БЕТОННАЯ СМЕСЬ
CONCRETE MIXTURE

Изобретение относится к составам смесей для жаростойких мелкозернистых бетонов и может найти применение в производстве строительных материалов в качестве облицовочного материала для покрытия стен в пожароопасных помещениях, покрытия внешних стен котельных установок, сушилок и других объектов с температурой нагрева до 800°С.
Известен состав смеси бетона, приведенный в патенте №656996, МПК С04В, опубл. 15.04.79, Бюл. №14, содержащий компоненты при следующем соотношении, масс. %:
Портландцемент
20-22
Шамот фракции менее 0,09 мм
9,0-11
Триполифосфат натрия
3,8-7
Шлак силикомарганца
остальное
Наряду с достоинствами состава бетона (жаростойкость до 800°С), утилизируется шлак, имеются недостатки:
1. Низкий декоративный вид (темно-серый цвет с выцветами), что ограничивает применение в качестве облицовочного материала для стен тепловых агрегатов, в том числе и стен пожароопасных цехов.
2. Сложная технология приготовления, связанная с измельчением шамота и рассевом на фракции.
Известен и второй состав (аналог) мелкозернистого бетона (строительного раствора), приведенный в авторском свидетельстве СССР №637357, МКл. С04В 13/00, опубл. 15.12.78 г. и, включающий компоненты, масс. %:
Цемент
5,05-5,2
Пыль уноса производства ферросилиция
1,1-1,4
Известь
2,03-2,1
Сульфатно-спиртовая барда
0,0075-0,0078
Отходы обогащения железных руд с фракцией 0-1,0 мм
74,5-76
Вода
остальное
К достоинствам смеси следует отнести:
1) Утилизируются отходы металлургических производств.
2) повышается коррозийная стойкость мелкозернистого бетона, т.к. пыль ферросилиция является эффективной активной минеральной добавкой.
3) Не возникает коррозии стен и деталей металлургического оборудования, контактирующих со смесью, т.к. известь и сульфатно-спиртовая барда создают щелочную среду и одновременно активируют металлургические отходы.
Наряду с достоинствами имеются и недостатки:
1) Низкая прочность на сжатие после 28 суток - 3,6 МПа.
2) Низкая жаростойкость, что ограничивает область применения в качестве облицовочного материала для теплотехнических агрегатов и стен пожароопасных помещений.
Наиболее близкий состав по качественному содержанию и техническому решению к предлагаемому составу бетонной смеси приведен в патенте РФ №2461524, МПУ С04В 28/02, С04В 111/20, опубл. 20.09.2012, включающий компоненты при следующем соотношении, масс. %:
Портландцемент
11,86-12,15
Отсев доменного шлака менее 0,14 мм
2,4-3,34
Пыль уноса производства ферросилиция
0,8-1,28
Щелочной пластификатор Реламикс с рН=9±1
0,03-0,04
Модифицированная (кислая) вода с рН=2,1-2,5
0,35-0,56
Обычная вода
6,6-6,8
Заполнитель
остальное
Наряду с достоинствами известного состава бетонной смеси (утилизируется отходы, повышается трещиностойкость при твердении) имеются и недостатки:
1) Недостаточная жаростойкость, что ограничивает область применения в качестве облицовочного материала для стен пожароопасных помещений, сушилок, котельных и др. видов теплотехнического оборудования;
2) Энергоемкий процесс получения кислого активизатора, т.е. кислой воды с рН=2,1-2,5.
Задачей изобретения является снижение себестоимости и обеспечение жаростойкости при температуре 800°С без потери прочности бетона через 28 суток нормального твердения.
Для реализации задачи в составе бетонной смеси, включающей портландцемент, пыль уноса производства ферросилиция, отсев доменного шлака менее 0,14 мм, щелочной пластификатор Реламикс с рН=9±1, модифицированная (кислая) вода с рН=2,1-2,5, заполнитель, обычная вода, в качестве портландцемента вводят шлакопортландцемент, доменный шлак гранулированный фракции менее 1,25 мм, в качестве кислого и щелочного компонентов вводят водный раствор 33%-ной концентрации ортофосфорной кислоты и раствор, полученный от промывания водой осадка примесей, образующихся при растворении силиката-глыбы, а в качестве кварцсодержащего наполнителя вводят кварцевую муку и микрокремнезем при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Шлакопортландцемент ШПЦ Д15
23,5-24,53
Микрокремнезем
5,2-6,13
Доменный граншлак фракции менее 1,25 мм
12,27-13,1
Кварцевая мука
36,8-38,5
Водный раствор 33%-ной концентрации
ортофосфорной кислоты
0,65-0,7
Раствор, полученный от промывания водой осадка примесей,
образующий от растворения силиката-глыбы (по сухой массе)
1,96-2,0
Вода
17,0-17,66
В опытах реализации задачи применяли следующие материалы:
1. Шлакопортландцемент тип; ШПЦ-Д15, марки М400
2. Микрокремнезем - пылевидный отход (М-85) ферросплавного производства «Кузнецкие ферросплавы», размер микрочастиц 0,1-1 мкм.
2
3
3
Удельная поверхность 14000-30000 м/кг, что значительно превышает удельную поверхность цемента. Насыпная плотность 0,4 т/м, в уплотненном состоянии - 0,8 т/м.
2
2
3
2
3
Химический состав, масс. %: SiO=(91-97); AlO=(1,0-1,4); FeO=(0,2-0,4); CaO=(0,2-0,4).
2
В предлагаемом составе такая пыль принята в качестве активной минеральной добавки для более полноценного превращения Са(OH) в нерастворимые и жаростойкие гидросиликаты кальция. Микрокремнезем повышает и пластифицирующие свойства бетонной смеси.
3
3
2
2
3
2
3
3. Кварцевая мука. Получена путем тонкого измельчения кварцевого песка до фракции 15-50 мкм. Плотность 2,65 г/см; насыпная плотность 1150 кг/м; удельная поверхность 2900 см/г. Содержит: 99,5-99,7% кремнезема, остальное примеси оксиды: AlO, FeO, СаО. Выпускается в готовом виде организацией ООО «Сибелко Рус».
3
4
3
4. Водный раствор 33%-ной концентрации ортофосфорной кислоты (HPO), плотностью 1,2 г/см.
3
3
5. Щелочной раствор, полученный от промывания водой осадка, образующегося на дне емкостей, в которых растворяется силикат-глыба в процессе получения растворимого стекла с плотностью 1,36-1,5 г/см. Рыхлый осадок содержит примеси оксидов железа и глинозема (не более 0,25-0,4% масс. от массы растворимого стекла), оксид кальция (не более 0,2-0,25% масс. от массы растворимого стекла) и остаток растворимого стекла, адсорбированного примесями. Такой отход выбрасывается в отвалы, т.к. является безвозвратным. В предлагаемом составе бетонной смеси такой рыхло-твердый отход помещали в воду с выдержкой не менее одного часа с последующим отделением щелочного фильтрата. Количество воды и отхода регламентировали полностью отделяемого щелочного раствора, который составлял 1,05 г/см.
6. Гранулированный шлак. Принят основной доменный граншлак, фракции менее 1,25 мм, отвечает требованию ГОСТ 3476-74 «Шлаки доменный электрофосфорные гранулированные для производства цемента».
В таблице 1 приведен состав бетонной жаростойкой смеси, а в таблице 2 жаростойкость при температуре 800°С (остаточная прочность) и прочность при сжатии после 28 суток нормального твердения.
Для реализации задачи опытами изготовляли образцы - балочки размером 16×4×4 см из предлагаемой смеси, приведенной в таблице 1. Для каждой смеси формовали по шесть образцов на виброплощадке в течение 30 секунд.
Процесс твердения, сушки, обжига и испытания образцов на жаростойкость осуществляли в соответствии с ГОСТ 10180.
Из данных испытаний, приведенных в таблице 2, видно следующее:
1. Составы смесей №1 и №2 являются запредельными, т.к. не отвечают требованиям поставленной задаче, а именно состав №1 имеет прочность при сжатии в возрасте 28 суток нормального твердения ниже прочности из состава смеси прототипа, а состав №5 не обеспечивает жаростойкость, т.к. остаточная прочность, после обжига при температуре 800°С меньше 30% (см. ГОСТ 20910-90).
2. Составы №2, №3 и №4 отвечают требованиям поставленной задачи, т.е. являются жаростойкими (И8), т.к. остаточная прочность после обжига при температуре 800°С более 30%.
3. Прочность при сжатии образцов бетона, изготовленых из предлагаемой смеси, после 28 суток нормального твердения не ниже прочности прототипа.
Достижение поставленной цели объясняется физико-химическими процессами, протекающими в составе предлагаемой бетонной смеси и смеси прототипа, конкретно:
1. В предлагаемом составе бетонной смеси и смеси прототипа в качестве наполнителей и заполнителей предусмотрены кварцсодержащие огнеупорные материалы, т.е. в заявляемом:
2
микрокремнезем и кварцевая мука, а в составе смеси прототипа: микрокремнезем, кварцевый песок и примеси кварца в заполнителе. Принципиальное отличие наполнителей предлагаемой смеси и заполнителей прототипа состоит не только в большом различии их суммарной удельной поверхности, но и в поверхности отдельных кварцевых частиц. В предлагаемой смеси кварцевая мука имеет удельную поверхность 2900 см/г и все микрочастицы кремнезема имеют равную удельную поверхность, что способствует равномерному увеличению объема образцов при обжиге за счет полиморфного превращения кварца при температуре 573°С, т.е. внутри образцов в этот момент не возникает внутренних напряжений и соответственно трещин и разрушений. Поэтому кварцевый песок, вводимый в состав жаростойких бетонов, рекомендуется не только измельчать, как это предусмотрено, например, в авт. свид. СССР №2070872, но и принимать наиболее чистые пески, как это рекомендуется в данном предлагаемом изобретении.
2
3
В составе смеси прототипа удельная поверхность отдельных частиц кварцевого песка и частиц кварца в заполнителе, в десятки раз больше микрочастиц кварцевой муки, причем все поверхности частиц разные по величине, что приводит соответственно к неравномерному изменению объема таких частиц в процессе обжига в момент полиморфного превращения и разрушению бетона. Последнему также способствует и суперпластификатор Реламикс-2, т.к. в его состав входит сульфит натрия - NaSO, который при обжиге разлагается с выделением сернистого газа и созданием дополнительного внутреннего напряжения.
3
4
2. В предлагаемом изобретении вводится вводный раствор 33%-ной концентрации ортофосфорной кислоты, которым предварительно обрабатывается гранулированный шлак, чтобы свободные частицы извести, содержащиеся в составе граншлака и отрицательно влияющие на жаростойкость, перевести в жаростойкие частицы фосфата кальция CaPO. Такие частицы способствуют повышению прочности, создавая, дополнительно к частицам граншлака, центры кристаллизации.
Экономическая целесообразность предлагаемой смеси заключается в следующем:
1. Упрощается технология приготовления, т.к. не требуется осуществлять электролиз воды.
2. Утилизируется в большем количестве доменный шлак, а также используются жидкие отходы производства растворимого стекла.
3. Не требуется дорогостоящий суперпластификатор Реламикс-2
(Цена 43000 руб за 1 тонну).
4. Используется более дешевый цемент (ШПЦ-Д15), вместо ПЦ-Д0.
5. Расширяется область применения бетона за счет придания дополнительного свойства - жаростойкости, без снижения прочности после 28 суток нормального твердения.
За счет указанных факторов себестоимость смеси по отношению смеси прототипа снижается на 10-12%.