СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ И БЕТОНОВ НА ИХ ОСНОВЕ
METHOD OF PREPARING OF CONSTRUCTION MORTARS AND CONCRETES BASED ON THEM

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно к смесям, используемым при производстве строительных растворов и приготовлении бетонов на их основе.
Известен способ приготовления строительных растворов, заключающийся в размоле составляющих и приготовлении сухой смеси смешением следующих компонентов в соотношении: (объемные части)
- портландцемент любой разновидности - 1;
2
- активные и инертные тонкодисперсные кремнеземсодержащие материалы - золу уноса, керамическую пыль, пемзу, золы и шлаки ТЭЦ, стеклянный бой, отходы производства кирпича и других керамических изделий, мелкий кварцевый песок, микрокремнезем, кремнегель и т.п. материалы: от 1 до 2; суперпластификатор - (0,1…0,25) (1). Максимальное значение удельной поверхности полученного строительного раствора приведенного сырьевого состава составляет около 500 м/кг.
Однако данный показатель, определяющий остальные физико-механические свойства строительных растворов, не всегда достаточен для приготовления бетонов и строительных изделий на их основе. Кроме того, недостатком является и сложность состава смеси. Исключение из состава смеси некоторых компонентов отрицательно сказывается на механических свойствах получаемого раствора.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому способу приготовления строительного раствора и бетонов на их основе является способ приготовления строительных растворов, применяемых в качестве связующего при кладке блоков из ячеистых бетонов, в котором готовится сухая строительная смесь, включающая цемент, известь, песок, а в качестве наполнителя добавляют предварительно измельченный и высушенный до постоянной массы диатомит при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент 25-30, известь 4-6, диатомит 20-30, песок остальное (2).
Недостатком известного способа приготовления строительного раствора является неоднородность смеси из-за присутствия в ней частиц диатомитовой глины различного размера, обусловленная измельчением массы диатомита до сушки. В процессе сушки возможно дополнительное слипание частиц глины. Наличие различных по размеру частиц диатомитовой глины в строительном растворе обуславливает его повышенную пластичность и ограничивает его использование, в частности, для приготовления бетонов.
Кроме того, необходимость контроля параметров процесса сушки диатомита, что определяется требованием высушивания диатомита до постоянства массы, накладывает ограничения на возможность использования способа в условиях строительной площадки.
Техническим результатом использования заявляемой сырьевой смеси для приготовления строительных растворов и бетонов на их основе является удешевление последних без снижения качества конечных изделий.
Поставленная задача достигается тем, что в способе приготовления строительной смеси, характеризующемся тем, что смешивают цемент, негашеную известь, кварцевый песок, измельченное диатомитовое сырье и воду, согласно изобретению, диатомитовое сырье используют в виде фракции 1-3 мм не менее мас.%: 50, не более 5 мм - остальное, смешивание осуществляют путем введения водной суспензии указанного сырья в предварительно приготовленную смесь цемента, извести, кварцевого песка и дополнительно крупного заполнителя при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цемент
20-30
Негашеная известь
4-6
Крупный заполнитель
0-20
Кварцевый песок
остальное
Диатомитовое сырье
5-30 от массы цемента
Вода
до осадки конуса 1-9 см
Высокую дисперсность частиц диатомитового сырья, которые поддаются классификации известными механическими способами, позволяя отобрать, например, посредством ряда сит, необходимую фракцию, в которой не менее 50% по массе составляют частицы, с размерами 1,0-3,0 мм и не более 5 мм - остальное, позволяет обеспечить измельчение диатомитового сырья после сушки. Помол высушенного диатомитового сырья производится до практической однородности частиц, что позволяет использовать весь объем диатомитового сырья.
2
Известно, что диатомитовые глины по зерновому составу относятся к пылеватым суглинкам, характеризующимся невысоким удельным сцеплением внутри зерновых элементов. Приготовление водной суспензии диатомита идет при активном механическом перемешивании, и намокшие частицы диатомитовой глины распадаются на более мелкие частицы, обеспечивая устойчивость суспензии, в которой преобладают частицы диатомита, эквивалентные или сопоставимые по размерам с частицами цемента, используемого для приготовления бетона. Экспериментально установлено, что частицы диатомита указанного диапазона размеров, при попадании в воду, распадаются на более мелкие фракции даже без перемешивания, что обусловлено пониженными прочностными характеристиками частиц перемятой при помоле глины. В частности, размеры частиц диатомита в водной суспензии составляют уже от 10 до 500 мкм, т.е. они эквивалентны или сопоставимы с размерами частиц цемента, используемого для приготовления бетона. Эквивалентные или сопоставимые с размерами частиц цемента частицы диатомита, являющегося активным минеральным материалом с большим содержанием аморфного кремнезема, обладающего пуццолановой активностью, наряду с частицами цемента вступают в реакции с гидроокисью кальция Са(ОН) извести, аналогичные реакциям, в которых участвуют частицы цемента. При этом вяжущие соединения образуются одновременно на поверхности микрочастиц диатомитового сырья и цемента. При введении водной суспензии диатомитового сырья в цементную смесь в процессе приготовления бетонов реактивные сферические микрочастицы диатомитового сырья, активизированные водой, окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями бетона. Происходит замещение частиц цемента активными частицами диатомитового сырья, что позволяет уменьшить процентное содержание цемента в составе бетонной смеси без понижения технических характеристик последней. Введение добавки диатомитового сырья в виде водной суспензии обеспечивает высокую степень смешивания компонентов, которой не удается достичь при «сухом» смешивании.
Достоинством заявляемого состава сырьевой смеси для приготовления строительных растворов и бетонов на их основе является, также, использование существующих технологических линий, практически без реконструкции: для приготовления водной суспензии диатомитового сырья устанавливается дополнительный смесительный узел, из которого в смеситель для приготовления бетонов, через бак объемной дозировки воды, насосом подается водная суспензия диатомитового сырья. При необходимости, дополнительный смесительный узел отключается и в технологическом цикле можно использовать воду.
Использование диатомитового сырья в водной суспензии, как источника кремнезема с высоким содержанием окиси кремния, известно, в частности в способе получения гидросиликата кальция (см. описание изобретения к авторскому свидетельству №268390 по Кл. С01b, опубликовано 09.07.1970 г. (3) и в способе получения связующих металлорганических соединений при изготовлении минераловатных или стекловолоконных материалов, приведенном в (4).
В способе получения гидросиликата кальция водная суспензия, с 20%-ным содержанием диатомита, смешивается с известковым молоком с 27,5% содержанием СаО и четырехкратным объемом воды, и к суспензии добавляют низкомолекулярную сульфонафтеновую кислоту. Реакцию образования гидросиликата кальция проводят в автоклаве при повышенной температуре, затем полученный продукт отфильтровывают, высушивают и измельчают, и в последующем полученный продукт используется в качестве наполнителя при вулканизации резиновых смесей, т.е. в конечном процессе связующее, полученное с добавлением сульфонафтеновой кислоты, распределяется по поверхности частиц продуктов резиновых смесей.
В способе получения связующих по патенту США №6866709 в водной суспензии кремнеземсодержащих пород, при интенсивном перемешивании последней, получают металлосодержащие кремнийорганические соединения, которые в последующем используют для изготовления теплоизоляционных материалов из минеральных волокон.
В обоих известных технических решениях процессы получения связующих и использования их для получения конечного продукта являются самостоятельными процессами, разнесены во времени, а частицы диатомитового сырья в водной суспензии не вступают в химические реакции с компонентами, являющимися основой для получения конечного продукта.
В заявляемом способе приготовления строительных растворов и бетонов на их основе, при приготовлении водной суспензии, в которой использована фракция диатомита с преобладающими по массе частицами с размерами от 1 до 3 мм, и с остальными частицами, размеры которых не превышают 5 мм, образуется устойчивая суспензия с размерами частиц от 10 до 500 мкм, т.е. эквивалентными или сопоставимыми с размерами частиц цемента, и, при использовании водной суспензии диатомита для затворения бетонной смеси, связующее образуется на поверхности микрочастиц и цемента и диатомита, что позволяет использовать диатомит в качестве заместителя цемента. Пуццолановая реакция на поверхности частиц цемента и кремнезема приводит к образованию геля с высоким содержанием связующего и связанной воды, повышая пластичность приготовленной бетонной смеси. При этом, не смотря на явную экономию цемента в бетонном тесте, технические характеристики получаемого бетона не ухудшаются. Диатомитовая добавка с размерами частиц, эквивалентными или сопоставимыми с размерами частиц цемента, вводимая в виде водной суспензии, обеспечивает достаточное количество вяжущих соединений, определяющих технические характеристики получаемого бетонного камня.
2
2
3
2
3
2
2
Предлагаемый способ приготовления строительного бетона был реализован в лабораторных условиях. Для приготовления опытных образцов бетонных смесей марок от М50 до М300 использовались портландцементы марок М300, М400 и М500. В качестве диатомитового сырья брали природное сырье - диатомит Камышловского месторождения. По химическому составу природные диатомиты (в частности, диатомиты Камышловского месторождения, Свердловская область) содержат от 65 до 85% SiO, в том числе до 39-55% аморфного кремнезема; от 4,3 до 15,7% - AlO; от 2 до 5,3% FeO; от 0,15 до 1,8% - СаО и от 1 до 2% окислов щелочных металлов: NaO, KO, что приближает диатомиты по составу к микрокремнеземам, получаемым техногенным путем.
2
Экспериментально установлено, что при содержании диатомита в водной суспензии от 5 до 30% от массы цемента на сухое вещество обеспечивается изменение соотношения CaO/SiO от 0,9 до 1,3, что определяет активизацию реакций гидратации. Уровень водородного показателя рН воды в порах бетона на обычном портландцементе равен 14. При добавлении даже умеренного количества аморфного кремнезема он очень быстро снижается до 13. При добавлении диатомита в виде водной суспензии, содержащей свыше 15% от массы цемента, окись кремния забирает из воды в порах практически все ионы окиси кальция, понижая уровень рН до 12,5. При добавлении диатомита около 25-30% окись кремния нейтрализует всю свободную известь, освобожденную силикатами портландцемента. Дальнейшее увеличение содержания диатомитового сырья нецелесообразно из-за законченности реакций нейтрализации гидроокиси кальция.
Опытным путем также установлено, что измельчение диатомитового сырья в большей степени нецелесообразно из-за резкого увеличения энергетических затрат, а при отборе фракций с частицами больших размеров снижается пуццолановая активность добавки.
Сухие смеси из цемента, извести и песка затворялись водной суспензией диатомита, для приготовления которой диатомитовое сырье подвергалось сушке и помолу, и для приготовления суспензии использовались фракции, в которых содержание частиц с размерами от 1 до 3 мм составляло не менее, мас.%, 50, а остальное - частицы с размерами не более 5 мм. Такая классификация частиц диатомитового сырья обеспечивает эквивалентность или сопоставимость частиц, получаемых в водной суспензии, с размерами частиц цемента, используемого для приготовления определенной бетонной смеси.
Пример поясняется таблицами (Приложение 1 к описанию и Приложение 2), в которых приведены результаты лабораторных испытаний различных марок легких бетонов, используемых в несущих конструкциях промышленных и гражданских зданий и изготавливаемых посредством заявленного способа.
Приведенные в Приложении 1 данные относятся к бетонным смесям на песке с Мк=2-2,5, без крупного заполнителя (при нулевом содержании крупного заполнителя) и с нормальной густотой 26-28%, обеспечивающей осадку конуса в пределах 1-9 см.
3
Средняя масса высушенного бетонного камня составила 1000 кг/м.
3
В Приложении 2 приведены примеры смесей с крупным заполнителем при максимальном его содержании в бетонном камне. При составлении смесей использовались природные крупные заполнители (пемза, туф, пористые известняки и др.), с удельным весом около 1500 кг/м. Плотность образцов полученных бетонов приведена в таблице.
Удобоукладываемость опытных образцов бетонных смесей составляла 5-10 сек.
При подборе состава бетона оптимальная дозировка диатомита устанавливалась экспериментально в указанном диапазоне соотношений цемента и диатомитового сырья, вводимого в виде водной суспензии.
Анализ приведенных в таблицах данных позволяет сделать вывод об обеспечении полученных составов бетонов необходимой удобоукладываемостью и подвижностью при значительной экономии цемента.
Для примера, только в Свердловской области, при использовании диатомитов Камышловского месторождения можно достичь экономии до 400-450 тысяч тонн цемента в год, т.е. высвободить мощности Невьянского цементного завода.
Источники информации
1. Ю.М.Баженов, В.Ф.Коровяков, Г.А.Денисов - Технология сухих строительных смесей, М., 2003, Изд. Ассоциации строительных вузов, стр.20-25, 48.
2. Описание к патенту РФ №2297991 по Кл. С04В 28/02, опубликовано 27.04.2007 г. (прототип).
3. Описание изобретения к авторскому свидетельству №268390 по Кл. С01b, опубликовано 09.07.1970 г.
4. Описание изобретения к патенту США №6866709 по Кл. НКИ 106/38.3; 106/600; 106/602; 106/644; 106/711; 501/80, МКл. С03С 25/42, опубликовано 30.04.2001 г.
Приложение 1 к описанию. Примеры сырьевой смеси и физико-механические свойства полученных образцов бетонных смесей без крупного заполнителя.
Марка портландцемента по ГОСТ 10178 (УД. вес кг/м<sup>3</sup>)
Класс (Марка) бетона / Плотность образца после набора твердости (кг/м<sup>3</sup>)/
Расход цемента без добавления диатомита и крупного заполнителя кг/м<sup>3 </sup>(мас.%)
Оптимальный вес диатомита (% массовый на сухое вещество цемента)
Расход цемента при использовании диатомита кг/м<sup>3 </sup>(мас.%)
Расход негашеной извести, Уд. вес 1000 кг/м<sup>3 </sup>(мас.%)
Расход песка Мк 2-2,5 Уд. вес 1500 кг/м<sup>3</sup>
Расход воды (мас.% на сухой объем цемента)
Осадка конуса, см
М-300
В3,5 (М50)
265 (26,5)
5,0
240 (24,0)
40 (4,0)
700-650
40-45
1-6
(1100)
/1000/
255 (25,5)
7,5
220 (22,0)
50 (5,0)
710-660
245 (24,5)
10,0
210 (21,0)
60 (6,0)
705-665
М-400
В7,5 (М100)
245 (24,5)
10,0
190 (19,0)
40 (4,0)
750-755
40-45
1-6
(1200)
/1000/
235 (23,5)
15,0
180 (18,0)
50 (5,0)
740-745
200 (20,0)
20,0
160 (16,0)
60 (6,0)
745-750
В10 (М150)
265 (26,5)
20,0
210 (21,0)
40 (4,0)
705-710
45-50
5-9
/1000/
245 (24,5)
22,5
200 (20,0)
50 (5,0)
705-710
235 (23,5)
25,0
170 (17,0)
60 (6,0)
715-720
В15 (М200)
310 (31)
25,0
220 (22,0)
40 (4,0)
680-685
45-50
5-9
/1000/
285 (28,5)
27,5
210 (21,0)
50 (5,0)
680-685
270 (27,0)
30,0
200 (20,0)
60 (6,0)
680-685
В20 (М250)
355 (35,5)
25,0
260 (26,0)
40 (4,0)
630-640
45-50
5-9
/1000/
325 (32,5)
27,5
240 (24,0)
50 (5,0)
640-645
305 (30,5)
30
210 (21,0)
60 (6,0)
660-670
В22,5 (М300)
400 (40,0)
25,0
280 (28,0)
40 (4,0)
605-610
45-50
5-9
/1000/
365 (36,5)
27,5
260 (26,0)
50 (5,0)
615-620
345 (34,5)
30,0
210 (21,0)
60 (6,0)
660-670
М-500
В15 (М200)
235 (23,5)
20,0
190 (19,0)
40 (4,0)
730-735
45-50
5-9
(1300)
/1000/
210 (21,0)
22,5
170 (17,0)
50 (5,0)
740-745
200 (20,0)
25,0
150 (15,0)
60 (6,0)
745-750
В20 (М250)
275 (27,5)
25,0
200 (20,0)
40 (4,0)
710-715
45-50
5-9
/1000/
250 (25,0)
27,5
180 (18,0)
50 (5,0)
710-715
235 (23,5)
30,0
170 (17,0)
60 (6,0)
715-720
В22,5 (М300)
315 (31,5)
25,0
210 (21,0)
40 (4,0)
690-700
45-50
5-9
/1000/
290 (29,0)
27,5
200 (20,0)
50 (5,0)
690-700
270 (27,0)
30,0
190 (19,0)
60 (6,0)
690-700
Приложение 2 к описанию. Примеры сырьевой смеси и физико-механические свойства полученных образцов бетонных смесей с крупным заполнителем.
Марка портландцемента по ГОСТ 10178 (уд. вес кг/м<sup>3</sup>)
Класс (Марка) бетона /Плотность образца после набора твердости (кг/м<sup>3</sup>)/
Расход цемента при добавлении диатомита, кг/м<sup>3</sup>
Оптимальный вес диатомита кг (% массовый на сухое вещество цемента)
Расход негашеной извести, Уд. вес 1000 кг/м<sup>3 </sup>кг, (мас.%)
Расход песка Мк 2-2,5 Уд. вес 1500 кг/м<sup>3</sup>
Расход крупного заполнителя Уд. Вес 1500 кг/м<sup>3 </sup>кг/м<sup>3</sup> (мас.%)
Расход воды (мас.% на сухой объем цемента)
Осадка конуса, см
М-300
В3,5 (М50)
285
15,0 (5,0)
60 (4,0)
840-830
300 (20,0)
40-45
1-6
(1100)
/1500/
277,5
22,5 (7,5)
75 (5,0)
825-820
270
30,0 (10,0)
80 (6,0)
820-815
М-400 (1200)
В7,5 (М100)
225
25 (10,0)
60 (4,0)
890-860
300 (20,0)
40-45
1-6
/1500/
212,5
37,5 (15,0)
75 (5,0)
875-870
200
50,0 (20,0)
80 (6,0)
870-860
В10 (М150)
288
32,0 (10,0)
64 (4,0)
900-890
320 (20,0)
50-55
5-9
/1600/
272
48,0 (15,0)
80 (5,0)
885-880
256
64,0 (20,0)
96 (6,0)
880-870
В15 (М200)
306
34,0 (10,0)
68 (4,0)
960-950
340 (20,0)
50-55
5-9
/1700/
289
51,0 (15,0)
85 (5,0)
940-930
272
68,0 (20,0)
102 (6,0)
920-910
В22,5 (М300)
324
36,0 (10,0)
72 (4,0)
1010-1000
360 (20,0)
50-55
5-9
/1800/
316
54,0 (15,0)
90 (5,0)
990-980
288
72,0 (20,0)
102 (6,0)
970-960
М-500
В15 (М200)
214
25,0 (10,0)
64 (4,0)
980-970
320 (20,0)
60-65
5-9
(1300)
/1600/
206
40,0 (15,0)
80 (5,0)
960-950
197
49,0 (20,0)
96 (6,0)
940-930
В20 (М250)
235
26,5 (10,0)
68 (4,0)
1020-1010
340 (20,0)
60-65
5-9
/1700/
207
39,0 (15,0)
85 (5,0)
1010-1000
197
49,0 (20,0)
102 (6,0)
1000-990
В22,5 (М300)
276
36 (10,0)
72 (4,0)
1050-1040
360 (20,0)
60-65
5-9
/1800/
235
54 (15,0)
90 (5,0)
1060-1050
221
72 (20,0)
102 (6,0)
1040-1030
Природные крупные заполнители (пемза, туф, пористые известняки и др.).