ТЯЖЕЛЫЙ БЕТОН
HEAVY CONCRETE

Изобретение относится к составам бетонов и может быть использовано для получения тяжелых бетонов на основе магнийсиликатных пород - дунитов.
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. Л.: Стройиздат. Ленинградское отделение, 1986, с.146-151.)
При использовании известного вещества, принятого за прототип, недостатком является то, что значительно увеличен расход цемента. А предлагаемый бетон при значительном снижении расхода цемента в вяжущем обладает более высокой прочностью 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 - дунитов в сочетании с минералами портландцементного клинкера, что приводит к активному участию породы в процессе гидратации и твердения бетонов.
Технический результат достигается тем, что тяжелый бетон получен из смеси, состоящей из композиционного вяжущего, дунитового щебня, дунитового песка и воды, при следующем соотношении компонентов, в мас.%:
- композиционное вяжущее
13
- дунитовый песок
21
- дунитовый щебень
58
- вода
8
В качестве добавки в композиционном вяжущем содержится магнийсиликатная порода - дунит, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- дунит
20
- двуводный гипс
3
- портландцементный клинкер
остальное
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-НО 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 использована магнийсиликатная порода в виде дунита, которая является природным сырьем Забайкалья.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил 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 бетонов, 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 дунита с минералами цементного клинкера обеспечивает положительную реакцию на достижение технического результата - повышение прочности.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".
2
4
Дунит Йоко-Довыренского массива (Северное Прибайкалье), входящий как в состав цемента, так и в состав заполнителей является ультраосновной горной породой следующего химического состава, мас.% (см. табл.1). В составе породы преобладает (85-98%) минерал оливин, магнийсодержащий силикат состава (Mg, Fe)SiO.
Дунит слагает мощную зону (до 850 м мощности) протяженностью около 15 км. Запасы дунита составляют несколько миллиардов тонн. Качество дунита хорошее. Серпентинизация незначительная, петельчатая. Щелоче- и флюидосодержащие минералы отсутствуют. Этим дунит Йоко-Довыренского массива выгодно отличается от оливинита Ковдорского массива, содержащего кальцит, флюид- и щелочесодержащие минералы.
Химический состав для сравнения приведен ниже, мас.% (см. табл.2). Дунит используют в различных отраслях народного хозяйства: для производства магнезиально-силикатных огнеупоров; для изготовления литейных форм; в доменном процессе в качестве шлакообразующего компонента; для получения магниевого удобрения (Петров В.П. Оливин как полезное ископаемое. Известие высших учебных заведений. Геология и разведка. 1992. №1. С.67-74).
В данном техническом решении это сырье используется в качестве активного вяжущего компонента в бетонах в количестве 20% впервые.
Было исследовано влияние водотвердого отношения на прочность бетонных образцов, которое изменялось от 50 до 70% по массе. Изучали влияние условий твердения на прочность получаемого материала.
Технология получения бетонов предлагаемого состава такова.
2
Портландцементный клинкер, дунит и гипс измельчают в лабораторной стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ до величины удельной поверхности 3400 см/г. В приготовленную таким образом шихту вводится мелкий (дунитовый песок) и крупный (дунитовый 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 - 13% по массе, дунитового песка - 23%, дунитового щебня - 56%, 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 лабораторных условиях.
Пример 1.
2
Портландцементный клинкер, дунит и гипс измельчают в стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ до величины удельной поверхности 3400 см/г при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- дунит
20
- двуводный гипс
3
- портландцементный клинкер
остальное
Готовят бетонные образцы из приготовленного вяжущего, крупного и мелкого заполнителя при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- композиционное вяжущее
13
- дунитовый песок
21
- дунитовый щебень
58
- вода
8
3
Смесь перемешивают и затворяют водой в водоцементном отношении 0,5. 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 31,2 МПа, среднюю плотность 2425 кг/м. После тепловлажностной обработки прочность при сжатии составила 28,4 МПа, средняя плотность не изменилась.
Пример 2
Аналогичен примеру 1 при водоцементном отношении 0,6.
3
Прочность при сжатии через 28 суток - 30,5 МПа, средняя плотность 2498 кг/м. Прочность после ТВО - 27,6 МПа.
Пример 3
Проводится аналогично примеру 1 при водоцементном отношении 0,7.
3
c
ж
Прочность при сжатии через 28 суток 27,7 МПа, средняя плотность 2502 кг/м. R после ТВО - 22,4 МПа.
В результате исследований (см. табл.4) удалось установить, что оптимальным является водоцементное отношение 0,5, где прочность бетонных образцов составляет 31,2 МПа. Но для удобоукладываемости принимаем водоцементное отношение, равное 0,6. Прочность образцов при этом различается незначительно (на 2% после ТВО и 28 суток нормально-влажностного твердения).
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.4 и 5 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 - дунит;
- у тяжелого бетона наблюдается наибольший рост прочности после 28 суток нормально-влажностного твердения, чем при тепловлажностной обработке.
Следовательно, оптимальным является состав бетона, содержащий, в долях: композиционное вяжущее - 1, дунитовый песок - 1,69, дунитовый щебень - 4,59, 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;
- снижены энергозатраты на его производство за счет замены отходов обогащения руд на дунит, добыча которого предполагается открытым способом;
- стоимость используемой добавки в 18 раз дешевле, чем стоимость отходов обогащения руд, т.к. дунит находится в отвальных породах.
Предлагаемый состав отличается от прототипа тем, что в качестве вяжущего в бетоны не содержит отходы обогащения руд, а содержит нетрадиционное природное сырье - дунит; в качестве крупного заполнителя - дунитовый щебень, а в качестве мелкого - дунитовый песок.
Таблица 1Химический состав дунита
Компонент
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe
Mn
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
CaO
MgO
K+Na
Ti
Дунит
36,5
1,05
7,19
0,154
0,1
7,01
43,34
0,15
0,41
Таблица 2Химический состав прототипа
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 3Зависимость прочности бетона на основе хвостов Ковдорского ГОКа от состава
Состав бетона
Расход 1 м<sup>3</sup> материала, кг
R<sub>cж</sub>, МПа
Ц:Щ<sub>кр</sub>:Щ<sub>м</sub>
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 4Показатели физико-механических свойств бетонов на основе дунита
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
Таблица 5Основные физико-механические свойства тяжелых бетонов на основе дунита
Свойство
Единица измерения
Тяжелый бетон на основе дунита
Обычный тяжелый бетон
Предел прочности при сжатии:
МПа
27,6
24,7
после ТВО
Через 28 суток
30,5
26,9
Объемная масса
кг/м<sup>3</sup>
2430-2500
2250-2310
Водоцементное отношение
%
60
60
Морозостойкость
цикл
50
50
Водостойкость
К<sub>разм</sub>
0,85-0,87
0,80-0,82
Теплопроводность
Вт/м<sup>2</sup>·°С
0,76
0,91
Предлагаемые бетоны разработаны в лаборатории химии и технологии природного сырья Байкальского института природопользования СО РАН.
Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию "промышленная применимость".