Литая и самоуплотняющаяся бетонная смесь для производства монолитного бетона и сборных изделий из железобетона
CAST AND SELF-SEALING CONCRETE MIXTURE FOR PRODUCTION OF MONOLITHIC CONCRETE AND PREFABRICATED ARTICLES FROM REINFORCED CONCRETE

Изобретение относится к строительным материалам, в частности, к литым и самоуплотняющимся бетонным смесям, и может быть использовано при изготовлении монолитных и сборных бетонных и железобетонных строительных изделий и конструкций широкого назначения, в том числе густо армированных конструкций, а также массивных бетонных и железобетонных конструкций и сооружений с повышенными показателями трещиностойкости, пониженным тепловыделением, высоким темпом твердения, требуемыми показателями прочности, водонепроницаемости, морозостойкости и долговечности.
В настоящее время производство литых и самоуплотняющихся бетонных смесей считается наиболее перспективным направлением в технологии бетона, так как позволяет подать и уложить бетонные смеси, хорошо проникающие среди арматуры в межпалубное пространство (1-3).
Основная технологическая задача - обеспечение высокой подвижности бетонной смеси с ее сохранением в течение от одного до двух часов при минимальном водосодержании за счет ввода в смеси различных добавок.
Однако приготовленная литая бетонная смесь /по данным 1, рис. 18) с подвижностью П5 даже в присутствии широкого ассортимента современных добавок уже за 30-60 минут теряет, в среднем, треть подвижности, несмотря на исходное В/Ц смеси 0,5. Это обстоятельство затрудняет транспортировку и укладку литых бетонных смесей, отрицательно сказывается на расслаиваемости смеси, трещиностойкости и морозостойкости бетона.
С появлением новых химических добавок и волокон разработаны различные технические решения по устранению указанных недостатков. Так, патент РФ №2655633 предусматривает составление литых бетонных смесей из ингредиентов, % мас.: портландцемента 15,0-19,0; щебня гранитного фракции 5-10 - 35,2-36,9; кварцевого песка средней крупности - 26,5-28,0; микрокремнезема - 3,6-4,8; базальтового волокна - 5,1-6,0; суперпластификатора на основе поликарбоксилатного эфира Glenium АСЕ 40 в виде водного раствора плотностью 1,04-1,08 г/см - 0,38-0,42 и воды затворения - 8,78-9,82.
Столь многокомпонентный состав бетонной смеси по предложенному изобретению потребовал многоступенчатое перемешивание ингредиентов в сухом виде, после чего затворяли с половиной воды и снова перемешивали, а на третьем этапе эту бетонную смесь перемешивали с оставшейся половиной воды с суперпластификатором. Такой состав бетонной смеси весьма усложняет ее приготовление и значительно повышает ее стоимость. К сожалению, авторы не указали в описании патента время сохраняемости подвижности литых бетонных смесей.
Еще более сложной является проблема по получению современных самоуплотняющихся бетонных смесей, так как требуемая для них подвижность характеризуется еще более высокими значениями расплыва конуса (табл. 1).
2
Известна бетонная смесь, включающая цемент, смесь разных видов песка из кальцинированных бокситов с разным гранулометрическим составом, наиболее тонкий песок со средним гранулометрическим составом менее 1 мм и наиболее крупный песок со средним гранулометрическим составом менее 10 мм, белую сажу, 90% частиц которой имеют размер менее 1 мкм при среднем диаметре около 0,5 мкм, противопенное средство, суперпластификатор, при необходимости волокна и воду, а кроме того дополнительно содержит сверхмалые частицы карбоната кальция с удельной поверхностью, равной или более 10 м/г (см, например, патент РФ №2359936 «Самоуплотняющийся бетон со сверхвысокими свойствами. Способ его приготовления и применение», 2005 г.)
Недостатком такой бетонной смеси является также наличие многокомпонентного состава с дорогими компонентами, высокий расход белого цемента CPA 52,5 Teil, что усложняет и удорожает получение бетона и ограничивает его область применения.
Также известна бетонная смесь, содержащая портландцемент, щебень, песок, бентонит и воду затворения и дополнительно - золу-унос и суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент - 12,5-16,5, щебень - 39-40, песок - 27-29,3 бентонит - 0,15-0,25, зола-унос - 7,5-8,5, суперпластификатор на поликарбоксилатэфирном основании - 0,3-0,35, вода затворения - 9,5-10 (см., например, патент РФ №2307810 «Бетонная смесь и способ ее приготовления», 2007 г.).
Недостатком указанной бетонной смеси также является наличие семи компонентов, усложняющая приготовление бетонных смесей, дороговизна, а также небольшая трещиностойкость и низкая морозостойкость получаемого бетона.
2
Известна бетонная смесь, включающая портландцемент, кварцевый песок с модулем крупности 2,7-3,2, наполнитель - шлам химической водоочистки (ШХВО), гиперпластификатор «Melflux 2651 F», водоудерживающую добавку в виде микрокремнезема и воду при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент 16,7-18,4, кварцевый песок 68,4-70,0, ШХВО 1,2-2,5, микрокремнезем 0,8-2,8, гиперпластификатор «Melflux 2651 F» 0,08-0,09, вода 8,91-10,11, при этом удельная поверхность ШХВО составляет от 1200 до 1300 м/кг (см, например, патент РФ №2569947 «БЕТОН ПЕСЧАНЫЙ», 2014 г.).
Недостатком этой бетонной смеси является ее многокомпонентность и значительный расход высокомарочного цемента ГЩ 500 Д0, низкая морозостойкость из-за наличия карбонатного наполнителя ШХВО, а также необходимость дополнительного помола ШХВО, что приводит к значительному увеличению энергозатрат и, как следствие, высокой итоговой стоимости бетонной смеси.
3
Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является бетонная смесь (прототип) для изготовления различных видов литых монолитных строительных изделий, содержащая наноцемент одного из типов 30, 35, 45 или 55 (табл. 1). В бетонной смеси может быть, например, следующий расход компонентов в кг/м (табл. 2): наноцемент - 380, кварцевый песок Раменского месторождения - 887, щебень известняковый карьера Каменский - 887 и воду (см., например, статью Бикбау М.Я. Наноцементы - будущее цементной промышленности и технологии бетонов. - Вестник Российской академии естественных наук. - 2015. Т. 5. - С. 32-41). Прочность (марка) полученного бетона при использовании наноцемента 30 - В50 (марка 600), а плотность бетона на наноцементе 40 - 2455-2465 кг/м3.
Ниже приводится сопоставление стоимости куб. м бетонных смесей для обычных, литых самоуплотняющихся бетонов для условий РФ в настоящее время.
Цель настоящего изобретения - повышение подвижности и сохраняемости литой и самоуплотняющейся бетонной смеси при сохранении высоких показателей прочности при сжатии, водонепроницаемости и морозостойкости прототипа.
Поставленная цель достигается тем, что литая и самоуплотняющаяся бетонная смесь для производства монолитного бетона и сборных изделий из железобетона, включающая наноцемент одного из типов 30, 35, 45, 55, строительный песок, щебень, воду, содержит щебень гранитный фракции 5-10 мм и дополнительно - отсев гранитного щебня фр. 2-5 мм при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Указанный наноцемент
12-20;
Песок строительный
20-35;
Отсев гранитного щебня фракции 2-5 мм
15-21;
Щебень гранитный фракции 5-10 мм
20-29;
Вода
остальное.
2
Кроме того, в литой и самоуплотняющейся бетонной смеси наноцемент имеет удельную поверхность 600-900 м/кг, а также указанная смесь дополнительно содержит противоморозную добавку в количестве от 1 до 2-х мас. %.
Сущность заявленного изобретения состоит в использовании предлагаемых бетонных смесей с защищаемым соотношением ингредиентов для создания подвижной высокодисперсной реологической матрицы из тонкомолотых окатанных дисперсий в виде зерен нанокапсулированного портландцемента и частичек кварцевого песка (в наноцементе** (** - Национальный предварительный стандарт 19-2014. Портландцемент наномодифицированный. Технические условия.) частички кварцевого песка измельчаются также до наноуровня - табл. 3) с пониженным содержанием воды.. Указанная матрица отличается высокими реологическими свойствами композиции при минимальном воздухововлечении и может включать и более крупные частички кварцевого песка, а также частички отсева щебней и щебня размером до 10 мм с обеспечиваем требуемых подвижности и сохраняемости самоуплотняющихся бетонных смесей.
Именно высокодисперсная реологическая матрица с повышенной плотностью (за счет содержания в ее объеме высокодисперсных частиц кварцевого песка) при минимальном водосодержании дает возможность свободного перемещения частиц песка и щебня и обеспечивает требуемую подвижность (текучесть) бетонной смеси. При этом появляется возможность значительно снизить количество воды в самоуплотняющихся бетонных смесях и благодаря этому уменьшить усадочные явления, трещинообразование, обеспечить заданную прочность и другие характеристики бетонов.
Для лучшего понимания предлагаемого изобретения приводятся следующие примеры его реализации.
При выполнении примеров осуществления предлагаемого изобретения были применены малоклинкерные наноцементы с кварцевым песком завода «КАЗНАНОЦЕМЕНТ», г. Нур-Султан (7). Характеристики использованных промышленных партий наноцементов в табл. 3.
Выполненный анализ определений гранулометрии показал, что в произведенных наноцементах преобладают весьма мелкие частички дисперсий, что не характерно для портландцементов. Совместное измельчение в шаровых мельницах портландцемента с кварцевым песком в присутствии модификатора обеспечивает весьма высокую удельную поверхность материалов со значительным преобладанием (более 25% общего количества) дисперсий частиц размером менее микрона и более 90% частиц размером менее 30 мкм.
Для приготовления бетонных смесей были также использованы:
- 1) строительный песок Раменского месторождения с модулем крупности 1,9 и содержанием глинистых менее 2% мас.;
- 2) отсев гранитного щебня фракции 2-5;
- 3) гранитный щебень фракции 5-10;
- 4)водопроводная вода;
- 5) целевая добавка: противоморозная - нитрит-нитрат хлористого кальция или формиат натрия или хлорид кальция.
Бетонные смеси готовили в Экспериментальном цехе Международного ИМЭТ, г. Москва, на принудительном бетоносмесителе БС-1, производства 268 механического завода, г. Иваново, емкостью 1 куб м.
Компоненты смеси загружались в бетоносмеситель после взвешивания, и после перемешивания всухую в течение 1 мин подавали необходимый объем воды, после чего смесь перемешивали 3 мин.
Подвижность бетонных смесей определялась по расплыву смеси по ГОСТ Р 58002-2017, часть 8 (соответствующего EN 12350-8:2010).
Сохраняемость подвижности бетонных смесей определяли аналогично - также по расплыву смеси - через каждые 30 мин. Плотность бетонных смесей определяли по ГОСТ 10181.2-81, прочностные показатели и плотность бетонов определяли по стандартным методикам ГОСТ 10180-90.
Составы литой и самоуплотняющейся бетонной смеси приведены в табл. 4.
Водонепроницаемость образцов бетона определяли по ГОСТ 12730.5-84, морозостойкость - по ГОСТ 10060.1-95 Базовый метод определения морозостойкости и по ГОСТ 10060.2-95. Ускоренные методы определения морозостойкости, способы 2 и 3.
Характеристики сохраняемости подвижности бетонных смесей на основе полученных составов бетонных смесей - по табл. 4 (приведены в табл. 5.
В малоклинкерных наноцементах среди частиц размером менее одного микрона наблюдаются как зерна портландцемента с нанокапсулами модификатора, так и частички кварцевого песка размером около 100 нм и менее На фиг. 1 приведены электронно-микроскопические снимки на просвет (масштаб - на фотографиях) нанооболочки (светлая кайма) на зернах портландцемента из структурированного модификатора в наноцементах и зерна кварцевого песка (по результатам дифракции), а мелкие частички без нанооболочек - зерна кварцевого песка, измельченные до наноуровня. Причем на фиг. 1 «а» приведены размеры частиц размером 18, 19, 42 и 103 нм, а на фиг. 1 «б» показаны также толщины оболочек в нм.
При этом частички песка не имеют нанооболочек модификатора и активно участвуют при затворении водой в обеспечении высокой подвижности цементно-песчаных смесей с низким водосодержанием и реакциях структурообразования цементного камня, меняя устоявшиеся и прописанные в устаревших учебниках представления о кварцевом песке как инертном заполнителе.
Предлагаемые составы бетонных смесей по своим свойствам, несмотря на исключение дорогостоящих полимерных добавок и других высокодисперсных наполнителей, как это было показано при анализе уровне техники изобретения и, в частности, представлено в прототипе, обладают весьма высокими реологическими свойствами и подвижностью.
Разработанное техническое решение в значительной степени соответствует представлениям, развиваемым в РФ проф. Калашниковым В.И и его школой (4-6) о рациональной реологии бетонных смесей как будущего технологии бетонов. Предлагаемое изобретение при значительном упрощении составов бетонных смесей обеспечивает «высокую» по Калашникову В.И. реологию и подвижность бетонных смесей для высококачественных бетонов при значительном водопонижении жидкотекущей матрицы.
Результаты испытаний предлагаемой бетонной смеси для самоуплотняющихся бетонов свидетельствуют о том, что бетон, получаемый из предлагаемой бетонной смеси не уступает большинству показателей бетонов по аналогам и по прототипу при значительно более низкой себестоимости…
Литой самоуплотняющийся бетон применяют при строительстве сооружений с повышенной прочностью; при возведении конструкций, которые состоят из большого количества арматуры; при сооружении гидротехнических конструкций; при изготовлении монолитных полов без швов и строительстве зданий и сооружений различной геометрии. Одним из основных преимуществ литых и самоуплотняющихся бетонов является быстрота бетонирования, так как после заливки не требуются какие-либо дополнительные усилия для уплотнения смеси.
Литые самоуплотняющиеся бетоны, изготовленные по предлагаемому изобретению, заполняет опалубку без применения каких-либо дополнительных усилий, а бетонная масса обладает высокой подвижностью и густотой, с ней легко и удобно работать.
Литература
1. Дворкин Л.И., Кизима В.П. Эффективные литые бетоны. Львов., «Вища школа», 1986 - 144 с.
2. Комаринский М.В., Смирнов С.И., Бурцева Д.Е., Литые и самоуплотняющиеся бетонные смеси // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015, №11 (38). С. 106-118
3. Каприелов С.С., Смирнов С.И., Кардумян Г.С. Новые модифицированные бетоны - М. Типография «Парадиз», 2010 - 258 с.
4. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч. 1: Виды реологических матриц в бетонной смеси и стратегия повышения прочности бетона и экономии его в конструкциях // Технологии бетонов. 2007. №5. С. 8-10.
5. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч. 2: Тонкодисперсные реологические матрицы и порошковые бетоны нового поколения // Технологии бетонов. 2007. №6. С. 8-11.
6. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч. 3: От высокопрочных и особо высокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего // Технологии бетонов. 2008. №1. С. 22-26.
7. Бикбау М.Я., Нефедов А.С., Адильбеков К.М., Карсыбаев Е.Б. Промышленное производство наноцементов в Республике Казахстан // Журнал Сухие строительные смеси., 2019, №3, С. 14-19.