БЕТОННАЯ СМЕСЬ
CONCRETE MIXTURE

Изобретение относится к составам бетонных смесей и может найти применение в производстве строительных материалов для изготовления стеновых камней, тротуарных плит и других бетонных изделий.
2
Известен состав мелкозернистой бетонной смеси (строительный раствор). Данный состав приведен в авт. свид. СССР №637357 М.Кл. С04В 13/00, опубликованном 15.12.1978 г., при следующем соотношении, мас.%:
цемент
5,05-5,2
пыль-уноса производства ферросилиция
1,0-1,49
известь
2,03-2,1
сульфитно-спиртовая барда
0,0075-0,0078
отходы обогащения железных руд
74,5-76,
имеющие следующий фракционный состав, масс.%:
0,63-1,0 мм
5-15
0,31-0,63 мм
15-25
0,14-0,31 мм
30-40
менее 0,14 мм
30-40
- вода
остальное
К достоинствам смеси следует отнести:
1) утилизируются отходы металлургических производств;
2) повышается коррозийная стойкость мелкозернистого бетона (раствора), т.к. пыль от выплавки ферросилиция является аморфной кремнеземсодержащей активной минеральной добавкой.
Наряду с достоинствами имеются и недостатки:
1) низкая прочность на сжатие в возрасте 28 суток - 3,6 МПа;
2) низкая адгезия смеси со стальной арматурой, т.к. отходы железных руд в смеси имеют одинаковый со сталью электрический заряд - положительный («+»заряд).
Наиболее близкий состав бетонной смеси по качественному и техническому решению приведен в авт. свид. СССР №1346617 С04В 28/08 (С04В 28/08//22/08, 24/20), опубликованном 23.10.1987 г., при следующем соотношении компонентов, масс.%:
портландцемент
1-5
тонкодисперсный электросталеплавильный шлак
20-25
комплексная добавка
1-3
в добавке:
серно-кислый магний
40-60
нафтеновые сульфокислоты
40-60
вода
8-15
заполнитель
остальное
К достоинствам смеси следует отнести утилизацию тонкодисперсных шлаков.
Наряду с достоинствами имеются и недостатки:
1) низкая трещиностойкость при твердении бетона вследствие большого содержания тонкодисперсного шлака в составе смеси (20-25%), тампонирующего капилляры, по которым диффундирует влага к поверхности для испарения;
2) низкая прочность на сжатие в возрасте 28 суток - 9,2 МПа.
Задача изобретения - улучшить качество за счет исключения трещин при твердении и повысить прочность на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения при водовяжущем (В/Вяж) отношении в пределах 0,4-0,5, а также снизить себестоимость бетонной смеси.
Бетонная смесь включает портландцемент, тонкодисперсный наполнитель - шлак и пыль электрофильтров ферросплавных производств, пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты, воду с кислой добавкой и заполнитель, В качестве дисперсного наполнителя вводят отсев доменного шлака фракции 0,14 мм и пыль электрофильтров от выплавки ферросилиция в качестве кислой добавки. В счет частичной замены обычной воды затворения вводят модифицированную электротоком воду с рH 2,1-2,5.
Соотношение всех компонентов, масс.%:
Смешанное вяжущее:
портландцемент
11,86-12,15
отсев доменного шлака, фракции менее 0.14 мм
2,4-3,34
пыль от выплавки ферросилиция
0,8-1,28
пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты
0,03-0,04
Вода затворения:
обычная
6,6-6,8
модифицированная с рН 2,1-2,5
0,35-0,56
заполнитель
76,82-76,97
водовяжущее отношение (В/Вяж)
0,45.
Характеристика компонентов бетонной смеси:
1. Портландцемент марки М400 «ПЦ-ДО» (ГОСТ 10178-85, ГОСТ 30515-97) (ОАО «Михайловцемент» Рязанская обл., Михайловский р-он, пос.Октябрский).
2. Отсев доменного отвального шлаки фракции менее 0,14 мм (отход от дробленного основного доменного шлака (отвальный)). Последний дробят для получения щебня и песка для облегченных бетонов. Все, что проходит через сито с ячейками 0,14 мм, является отходом. В данном изобретении этот отход предложено утилизировать в качестве наполнителя смешанного вяжущего и соответственно добавки бетонной смеси.
2
2
3
2
Химический состав шлакового отсева включает, масс.%: CaO=(39-47)%; MgO=(5-10)%); SiO=(38-45)%; AlO=(5-10)%; FeO - до 1%; MnO - до 1%; S - до 1,7%; TiO - до 0,5%.
2
Удельная поверхность 0,16-0,18 м/г, модуль основности 1,1-1,15.
2
3
3. Пылевидный отход (МК-85) ферросплавного производства ОАО "Кузнецкие ферросплавы". Данная пыль из электрофильтров производства ферросилиция имеет размеры частиц 1-1 мкм. Под действием высокой температуры микрочастицы кремнезема превращаются в стекловидную аморфную пыль. Удельная поверхность микрочастиц 14000-30000 м/кг, что в 3-10 раз превышает удельную поверхность цемента. Насыпная плотность в уплотненном состоянии составляет 0,8 т/м.
2
2
3
2
3
Химический состав, масс.%: SiO=(91-97)%; AlO=(1,0-1,4)%; FeO=(0,2-0,4)%; CaO=(0,2-0.4)%.
В предлагаемом составе бетонной смеси принята пыль в качестве активной минеральной добавки, т.к. частицы микрокремнезема являются аморфными и более реакционными в сравнении с опокой, туфом и трепелом, а также в качестве дополнительной - пластифицирующей добавки.
2
3
2
4. Пластификатор смеси. В опытах принят два вида суперпластификаторов, получаемых растворением нафталина в серной кислоте с добавкой полимерных смол и являющихся аналогом суперпластификатора С-3. Т.е. приняты «Полипласт СП-1» и «Реламикс» тип 2 ГОСТ 24211-2008, производимых ООО «Полипласт» г.Новомосковск. Добавки обладают слабощелочной средой рН 9±1. Применяются в виде жидкости или порошка. Основой состава является нафтеновая сульфокислота в виде соли NaSO и радикалов - СН. В изобретении принят в комплексе с пылью микрокремнезема в роли пластификатора и нейтрализатора оставшейся кислой среды после смешения, т.к. обладает щелочной средой.
+
-
5. Модифицированная электротоком («мертвая») вода с рН в пределах 2,1-3. Данный тип воды получен методом электролиза родниковой воды с исходным рН 6,9. Электролиз осуществляли с помощью прибора «Живица» в течение 10 минут. Прибор электротоком разрушает молекулы воды на ионы Н, т.е. «мертвую» воду с рН 2,1-3, и «живую», обогащенную ионами ОН. В опытах применили воду с рН 2.1-3, т.е. «мертвую» - кислую.
6. Заполнители:
- мелкий, т.е. кварцевый песок - 1 класс соответствует требованиям ГОСТ 8736-93 (ООО «Атлантида» г.Серпухов.) Модуль крупности - 2,25.
- крупный - гранитный щебень фракции от 5 до 20 мм соответствует требованиям ГОСТ 8267-93 (ОАО «Павловскгранит», Воронежская обл.). Марка щебня по дробимости 1400.
7. Вода для затворения соответствует техническим условиям ГОСТ 23732-79.
Таблица 1
Составы предлагаемых бетонных смесей №2, №3, №4; составы №1 и №5 - запредельные, №6 - состав известного прототипа
Компонентывяжущего
Номер смесей и содержание компонентов, масс %
1
2
3
4
5
6 (прототип)
1. Портландцемент М400 «ПЦ-Д0»
11,5
11,86
12,0
12,15
12,2
5,0
2. Наполнитель:- электосталеплавильный шлак- пылевидный отход ферросплавного произ-ва- отсев доменного шлака фр. менее 0,14 мм
----
----
----
----
----
25,0
0,7
0,8
1,04
1,28
1,5
2,5
3,34
2,87
2,4
2,4
3. Пластификатор:- сернокислый магний- нафтеновая сульфокислота
----
----
----
----
----
1,5
0,01
0,03
0,035
0,04
0,045
1,5
4. Вода- обычная рН 6,9- модифицированная: с рН 2,1с рН 2,2с рН 2,5с рН 3,0
6,0
6,8
6,7
6,6
7,0
15,0
0,1
0,35
----
----
----
----
----
----
0,46
----
----
----
----
----
-----
0,56
----
----
----
----
----
----
0,6
----
5.Заполнители
78,2
76,82
76,9
76,97
76,26
52,0
6. Водовяжущее отношение (В/Вяж)
0,41
0,45
0,45
0,45
0,47
0,45
Пример реализации задачи. Бетонную смесь готовят путем дозирования компонентов по массе, приведенной в таблице 1. Перемешивают смесь из мелкого заполнителя (песка), макро- и микронаполнителей (отсева шлака + пыли от производства ферросилиция) с модифицированной (кислой) и 1/2 частью обычной воды - 5 мин, с последующим добавлением пластификатора с основой нафтеновой сульфокилоты, щебня, портландцемента и остатка обычной воды и перемешивание продолжают еще 5-6 мин. Формуют и твердеют образцы бетона в соответствии с требованиями ГОСТ 7473-94.
Бетонную смесь состава прототипа (.№6) готовили по методике, приведенной в примере авт. свид. СССР №1346617 С04В 28/08 (С04В 28/08//22:08, 24:20), опубликованного 23.10.1987 года. Наличие трещин определяли визуально.
В таблице 2 приведены результаты испытаний прочности при сжатии после 28 суток естественного твердения и показано наличие трещин в образцах.
Свойства
Номера смесей бетона и величина параметров
1
2
3
4
5
6 (прототип)
1. Прочность на сжатие в возрасте суток (МПа)
36,0
43,5
41,3
40,4
36,7
9,2
2. Наличие трещин
есть
нет
нет
нет
нет
есть
Анализ данных, приведенных в таблице 2, показывает:
1) прочность бетона увеличилась в четыре раза при одинаковом В/Вяж=0,45, причем в состав смешанных вяжущих (предлагаемого и известного) включены портландцемент, наполнители и пластификатор;
2) состав бетонной смеси №1 и №5 не отвечают поставленной задачи, т.к. на поверхности образцов бетона у состава №1 проявились мелкие трещины, а прочность на сжатии бетона смеси №5 - ниже составов №2; №3 и №4.
Появление трещин (смесь №1) обосновано недостатком кислой среды (воды с рН 2,1) для предотвращения запоздалого процесса гашения (гидратации) пережженных частиц свободной извести, содержащейся в составе шлаковых высевок. Уменьшение прочности бетона у состава смеси №5 объясняется превышением оптимальной нормы пыли от выплавки ферросилиция, несмотря на самый высокий расход портландцемента.
2
Химическая сущность достижения (задачи заключается в химическом взаимодействии пережженных свободных частиц оксида кальция (СаО) с кислой модифицированной водой и переходом в гидроокись кальция (Са(ОН)), т.е. предотвращается запоздалый процесс пиления извести, а следовательно, и образование трещин бетона при твердении.
2
Превращение СаО в Са(ОН) способствует и увеличению в структуре бетона гидросиликатов кальция, а следовательно, и прочности бетона.
4
4
В составе смеси прототипа пережженные частицы свободной окиси кальция при взаимодействии с кислой средой, образованной MgSO, переходят в гипс CaSO, что также положительно сказывается на трещиностойкости, но отрицательно на прочности бетона, так как гипс (ангидрит) является труднорастворимым веществом и не образует дополнительного количества гидросиликатов кальция в структуре бетона. Однако трещины на поверхности бетона прототипа возникают вследствие повышенного содержания в составе бетонной смеси тонкодисперсного сталеплавильного шлака и тампонирования им капилляров, по которым диффундирует вода к поверхности для испарения, что создает внутренние напряжения, приводящие к трещинам.
2
3
4
4
Эффект достижения повышения прочности заключается в химическом взаимодействии модифицированной воды с рН 2,1-2,5 с пылевидным аморфным микрокремнеземом и переходом его вначале в метакремниевую (HSiO), а затем за счет полимеризации последней в гель ортокремниевой (HSiO).
Достоверность такого химизма превращения в ортокремниевую кислоту аморфного кремнезема в кислой среде подтверждена экспериментально и приведена в работе Чукина Г.Д. (Г.Д.Чукин, рецензент: д.х.н., профессор Б.К.Нефедов, «Химия поверхности и строения дисперсного кремнезема», гл. №8, раздел 8.2. - Строение глобулы силикагеля, синтезированного в кислой среде - М.: Типография Паладин, ООО «Принта», 2008. - 172 с.).
4
В составе бетонной смеси гель ортокремниевой кислоты вступает в реакцию с Са(ОН), образующейся при гидратации минералов клинкера портландцемента по реакции (1):
2
2
2
3
2
Ca(OH)+2HO+SiO=CaSiO·3HO (1).
2
3
2
Молекулярная масса Са(ОН)=74 а.е.м., a CaSiO·3HO=170 а.е.м. или выход гидросиликата кальция по реакции (1) составляет 70% от общей массы.
2
При взаимодействии Са(ОН) с традиционными активными кемнеземсодержащими минеральными добавками (опокой, трепелом и др.) выход гидросиликата кальция меньше, т.e
2
2
2
3
2
Ca(OH)+SiO+HO=CaSiO-2HO (2).
3
2
Молекулярная масса CaSiO·2HO=160 a.e.м или выход гидросиликата кальция по реакции (2) составляет 68% от общей массы, т.е на 2% меньше по отношению к реакции (1).
Уравнение реакции (2) написано из литературы (Волженский А.В., Ю.С.Колокольников и др. Минеральные вяжущие вещества, 1979. - 472 с).
Таким образом пыль от выплавки ферросилиция совместно с «мертвой» водой с рН 2,1-2,5 способствует исключению трещин бетона при твердении и увеличению продуктов гидратации гидроспликатов кальция, а соответственно прочности бетона.
Повышению прочности способствует меньшая водонотребность предлагаемой бетонной смеси за счет совокупного действия трех компонентов: пластифкатора с основой нафтеновой кислоты, пыли от выплавки ферросилиция и модифицированной кислой воды рН 2,1-2,5, а также использования крупного заполнителя (гранитный щебень).
Экономическая целесообразность предлагаемой бетонной смеси по отношению к известной (№6-прототип) заключается в следующих факторах:
1) уменьшается расход смешанного вяжущего (в %) на 1% заполнителя, т.е.:
- для известного (48%:52%)=0,923;
- для предлагаемого (23,l% сред.:76,9% сред.)=0,3, т.е расход уменьшен в три раза;
2) уменьшен расход бетонной смеси на единицу прочности (МПа) бетона в возрасте 28 суток нормального твердения, т.е.:
- для известного (100% б.смеси : 9.2 МПа)=10,87;
- для предлагаемого (100% б.смеси : 39,3 сред.)=2,54 (в 4,28 раза меньше, что положительно отразилось на снижении себестоимости смеси).
Последнему способствует и тот факт, что высевки шлака в 10 раз дешевле тонкодисперсного сталеплавильною шлака, а затраты на получение модифицированной воды в три раза дешевле сернокислого магния. Таким образом, себестоимость предлагаемой бетонной смеси на 6-8% ниже известной.