необходимо для обеспечения требуемых свойств бетона.

Добавка в указанных пределах обеспечивают стабильную прочность бетона, с учетом использования доменного шлака в качестве замены портланд цемента. Снижение содержания добавки приведет к снижению прочности бетона, а более высокое содержание добавки экономически нецелесообразно.

Минимальный уровень содержания воды обусловлен требуемой жидкоподвижностью бетона, а максимальный - временем набора прочности.

Заявляемое изобретение может быть использовано для изготовления высокопрочного бетона, используемого в промышленном и гражданском строительстве для объектов специального назначения.

Пример конкретного выполнения.

1. Приготовление реакционно-активного наполнителя:

1.1. Дозируют метакаолин, основной фазой которого является алюмосиликат, Al₂O₃⋅2SiO₂.

1.2. Дозируют тонкодисперсный полимер на основе эфира аллила и ангидрита малеиновой кислоты.

1.3. Дозируют нитрат калия

1.4. Компоненты, отдозированные по п. 1.1. - 1.3 транспортируют в смеситель лопастной и тщательно перемешивают до получения однородной дисперсной системы. Приготовленный реакционно-активный наполнитель транспортируют в накопительную емкость.

2. Приготовление сырьевой смеси для высокопрочного бетона:

2.1. Дозируют портландцемент;

2.2. Дозируют тонкомолотый доменный шлак с удельной поверхностью 380 м²/кг и значением водородного показателя рН=7-13, по ТУ 38.32.22.150-004-001-86-217-2018.

2.3. Дозируют песок с модулем крупности 2,2-3,2;

2.4. Дозируют гранитный щебень фракции 3-25 мм;

2.5. Дозируют комплексную добавку, представленную раствором поликарбоксилатных полимеров на основе метакриловой кислоты, модифицированных веществами органической и неорганической природы, а также нанодисперсиями гидратного диоксида кремния, входящих в состав золя кремниевой кислоты с плотностью ρ=1,021 г/см³, значением водородного показателя рН=3,5;

2.6. Дозируют воду;

2.7. Комплексную добавку, отдозированную по п. 2.5. транспортируют в отдозированную воду и перемешивают любым механическим способом.

2.8. Все компоненты, отдозированные по п. 2.1 - п. 2.7 и реакционно-активный наполнитель, приготовленный по п. 1.4. транспортируют в бетоносмеситель любой модификации, используемой на действующем производстве, до получения однородной, без комков, подвижной смеси, которую используют по назначению для изготовления конструкций из высокопрочного бетона и из которой изготавливают образцы-балочки размером 10×10×40 см, а также образцы кубы размером 10×10×10 см, которые хранят в нормальных условиях (при температуре t=20±2°C и влажности Wa≥95%) в течение 28 суток для определения прочности на сжатие, прочности на растяжение при изгибе по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» и по результатам испытаний расчетным путем определяют коэффициент трещиностойкости бетона. Для определения коррозионной стойкости бетона изготавливали образцы-призмы размером 4×4×16 см. Образцы подвергали испытанию в 3% растворе серной кислоты H₂SO₄ и 5% растворе хлорида магния MgCl₂ по ГОСТ 25881-83 «Бетоны химически стойкие. Методы испытаний».

Составы бетона и полученные результаты представлены в таблице 1 и таблице 2.

По результатам исследований, представленным в таблице 2, установлено, что трещиностойкость высокопрочного бетона по изобретению повышается на 19% относительно прототипа, а коррозионная стойкость бетона относительно сульфатной коррозии повышается на 20%, относительно магнезиальной коррозии на 19,0% по сравнению с прототипом.