Бетонная смесь для получения высокопрочного бетона различной плотности, способ ее получения, бетон и способ его получения

 

Изобретение относится к водной бетонной смеси, имеющей объем воздушных пор от 10 до 85%, предпочтительно от 20 до 85%, а также к бетону, имеющему однородную плотность и высокую прочность. В бетонную смесь добавляют водное анионное поверхностно-активное соединение, содержащее две группы сульфоновой кислоты общей формулы (R)_m-R₁-(SO₃M)₂, где R представляет собой алифатическую группу, содержащую 4-20 атомов углерода, m - целое число 1 или 2, причем суммарное число атомов углерода в группе или в группах R составляет 6-30, R₁ - ароматическая группа, содержащая по меньшей мере 2 ароматических цикла и 10-20 атомов углерода, и М предпочтительно представляет собой одновалентный катион или водород. Анионное соединение обладает воздухововлекающим действием и улучшает гомогенность бетонной смеси. Технический результат: бетон имеет однородную плотность и высокую прочность. 5 с. и 9 з.п. ф-лы, 6 табл.

Данное изобретение относится к водной бетонной смеси, в которой объем воздушных пор составляет от 10 до 85%, предпочтительно от 20 до 85%. При ее отверждении получают бетон, обладающий однородной плотностью и высокой прочностью. Это достигается посредством применения водного анионного поверхностно-активного вещества, содержащего две группы сульфоновой кислоты или ее соль. Анионное соединение обладает воздухововлекающим действием и улучшает гомогенность бетонной смеси.

При изготовлении бетона, особенно газобетона (ячеистого бетона) с низкой плотностью, например с плотностью менее 1600 кг/м³, трудно получить высокую гомогенность, однородную плотность и низкую усадку и, таким образом, высокую и воспроизводимую прочность. Предпринимались попытки улучшить стабильность смеси, а также образование воздушных пор и прочности отвержденной бетонной смеси добавлением вместе с другими добавками анионных поверхностно-активных веществ, таких как ксилолсульфонат, алкилсульфат, алкилэфирсульфат и олефинсульфонат, и полимерных соединений, содержащих группы сульфоновых кислот, таких как лигносульфонат, продукт реакции конденсации нафталинсульфоната и формальдегида и продукт реакции конденсации меламинсульфоната и формальдегида. Эти соединения обладают диспергирующим и стабилизирующим действием и повышают способность бетонной смеси подвергаться технологической обработке. Поверхностно-активные соединения с короткой цепью обладают особенно хорошим влиянием на образование воздушных пор и, следовательно, влияют также на морозостойкость бетона. Полимерные соединения влияют в первую очередь на стабильность, способность к перекачке насосом и эластичность (пластичность) бетонной смеси и позволяют снизить соотношение вода-цемент. Примеры этого метода раскрываются, например, в публикации WO 94/02428, US-A-4045236, US-A-4293341 и GB-A-2164328.

US-A-3468684 относится к добавке для цементирующих смесей, способной снижать соотношение вода-цемент, тиксотропию и воздухововлечение таких смесей. Добавка содержит в качестве одного из активных ингредиентов оксидибензолдисульфонатное соединение.

В публикации GB-A-717766 раскрывается способ получения пластичной цементной смеси, которая содержит реагент, снижающий поверхностное натяжение и состоящий по существу из одной или большего количества сульфоновых кислот или их солей общей формулы R₁(SO₃H)_x или R₁R₂SO₃H)_x, где R₁ представляет собой прямой или разветвленный алифатический радикал, содержащий от 8 до 20 атомов углерода; R₂ - ароматическое ядро; х - целое число от 1 до 3.

В Заявке Японии JP 61-163-155 также описывается получение цемента, имеющего плотность приблизительно 2400 и объем воздушных пор приблизительно 2%, посредством добавления к цементной смеси алкилполиоксипропиленсульфата или алкилдифенилэфирсульфоната предпочтительно имеете с солью продукта конденсации β -нафталинсульфоновой кислоты с формальдегидом, сульфонат-производным продуктом реакции конденсации меламина с формальдегидом, солью продукта реакции конденсации сульфированного креозольного масла (creosot oil) с формальдегидом или лигнинсульфонатом и продуктами их совместной конденсации с целью улучшения внешнего вида поверхностей бетона.

Наиболее близким аналогом к водной бетонной смеси, способной перекачиваться насосом и способу получения водной бетонной смеси, является водная бетонная смесь, способная перекачиваться насосом, имеющая объем воздушных пор и содержащая воздухововлекающие или газообразующие добавки, и способ приготовления ячеистобетонной смеси - водной бетонной смеси, способной перекачиваться насосом для возведения монолитных конструкций зданий, по патенту SU 1749431 А1, МПК С 04 В 38/10, опубл. 23.04.1990. Способ предусматривает загрузку в бетономешалку воды, добавки и цемента и перемешивание ингредиентов при вовлечении воздуха в гомогенную стабильную, содержащую воздух бетонную смесь.

Отличие предложенной смеси от известной состоит в количестве воздушных пор, отношении массы воды к массе цемента и виде добавки, что обусловливает однородную плотность и высокую прочность предлагаемого бетона.

Даже, если некоторые из вышеуказанных воздухововлекающих добавок обладают позитивным влиянием на прочность цемента при низких плотностях, в общем случае остается желательным дальнейшее повышение гомогенности бетона и, следовательно, его прочности, особенно при более низких плотностях.

В настоящее время неожиданно было установлено, что бетон, имеющий плотность 250-2200 кг/м³ и объем воздушных пор в интервале от 15 до 90%, предпочтительно от 20 до 85%, и высокую прочность, особенно при низких плотностях, может быть получен посредством его отливки из поддающейся перекачке водной цементной смеси, в которой объем воздушных пор составляет 10-85 об. % и которая содержит цемент, воду и анионное поверхностно-активное соединение, содержащее две группы сульфоновой кислоты общей формулы (R)_m-R₁-(SO₃M)₂, (I) где R - алифатическая группа, содержащая 4-20 атомов углерода, m - целое число 1 или 2, причем суммарное число атомов углерода в группе или в группах R составляет 6-30, R₁ - ароматическая группа, содержащая по меньшей мере 2 ароматических цикла и 10-20 атомов углерода, и М предпочтительно представляет собой одновалентный катион или водород. Обычно группа R₁ содержит только углерод и водород, но могут быть включены также атомы кислорода, например, в форме кетогрупп. Бетонная смесь может также содержать заполнитель для регулирования плотности или в качестве наполнителя. Анионное соединение обладает одновременно воздухововлекающим и стабилизирующим действием и обычно добавляется в количестве от 0,005 до 1,0% из расчета на массу цемента. Когда изготавливающийся цемент обладает низкими плотностями, например, менее 1600 кг/м³, но обычно более 300 кг/м³, что обычно соответствует объему воздушных пор 25-85 об.%, анионное соединение обычно добавляется в количестве 0,1-0,8% из расчета на количество цемента. Анионное соединение может также преимущественно применяться в том случае, когда образующийся цемент имеет плотности более 1600, например, до 2200 кг/м³. При более высоких плотностях может возникать необходимость добавлять заполняющие материалы, такие как песок и гравий. Старый строительный материал, например, в форме измельченного бетона также может преимущественно вводиться в бетонную смесь в соответствии с данным изобретением.

Поскольку бетон данного изобретения обладает исключительно высокой прочностью и стабильностью при заливке на различных основах, таких как опилки, песок и вода, и высокой воспроизводимостью, он очень хорошо подходит для изготовления легких бетонных конструкций без обязательного снижения объема конструкции. Газобетон может также использоваться для строительства оснований и дорог и в качестве легкого наполнителя для снижения или устранения оседании, улучшения стабильности или снижения горизонтального давления на несущие конструкции. Газобетон может также использоваться в качестве заполнителя вокруг трубопроводов, при засыпке канав трубопроводов и полостей.

В соответствии с данным изобретением водная бетонная смесь может быть получена смешением в процессе перемешивания основной смеси, содержащей большую часть цемента, большую часть воды и, необязательно, заполнитель, и дополнительной смеси, содержащей воду, цемент и анионное соединение и другие органические добавки. Отношение массы основной смеси к массе дополнительной смеси обычно находится в интервале значений от 20:1 до 2:1.

Другим удобным способом получения газобетона в соответствии с данным изобретением, обладающего плотностью менее 1600 кг/м³, предпочтительно ниже 800 кг/м³, является добавление в бетономешалку непрерывного или периодического действия воды, анионного поверхностно-активного вещества в соответствии с данным изобретением и, необязательно, смолы и других органических добавок и небольшого количества цемента, обычно 2-40, предпочтительно 5-30 мас.% из расчета на общее количество цемента (подходяще в указанной последовательности). Образующуюся композицию перемешивают в процессе увеличения объема до получения гомогенной стабильной бетонной смеси, содержащей воздух, после чего добавляют оставшийся цемент в одну или большее количество стадий или непрерывно и смешивают в процессе перемешивания. Жидкая, поддающаяся перекачке насосом газобетонная смесь после этого готова к разливу.

Еще одним способом, который подходит для получения газобетона, содержащего заполнитель, является смешение сначала воды, анионного поверхностно-активного соединения и, не обязательно, других органических добавок, а затем добавление образующейся жидкой смеси к смеси цемента и заполнителя при перемешивании, что приводит к получению высоких сил трения между зернами заполнителя, которые способствуют образованию гомогенной жидкой бетонной смеси. Плотность бетона, полученного в соответствии с этим способом, обычно составляет более 800 кг/м³ и предпочтительно от 1200 до 2100 кг/м³.

Конечная водная бетонная смесь, готовая к розливу, обычно содержит на 100 частей массы цемента 30-80 частей массы воды и 0,005-1 частей массы анионного поверхностно-активного соединения. Количество заполнителя определяется необходимой плотностью литого бетона и обычно находится в интервале 0-5 частей массы на часть массы цемента. При получении водной бетонной смеси могут добавляться также и другие добавки, отличные от анионного поверхностно-активного соединения, такие как другие воздухововлекающие добавки, например, различные виды смол; анионные поверхностно-активные соединения других типов, например соединения формулы I, II, III, IV и V, содержащие, однако, только одну сульфогруппу; и неионные соединения, например на основе окиси этилена, соединения, придающие смеси гидрофобные свойства; солюбилизирующие соединения, например этиленгликоли и их простые моно- или диметиловые или этиловые эфиры с молекулярной массой до 300; водоудерживающие добавки и добавки, повышающие пластичность (пластификаторы), например неионные простые эфиры целлюлозы и полиалкиленгликоли с молекулярными массами свыше 400.

Подходящим анионным соединением (I) являются соединения, в которых R представляет собой алифатическую группу, содержащую 6-14 атомов углерода, и R₁ представляет собой ароматическую группу, содержащую два ароматических цикла с углеводородной цепью из 10-17 атомов углерода. Примерами таких анионных соединений являются соединения следующих формул: где R₃ - алифатическая группа, содержащая 4-20 атомов углерода, М принимает указанные выше значения, R₂ - алифатическая группа, содержащая 1-14 атомов углерода, и n равно 0 или 1, предпочтительно 0. Группы R₃ и R₂ представляют собой, например, бутильную группу, гексильную группу, октильную группу, децильную группу или додецильную группу, которые могут быть прямыми или разветвленными. Кроме того, подходящая группа R₂ может представлять собой низшую алкильную группу, такую как метильная или этильная группа. Суммарное количество атомов углерода в группах R₃ и R₂ предпочтительно составляет от 8 до 24.

Соединения в соответствии с данным изобретением могут подходящим образом быть получены взаимодействием на первой стадии ароматического несульфированного ядра формулы R₁R_2+m, где R₁ принимает значения, указанные в формуле I, с соединением RC1 или RCOC1, где R принимает указанные выше значения, или с алкеном, содержащим 4-20 атомов углерода. Образующийся продукт реакции (R)_mR₁H₂ после этого может сульфироваться известным способом, не обязательно в присутствии солюбилизатора, такого как диметиловый эфир или диэтиловый эфир полиэтиленгликоля, имеющего молекулярную массу до 300. Обычно сульфирование может быть осуществлено без большой трудности до среднего показателя сульфирования примерно 1,5-1,95. Практические опыты показали, что небольшую часть, состоящую из моносульфированных продуктов, не обязательно отделять от дисульфированных продуктов, но образующийся смесевой продукт может использоваться без повторной технологической обработки при условии, что средний показатель сульфирования составляет по меньшей мере 1,5.

Цемент представляет собой гидравлический вяжущий материал, который при добавлении воды образует пасту и отверждается посредством гидратации. Отверждение зависит прежде всего от образования гидрата силиката кальция. Наиболее важной силикат-цементсодержащей композицией является портландцементный клинкер. При применении данного изобретения предпочтительно применение портландцемента благодаря его хорошим всесторонним свойствам. Он содержит в числе других компонентов трикальцийсиликат, дикальцийсиликат, трикальцийалюминат и кальцийалюминийферрит. Другими примерами цементов подходящих типов являются шлакопортландцемент, портландцемент на основе золы-уноса, пуццолановый портландцемент, цветной портландцемент, белый портландцемент, низкотермичный портландцемент и быстротвердеющий портландцемент, которые основаны на портландцементном клинкере.

Добавление синтетических или натуральных смол и их производных с молекулярными массами обычно ниже 10000 и числом омыления 100-250, особенно при более низких плотностях, т.е. при плотностях в интервале 300-1600 кг/м² , предпочтительно 300-1200 кг/м², приводит к дополнительному повышению прочности, водоотталкивающих свойств и гомогенности цемента. Добавление смол будет также придавать ячеистой структуре большую прочность и снижать образование каналов между ячейками (порами). Возможно даже получить отвержденный бетон, который может выдерживать или по существу снижать поступление воды и воздухововлечение посредством добавления легко диспергируемой смолы описанного выше типа в достаточном количестве. Смолы и их производные могут содержать одну или большее количество ароматических и/или алифатических групп, включающих по меньшей мере 12, предпочтительно 16-35 атомов углерода. Группы могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными. Предпочтительными являются смолы, имеющие кислотное число от 4 до 170 и число омыления от 150 до 175. Примерами подходящих смол являются различные смоляные кислоты, их смеси, такие как канифоль, и их димеризованные производные и полностью или частично омыленные, этерифицированные и/или гидратированные производные. Примерами подходящих гидроксильных соединений для этерификации являются метанол, гликоль, глицерин и пентаэритрол. Другими примерами являются модифицированные канифольные смолы, модифицированные с ненасыщенными жирными кислотами, такими как малеиновая кислота и ангидрид малеиновой кислоты, и их предпочтительно частично этерифицированные производные и фенолмодифицированная канифоль. Примерами подходящих фенолов являются 4-трет-бутилфенол, нонилфенол и 4,4'-дифенилолпропан (бисфенол А).

Существует большое количество коммерчески доступных синтетических или натуральных смол и их производных для применения в соответствии с данным изобретением. Такими смолами и их производными являются, например, Aquatac 6085-B1, Snowtac SE 380 G, Rondis DRS 70 S, Rondis DRS 80 P, Dynakoll VS50FS, Beviros 95, Peramin L и Vinsol NVX. Количество смолы, добавленной в бетонную смесь в соответствии с данным изобретением, обычно составляет 0-250%, предпочтительно 10-200% из расчета на массу дисульфоната.

Данное изобретение далее иллюстрируется с помощью примеров, приведенных в конце описания.

Кроме того, в опытах используются заполнители и смолы, приведенные в конце описания.

Пример 1
Для получения газобетона, имеющего плотность во влажном состоянии в интервале значений примерно 400-1000 кг/м³, используют следующую методику. Воду, анионное поверхностно-активное соединение, смолу и 17% от общего количества портландцемента в соответствии с табл. 1 загружают в цилиндрический смеситель объемом приблизительно 200 л. Компоненты смешивают со скоростью 250 об. /мин, в течение 30 с и получают газобетонную смесь, имеющую объем приблизительно 130 л. Затем непрерывно в течение 70 с добавляют остальное количество портландцемента при перемешивании со скоростью 110 об./мин. Перемешивание продолжают в течение дополнительных 320 с. Жидкую, поддающуюся перекачке насосом бетонную смесь затем разливают в формы для различных испытаний, после чего бетону дают отвердеть при комнатной температуре.

Определяют плотность бетонной смеси во влажном и в сухом состоянии, а также предел прочности на сжатие спустя 28 дней в соответствии с SS 137126 при глубине оформляющей полости 5 мм, если не указано другого, объемное содержание воздуха во влажном и сухом состоянии и средний диаметр пор в отвержденном состоянии. Получают результаты, приведенные в табл. 2.

Как видно из результатов, бетон, полученный в соответствии с данным изобретением, приводит к получению бетона с очень большими объемами воздушных пор и высокопрочного. Бетонная смесь, полученная с добавками, не входящими в область данного изобретения в соответствии с опытами А-Е, не может вспениваться и не стабилизируется.

Пример 2
Жидкие бетонные смеси получают в соответствии с методикой примера 1 с тем отличием, что ингредиенты и 30% портландцемента смешивают в лабораторном смесителе объемом 60 л при перемешивании со скоростью 470 об./мин, в течение 45 с. После этого добавляют остальное количество портландцемента в течение 45 с при перемешивании со скоростью 300 об./мин, с последующим дополнительным перемешиванием в течение 345 с с указанной скоростью. Получают бетонные смеси, приведенные в табл. 3.

Образующуюся бетонную смесь и свойства отвержденного бетона исследуют тем же способом, что и в примере 1. Получают результаты, приведенные в табл. 4.

Как видно из результатов, газобетон с плотностями в сухом состоянии приблизительно 300 мг/м³ может быть получен с удовлетворительной прочностью. Присутствие смолы приводит к более высокой плотности и соответственно более высокой прочности.

Пример 3
Газобетон, содержащий заполнитель, получают смешением в барабанном смесителе открытого типа объемом 150 л портландцемента и заполнителя и последующим добавлением жидкой смеси, содержащей анионное поверхностно-активное соединение и смолы в соответствии с табл. 4 при перемешивании со скоростью 41 об. /мин, в течение 7 мин. Однако в одном из опытов применяют смеситель свободного падения с объемом 3000 л и смешение проводят в течение 3 мин со скоростью 10 об./мин (см. табл. 5).

Образующуюся бетонную смесь и свойства отвержденного бетона исследуют в соответствии с методикой определения кубической прочности SS 137210, в то время как остальные свойства определяют способом, описанным в примере 1. Полученные результаты сведены в табл. 6.

Как видно из результатов, бетонные смеси 1-5 в соответствии с данным изобретением пенятся и приводят к получению отвержденного газобетона, обладающего высокой прочностью.

Формула изобретения

1. Водная бетонная смесь, способная перекачиваться насосом, имеющая объем воздушных пор и содержащая добавку, отличающаяся тем, что объем воздушных пор составляет 10-85 об. %, отношение массы воды к массе цемента находится в интервале значений от 0,40 до 0,80, а в качестве добавки она содержит анионное поверхностно-активное соединение формулы
(R)_m-R₁-(SO₃M)₂ (I),
где R представляет собой алифатическую группу, содержащую 4-20 атомов углерода;
m целое число 1 или 2, причем суммарное число атомов углерода в группе или в группах R составляет 6-30;
R₁ - ароматическая группа, содержащая по меньшей мере 2 ароматических цикла и углеводородную цепь из 10-20 атомов углерода;
М предпочтительно представляет собой одновалентный катион или водород.

2. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что анионное соединение имеет структуру, в которой R содержит 6-14 атомов углерода и R₁ содержит два ароматических цикла с углеводородной цепью из 10-17 атомов углерода и смесь имеет объем воздушных пор 20-85 об. %.

3. Смесь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что анионное соединение имеет одну из следующих формул:




где R₃ представляет собой алифатическую группу, содержащую 4-20 атомов углерода;
М принимает указанные выше значения;
R₂ представляет собой алифатическую группу, содержащую 1-14 атомов углерода;
n равно 0 или 1.

4. Смесь по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что она содержит 100 мас. ч. цемента; 0,005-1 мас. ч. анионного соединения по любому из пп. 1-3; 40-80 мас. ч. воды; 0-500 мас. ч. заполнителя; 0-250, предпочтительно 10-200 мас. % из расчета на массу анионного соединения - смолы с мол. м. менее 10000 и числом омыления 100-250.

5. Смесь по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что анионное соединение имеет формулу (II).

6. Бетон, полученный посредством отверждения бетонной смеси по любому из пп. 1-5, характеризующийся тем, что он имеет плотность 250-2200 кг/м³, а объем воздушных пор в нем составляет 15-90%.

7. Бетон по п. 6, характеризующийся тем, что он имеет плотность 300-1600 кг/м³ и дополнительно содержит 10-200 мас. % смол из расчета на массу анионного поверхностно-активного соединения.

8. Бетон, характеризующийся тем, что он содержит анионное соединение общей формулы
(R)_m-R₁-(SO₃М)₂, (I),
где R представляет собой алифатическую группу, содержащую 4-20 атомов углерода;
m целое число 1 или 2, причем суммарное число атомов углерода в группе или в группах R составляет 6-30;
R₁ - ароматическая группа, содержащая по меньшей мере 2 ароматических цикла и углеводородную цепь из 10-20 атомов углерода, и М представляет собой катион или водород и имеет объем воздушных пор 15-90, предпочтительно 20-85 об. %, отношение массы воды к массе цемента в смеси, из которой он получен находится в интервале значений от 0,40 до 0,80 и высокую прочность и однородность.

9. Бетон по п. 8, характеризующийся тем, что анионное соединение имеет формулу




где R₃ представляет собой алифатическую группу, содержащую 4-20 атомов углерода;
М принимает указанные выше значения;
R₂ представляет собой алифатическую группу, содержащую 1-14 атомов углерода и n равно 0 или 1.

10. Бетон по п. 8 или 9, характеризующийся тем, что он содержит анионное соединение формулы (II) и имеет плотность от 300 до 1600 кг/м³.

11. Бетон по п. 8 или 9, характеризующийся тем, что анионное соединение используют в сочетании со смолой, имеющей мол. м. ниже 10000 и число омыления 100-250, причем количество смолы составляет 10-200 мас. % из расчета на массу анионного соединения.

12. Способ получения водной бетонной смеси способной перекачиваться насосом, имеющей объем воздушных пор, включающий загрузку в бетономешалку воды, добавки и цемента и перемешивание ингредиентов при вовлечении воздуха в гомогенную стабильную, содержащую воздух бетонную смесь, отличающийся тем, что объем воздушных пор составляет 10-85 об. %, в качестве добавки используют анионное поверхностно-активное соединение для смеси по любому из пп. 1-3, возможно других органических добавок, цемент загружают в количестве 4-20 мас. % из расчета на общее количество цемента, а затем, в процессе перемешивания одностадийно или многостадийно добавляют остальное количество цемента, причем отношение массы воды к массе цемента составляет от 0,40 до 0,80.

13. Способ получения бетона, имеющего содержание воздушных пор 15-90, предпочтительно 20-85 об. %, характеризующийся тем, что бетон отлит из способной перекачиваться насосом водной бетонной смеси по любому из пп. 1-5, при этом количество анионного соединения составляет 0,005-1 мас. % из расчета на массу цемента.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что используют бетонную смесь по п. 12.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7