БЕТОННАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ
CONCRETE MIX FOR MANUFACTURE OF THIN-WALLED PRODUCTS

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к составам армированных базальтовой фиброй бетонных смесей для изготовления тонкостенных изделий в виде ограждающих и облицовочных конструкций, таких как облицовочная плитка, например фасадная или цокольная, вентилируемые фасады и т.п.
Известно, что армирующие базальтовые волокна, введенные в состав бетонной смеси, способны сдерживать раскрытие трещин в бетоне на ранней пластичной стадии его твердения, а также способны сдерживать поверхностное отделение воды из бетонной смеси, что позволяет улучшить свойства затвердевшего бетона.
Известна бетонная смесь, включающая портландцемент, песок кварцевый, минеральное волокно в виде отходов производства базальтового волокна и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 20-22; песок кварцевый - 43-44, отходы производства базальтового волокна - 3,5-5 и вода - остальное (30-32,5), причем соотношение воды и цемента (В/Ц) составляет 136 - 163% (см. патент РФ на изобретение №2288198, МПК8 С04В 28/02, С04В 14/38, С04В 111/27, дата подачи заявки 02.12.2005 г., опубликовано 27.11.2006 г. «Бетонная смесь»).
Известный состав используется для изготовления монолитных бетонных конструкций методом залива, а также для изготовления изделий в виде тонкостенных ограждающих и облицовочных конструкций.
2
Однако изделия, изготавливаемые из известной смеси, обладая сравнительно высокой морозостойкостью (295-315 циклов) и достаточной водонепроницаемостью (W4-W6), несмотря на наличие в смеси армирующего базальтового волокна, имеют невысокие прочность при сжатии (30-40 МПа), прочность при изгибе (6,5-7 МПа) и истираемость (0,6 г/см), обусловленные снижающим плотность, а следовательно, и прочностные характеристики изделия очень высоким водоцементным отношением и неоптимальным качественным и количественным соотношением компонентов.
Кроме того, использование в смеси большого количества избытка воды для гарантированного заполнения цементным раствором промежутков между частицами инертного минерального заполнителя и придания смеси необходимой текучести приводит к неравномерному распределению базальтовой фибры в процессе изготовления изделий ввиду расслоения смеси, сопровождающегося внутренним и поверхностным выделением воды из бетонной смеси и гравитационным оседанием фибры на дно формы, что также снижает его прочностные характеристики.
Известна бетонная смесь, включающая портландцемент М500, песок строительный, органический пластификатор - глицерин, базальтовую фибру из заданных отрезков грубого волокна и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент М500 - 14,1; песок строительный - 66,8-72,3; глицерин - 0,016; базальтовая фибра - 6,5-11; вода - до 100 (оптимально 6,5), причем соотношение воды и цемента (В/Ц) составляет 46% (см. авторское свидетельство на изобретение №1778100, МПК 5 С04В 40/00, дата подачи заявки 10.09.1990 г., опубликовано 30.11.1992 г., Бюл. №44 «Способ приготовления бетонной смеси»).
Известная смесь предназначена для изготовления базальтофибробетонных изделий, таких как перегородки промышленных зданий или плиты облицовки, а также для замоноличивания узлов и стыков.
Недостатком известной бетонной смеси, несмотря на высокое (6,5-11 мас.%) содержание в смеси базальтовой фибры, являются невысокие прочностные характеристики получаемых изделий (прочность при сжатии составляет 28-32 МПа, прочность на осевое растяжение составляет 2,7-3,4 МПа), обусловленные снижающим плотность, а следовательно, и прочностные характеристики изделия повышенным водоцементным отношением и неоптимальным качественным и количественным соотношением компонентов.
Кроме того, использование в смеси избыточного количества воды для гарантированного заполнения цементным раствором промежутков между частицами инертного минерального заполнителя и придания смеси текучести приводит к неравномерному распределению базальтовой фибры в процессе изготовления изделий ввиду расслоения смеси, сопровождающегося поверхностным выделением воды из бетонной смеси и гравитационным оседанием фибры на дно формы, что также снижает его прочностные характеристики.
Известна стеклофибробетонная смесь, используемая для изготовления ограждающих и облицовочных конструкций в виде многослойных изделий заданной толщины при толщине каждого последующего слоя 6 мм, включающая цемент марки ПЦ 500 ДО-Н 48, песок мелкозернистый, пластификатор С-3 в составе химической добавки, фибру из стекловолокна длиной от 21 до 40 мм и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент - 45-53; песок мелкозернистый - 25-35; химическая добавка при содержании в ней 9-10 масс.% пластификатора С-3 - 2-8; указанная фибра - 0,5-9; вода 15-20, причем соотношение воды и цемента (В/Ц) составляет 26-33% (см. патент РФ на изобретение №2301207, МПК 8 С04В 28/00, С04В 14/44, С04В 111/27, дата подачи заявки 17.11.2005 г., опубликовано 20.06.2007 «Стеклофибробетон (варианты)»).
Недостатком известной бетонной смеси, несмотря на высокое (0,5-9 мас.%) содержание в смеси фибры из стекловолокна длиной от 21 до 40 мм, являются недостаточно высокие прочностные характеристики получаемых многослойных изделий (прочность при сжатии составляет 65-66 МПа, прочность на растяжение при изгибе составляет 23-24 МПа), обусловленные снижающим плотность, а следовательно, и прочностные характеристики изделия повышенным водоцементным отношением и неоптимальным качественным и количественным соотношением компонентов смеси.
Кроме того, использование в смеси избыточного количества воды для гарантированного заполнения цементным раствором промежутков между частицами инертного минерального заполнителя и придания смеси текучести приводит к неравномерному распределению стеклофибры в процессе изготовления изделий ввиду расслоения смеси, сопровождающегося поверхностным выделением воды из бетонной смеси и гравитационным оседанием стеклофибры каждого слоя многослойного изделия, что также снижает его прочностные характеристики.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является бетонная смесь для изготовления тонкостенных изделий, включающая портландцемент, натуральный каменный минеральный заполнитель в виде гранулированного, в частности гранитного, материала с размером частиц между 0,1 и 6 мм, суперпластификатор на основе нафталинсульфосоединений и воду, например, при следующем соотношении компонентов: портландцемент - 14,3% по объему, гранит 0,2-0,6 мм - 8,6% по объему; 0,6-1,2 мм - 12,5% по объему; 1,2-2,5 мм - 22,3% по объему, 2,5-4,5 мм - 25,9% по объему и вода с добавкой пластификатора - 14,3% по объему, причем соотношение воды и цемента (В/Ц) составляет 32% (см. патент РФ на изобретение №251118, МПК 7 С04В 28/02, В28В 23/00, В28В 7/08, В28С 5/00, дата подачи заявки 27.01.1997 г., опубликовано 20.06.2000 г. «Способ и устройство для производства цементированных плиточных изделий и полученные с их помощью плиточные изделия»).
Известная бетонная смесь используется для изготовления тонких однослойных плиток или изделий толщиной 15-20 мм, предпочтительно 17 мм.
Изделия из известной бетонной смеси имеют сбалансированный состав гранулированного каменного материала и цементирующей матрицы, заполняющей пустоты и промежутки между указанным выше материалом, причем соотношение воды и цемента (В/Ц) составляет 25-36% (предпочтительно 28-32%).
3
3
Изделия, получаемые из известного состава, не содержащие армирующего материала, имеют довольно высокие физические и механические свойства: удельный вес 2,45 кг/дм, гигроскопичность 2,5-3,1% по весу, прочность на изгиб 13,5-14,6 МПа, стойкость к истиранию 290-320 мм.
Однако известный состав не позволяет получить более тонкие изделия с комплексом повышенных характеристик, в том числе прочностью на растяжение при изгибе, водонепроницаемостью и морозостойкостью, что обусловлено повышенным водоцементным отношением, снижающим плотность, а следовательно, и прочностные характеристики изделия.
Заявляемое изобретение предусматривает получение бетонной смеси для изготовления тонкостенных изделий толщиной до 10 мм с повышенными техническими характеристиками, превосходящими достигнутый уровень техники.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение прочности на сжатие, прочности на растяжение при изгибе, морозостойкости и водонепроницаемости тонкостенных изделий за счет обеспечения равномерного распределения компонентов смеси по всей толщине изделия при сохранении плотной пространственной структуры.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной бетонной смеси для изготовления тонкостенных изделий, включающей портландцемент, минеральный заполнитель, суперпластификатор на основе нафталинсульфосоединений и воду, минеральный заполнитель содержит отсев гранитного щебня фракции 2-5 мм и песок с модулем крупности 1-2,5, взятые в соотношении 7:3, причем бетонная смесь дополнительно содержит базальтовую фибру длиной 12 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
портландцемент
28,50-31,50
базальтовая фибра длиной 12 мм
1,39-1,61
суперпластификатор на основе
нафталинсульфосоединений
0,29-0,31
вода
5,40-6,00
минеральный заполнитель - отсев
гранитного щебня фракции 2-5 мм и
песок с модулем крупности 1-2,5
остальное
Качественный и количественный состав инертного минерального заполнителя, а именно отсев гранитного щебня фракции от 2 до 5 мм и песок с модулем крупности 1-2,5, взятые в соотношении 7:3, в сочетании с введенной в смесь базальтовой фиброй с длиной волокон 12 мм в количестве 1,39-1,61 масс.%, которая армирует заявляемую бетонную смесь, содержащую воду в минимально возможном для данного состава количестве, позволяют обеспечить плотное компактное и равномерное распределение всех компонентов смеси по всей толщине изделия при полном исключении расслоения компонентов смеси в процессе его изготовления за счет полного поглощения воды компонентами смеси, исключающего их гравитационное оседание.
Кроме того, наличие в заявляемой бетонной смеси базальтовой фибры с длиной волокна 12 мм в заявляемых пределах определяет максимально возможное снижение водопотребности смеси с оптимально подобранным количественным и качественным составом инертного минерального заполнителя, портландцемента и суперпластификатора, так как фибра, повышая прочностные характеристики смеси и изделия, является еще и своеобразным проводником воды, давая возможность равномерно распределяться ей в составе смеси, не вызывая разделения компонентов.
В составе бетонной смеси используется минимально возможное количество воды, а именно 5,4-6,0 мас.% при соотношении воды и цемента по весу (В/Ц) в интервале 17-21%, из которых 15% идет на гидратацию, а остальное придает смеси необходимую текучесть.
Введение в бетонную смесь портландцемента в количестве 28,5-31,5% является оптимальным, так как в этом диапазоне обеспечиваются наилучшие прочностные показатели, увеличение его содержания повышает возможность появления трещин, а уменьшение его содержания снижает прочность и морозостойкость изготовленных из бетонной смеси тонкостенных изделий.
Введение в бетонную смесь базальтовой фибры с длиной волокна 12 мм с высокими прочностными свойствами является оптимальным для производства тонкостенных изделий толщиной до 10 мм, а количество 1,39-1,61 мас.% обеспечивает наилучшие прочностные свойства, увеличение ее содержания нецелесообразно с экономической точки зрения, а уменьшение ее содержания отражается на равномерности распределения воды.
Введение в бетонную смесь суперпластификатора на основе нафталинсульфосоединений в количестве 0,29-0,31 мас.% является оптимальным, делая смесь более пластичной, но не препятствуя последующему удалению воздуха из смеси во время гидратации.
При добавлении в приготавливаемую бетонную смесь раствора воды с суперпластификатором в минимально необходимом количестве смесь не растекается, а начинает скатываться в шарики с иголочками базальтовой фибры диаметром 2-3 см, которые в процессе вращения бетоносмесителя за короткий промежуток времени (2-3 минуты) приобретают высокую плотность и твердость.
Готовая плотная смесь с армирующими иголочками базальтовой фибры, содержащая минимальное количество пор, в процессе виброформования изделий толщиной до 10 мм (например, тонкой плитки) еще больше уплотняется по всей его толщине с удалением воздуха и минимизацией сети микрокапилляров между зернами минерального заполнителя, при этом вследствие очень небольшого количества воды базальтовая фибра остается равномерно распределенной по всей толщине изделия, не оседая на дно формы, что повышает прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе готовых тонкостенных изделий, а также их морозостойкость и водонепроницаемость.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о его соответствии такому условию патентоспособности, как «новизна».
Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности, как «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждают конкретные примеры получения бетонной смеси для изготовления тонкостенных изделий, изложенные в разделе «Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения».
Для изготовления тонкостенных изделий из заявляемой бетонной смеси используется:
- портландцемент без минеральных добавок марки не ниже ПЦ 400 ДО, в частности ПЦ 500 ДО, удовлетворяющих ГОСТ 10178-85;
- минеральный заполнитель -
в качестве крупного заполнителя применяют отсев щебня из изверженных пород, в частности гранита, удовлетворяющего требованиям ГОСТ 8267-93, с размером фракций 2-5 мм, согласно ГОСТ 26633-91 марка отсева по прочности на сжатие не ниже 100 МПа, по морозостойкости - не ниже F300;
к
в качестве более мелкого заполнителя применяют песок строительный с модулем крупности М 1-2,5 согласно ГОСТ 26633-91, при этом в песке с модулем крупности свыше 2 (средний по крупности песок) содержание частиц менее 0,16 мм не превышает 10%, с модулем крупности от 2 до 1,5 (мелкий по крупности песок) - 15% и менее 1,5 (очень мелкий по крупности песок) - 25% по массе;
- суперпластификатор на основе нафталинсульфосоединений, в частности суперпластификатор ПОЛИПЛАСТ СП-1 (сухой порошок), представляющий собой смесь натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы, по ТУ 5780-002-58042865-05;
- вода с температурой не ниже 16°С, удовлетворяющая требованием ГОСТ 23732;
- базальтовая фибра (базальтовое грубое волокно БГВ 150) с диаметром волокна 150 мкм и длиной волокна 12 мм по ТУ 5769-001-46973937-03, согласно которым прочность при растяжении волокна с диаметром 150 мм составляет не менее 180 МПа при длине 1 кг нити 35714 м, а щелочестойкость не менее 90%.
Приготовление бетонной смеси для изготовления тонкостенных изделий осуществлялось в следующем порядке.
Предварительно рассчитывали количественное содержание каждого компонента бетонной смеси и взвешивали.
В гравитационный бетоносмеситель загружали взвешенный песок и отсев щебня. Затем добавляли базальтовую фибру и смесь тщательно перемешивали в течение 40-60 секунд при числе оборотов 20-24 об/мин для равномерного распределения фибры между сухими компонентами - песком и отсевом.
После этого в гравитационный бетоносмеситель добавляли портландцемент и смесь опять перемешивалась.
В рассчитанной массе воды растворялась рассчитанная масса суперпластификатора ПОЛИПЛАСТ СП-1, далее раствор воды с пластифицирующей добавкой вводили в смесь в дальний конец груши бетоносмесителя мелкими порциями при постоянном перемешивании.
Смесь, смоченная раствором, начинала скатываться в шарики диаметром 2-3 см. Полученные шарики в процессе вращения груши бетоносмесителя за короткий промежуток времени (2-3 минуты) приобретали высокую плотность и твердость.
Готовую смесь загружали в формы для производства изделий, например плитки, и осуществляли процесс виброформования, цель которого - уплотнить материал по всей его толщине, удалив из него воздух и минимизировав сеть микрокапилляров между зернами минерального заполнителя.
После этого продукция упаковывается в термокассеты, в которых соблюдается заданная температура и влажность воздуха, где в течение определенного времени проходит процесс гидратации цемента и процесс набора прочности.
Изделия, изготовленные из заявляемой бетонной смеси, в зависимости от габаритных размеров имеют толщину от 6 до 10 мм.
Примеры составов бетонной смеси для изготовления тонкостенных изделий, количественное соотношение компонентов которых находилось в защищаемых пределах, приведены в Таблице 1.
Составы бетонной смеси для изготовления тонкостенных изделий
Таблица 1
Компоненты
Состав компонентов бетонной смеси, масс.%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Портландцемент ПЦ 500 ДО
28,50
28,50
28,50
30,00
30,00
30,00
31,50
31,50
31,50
Базальтовая фибра (d 150 мкм), длина 12 мм
1,41
1,51
1,61
1,40
1,50
1,60
1,39
1,49
1,59
Суперпластификатор СП-1
0,29
0,29
0,29
0,30
0,30
0,30
0.31
0,31
0,31
Вода
5,40
5,40
5,40
5,70
5,70
5,70
6,00
6,00
6,00
Отсев гранитного щебня фр. 2-5 мм
45,10
45,00
44,90
43,80
43,80
43,70
42,60
42,50
42,40
Песок М<sub>к</sub> 1-2,5
19,30
19,30
19,30
18,80
18,70
18,70
18,20
18,20
18,20
Результаты испытаний тонкостенных изделий (облицовочная плитка), изготовленных из приведенных составов бетонной смеси, приведены в Таблице 2.
Физико-механические показатели тонкостенных изделий, изготовленных из заявляемой бетонной смеси
Таблица 2
Показатель
Составы бетонной смеси
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Прочность на сжатие, МПа
92,0
94,0
97,0
93,0
95,0
98,0
94,0
97,0
100,0
Прочность на растяжение при изгибе, МПа
32,0
34,0
35,0
34,0
36,0
38,0
39,0
41,0
41,0
Морозостойкость, циклов
>300
>300
>300
>300
>300
>300
>300
>300
>300
Водонепроницаемость, W
20
20
20
20
20
20
20
20
20
Истираемость, г/см<sup>2</sup>
0,14
0,13
0,12
0,14
0,13
0,12
0,14
0,13
0,12
3
Как видно из Таблицы 2 испытаний, изделия из составов предлагаемой бетонной смеси обладают комплексом повышенных показателей, а именно прочностью на сжатие, прочностью на растяжение при изгибе, истираемостью, а также водонепроницаемостью (не менее W20) и морозостойкостью (не менее 300 циклов, до 700-900 циклов) при плотности изделий 2,5 г/см по сравнению с известными аналогами, что и позволяет уменьшить толщину изделий, изготавливаемых из заявляемой бетонной смеси, до величины от 6 до 10 мм.