Легкий бетон конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения
LIGHTWEIGHT CONCRETE FOR STRUCTURAL, HEAT-INSULATING AND STRUCTURAL PURPOSES

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к легким бетонам конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения, и может быть использовано при изготовлении бетонных и железобетонных изделий и конструкций (монолитных, сборно-монолитных и сборных), применяемых в гражданском, промышленном и транспортном строительстве, где по технологии требуется повышенная прочность и сниженная теплопроводность легкого бетона.
Известен легкий бетон [1], включающий цемент, полые микросферы - компонент, выделенный безреагентной флотацией из золошлаковых смесей, воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит кремнистую опал-кристобалитовую породу - трепел фракционного состава, %: 0,315-0,14 мм - 27-31,1, 0,14-0,071 мм - 30,1-33,2, менее 0,071 мм - 32,9-39,7, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
цемент
24,9-29,3,
указанный трепел
6,8-14,2,
указанные микросферы
34,8-41,1,
вода
остальное
Недостатком известного технического решения является относительно низкая прочность легкого бетона при сжатии (17,4-20,7 МПа), обусловленная повышенным водосодержанием бетонной смеси (19,8-29,1 мас. %) вследствие отсутствия в составе пластифицирующей добавки. Достигнутый уровень показателя прочности при сжатии свидетельствует о сниженном конструкционном потенциале структуры, что существенно сужает область применения указанного легкого бетона в несущих конструкциях.
Известна цементсодержащая строительная смесь [2], включающая цемент, песок, модификаторы, воду и активную минеральную добавку, содержащую микросферы алюмосиликатные (ценосферы), диоксид кремния аморфный (микрокремнезем) и золу высококальциевую, при следующем соотношении компонентов, мас. %: цемент 25,0-40,0, песок 5,0-30,0, активная минеральная добавка 35,0-60,0, модификаторы 0,2-2,0, вода - остальное, отличающаяся тем, что размер частиц диоксида кремния аморфного составляет 0,01-1 мкм, размер частиц золы высококальциевой составляет 1-25 мкм, а массовое соотношение диоксида кремния аморфного и золы высококальциевой составляет 1:3.
Недостатком известного технического решения является увеличенное число компонентов строительной смеси, в частности, за счет наличия в рецептуре многочисленных химических модификаторов (ускоритель твердения, водоудерживающая добавка, редиспергируемые полимерные порошки и др.), что значительно повышает стоимость и трудоемкость изготовления указанного цементсодержащего материала.
2
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является высокопрочный легкий бетон [3], полученный из смеси, содержащей цемент, наполнитель - микросферы, пластификатор и воду, и отличающийся тем, что дополнительно содержит минеральную часть, состоящую из микрокремнезема, имеющего средний размер частиц 0,01-1 мкм, каменной муки - продукта измельчения кварцевого песка с удельной поверхностью 700-800 м/кг и кварцевого песка фракции 0,16-0,63 мм, а в качестве пластификатора - гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе при следующем соотношении компонентов, мас. %:
портландцемент
33,8-53,0,
микрокремнезем
4,77-13,8,
указанная каменная мука
1,5-11,9,
указанный кварцевый песок
5,1-32,2,
микросферы
4,3-19,27,
указанный гиперпластификатор
0,3-0,48,
вода
остальное
Недостатком известного технического решения является повышенный коэффициент теплопроводности (0,475-0,691 Вт/(м⋅К)), свидетельствующий о сниженных теплоизоляционных свойствах и теплотехнической эффективности указанного легкого бетона, что сужает область его возможного применения.
Технический результат заключается в снижении теплопроводности легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения при сохранении требуемого уровня показателя удельной прочности при сжатии (отношение предела прочности при сжатии к относительной плотности материала) путем оптимизации поровой структуры материала на различных масштабных уровнях за счет использования рационально подобранного комплекса мелкого плотного заполнителя и пористых наполнителей.
2
2
Сущность изобретения заключается в том, что легкий бетон конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения, полученный из смеси, содержащей портландцемент, наполнитель - стеклянные или алюмосиликатные полые микросферы, гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе, минеральную часть и воду, отличается тем, что минеральная часть включает кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм и модулем крупности 2,0-2,5, а также смесь измельченных кремниевых опал-кристобалитовых пород - диатомита с удельной поверхностью 2000-2100 м/кг и опоки с удельной поверхностью 1300-1400 м/кг, используемых в соотношении по массе 1:1, при следующем содержании компонентов, мас. %:
портландцемент
33,7-50,0,
указанная смесь измельченных кремниевых
опал-кристобалитовых пород
2,98-8,1,
указанный кварцевый песок
4,32-41,3,
указанные полые микросферы
5,15-17,32,
указанный гиперпластификатор
0,39-0,55,
вода
остальное
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна». При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
1. Признак, указывающий, что «…минеральная часть включает кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм и модулем крупности 2,0-2,5…» вместо кварцевого песка фракции 0,16-0,63 мм у прототипа [3], позволяет оптимизировать каркасную матрицу твердеющего бетона за счет полифракционного состава заполнителя, характеризующегося повышенной плотностью упаковки частиц.
2
2
2. Признак, указывающий, что в состав минеральной части входит «… смесь измельченных кремниевых опал-кристобалитовых пород - диатомита с удельной поверхностью 2000-2100 м/кг и опоки с удельной поверхностью 1300-1400 м/кг, используемых в соотношении по массе 1:1, …» вместо микрокремнезема и продукта измельчения кварцевого песка у прототипа [3], позволяет снизить теплопроводность при сохранении требуемого уровня показателя удельной прочности при сжатии легкого бетона. Качественный и количественный состав смеси опал-кристобалитовых пород подобран таким образом, чтобы компоненты усиливали основной эффект (снижение теплопроводности легкого бетона) и компенсировали нежелательные побочные действия, каждого из них в отдельности, в частности, повышенную загущающую способность диатомита, а также сниженную водоудерживающую способность и химическую активность опоки. Таким образом, совместное использование в составе минеральной части диатомита и опоки в соотношении по массе 1:1 позволяет достичь синергетического эффекта и универсальности действия кремниевого комплекса, что дает возможность направленно воздействовать на физико-химические процессы структурообразования цементной системы с достижением требуемого уровня технологических свойств бетонной смеси, физико-механических и теплофизических характеристик легкого бетона.
3. Признаки, указывающие на соотношение масс компонентов, направлены на оптимизацию состава легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения, обеспечивающую достижение заявленного технического результата.
Для приготовления легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения используют:
1. Портландцемент по ГОСТ 31108-2020, например, класса ЦЕМ I 42,5.
2
2. Кремниевые опал-кристобалитовые породы - диатомит и опоку, предварительно высушенные до постоянной массы и измельченные до удельной поверхности 2000-2100 и 1300-1400 м/кг соответственно.
3
3
Диатомит - мягкая легкая тонкопористая осадочная порода с биоморфной структурой, сложенная более чем на 50% из мельчайших панцирей (цельных или обломков) диатомитовых водорослей - диатомей, состоящих преимущественно из аморфного опалового кремнезема [4, 5, 6]. Возможно присутствие в породе в качестве примесей обломочного материала (обычно кварц), глауконита, глинистых минералов, спикул кремниевых губок, скелетов радиолярий [6]. Размер створок диатомей, как правило, находится в пределах от 0,01-0,03 до 0,1-0,2 мм [5]. Содержание диоксида кремния в породе может изменяться от 62 до 97% [7, 8]. Окраска - белая, светло- и желтовато-серая, иногда серая, темно-серая и буровато-серая [5, 6]. Средняя плотность диатомитов обычно не превышает 1000 кг/м (увеличивается с возрастанием содержания обломочного и глинистого материала) и у лучших разностей достигает 500-700 кг/м, пористость - до 92% (в среднем 70-75%) [4, 6]. Прочность, как правило, не превышает 3-3,5 МПа [5].
3
Опока - легкая плотная тонкопористая осадочная порода с абиоморфной структурой, сложенная в основном мельчайшими (менее 0,005 мм) изометрическими и неправильными частицами опал-кристобалитового кремнезема и характеризующаяся по сравнению с диатомитами большей твердостью, прочностью и плотностью [4, 5, 6]. В различном количестве возможно присутствие в породе обломочного (преимущественно кварцевого) материала, глинистых минералов, редко - органических остатков (скелетов радиолярий, спикул кремниевых губок, панцирей диатомей). Текстура - однородная, слоистая. Излом - раковистый, полураковистый, землистый [5]. Окраска от светло-серой, желтовато-серой, буровато-серой до темно-серой и даже черной [6]. Средняя плотность составляет 1100-1600 кг/м, пористость - 25-55% (обычно 30-40%). Прочность «нормальных» разностей варьируется от 5 до 20, выветрелых (трепеловидных) - от 3 до 7, крепких кремнеподобных (окремнелых) - до 150 МПа, в некоторых разностях (обычно слабокарбонатных) присутствует цеолитовый компонент (до 10-20%) [5, 6].
Ввиду повышенной пористости рассматриваемые кремниевые породы имеют сниженную теплопроводность, что предопределяет перспективность их применения для достижения заявленного технического результата изобретения.
2
Природная влажность диатомитов и опок значительно колеблется в зависимости от климатических условий, глубины залегания, пористости породы и может достигать 15-50% [4, 5, 8, 9]. При этом более плотные разновидности характеризуются меньшей влажностью. Наличие влаги в порах кремниевых пород приводит к ухудшению их теплоизоляционных свойств. Поэтому с целью снижения коэффициента теплопроводности легкого бетона при его изготовлении используют высушенные кремниевые породы. Для этого поступившие с карьеров диатомит и опоку измельчают до требуемой удельной поверхности (2000-2100 и 1300-1400 м/кг соответственно), а затем проводят их сушку до постоянной массы при температуре 100-105°С, что позволяет удалить из структуры значительную часть поровой воды.
В рецептуре легкого бетона применялись диатомит Атемарского и опока Алексеевского месторождений Республики Мордовия с химическим составом, приведенным в таблице 1.
По данным рентгенофазового анализа установлено, что минералогический состав используемых кремниевых пород отличается преимущественным содержанием кристаллического кварца и частично закристаллизованной опал-кристобалит-тридимитовой фазы (ОКТ-фаза), представляющей собой смесь кристаллических и скрытокристаллических разновидностей кремнезема: кристобалита, тридимита и рентгеноаморфного опала. Кроме этого, в фазовом составе кремниевых пород выявлено незначительное содержание минералов групп полевых шпатов (альбит, кальций-калиевый силикат), слюд (мусковит) и гидрослюд (иллитовая группа). Степень кристалличности исследуемых образцов диатомита и опоки составила 22 и 36% [10] при соответствующем содержании в них аморфной фазы - 78 и 64 мас. %. Степень пуццоланической активности кремниевых пород, определенная с использованием прямого химического метода ГОСТ Р 56593-2015 (п. 14), равнялась 114 и 110 мг/г для диатомита и опоки соответственно.
1. Природный кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм, отвечающий требованиям ГОСТ 8736-2014. В результате фракционирования песка модуль крупности изменялся в диапазоне 2,0-2,5.
2. Наполнитель - стеклянные или алюмосиликатные полые микросферы, индивидуальные свойства которых обеспечивают снижение средней плотности при достижении требуемого уровня прочности при сжатии легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения.
3. Гиперпластификаторы на поликарбоксилатной основе различных марок - «Melflux 1641 F», «Melflux 5581 F», «Sika ViscoCrete-5 New», «Sika ViscoCrete-5-600 SP». Данный класс химических добавок характеризуется высоким пластифицирующим и водоредуцирующим эффектами, регламентируемыми ГОСТ 24211-2008, что позволяет значительно снизить водопотребность и увеличить подвижность бетонной смеси.
4. Вода для бетонов и строительных растворов по ГОСТ 23732-2011.
Процесс приготовления легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения включает следующие этапы:
1) поступившие с карьеров кремниевые породы (диатомит и опока) предварительно измельчают до требуемой удельной поверхности, а затем сушат до постоянной массы при температуре 100-105°С и смешивают в соотношении по массе 1:1;
2) проводят фракционирование кварцевого песка с отбором частиц не более 5 мм и достижением модуля крупности в диапазоне 2,0-2,5 с последующей сушкой заполнителя до постоянной массы при температуре 100-105°С (при необходимости);
3) выполняют дозирование каждого компонента легкого бетона по массе согласно принятой рецептуре;
4) первоначально в бетоносмеситель загружают отвешенное количество портландцемента, комплекса кремниевых пород (диатомита и опоки), полых микросфер и осуществляют перемешивание компонентов до получения однородной смеси;
5) добавляют требуемое количество кварцевого песка и всю сухую смесь перемешивают до достижения равномерного распределения в ней мелкого заполнителя;
6) добавляют воду с растворенным в ней гиперпластификатором с последующим перемешиванием до получения бетонной смеси требуемой однородности и удобоукладываемости.
Для приготовления бетонной смеси используют смеситель принудительного действия. Продолжительность перешивания смеси принимают в соответствии с требованиями ГОСТ 7473-2010.
После перемешивания готовую бетонную смесь укладывают в формы и уплотняют исходя из достигнутой подвижности. Из полученной смеси изготавливают образцы для испытаний: призмы размером 40×40×160 мм, кубы размером 100×100×100 мм и пластины размером 25×150×150 мм. Образцы до распалубливания хранят в формах, покрытых влажной тканью, после распалубливания - в камере с нормальными условиями твердения (температура (20±2)°С и относительная влажность воздуха (95±5)%). Распалубливание и испытание образцов проводят соответственно через 1 и 28 сут с момента изготовления.
Определение основных физико-механических и теплофизических характеристик легкого бетона проводят по следующим методикам:
- среднюю плотность - по ГОСТ 12730.1-2020;
- прочность на сжатие - по ГОСТ 10180-2012;
- теплопроводность - по ГОСТ 7076-99.
Удельная прочность легкого бетона, МПа, характеризующая его техническую эффективность и конструкционный потенциал, рассчитывается по формуле:
уд
сж
отн,
R= R/ ρ (1)
R
сж
где  - предел прочности при сжатии, МПа;
отн
ρ - относительная плотность бетона, отн. ед.:
отн
б
в
ρ = ρ/ρ, (2)
б
3
где ρ - средняя плотность бетона, кг/м;
в
3
ρ - плотность воды, 1000 кг/м.
С целью осуществления корректного сравнения теплотехнической эффективности составов легкого бетона изобретения и прототипа [3], имеющих разную среднюю плотность, используется показатель удельной теплопроводности, Вт/(м⋅К), рассчитываемый по формуле:
уд
отн
λ=λ/ ρ, (3)
где λ - коэффициент теплопроводности легкого бетона, Вт/(м⋅К);
отн
ρ - тоже, что и в формуле (1).
Составы предлагаемого легкого бетона конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения приведены в таблице 2, а его физико-механические и теплофизические свойства - в таблице 3.
Таким образом, как видно из таблицы 3, по сравнению с прототипом [3] предлагаемый легкий бетон конструкционно-теплоизоляционного и конструкционного назначения обладает более низким показателем удельной теплопроводности (до 2,26 раза) при сопоставимой удельной прочности (26,8-41,1 против 28,7-41,0 МПа у прототипа [3]).
Список использованных источников
1. RU 2277076 С1, МПК С04В 38/08, опубл. 27.05.2006.
2. RU 2708138 C1, МПК С04В 28/02, С04В 7/13, С04В 24/26, С04В 111/20, С04В 103/32, опубл. 04.12.2019.
3. RU 2515450 C1, МПК С04В 28/00, С04В 111/20, опубл. 10.05.2014.
4. Фролов В.Т. Литология. Кн. 1: Учебное пособие / В.Т. Фролов. М.: Изд-во МГУ, 1992. 336 с.
5. Дистанов У.Г. Кремнистые породы СССР / У.Г. Дистанов. Казань: Татарское книжное издательство, 1976. 412 с.
6. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Кремниевые породы. М.: МПР России, 2007. 36 с.
7. RU 2623272 С1, МПК С09D 133/00, С09D 5/02, опубл. 23.06.2017.
8. Селяев В.П. Теплоизоляционные материалы и изделия на основе вакуумированных дисперсных порошков микрокремнезема и диатомита: монография / В.П. Селяев, В.А. Осипов, Л.И. Куприяшкина [и др.]. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2013. 220 с.
9. Низина Т.А. Анализ влияния обжига диатомита на теплопроводность жидких теплоизоляционных покрытий / Т.А. Низина, А.Е. Инин, О.А. Синюков, В.А. Неверов // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2016.  №2 (29). С. 86-89.
10. Балыков А.С. Рецептурно-технологическая эффективность осадочных пород различного состава и генезиса в цементных системах / А.С. Балыков, Т.А. Низина, В.М. Кяшкин, С.В. Володин // Нанотехнологии в строительстве. 2022. Т. 14, № 1. С. 53-61.
Таблица 1
Осадочная порода
Химический (оксидный) состав, мас. %
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
K<sub>2</sub>O+Na<sub>2</sub>O
CaO+MgO
TiO<sub>2</sub>
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
SO<sub>3</sub>
прочее
Диатомит Атемарского месторождения
87,23
5,15
3,41
1,21
2,48
0,32
0,06
0,03
0,11
Опока Алексеевского месторождения
73,46
13,26
4,32
1,90
6,01
0,67
0,06
0,09
0,23
Таблица 2
Компоненты
Содержание компонентов, масс. %
Предлагаемые составы
Прототип [3]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Портландцемент
50,0
45,9
42,3
38,9
36,7
33,7
47,7
35,0
50,3
40,7
Микрокремнезем
-
-
-
-
-
-
4,77
6,9
7,55
13,8
Каменная мука
-
-
-
-
-
-
5,65
7,9
1,7
1,5
Смесь измельченных кремниевых опал-кристобалитовых пород - диатомита с удельной поверхностью 2000-2100 м<sup>2</sup>/кги опоки с удельной поверхностью 1300-1400 м<sup>2</sup>/кг, используемых в соотношении по массе 1:1
4,06
8,1
3,46
6,86
2,98
5,95
-
-
-
-
Кварцевый песок фракции 0,16-0,63 мм
-
-
-
-
-
-
16,4
18,6
5,1
13,8
Кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм и модулем крупности 2,0-2,5
4,32
4,33
25,6
25,6
41,3
41,3
-
-
-
-
Стеклянные микросферы
-
17,32
10,32
-
5,15
-
10,3
-
-
-
Алюмосиликатные микросферы
17,3
-
-
10,3
-
5,16
-
15,5
19,27
15,5
ГиперпластификаторMelflux 1641 F
0,54
-
-
0,47
-
-
0,38
-
-
-
ГиперпластификаторMelflux 2651 F
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,4
ГиперпластификаторMelflux 5581 F
-
-
0,46
-
0,39
-
-
-
-
-
ГиперпластификаторОдолит Т
-
-
-
-
-
-
-
-
0,48
-
ГиперпластификаторSika ViscoCrete-5 New
-
0,55
-
-
-
-
-
0,4
-
-
ГиперпластификаторSika ViscoCrete-5-600 SP
-
-
-
-
-
0,4
-
-
-
-
Вода
23,78
23,8
17,86
17,87
13,48
13,49
14,8
15,7
15,6
14,3
Таблица 3
Показатель
Значения показателей
Предлагаемые составы
Прототип [3]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Средняя плотность, кг/м<sup>3</sup>
1197
1137
1533
1455
1785
1708
1370
1423
1252
1483
Предел прочностипри сжатии, МПа
40,5
30,5
53,7
39,9
73,4
50,2
56,2
40,9
45,3
59,3
Удельная прочность*, МПа
33,8
26,8
35,0
27,4
41,1
29,4
41,0
28,7
36,2
40,0
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К)
0,246
0,233
0,339
0,314
0,608
0,508
0,599
0,588
0,475
0,688
Удельнаятеплопроводность**, Вт/(м⋅К)
0,206
0,205
0,221
0,216
0,341
0,297
0,437
0,413
0,379
0,464
Примечание.* Показатель, рассчитываемый по формуле (1).** Показатель, рассчитываемый по формуле (3).