КОМПЛЕКСНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ
COMPLEX ADDITIVE FOR CONCRETE MIXTURES AND MORTARS

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к бетонной смеси для изготовления и производства бетонных и железобетонных изделий с увеличенным сроком службы за счет снижения водонепроницаемости бетона, для высокоэтажного строительства, для увеличения несущей способности фасадов.
К бетонам, применяющимся в гидротехническом и дорожном строительстве, предъявляются высокие требования по долговечности, которая, в первую очередь, оценивается по морозостойкости и водонепроницаемости бетона. Современное разнообразие и сложность технических проблем формируют новые задачи по совершенствованию строительных материалов, применяемых в различных областях. Одним из решений подобных задач является создание и применение новых комплексных добавок для бетонных смесей и строительных растворов, рационально сочетающих необходимые технологические и эксплуатационные характеристики.
Водонепроницаемость является очень важной характеристикой бетона, не только применяемого в гидротехнических сооружениях, например для плотин, водохранилищ, бассейнов, опор мостов, но и в повседневмном строительстве. Неоднократное проникновение влаги в поры бетона и ее замораживание приводит к появлению трещин в бетонном камне и снижению прочности бетона.
Водопроницаемость бетона
Фильтрация воды в бетоне средней плотности может происходить главным образом в обход цементного камня по микрополостям в местах контактов цементного камня и заполнителей, образовавшихся в результате внутреннего водоотделения при седиментации цементного теста или неравномерных усадочных напряжений, а также через поры и капилляры в цементном камне. Общая пористость бетона и его проницаемость - понятия неоднозначные. Бетон может обладать достаточной пористостью и в то же время иметь малую водопроницаемость. Так, капилляры диаметром до 1 мкм практически непроницаемы для воды, так как адсорбционные слои воды пристенного слоя примерно на 0,5 мкм сужают живое сечение капилляров и иногда полностью их перекрывают, сильно затрудняют фильтрацию воды через эти капилляры. Однако перемещение воды в бетоне может происходить не только чисто механически, в результате непосредственной фильтрации при наличии давления, но и в силу диффузионных процессов. Перемещение влаги в тончайших капиллярах, называемое капиллярной влагопроницаемостью, может иметь место в достаточно плотном цементном камне и бетоне, для этого требуется лишь небольшой влажностный или тепловой потенциал. Интенсивность миграции или капиллярного подсоса зависит от формы и диаметра капилляров.
Получение практически водонепроницаемых бетонов обеспечивается необходимым содержанием цемента в бетоне, зависящим от гранулометрического состава заполнителей, малым водоцементным отношением и соответствующим малому содержанию воды уплотнением бетонной смеси при формовании изделий в растворобетонных узлах, а также оптимальным влажностным режимом твердения бетона, позволяющим удлинить процесс гидратации. Водопроницаемость может быть в отдельных случаях резко снижена при введении в бетон добавок поверхностно-активных веществ, как гидрофильных, так и гидрофобных. Так, при введении в состав бетона поверхностно-активных добавок водопроницаемость бетона значительно (в 10-20 раз) снижается. Такое влияние добавок объясняется изменением структуры цементного камня вследствие уменьшения водопотребности бетонной смеси и уменьшения водоотделения цементным тестом. В свою очередь это приводит к уменьшению количества и величины пор в цементном камне и к улучшению контактов последнего с зернами заполнителя. Хотя с введением добавок, вовлекающих воздух, общее количество пор несколько увеличивается, но эти микропоры, будучи замкнутыми, блокируют ходы сообщения между отдельными капиллярами и понижают капиллярную водопроницаемость бетона.
o
3
На современном рынке строительных материалов существует потребность в особо прочных и тяжелых бетонах, содержащих заполнители, например барит, лимонит, и служащих для изготовления различных строительных деталей и конструкций с объемным весом бетона Y=3000-3300 кг/м, например массивные фундаменты, испытательные стенды, различные пригрузы, балансиры и т.д.
3
Известна бетонная смесь для изготовления изделий и конструкций из тяжелого бетона, включающая высококальциевую золу-унос, щебень, песок, хлоридсодержащую добавку и воду (RU 2101251 C1, C04B 28/08, 15.08.1995). Указанная смесь не позволяет на ее основе получать конструкции с объемным весом в пределах 3000-3300 кг/м, а хлоридсодержащая добавка может стать причиной коррозии арматурного каркаса бетонируемого изделия.
Известна бетонная смесь, включающая гидравлический цемент, барит, золу-унос, а также различные химические добавки, в том числе на основе карбоксилатов и сульфонатов (GB 1413121, C04B 28/04, 05.11.1975).
3
Указанная смесь обеспечивает получение конструкций с объемным весом 3000-3300 кг/м, однако не позволяет в должной мере обеспечить другие характеристики бетона: подвижность и сохраняемость для дальних перевозок.
Поставленная задача решается тем, что бетонная смесь включает цемент из клинкера нормированного состава ПЦ 500Д0-Н, баритовый концентрат различных фракций, золу-унос (порошковая из отходов производства), а также комплексные химические добавки на основе поликарбоксилатов и лигносульфонатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%
портландцемент ПЦ 500Д0-Н
10,9-11,5
зола-унос
0,97-2,4
баритовый концентрат
79,1-80,72
добавки: поликарбоксилаты
0,11-0,16 и
лингосульфонаты
0,01-0,02
вода
6,76-6,88
3
3
Сущность этого изобретения заключается в том, что, уменьшив расходы цемента и воды на единицу объема (м), высвободившуюся часть объема смеси заполняют баритовым концентратом, тем самым увеличивая удельный вес бетонной смеси. Указанный состав бетонной смеси для изготовления тяжелого бетона позволяет повысить среднюю плотность и прочность материала, а также расширить сырьевую базу путем сокращения дозировки наиболее легких составляющих бетонной смеси, в частности воды. Бетонная смесь для изготовления этого бетона предназначена для строительных конструкций с повышенным объемным весом, включает портландцемент, изготовленный из клинкера нормированного состава, утяжеленный заполнитель (баритовый или лимонитовый концентрат с плотностью не менее 3,8 г/см) различных фракций в зависимости от назначения бетонной смеси, условий перевозки и укладки. Также бетонная смесь включает золу-унос сухого отбора с электрофильтров тепловых электростанций, образующуюся в результате сжигания углей в пылевидном состоянии, т.е. используются отходы от сжигания топлива, тем самым улучшается экология. Кроме того, в составе бетонной смеси используются суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов.
Соотношение компонентов бетонной смеси составляет по массе в %: цемент ПЦ 500Д0-Н 10,9-11,5 мас.%, баритовый концентрат 79,1-80,72 мас.%, зола-унос 0,97-2,4 мас.%, поликарбоксилаты 0,11-0,16 мас.%, лигносульфонаты 0,01-0,02 мас.% и вода 6,76-6,88. Вода дозируется в зависимости от условий перевозки, укладки бетонной смеси, требуемой прочности и т.д. Цемент ПЦ 500Д0-Н должен отвечать требованиям ГОСТ 10178, баритовый концентрат - ГОСТ 4682, зола-унос - ГОСТ 25818.
2
2
3
2
3
3
2
2
2
2
Золы-уноса имеют следующий химический состав: SiO 46,44%; AlO 10,86%; FeO 10,00%; CaO 22,15%; MgO 5,98%; SO 2,17%; TiO 0,60%; NaO 0,74%; KO 0,56%. Удельная поверхность 374 м/кг. Остаток на сите 008-7,0%.
Применение золы-уноса в этом составе бетонной смеси для изготовления тяжелого бетона позволяет кроме утилизации отходов производства получить более плотную структуру бетона, сократить расход цемента или увеличить его прочностные характеристики, а также улучшить технологические свойства бетонной смеси.
Недостатки - относительно низкая прочность и высокая влагопроницаемость.
Известна минеральная добавка к бетону по патенту РФ на изобретение №2478589, МПК C04B 7/12, опубл. 10.04.2013 г.
2
2
2
Технический результат - уменьшение содержания щелочных оксидов в жидкой фазе цемента и получение качественных цемента, раствора и бетона с указанной добавкой без ухудшения их свойств. Минеральная добавка к цементу, содержащая цементную пыль-унос электрофильтров вращающихся печей, дополнительно содержит компонент с удельной поверхностью не менее 800 м/кг, по крайней мере, один, выбранный из группы: мел, глина, известняк, при соотношении между указанным компонентом и пылью от 1:1 до 1:10, при этом содержание RO в пересчете на NaO в добавке не более 4%. Добавка может содержать в качестве указанного компонента пыль от электрофильтров агрегата для совместной сушки и помола цементного сырья.
Недостатки - не улучшены основные характеристики бетона
Известна добавка для бетона по патенту РФ на изобретение №2478589, МПК C04B 7/12, опубл. 10.04.2013 г.
Технический результат: получение экологически безопасной смеси веществ, используемой в качестве добавки, которая способствует повышению гибкости бетона и уменьшению усадки. Смесь веществ, применяемая в качестве добавки для отверждающихся материалов, в частности для бетонной смеси, содержит, вес.%: ксантановую смолу 1-8; псевдовязкий загуститель, содержащий воду, 1-6; разжижитель 2-10; синтетическую смолу, совместимую с цементом, 20-50; пенообразователь 0,1-3; ускоритель отверждения 30-70, консервант 0,2-4, причем полный вес всех компонентов смеси веществ должен равняться 100 вес.%. Применение указанной смеси веществ для бетонной смеси, содержащей 0,01-0,5 кг предпочтительно 0,05-0,1 кг на кг цемента смеси веществ, цемент, заполнитель. Вышеуказанная бетонная смесь, содержащая в качестве заполнителя любые виды песка, любые виды почвы, загрязненной или незагрязненной, и/или такие материалы, как боксит, латерит, вулканический пепел, пемза и зола с установок сжигания.
Недостатки - не улучшены основные характеристики бетона: прочность и влагостойкость.
Известна комплексная добавка для бетона по патенту РФ на изобретение №2457190, МПК C04B 22/08, опубл. 27.07.2012 г.
Технический результат - повышение темпа роста прочности бетона в ранние сроки твердения при сохранении его высокой конечной прочности, обеспечение морозостойкости и водонепроницаемости. Комплексная добавка для бетонной смеси содержит, мас.%: фенилэтоксисилоксан 2-4, карбоксилатный полиэфир 30-35, ускоритель твердения 61-68.
Недостатки заключаются в том, что несмотря на ускорение роста прочности уровень прочности бетона не возрос и влагопроницаемость не изменилась.
Известна комплексная добавка для бетонной смеси по патенту РФ на изобретение №2443648, МПК C04B 24/24, опубл. 27.02.2012 г.
Технический результат - сохранение и улучшение технологических свойств бетонной смеси и повышение прочности на сжатие цементного камня и бетона при более рациональном использовании пластифицирующей добавки. Комплексная добавка для бетонной смеси содержит, мас.%: Melflux 265IF - 50-75, полиэтиленгликоль-ПЭГ 2000 - 25-50.
Недостатки - использование дорогостоящих импортных наполнителей и плохая влагостойкость бетона.
Известна комплексная добавка для портландцемента по патенту РФ на изобретение №2431623, МПК C04B 22/00, опубл. 20.10.2011 г.
Комплексная добавка для портландцемента содержит, мас.%: гипс или ангидрит 30-54, суперпластификатор С-3 0,5-4,5, колошниковую пыль 10-25, золошлаковые отходы с содержанием оксида алюминия не менее 25 мас.% 16,5-52,5, карбонатную горную породу 12-35. Технический результат - увеличение степени расширения портландцемента, обладающего повышенной гидравлической активностью, снижение пористости бетона на портландцементе с указанной добавкой.
Недостатки - низкая прочность и высокая влагостойкость бетона.
Известна комплексная добавка для бетонной смеси по патенту РФ на изобретение №2422395, МПК C04B 24/24, опубл. 27.06.2011 г.
Технический результат - повышение прочности бетона в ранние сроки твердения при сохранении их высокой конечной прочности, повышение морозостойкости и водонепроницаемости. Комплексная добавка для бетонной смеси содержит, мас.%: гиперпластификатор «Мобет марки 2» - 33-40, ускоритель твердения «Мобет марки 3 эконом» - 60-67.
Недостаток - высокая влагопроницаемость бетона.
Известны модификатор бетона и способ его производства по патенту РФ на изобретение №2421424, МПК C04B 22/00, опубл. 20.06.2011 г.
Технический результат - повышение прочности бетона на осевое растяжение и растяжение при изгибе, усиление пассивирующих свойств бетона по отношению к стальной арматуре. В способе получения модификатора бетона, включающем совместный сухой помол бокситового шлама и органической добавки, используют бокситовый шлам от производства глинозема по щелочному способу, в качестве органической добавки - порошкообразный пластификатор один из группы: сульфированный меламин - или нафталинформальдегидный, модифицированный лигносульфонат, поликарбоксилат, указанный помол осуществляют в аппарате ударного действия при скорости движения частиц 100-400 м/сек до дисперсности частиц 15-30 мкм
Недостатки - низкая прочность и влагопроницаемость бетона.
Известно применение карбамида (мочевины) в качестве модификатора, ускоряющего схватывание бетонных смесей и твердение бетона (ГОСТ 2081-75, также В.Г. Батраков. Модифицированные бетоны, М., 1998, с.746).
Известно применение полиэтиленоксида (полиоксиэтилена, полиэтиленгликоля) в качестве модификатора стабилизирующего, водоудерживающего действия и улучшающего перекачиваемость бетонных смесей (ГОСТ 2081-75, также В.Г. Батраков. Модифицированные бетоны, М., 1998, с.745).
6
Известно применение полиэтиленоксида в составе комплексных добавок для бетона (авт.св. СССР №№1447779, опубл. в 1988 г.; 1143719, опубл. в 1985 г.), усиливающих пластичность бетонного раствора, его прочность и морозостойкость. Известно применение полиэтиленоксида с молекулярной массой (4,1-6,0)·10 в качестве органической добавки для теплозвукоизоляционной строительной смеси для улучшения укладываемости и однородности по объему.
Общим недостатком указанных составов являются низкие прочностные показатели при их применении в составах бетонов, а также низкая морозостойкость.
Известна комплексной добавки для бетонных смесей и строительных растворов по патенту РФ на изобретение №2479522, МПК C04B 24/18, опубл. 20.04.2013 г.
Технический результат: повышение морозостойкости бетона в солях и повышение прочности бетона в возрасте 28 суток. Комплексная добавка содержит (мас.ч.): суперпластификатора С-3 5-50, изопропиловый спирт 10-55, карбамид 5-45. При частном случае осуществления изобретения комплексная добавка содержит (мас.ч.): суперпластификатор С-3 10-30, изопропиловый спирт 10-55, карбамид 5-45, соли балластные сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия 5-50.
Недостаток - высокая влагопроницаемость бетона.
Известна комплексная добавка для бетонной смеси и строительных растворов, содержащая смесь натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот, выпускаемых под торговым наименованием суперпластификатор С-3, и смесь балластных солей сероочистки коксового газа на основе тиосульфата и роданида натрия по патенту РФ №2228306 (опубл. в 2004 г.). Существенными недостатками указанной комплексной добавки являются недостаточная прочность в ранние сроки твердения и низкие показатели морозостойкости в солях.
Известно использование в качестве добавки суперпластификатора С-3 (патент Украины №24298, опубл. в 1998 г.). Суперпластификатор С-3 добавляют в бетонную смесь в количестве, составляющем 1,35-1,65 от массы цемента. Известная добавка обуславливает повышение пластичных свойств бетонной смеси при сниженном водосодержании, что предотвращает ее расслоение при транспортировке, а также способствует получению высокоплотного бетона. Существенными недостатками решения по прототипу являются недостаточная прочность в ранние сроки твердения и низкие показатели морозостойкости в солях.
Известна комплексная добавка, содержащая суперпластификатор С-3 и другие компоненты по патенту РФ на изобретение №248208, МПК C04B 24/24, опубл. 20.05.2013 г. Суть этого изобретения заключается в следующем.
Указанный технический результат достигается за счет применения в составе комплексной добавки суперпластификатора С-3, смеси полиэтиленгликоля и/или полипропиленгликоля с молекулярной массой 250-3500 и карбамида при следующем соотношении компонентов (мас.ч.):
Суперпластификатор С-3
10-30
Полиэтиленгликоль и/или пропиленгликоль
5-55
Карбамид
10-60
При частном случае осуществления изобретения заявляемая комплексная добавка дополнительно содержит формиат натрия при следующем соотношении компонентов:
Суперпластификатор С-3
10-30
Полиэтиленгликоль и/или пропиленгликоль
5-55
Карбамид
10-60
Формиат натрия
5-35
Достижение технического результата обусловлено синергетическим эффектом используемых ингредиентов.
Для осуществления изобретения могут быть использованы следующие вещества:
Суперпластификатор С-3 ТУ 5745-001-97474489-2007;
Полиэтиленгликоль низкомолекулярный ТУ 2483-71150986-2006;
Полипропиленгликоль ТУ 6-09-2434-81;
Карбамид ГОСТ 2081-92 «Карбамид. Технические условия»;
Формиат натрия ТУ 2432-011-00203803-98.
Преимущества этого изобретения оценивали путем сравнения с прототипом следующих показателей: морозостойкости в солях (по второму и третьему базовому методам определения морозостойкости по ГОСТ 10060-2-95), осадки конуса, плотности бетона, прочности бетона в 28 суток.
Для исследования свойств заявленной добавки была приготовлена бетонная смесь, содержащая цемента 1 часть, песка 1,8 частей, щебня фракции 5-20 мм 2,8 частей, воды 0,4 части.
В эту добавку вводили в бетонную смесь с водой затворения в количестве 0,7-2% жидкого продукта от массы цемента. Испытания заявляемой комплексной добавки в составе бетонных смесей проводили по ГОСТ 10181-200 «Смеси бетонные. Методы испытаний», ГОСТ 10180 - ГОСТ 10060.2-95 «Бетоны. Ускоренный метод определения морозостойкости при многократном замораживании и оттаивании».
Недостатки прототипа - относительно низкая прочность бетона и его высокая влагопроницаемость.
Задача создания изобретения, совпадающее с техническим результатом, - увеличение прочности бетона при одновременном уменьшении его влагопроницаемости.
Решение указанных задач достигнуто в комплексной добавке для бетонных смесей и строительных растворов, содержащей суперпластификатор С-3 тем, что согласно изобретению она дополнительно содержит смесь исландского шпата, сульфата алюминия и тонкодисперсного пирита в соотношении, % мас.
Суперпластификатор С3
10-30
Исландский шпат
50-80
Сульфат алюминия
5-7,5
Тонкодисперсный пирит
5-7,5
Дополнительно добавка может содержать гидросульфоалюминат кальция 10-15, гидрокарбоалюминат кальция 5-7,5 и гидроаллюминат кальция 5-7,5%.
Сущность изобретения поясняется на графике (чертеж), где показано изменение прочности предлагаемого бетона и прототипа в зависимости от процентного содержания суперпластификатора С-3 Линией 1 показаны физические свойства бетона-прототипа, а линией 2 - предложенного бетона.
Доказательство оптимальности состава бетонной смеси при использовании отечественных добавок и добавки С-3: приведено в таблице.
3
Приготовление высокопрочного водонепроницаемого бетона с добавками суперпластификатора С-3 и исландского шпата производилось в следующих пропорциях на 1 м:
Цемент - 315 кг;
Песок - 580 кг;
Щебень - 1350 кг;
Вода - 156 кг.
Марки испытываемого цемента М250, М400 и М500.
Комплексная добавка вносилась в цементную смесь в количестве от 1 до 2% мас., от веса бетона. Внесение большего количества комплексной добавки никаких положительных результатов не дало и повысило стоимость бетонных работ из-за относительно высокой стоимости некоторых компонентов добавки.
Основные данные из таблицы приведены на графике: линией 1 показано изменение прочности бетона по прототипу, а линией 2 - изменение прочности предложенного бетона. При этом сравнение производилось для бетонов на основе цемента марки М-400.
Очевидно, что предложенный бетон при прочих равных условиях обладает прочностью как минимум на 10% выше, чем бетон по прототипу, кроме того, предложенный бетон обладает гораздо более высокой водопроницаемостью.
Выводы
Прочность цемента М-400 с применением комплексной добавки выше, чем с применением добавки по прототипу С-3 на 10%.
Оптимальный диапазон добавки модификатора С-3 совпал с прототипом.
В несколько раз возросла влагостойкость бетона по сравнению с прототипом.
Применение изобретения позволило:
- повысить прочность изделия из бетона на 10%.
- снизить влагопроницаемость в несколько раз.
- снизить стоимость комплексной добавки по сравнению с добавками, основанными на импортных наполнителях
.
Результаты испытаний бетонов с комплексной добавкой
Вещество
%
%
%
%
%
%
%
%
Исландский шпат, %
85
70
6 7
6 4
61
58
55
70
Сульфат алюминия, %
5
5
5,5
6
6,5
7, 0
7,5
10
Тонкодисперсный пирит, %
5
5
5,5
6
6,5
7, 0
7,5
10
Суперпластикатор, С-3, %
5
10
20
24
26
28
30
10
Физические свойства бетона на основе цемента М-250 с применением предложенной комплексной добавки
Прочность на сжатие, МПа
16,6
24,9
26,46
28,02
29,58
31,14
32,7
32,9
Адгезия, кг/см<sup>2</sup>
89,5
92,5
92,8
93,1
93,4
93,7
94,0
98,0
Плотность, кг/см<sup>3</sup>
2395
2400
2401
2402
2403
2404
2405
2407
Водонепроницаемость W
W4
W10
W12
W12
W12
W12
W12
W12
Оптимально
Физические свойства бетона на основе цемента М-400 с применением предложенной комплексной добавки
Прочность, МПа
48,3
50,5
50,6
50,5
49,9
49,3
49,5
48,3
Адгезия, кг/см<sup>2</sup>
89,5
92,5
92,8
93,1
93,4
93,7
94,0
98,0
Плотность, кг/см<sup>3</sup>
2395
2400
2401
2402
2403
2404
2405
2407
Водонепроницаемость W
W4
W10
W12
W12
W12
W12
W12
W12
Оптимально
Прототип
Физические свойства бетона на основе цемента М-400 с применением добавки С-3 (прототип)
Прочность на сжатие, МПа
44,2
46,2
45,9
45,6
45,3
45,0
44,7
-
Водонепроницаемость W
W4
W4
W4
W4
W4
W4
W4
W4