СТРОИТЕЛЬНАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ НЕЕ БЕТОНА
BUILDING MIXTURE AND METHOD OF CONCRETE PRODUCTION OUT OF IT

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к составам бесцементной бетонной смеси и способу ее получения, которая может быть использована в производстве бетонных и железобетонных изделий.
Известна бетонная смесь [1], содержащая цемент, заполнители, суперпластификатор С-3, грунт естественной влажности, кремний-органическую жидкость ГКЖ-94. Недостаток этой смеси заключается в низком качестве бетона, использовании дорогого и дефицитного цемента, что усложняет процесс и повышает стоимость бетонов.
Известна также бетонная смесь [2], включающая, мас.%: заполнитель из дробленого доменного шлака с крупностью зерен менее 10 мм 56-69, молотый гранулированный доменный шлак (шлаковое вяжущее) 14-22, гипс 0,8-2,2, известь 0,4-0,8 и сульфитно-дрожжевую бражку 0,04-0,12. Недостаток этого составов заключается в низком качестве бетонов, недостаточной прочности на сжатие и изгиб, низкой морозостойкости. Главный недостаток заключается в применении в составе смеси низкосортного вяжущего, полученного помолом доменного шлака. Использование этого вяжущего не позволяет получить качественный бетон.
Известно, что при длительном хранении цемента в течение 60 суток марка его снижается от М400 до М250 за счет слеживания, окомкования и набора влаги из атмосферы. Применение различных добавок [3] для повышения качества бетона из лежалого цемента после длительного хранения не дает положительного результата. При хранении указанного вяжущего из доменного шлака в течение одного месяца марка его снижается от М200 до M100 (по результатам наших исследований).
Все заполнители бетона являются влажными материалами, цемент не подлежит увлажнению. Поэтому невозможно предварительно приготовить бетонную смесь, содержащую цемент. В этом случае необходимо заполнители бетона подвергать сушке, что усложняет и удорожает производство бетона.
Известен способ приготовления бетона из смеси воды, цемента и заполнителей путем совместного их перемешивания в бетоносмесителе [3]. Этот способ не позволяет измельчать заполнители бетона, не достигается активация поверхности заполнителей и цемента, не достигается необходимая удельная поверхность компонентов строительной смеси, в частности вяжущего и заполнителей.
Задача, решаемая изобретением, состоит в получении бесцементного бетона, что достигается применением в сырьевой смеси шлака от выплавки электротермического силикоалюминия [4, стр.522-523] (состав которого описан в [4] на страницах 522-523), доменного гранулированного шлака и горного песка, содержащего 10-20% минералов гранатов, двуводного гипса и извести.
Задача, решаемая изобретением, состоит в замене цемента недефицитными отходами металлургической промышленности, доменным шлаком, шлаком от выплавки электротермического силикоалюминия [4, стр.522-523] известью и гипсом двуводным.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении прочности и морозостойкости. В результате оптимизации состава смеси и ее обработки на бегунах достигается необходимая тонкость помола, гранулометрический состав и необходимая максимальная гидравлическая активность компонентов, приводящая к повышению прочности и морозостойкости.
Для достижения указанного технического результата строительная смесь, включающая шлаковое вяжущее, шлаковый заполнитель, регулятор твердения - гипс, известь и добавка, отличается тем, что содержит в качестве шлакового вяжущего - шлак от электротермической выплавки силикоалюминия, в качестве шлакового заполнителя - дробленый доменный шлак крупностью не менее 15 мм, в качестве добавки - комплексную добавку «Реламикс. Тип 2», в качестве гипса - гипс двуводный и дополнительно в качестве активизатора твердения горный песок, содержащий 10-20% минералов гранатов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
«Реламикс. Тип 2»
0,3-0,6
указанный песок
10-15
указанный доменный шлак
40-45
известь
5-7
гипс двуводный
4-7
шлак от выплавки электротермического силикоалюминия
остальное.
Для достижения указанного технического результата в способе получения бетона из строительной смеси по п.1 производят затворение, перемешивание, измельчение строительной смеси в литейных бегунах до получения жидкоподвижной массы и затем заливку ее в формы и отверждение.
В предлагаемом способе осуществляется одновременно процесс затворения, перемешивания и измельчения крупных частиц, в частности шлака от электротермической выплавки силикоалюминия, и твердение бетона в форме. Одновременное измельчение и затворение увеличивает химическую активность смеси и соответственно бетона. При измельчении шлаков наблюдается повышение температуры частиц, что дополнительно способствует росту скорости гидратации и твердения бетона.
2
2
3
2
3
2
3
2
2
3
2
4
Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что минеральный состав клинкерного цемента, доменного шлака, шлака от выплавки силикоалюминия электротермическим способом имеют одинаковые химические соединения: силикаты кальция (nCaO·SiO), алюминаты кальция (nCaO·АlО), ферраты кальция (nCaO·FеО), алюмосиликаты кальция (nCaO·АlO·SiO), сульфоалюмосиликаты кальция (nCaO·AlO·SiO·CaSO). Соединения указанных веществ содержат ионы магния, железа, марганца, никеля, кобальта.
Эти вещества обладают вяжущими свойствами, что позволяет заменить цемент в бетоне указанными шлаками. Водная обработка смеси компонентов в бегунах обеспечивает получение бетонов любых марок в зависимости от состава строительной смеси.
2
2
3
2
2
3
2
5
3
2
2
Горный песок обладает вяжущими свойствами. Содержащиеся в нем гранаты являются сложными алюмосиликатами. Поэтому горный песок используется в предлагаемом составе в качестве заполнителя бетона, вяжущего материала и активизатора твердения. Горный песок - представляет собой отход обогащения железных руд. Крупность его в отвалах изменяется от 0,074 до 3 мм. В шлаконакопителях происходит разделение на очень мелкую фракцию крупностью от 0,074 до 0,16. Для опытов отбиралась фракция 0,16-1,0 мм. Химический состав, мас.%: SiO 34,1-39,9; АlO+ТiO 9,8-11,0; FеО+FеO 12,8-26,1; CaO 11,3-13,7; MgO 4,2-5,7; MnO 0,3-0,55; PO 0,5-0,6; SO 1,7-3,2; NaO+KO 1,3-3,2; п.п.п 8,5-15,0.
«Реламикс. Тип 2» - комплексная химическая добавка, применяемая в качестве пластификатора, противоморозной добавки и ускорителя отвердения бетона. Изготавливается по ТУ 5870-002-14153664-04, состоит из натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы с добавлением комплекса, ускоряющего набор прочности.
Доменный шлак применяется в качестве заполнителя бетона и одновременно обладает вяжущими свойствами, так как содержит в своем составе вяжущие химические вещества, силикаты и алюминаты кальция, магния, бария, железа, марганца. Наличие вяжущих свойств у доменного шлака и песка способствует повышению прочности и плотности бетона. Недостаток кальция в смеси компенсируется алюминатами и добавкой извести.
Химический состав шлака от выплавки силикоалюминия представлен в таблице 1. Минералогический состав по данным рентгенофазового анализа представлен алюминатами и силикатами кальция и железа. Физическое состояние - серый порошок крупностью 0-35 мм, по данным ситового анализа содержание мелкой фракции (менее 0,5 мм) составляет 29,4%.
Шлак от выплавки силикоалюминия является более хрупким материалом и подвержен более мелкому измельчению при размоле, чем доменный шлак. В начальный период затворения преимущественно гидратируются мелкие частицы, далее в реакцию вступают более крупные частицы доменного шлака. В результате двустадийной гидратации наблюдается увеличение прочности и плотности бетона. Перечисленные факторы получения бесцементного бетона позволяют максимально использовать вяжущие свойства компонентов бетона.
Пример. Для получения предлагаемого бетона применяли гипс двуводный, доменный шлак гранулированный крупностью не менее 15 мм О.А.О. «Кузнецкий металлургический комбинат», шлак от выплавки силикоалюминия электротермическим способом крупностью 0,16-30 мм (г.Челябинск), песок горный, комплексная добавка «Реламикс. Тип 2».
Бетон приготавливали следующим образом. Строительные смеси обрабатывались в лабораторной установке, имитирующей промышленные бегуны, описанные в ссылке [5]. Опустили катки на дно бегунов, включили бегуны, засыпали доменный шлак в бегуны. Через 5 минут загрузили в бегуны горный песок и шлак от выплавки силикоалюминия. Обрабатывали смесь в бегунах 10 минут. Далее залили воду. Отдельно приготовили раствор комплексной добавки «Реламикс. Тип 2» и залили в бегуны. Обрабатывали бетонную массу в бегунах, после подачи воды и добавки, в течение 15 минут. Далее бетонную смесь уложили в формы, подвергли вибрированию и отверждению. Воду дозировали до состояния жидкоподвижной массы.
Строительные смеси обрабатывались в лабораторной установке, имитирующей промышленные бегуны. Воду дозировали до состояния жидкоподвижной массы. Из полученных бетонов изготавливали образцы - балочки размером 4×4×16 см с уплотнением на стандартной виброплощадке в течение 3 минут. Твердение образцов осуществляли в нормальных условиях в гидравлической ванне при комнатной температуре 23-25°С. Испытание образцов проводили в возрасте 28 суток по стандартной методике и ГОСТам. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 1
Составы шлаков
Материал
Химический состав, мас.%
SiO<sub>2</sub>
Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
FеО+Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
CaO
MgO
Si
SiC
Al<sub>2</sub>OC
Na<sub>2</sub>O+K-<sub>2</sub>O
Доменный шлак
36,4
12,2-17,0
0,5-2,6
38-42,2
4,8-10
0,13-0,17
Шлак от выплавки силикоалюминия
2-4
20-46
Fe 0,8-1,6
19-21
18-24
1-5
1-3
Таблица 2
Составы бетонных смесей
Состав бетона
№ опыта
Содержание компонентов, мас.%
Качество бетона
Морозостойкость
Предел прочности при сжатии, МПа
Шлак доменный
Шлак от выплавки силикоалюминия
Двуводный гипс
Добавки
Песок горный
Известь
Цемент
Предложенное
1
45
33,4
4
0,6
10
7
М450
320
59
2
33,55
42,0
5,5
0,45
12,5
6
М400
300
59
3
40
32,7
7
0,3
15
5
М400
300
58
По
Гипс
патенту
72,8
3
22
М200
2,2
1271846
Производство предлагаемого бесцементного бетона позволяет утилизировать доменный шлак текущего производства и лежалый шлак ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат», гипс двуводный ОАО «Абагурская агломерационная фабрика» и создать базу для производства дешевых бетонов. Предлагаемая строительная смесь и способ получения бетона позволят использовать сырье природной влажности без применения операций сушки и изготавливать бетоны на строительных объектах.
Источники информации
1. Патент РФ 2269499, 2004.
2. SU 1271846, 23.11.1986 (прототип).
3. Политехнический словарь. // М.: Советская энциклопедия, 1976, с.52
4. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. // М.: Металлургия, 1988, с.518-519.
5. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. // М.: Машиностроение, 1977, с.326-331.