ФИБРОБЕТОННАЯ СМЕСЬ
FIBRE-CONCRETE MIXTURE

Заявляемое изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам бетонных смесей, используемых при изготовлении сборных и монолитных железобетонных изделий и конструкций.
Известна бетонная смесь, включающая цемент, заполнитель и комплексную добавку, содержащую хлористый кальций, азотнокислый аммоний и бишофит [Патент РФ №2149850, 2000 г. - аналог].
Недостатком бетонной смеси является низкая скорость набора прочности в ранние сроки твердения, начиная с 1-х суток, и значительное содержание хлористых соединений в комплексной добавке, негативно влияющих на коррозию арматуры в железобетонных изделиях.
Известна фибробетонная смесь, включающая цемент, заполнитель и упрочнитель - стальную проволоку [Патент РФ №2188804, 10.09.2002 - прототип].
Недостатком фибробетонной смеси является небольшой прирост прочности как в ранние, так и в конечные сроки твердения при повышенном расходе дорогостоящего упрочнителя - стальной фибры.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение прочности, включая ранние сроки твердения фибробетонной смеси, за счет применения комплексной добавки с минимальным количеством хлористых соединений и снижения расхода упрочнителя - стальной фибры.
Технический результат, полученный в процессе решения поставленной задачи, достигается тем, что фибробетонная смесь, включающая цемент, заполнитель и упрочнитель - стальную проволоку, содержит в качестве цемента портландцемент, в количестве 1,0-2,0% от объема смеси стальную проволоку «Миксарм» диаметром 1 мм и длиной 54 мм с анкерами на концах и дополнительно комплексную добавку в количестве 0,88-1,76 мас.% от цемента, состоящую из пластифицирующей добавки «Д-11» 0,5-1,0 мас.% от цемента и модифицирующей добавки, включающей технический углерод-сажу 0,375-0,75 мас.% от цемента и многослойные углеродные нанотрубки 0,0005-0,01 мас.% от цемента диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм.
Для повышения прочности бетона на макроуровне вводились стальные волокна-фибры «Миксарм», выполненные из проволоки диаметром 1 мм и длиной 54 мм с анкерами на концах, блокирующие развитие макротрещин и являющиеся центрами ускоренного образования крупных прочных новообразований в структуре фибробетона.
2
3
2
Многофункциональная пластифицирующая добавка «Д-11» разработана в ООО НПП «Ирстройпрогресс» в соответствии с ТУ 574325-004-44628610-2006. В соответствии с ТУ «Д-11» содержит суперпластификатор в количестве не более 35 мас.%, ускоритель твердения и минеральный уплотнитель состава, мас.%: SiO 18-30, SO 25-35, NaO 8-15, CaO 3-8, Cl не более 0,15, п.п.п. не более 30. Адсорбция частиц добавки на поверхности зерен цемента повышает смачиваемость раствора и снижает его водопотребность, что приводит к ускоренному увеличению прочности затвердевшего бетона.
Для модификации структуры на микроуровне использовался тонкоизмельченный порошок технического углерода-сажи с размерами частиц не более 5 мкм, который при введении в бетонную смесь увеличивает ее подвижность, что позволяет снизить количество воды затворения на 10-15%, уменьшить водоцементное отношение смеси и тем самым увеличить прочность, начиная с ранних сроков твердения.
В составе комплексной добавки, модифицирующей микро- и наноструктуру фибробетона, использовались многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм, длиной 2-50 мкм. Эффект усиления прочности на наноуровне связан с тем, что высокопрочные нанотрубки являются центрами кристаллизации новообразований цементного камня. В результате образуется упрочненная армированная структура цементного камня, что значительно повышает прочность фибробетона.
Таким образом, комплексное введение в сырьевую смесь металлических волокон-фибр «Миксарм», выполненных из проволоки диаметром 1 мм и длиной 54 мм, а также применение комплексной добавки, состоящей из пластифицирующей добавки «Д-11» и модифицирующей добавки, включающей технический углерод-сажу и многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм, способствует увеличению прочности фибробетона в ранние сроки твердения, начиная с 1-х суток на макро-, микро- и наноуровнях, что и является новым техническим свойством заявляемой фибробетонной смеси.
3
Фибробетонную смесь готовят из расчета расхода материалов на 1 м смеси, кг:
портландцемент Серебряковского
цементного завода марки 400
300
песок Орловского карьера
Волгоградской области
620
щебень гранитный Быстрореченского
карьера двух фракций (5-10 мм) и (10-20 мм)
в соотношении 1:2
1230
вода
140
Комплексную добавку, состоящую из пластифицирующей добавки «Д-11» и модифицирующей добавки, включающей технический углерод-сажу и многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм, в количестве 0,88-1,76% от массы цемента, предварительно растворяют с небольшим количеством воды затворения в ультразвуковом диспергаторе (УЗД) с частотой 20 кГц в течение 1-1,5 минут до получения однородного раствора и равномерно вводят в бетонную смесь с остальной водой. Упрочнитель в виде фибры «Миксарм» диаметром 1 мм и длиной 54 мм в количестве 1,0-2,0% от объема смеси вводят в бетоносмеситель после предварительного перемешивания цемента, заполнителей, раствора комплексной добавки и оставшейся воды затворения.
Для определения механических свойств из фибробетонной смеси приготавливают по стандартной методике образцы-кубы размером 15×15×15 см, твердеющие в естественных условиях, и испытывают на прочность при сжатии в ранние, начиная с 1-х суток, сроки твердения.
Для экспериментальной проверки заявленной фибробетонной смеси готовили несколько составов смесей, отличающихся различным содержанием компонентов комплексной добавки в процентном соотношении по массе, три из которых показали оптимальные результаты.
Количественные составы комплексной добавки и упрочнителя в фибробетонной смеси представлены в табл.1.
Таблица 1
Составы заявленной комплексной добавки
Содержание компонентов комплексной добавки, % от массы цемента
1
2
3
Пластификатор «Д-11»
0,5
0,75
1,0
Технический углерод-сажа
0,375
0,5
0,75
Многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 им и длиной 2-50 мкм
0,005
0,0075
0,01
Фибра «Миксарм» диаметром 1 мм и длиной 54 мм, % от объема смеси
1,0
1,5
2,0
Влияние комплексной добавки и упрочнителя в виде фибры «Миксарм» на рост прочности фибробетона в естественных условиях твердения представлено в таблице 2. Для определения прочности на сжатие и сравнения результатов испытаний были изготовлены образцы фибробетонной смеси по прототипу (см. табл.2).
Таблица 2
Составы заявленной фибробетонной смеси
Предел прочности при сжатии, МПа
Возраст фибробетона
1 сутки
3 суток
7 суток
28 суток
1
17,5
33,8
48,9
54,6
2
20,1
37,4
50,6
56,8
3
22,3
39,6
53,4
61,5
Бетонная смесь по аналогу
13,8-16,4
23,5-27,9
32,1-37,2
38,2-43,8
Фибробетонная смесь по прототипу
15,7
28,3
41,8
52,5
Анализ представленных в таблице 2 данных показывает, что введение в заявленную фибробетонную смесь металлических волокон-фибр «Миксарм», а также комплексной добавки, состоящей из пластифицирующей добавки «Д-11» и модифицирующей добавки, включающей технический углерод-сажу и многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм, при указанных соотношениях входящих в нее компонентов способствует согласно составам №1 - 3 увеличению прочности на сжатие в возрасте 28 суток по сравнению с аналогом на 40-43%, а по сравнению с прототипом - на 3-16%. Прирост прочности заявленной фибробетонной смеси (состав №3) при твердении в возрасте 1, 3 и 7 суток по сравнению с аналогом составляет 36 - 43,5%, а по сравнению с прототипом - 22,4-37,5%.
Увеличение прочности заявленной фибробетонной смеси по сравнению с прототипом достигается при снижении расхода дорогостоящего упрочнителя - стальной проволоки на 20% (2,0% от объема заявленной фибробетонной смеси против 2,4% - по прототипу).