Разработанная композиция вяжущего для бетона, содержащая механо-химически модифицированный компонент, и способ получения указанной композиции
Настоящее изобретение относится к компактной и высокоплотной разработанной композиции вяжущего для бетона и к способу получения указанной композиции. Конкретнее, разработанная композиция вяжущего для бетона содержит по меньшей мере один механо-химически модифицированный компонент. Технический результат заключается в получении упрощенной быстросхватывающей смеси, улучшении вяжущих свойств, повышении прочностных характеристик. Разработанная композиция вяжущего для бетона содержит первый набор минерального вяжущего материала, содержащий гидравлический материал, необязательно, совместно с пуццолановым материалом; и второй набор минерального вяжущего материала, содержащий пуццолановый материал и материал пуццоланового активатора, причем второй набор минерального вяжущего материала имеет моду размера частиц (D2), не превышающую 1/3 от моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl). Способ получения разработанной композиции вяжущего для бетона включает смешивание первого количества первого набора минерального вяжущего материала со вторым количеством второго набора минерального вяжущего материала с получением разработанной композиции вяжущего для бетона, причем: первый набор минерального вяжущего материала содержит гидравлический материал, необязательно, совместно с пуццолановыми материалом; и второй набор минерального вяжущего материала содержит пуццолановый материал и материал пуццоланового активатора, причем второй набор минерального вяжущего материала имеет моду размера частиц (D2), не превышающую 1/3 от моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl). 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 2 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ:
Настоящее изобретение относится к компактной и высокоплотной разработанной композиции вяжущего для бетона и к способу получения указанной композиции. Конкретнее, разработанная композиция вяжущего для бетона содержит по меньшей мере один механо-химически модифицированный компонент.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ:
Бетон является одним из самых распространенных и широко применяемых строительных материалов в мире. Он в основном представляет собой композиционный материал, содержащий крупный и мелкий заполнитель и цемент. Затем добавляют воду для получения раствора и полученный бетонный раствор применяют для строительных целей. Применение бетона включает, без ограничения, прокладку дорог и тротуаров, строительство зданий, небоскребов, дамб, многоэтажных паркингов и многого другого.
Однако применение бетона представляет вредный для окружающей среды процесс, поскольку производство цемента вносит наибольший вклад в выбросы парниковых газов. Поэтому в настоящее время для замены цемента применяют некоторые другие компоненты, и предпринимают попытки получения менее вредных для окружающей среды бетонных смесей, без ухудшения свойств бетона.
Соединения, применяемые для замены цемента, включают пуццолановые материалы. Пуццоланы включают широкий класс соединений, представляющих собой соединения кремния или алюминия. Некоторые примеры пуццолановых материалов включают, в числе прочего, золу-унос, коллоидный кремнезем, гранулированный доменный шлак и метакаолин. Хотя указанные материалы сами по себе не придают бетону никаких свойств, очень тонко измельченные пуццолановые материалы способны взаимодействовать с компонентами бетона (гидроксидом кальция и водой) и улучшать вяжущие свойства.
Наиболее желательные свойства бетона включают долговечность, которая представляет собой способность бетона противостоять ухудшению, вызванному ходом времени, технологичность, то есть легкость обращения, укладки и отделки, и прочность, то есть способность нести высокое давление и вес. Прочность бетона является очень важным свойством, определяющим его применение. Например, требования к прочности бетона на сжатие могут варьироваться от 2500 psi (17 МПа) для бетона для жилых домов до 4000 psi (28 МПа) и выше для коммерческих конструкций. Для некоторых применений необходимы более высокие прочности, достигающие и превышающие 10000 psi (70 МПа).
Прочностные свойства бетона развиваются по мере отверждения бетона в течение нескольких дней после его схватывания. Во время фазы развития прочности бетона его нельзя свободно использовать, поскольку бетон не способен выдерживать полные требования к давлению, необходимые для него. Это создает проблемы, поскольку строительные работы замедляются и использование конструкции задерживается.
В патенте США № 4350533 предложен гидратируемый цементный порошок, который в ходе ранних стадий гидратации производит количество эттрингита, равное от примерно 40 % до примерно 60 % от массы цементно-водной пасты, причем указанный порошок содержит, по массе, от примерно 18 % до примерно 65 % высокоглиноземистого цемента, от примерно 16 % до примерно 35 % сульфата кальция, от 0 % до примерно 65 % портландцемента и от 0 % до примерно 8,5 % дополнительной извести, причем указанный портландцемент и указанная дополнительная известь являются альтернативными или дополнительными источниками от примерно 3,5 % до примерно 8,5 % оксида кальция во время гидратации цементного порошка.
В патенте США № 5352288 предложена композиция бетона, содержащая материал оксида кальция, пуццолановый материал и катализатор щелочной металл для получения цементной смеси с низкой стоимостью и высокой прочностью на сжатие.
В патенте США № 4957556 предложены способы получения очень рано схватывающегося, сверхвысокопрочного цемента. Указанные способы включают создание смеси сырья, содержащего SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3 и SO3. Указанную смесь нагревают при повышенной температуре от 1000°C до 1200°C в течение периода времени, достаточного для получения клинкера, содержащего высокие концентрации C3A4S.
В попытке обеспечить быстро схватывающиеся и особо быстро твердеющие бетонные смеси, заявители индийского патента № 292690 ранее предлагали композицию вяжущего для бетона, имеющую в целом уменьшенный коэффициент клинкера, причем указанная композиция вяжущего для бетона содержит: по меньшей мере одно первичное вяжущее в отношении 10 - 60 массовых процентов, причем первичное вяжущее выбрано из группы первичных материалов, обладающих свойством самопроизвольной гидратации; по меньшей мере одно вторичное вяжущее в отношении 40 - 90 массовых процентов, причем вторичное вяжущее выбрано из группы вторичных материалов, обладающих свойством индуцированной гидратации; причем указанные группа первичных материалов и группа вторичных материалов образуют расположение решетки из макро-микро-нано частиц для увеличения прочностных характеристик и показателя долговечности готового бетонного материала. Полное содержание индийского патента № 292690 включено в настоящую заявку. Кроме того, заявители в индийской заявке на патент № 201731027025 предложили разработанную композицию вяжущего для бетона, содержащую по меньшей мере один гидравлический материал; по меньшей мере один пуццолановый материал; и, необязательно, по меньшей мере одну добавку; причем количество гидравлического материала (Wl) находится в диапазоне от 20 до 60 % масс. от массы композиции; количество пуццоланового материала (W2) находится в диапазоне от 40 до 90 % масс. от массы композиции; и количество по меньшей мере одной добавки (W3) находится в диапазоне от 0 до 15 % масс. от массы композиции; каждый из гидравлического материала и пуццоланового материала содержит первую фракцию, вторую фракцию и третью фракцию, при этом: первая фракция имеет тонкость помола по Блейну в диапазоне от 3000 до 4000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 70 до 80 мкм; вторая фракция имеет тонкость помола по Блейну в диапазоне от 10000 до 15000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 20 до 30 мкм; и третья фракция имеет тонкость помола по Блейну в диапазоне от 40000 до 50000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 3 до 8 мкм. Полное содержание индийской заявки на патент № 201731027025 включено в настоящую заявку.
Хотя предпринимались попытки получения быстро схватывающихся, особо быстро твердеющих бетонных смесей, указанные попытки потерпели неудачу, поскольку они часто включали дополнительные стадии производства и введения некоторых других компонентов. Это делало композиции дорогостоящими и трудными в применении, особенно в тех случаях, когда требовался сухой расфасованный бетон. Поэтому существует нужда в получении упрощенной быстро схватывающейся, особо быстро твердеющей бетонной смеси, которая является удобной для применения и недорогой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Принимая во внимание вышеуказанные нужды и недостатки существующего уровня техники, в одном из аспектов настоящего изобретения предложена композиция и способ получения компактного и высокоплотного строительного материала, обладающего свойствами особо быстрого твердения.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложена разработанная композиция вяжущего для бетона, содержащая: первый набор минерального вяжущего материала, содержащий гидравлический материал, необязательно, вместе с пуццолановым материалом; и второй набор минерального вяжущего материала, содержащий пуццолановый материал и материал пуццоланового активатора, причем второй набор минерального вяжущего материала имеет моду размера частиц (D2), не превышающую 1/3 от моды размера частиц первого вяжущего материала (Dl).
Кроме того, согласно одному из аспектов настоящего изобретения разработанная композиция вяжущего для бетона содержит первый набор минерального вяжущего материала, имеющий тонкость помола по Блейну в диапазоне от 3000 до 4000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 70 до 80 мкм, и второй набор минерального вяжущего материала, имеющий тонкость помола по Блейну в диапазоне от 10 000 до 15 000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 20 до 30 мкм.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения разработанная композиция вяжущего для бетона содержит второй набор минерального вяжущего материала, содержащий от 70 до 97 % масс. пуццоланового материала и от 3 до 30 % масс. материала пуццоланового активатора.
Кроме того, в одном из аспектов настоящего изобретения предложен способ получения разработанной композиции вяжущего для бетона, включающий: смешивание первого количества первого набора минерального вяжущего материала и второго количества второго набора минерального вяжущего материала для получения разработанной композиции вяжущего для бетона, причем первый набор минерального вяжущего материала содержит гидравлический материал, необязательно, вместе с пуццолановым материалом; и второй набор минерального вяжущего материала, содержащий пуццолановый материал и материал пуццоланового активатора, причем второй набор минерального вяжущего материала имеет моду размера частиц (D2), не превышающую 1/3 от моды размера частиц первого вяжущего материала (Dl).
Разработанная композиция вяжущего для бетона согласно настоящему изобретению и способ получения указанной композиции удовлетворяют всем содержащимся в различных стандартах бетонной промышленности требованиям к механическим свойствам, химическим свойствам, свойствам времени схватывания, свойствам ранней прочности, а также стоимости производства. Следовательно, согласно настоящему изобретению предложена улучшенная прочность и свойства схватывания, и в то же время предложено максимальное применение пуццолановых материалов вместо традиционного портландцемента в бетонной промышленности.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения вместе с различными признаками новизны, характеризующими настоящее изобретение, подробно отмечены в прилагаемой формуле изобретения и составляют часть настоящего изобретения. Для лучшего понимания настоящего изобретения, рабочих преимуществах и определенных целях, достигаемых при его применениях, следует сослаться на прилагаемый описательный материал, в котором проиллюстрированы примеры вариантов реализации настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Подробно представленные в иллюстративных целях примеры вариантов реализации можно подвергать различным изменениям. Следует подчеркнуть, однако, что настоящее изобретение не ограничено способом получения компактного и высокоплотного строительного материала (материалов). Понятно, что различные исключения и замены эквивалентов входят в объем изобретения, и обстоятельства могут предполагать или предоставлять средства, но указанные варианты должны охватываться применением или исполнением, не выходя за рамки сущности или объема настоящего изобретения.
Если не указано иное, термины, применяемые в описании и формуле изобретения, имеют значения, обычно употребляемые в области инфраструктурного строительства и цементной/бетонной промышленности. А именно, следующие термины имеют указанные ниже значения.
Термины в единственном числе не означают ограничения количества, но обозначают наличие по меньшей мере одного указанного элемента.
Термины «имеющий», «содержащий», «включающий» и их вариации обозначают присутствие варианта реализации.
Термин «механически модифицированная частица» предназначен обозначать частицу материала, механически модифицированную до заранее заданного размера частиц путем приложения заданной силы и энергии.
Термин «способ подбора по крупности» предназначен обозначать способ физического подбора по крупности выбранного сырья строительного материала. Конкретно в настоящем изобретении указанный «способ подбора по крупности» выполнен с возможностью получения наиболее тонкодисперсной фракции заполнителя.
Термин «наполнитель пор решетки» предназначен обозначать частицу, действующую как наполнители, способные наполнять поры решетки в смеси строительного материала.
Термин «прочность» или «прочность на сжатие» бетона представляет собой наиболее распространенную меру эксплуатационных качеств, применяемую инженерами при разработке зданий и других конструкций. Прочность на сжатие измеряют путем разрушения цилиндрических образцов бетона в машине для испытаний на прочность на сжатие. Прочность на сжатие рассчитывают как разрушающая нагрузка, деленная на площадь поперечного сечения, выдерживающего нагрузку, и указывают в единицах фунт силы на квадратный дюйм (psi) в системе единиц США или в мегапаскалях (МПа) в системе единиц СИ.
Следует отметить, что термин «пуццолановый материал» ниже обозначает материал, обладающий вяжущей способностью в присутствии воды, как это понимают в данной области техники.
Моду размера частиц в настоящем описании следует понимать как пик на кривой частотного распределения частиц по размерам, полученной при помощи анализа гранулометрического состава. Проще говоря, мода представляет собой самый высокий пик на кривой частотного распределения частиц по размерам. Мода представляет собой размер частиц (или диапазон размеров), наиболее часто встречающийся на кривой частотного распределения частиц по размерам.
Моду размера частиц самого тонкодисперсного заполнителя в настоящем описании определяют как моду размера частиц самых тонкодисперсных частиц, присутствующих в сырье строительного материала. Таким образом, мода размера частиц самого тонкодисперсного заполнителя обеспечивает определенное представление о наполнителе пустот решетки, представляющем собой самые мелкие частицы в сырье строительного материала.
Кроме того, анализ гранулометрического состава (PSD) определяют как математическое выражение выявления того, в каком отношении/доле различные размеры частиц присутствуют в данном сырье строительного материала. В общем, в качестве стандартных измерений для определения количества частиц, присутствующих в сырье строительного материала, используют объем, площадь, длину и количество. Однако объем образца сырья строительного материала считают самым простым измерением/способом нахождения отношения различных диапазонов размеров частиц, присутствующих в данном образце сырья строительного материала.
Пуццолановый материал вводят как часть бетонных смесей для замены цементной части. Эти материалы, не обладают вяжущими свойствами, как цемент, но измельченные до очень большой тонкости пуццоланы начинают взаимодействовать с гидроксидом кальция и водой в бетоне. Однако эта реакция протекает очень медленно и может быть заметна только на поздних стадиях схватывания бетона. Это означает, что большая доля пуццоланового материала остается в неактивном состоянии на протяжении ранних фаз схватывания цемента, по причине относительно большего размера частиц и меньшего потенциала к использованию доступной фазы Ca(OH)2, высвобождающейся при первичной гидратации гидравлического материала. Следовательно, доля цемента, применяемого в бетонных смесях, также возрастает, в то время как свойства пуццолановых материалов остаются неиспользованными.
Настоящее изобретение предлагает решение этой проблемы путем подбора механо-химической модификации бетона для наилучшего использования свойств пуццоланового компонента бетонных смесей. Композиция и способ согласно настоящему изобретению способствуют развитию свойств ранней прочности смесей вяжущего для бетона благодаря применению меньшего количества цемента, что обеспечивает преимущества в плане экономичности, безвредности для окружающей среды, и наличия превосходных свойств по сравнению с бетоном без механо-химической модификации.
Согласно настоящему изобретению предложена композиция определенного состава, содержащая компонент гидравлического материала, пуццолановый компонент и пуццолановый активатор, причем пуццолановый компонент получают с определенным размером частиц посредством способа подбора по крупности.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения предложена разработанная композиция вяжущего для бетона, содержащая: первый набор минерального вяжущего материала, содержащий гидравлический материал, необязательно, совместно с пуццолановым материалом; и второй набор минерального вяжущего материала, содержащий пуццолановый материал и материал пуццоланового активатора, причем второй набор минерального вяжущего материала имеет моду размера частиц (D2), не превышающую 1/3 от моды размера частиц первого вяжущего материала (Dl).
Кроме того, в другом варианте реализации настоящего изобретения разработанная композиция вяжущего для бетона содержит первый набор минерального вяжущего материала, имеющий тонкость помола по Блейну в диапазоне от 3000 до 4000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 70 до 80 мкм.
В одном из вариантов реализации разработанная композиция вяжущего для бетона содержит первый набор минерального вяжущего материала, имеющий тонкость помола по Блейну в диапазоне, выбранном из по меньшей мере одного из 3000 - 3500 см2/г, 3500 - 4000 см2/г, 3000 - 3200 см2/г, 3200 - 3400 см2/г, 3200 - 3800 см2/г или 3800 - 4000 см2/г. Кроме того, первый набор минерального вяжущего материала в разработанном вяжущем для бетона имеет моду размера частиц (MAPS) в по меньшей мере одном из следующих диапазонов: 70 - 80 мкм, 75 - 80 мкм, 70 - 75 мкм или 72 - 80 мкм.
В другом варианте реализации настоящего изобретения разработанная композиция вяжущего для бетона содержит второй набор минерального вяжущего материала, имеющий тонкость помола по Блейну в диапазоне от 10000 до 15000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 20 до 30 мкм. Второй набор минерального вяжущего материала может дополнительно иметь тонкость помола по Блейну в диапазоне 10000 - 12000 см2/г, 12 000 - 15000 см2/г или 13000 - 15000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне 20 - 25 мкм, 25 - 20 мкм, 22 - 28 мкм или 24 - 29 мкм.
В одном из вариантов реализации предмета настоящего изобретения разработанная композиция вяжущего для бетона согласно настоящему описанию содержит второй набор минерального вяжущего материала, содержащий от 70 до 97 % масс. пуццоланового материала и от 3 до 30 % масс. материала пуццоланового активатора. В другом варианте реализации второй набор минерального вяжущего материала может содержать по меньшей мере один из следующих вариантов: от 75 до 97 % масс. пуццоланового материала и от 3 до 25 % пуццоланового активатора; от 80 до 97 % масс. пуццоланового материала и от 3 до 20 % масс. материала пуццоланового активатора; от 90 до 97 % масс. пуццоланового материала и от 3 до 10 % масс. материала пуццоланового активатора.
Второй набор минерального вяжущего материала может иметь моду размера частиц (D2) в диапазоне от 1/3 до 1/5 моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl). Кроме того, в одном из вариантов реализации мода размера частиц материала пуццоланового активатора меньше, чем мода размера частиц пуццоланового материала.
Кроме того, пуццолановый материал может присутствовать в количестве в диапазоне от 24 до 80 % масс. от разработанной композиции вяжущего для бетона. В другом варианте реализации разработанная композиция вяжущего для бетона содержит пуццолановый материал в количестве в диапазоне 24 - 70 % масс., 24 - 50 % масс., 24 - 30 % масс. или 50 - 30 % масс. от массы композиции.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения пуццолановый материал выбран из группы, состоящей из золы-уноса, доменного шлака, материала вулканического пепла, кварцевого материала, золы из отстойника, химически модифицированной золы-уноса, химически модифицированного доменного шлака, химически модифицированного кварца, и комбинации указанных материалов. Дополнительно предпочтительно, чтобы пуццолановый материал представлял собой золу-унос.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения материал пуццоланового активатора выбран из группы, состоящей из сульфата натрия, гранулированного шлака, извести и комбинации указанных материалов. В одном из вариантов реализации предмета настоящего изобретения активатор пуццоланового материала обеспечивают в виде покрытия на внешней поверхности пуццоланового материала.
Кроме того, композиция вяжущего для бетона согласно настоящему изобретению также содержит гидравлический материал, присутствующий в количестве в диапазоне от 20 до 60 % масс. от массы композиции. В другом варианте реализации композиция вяжущего для бетона содержит гидравлический материал в количестве 20 - 30 % масс., 20 - 40 % масс., 20 - 50 % масс. или 30 - 60 % масс. от массы композиции вяжущего.
Дополнительно в одном из вариантов реализации предмета настоящего изобретения разработанная композиция вяжущего для бетона содержит гидравлический материал, выбранный из группы, состоящей из портландцемента, модифицированного портландцемента, или кладочного цемента, молотого гранулированного доменного шлака, гидравлической гашеной извести, белого цемента, кальциево-алюминатного цемента, силикатного цемента, фосфатного цемента, высокоглиноземистого цемента, магниево-оксихлоридного цемента, нефтескважинных цементов и комбинаций указанных материалов.
Кроме того, композиция согласно настоящему описанию содержит по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, состоящей из добавок на основе микрочастиц диоксида кремния, наночастиц диоксида кремния, метакаолина, углеродных нанотрубок (УНТ) и комбинаций указанных материалов.
Следовательно, разработанную композицию вяжущего для бетона, в которой пуццолановый материал содержит второй набор минерального вяжущего материала, получают путем механо-химической активации, при которой вяжущее подвергают размолу в течение заданного периода времени в шаровой мельнице, в комбинации с химическими веществами, вводимыми в способ по время размола. Это своего рода механизм взаимодействия во время размола пуццолана с химическим веществом. Введение пуццолановых активаторов (таких как сульфат натрия - Na2SO4, или известь, или шлак) активирует пуццолановый материал, такой как зола-унос, переключая его на пуццолановую реакцию, такую как с гидроксидом кальция, при этом само химическое вещество не должно взаимодействовать с золой-уносом/пуццоланом).
Также предложен способ получения разработанной композиции вяжущего для бетона, включающий смешивание первого количества первого набора минерального вяжущего материала с вторым количеством второго набора минерального вяжущего материала для получения разработанной композиции вяжущего для бетона, причем первый набор минерального вяжущего материала содержит гидравлический материал, необязательно, совместно с пуццолановыми материалом; и второй набор минерального вяжущего материала содержит пуццолановый материал и материал пуццоланового активатора, причем второй набор минерального вяжущего материала имеет моду размера частиц (D2), не превышающую 1/3 от моды размера частиц первого вяжущего материала (Dl).
Кроме того, способ включает стадии получения второго набора минерального вяжущего материала, имеющего моду размера частиц (D2). Следовательно, моду второго набора минерального вяжущего материала определяют путем интерпретации кривой гранулометрического состава. Затем второй набор минерального вяжущего материала подвергают способу механической модификации в управляемом режиме до тех пор, пока мода размера частиц (D2) не окажется в диапазоне от 1/3 до 1/5 от моды размера частиц (Dl) первого набора минерального вяжущего материала.
В указанном способе механической модификации размер частиц можно модифицировать в заранее заданный размер частиц путем приложения выбранной силы и энергии. Конкретнее, модификацию размера частиц до заданного размера посредством любого способа, включающего применение устройств, такого как, без ограничения, измельчение, дробление, размол, пароструйный размел перегретым паром, разрушение частиц электрическими силами, разрушение частиц магнитными силами, следует рассматривать как примеры применения устройств для модификации размера частиц материала до желаемого размера частиц.
В примере варианта реализации первый набор минерального вяжущего материала имеет тонкость помола по Блейну в диапазоне от 3000 до 4000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 70 до 80 мкм. Кроме того, первый набор минерального вяжущего материала имеет тонкость помола по Блей ну по меньшей мере в одном из диапазонов 3000 - 3500 см2/г, 3500 - 4000 см2/г, 3000 - 3200 см2/г, 3200 - 3400 см2/г, 3200 - 3800 см2/г или 3800 - 4000 см2/г. Кроме того, первый набор минерального вяжущего материала в разработанной композиции вяжущего для бетона имеет моду размера частиц (MAPS) по меньшей мере в одном из диапазонов 70 - 80 мкм, 75 - 80 мкм, 70 - 75 мкм или 72 - 80 мкм.
В способе согласно настоящему описанию второй набор вяжущего материала имеет тонкость помола по Блейну в диапазоне от 10000 до 15000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 20 до 30 мкм. Кроме того, в одном из вариантов реализации предмета настоящего изобретения второй набор минерального вяжущего материала может дополнительно иметь тонкость помола по Блейну в диапазоне 10000 - 12000 см2/г, 12000 - 15000 см2/г или 13000-15000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне 20 - 25 мкм, 25 - 20 мкм, 22 - 28 мкм или 24 - 29 мкм.
В одном из вариантов реализации предмета настоящего изобретения разработанная композиция вяжущего для бетона согласно настоящему описанию содержит второй набор минерального вяжущего материала, содержащий от 70 до 97 % масс. пуццоланового материала и от 3 до 30 % материала пуццоланового активатора. В другом варианте реализации второй набор минерального вяжущего материала может содержать по меньшей мере один из следующих диапазонов: от 75 до 97 % масс. пуццоланового материала и от 3 до 25 % масс. материала пуццоланового активатора; от 80 до 97 % масс. пуццоланового материала и от 3 до 20 % масс. материала пуццоланового активатора; от 90 до 97 % пуццоланового материала и от 3 до 10 % масс. материала пуццоланового активатора.
В примере варианта реализации пуццолановый материал выбран из группы, состоящей из золы-уноса, доменного шлака, материала вулканического пепла, кварцевого материала, золы из отстойника, химически модифицированной золы-уноса, химически модифицированного доменного шлака, химически модифицированного кварца, и комбинации указанных материалов. Дополнительно предпочтительно, чтобы пуццолановый материал представлял собой золу-унос.
Кроме того, материал пуццоланового активатора выбран из группы, состоящей из сульфата натрия, гранулированного шлака, извести и комбинации указанных материалов. В одном из вариантов реализации предмета настоящего изобретения материал пуццоланового активатора обеспечивают в виде покрытия на внешней поверхности пуццоланового материала.
В одном из вариантов реализации способ получения разработанной композиции вяжущего для бетона включает присутствие гидравлического материала в количестве в диапазоне от 20 до 60 % масс. от массы композиции. В другом варианте реализации композиция вяжущего для бетона содержит гидравлический материал в количестве 20 - 30 % масс., 20 - 40 % масс., 20 - 50 % масс. или 30 - 60 % масс. от массы композиции вяжущего.
Дополнительно в одном из вариантов реализации предмета настоящего изобретения гидравлический материал выбран из группы, состоящей из портландцемента, модифицированного портландцемента, или кладочного цемента, молотого гранулированного доменного шлака, гидравлической гашеной извести, белого цемента, кальциево-алюминатного цемента, силикатного цемента, фосфатного цемента, высокоглиноземистого цемента, магниево-оксихлоридного цемента, нефтескважинных цементов и комбинаций указанных материалов.
Способ согласно настоящему описанию также содержит стадию введения по меньшей мере одной добавки, выбранной из группы, состоящей из добавок на основе микрочастиц диоксида кремния, наночастиц диоксида кремния, метакаолина, углеродных нанотрубок (УНТ) и комбинаций указанных материалов, для получения разработанной композиции вяжущего для бетона.
Способ согласно настоящему изобретению получения разработанной композиции вяжущего для бетона включает способ механо-химической модификации, благодаря которому свойства ранней прочности композиции бетона значительно улучшаются, и следовательно значительно улучшаются износостойкость и долговечность композиции. Для инициирования свойств ранней прочности композиции согласно настоящему изобретению способ согласно настоящему изобретению дополнительно включает стадии смешивания пуццоланового материала и материала пуццоланового активатора с образованием смеси; и измельчения полученной смеси для получения второго набора минерального вяжущего материала, имеющих моду размера частиц (D2) не более 1/3 от моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl).
Второй вяжущий материал также может быть получен путем смешивания пуццоланового материала с материалом пуццоланового активатора, причем как пуццолановый материал, так и материал пуццоланового активатора имеют моду размера частиц не более 1/3 от моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl). Кроме того, второй набор минерального вяжущего материала может быть получен путем обеспечения покрытия материала пуццоланового активатора на внешней поверхности пуццоланового материала.
Хотя предмет настоящего изобретения был описан достаточно подробно со ссылками на некоторые предпочтительные варианты реализации, возможны и другие варианты реализации. Ниже описание будет проиллюстрировано рабочими примерами, которые предназначены для иллюстрации работы настоящего изобретения и не предназначены накладывать какие-либо ограничения на объем настоящего изобретения. Если не указано иное, все технические и научные термины в настоящем описании имеют такое же значение, которое обычно понимает под ними средний специалист в той области техники, к которой относится изобретение. Хотя при практической реализации способов и композиций согласно настоящему изобретению можно применять способы и материалы, аналогичные или эквивалентные описанным в настоящем описании, примеры способов, устройств и материалов описаны в настоящей заявке. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено конкретными способами и описанными условиями экспериментов, поскольку указанные способы и условия могут варьироваться.
В примере варианта реализации механо-химическую модификацию разработанной композиции вяжущего для бетона осуществляют с использованием гидравлического материала PCE/PCP, извести, гранулированного шлака, пуццоланового материала золы-уноса и пуццоланового активатора сульфата натрия. Материалы растирают при 40 об./мин в течение 2 часов. Размер частиц для каждой фракции определяли таким образом, что гидравлический материал, содержащий PCE/PCP, имел тонкость помола по Блейну в диапазоне от 3000 до 4000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 70 до 80 мкм. Фракция, содержащая пуццолановый материал и активатор, имела тонкость помола по Блейну в диапазоне от 10 000 до 15 000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 20 до 30 мкм. Затем из композиции отливали кубы и испытывали на прочность и износостойкость через 1, 3, 7, 14, 28 и 56 дней.
В примере варианта реализации отношение гидравлического материала, пуццоланового материала и пуццоланового активатора варьировали в каждом кубическом образце, отливаемом из разработанной композиции вяжущего для бетона. Например, один куб мог содержать 50 % гидравлического материала и 50 % пуццоланового материала без пуццоланового активатора, тога как другой куб мог содержать 50 % гидравлического материала и 50 % пуццолановых производных, причем пуццолановые производные содержат 96 % пуццоланового материала и 3 % пуццоланового активатора. Это показано в Таблице 1 и Таблице 2, в которых состав разработанной композиции вяжущего для бетона варьировался, например, контрольные композиции главным образом содержали пуццолановую золу-унос и ОПЦ, но не содержали материала пуццоланового активатора сульфата натрия. Композиции CA1-CA4 могут содержать золу-унос, сульфат натрия в различных соотношениях, а также другие компоненты, а также содержат различные соотношения ОПЦ, как показано в Таблице 1. Затем все композиции испытывали на проницаемость и плотность, и периодически испытывали на прочность, как показано в Таблице 2.
Таблица 1
| Смесь | % золы-уноса | % гранулированного шлака | % сульфата натрия | % извести | % PCE/PCP |
| Контроль 1 | 50 | ||||
| Контроль 2 | 60 | ||||
| Контроль 3 | 70 | ||||
| CA1 | 96,17 | 0 | 3,66 | 0 | 0,5 |
| CA2 | 88 | 12 | |||
| CA3 | 50 | 50 | |||
| CA4 | 49 | 49 | 2 |
Таблица 2
| Прочность (МПа) | ||||||||||
| № смеси | % CA | % ОПЦ | Плотность | Проницаемость, мм | День 1 | День 3 | День 7 | День 14 | День 28 | День 56 |
| Контроль 1 | 50 | 50 | 32 | 6,5 | 6,38 | 12,78 | 17,69 | 22,68 | 29,81 | 35,93 |
| Контроль 2 | 60 | 40 | 33,5 | 6,5 | 4,44 | 9,80 | 12,53 | 17,45 | 23,90 | 28,98 |
| Контроль 3 | 70 | 30 | 34 | 6 | 3 | 6,15 | 8,21 | 12,03 | 16,53 | 22,55 |
| CA1-50 | 50 | 50 | 30,5 | 6 | 9,44 | 17,19 | 25,16 | 34,02 | 38,97 | 42,77 |
| CA1-60 | 60 | 40 | 31 | 7 | 7,38 | 13,62 | 26,09 | 30,79 | 33,73 | 36,51 |
| CA1-70 | 70 | 30 | 30 | 6,5 | 5,40 | 12,60 | 19,91 | 25,24 | 27,88 | 28,60 |
| CA2-50 | 50 | 50 | 33 | 7 | 6,64 | 14,66 | 22,38 | 31,09 | 39,32 | 39,92 |
| CA2-60 | 60 | 40 | 34 | 7 | 5,02 | 10,95 | 15,49 | 21,57 | 28,9 | 36,43 |
| CA2-70 | 70 | 30 | 35,5 | 7 | 2,91 | 6,05 | 12,98 | 16,49 | 21,53 | 29,47 |
| CA3-50 | 50 | 50 | 32 | 6,5 | 7,36 | 17,62 | 24,50 | 34,30 | 37,36 | 44,5 |
| CA3-60 | 60 | 40 | 32,5 | 7 | 5,59 | 13,83 | 20,37 | 27,72 | 32,43 | 40,70 |
| CA3-70 | 70 | 30 | 33,5 | 6 | 3,77 | 10,73 | 17,29 | 22,74 | 30,12 | 34,16 |
| CA4-50 | 50 | 50 | 32 | 6,5 | 7,19 | 17,13 | 22,65 | 27,45 | 36,35 | 39,35 |
| CA4-60 | 60 | 40 | 32,5 | 6,5 | 5,82 | 14,78 | 21,60 | 27,76 | 32,57 | 34,23 |
| CA4-70 | 70 | 30 | 33 | 6 | 3,81 | 12,60 | 19,08 | 22,34 | 26,49 | 28,62 |
Как можно видеть в Таблице 2, плотность смесей не варьируется в зависимости от введения материалов пуццолановых активаторов, то есть в данном случае ключевой индикатор технологических характеристик, каким является плотность, не играет роли в уменьшении/увеличении прочности. Интересно, что наблюдается значительная разница в свойствах ранней прочности испытываемых (CA) образцов по сравнению с контрольными. Свойства прочности испытываемых образцов в день 1, и особенно в день 3 и день 7, гораздо выше, чем для контрольных образцов (Таблица 2, столбцы 6, 7, 8). Например, при сравнении Контроля 1 с CA-l 50, оба из которых содержат 50 % ОПЦ и 50 % CA, CA1-50 показал прочность на сжатие в день 7 25,16 МПа, тогда как Контроль 1 показал прочность только 17,69 МПа. Это составляет 42,2 % увеличения свойств ранней прочности для CA1-50 по сравнению с контрольным образцом 1.
Как показывают примеры выше, разработанная композиция вяжущего для бетона и способ согласно настоящему изобретению были получены в результате многочисленных экспериментов. Вышеуказанные композиции вяжущего имеют определенные размеры частиц для различных компонентов и определенный химический состав пуццолана и пуццоланового активатора, которые невозможно получить без излишних экспериментов и наблюдений. Этот непрерывный ряд различных размеров частиц, имеющих заданную моду размера частиц, был получен с помощью различных способов механической модификации размера частиц. Эта оптимизация различных размеров частиц, имеющих непрерывный ряд различных мод размеров частиц, обеспечивает компактные наполнители пустот решетки структуру решетки частиц, имеющих размеры от микроуровня до наноуровня. Эта смесь обеспечивает совершенную химию частиц для заполнения максимума пустот в решетчатой структуре частиц, а также улучшает химические взаимодействия, связанные с ранним схватыванием и поздним схватыванием материала бетона.
Кроме того, химическая модификация композиции бетона улучшает свойства, в которые вносит вклад мелкий размер частиц, причем активатор, такой как сульфат натрия, инициирует реакцию пуццоланового материала, такого как зола-унос, с фазой Ca(OH)2 высвобождающейся в первичном процессе гидратации, что улучшает раннюю прочность композиции бетона в течение 1 суток после схватывания.
Следовательно, в дополнение к механической модификации композиции бетона согласно настоящему изобретению, химическая модификация с использованием специальных пуццолановых активаторов обеспечивает раннее протекание реакций между пуццоланом и фазой Ca(OH)2 и инициирует раннее схватывание композиции бетона. Это невозможно только при помощи механической модификации, как показывают контрольные примеры, которые не демонстрируют свойств раннего схватывания.
Хотя настоящее изобретение было описано по отношению к конкретному способу, включающему предпочтительные в настоящее время пути осуществления изобретения, специалист в данной области техники поймет, что возможны многочисленные варианты и изменения вышеописанного варианта реализации, которые входят в сущность и объем настоящего изобретения. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено в своем применении подробностями конструкции и расположения указанных выше компонентов. Варианты и модификации вышеуказанного входят в объем настоящего изобретения. Следовательно, многочисленные варианты указанных вариантов реализации включены в объем настоящего изобретения.
Вышеуказанные описания конкретных вариантов реализации настоящего изобретения представлены с целью описания. Они не предназначены быть исчерпывающими или ограничивать настоящее изобретение точными описанными формами, и несомненно, возможны многочисленные модификации и варианты в свете вышеуказанных идей. Варианты реализации были выбраны и описаны с целью лучшего объяснения принципов настоящего изобретения и его практического применения, и позволяют другим специалистам в данной области техники наилучшим образом применять настоящее изобретение, и включают различные варианты реализации с различными вариантами применения, подходящими для конкретного применения. Понятно, что включены различные исключения и замены эквивалентов, которые обстоятельства могут предполагать или делать целесообразным, но такие исключения и замены должно охватывать применение или практическое воплощение, не выходя за рамки сущности или объема настоящего изобретения.
1. Разработанная композиция вяжущего для бетона, содержащая:
первый набор минерального вяжущего материала, содержащий гидравлический материал, необязательно, совместно с пуццолановым материалом; и
второй набор минерального вяжущего материала, содержащий пуццолановый материал и материал пуццоланового активатора, причем второй набор минерального вяжущего материала имеет моду размера частиц (D2), не превышающую 1/3 от моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl).
2. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что первый набор минерального вяжущего материала имеет тонкость помола по Блейну в диапазоне от 3000 до 4000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 70 до 80 мкм.
3. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что второй набор минерального вяжущего материала имеет тонкость помола по Блейну в диапазоне от 10000 до 15000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 20 до 30 мкм.
4. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что второй набор минерального вяжущего материала содержит от 70 до 97% масс. пуццоланового материала и от 3 до 30% масс. материала пуццоланового активатора.
5. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что материал пуццоланового активатора выбран из группы, состоящей из сульфата натрия, гранулированного шлака, извести и комбинации указанных материалов.
6. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что гидравлический материал присутствует в количестве в диапазоне от 20 до 60% масс. от массы композиции вяжущего для бетона.
7. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что пуццолановый материал присутствует в количестве в диапазоне от 24 до 80% масс. от разработанной композиции вяжущего для бетона.
8. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что пуццолановый материал выбран из группы, состоящей из золы-уноса, доменного шлака, материала вулканического пепла, кварцевого материала, золы из отстойника, химически модифицированной золы-уноса, химически модифицированного доменного шлака, химически модифицированного кварца, и комбинации указанных материалов.
9. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что гидравлический материал выбран из группы, состоящей из портландцемента, модифицированного портландцемента, или кладочного цемента, молотого гранулированного доменного шлака, гидравлической гашеной извести, белого цемента, кальциево-алюминатного цемента, силикатного цемента, фосфатного цемента, высокоглиноземистого цемента, магниево-оксихлоридного цемента, нефтескважинных цементов и комбинаций указанных материалов.
10. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, дополнительно содержащая по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, состоящей из добавок на основе микрочастиц диоксида кремния, наночастиц диоксида кремния, метакаолина, углеродных нанотрубок (УНТ) и комбинаций указанных материалов.
11. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что второй набор минерального вяжущего материала имеет моду размера частиц (D2) в диапазоне от 1/3 до 1/5 от моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl).
12. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 1, отличающаяся тем, что материал пуццоланового активатора обеспечивают в виде покрытия на внешней поверхности пуццоланового материала.
13. Разработанная композиция вяжущего для бетона по п. 12, отличающаяся тем, что мода размера частиц материала пуццоланового активатора меньше, чем мода размера частиц пуццоланового материала.
14. Способ получения разработанной композиции вяжущего для бетона, включающий:
смешивание первого количества первого набора минерального вяжущего материала со вторым количеством второго набора минерального вяжущего материала с получением разработанной композиции вяжущего для бетона,
причем:
первый набор минерального вяжущего материала содержит гидравлический материал, необязательно, совместно с пуццолановыми материалом; и
второй набор минерального вяжущего материала содержит пуццолановый материал и материал пуццоланового активатора, причем второй набор минерального вяжущего материала имеет моду размера частиц (D2), не превышающую 1/3 от моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl).
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что первый набор минерального вяжущего материала имеет тонкость помола по Блейну в диапазоне от 3000 до 4000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 70 до 80 мкм.
16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что второй набор минерального вяжущего материала имеет тонкость помола по Блейну в диапазоне от 10000 до 15000 см2/г и моду размера частиц (MAPS) в диапазоне от 20 до 30 мкм.
17. Способ по п. 14, отличающийся тем, что второй набор минерального вяжущего материала содержит от 40 до 97% масс. пуццоланового материала и от 3 до 60% масс. материала пуццоланового активатора.
18. Способ по п. 14, отличающийся тем, что материал пуццоланового активатора выбран из группы, состоящей из сульфата натрия, гранулированного шлака, извести и комбинации указанных материалов.
19. Способ по п. 14, отличающийся тем, что гидравлический материал присутствует в количестве в диапазоне от 20 до 60% масс. от массы композиции вяжущего для бетона.
20. Способ по п. 14, отличающийся тем, что пуццолановый материал присутствует в количестве в диапазоне от 24 до 80% масс. от разработанной композиции вяжущего для бетона.
21. Способ по п. 14, отличающийся тем, что пуццолановый материал выбран из группы, состоящей из золы-уноса, доменного шлака, материала вулканического пепла, кварцевого материала, золы из отстойника, химически модифицированной золы-уноса, химически модифицированного доменного шлака, химически модифицированного кварца, и комбинации указанных материалов.
22. Способ по п. 14, отличающийся тем, что гидравлический материал выбран из группы, состоящей из портландцемента, модифицированного портландцемента, или кладочного цемента, молотого гранулированного доменного шлака, гидравлической гашеной извести, белого цемента, кальциево-алюминатного цемента, силикатного цемента, фосфатного цемента, высокоглиноземистого цемента, магниево-оксихлоридного цемента, нефтескважинных цементов и комбинаций указанных материалов.
23. Способ по п. 14, дополнительно включающий добавление по меньшей мере одной добавки, выбранной из группы, состоящей из добавок на основе микрочастиц диоксида кремния, наночастиц диоксида кремния, метакаолина, углеродных нанотрубок (УНТ) и комбинаций указанных материалов для получения разработанной композиции вяжущего для бетона.
24. Способ по п. 14, отличающийся тем, что второй набор минерального вяжущего материала имеет моду размера частиц (D2) в диапазоне от 1/3 до 1/5 от моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl).
25. Способ по п. 14, отличающийся тем, что второй набор минерального вяжущего материала получают посредством:
- смешивания пуццоланового материала и материала пуццоланового активатора с получением смеси; и
- измельчения полученной смеси для получения второго набора минерального вяжущего материала, имеющего моду размера частиц (D2) не более 1/3 от моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl).
26. Способ по п. 14, отличающийся тем, что второй набор минерального вяжущего материала получают посредством:
- смешивания пуццоланового материала с материалом пуццоланового активатора, причем как пуццолановый материал, так и материал пуццоланового активатора имеют моду размера частиц не более 1/3 от моды размера частиц первого набора минерального вяжущего материала (Dl).
27. Способ по п. 14, отличающийся тем, что второй набор минерального вяжущего материала получают посредством:
- обеспечения покрытия материала пуццоланового активатора на внешней поверхности пуццоланового материала.
28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что мода размера частиц материала пуццоланового активатора меньше, чем мода размера частиц пуццоланового материала.
