Бетонная смесь
CONCRETE MIX

Заявляемое изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам бетонных смесей, используемых при изготовлении сборных и монолитных железобетонных изделий и конструкций, дорожных покрытий, а также мелкоштучных изделий в виде тротуарных плит или брусчатки и бордюрных камней.
Известна бетонная смесь, включающая портландцемент марки 500, щебень, кварцевый песок с модулем крупности 1,9, крупный заполнитель - щебень гранитный фракции 5-10 мм, пластифицирующую добавку, содержащую масс.%: уайт-спирит 67,3, технический солидол 28,86 и графитовую пыль 3,84, и воду [Патент РФ № 2668600, МПК C04B28/04, C04B24/00, C04B14/06, C04B111/20, 02.10.2018 г.].
Недостатком бетонной смеси является низкая прочность на сжатие при использовании сравнительно дорогих материалов в виде гранитного щебня, а также токсичных и горючих уайт-спирита и солидола, снижающих морозостойкость бетона.
Наиболее близкой является бетонная смесь, включающая портландцемент, кварцевый песок, базальтовое волокно диаметром 13-17 мкм и длиной 6-12 мм, суперпластификатор «Полипласт СП-4» и воду [Патент РФ № 2480428, C04B28/04, C04B14/38, C04B111/20, 27.04.2013 г.].
Недостатком бетонной смеси является низкая прочность на сжатие при использовании дорогостоящих базальтовых фибровых волокон, требующих дополнительных затрат на тщательное их перемешивание с другими компонентами бетонной смеси.
Задачей заявляемого изобретения разработка состава бетонной смеси, обладающей большей однородностью и плотностью, с использованием промышленных отходов.
Технический результат - увеличение прочности на сжатие при сохранении высокой морозостойкости бетонной смеси.
Технический результат достигается при использовании бетонной смеси, включающей портландцемент, кварцевый песок, суперпластификатор и воду, при этом бетонная смесь дополнительно содержит в качестве мелкого заполнителя сернокислый шлам, образующийся травлением окалины при производстве стальных труб серной кислотой с последующей нейтрализацией известняком, содержащий, мас.%: Fe2O3 – 10-15 ,MgO – 3-5, SiO2 – 7,0-7,3, CaSO4 –25-30, Cr2O3 – 1, CaF2 – 25-30, п.п.п. – 11,7-29, взятый в равных количествах с кварцевым песком, а в качестве суперпластификатора содержит «SikaViscoCrete 5-800» на основе модифицированных эфиров поликарбоксилатов при следующем соотношении компонентов, масс. %:
портландцемент 30-32,
кварцевый песок 27-29,
сернокислый шлам 27-29,
указанный суперпластификатор 0,15-0,224,
вода остальное.
2
2
3
2
3
3
В качестве вяжущего в составе бетонной смеси используется портландцемент производства ЗАО «Осколцемент» марки ПЦ М500 Д0-Н. Химический состав цемента: SiO – 21,42 масс.%, А1О – 5,75 масс.%, FeO – 5,27 масс.%, СаО – 65,75 масс.%, MgO – 0,49 масс.%, SO – 0,29 масс.%, п.п.п. – 1,03 масс.%.
2
Удельная поверхность цементов типа ПЦ М500 Д0-Н составляет 324 м/кг. Тонкость помола при прохождении через сито № 008 составляет 95 %.
Мелкий заполнитель представлен кварцевым песком Орловского карьера Волгоградской области с модулем крупности 1,9.
2
3
2
4
2
3
2
Мелкий заполнитель представлен также сернокислым шламом. Кварцевый песок и сернокислый шлам используются в смеси в равных количествах. Сернокислый шлам представляет собой продукт, образующийся травлением окалины при производстве стальных труб серной кислотой с последующей нейтрализацией известняком (отход трубного производства). Химический состав шлама включает: FeO – (10-15) масс.%; MgO – (3-5) масс.%; SiO – (7,0-7,3) масс.%; CaSO – (25-30) масс.%; CrO – 1 масс.%; CaF – (25-30) масс.% и п.п.п. – (11,7-29) масс.%. Содержание в шламе оксидов Si, Cr, Mg и Fe является положительным фактором для применения в бетонных смесях, так как они обладают высокими прочностными свойствами. Использование сернокислого шлама в качестве мелкого заполнителя в бетонных смесях способствует повышению плотности смеси и утилизации промышленных отходов, не требующих дополнительной обработки.
3
Для упрочнения структуры на микро- и наноуровнях использовался суперпластификатор «Sika ViscoCrete 5-800». Эта добавка является высокоэффективным суперпластификатором для бетонов и растворов, выпускаемая в соответствии с требованиями ТУ 2493-009-13613997-2011. Указанная водорастворимая добавка в виде жидкости желтоватого цвета с плотностью до 1,085 г/см обладает высокими водоредуцирующими (до 40 %) и пластифицирующими свойствами за счет поверхностной абсорбции и повышенной смачиваемости частиц цемента в процессе взаимодействия вяжущего с водой. При этом ускоряются процессы гидратации, уплотнения и набора максимальной прочности бетона, а также снижаются усадочные деформации и увеличивается коррозионная стойкость после затвердевания смеси. Дозировка суперпластифицирующей добавки «Sika ViscoCrete 5-800» в пределах 0,4-1,0 % позволяет сократить расход дорогостоящего вяжущего за счет снижения водоцементного отношения при сохранении заданной подвижности смеси, а также увеличение плотности, достижение высокой конечной прочности и морозостойкости бетона.
Технология приготовления бетонной смеси.
Для повышения реакционной способности смеси первоначально производят растворение пластифицирующей добавки совместно с водой в ультразвуковом диспергаторе в течение 1-2 минут. Полученный водный раствор вводят в заранее перемешанные сухие компоненты смеси портландцемента, кварцевого песка и сернокислого шлама.
По окончании твердения в естественных условиях осуществляли испытания отформованных образцов-кубов размером 10 см ×10 см ×10 см и стандартных балочек размером 4 см ×4 см ×16 см на прочность и морозостойкость.
Для экспериментальной проверки заявленной бетонной смеси готовили несколько составов смесей, отличающиеся различным содержанием компонентов в процентном соотношении по массе.
Количественные составы бетонной смеси представлены в таблице 1.
Таблица 1
Составы заявленной бетонной смеси
Соотношение компонентов смеси, масс. %:
1
2
3
Портландцемент
30
31
32
Кварцевый песок
27
28
29
Сернокислый шлам
27
28
29
Суперпластификатор «Sika ViscoCrete 5-800»
0,15
0,186
0,224
Вода
15,85
12,814
9,776
В результате проведения испытаний на прочность и морозостойкость были получены их количественные параметры в сравнении с прототипом (см. табл. 2).
Таблица 2
Составы заявленной бетонной смеси
Предел прочности при сжатии, МПа
Предел прочности при изгибе, МПа
Морозостойкость, циклы
1
59,9
6,3
350
2
65,34
6,95
400
3
69,7
8,15
400
Бетонная смесь по прототипу
50,34-56,16
6,0-7,1
300-400
Анализ представленных в таблице 2 данных показывает, что введение в заявленную бетонную смесь сернокислого шлама и суперпластифицирующей добавки «Sika ViscoCrete 5-800» при указанных соотношениях, входящих в нее компонентов, способствует увеличению прочности на сжатие по сравнению с прототипом - на 24 % при аналогичной прочности на растяжение при изгибе. При этом, показатели морозостойкости бетона по отношении к прототипу сохранены на уровне 300-400 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Таким образом, комплексный состав бетонной смеси изпортландцемента, мелкого заполнителя в виде взятых в равных количествах кварцевого песка и сернокислого шлама, суперпластификатора «Sika ViscoCrete 5-800» на основе модифицированных эфиров поликарбоксилатов и воды, в заявленных соотношениях, способствует снижению водоцементного отношения смеси, увеличению ее однородности, плотности и прочности при сохранении высокой морозостойкости, что и является новым техническим свойством заявляемой бетонной смеси.