бетонная смесь

Формула изобретения

Бетонная смесь, включающая портландцемент, тонкодисперсный наполнитель - шлак и пыль электрофильтров ферросплавных производств, пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты, воду и заполнитель, отличающаяся тем, что в качестве тонкодисперсного наполнителя вводят отсев доменного шлака фракции 0,14 мм и пыль электрофильтров от выплавки ферросилиция, в счет частичной замены обычной воды затворения, вводят модифицированную электротоком воду с рН 2,1-2,5, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Смешанное вяжущее:

портландцемент	11,86-12,15
отсев доменного шлака, фракции менее 0,14 мм	2,4-3,34
пыль от выплавки ферросилиция	0,8-1,28
пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты	0,03-0,04

Вода затворения:

обычная	6,6-6,8
модифицированная с рН 2,1-2,5	0,35-0,56
заполнитель	76,82-76,97
водовяжущее отношение (В/Вяж)	0,45

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составам бетонных смесей и может найти применение в производстве строительных материалов для изготовления стеновых камней, тротуарных плит и других бетонных изделий.

Известен состав мелкозернистой бетонной смеси (строительный раствор). Данный состав приведен в авт. свид. СССР № 637357 М.Кл². С04В 13/00, опубликованном 15.12.1978 г., при следующем соотношении, мас.%:

цемент	5,05-5,2
пыль-уноса производства ферросилиция	1,0-1,49
известь	2,03-2,1
сульфитно-спиртовая барда	0,0075-0,0078
отходы обогащения железных руд	74,5-76,

имеющие следующий фракционный состав, масс.%:

0,63-1,0 мм	5-15
0,31-0,63 мм	15-25
0,14-0,31 мм	30-40
менее 0,14 мм	30-40
- вода	остальное

К достоинствам смеси следует отнести:

1) утилизируются отходы металлургических производств;

2) повышается коррозийная стойкость мелкозернистого бетона (раствора), т.к. пыль от выплавки ферросилиция является аморфной кремнеземсодержащей активной минеральной добавкой.

Наряду с достоинствами имеются и недостатки:

1) низкая прочность на сжатие в возрасте 28 суток - 3,6 МПа;

2) низкая адгезия смеси со стальной арматурой, т.к. отходы железных руд в смеси имеют одинаковый со сталью электрический заряд - положительный («+»заряд).

Наиболее близкий состав бетонной смеси по качественному и техническому решению приведен в авт. свид. СССР № 1346617 С04В 28/08 (С04В 28/08//22/08, 24/20), опубликованном 23.10.1987 г., при следующем соотношении компонентов, масс.%:

портландцемент	1-5
тонкодисперсный электросталеплавильный шлак	20-25
комплексная добавка	1-3

в добавке:

серно-кислый магний	40-60
нафтеновые сульфокислоты	40-60
вода	8-15
заполнитель	остальное

К достоинствам смеси следует отнести утилизацию тонкодисперсных шлаков.

Наряду с достоинствами имеются и недостатки:

1) низкая трещиностойкость при твердении бетона вследствие большого содержания тонкодисперсного шлака в составе смеси (20-25%), тампонирующего капилляры, по которым диффундирует влага к поверхности для испарения;

2) низкая прочность на сжатие в возрасте 28 суток - 9,2 МПа.

Задача изобретения - улучшить качество за счет исключения трещин при твердении и повысить прочность на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения при водовяжущем (В/Вяж) отношении в пределах 0,4-0,5, а также снизить себестоимость бетонной смеси.

Бетонная смесь включает портландцемент, тонкодисперсный наполнитель - шлак и пыль электрофильтров ферросплавных производств, пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты, воду с кислой добавкой и заполнитель, В качестве дисперсного наполнителя вводят отсев доменного шлака фракции 0,14 мм и пыль электрофильтров от выплавки ферросилиция в качестве кислой добавки. В счет частичной замены обычной воды затворения вводят модифицированную электротоком воду с рH 2,1-2,5.

Соотношение всех компонентов, масс.%:

Смешанное вяжущее:

портландцемент	11,86-12,15
отсев доменного шлака, фракции менее 0.14 мм	2,4-3,34
пыль от выплавки ферросилиция	0,8-1,28
пластификатор с основой нафтеновой сульфокислоты	0,03-0,04

Вода затворения:

обычная	6,6-6,8
модифицированная с рН 2,1-2,5	0,35-0,56
заполнитель	76,82-76,97
водовяжущее отношение (В/Вяж)	0,45.

Характеристика компонентов бетонной смеси:

1. Портландцемент марки М400 «ПЦ-ДО» (ГОСТ 10178-85, ГОСТ 30515-97) (ОАО «Михайловцемент» Рязанская обл., Михайловский р-он, пос.Октябрский).

2. Отсев доменного отвального шлаки фракции менее 0,14 мм (отход от дробленного основного доменного шлака (отвальный)). Последний дробят для получения щебня и песка для облегченных бетонов. Все, что проходит через сито с ячейками 0,14 мм, является отходом. В данном изобретении этот отход предложено утилизировать в качестве наполнителя смешанного вяжущего и соответственно добавки бетонной смеси.

Химический состав шлакового отсева включает, масс.%: CaO=(39-47)%; MgO=(5-10)%); SiO ₂=(38-45)%; Al₂O₃=(5-10)%; FeO - до 1%; MnO - до 1%; S - до 1,7%; TiO₂ - до 0,5%.

Удельная поверхность 0,16-0,18 м²/г, модуль основности 1,1-1,15.

3. Пылевидный отход (МК-85) ферросплавного производства ОАО "Кузнецкие ферросплавы". Данная пыль из электрофильтров производства ферросилиция имеет размеры частиц 1-1 мкм. Под действием высокой температуры микрочастицы кремнезема превращаются в стекловидную аморфную пыль. Удельная поверхность микрочастиц 14000-30000 м²/кг, что в 3-10 раз превышает удельную поверхность цемента. Насыпная плотность в уплотненном состоянии составляет 0,8 т/м³.

Химический состав, масс.%: SiO₂=(91-97)%; Al₂ O₃=(1,0-1,4)%; Fe₂O₃=(0,2-0,4)%; CaO=(0,2-0.4)%.

В предлагаемом составе бетонной смеси принята пыль в качестве активной минеральной добавки, т.к. частицы микрокремнезема являются аморфными и более реакционными в сравнении с опокой, туфом и трепелом, а также в качестве дополнительной - пластифицирующей добавки.

4. Пластификатор смеси. В опытах принят два вида суперпластификаторов, получаемых растворением нафталина в серной кислоте с добавкой полимерных смол и являющихся аналогом суперпластификатора С-3. Т.е. приняты «Полипласт СП-1» и «Реламикс» тип 2 ГОСТ 24211-2008, производимых ООО «Полипласт» г.Новомосковск. Добавки обладают слабощелочной средой рН 9±1. Применяются в виде жидкости или порошка. Основой состава является нафтеновая сульфокислота в виде соли Na₂SO₃ и радикалов - СН₂. В изобретении принят в комплексе с пылью микрокремнезема в роли пластификатора и нейтрализатора оставшейся кислой среды после смешения, т.к. обладает щелочной средой.

5. Модифицированная электротоком («мертвая») вода с рН в пределах 2,1-3. Данный тип воды получен методом электролиза родниковой воды с исходным рН 6,9. Электролиз осуществляли с помощью прибора «Живица» в течение 10 минут. Прибор электротоком разрушает молекулы воды на ионы Н⁺, т.е. «мертвую» воду с рН 2,1-3, и «живую», обогащенную ионами ОН^-. В опытах применили воду с рН 2.1-3, т.е. «мертвую» - кислую.

6. Заполнители:

- мелкий, т.е. кварцевый песок - 1 класс соответствует требованиям ГОСТ 8736-93 (ООО «Атлантида» г.Серпухов.) Модуль крупности - 2,25.

- крупный - гранитный щебень фракции от 5 до 20 мм соответствует требованиям ГОСТ 8267-93 (ОАО «Павловскгранит», Воронежская обл.). Марка щебня по дробимости 1400.

7. Вода для затворения соответствует техническим условиям ГОСТ 23732-79.

Таблица 1
Составы предлагаемых бетонных смесей № 2, № 3, № 4; составы № 1 и № 5 - запредельные, № 6 - состав известного прототипа
Компоненты вяжущего	Номер смесей и содержание компонентов, масс %
1	2	3	4	5	6 (прототип)
1. Портландцемент М400 «ПЦ-Д0»	11,5	11,86	12,0	12,15	12,2	5,0
2. Наполнитель: - электосталеплавильный шлак - пылевидный отход ферросплавного произ-ва - отсев доменного шлака фр. менее 0,14 мм	----	----	----	----	----	25,0
0,7	0,8	1,04	1,28	1,5
2,5	3,34	2,87	2,4	2,4
3. Пластификатор: - сернокислый магний - нафтеновая сульфокислота	----	----	----	----	----	1,5
0,01	0,03	0,035	0,04	0,045	1,5
4. Вода - обычная рН 6,9 - модифицированная: с рН 2,1 с рН 2,2 с рН 2,5 с рН 3,0	6,0	6,8	6,7	6,6	7,0	15,0
0,1	0,35	----	----	----	----
----	----	0,46	----	----	----
----	----	-----	0,56	----	----
----	----	----	----	0,6	----
5.Заполнители	78,2	76,82	76,9	76,97	76,26	52,0
6. Водовяжущее отношение (В/Вяж)	0,41	0,45	0,45	0,45	0,47	0,45

Пример реализации задачи. Бетонную смесь готовят путем дозирования компонентов по массе, приведенной в таблице 1. Перемешивают смесь из мелкого заполнителя (песка), макро- и микронаполнителей (отсева шлака + пыли от производства ферросилиция) с модифицированной (кислой) и 1/2 частью обычной воды - 5 мин, с последующим добавлением пластификатора с основой нафтеновой сульфокилоты, щебня, портландцемента и остатка обычной воды и перемешивание продолжают еще 5-6 мин. Формуют и твердеют образцы бетона в соответствии с требованиями ГОСТ 7473-94.

Бетонную смесь состава прототипа (. № 6) готовили по методике, приведенной в примере авт. свид. СССР № 1346617 С04В 28/08 (С04В 28/08//22:08, 24:20), опубликованного 23.10.1987 года. Наличие трещин определяли визуально.

В таблице 2 приведены результаты испытаний прочности при сжатии после 28 суток естественного твердения и показано наличие трещин в образцах.

Свойства	Номера смесей бетона и величина параметров
1	2	3	4	5	6 (прототип)
1. Прочность на сжатие в возрасте суток (МПа)	36,0	43,5	41,3	40,4	36,7	9,2
2. Наличие трещин	есть	нет	нет	нет	нет	есть

Анализ данных, приведенных в таблице 2, показывает:

1) прочность бетона увеличилась в четыре раза при одинаковом В/Вяж=0,45, причем в состав смешанных вяжущих (предлагаемого и известного) включены портландцемент, наполнители и пластификатор;

2) состав бетонной смеси № 1 и № 5 не отвечают поставленной задачи, т.к. на поверхности образцов бетона у состава № 1 проявились мелкие трещины, а прочность на сжатии бетона смеси № 5 - ниже составов № 2; № 3 и № 4.

Появление трещин (смесь № 1) обосновано недостатком кислой среды (воды с рН 2,1) для предотвращения запоздалого процесса гашения (гидратации) пережженных частиц свободной извести, содержащейся в составе шлаковых высевок. Уменьшение прочности бетона у состава смеси № 5 объясняется превышением оптимальной нормы пыли от выплавки ферросилиция, несмотря на самый высокий расход портландцемента.

Химическая сущность достижения (задачи заключается в химическом взаимодействии пережженных свободных частиц оксида кальция (СаО) с кислой модифицированной водой и переходом в гидроокись кальция (Са(ОН)₂), т.е. предотвращается запоздалый процесс пиления извести, а следовательно, и образование трещин бетона при твердении.

Превращение СаО в Са(ОН) ₂ способствует и увеличению в структуре бетона гидросиликатов кальция, а следовательно, и прочности бетона.

В составе смеси прототипа пережженные частицы свободной окиси кальция при взаимодействии с кислой средой, образованной MgSO ₄, переходят в гипс CaSO₄, что также положительно сказывается на трещиностойкости, но отрицательно на прочности бетона, так как гипс (ангидрит) является труднорастворимым веществом и не образует дополнительного количества гидросиликатов кальция в структуре бетона. Однако трещины на поверхности бетона прототипа возникают вследствие повышенного содержания в составе бетонной смеси тонкодисперсного сталеплавильного шлака и тампонирования им капилляров, по которым диффундирует вода к поверхности для испарения, что создает внутренние напряжения, приводящие к трещинам.

Эффект достижения повышения прочности заключается в химическом взаимодействии модифицированной воды с рН 2,1-2,5 с пылевидным аморфным микрокремнеземом и переходом его вначале в метакремниевую (H₂SiO₃), а затем за счет полимеризации последней в гель ортокремниевой (H₄SiO ₄).

Достоверность такого химизма превращения в ортокремниевую кислоту аморфного кремнезема в кислой среде подтверждена экспериментально и приведена в работе Чукина Г.Д. (Г.Д.Чукин, рецензент: д.х.н., профессор Б.К.Нефедов, «Химия поверхности и строения дисперсного кремнезема», гл. № 8, раздел 8.2. - Строение глобулы силикагеля, синтезированного в кислой среде - М.: Типография Паладин, ООО «Принта», 2008. - 172 с.).

В составе бетонной смеси гель ортокремниевой кислоты вступает в реакцию с Са(ОН)₄ , образующейся при гидратации минералов клинкера портландцемента по реакции (1):

Ca(OH)₂+2H₂ O+SiO₂=CaSiO₃·3H₂O (1).

Молекулярная масса Са(ОН)₂=74 а.е.м., a CaSiO₃·3H₂O=170 а.е.м. или выход гидросиликата кальция по реакции (1) составляет 70% от общей массы.

При взаимодействии Са(ОН)₂ с традиционными активными кемнеземсодержащими минеральными добавками (опокой, трепелом и др.) выход гидросиликата кальция меньше, т.e

Ca(OH)₂+SiO₂+H₂ O=CaSiO₃-2H₂O (2).

Молекулярная масса CaSiO₃·2H₂O=160 a.e.м или выход гидросиликата кальция по реакции (2) составляет 68% от общей массы, т.е на 2% меньше по отношению к реакции (1).

Уравнение реакции (2) написано из литературы (Волженский А.В., Ю.С.Колокольников и др. Минеральные вяжущие вещества, 1979. - 472 с).

Таким образом пыль от выплавки ферросилиция совместно с «мертвой» водой с рН 2,1-2,5 способствует исключению трещин бетона при твердении и увеличению продуктов гидратации гидроспликатов кальция, а соответственно прочности бетона.

Повышению прочности способствует меньшая водонотребность предлагаемой бетонной смеси за счет совокупного действия трех компонентов: пластифкатора с основой нафтеновой кислоты, пыли от выплавки ферросилиция и модифицированной кислой воды рН 2,1-2,5, а также использования крупного заполнителя (гранитный щебень).

Экономическая целесообразность предлагаемой бетонной смеси по отношению к известной ( № 6-прототип) заключается в следующих факторах:

1) уменьшается расход смешанного вяжущего (в %) на 1% заполнителя, т.е.:

- для известного (48%:52%)=0,923;

- для предлагаемого (23,l% сред.:76,9% сред.)=0,3, т.е расход уменьшен в три раза;

2) уменьшен расход бетонной смеси на единицу прочности (МПа) бетона в возрасте 28 суток нормального твердения, т.е.:

- для известного (100% б.смеси : 9.2 МПа)=10,87;

- для предлагаемого (100% б.смеси : 39,3 сред.)=2,54 (в 4,28 раза меньше, что положительно отразилось на снижении себестоимости смеси).

Последнему способствует и тот факт, что высевки шлака в 10 раз дешевле тонкодисперсного сталеплавильною шлака, а затраты на получение модифицированной воды в три раза дешевле сернокислого магния. Таким образом, себестоимость предлагаемой бетонной смеси на 6-8% ниже известной.