СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
RAW MATERIAL MIXTURE FOR PREPARATION OF HEAVY-WEIGHT CONCRETE

Изобретение относится к строительным материалам, в частности, к сырьевым смесям для приготовления тяжелых бетонов, и может быть использовано в строительной индустрии.
Известна добавка для бетонов, включающая цемент, пластифицирующую добавку и минеральный компонент, содержащий стеклянный бой (Заявка на изобретение №2008117098103, 04.05.2008. Добавка для модификации гипсовых вяжущих, строительных растворов и бетонов на их основе).
Недостатком известного решения является невысокая прочность бетона, приводящая к снижению его трещиностойкости.
Наиболее близким техническим решением является бетонная смесь, включающая цемент, заполнитель, модификатор, воду и наполнитель из молотого известняка в соотношении компонентов в масс.%: цемент - 7-20, заполнитель - 60-85, модификатор - 0,01-5,50, полиэтилгидросилоксан - 0,002-0,010, молотый известняк - 2-15, вода - остальное. При этом в качестве цемента используют портландцемент, в качестве модификатора -микрокремнезем или золу-унос (Патент РФ №2402502, С04В 28/04, 2010).
Недостатками известного решения являются: повышенная трудоемкость операции помола известняка, за счет слипания частиц в процессе помола, его низкая прочность из-за недостаточно плотной формируемой структурной упаковки, а также невозможность контролирования напряженно-деформированного состояния (НДС) бетона конструкции в процессе ее работы - нагружения, что, в целом, снижает эффективность использования тяжелого бетона известного состава.
В основе изобретения лежит задача разработки оптимального состава тяжелого бетона, позволяющего сформировать новую структуру с новыми свойствами, на основе отходов производства (стеклянный бой, известняковый лом) и особых армирующих компонентов (волокон феррита и кварцевых микро-пластинок).
Техническим результатом являются: повышение структурной прочности, деформируемости и трещиностойкости бетона, способности к отражению изменения напряженно-деформированного состояния бетона в рабочей конструкции.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что сырьевая смесь для приготовления тяжелого бетона, включающая цемент, заполнитель, наполнитель из молотого известняка и воду, формируется из трех видов сухой смеси - цементно-песчано-гравийной матрицы, микронаполнителя, состоящего из тонкодисперсной смеси известняка и стеклянного боя, и из армирующих элементов, состоящих из грубодисперсной смеси, включающей волокна феррита - продукт дробления ферритовых стержней и кварцевые микро-пластинки - продукт дробления кварца, затворенной водой, в соотношении компонентов в масс.%: цемент - 10-25, заполнитель матрицы - 55-70, микронаполнитель- тонкодисперсная - тонкомолотая смесь из стеклянного боя и отходов известняка в соотношении 1:2,5 - 10-15, армирующие элементы - грубодисперсная смесь из микроволокон феррита и кварцевых микропластинок в соотношении 1:1 - 3-5, вода - остальное.
Отдельное приготовление трех видов сухой смеси - в виде матрицы, микронаполнителя из тонкодисперсной смеси и армирующих элементов из грубодисперсной смеси позволяет, во-первых, получить более однородную смесь за счет возможности варьирования очередностью внесения отдельных видов сухой смеси в процессе перемешивания, а, во-вторых, достичь максимально заданных свойств готовой смеси за счет возможности более тщательной предварительной раздельной обработки входящих сухих компонентов, что повышает качество и эффективность использования готовой смеси.
Применение тонкодисперсной - смеси из известняка и стеклянного боя в составе бетона позволяет, во-первых, получить более плотную упаковку (структуру), и, соответственно, повысить прочность бетона, во-вторых, осуществить более эффективный помол известняка за счет исключения негативного процесса его замасливания и комкования, путем включения кремнеземистого компонента в виде стеклянных частиц, а в-третьих, решается проблема утилизации отходов известняка и стеклянного боя, что, в целом, повышает эффективность использования бетонной смеси.
Применение грубодисперсной смеси из волокон феррита и кварцевых микро-пластинок позволяет, во-первых, создать дискретную арматурную матрицу из жестких стеклянных частиц, что обеспечивает ее повышенную прочность и мягких, графитоподобных включений феррита, что обеспечивает повышенную пластичность - деформируемость матрицы; во-вторых, интенсифицировать рост и развитие активных центров образования кристаллогидратов за счет комбинации пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов на микроуровне, которые порождают ультразвуковые колебания. Известно, что кварц обладает пьезоэлектрическим эффектом. Если на противоположных гранях кварцевой микропластинки создать механическое давление разных знаков (сжатие-растяжение), то на них возникают электрические заряды, [Балатьева П.К. Радиоэлектроника в производстве сборного железобетона. - М.: ГИЛССМ, 1961. - С.71-76].
Второй важной особенностью кварца является то, что он является твердым элементом, выполняющим функцию не только заполнителя, но и мелющего тела, поляризуя при этом зерна других, более мягких заполнителей, например, феррита.
Известно, что феррит, обладает магнитострикционной активностью, проявляющейся в процессе деформирования [Попилов Л.Я. Электрофизические методы обработки материалов. - М., 1986. - С.202]. При твердении же цементного камня волокна феррита, обладая обратным к свойству магнитострикции свойством магнитоупругости, под влиянием механического сдавливания будут дополнительно деформировать частицы кварца и возбуждать дополнительные ультразвуковые колебания на микроуровне. Получается двойной эффект от возникновения ультразвука: происходит диспергация слипшихся образованитй из цементного теста и флоккул - микронаполнителя (кварца) на микроуровне, с одной стороны, и активация тонкодисперсного вяжущего за счет схлопывания микрокавитационных пузырьков, с другой стороны [Харламов А.А. Специальный физический практикум. - М.: Изд-во МГУ, 1977. - С.287-294].
В- третьих, за счет свойства магнитоупругости, которым обладают волокна феррита, можно контролировать в динамике изменение НДС бетонной конструкции при ее нагружении по замеренной величине изменения интенсивности ультразвукового поля, что также повышает эффективность использования заявленного состава бетонной смеси. Изобретение поясняется описанием конкретного примера.
Сначала готовили три вида сухой смеси: цементно-песчано-гравийную матрицу в соотношении: цемент:песок:гравий как 1:3:4 (в количестве 55-80 мас.%), микронаполнитель, состоящий из тонкодисперсной смеси стеклянного боя и известняка в соотношении 1:2,5 и армирующих элементов - грубодисперсной смеси, включающей волокна феррита и кварцевые микро-пластинки в соотношении 1:1.
к
Использовались следующие сырьевые компоненты: портландцемент марки М500, песок - кварцевый с модулем крупности М=2,5, гравий гранитный крупностью 10 мм, известняк из Старицкого карьера, стеклянный бутылочный бой, волокна феррита - продукт дробления ферритовых стержней, кварцевые микро-пластинки - продукт дробления кварца. Задавалось водо-цементное отношение В/Ц=0,55.
Для изготовления и испытания бетонных кубов задавалось два состава бетонной смеси при расходе компонентов в масс.%:
1. Цемент марки не ниже М500 - 10;
Крупный заполнитель из гранита
фракции 10-20 мм - 25;
фракции 5-10 мм - 18;
Мелкий заполнитель из кварцевого песка
фракции 1-3 мм - 25;
2
Микронаполнитель - тонкодисперсная - тонкомолотая смесь из отходов известняка и стеклянного боя в соотношении 2,5:1 с удельной поверхностью 200-300 м/кг - 10;
Армирующие элементы - грубодисперсная смесь из микроволокон феррита фракции 2,5 мм и кварцевых микропластинок фракции 0,25 мм в соотношении 1:1 - 5;
Вода - остальное.
Прочность на сжатие повысилась на 13%, а деформируемость (по показателю относительной деформации) - на 9%, что повышает, соответственно, трещиностойкость бетона.
2. Цемент марки не ниже М500 - 10;
Крупный заполнитель из гранита
фракции 10-20 мм - 25;
фракции 5-10 мм - 18;
Мелкий заполнитель из кварцевого песка
фракции 1-3 мм - 25;
2
Микронаполнитель - тонкодисперсная - тонкомолотая смесь из отходов известняка и стеклянного боя в соотношении 2,5:1 с удельной поверхностью 300-400 м/кг - 10;
Армирующие элементы - грубодисперсная смесь из микроволокон феррита фракции 2,5 мм и кварцевых микропластинок фракции 0,25 мм в соотношении 1:1 - 5;
Вода - остальное.
Прочность на сжатие повысилась на 18%, а деформируемость (по показателю относительной деформации) - на 11%, что повышает, соответственно, трещиностойкость бетона.
При этом вначале готовилась сухая цементно-песчано-гравийная смесь, выполняющая функцию матрицы. После этого готовилась тонкодисперсная сухая смесь из микронаполнителя, для чего осуществляли совместный помол известняка и стеклянного боя в шаровой мельнице в течение 30 минут. Затем готовилась сухая грубодисперсная смесь из волокон феррита и кварцевых микро-пластинок путем их совместного перемешивания в смесители принудительного действия. Далее готовые сухие смеси: цементно-песчано-гравийная, тонкодисперсная и грубодисперсная перемешивались с добавлением необходимого количества воды для обеспечения заданного В/Ц=0,55.
Приготовление бетонной смеси осуществляли вручную. Формование бетонных кубиков размерами 150×150×150 мм выполняли на виброплощадке с круговыми колебаниями. Вибрирование осуществлялось в течение 30 секунд.
Отформованные кубики выдерживались в нормальных условиях твердения. При этом, в процессе нагружения оценивалось и изменение НДС по результатам контроля интенсивности ультразвукового поля при деформировании кварцевых микропластинок и волокон феррита. Прочность образцов на сжатие, подготовленных по разработанной методике, повысилась на 12%. При осмотре испытанных образцов не было выявлено разрывов фибры (кварцевых микропластинок и волокон феррита) в зоне разрушения.
Это подтверждает осуществление поставленной задачи - разработки оптимального состава тяжелого бетона с формированием новой структуры на основе отходов производства (стеклянный бой, известняковый лом), а также достижения технического результата - получения тяжелого бетона, с повышенной структурной прочностью, трещиностойкостыо и способностью отражать изменение НДС в бетонной конструкции, т.е. более эффективного совместного использования грубодисперсного - и тонкодисперсного -наполнителей в бетоне и их эффективной работы с восприятием повышенных как статических, так и динамических нагрузок, что подтверждается при осмотре разрушенных образцов - совместной работой микронаполнителя, армирующих элементов и матрицы.
Опытная сырьевая смесь для приготовления тяжелого бетона была приготовлена в строительной лаборатории кафедры ПСК ТвГТУ, а выполненные испытания доказали технологическую возможность ее эффективного использования в производстве железобетонных изделий с повышенными прочностными и контролируемыми свойствами.