Высокопрочный бетон на основе композиционного вяжущего
Владельцы патента RU 2738151:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва» (RU)
Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при производстве конструкций и изделий из бетона на цементном вяжущем для зданий и сооружений гражданского, промышленного и специального назначения. Высокопрочный порошково-активированный бетон содержит композиционное вяжущее на основе портландцементного клинкера в количестве 70 мас.%, тонкоизмельченного конвертерного шлака – 26 мас.%, двуводного гипса – 3 мас.% и пиросульфата натрия – 1 мас.%, наполнитель - тонкоизмельченный порошок кварца, известняка и т.п. с удельной поверхностью 600 м2/кг, заполнитель - кварцевый песок фракции 0,63-5,0 мм, гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» и воду затворения. В качестве воды затворения содержит активированную воду, прошедшую электрохимическую и электромагнитную активацию с введением окисно-гидроокисных соединений цинка в количестве 8…39 г/м3. Технический результат заключается в создании высокопрочного порошково-активированного бетона с пониженным расходом цементного клинкера и повышенными показателями ударной прочности и биологической стойкости за счет рационально подобранного состава, включающего композиционное вяжущее и активированную воду затворения. 3 табл.
Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при производстве конструкций и изделий из бетона на цементном вяжущем для зданий и сооружений гражданского, промышленного и специального назначения, в том числе зданий и сооружений к конструкциям которых предъявляются высокие требования по биологической стойкости и ударной прочности.
Известен способ приготовления бетонной смеси, заключающийся в предварительном перемешивании 50 % расчетного количества цемента с водой затворения, содержащей суперпластификатор – Реламикс ПК, и механохимической активации в роторно-пульсационном аппарате с числом оборотов рабочего органа 5000 об/мин в течение 2 мин, с последующим перемешиванием оставшейся части цемента и заполнителей (RU 2552263, МПК C04B 40/00, C04B 28/04, C04B 24/00, опубл. 10.06.2015).
Технический результат известного способа заключается в повышении прочности, морозостойкости и водонепроницаемости, но заявленные показатели прочности не достигают уровня высокопрочных бетонов. Отсутствуют показатели биостойкости и ударной прочности. Эффект снижения расхода цемента не установлен.
Известен способ приготовления и укладки строительных растворов, включающий смешивание цемента, наполнителя и воды затворения. Раствор приготавливают на активированной воде и укладывают на предварительно смоченную активированной водой поверхность. Активация происходит в результате воздействия на воду звуковых колебаний в диапазоне частот 100-140 кГц при мощности излучателя 9-27 Вт в течение 3-4 ч (RU 2380344, МПК C04B 40/00, C02F 1/34, опубл. 27.01.2010).
Составы, рассмотренные в известном решении, не относятся к высокопрочным бетоном. Отсутствуют показатели биостойкости и ударной прочности. Эффект снижения расхода цемента не достигнут.
Известен способ приготовления бетонной смеси, включающем перемешивание части расчетной дозы жидкости затворения с цементом в смесителе-активаторе, введение оставшейся части расчетной дозы жидкости затворения в бетоносмеситель с заполнителем, последующее введение полученной в смесителе-активаторе суспензии в бетоносмеситель и окончательное перемешивание полученной смеси, в качестве жидкости затворения используют воду, которую предварительно заливают в смеситель-активатор в объеме (40÷70) % от расчетной (рецептурной) дозы жидкости затворения, которую в процессе заливки в смеситель-активатор активируют, для чего пропускают со скоростью (1÷2) м/с через поперечное магнитное поле, напряженность которого лежит в диапазоне (500÷2000) Э, затем, после заливки в смеситель-активатор, упомянутую жидкость подвергают дополнительной вторичной активации путем ее кавитационной дезинтеграции, для чего на нее воздействуют ультразвуком, частота которого лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне низких частот от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см2 до 2,5 Вт/см2, причем в процессе кавитационный дезинтеграции жидкости затворения в нее засыпают и перемешивают цемент, при этом одновременно с заливкой жидкости затворения в смеситель-активатор также заливают оставшуюся от расчетной (рецептурной) дозы часть жидкости затворения в бетоносмеситель с заполнителем, в качестве которой используют воду, которую в процессе ее заливки в бетоносмеситель с заполнителем омагничивают, для чего ее также пропускают со скоростью (1÷2) м/с через поперечное магнитное поле, напряженность которого лежит в диапазоне (500÷2000) Э, затем после перемешивания суспензии – цементного теста в смесителе-активаторе в течение 1-1,5 мин, ее переливают в бетоносмеситель и полученную смесь окончательно перемешивают в течение 1,5-2 мин (RU 2496748, МПК C04B 40/00, опубл. 27.01.2013).
Известный способ позволяет ускорить твердение смеси и повысить его прочность, но при этом отсутствуют данные о прочностных показателях бетона. Отсутствуют показатели биостойкости и ударной прочности. Эффект снижения расхода цемента не установлен.
Известна биоцидная добавка для бетонов и строительных растворов, содержащая в качестве активного компонента биоактивный сложный эфир на основе монозамещенного полиэтиленгликоля, при этом она содержит смесь моно- и бисэтерифицированного полиалкиленоксида и неорганического производного серной кислоты (RU 2527439, МПК C04B 24/02, C04B 103/67, опубл. 27.08.2014).
В известном способе не рассматриваются вопросы снижения количественного содержания цементного вяжущего и применения добавки в составах высокопрочных бетонов. Отсутствуют показатели ударной прочности.
Известно из уровня техники биоцидная добавка для бетонов и строительных растворов, которая в качестве активного компонента содержит биоактивный сложный эфир на основе монозамещенного полиэтиленгликоля, при этом она содержит смесь моно- и бисэтерифицированного полиалкиленоксида и неорганического производного серной кислоты (RU 2631270, МПК C04B 7/153, C04B 18/14, C04B 14/04, опубл. 20.09.2017).
Недостатком данного технического решения является отсутствие данных о показателях биологической стойкости и ударной прочности. Отсутствуют данные о возможности применения предлагаемого вяжущего для высокопрочных бетонов.
Также известен высокопрочный бетон, содержащий портландцемент, песок, щебень, золь Fe(OH)3 с плотностью ρ=1,018 г/см3, рН 4,5-5,5, воду (RU 2323910, МПК C04B 28/04, C04B 22/06, C04B 111/20, опубл. 10.05.2008).
Известное решение позволяет повысить прочностные показатели в 28-ми суточном возрасте и ударную прочность высокопрочного бетона. Недостатком данного технического решения является отсутствие данных о показателях биологической стойкости. Показатели прочности рассматриваемых составов бетона недостаточно высокие.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является высокопрочный мелкозернистый бетон на основе композиционного вяжущего с использованием техногенного сырья шамота, содержит портландцемент, активную добавку, наполнитель, заполнитель, пластифицирующую добавку и воду; в качестве активной добавки используется глиноземистый цемент и микрокремнезем; в качестве наполнителя – техногенный материал шамот с удельной поверхностью 450-500 м2/кг; в качестве заполнителя – кварцевый песок фракции 0,63-1,25 мм и отсев дробления кварцитопесчаника фракции 1,25 мм; в качестве пластифицирующей добавки – гиперпластификатор Melflux 2651 F и воду (RU 2625410, МПК С04B 28/04, C04B 14/06, C 04B 18/12, C04B 24/26, C04B 103/32, C04B 111/27, опубл. 13.07.2017).
Известное решение позволяет получить в известных пределах высокопрочный мелкозернистый бетон с применением техногенного материала шамота в качестве наполнителя, обладающий низким расходом портландцемента в составе сырьевой смеси, низким водопоглощением, при сохранении его высокой прочности и плотности. Недостатком прототипа является отсутствие показателей биологической стойкости и ударной прочности. Снижение содержания вяжущего в составах удовлетворительное.
Технический результат заключается в создании высокопрочного порошково-активированного бетона с пониженным расходом цементного клинкера и повышенными показателями ударной прочности и биологической стойкости за счет рационально подобранного состава, включающего композиционное вяжущее и активированную воду затворения.
Сущность изобретения заключается в том, что высокопрочный бетон содержит композиционное вяжущее из смеси включает вяжущее, кварцевый песок, наполнитель, гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» и воду затворения. Вяжущее содержит, мас.%: портландцементный клинкер 70, тонкоизмельченный конвертерный шлак 26, двуводный гипс 3 и пиросульфат натрия 1, кварцевый песок используют фракции 0,63-5,0 мм, в качестве наполнителя содержит тонкоизмельченный порошок кварца или известняка с удельной поверхностью 600 м2/кг, в качестве воды затворения используют активированную воду, с введением окисно-гидроокисных соединений цинка в количестве 8…39 г/м3, прошедшую электрохимическую и электромагнитную активацию при плотности тока в камере электрохимической активации 5,65…43,55 A/м2 и напряженности электромагнитного поля в рабочих зазорах камеры электромагнитной активации 24…135 кА/м, при следующем соотношении компонентов смеси, мас.%:
| Указанное вяжущее | 23,13 |
| Наполнитель | 23,4-23,5 |
| Кварцевый песок | 44,6 |
| Указанный гиперпластификатор | 0,21 |
| Вода затворения | остальное |
В табл. 1 представлены рекомендуемые режимы и их параметры для приготовления активированной воды затворения, в табл. 2 – составы высокопрочного порошково-активированного бетона, в табл. 3 – результаты испытаний порошково-активированного бетона.
Для изготовления композиционного вяжущего могут быть использованы следующие компоненты: портландцементный клинкер ОАО «Мордовцемент» (3СаО·SiO2 59-63 %; 2СаО·SiO2 18-18 %; 3СаО·Аl2О3 6-7,5 %; 4СаО·Аl2O3·Fе2О3 11-12 %), тонкоизмельченный конверторный шлак (ГОСТ 5578-94), двуводный гипс второго сорта Порецкого месторождения (ГОСТ 4013-82), пиросульфат натрия (ГОСТ 11683-76). Способ изготовления композиционного вяжущего заключается в следующем. Производят весовую дозировку компонентов. Затем в помольном агрегате производят совместный размол цементного клинкера, тонкоизмельченного конверторного шлака, двуводного гипса и пиросульфата натрия до удельной поверхности 300-400 м2/кг. Для изготовления бетона в качестве наполнителя могут быть использованы тонкоизмельченный порошок кварца или известняка с удельной поверхностью 600 м2/кг по ГОСТ, в качестве заполнителя – кварцевый песок фракции 0,63-5,0 мм по ГОСТ 8736-2014. Применяют гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» – поликарбоксилатный эфир третьего поколения, производства компании Degussa Constraction Polymers, SKW Trostberg, Германия.
В качестве активированной воды затворения используют электрохимически и электромагнитно-активированную воду, соответствующую требованиям ГОСТ 23732-2011. Активация воды затворения цементных композиций производится с использованием установки для безреагентной обработки водных систем УПОВС2-5.0 «Максмир» (RU 74911, МПК C02F 9/00, опубл. 20.07.2008). Данная установка представляет собой многоконтурную программирующую систему, содержащую в самой себе три циркуляционных контура, способных обеспечить эффект на безвозвратных потоках и позволяющая совершенствовать технологический процесс приготовления смеси без существенных изменений используемых технологических линий. Обработку воды затворения производят в камерах электрохимической и электромагнитной активации установки за счет пропускании в них потока воды, используемой в дальнейшем в качестве воды затворения, а отбор воды – на выпускном трубопроводе. С целью достижения высоких стабильных значений степени активации воды затворения и получения ее с заданными свойствами в зависимости от физико-химических свойств обрабатываемой воды и производительности используют гибкую настройку установки. Режим работы установки может быть выбран по параметрам плотности электрического тока в камере электрохимической активации j в пределах 5,65…43,55 A/м2 и напряженности электромагнитного поля в рабочих зазорах камеры электромагнитной активации Н в пределах 24…135 кА/м. Рекомендуемые режимы и их параметры представлены в табл. 1.
В заявленном изобретении в процессе активации в воду затворения вводят окисно-гидроокисные соединения цинка в количестве 8…39 г/м3, образующиеся при ее прохождении между электродами электролитического модуля, один из электродов которого изготовлен из цинка, анодно-растворяющегося с образованием с гидроксид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярных гидроокисных наноструктур, содержащие в связанном виде ионы цинка (табл. 1). Содержание ионов в воде определяют аналитическим способом по известной методике (Руководство по химическому и технологическому анализу воды. М.: Стройиздат, 1973. – 306 с.).
Изготовлено три состава, предлагаемых в качестве примера, высокопрочного порошково-активированного бетона, состоящего из композиционного вяжущего, наполнителя, заполнителя, гиперпластификатора и активированной воды затворения (табл. 2).
Способ изготовления высокопрочного порошково-активированного бетона заключается в следующем. Производят весовую дозировку компонентов. Затем в бетоносмеситель вводят отмеренное количество композиционного вяжущего, активированную по установленным режимам работы установки воду затворения, гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F», кварцевый песок фракции 0,63-5,0 мм, порошок тонкоизмельченного известняка с удельной поверхностью. 600 м2/кг и полученную сырьевую смесь тщательно перемешивают в течение 3 мин.
Для проведения исследований из приготовленной сырьевой смеси формуют образцы-кубы размерами 15×15×15 см путем заполнения стандартных форм 2ФК-150 по ГОСТ 10181-2014. Время выдержки в формах 24 ч. После распалубливания образцы помещают в камеру с нормальными тепло-влажностными условиями твердения на 28 сут. Затем образцы высокопрочного порошково-активированного бетона испытывают на прочность при сжатии по ГОСТ 10180.
Испытания при ударе проводят падающим грузом методом ASTM D7136 с помощью вертикального копра. Образцы для испытаний в виде пластин 150×100×10 мм изготавливают в специальных формах или выпиливают из образцов-кубов бетона. Напряженно-деформированное состояние материалов при проведении испытаний оценивают показателем максимальной контактной силы, при которой происходит разрушение.
Испытания на биостойкость проводят по ГОСТ 9.049-91 методом 1 и 3. В качестве тест-организмов используют следующие виды плесневых грибов: Aspergillius niger, A. flafus, A. terreus, Penicillium cuclopium, P. funiculosum, P. chrysogenum, Paecilomyces varioti, Chaetomium globosum, Trichoderma viride.
Полученные результаты приведены в табл. 3.
Результаты исследований подтверждают, что технический результат заявленного изобретения достигается за счет аддитивности эффектов применения комплекса мероприятий по улучшению прочностных показателей бетона и его биологической стойкости и ударной прочности. Предлагаемые в изобретении составы содержат рационально-подобранную высокотекучую реологическую матрицу с низким пределом текучести при минимуме содержания воды и низким удельным расходом вяжущего на единицу прочности (Высокоэффективные порошково-активированные бетоны различного функционального назначения с использованием суперпластификаторов / В. И. Калашников, Е. В. Гуляева, Д. М. Валиев [и др.] // Строит. материалы. – 2011. – № 11. – С. 44–47, Калашников В. И. Высокопрочные бетоны нового поколения / В. И. Калашников, И. В. Ерофеева // Materials of the XII International scientific and practical conference «Science without borders». – Sheffield, 2016. – Р. 82–84, Калашников В. И. Высокопрочные бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности / В. И. Калашников, В. М. Володин, И. В. Ерофеева // Материалы Международной научно-практической конференции «Vedeckypokroknaprelomutysyachalety». – Praha, 2015. – С. 65–67).
Высокие показатели биологической стойкости высокопрочного бетона обеспечивает применение в составах биоцидного композиционного вяжущего (RU 2491239, МПК С04В 7/52, опубл. 27.08.2013).
Изменение структуры матрицы порошково-активированного бетона за счет наполнения реологически активным дисперсным порошком известняка обеспечивает диссипацию энергии в объеме материала за счет многократно большей энергии деформирования и разрушения по сравнению с прототипом (V. I. Travush, N. I. Karpenko, V. T. Erofeev, V. D. Cherkasov, D. V. Emelyanov, I. V. Erofeeva. Impact strength of underground cement materials. MATEC Web of Conferences (GCCETS 2018). Vol. 265, 01012 (2019). URL: https://doi.org/10.1051/mateccof/201926501012).
Электрохимически и электромагнтно-активированная вода затворения в свою очередь способствует улучшению биологической стойкости и реологических свойств высокопрочных бетонов. Действие электромагнитного поля способствует деформации и (или) разрушению водородных связей между молекулами воды в аквакомплексах (кластерах) и, вследствие этого, изменению величины поверхностного натяжения воды. Электрохимическая активация основана на свойстве растворов, подвергнутых электрохимическому воздействию, переходить в неравновесное состояние, проявляющих при этом каталитическую активность и повышенную реакционную способность в окислительно-восстановительных, кислотно-основных и других сопряженных с ними, реакциях. За счет введения в раствор ионов цинка в результате электрохимического растворения электродов, обладающих перманентным дипольным моментом, появляется возможность способствовать возникновению центров кристаллизации. Получающиеся при этом соединения, находящиеся в ультрадисперсной фазе (1…100 нм), определяют активность воды, используемой в процессах затворения строительных растворов. Дисперсная фаза оксидов и гидрооксидов цинка (анодные продукты) и гидрооксидов кальция и магния – за счет катодного восстановления молекул воды, образуют временно устойчивую систему центров кристаллизации в процессах перехода растворов цемента в фазу образования гелевых структур, способствующих образованию твердой фазы с более мелкокристаллической структурой.
В процессе затворения электрохимически обработанной водой бетонных смесей окисно-гидроокисные наноструктуры цинка органически связываются со структурными компонентами смесей, обеспечивая защиту от грибкового воздействия образующегося материала. Электрохимическая и электромагнитная активация способствует изменению физико-химического состава воды: pH, содержание различных ионов, смачивамость и т.д. Присутствие в жидкой фазе цементного теста различных ионов и молекул, поступающих в систему в результате воздействия электромагнитным и электрическим полями на воду затворения, определенным образом влияет не только на структуру воды затворения, но и на процессы адсорбции, растворения и поверхностной гидратации образующейся твердой фазы, на свойства самого цементного композита (Теоретическое обоснование получения бетонов на основе электрохимически- и электромагнитноактивированной воды затворения / Ю. М. Баженов, В. Т. Фомичев, В. Т. Ерофеев, С. В. Федосов, А. А. Матвиевский, А. К. Осипов, Д. В. Емельянов, Е. А. Митина, П. В. Юдин // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2012. Вып. 2 (22). URL:http://vestnik.vgasu.ru/attachments/1_BazhenovFomichev-2012_2(22).pdf, Фомичев В. Т., Ерофеев В. Т., Емельянов Д. В., Матвиевский А. А., Митина Е. А. Роль продуктов анодных процессов в ходе электромагнитной активации воды // Фундаментальные исследования. 2015. № 2 (часть 6). С. 1194–1197, Nikolay Karpenko, Vladimir Erofeev, Denis Emelianov, Valery Fomichev, Alexey Bulgakov Technology, structure formation and properties of foam concrete on activated water of mixing / Proceedings of the Creative Construction Conference (2018) pp. 213–219. DOI 10.331/CCC2018-028).
Заявленный высокопрочный бетон на основе композиционного вяжущего с применением активированной воды затворения удовлетворяет всем поставленным задачам. Получен высокопрочный бетон со сниженным расходом цементного клинкера – 16,3 мас. % (прототип – 20,0 мас. %) и высокой прочностью при сжатии в возрасте 28 сут – 100,2…102,3 МПа (прототип – 81,5 МПа). Таким образом, по сравнению с известным решением предлагаемое позволяет получать высокопрочные бетоны с высокими показателями ударной прочности и биологической стойкости. Максимальная контактная сила при испытании на ударную прочность материала составляет 4323…4480 Н (прототип 3600 Н), а сами составы являются фунгицидными (прототип – негрибостоек).
Высокопрочный бетон на основе композиционного вяжущего из смеси, включающий вяжущее, кварцевый песок, наполнитель, гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» и воду затворения, отличающийся тем, что вяжущее содержит, мас.%: портландцементный клинкер 70, тонкоизмельченный гранулированный шлак 26, двуводный гипс 3 и пиросульфат натрия 1, кварцевый песок, используют фракции 0,63-5,0 мм, в качестве наполнителя содержит тонкоизмельченный порошок кварца или известняка с удельной поверхностью 600 м2/кг, в качестве воды затворения используют активированную воду, с введением окисно-гидроокисных соединений цинка в количестве 8…39 г/м3, прошедшую электрохимическую и электромагнитную активацию при плотности тока в камере электрохимической активации 5,65…43,55 A/м2 и напряженности электромагнитного поля в рабочих зазорах камеры электромагнитной активации 24…135 кА/м, при следующем соотношении компонентов смеси, мас.%:
| Указанное вяжущее | 23,13 |
| Наполнитель | 23,4-23,5 |
| Кварцевый песок | 44,6 |
| Указанный гиперпластификатор | 0,21 |
| Вода затворения | остальное |
