Быстродействующая бетонная смесь для ремонта строительных конструкций
Владельцы патента RU 2522588:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) (RU)
Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для ремонта строительных конструкций промышленных и гражданских сооружений. Технический результат заключается в получении бетона высокой ранней прочности при высоких показателях по морозостойкости, водонепроницаемости и ударной вязкости. Смесь содержит следующие компоненты, мас.%: общестроительный портландцемент ЦЕМ I 42,5 32,5-34,5, глиноземистый цемент 8,1-8,6, модифицированный по форме фракционированный и аппретированный отход производства горных предприятий 41,0-42,4, пластифицирующая добавка на основе поликарбоксилатных эфиров 0,20-0,25, активно-минеральная добавка микрокремнезем 4,0-4,5, полипропиленовая бикомпонентная фибра 0,03-0,05, вода остальное. 3 табл.
Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для ремонта строительных конструкций промышленных и гражданских сооружений.
Известно применение отсевов дробления щебня и других отходов переработки горных предприятий (далее отсев дробления) в бетонах для стабилизации гранулометрического состава с удалением частиц менее 0,16 мм (Анисимова Е.И., Зольникова Г.С. Опыт применения отсевов дробления в качестве мелких заполнителей для бетона // Тезисы докладов Всесоюзного совещания "Интенсификация производства нерудных строительных материалов" (г. Павловск, 20-22 сентября 1989 г.) / Центральное Воронежское обл. правление ВИТОстройиндустрия. - М.: Стройиздат. - 1989. - С.232-236).
Бетонные смеси, изготовленные с использованием обогащенного отсева дробления, обладают низкими показателями по водоудерживающей способности и способны к сендиментационному расслоению в отличие от бетонных смесей, изготовленных на основе природного песка.
Известны строительные бетоны, растворы и сухие строительные смеси (RU 2182137, C04B 28/02, публ. 10.05.02) для получения безусадочных цементных композиций различного назначения. Смесь получают смешиванием исходных компонентов в заданном соотношении, с применением специально изготовленной добавки на основе портландцемента, нафталинформальдегидного пластификатора, песка и расширяющегося компонента. Также для снижения усадочных деформаций в состав сухих строительных смесей вводится дисперсно-армирующий компонент до 2% от массы смеси. Все приведенные составы смесей разработаны для получения определенных строительно-технических характеристик в марочном возрасте (28 суток нормального твердения). При этом при применении данных сухих строительных смесей в зимний период предусматривается введение в состав добавки противоморозного компонента.
Известно, что для получения высокой ранней прочности и безусадочных композиций рекомендуется в качестве вяжущего в составах строительных материалов использовать глиноземистый цемент, который обладает интенсивной кинетикой твердения в первые сутки (Специальные цементы: Учебное пособие для вузов / Т.В. Кузнецова, М.М. Сычев, А.П. Осокин и др. - С.-Петербург: Стройиздат. СПб, 1997, - 315 с.). □
Но композиции, изготовленные с использованием глиноземистых цементов, обладают низким уровнем прочности в марочном возрасте. Данный факт препятствует широкому применению глиноземистых цементов для сухих строительных смесей, предназначенных для ремонта бетонных и железобетонных конструкций, изготовленных из высокопрочных бетонов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является использование отсевов дробления из изверженных пород: разделение их на фракции и подбор оптимального гранулометрического состава с содержанием частиц менее 0,16 мм - 15%, пустотности, не превышающей 38%, и Мкр, равного 2,5-3,0. Для обеспечения высоких строительно-технических характеристик готового продукта в состав мелкозернистых бетонов вводится пластифицирующая добавка C-3 и модификатор бетона МБ 10-01(RU 2284972, C04B 18/12, опубл. 10.10.2006.)
Недостатком данной разработки является определенное направление применения отсевов дробления изверженных горных пород в технологии мелкозернистых бетонных смесей, преимущественно для изготовления бетонов класса B10…B20. При этом не рассматриваются возможности получения бетонов класса свыше B30 с высокими эксплуатационными характеристиками. Также необходимо отметить, что в рассматриваемой разработке не определены возможности получения бетонов с интенсивной кинетикой набора прочности на ранних этапах твердения, особенно в первые часы после затворения (4 часа) и дисперсно-армированных бетонов полипропиленовой фиброй или иной другой.
Изобретение решает задачу получения бетона высокой ранней прочности (не менее 12,5 МПа через 4 часа после затворения) при высоких показателях по морозостойкости, водонепроницаемости и ударной вязкости.
Это достигается тем, что быстротвердеющая бетонная смесь для ремонта строительных конструкций, содержащая вяжущее, заполнитель, пластифицирующую добавку и воду, в качестве вяжущего содержит общестроительный портландцемент ЦЕМ I 42,5 и глиноземистый цемент, в качестве заполнителя используется модифицированный по форме, фракционированный и аппретированный отход производства горных предприятий с модулем крупности 3,07, пластифицирующая добавка выполнена на основе поликарбоксилатных эфиров, а также смесь дополнительно содержит активно-минеральную добавку микрокремнезем и полипропиленовую бикомпонентную фибру при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| общестроительный портландцемент ЦЕМ I 42,5 | 32,5…34,5 |
| глиноземистый цемент | 8,1…8,6 |
| модифицированный по форме, фракционированный и | |
| аппретированный отход производства горных | |
| предприятий | 41,0…42,4 |
пластифицирующая добавка на основе
| поликарбоксилатных эфиров | 0,20…0,25 |
| активно-минеральная добавка микрокремнезем | 4,0…4,5 |
| полипропиленовая бикомпонентная фибра | 0,03…0,05 |
| вода | остальное |
Содержание в быстротвердеющей бетонной смеси для ремонта строительных конструкций портландцемента ЦЕМ 42,5 и глиноземистого цемента позволяет обеспечить интенсивную кинетику твердения (структурообразования) смеси в первые часы после затворения водой и обеспечить получение высоких строительно-технических показателей на более поздних стадиях твердения. Соотношение между портландцементом ЦЕМ 42,5 и глиноземистым цементом подобрано, исходя из максимального синергетического эффекта получения высокой ранней прочности при минимальном содержании глиноземистого портландцемента.
Содержание общестроительного портландцемента свыше 34,5% приводит к деструкции готового продукта вследствие контракционной усадки и мало контролируемого образования гидратных новообразований на поздних стадиях твердения. Содержание общестроительного портландцемента менее 32,5% не позволяет достичь высоких строительно-технических характеристик готового продукта.
Содержание глиноземистого цемента в количестве 8,1…8,6% определено, исходя из следующего: при меньшем содержании не обеспечиваются требуемые физико-механические характеристики готового продукта после 4 часов твердения, при большем содержании прочностные физико-механические характеристики готового продукта на поздних стадиях твердения незначительны, так как глиноземистый цемент на поздних стадиях твердения (свыше 3 суток) характеризуется низкой активностью.
Использование модифицированного по форме фракционированного и аппретированного отхода производства предприятий, перерабатывающих изверженные горные породы, в качестве заполнителя позволяет снизить расход вяжущего за счет наименьшей пустотности, повысить прочность сцепления между камнем вяжущего и зерном заполнителя за счет предварительного аппретирования поверхности заполнителя поверхностно-активными полимерными веществами. Наименьшая пустотность достигается путем модифицирования формы зерна и фракционированием заполнителя. Модифицирование по форме зерна заключается в механической обработке зерна с целью получения кубовидной формы. Фракционирование направлено на создание постоянного во времени гранулометрического состава заполнителя (таблица 1).
Под модифицированием заполнителя по форме, фракционированием и аппретированием понимается следующее:
1) доизмельчение в дробилках ударного действия;
2) фракционирование и классификация в инерционных грохотах;
3) нанесение на поверхность путем распыления в грохоте раствора полиэфира жирных кислот (аппретирование).
В результате данных технологических операций частицы заполнителя приобретают кубовидную форму, заданный гранулометрический состав и поверхность, обеспечивающую повышенное сцепление с цементным камнем.
При содержании названного отхода свыше 42,4% не обеспечиваются высокие строительно-технические характеристики готового продукта на раннем этапе твердения (4 часа) и в возрасте 28 суток. Содержание отхода в смеси менее 41,0% приводит к деструктивным явлениям, особенно на поздних стадиях твердения и эксплуатации.
Присутствие в смеси пластифицирующей добавки на основе поликарбоксилатных эфиров позволяет снизить количество воды затворения, что, в свою очередь, приводит к увеличению ранней прочности и повышению строительно-технических свойств готового продукта. При содержании ее менее 0,20% не обеспечивается требуемое водоредуцирование и пластифицирование, при содержании свыше 0,25% наблюдается блокирование процессов гидратации на ранних стадиях твердения.
Введение в смесь активно-минеральной добавки микрокремнезем МК-85 способствует увеличению степени гидратации портландцемента и позволяет снизить содержание высокоосновных гидросиликатов кальция, а при взаимодействии с гидроокисью кальция образуется труднорастворимый гель низкоосновных гидросиликатов кальция, которые кольматируют поровое пространство камня вяжущего. В результате затвердевший бетон обладает более плотной структурой, которая более устойчива к коррозии под воздействием внешних факторов по сравнению с композициями, изготовленными на портландцементе.
Содержание активной минеральной добавки в количестве менее 4,0 мас.% не обеспечивает полноценное связывание гидроокиси кальция, при содержании ее выше 4,5% наблюдаются деструктивные явления, связанные с влажностной усадкой готового продукта, так как микрокремнезем обладает высокой водопотребностью.
Введение в смесь полипропиленовой бикомпонентной фибры позволяет увеличить предел прочности при изгибе и увеличить ударную вязкость готового продукта. Особенно это актуально при эксплуатации бетонов в покрытии и в основании дорог. Содержание фибры от 0,03 до 0,05% в смеси объясняться следующим: при меньшем содержании не достигаются высокие показатели по ударной вязкости и трещиностойкости, при большем - наблюдаются деструктивные явления, связанные с разупрочнением структуры готового продукта, так как модуль упругости фибры меньше модуля упругости готового продукта.
Под бикомпонентной полимерной фиброй понимается волокно сложного строения, включающее сердечник из высокомодульного полиэтилентерефталата (ПЭТФ) и низкомодульной оболочки из полипропилена, обеспечивающей повышенное сцепление с цементным камнем.
Смесь получают следующим образом.
Быстротвердеющая бетонная смесь для ремонта строительных конструкций изготавливается в два этапа. На первом этапе изготавливается сухая строительная смесь по следующей технологии: в смеситель, преимущественно принудительного действия, загружают предварительно взвешенные сухие компоненты изобретенной смеси, далее компоненты перемешиваются с целью усреднения, после чего происходит выгрузка сухой смеси из смесителя и фасовка в тару, преимущественно в бумажные мешки. Так для производства сухой смеси в количестве 100 кг необходимо иметь смеситель принудительного действия объемом 100…120 л и отдозировать компоненты бетонной смеси в следующем количестве, кг: общестроительный портландцемент - 37,860; глиноземистый цемент - 9,435; модифицированный по форме, фракционированный и аппретированный отход производства горных предприятий - 47,728; пластифицирующая добавка на основе поликарбоксилатных эфиров - 0,235; активно-минеральная добавка микрокремнезем - 4,660; полипропиленовая бикомпонентная фибра - 0,082.
На втором этапе, непосредственно на объекте строительства или реконструкции, сухую бетонную смесь затворяют водой до получения необходимой консистенции (марка подвижность П4 в соответствии с требованиями ГОСТ 7473-94). Например, для затворения 100 кг сухой смеси потребуется 17…19% воды от массы сухой смеси. Основные строительно-технические характеристики изобретенной быстротвердеющей бетонной смеси для ремонта строительных конструкций приведены в таблице 2.
| Таблица 1 | ||||||||
| Гранулометрический состав | ||||||||
| Материал | Полный остаток на контрольных ситах, % | Модуль крупности | Пустотность, % | |||||
| Номер сита | ||||||||
| 5,0 | 2,5 | 1,25 | 0,63 | 0,315 | 0,16 | |||
| Модифицированный по форме, фракционированный и аппретированный отход производства | 0 | 15,6 | 8,7 | 43,1 | 32,6 | 0 | 3,07 | 44 |
| Рядовой отход производства предприятий, перерабатывающих изверженные горные породы | 65,7 | 21,4 | 5,5 | 2,2 | 3,0 | 1,3 | 4,17 | 49 |
| Таблица 2 | ||||||
| Физико-механические свойства составов | ||||||
| Составы | Физико-механические свойства пенобетона | |||||
| Прочность при сжатии в возрасте, МПа | Морозостойкость | Водонепроницаемость | ||||
| 4 часа | 1 сутки | 3 суток | 28 суток | |||
| Заявляемый | 12,9 | 26,9 | 35,4 | 40,1 | F200 | W12 |
| Состав по патенту №2284972 | - | - | - | 55,0 | - | - |
| Состав из источника □ | - | 30,5 | 41,2 | 42,1 | F150 | W10 |
| Состав по патенту №2182137 | - | - | - | 30,0 | - | - |
Основные требования к модифицированному по форме, фракционированному и аппретированному отходу производства горных предприятий приведены в таблице 3.
| Таблица 3 | |||||||
| Гранулометрический состав | Содержание игловатых и лещадных зерен, % | Потеря массы при прокаливании, % | |||||
| Частные остатки на контрольных ситах, % | |||||||
| 5 | 2,5 | 1,25 | 0,63 | 0,315 | 0,16 | ||
| 0… 5,0 | 14,2…16,2 | 7,5… 9,6 | 40,9…43,8 | 30,5… 33,9 | 0… 2,5 | Не более 10 | Не более 0,2% |
При разработке новой быстротвердеющей смеси для ремонта строительных конструкций достигнуты следующие новые технические результаты.
Разработанная быстротвердеющая бетонная смесь обеспечивает получение бетонов с классом по прочности В 12,5 в течение 4 часов после затворения.
Готовый продукт (бетон) обладает высокими строительно-техническим характеристиками: марка по морозостойкости F200, марка по водонепроницаемости W12.
Быстротвердеющая бетонная смесь для ремонта строительных конструкций, содержащая вяжущее, заполнитель, пластифицирующую добавку и воду, отличающаяся тем, что в качестве вяжущего смесь содержит общестроительный портландцемент ЦЕМ I 42,5 и глиноземистый цемент, в качестве заполнителя используется модифицированный по форме, фракционированный и аппретированный отход производства горных предприятий с модулем крупности 3,07, пластифицирующая добавка выполнена на основе поликарбоксилатных эфиров, а также смесь дополнительно содержит активно-минеральную добавку микрокремнезем и полипропиленовую бикомпонентную фибру при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| общестроительный портландцемент ЦЕМ I 42,5 | 32,5-34,5 |
| глиноземистый цемент | 8,1-8,6 |
| модифицированный по форме, фракционированный и | |
| аппретированный отход производства горных | |
| предприятий | 41,0-42,4 |
| пластифицирующая добавка на основе | |
| поликарбоксилатных эфиров | 0,20-0,25 |
| активно-минеральная добавка микрокремнезем | 4,0-4,5 |
| полипропиленовая бикомпонентная фибра | 0,03-0,05 |
| вода | остальное |
