Бетонная смесь
Владельцы патента RU 2781876:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам бетонных смесей, используемых при изготовлении сборных и монолитных железобетонных изделий и конструкций, дорожных покрытий, а также мелкоштучных изделий в виде тротуарных плит или брусчатки и бордюрных камней. Технический результат - увеличение прочности на сжатие при сохранении высокой морозостойкости бетонной смеси. Бетонная смесь включает портландцемент, кварцевый песок, суперпластификатор и воду. Бетонная смесь дополнительно содержит в качестве мелкого заполнителя сернокислый шлам, образующийся травлением окалины при производстве стальных труб серной кислотой с последующей нейтрализацией известняком, содержащий, мас.%: Fe2O3 – 10-15, MgO – 3-5, SiO2 – 7,0-7,3, CaSO4 –25-30, Cr2O3 – 1, CaF2 – 25-30, п.п.п. – 11,7-29, взятый в равных количествах с кварцевым песком, а в качестве суперпластификатора содержит «SikaViscoCrete 5-800» на основе модифицированных эфиров поликарбоксилатов при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 30-32, кварцевый песок 27-29, сернокислый шлам 27-29, указанный суперпластификатор 0,15-0,224, вода остальное. 2 табл.
Заявляемое изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам бетонных смесей, используемых при изготовлении сборных и монолитных железобетонных изделий и конструкций, дорожных покрытий, а также мелкоштучных изделий в виде тротуарных плит или брусчатки и бордюрных камней.
Известна бетонная смесь, включающая портландцемент марки 500, щебень, кварцевый песок с модулем крупности 1,9, крупный заполнитель - щебень гранитный фракции 5-10 мм, пластифицирующую добавку, содержащую масс.%: уайт-спирит 67,3, технический солидол 28,86 и графитовую пыль 3,84, и воду [Патент РФ № 2668600, МПК C04B28/04, C04B24/00, C04B14/06, C04B111/20, 02.10.2018 г.].
Недостатком бетонной смеси является низкая прочность на сжатие при использовании сравнительно дорогих материалов в виде гранитного щебня, а также токсичных и горючих уайт-спирита и солидола, снижающих морозостойкость бетона.
Наиболее близкой является бетонная смесь, включающая портландцемент, кварцевый песок, базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм, суперпластификатор «Полипласт СП-4» и воду [Патент РФ № 2480428, C04B28/04, C04B14/38, C04B111/20, 27.04.2013 г.].
Недостатком бетонной смеси является низкая прочность на сжатие при использовании дорогостоящих базальтовых фибровых волокон, требующих дополнительных затрат на тщательное их перемешивание с другими компонентами бетонной смеси.
Задачей заявляемого изобретения разработка состава бетонной смеси, обладающей большей однородностью и плотностью, с использованием промышленных отходов.
Технический результат - увеличение прочности на сжатие при сохранении высокой морозостойкости бетонной смеси.
Технический результат достигается при использовании бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок, суперпластификатор и воду, при этом бетонная смесь дополнительно содержит в качестве мелкого заполнителя сернокислый шлам, образующийся травлением окалины при производстве стальных труб серной кислотой с последующей нейтрализацией известняком, содержащий, мас.%: Fe2O3 – 10-15 ,MgO – 3-5, SiO2 – 7,0-7,3, CaSO4 –25-30, Cr2O3 – 1, CaF2 – 25-30, п.п.п. – 11,7-29, взятый в равных количествах с кварцевым песком, а в качестве суперпластификатора содержит «SikaViscoCrete 5-800» на основе модифицированных эфиров поликарбоксилатов при следующем соотношении компонентов, масс. %:
портландцемент 30-32,
кварцевый песок 27-29,
сернокислый шлам 27-29,
указанный суперпластификатор 0,15-0,224,
вода остальное.
В качестве вяжущего в составе бетонной смеси используется портландцемент производства ЗАО «Осколцемент» марки ПЦ М500 Д0-Н. Химический состав цемента: SiO2 – 21,42 масс.%, А12О3 – 5,75 масс.%, Fe2O3 – 5,27 масс.%, СаО – 65,75 масс.%, MgO – 0,49 масс.%, SO3 – 0,29 масс.%, п.п.п. – 1,03 масс.%.
Удельная поверхность цементов типа ПЦ М500 Д0-Н составляет 324 м2/кг. Тонкость помола при прохождении через сито № 008 составляет 95 %.
Мелкий заполнитель представлен кварцевым песком Орловского карьера Волгоградской области с модулем крупности 1,9.
Мелкий заполнитель представлен также сернокислым шламом. Кварцевый песок и сернокислый шлам используются в смеси в равных количествах. Сернокислый шлам представляет собой продукт, образующийся травлением окалины при производстве стальных труб серной кислотой с последующей нейтрализацией известняком (отход трубного производства). Химический состав шлама включает: Fe2O3 – (10-15) масс.%; MgO – (3-5) масс.%; SiO2 – (7,0-7,3) масс.%; CaSO4 – (25-30) масс.%; Cr2O3 – 1 масс.%; CaF2 – (25-30) масс.% и п.п.п. – (11,7-29) масс.%. Содержание в шламе оксидов Si, Cr, Mg и Fe является положительным фактором для применения в бетонных смесях, так как они обладают высокими прочностными свойствами. Использование сернокислого шлама в качестве мелкого заполнителя в бетонных смесях способствует повышению плотности смеси и утилизации промышленных отходов, не требующих дополнительной обработки.
Для упрочнения структуры на микро- и наноуровнях использовался суперпластификатор «Sika ViscoCrete 5-800». Эта добавка является высокоэффективным суперпластификатором для бетонов и растворов, выпускаемая в соответствии с требованиями ТУ 2493-009-13613997-2011. Указанная водорастворимая добавка в виде жидкости желтоватого цвета с плотностью до 1,085 г/см3 обладает высокими водоредуцирующими (до 40 %) и пластифицирующими свойствами за счет поверхностной абсорбции и повышенной смачиваемости частиц цемента в процессе взаимодействия вяжущего с водой. При этом ускоряются процессы гидратации, уплотнения и набора максимальной прочности бетона, а также снижаются усадочные деформации и увеличивается коррозионная стойкость после затвердевания смеси. Дозировка суперпластифицирующей добавки «Sika ViscoCrete 5-800» в пределах 0,4-1,0 % позволяет сократить расход дорогостоящего вяжущего за счет снижения водоцементного отношения при сохранении заданной подвижности смеси, а также увеличение плотности, достижение высокой конечной прочности и морозостойкости бетона.
Технология приготовления бетонной смеси.
Для повышения реакционной способности смеси первоначально производят растворение пластифицирующей добавки совместно с водой в ультразвуковом диспергаторе в течение 1-2 минут. Полученный водный раствор вводят в заранее перемешанные сухие компоненты смеси портландцемента, кварцевого песка и сернокислого шлама.
По окончании твердения в естественных условиях осуществляли испытания отформованных образцов-кубов размером 10 см ×10 см ×10 см и стандартных балочек размером 4 см ×4 см ×16 см на прочность и морозостойкость.
Для экспериментальной проверки заявленной бетонной смеси готовили несколько составов смесей, отличающиеся различным содержанием компонентов в процентном соотношении по массе.
Количественные составы бетонной смеси представлены в таблице 1.
Таблица 1
| Составы заявленной бетонной смеси | Соотношение компонентов смеси, масс. %: | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Портландцемент | 30 | 31 | 32 |
| Кварцевый песок | 27 | 28 | 29 |
| Сернокислый шлам | 27 | 28 | 29 |
| Суперпластификатор «Sika ViscoCrete 5-800» | 0,15 | 0,186 | 0,224 |
| Вода | 15,85 | 12,814 | 9,776 |
В результате проведения испытаний на прочность и морозостойкость были получены их количественные параметры в сравнении с прототипом (см. табл. 2).
Таблица 2
| Составы заявленной бетонной смеси | Предел прочности при сжатии, МПа | Предел прочности при изгибе, МПа | Морозостойкость, циклы |
| 1 | 59,9 | 6,3 | 350 |
| 2 | 65,34 | 6,95 | 400 |
| 3 | 69,7 | 8,15 | 400 |
| Бетонная смесь по прототипу | 50,34-56,16 | 6,0-7,1 | 300-400 |
Анализ представленных в таблице 2 данных показывает, что введение в заявленную бетонную смесь сернокислого шлама и суперпластифицирующей добавки «Sika ViscoCrete 5-800» при указанных соотношениях, входящих в нее компонентов, способствует увеличению прочности на сжатие по сравнению с прототипом - на 24 % при аналогичной прочности на растяжение при изгибе. При этом, показатели морозостойкости бетона по отношении к прототипу сохранены на уровне 300-400 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Таким образом, комплексный состав бетонной смеси из портландцемента, мелкого заполнителя в виде взятых в равных количествах кварцевого песка и сернокислого шлама, суперпластификатора «Sika ViscoCrete 5-800» на основе модифицированных эфиров поликарбоксилатов и воды, в заявленных соотношениях, способствует снижению водоцементного отношения смеси, увеличению ее однородности, плотности и прочности при сохранении высокой морозостойкости, что и является новым техническим свойством заявляемой бетонной смеси.
Бетонная смесь, включающая портландцемент, кварцевый песок, суперпластификатор и воду, отличающаяся тем, что бетонная смесь дополнительно содержит в качестве мелкого заполнителя сернокислый шлам, образующийся травлением окалины при производстве стальных труб серной кислотой с последующей нейтрализацией известняком, содержащий, мас.%: Fe2O3 – 10-15, MgO – 3-5, SiO2 – 7,0-7,3, CaSO4 – 25-30, Cr2O3 – 1, CaF2 – 25-30, п.п.п. – 11,7-29, взятый в равных количествах с кварцевым песком, а в качестве суперпластификатора содержит «SikaViscoCrete 5-800» на основе модифицированных эфиров поликарбоксилатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| портландцемент | 30-32 |
| кварцевый песок | 27-29 |
| сернокислый шлам | 27-29 |
| указанный суперпластификатор | 0,15-0,224 |
| вода | остальное |
