БЕТОННАЯ СМЕСЬ
CONCRETE MIX

Изобретение относится к составам бетонных смесей и может быть использовано для возведения нефтегазопромысловых морских инженерных сооружений, эксплуатируемых в сложных ледовых условиях.
Известна бетонная смесь, содержащая цемент, песок и воду (см. Ю.М.Баженов. Технология бетона. М., Высшая школа, 1987, с.255).
Известна также бетонная смесь, содержащая цемент, песок, наполнитель, представленный золой, и воду (см. Ю.М.Баженов. Технология бетона. М., Высшая школа, 1987, с.257).
Бетоны известных смесей используются для изготовления тонкостенных железобетонных конструкций и не обеспечивают длительную службу конструкций, постоянно или периодически омываемых водой.
Наиболее близкой по составу к заявляемому изобретению является бетонная смесь, содержащая портландцемент, песок, щебень фракции 5-20 мм, микрокремнезем, суперпластификатор, кварцевый песок и воду для затворения (см. патент РФ №2201412, 2003 г.).
Недостатком данного технического решения является его несоответствие требованиям повышенной долговечности и надежности бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях морского побережья.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является получение высокопрочного бетона, стойкого к истирающему воздействию льда.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в получении бетонной смеси с мелкопористой структурой, высокой прочностью, твердостью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, пластичностью и удобоукладываемостью.
Поставленная задача решается тем, что бетонная смесь, содержащая портландцемент, песок, щебень фракции 5-20 мм, микрокремнезем, суперпластификатор С-3, тонкомолотый кварцевый песок и воду для затворения, отличающаяся тем, что она содержит песок фракции 0,315-2 мм, дополнительно кремнийорганическую добавку - смесь метилфенилциклосилоксанов и сажу белую, а вода затворения дополнительно содержит поливиниловый спирт и подсмольную воду - продукт переработки каменных углей пиролизным способом, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 18,0-20,0; микрокремнезем 1,0-2,0; щебень фракции 5-20 мм 39,98-40,68; песок фракции 0,315-2 мм 28,0-32,0; сажа белая 0,9-1,0; суперпластификатор С-3 0,15-0,25; тонкомолотый кварцевый песок 0,8-1,0; кремнийорганическая добавка - смесь метилфенилциклосилоксанов 0,02; поливиниловый спирт ПВС 0,07-0,15; подсмольная вода 0,4-0,6; вода 6,0-7,0.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения с совокупностью существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признак «…заполнитель включает песок фракции 0,315-2 мм, щебень фракции 5-20 мм…» в предлагаемом соотношении обеспечивают прочность и морозостойкость.
2
2
Введение в состав бетонной смеси микрокремнезема в количестве до 10 мас.% от массы портландцемента обеспечивает снижение общей пористости цементного камня в бетоне при увеличении объемной концентрации и дисперсности наполнителя; связывает гидроксид кальция Са(ОН) кристаллогидратной связки аморфизированным кремнеземом SiO; ускоряет начальную стадию химического твердения цементных систем с частицами наполнителя, служащими центрами кристаллизации; образует кластеры "вяжущее-наполнитель" за счет высокой поверхностной энергии частиц наполнителя; упрочняет контактную зону между цементным камнем и заполнителями в бетонах; снижает водопотребность бетонных смесей с рядом наполнителей разной минералогической природы и дисперсности; упрочняет бетон путем снижения дифференциальной пустотности исходной водовяжущей пасты в сторону меньших по размеру пустот при размещении гранул наполнителя между частицами портландцемента, что обусловливает формирование цементного камня с меньшими размерами капиллярных пор.
Тонкомолотый кварцевый песок используют как армирующий материал, что увеличит прочность бетона, что особенно важно на поверхностном слое.
Кремнийорганическая добавка, смесь метилфенилциклосилоксанов вводится в смеси с тонкомолотым кварцевым песком. Тонкомолотый кварцевый песок перемалывают со смесью метилфенилциклосилоксанов, т.е. молотый кварцевый песок обрабатывают методом механохимической активации смесью метилфенилциклосилоксанов для придания бетонам гидрофобных свойств.
Смесь метилфенилциклосилоксанов является полупродуктом, использующимся при синтезе кремнийорганических полимеров. Получают ее при синтезировании гидролизом метилфенилдихлорсилана, при этом образуется смесь 3-метилфенилциклосилоксанов и метилфенилтетрасилоксана. Соотношение компонентов может быть различным, так как 3-метилфенилциклосилоксан и метилфенилтетрасилоксан ведут себя одинаково при механохимической активации. В нашем случае используется смесь данных компонентов следующих соотношений: 7:5; 6:6 и 5:7.
За счет дисперсности частиц сажи белой происходит ускорение начальной стадии химического твердения цементной системы, упрочнение контактной зоны между цементным камнем и заполнителем, т.е. сажа белая играет роль структурирующей добавки.
+2
+3
+3
Поливиниловый спирт используют в качестве воздухововлекающей и пластифицирующей добавки. Данный полимер относится к группе водорастворимых полимеров, с большим содержанием гидроксильных групп (ОН), которые обеспечивают фиксацию полимера в составе цементного камня за счет их координации на ионы Са, Al, Fe по донорно-акцепторному механизму. За счет вышеперечисленных свойств ПВС повышается морозостойкость бетона, улучшаются реологические свойства бетона.
Подсмольная вода - продукт переработки каменных углей пиролизным методом. В своем составе имеет ароматические и алифатические углеводороды. Например: оксибензол, крезол, нафталиновые соединения, этилфенолы, резорцины и др. Углеводородные соединения близки по своим свойствам к таким суперпластификаторам, как С-3, ДФ, МФ-АР, поэтому их действие во многом аналогично последним. Кроме того, углеводородные соединения подсмольной воды имеют слабоокисленный характер, обеспечивающий взаимодействие с гидроксилами металлов, в первую очередь с гидроксилом кальция, с образованием нерастворимых солей, что увеличивает адгезию цементного камня к инертному наполнителю и гидрофобность бетона. Также подсмольная вода за счет реакции с гидроксилами металлов является газообразующей добавкой.
Суперпластификатор С-3 - продукт конденсации натриевых солей нафталинсульфокислоты. Порошок, легко растворимый в воде. Перед применением С-3 нужно растворить в горячей воде.
Подсмольная вода уже является водорастворимой смесью, содержащей нафталиновые соединения.
Готовят бетонную смесь следующим образом.
Тонкомолотый кварцевый песок обрабатывают методом механохимической активации готовой смесью метилфенилциклосилоксанов.
Далее получают сухую смесь, для чего используют мешалки известной конструкции, выполненные в виде емкости с лопастной мешалкой. Для приготовления сухой смеси используют портландцемент, например марки М500, по ГОСТ 1017, щебень фракции 5-20 мм по ГОСТ 8267, песок фракции 0,315-2 мм по ГОСТ 8736. Все тщательно перемешивают. Затем в сухую смесь порционно (по 1/4 объема) добавляют добавки: сажу белую, например У-333, по ТУ 2168-016-00204872-2003, молотый кварцевый песок по ГОСТ 8736 (обработанный методом механохимической активации готовой смесью метилфенилциклосилоксанов), микрокремнезем, например МК-85, по ТУ 5743-049-02495332-96 при постоянном тщательном перемешивании в мешалке во избежание образования комков, разных включений. Одновременно в воду добавляют расчетное количество поливинилового спирта и расчетное количество подсмольной воды и расчетное количество суперпластификатора С-3, все смешивают до получения однородной жидкости и вводят в сухую смесь. Контролируют вязкость смеси по осадке конуса.
Составы бетонной смеси и их показатели качества сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Состав бетона
Требования к составляющим бетона
Варианты составов, % по массе
I
II
III
Портландцемент М500 ДО-Н
ГОСТ 10178
18,0
18,6
20,0
МК-85
ТУ 5743-048-02495332-96
1,0
1,5
2,0
Сажа белая У-333
ТУ 2168-016-00204872-2003
0,9
0,95
1,0
Суперпластификатор С-3
ТУ 5870-034-00369171-02
0,15
0,24
0,25
Молотый кварцевый песок
ГОСТ 8736
0,8
0,9
1,0
Кремнийорганическая добавка - смесь метилфенилциклосилоксанов
0,02
0,02
0,02
Поливиниловый спирт
0,07
0,11
0,15
Щебень фракции 5-20
ГОСТ 8267
40,66
40,68
39,98
Песок фракции 2-0,315
ГОСТ 8736
32
30
28
Вода
ГОСТ 2874
6,0
6,5
7,0
Подсмольная вода
-
0,4
0,5
0,6
При этом предлагаемая бетонная смесь позволяет получить бетон со следующими показателями:
Прочность на сжатие в возрасте 28 суток - более В60 (М800);
3
Плотность - 2,48-2,56 т/м;
Морозостойкость не менее F500;
Водонепроницаемость не менее W16;
Высокая износостойкость, менее 0,4.