СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗ НЕЕ БЕТОНА
RAW MIX AND METHOD FOR PRODUCTION OF CONCRETE FROM IT

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам бесцементной бетонной смеси и способу ее получения, которая может быть использована в производстве бетонных и железобетонных изделий и строительных растворов.
Известна бетонная смесь [1], содержащая цемент, заполнитель, суперпластификатор С-3, воду, грунт естественной влажности, гидрофобизирующую кремнийорганическую жидкость ГКЖ-94 [1]. Недостаток этой смеси заключается в низком качестве бетона.
Известна также сырьевая смесь для изготовления шлакобетона [2], включающая шлакопортландцемент, шлаковый заполнитель фракции 10 мм, молотый гранулированный доменный шлак, сульфат кальция, сульфидно-дрожжевая бражку, известь, воду. Недостаток этих составов заключается в низком качестве бетонов, недостаточной прочности на сжатие и изгиб, низкой морозостойкости. При этом использование одной партии цемента для приготовления смесей сопровождается снижением его вяжущих свойств во времени. Например, при хранении портландцемента одной партии в течение 15, 30, 45, 60 суток марка его снижается от М 400 до М 370, М 350, М 310, М 269 соответственно за счет поглощения влаги из атмосферы и протекания химических реакций. Цемент окомковывается и теряет свои вяжущие свойства. Применение различных добавок [3] для повышения качества бетона из лежалого цемента не достигает положительного результата. Шлакопортландцемент обладает высокой стоимостью и является дефицитным материалом. Как недостаток следует отметить необходимость специальной подготовки шлакового заполнителя ≤10 мм, а также молотого гранулированного доменного шлака. В этом случае значительно усложняется процесс приготовления бетона. Известь также требует специальной подготовки и применения ее в бетоне возможно в измельченном виде или в виде раствора.
Известен также способ приготовления бетона, включающий заливку в бетономеситель воды, загрузку цемента, гравия, песка, пластифицирующих добавок, смешение компонентов до жидкоподвижной массы с последующей подачей смеси в формы [4]. Недостаток этого способа заключается в том, что при смешении не достигается измельчение слежавшихся комков заполнителей бетонной смеси, не достигается тонкого измельчения заполнителей.
Задача, решаемая изобретением, состоит в замене цемента недефицитными отходами металлургической промышленности: электросталеплавильным, доменным гранулированным шлаками и гипсом, а также повышение качества бетона за счет лучшего перемешивания.
Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в подборе состава и соотношения компонентов бетона и связующего при одновременном их изготовлении путем перемешивания и измельчения на бегунах. В результате оптимизации состава смеси и ее обработки на бегунах достигается необходимая тонкость помола и гранулометрического состава и необходимая максимальная гидравлическая (химическая) активность компонентов.
Для достижения предлагаемым изобретением технического результата сырьевая смесь, содержащая шлаковое вяжущее, шлаковый заполнитель, регулятор твердения - гипс и добавку, содержит в качестве шлакового вяжущего - шлак электросталеплавильный, в качестве шлакового заполнителя - доменный гранулированный шлак, в качестве добавки - комплексную добавку «Реламикс. Тип 2», в качестве гипса - гипс двуводный и дополнительно - в качестве активизатора твердения песок горный, содержащий 10-15% минералов гранитов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
«Реламикс. Тип 2»
0,2-0,4
указанный песок
5-10
указанный доменный шлак
40-52
гипс двуводный
4-7
шлак электросталеплавильный
остальное.
Указанная задача достигается также и тем, что способ получения бетона из сырьевой смеси включает затворение, перемешивание, измельчение строительной смеси в литейных бегунах до получения жидкоподвижной массы, заливку ее в формы и отверждение.
В предлагаемом способе осуществляют одновременно процесс затворения, перемешивания и измельчения крупных частиц, в частности электросталеплавильного и доменного шлаков, которые обладают вяжущими свойствами, заливают в формы и отверждают. Одновременно измельчение и затворение увеличивают химическую активность смеси и соответственно качество бетона. При измельчении шлаков наблюдается повышение температуры частиц за счет раскалывания их, что дополнительно способствует росту скорости гидратации и твердения бетона.
2
2
2
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Сущность изобретения состоит в том, что минеральный состав доменного гранулированного шлака, электросталеплавильного шлака и вяжущего (цемента) представлен одинаковыми химическими соединениями: силикатами (CaO·SiO, 2CaO·SiO, 3CaO·SiO, 4CaO-SiO), алюминатами кальция (СаО·АlO, 2СаО·AlО, 3СаО·AlО, 4СаО·AlО), а также ферратами кальция (xСаО·FеO) и др. Указанные химические вещества обладают вяжущими свойствами, поэтому в заявленном изобретении заменяют цемент шлаками, а водная обработка смеси компонентов в бегунах обеспечивает получение бетона любых марок в зависимости от состава смеси - соотношения доменного и электросталеплавильного шлаков.
Горный песок представляет собой отход обогащения железных руд. Крупность его 0,15-5,0 мм. Химический состав приведен в таблице 1. Обладает высокой твердостью в результате того, что в нем содержится до 20% (по массе) минералов гранитов. Минералы гранита обладают высокой твердостью и по твердости уступают только алмазам. Наличие минералов в горном песке обеспечивает более высокую прочность бетона по сравнению с речным песком, имеет много сколов, поверхностей, острых граней, углов, что способствует более прочному сцеплению его с силикатами и алюминатами кальция при гидратации и твердении бетонов. Кроме того, в горном песке содержатся силикаты и алюминаты кальция, обладающие вяжущими свойствами. Горный песок обладает вяжущими свойствами, это природный вяжущий материал. Указанные свойства повышают качество бетона. Поэтому рекомендуется использовать горный песок в производстве строительных материалов. Горный песок является чистым материалом, не требует дополнительной обработки. Речной песок необходимо отмывать от глинистых материалов.
3
2
Доменный шлак образуется при доменной выплавке чугуна, является отходом производства. Возможно использование доменного дробленого и гранулированного шлака в производстве строительных материалов как заменителя речного гравия в качестве заполнителя бетона. Химический состав приведен в таблице 1. Применяется для подсыпки дорог в качестве горной породы. В последние годы организовано производство гранулированного доменного шлака, представляющего преимущественно гранулы округлой формы размером от 0,15 до 10 мм. Применяется для подсыпки дорог, выравнивания строительных площадок. Плотность гранулированного шлака (граншлака) от 1 до 1,3 г/мм. Граншлак измельченный до крупности 320-350 м/кг обладает вяжущими свойствами, из него можно изготовить цемент марки М 100. Доменные шлаки - инертный материал, рекомендуется использовать в производстве бетонов в качестве заменителя речного гравия. В бетонной смеси позволяет увеличить прочность бетона. В шлаке содержатся силикаты, алюминаты кальция и железа. Это экологически безвредный материал, по всем причинам доменные шлаки рекомендуется использовать в производстве бетонов.
Электросталеплавильный шлак является отходом производства стали. Имеет сложный химический состав (таблица 1). Минерологический состав - силикаты и алюминаты кальция, поэтому шлак обладает вяжущими свойствами. Цвет белый или серый. Крупность от 0,15 до 40 мм. Электросталеплавильный шлак по сравнению с клинкером или доменным шлаком является более мягким материалом. Легко размалывается, не агрессивный по отношению к стальному оборудованию. Вяжущие свойства этого шлака близки к вяжущим свойствам клинкера, что позволит использовать его в производстве строительных материалов как заменитель клинкера. В настоящее время складируются в отвалы.
Гипс двуводный применяется в качестве регулятора скорости схватывания бетона в начальный период твердения.
Доменный и электросталеплавильный шлак обладают различной хрупкостью и соответственно разной размолоспособностью. При обработке смеси на бегунах образуется повышенное количество мелких классов из электросталеплавильного шлака. Такое свойство приводит к преимущественной гидратации в начальный период мелких частиц и дальнейшей гидратации крупных частиц, что обеспечивает более высокую прочность бетона по сравнению с составами близких размеров частиц. Перечисленные факторы получения бесцементного бетона позволяют максимально использовать вяжущие свойства компонентов бетона.
Для получения предлагаемого бетона применяли доменный гранулированный и электросталеплавильный шлак ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат», горный песок ОАО «Абагурская агломерационная фабрика», комплексная добавка «Реламикс. Тип 2» ООО «Полипласт-УралСиб» (порошок) ТУ 5870-002-14153664-04 с изм. 1, гипс двуводный (реактив марки «Ч»). Химические составы представлены в таблице 1. Составы бетонных смесей приведены в таблице 2.
Горный песок, электросталеплавильный и доменный шлаки дробили в лабораторной дробилке до крупности менее 3 мм. Комплексную добавку растворяли в воде.
Бетонные смеси обрабатывались в лабораторной установке, имитирующей промышленные бегуны, применяемые в литейных цехах ОАО «КМК» [5]. Строительную смесь загрузили в бегуны, катки опустили на дно бегунов, залили водный раствор добавки «Реламикс. Тип 2» и воду, нагретую до 45 градусов по Цельсию. Воду применяли хозяйственную из городского водопровода. Расход воды составил 15-33% (по массе) от веса строительной смеси. Расход воды в опытах 1, 2, 3 составил соответственно 0,33, 0,16, 0,26 литра на 100 граммов строительной смеси. Продолжительность обработки строительной смеси в бегунах составила 20 минут. Из полученных бетонов приготавливали 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. Испытание образцов проводили в стандартном возрасте 28 суток по стандартным методикам и ГОСТам. Результаты испытаний приведены в таблице 2, из которой следует, что качество полученного бетона выше, чем по прототипу.
Производство предлагаемого бесцементного бетона позволяет расширить области эффективного использования шлаков текущего производства и отвальных лежалых шлаков и создать базу для производства дешевых бетонов, экономить цемент и получить качественный бетон.
Источники информации
1. Патент РФ 2269499. МПК 7 С04В 28/02. 2004.
2. Патент SU 1271846. МПК С04В 28/08. 1986.
3. Волженский А.В., Стамбулко В.И., Ферронская А.В. Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, бетоны и изделия // М.: Изд-во по строительству, - 1971, с.96-116.
4. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. // М.: Машиностроение, 1977, с.32б-331.
5. Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1976, с.52.
Таблица 1
Химический состав, мас.%
Материал
SiO<sub>2</sub>
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+TiO<sub>2</sub>
FeO+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe
CaO
MgO
MnO
SO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O
П.П.П
Доменный гранулированный шлак
36,2
12,3-17,0
0,6-2,6
-
38-42,2
4,8-9,9
0,2-1,1
0,4-1,2
0,13-0,17
0,1-1,5
Электросталеплавильный шлак
22-26,5
7,1-9,5
1,2-1,7
-
46-47,5
1,2-1,5
0,4-0,9
0,2-0,4
0,3-0,4
2,3-3,7
Горный песок
34,1-39,9
9,8-11
12,8-46,1
2,3-3,5
11,3-13,7
4,2-5,7
0,3-0,55
1,7-3,2
1,3-3,2
8,5-15
Таблица 2
Состав бетона
№ опыта
Состав бетона, мас.%
Качество бетона
Доменный шлак
Электросталеплавильный шлак
Гипс
Цемент
Гравий
Песок
Грунт
Предложенное
Добавки
1
40
50,8
4
0,2
5
М400
2
52
30,6
7
0,4
10
М400
3
45,5
40,2
6,5
0,3
7,5
М400
По патенту 2269499
4
10,4-11,0
54,7-55,4
28,2-28,4
2-4
М300
По патенту 2272796
5
М300