БЕТОННАЯ СМЕСЬ
CONCRETE MIXTURE

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к бесцементным составам низкомарочных бетонных смесей из отходов техногенного происхождения.
Известна бетонная смесь, содержащая высокальциевую золу-унос 30-40%, шлаковый песок фракции 5 мм 30-40%, высококремнеземистую пыль - отход ферросплавного производства 3-4%, и воду с температурой 60-80°С (RU 2065420 С1, дата приоритета 22.07.2003, дата публикации 27.02.2005, авторы Шевченко В.А. и др.)
Недостатком известной смеси является то, что при добавлении выкокальциевой золы-унос менее 30% уменьшаются вяжущие свойства, а при более 40% уменьшается прочность бетона. При добавлении шлакового песка более 40% также значительно уменьшается прочность бетона, а применение подогретой воды (до 60-80°С) для затворения бетонной смеси требует дополнительных энергетических затрат, что экономически не выгодно.
Известно вяжущее, включающее золу-унос 55,6-62,5% по массе и жидкое стекло, изготовленное из отходов производства кристаллического кремния - микрокремнезема 37,5-44,4% (RU 2130904 С1, дата приоритета 22.07.2003, дата публикации 27.02.2005, авторы Шевченко В.А. и др.).
Недостатком известного вяжущего является то, что в нем используется жидкое стекло, которое получается искусственным путем, а это требует энергетических и экономических затрат, что нецелесообразно.
В качестве прототипа принята бетонная смесь, включающая высококальциевую золу-унос теплоэлектростанций 45-49%, кварцевый песок 21-24%, микрокремнезем 3-4%, минерализованные стоки - отход производства цветной металлургии 1,5-2,5% и воду (RU 2247094 С1, дата приоритета 22.07.2003, дата публикации 27.02.2005, авторы Шевченко В.А. и др., прототип).
Недостатком прототипа является то, что в бетонной смеси используется тяжелый кварцевый песок, который требуется предварительно добывать как невосполнимый природный материал, что приводит к повышению стоимости бетонной смеси, ее плотности и снижению экологической чистоты. Плотность бетона на кварцевом песке достаточно высока, что ухудшает теплотехнические характеристики такого бетона при использовании его для изготовления стеновых изделий.
Задачей изобретения является удешевление смеси, повышение прочности бетона, снижение его плотности, а также улучшение экологической обстановки в регионе за счет использования отходов техногенного происхождения.
Поставленная задача достигается тем, что бетонная смесь, включающая высококальциевую золу-унос теплоэлектростанций, микрокремнезем, воду и минерализованные стоки - отход производства цветной металлургии, содержащие от 80 до 350 г/л хлористых солей кальция и натрия, согласно изобретению, дополнительно содержит шлак ТЭЦ фракции 0,16-5 мм в качестве заполнителя при следующем соотношении компонентов, мас.%: высококальциевая зола-унос ТЭЦ 42-45; шлак ТЭЦ указанных фракций 35-40; микрокремнезем 3-4; минерализованные стоки с указанным содержанием хлористых солей 1,5-2,5; вода остальное.
св
св
2
2
Высококальциевая зола-унос обладает вяжущими свойствами, но наличие в ней свободного оксида кальция CaO приводит к разрушению бетона за счет поздней гидратации в уже затвердевшем материале. Для ликвидации негативного влияния CaO на процессы гидратации и улучшение свойств зольного теста и камня в бетонную смесь вводится микрокремнезем, являющийся отходом производства кристаллического кремния и состоящий из аморфного кремния и химически активного SiO. Наличие этих компонентов в составе МК и введение его в состав бетонной смеси способствует связыванию CaO и Ca(OH) в плотные и прочные гидросиликаты.
Замена тяжелого кварцевого песка на шлак ТЭЦ фракции 0,16-5 мм, используемый как шлаковый песок в качестве заполнителя, приводит к снижению плотности бетона при сохранении прочностных показателей.
С целью интенсификации твердения зольного камня и повышения прочностных характеристик бетона в состав бетонной смеси вводится отход производства цветной металлургии - минерализованные стоки, получаемые в результате нейтрализации промышленных стоков металлургического производства известковым молоком с последующим упариванием.
св
Исследования фазового состава продуктов гидратации высококальциевой золы-унос показали, что хлориды, содержащиеся в минерализованных стоках, вступают в реакции обмена или присоединения с минералами золы-унос, увеличивая при этом степень гидратации силикатных фаз, что способствует появлению новообразований в виде гидрохлоралюминатов кальция. Результатом является то, что в бетонной смеси ускоряются процессы гидратации в начальные сроки и сразу после изготовления изделий, обеспечивая при этом раннее структурообразование бетонной смеси, а также ускоренный набор прочности материала и ликвидацию негативного влияния CaO.
В заявляемом составе бетонной смеси указанный результат достигается при содержании в минерализованных стоках от 80 до 300 г/л хлористых солей кальция и натрия.
Бетонная смесь готовится из компонентов в следующем соотношении: высококальциевая зола-унос ТЭЦ 42-45%; шлаковый песок  35-40%; микрокремнезем 3-4%; минерализованные стоки 1,5-2,5%; вода - остальное.
Шлаковый песок и зола-унос подаются в бетоносмеситель и затворяются водной суспензией, состоящей из микрокремнезема, минерализованных стоков и воды. Смесь перемешивается в бетоносмесителе принудительного действия в течение 2…3 минут. Из готовой бетонной смеси формуют изделия, твердение которых осуществляется в камере тепловлажностной обработки при температуре 80-90°С по режиму (2+6+2) ч.
При содержании высококальциевой золы-унос в бетонной смеси более 45% снижается прочность бетона, при содержании менее 42% ухудшаются связность и однородность бетонной смеси.
своб.
При содержании микрокремнезема более 4% сокращаются сроки схватывания зольного вяжущего, что неблагоприятно влияет на процессы гидратации, при содержании микрокремнезема менее 3% CaO остается несвязанным, что приводит к последующему разрушению изделий.
Сырьевыми материалами для бетона предлагаемого состава являлись: высококальциевая зола сухого отбора и шлаковый песок фракции 0,16-5,0 мм Красноярской ТЭЦ-2, микрокремнезем - отход производства кристаллического кремния Братского алюминиевого завода и солевые (минерализованные) стоки Красноярского завода цветных металлов. Свойства сырьевых материалов приведены в таблицах 1, 2 и 3.
Таблица 1
Физические свойства исходных материалов
Наименование показателей
Значение показателей для материала
Высококальциевая зола-унос
Шлаковый песок
Микрокремнезем
Насыпная плотность, кг/м<sup>3</sup>
1170
1495
200
Истинная плотность, кг/м<sup>3</sup>
2880
2590
2200
Удельная поверхность, см<sup>2</sup>/г
3090
-
23000
Остаток на сите 008,%
10,2
99,7
-
Модуль крупности, М<sub>кр</sub>
-
2,8
-
Таблица 2
Химический состав золы-унос и микрокремнезема
Наименование окислов
Содержание окислов, %, в материале
зола-унос
микрокремнезем
SiO<sub>2</sub>
34,3
90,8
CaO<sub>общ.</sub>
35,93
3,1
CaO<sub>своб.</sub>
10,38
-
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
6,15
-
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+FeO
9,93
-
MgO
7,63
-
K<sub>2</sub>O+Na<sub>2</sub>O
0,63+0,2
2,5
TiO<sub>2</sub>
0,23
-
MnO<sub>2</sub>
-
-
SO<sub>3</sub>
2,18
0,6
Потери при прокаливании
2,3
3
Таблица 3
Свойства солевых (минерализованных) стоков
№
Наименование показателя
Единицы измерения
Значение показателя
1.
Внешний вид
Раствор прозрачный или с легкой мутью
2.
Содержание активного вещества (хлористые соли кальция и натрия)
г/л раствора
от 80 до 350
3.
Доля хлорида кальция в суммарном содержании хлоридов
мас.%
от 42 до 50
4.
Водородный показатель
рН
от 6,5 до 10,2
5.
Содержание NH<sub>4</sub>
мг/л
не более 25
Разработанная бетонная смесь является более экономичной, чем известные, благодаря использованию попутных продуктов различных отраслей промышленности и позволяет получать бетоны марок М50-М200 со сниженной плотностью без применения цементного вяжущего, что подтверждается свойствами, указанными в таблице 4.
Таблица 4
Составы и свойства бетонов
Состав
Расход материалов на 1 м<sup>3</sup> бетона, мас.%
Плотность бетона, кг/м<sup>3</sup>
Прочность в 28 сут твердения в нормальных условиях, МПа
Зола-унос ТЭЦ
Шлаковый песок
Кварцевый песок
Микро-кремнезем
Стоки
Вода
Прототип
1
45
24
3
1,5
26,5
2165
7,9
2
47
22
4
2,0
25
2210
15,0
3
49
23
4
2,5
21,5
2235
21,2
4
42
40
3
2,0
14
1760
8,3
5
43
37
4
3,0
12
1815
15,6
6
44
36
4
2,5
13
18,95
21,6
7
45
35
4
3,0
12
1915
23,8
Таким образом, техническим результатом изобретения является  удешевление стоимости бетонной смеси, снижение плотности и повышение прочности бетона, а также улучшение экологической обстановки в регионе.