Бетонная смесь

Изобретение направлено на получение самоуплотняющихся высокопрочных бетонов с пределом прочности при сжатии не ниже 115 МПа, что соответствует классу В100 и выше, с улучшенными деформативными свойствами, характеризующегося значениями начального модуля упругости в диапазоне от 53 до 60 ГПа и сниженной величиной усадочных деформаций до 37,6⋅10^-5. Указанный технический результат достигается тем, что бетонная смесь содержит, мас. %: цемент - 11,4-30,8; дробь - 38,1-68,5; кварцевый песок - 1,1-12,9; стальная фибра - 2,2-5,1; добавка - 0,3-21,1; вода - остальное. В качестве добавки используют суперпластификатор на основе поликарбоксилатов или нафталин-формальдегидных поликонденсатов и активные и/или инертные минеральные добавки истинной плотностью от 2,2 до 5,0 г/см³, размером частиц не более 1,25 мм при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанный суперпластификатор - 0,3-0,5; минеральные добавки - 0,0-20,6, или в качестве добавки используют органоминеральные модификаторы типа МБ и инертные минеральные добавки при следующем соотношении компонентов, мас. %: органоминеральный модификатор - 4,4-9,4; минеральные добавки - 0,0-11,7. 2 табл.

 

Изобретение относится к самоуплотняющимся смесям для высокопрочных бетонов.

Известны смеси для высокопрочных бетонов, содержащие в своем составе цемент, пластифицирующие и минеральные добавки, мелкий и крупный заполнители, обладающие подвижностью по расплыву стандартного конуса 55-75 см и относящиеся к категории самоуплотняющихся [1].

Наиболее близкой по сути к предлагаемому техническому решению является смесь [2], содержащая цемент, органо-минеральный модификатор типа МБ, минеральный порошок, песок с М_кр=2,5-2,8 и щебень фракций 5-10 мм в следующих дозировках, кг/м (мас. %):

- цемент - 450-520 кг/м³ (18,5-21,4 мас. %);

- органо-минеральный модификатор - 90-130 кг/м (3,7-5,4 мас. %);

- минеральный порошок - 10-100 кг/м³ (0,4-4,1 мас. %);

- песок с М_кр=2,1-2,4 - 700-900 кг/м³ (28,8-37,0 мас. %);

- щебень фракций 5-10 мм - 750-950 кг/м³ (30,9-39,1 мас. %);

- вода - остальное.

Недостатком указанной смеси является то, что при высокой подвижности, которая характеризует ее как самоуплотняющуюся, и прочности бетона 110-115 МПа, соответствующей классу В100, деформативные свойства бетонов не высокие, что выражается в значениях модуля упругости не выше 46 ГПа и величине усадочных деформаций до 65,3⋅10^-5.

Техническая задача заключается в получении самоуплотняющихся высокопрочных бетонов с пределом прочности при сжатии не ниже 115 МПа, что соответствует классу В100 и выше, с улучшенными деформативными свойствами, которые выражаются значениями начального (статического) модуля упругости от 53 до 60 ГПа и в снижении величины усадочных деформаций до 37,6⋅10^-5.

Поставленная задача решается тем, что бетонная смесь, включающая портландцемент, добавку, заполнитель и воду, в качестве заполнителя содержит металлическую дробь и кварцевый песок с их максимальным размером 3,6 мм и стальную фибру длиной 12-25 мм при отношении длины фибры к максимальному размеру заполнителя 3,3-6,7 при следующем соотношении компонентов смеси, в мас. %:

- портландцемент - 11,5-30,7 мас. %;

- дробь - 38,1-68,5 мас. %;

- кварцевый песок - 1,1-12,9 мас. %;

- стальная фибра - 2,2-5,1 мас. %;

- вода - остальное.

А в качестве добавки используют суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов или нафталин-формальдегидных поликонденсатов и активные и/или инертные минеральные добавки истинной плотностью от 2,2 до 5,0 г/см³ с размером частиц не более 1,25 мм при следующем содержании, мас. %:

- указанный суперпластификатор - 0,3-0,5 мас. %;

- минеральные добавки- 0,0-20,6 мас. %;

или используют органо-минеральный модификатор типа МБ и инертные минеральные добавки при следующем содержании, мас%:

- модификатор МБ - 4,5-9,4 мас. %;

- минеральные добавки - 0,0-11,7 мас. %;

Примеры приготовления бетонной смеси и результаты испытаний с определением характеристик бетона приведены ниже.

1. Материалы для приготовления образцов смесей:

1.1. Цемент - портландцемент марки ЦЕМ I 52,5 (ГОСТ 31108-2003).

1.2. Заполнители:

- дробь чугунная фракции 0,3 мм (ГОСТ 11964-81);

- дробь чугунная фракции 0,8 мм (ГОСТ 11964-81);

- дробь стальная фракции 3,6 мм (ГОСТ 11964-81);

- кварцевый песок фракций до 3,0 мм (ГОСТ 8736-2014);

- фибра стальная прямого профиля, диаметром d=0,25 мм разной длины - 12, 20 и 30 мм (ТУ ВУ 400074854.628 «Фибра из стальной проволоки для армирования бетона»).

1.3. Добавки:

- суперпластификатор марки Sika ViscoCrete 5 New, соответствующий ГОСТ 24211-2008 и ТУ 2493-009-13613997-2011 с изменениями №1;

- органо-минеральный модификатор типа МБ, марки МБ 2-50С, содержащий микрокремнезем, золу уноса и суперпластификатор, соответствующий ГОСТ Р 56178-2014 и ТУ 5743-083-4685-4090-98;

- активные минеральные добавки (АМД) по ГОСТ Р 56592-2015:

микрокремнезем (МК) марки МКУ-85, соответствующий ТУ 5743-048-02495332-92 и ГОСТ Р 56178-2014.

зола-уноса (ЗУ) кислая, соответствующая ГОСТ 25818-91;

метакаолин (МКЛН), соответствующий требованиям, указанным в ГОСТ Р 56178-2014;

доменный гранулированный шлак (Ш), соответствующий ГОСТ 3476-74.

- инертные минеральные добавки (ИМД) по ГОСТ Р 56592-2015:

концентрат баритовый порошкообразный класса «Б» (КБ-3), истинной плотностью 5,0 г/см, соответствующий ГОСТ 4682-84;

минеральный порошок - молотый известняк марки МП-1, истинной плотностью 2,5 г/см³, соответствующий ГОСТ Р 52129-2003;

кварцевая мука, истинной плотностью 2,7 г/см, соответствующая ГОСТ 9077-82.

2. Приготовление смесей и методы испытаний

Приготовлена бетонная смесь по составу-прототипу с использованием цемента, инертной минеральной добавки, песка, щебня, модификатора, а также предлагаемые смеси с использованием кварцевого песка, дроби, фибры и разного сочетания добавок.

Образцы бетонных смесей готовили в смесителях принудительного действия. Объем замеса для каждой серии образцов 0,03 м.

При приготовлении предлагаемых бетонных смесей максимальный размер фракций заполнителя и стальной фибры подбирались таким образом, чтобы отношение длины стальной фибры к размеру минимальных фракций заполнителя (d) находилось в диапазоне от до

Оценивали следующие характеристики смесей и бетонов:

- подвижность бетонной смеси (осадка конуса) ГОСТ 10181-2014;

- расплыв смесей по стандартному конусу согласно ГОСТ 10181.1-81;

- сегрегационную устойчивость смесей, как по стандартной методике, по водоотделению, согласно ГОСТ 10181-2014, так и по нестандартной, специальной методике, которая приводится ниже;

- прочность бетонов на сжатие по образцам-кубам размером 100×100×100 мм в возрасте 28 суток при твердении в нормальных условиях (t=20±2°С, относительная влажность 95-100%) по ГОСТ 10180-2012;

- прочность бетонов на растяжение при изгибе по образцам-призмам размером 100×100×400 мм в возрасте 28 суток при твердении в нормальных условиях (t=20±2°С, относительная влажность 95-100%) по ГОСТ 10180-2012;

- начальный модуль упругости по образцам-призмам 100×100×400 мм по ГОСТ 24452-80;

- усадочные деформации по образцам-призмам 100×100×400 мм по ГОСТ 24544-81;

- плотность бетонной смеси по ГОСТ 10181-2014;

- сегрегационную устойчивость смесей, как по стандартной методике, по водоотделению, согласно ГОСТ 10181-2014, так и по нестандартной, специальной методике.

Специальная методика оценки сегрегационной устойчивости бетонных смесей заключается в следующем:

На жесткий гладкий металлический лист устанавливается блокировочное кольцо по EN 12350-12, внутрь которого устанавливается нормальный конус, соответствующий ГОСТ 10181.

Бетонная смесь укладывается в конус без штыкования, и определяется ее подвижность по расплыву конуса после растекания смеси с прохождением сквозь преграду - блокировочное кольцо (J - кольцо).

После растекания бетонной смеси отбираются порции смеси из центральной зоны (внутри кольца) и из двух диаметрально противоположных зон вне кольца, находящихся на периферии окружности расплыва.

Отобранные порции с уплотнением помещаются в мерные сосуды объемом 0,001 м³, после чего определяется разность значений плотности смеси внутри кольца (ρ₁) и среднего значения из двух измерений плотностей на периферии расплыва (ρ₂).

Смесь считается сегрегационно-устойчивой при условии, что разность плотностей проб (Δρ=ρ₁-ρ₂) не превышает 100 кг/м³.

Во всех остальных случаях бетонная смесь считается сегрегационно-неустойчивой.

Составы и свойства бетонных смесей и результаты испытаний бетонов приведены в таблицах 1 и 2.

3. Результаты испытаний

Как видно из результатов (табл. 1 и 2), бетонные смеси, включающие цемент, заполнитель, стальную фибру, добавки и воду, в предлагаемых соотношениях, обеспечивают получение бетонов плотностью от 3100 до 4530 кг/м (см. графу 9 табл. 2), прочностью на сжатие от 115,7 до 153,3 МПа (см. графу 11 табл. 2), начальным модулем упругости от 53 до 60 ГПа, величиной усадочных деформаций до 37,6⋅10^-5, что соответствует условиям технической задачи.

Однако технологические свойства указанных смесей - подвижность по расплыву стандартного конуса и сегрегационная устойчивость существенно отличаются. Так, при отсутствии в составе смеси стальной фибры или дозировке менее 100 кг/м³ при диаметре расплыва конуса 73-75 см сегрегационная устойчивость не обеспечивается (графы 15 и 16 табл. 2). Также не обеспечивается сегрегационная устойчивость смеси при введении в ее состав фибры длиной более 20 мм, т.е. 30 мм (графа 17 табл. 2).

Таким образом, для решения поставленной технической задачи с применением заполнителя из металлической дроби и кварцевого песка фракций до 3,6 мм следует использовать стальную фибру длиной не более 20 мм.

Средняя плотность предлагаемых смесей находится в диапазоне от 3135 до 4480 кг/м³.

Бетоны, полученные из предлагаемых смесей, отличаются высокой прочностью на сжатие, равной 115,7-153,3 МПа, и на растяжение при изгибе, равной 10,3-21,7 МПа.

Полученные результаты являются следствием совместного применения в качестве заполнителя металлической дроби с кварцевым песком, стальной фибры и добавок. Стальная фибра, обладающая плотностью, равной плотности заполнителя, и длиной, сопоставимой с диаметром заполнителя, выполняет функцию стабилизатора, предотвращающего сегрегацию бетонной смеси при растекании. При длине стальной фибры 12-20 мм и фракции заполнителя (d) до 3,6 мм при отношении по массе в диапазоне от 3,3 до 67 обеспечивается сегрегационная устойчивость самоуплотняющейся бетонной смеси.

Бетонная смесь предложенного состава решает поставленную техническую задачу - обладая высокой подвижностью, т.е. являясь самоуплотняющейся с расплывом конуса 65-75 см и сегрегационно-устойчивой, может легко перекачиваться насосами, обеспечивает получение бетонов плотностью от 3100 до 4530 кг/м³, прочностью на сжатие выше 115,7 МПа, что соответствует классу не ниже В100.

При этом значения модуля упругости бетонов одного класса по прочности на сжатие отличаются и находятся в широком диапазоне от 53 до 59,6 ГПа, а значения усадочных деформаций не превышают 37,6⋅10^-5.

Источники информации:

1. Современные строительные технологии. / Монография / под редакцией Головнева С.Г., Челябинск, 2010.

2. Каприелов С.С, Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С., Чилин И.А. О подборе составов высококачественных бетонов с органо-минеральными модификаторами. / Строительные материалы, 2017, №12. С. 58-63.

Бетонная смесь, содержащая портландцемент, добавку, заполнитель и воду, отличающаяся тем, что в качестве заполнителя содержит металлическую дробь и кварцевый песок с их максимальным размером 3,6 мм и стальную фибру длиной 12-25 мм при отношении длины фибры к максимальному размеру заполнителя 3,3-6,7 при следующем соотношении компонентов смеси, мас. %:

- портландцемент - 11,5-30,7;

- дробь - 38,1-68,5;

- кварцевый песок - 1,1-12,9;

- фибра - 2,2-5,1;

- добавка -0,3-21,1

- вода - остальное,

а в качестве добавки в бетонной смеси используют суперпластификатор на основе поликарбоксилатов или нафталин-формальдегидных поликонденсатов и активные минеральные добавки и/или инертные минеральные добавки истинной плотностью от 2,2 до 5,0 г/см³ с размером частиц не более 1,25 мм при следующем содержании, мас. %:

- указанный суперпластификатор - 0,3-0,5;

- минеральные добавки - 0,0-20,6,

или используют модификатор типа МБ и инертные минеральные добавки при следующем содержании, мас. %:

- модификатор МБ - 4,4-9,4;

- минеральные добавки - 0,0-11,7.