ТЯЖЕЛЫЙ БЕТОН
HEAVY CONCRETE

Изобретение относится к составам бетонов и может быть использовано для получения тяжелых бетонов на основе магнийсиликатных пород - верлитов, дунитов.
Известен бетон, содержащий, мас.%: композиционное вяжущее - 10,1-30, песок кварцевый - 12-30, щебень гранитный - 25-60, вода - остальное (SU 1413081, 30.07.1988, 3 с.).
Известно вяжущее, предназначенное для приготовления бетонов, содержащее, мас.%: верлит - 25-30, портландцементный клинкер - 70-75, двуводный гипс - 2 (от массы смеси верлита и портландцементного клинкера) (RU 2320592, 27.03.2008).
Предлагаемый бетон в качестве крупного заполнителя содержит верлитовый щебень, в качестве мелкого заполнителя - дунитовый песок, в качестве вяжущего - композиционное вяжущее с добавкой верлита в количестве 20%.
Наиболее близким к заявленному изобретению, составом того же назначения, по совокупности признаков, является бетон, содержащий в частях:
- портландцементный клинкер
1
- крупный щебень
4,5
- мелкий щебень
1,13
(Использование попутных продуктов обогащения железных руд в строительстве на Севере. Ленинград: Стройиздат. Ленинградское отделение, 1986, с.146-151).
Недостатком при использовании известного вещества, принятого за прототип, является более значительный расход цемента. Предлагаемый бетон позволяет значительно уменьшить расход цемента в вяжущем и увеличить свою прочность по сравнению с прототипом.
Поэтому предлагается возможность создания бетонов на основе композиционных вяжущих с использованием магнийсиликатной породы.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение прочности бетона путем введения в вяжущее добавки на основе пород Забайкалья - верлитов, что в сочетании с минералами портландцементного клинкера приводит к активному участию породы в процессе гидратации и твердения бетонов.
Технический результат достигается и тем, что тяжелый бетон состоит из композиционного вяжущего, верлитового щебня, дунитового песка при следующем соотношении компонентов, мас.%
- композиционное вяжущее
16,0
- дунитовый песок
34,0
- верлитовый щебень
42,0
- вода
8,0
В качестве добавки в композиционном вяжущем содержится магнийсиликатная порода - верлит, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Верлит
20
Двуводный гипс
3
Портландцементный клинкер
77
2
4
2
Известен механизм процесса гидратации и твердения портландцементов и бетонов на основе магнийсодержащих хвостов Ковдорского ГОКа, представляющих собой горную породу ультраосновного состава. Большую роль в формировании механических свойств материала играют параметры автоклавного синтеза. При гидротермальном синтезе в условиях автоклава силикаты магния и железистомагниевые силикаты изменяют свою структуру, в системе (Mg, Fe)SiO - CaO - HO фиксируются новообразования различного кальциево-магниевого состава, обеспечивающие прочность автоклавному камню.
В заявленном бетоне в качестве добавки в композиционное вяжущее, а также в качестве крупного и мелкого заполнителя использованы магнийсиликатные породы в виде верлита и дунита, которые являются природным сырьем Забайкалья. Формирование механических свойств данного материала происходит в нормально-влажностных условиях, что снижает себестоимость полученных изделий.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведение об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату - повышению прочности вяжущего, отличительных признаков в заявленном веществе, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований, а именно взаимодействие верлита с минералами цементного клинкера указанного состава, что обеспечивает положительную реакцию на достижение технического результата - повышение прочности.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".
Верлит и дунит Йоко-Довыренского массива, входящие как в состав цемента, так и в состав заполнителей, являются ультраосновными горными породами следующего химического состава, мас.% (см. табл.1). Запасы их составляют миллиарды тонн. Качество их хорошее. Щелоче- и флюидосодержащие минералы отсутствуют. Этим магнийсиликатные породы Йоко-Довыренского массива выгодно отличаются от оливинита Ковдорского массива, содержащего кальцит, флюид- и щелочесодержащие минералы. Химический состав для сравнения приведен ниже, мас.%: (см. табл.2).
В данном техническом решении верлит используется в качестве активного вяжущего компонента в бетонах в количестве 20% впервые. Также впервые используются: верлитовый щебень в качестве крупного заполнителя в количестве 42% и дунитовый песок в количестве 34%.
Было исследовано влияние водотвердого отношения на прочность бетонных образцов, которое изменялось от 40 до 60% по массе. Также было изучено влияние условий твердения на прочность получаемого материала.
Технология получения бетонов предлагаемого состава такова.
2
Портландцементный клинкер, верлит и гипс соединяют в необходимом соотношении и измельчают в лабораторной стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ до величины удельной поверхности 340 м/кг. В приготовленную таким образом шихту вводится мелкий (дунитовый песок) и крупный (верлитовый щебень) заполнитель, после чего смесь тщательно перемешивают в течение 5 мин, а затем вводят необходимое количество воды. Образцы - кубы размером 10×10×10 (см) готовят из полученного вяжущего - 15-17% по массе, дунитового песка - 34%, верлитового щебня - 42%, воды - остальное. Формование образцов проводят на виброуплотняющей установке. Образцы в формах хранят 24 часа во влажных условиях, после чего подвергают ТВО или хранят в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях.
Пример 1
2
Портландцементный клинкер, верлит и гипс измельчают в стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ до величины удельной поверхности 340 м/кг при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- верлит
20
- двуводный гипс
3
- портландцементный клинкер
77
Готовят бетонные образцы из приготовленного вяжущего, крупного и мелкого заполнителя при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- композиционное вяжущее
17
- дунитовый песок
34
- верлитовый щебень
42
- вода
7
3
Смесь перемешивают и затворяют водой в водоцементном отношении 0,4. Часть образцов подвергают тепловлажностной обработке при температуре 90°С по режиму 1+5+2 ч, а часть хранят в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях. Образцы испытывают на сжатие. Через 28 суток хранения образцы имели прочность при сжатии 33,1 МПа, среднюю плотность 2467 кг/м. После тепловлажностной обработки прочность при сжатии составила 30,8 МПа, средняя плотность не изменилась.
Пример 2
Аналогичен примеру 1 при водоцементном отношении 0,5.
3
Прочность при сжатии через 28 суток - 33,8 МПа, средняя плотность 2501 кг/м. Прочность после ТВО - 31,2 МПа.
Пример 3
Проводится аналогично примеру 1 при водоцементном отношении 0,6.
3
сж
Прочность при сжатии через 28 суток 29,7 МПа, средняя плотность 2536 кг/м. R после ТВО - 26,9 МПа.
В результате исследований (см. табл.4) удалось установить, что оптимальным является водоцементное отношение 0,5, где прочность бетонных образцов составляет 33,8 МПа.
Характеристики полученных бетонов приведены в табл.4 (примеры 1-3). Для сравнения приведены показатели известного прототипа в табл.3 (примеры 1-4). В табл.3 приняты следующие обозначения основных компонентов:
Ц - портландцемент
кр
Щ - щебень крупный
м
Щ - щебень мелкий
В - вода
Анализ результатов табл.3 и 4 показывает, что
- бетоны, состоящие только из портландцемента, крупного и мелкого заполнителя, обладают пониженной прочностью по сравнению с предложенным бетоном, имеющим в своем составе кроме указанных компонентов минеральную добавку в вяжущее - верлит;
- у тяжелого бетона наблюдается наибольший рост прочности после 28 суток нормально-влажностного твердения, чем при тепловлажностной обработке.
- оптимальным является состав бетона, содержащий, в мас.%: композиционное вяжущее - 16, дунитовый песок - 34, верлитовый щебень - 42, вода - 8, обеспечивающий хорошие показатели прочности при нормально-влажностных условиях твердения.
Таким образом, предлагаемый бетон имеет следующие преимущества по сравнению с известным:
- увеличены прочностные показатели по сравнению с прототипом;
- уменьшено количество портландцементного клинкера;
- снижены энергозатраты на его производство за счет замены отходов обогащения руд на верлит, добыча которого предполагается открытым способом;
- стоимость используемой добавки в 18 раз дешевле, чем стоимость отходов обогащения руд, т.к. верлит и дунитовый песок находятся в отвальных породах.
Предлагаемый состав отличается от прототипа тем, что в качестве вяжущего в бетоны он не содержит отходы обогащения руд, а содержит нетрадиционное природное сырье - верлит; в качестве крупного заполнителя - верлитовый щебень, а в качестве мелкого - дунитовый песок.
Таблица 1
Химический состав магнийсиликатных пород, мас.%
Компонент
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
FeO
CaO
MgO
Na<sub>2</sub>O
K<sub>2</sub>O
Верлит
39,70
1,80
0,42
10,70
0,81
43,83
0,12
0,07
Дунитовый песок
38,40
2,10
2,93
9,95
0,46
43,20
0,05
0,03
Таблица 2
Химический состав прототипа, мас.%
Компонент
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
MnO
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
CaO
MgO
K<sub>2</sub>O+Na<sub>2</sub>O
TiO<sub>2</sub>
Хвосты Ковдорского ГОКа
47,2
3,11
6,00
0,20
6,75
12,22
45,78
2,3
0,57
Таблица 3
Зависимость прочности бетона на основе хвостов Ковдорского ГОК от состава
Состав бетона Ц:Щ<sub>кр</sub>:Щ<sub>м</sub>
Расход 1 м<sup>3</sup> материала, кг
R<sub>сж</sub>, МПа
Ц
Щ<sub>кр</sub>
Щ<sub>м</sub>
В
1:4,62:1,16
275
1275
325
165
24,8
1:4,50:1,13
280
1260
315
177
23,7
1:4,85:1,19
291
1408
345
192
29,4
1:4,10:1,03
305
1260
313
175
22,2
Таблица 4
Показатели физико-механических свойств бетонов на основе верлита
Водоцементное отношение
Предел прочности при сжатии, МПа, после
Средняя плотность, кг/м<sup>3</sup>
28 суток
ТВО
0,5
31,2
28,4
2425
0,6
30,5
27,6
2498
0,7
27,7
22,4
2502
Предлагаемые бетоны разработаны в лаборатории химии и технологии природного сырья БИП СО РАН при участии ГИН СО РАН.
Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию "промышленная применимость".