смесь для коррозионно-стойкого бетона

Формула изобретения

Смесь для коррозионно-стойкого бетона, включающая вяжущее, содержащее щелочной активизатор твердения - силикат натрия и перлит, и кварцитовый заполнитель, отличающаяся тем, что она содержит вяжущее, полученное совместным помолом безводного силиката натрия с кремнеземистым модулем 2,6-2,8 и перлита до удельной поверхности 400-450 м²/кг, а в качестве указанного заполнителя - кварцитовый песчаник фракции 0,3-2,5 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Указанный безводный силикат натрия	8-14
Перлит	25-32
Указанный кварцитовый песчаник	54-67

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, которое может быть использовано в производстве коррозионностойких материалов и изделий, - тротуарная плитка, плитка для пола и др.

Известен состав для коррозионностойкого мелкозернистого бетона с использованием перлитовых пород, раствора щелочи NaOH (8% по массе в пересчете на сухой Na₂O) и кварцевого песка. Измельченные природные вулканические стекла (перлит, обсидиан, туфы) затворяют раствором щелочи, смешивают с заполнителем - кварцевым песком для получения бетонной смеси, формуют изделия и подвергают автоклавированию. Полученный коррозионностойкий бетон на основе известного вяжущего имеют прочность не менее 40 МПа (См. Меркин А.П., Зейфман М.И. Бетоны и изделия на основе кислых вулканических пород // Тезисы докладов Всесоюзной научной конференции «Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции». - Киев: КИСИ, 1979. - С.15-17).

Недостатком практического применения этого бетона является использование щелочи NaOH, которая является дефицитным и дорогостоящим реактивом, применение которого требует специального оборудования и соблюдение правил техники безопасности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является состав для бетона повышенной коррозионной стойкости на основе перлитового вяжущего и коррозионностойких заполнителей. Для производства этого бетона в качестве щелочного активизатора применялся раствор жидкого стекла с плотностью 1,10-1,15 г/см³ , для снижения водопотребности бетонной смеси - суперпластификаторы. Для получения коррозионностойкого бетона перлит предварительно подвергают дроблению, помолу до удельной поверхности 400-420 м²/кг. Молотый перлит, заполнители - кварцевый песок, кварцитовый щебень и раствор жидкого стекла определенной плотности поступают в бетоносмеситель, где происходит приготовление бетонной смеси, далее изделия формуют. Тепловлажностную обработку изделий производили в автоклавах при избыточном давлении 0,8-1,2 МПа по режиму 1,5+5+1,5 ч в среде насыщенного водяного пара. Прочность при сжатии полученного бетона после тепловлажностной обработки составила 40-55 МПа, после 6 месяцев хранения в эквимолярных растворах сульфата натрия и магния - 63,6 МПа (категория сульфатостойкости «А»), водопоглощение - 6-8% по массе; кислотостойкость: в 30% растворе серной кислоты - 92,73%; в 96% растворе серной кислоты - 93,72%; относительный прирост массы бетона при карбонизации через 180 суток - 1,3%; повышение прочности бетона при карбонизации в течение 150 суток от 50,3 до 54,1 МПа; морозостойкость - более 100 циклов. (См. Капитонов Г.В. Коррозионностойкий бетон на перлитовом вяжущем (технология и свойства). Автореферат кандидатской диссертации. - М.: МИСИ, 1982. - 20 с.).

К недостаткам указанного состава коррозионностойкого бетона относится использование жидкого стекла, который представляет собой высоковязкий затворитель, характеризующийся быстрым схватыванием в процессе формования бетона и изделий на его основе. Для получения более удобоукладываемой смеси требуется большее количество жидкого стекла или введение суперпластификатора.

Задача, решаемая изобретением, заключается в получении смеси для коррозионностойкого бетона на основе композиционного перлитового вяжущего с использованием перлитовых пород.

Технический результат изобретения заключается в повышении прочностных показателей и коррозионной стойкости бетона; сокращении режима автоклавного способа твердения бетона; снижении энергетических затрат на производство бетона и изделий на его основе.

Технический результат достигается тем, что в смеси для корозионностойкого бетона, включающей щелочной активизатор твердения - силикат натрия и перлит и кварцитовый заполнитель, согласно изобретению она содержит вяжущее, полученное совместным помолом безводного силиката натрия с кремнеземистым модулем 2,6-2,8 и перлита до удельной поверхности 400-450 м ²/кг, а в качестве заполнителя - кварцитовый песчаник фракции 0,3-2,5 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

указанный безводный силикат натрия	8-14
перлит	25-32
указанный кварцитовый песчаник	54-67.

Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата безводный силикат натрия и перлит подвергают совместному помолу в шаровой или вибрационной мельнице до удельной поверхности 400-450 м² /кг, смешивают с заполнителем - кварцитовым песчаником фракцией 0.3-2,5 мм, тщательно перемешивают в течение 4-5 минут, добавляют воду (водотвердое отношение 0,28-0,31), из бетонной смеси формуют изделия. При формовании бетонные изделия подвергают виброуплотнению в течение 60-150 сек, изделия твердеют в автоклавных условиях по режиму 1,5+3+1,5 час при давлении 0,8-1,2 МПа. Традиционно процесс растворения безводных силикатов натрия осуществляют в автоклавных условиях. Комплексное воздействие на безводный силикат натрия: механическое измельчение и тепловлажностная обработка вяжущего при температуре 175-191°С ускоряет процесс ее растворения и позволяет получить показатели растворимости, не уступающие показателям растворимости безводного силиката натрия при автоклавной обработке. В процессе тонкого измельчения происходит разуплотнение безводного силиката натрия - при удельной поверхности 400-450 м²/кг плотность снижается от начальной 2,46 г/см³ до 2,39 г/см ³. При этом изменение энергетического состояния безводного силиката натрия вызывает соответственное изменение ее химической активности и повышение растворимости.

В условиях автоклавной обработки коррозионностойкого бетона повышенная температура и щелочная среда способствуют растворению с поверхности частиц перлитового вяжущего аморфного кремнезема, находящегося в тонкодисперсном состоянии. В результате чего образуется раствор ортокремниевой кислоты и частично жидкое стекло. Наличие в составе перлита оксида алюминия приводит к локальному изменению рН на границе «раствор - зерно», вследствие чего жидкое стекло гидролизуется и на поверхности частиц стекла образуется гель кремниевой кислоты. В момент образования дисперсной фазы происходит реакция поликонденсации с образованием геля кремниевой кислоты, который склеивает в монолит отдельные нерастворившиеся частицы стекла и перлита.

Отличительной особенностью предлагаемой смеси для коррозионностойкого бетона является использование композиционного перлитового вяжущего, где в качестве щелочного активизатора твердения перлита используется не жидкое стекло, а безводный силикат натрия, что позволяет устранить технологические неудобства использования жидкого стекла вследствие схватывания бетонной смеси на рабочих частях транспортного, смесительного и формовочного оборудования, снизить себестоимость продукции по сравнению с дорогостоящими жидкомодульными стеклами. Введение в качестве щелочного активизатора твердения перлита - безводного силиката натрия - позволяет регулировать содержание щелочных оксидов в коррозионностойком бетоне, т.к. в исходном перлите дополнительно содержится 7-8% щелочных компонентов Na ₂O+К₂О. Повышение растворимости кремнезема перлита в присутствии щелочей при повышенных температурах, помимо каталитического действия, объясняется образованием легко растворимых щелочных силикатов, дополнительно переводящих кремнезем SiO ₂ в раствор, в результате чего образуется жидкое стекло. Кроме того, при замене жидкого стекла на безводный силикат натрия улучшается процесс гомогенизации бетонной смеси и происходит равномерное распределение щелочного активизатора в виде сухого компонента.

Предлагаемый состав коррозионностойкого бетона содержит компоненты при следующем соотношении, мас %: безводный силикат натрия - 8-14; перлит - 25-32, кварцитовый песчаник - 54-67. Кремнеземистый модуль безводного силиката натрия лежит в пределах 2,6-2,8. Именно такой состав коррозионностойкого бетона обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении прочностных показателей на 5-10% и коррозионной стойкости, сокращении режима тепловлажностной обработки, снижении энергетических затрат на производство коррозионностойкого бетона и изделий на его основе при использовании безводного силиката натрия, как носителя щелочного активизатора, в количестве 2-4% в пересчете на сухой оксид натрия.

Повышение прочности и коррозионной стойкости бетона происходит за счет интенсификации растворимости безводного силиката натрия в результате механохимической активации, ускорения процесса химического взаимодействия силиката натрия и перлита в процессе измельчения, что ускоряет твердение и повышает прочность при повышенной плотности бетона. Повышение плотности бетона происходит за счет использования виброуплотнения при формовании бетонной смеси.

При твердении коррозионностойкого бетона на основе композиционного перлитового вяжущего формируются малорастворимые новообразования, химический и фазовый состав которых предопределяют их высокую химическую стойкость в кислотных и солевых средах. Такими основными новообразованиями являются низкотемпературный кристобалит и низкоосновные гидроалюмосиликаты, которые характеризуются высокой прочностью и долговременной стойкостью в воде, неорганических кислотах и солях, что позволяет при использовании кислотостойкого заполнителя - кварцитового песчаника - получить бетон повышенной коррозионной стойкости.

При введении в состав смеси для коррозионностойкого бетона безводного силиката натрия менее 8% не наблюдается повышения прочностных показателей, так как щелочи недостаточно для процесса твердения бетона.

А при введении его более 14% снижается водостойкость бетона за счет избытка несвязанной щелочи и повышается хрупкость материалов и изделий, снижается коррозионная стойкость.

Количественное изменение компонентов смеси для коррозионностойкого бетона (мас.%): безводного силиката натрия - 8-14, перлита - 25-32, кварцитового песчаника - 54-67 позволяет варьировать состав коррозионностойкого бетона без ощутимого изменения прочностных показателей и коррозионной стойкости.

Отклонение содержания перлита от указанных пределов в меньшую сторону ведет к тому, что в бетоне недостаточно щелочи для активизации перлита. Результатом является снижение прочностных показателей бетона.

Уменьшение В/Т-отношения менее 0,28 приводит к недостатку воды для получения удобоукладываемой бетонной смеси (виброуплотнение бетонной смеси в течение 60-150 сек недостаточно), а увеличение свыше 0,31 приводит к избытку содержания воды, снижающей прочностные показатели коррозионностойкого бетона.

Компоненты смеси для коррозионностойкого бетона подобраны таким образом, чтобы получаемые образцы имели максимальные прочностные показатели.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной смеси для коррозионностойкого бетона. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как более близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».

Для получения предлагаемой смеси для коррозионностойкого бетона в качестве щелочного активизатора твердения перлита применяют безводный силикат натрия ОАО «Салаватстекло» с кремнеземистым модулем 2,6-2,8, перлит Мухор-Талинского месторождения (Республика Бурятия) с содержанием стеклофазы 60-70%, кварцитовый песчаник Черемшанского месторождения (Республика Бурятия). Химический состав материалов представлен в табл.1, 2.

Таблица 1
Химический состав безводного силиката натрия. ГОСТ 13079-81
Оксид	Na2O			SiO 2			Al2 O3+Fe2O 3			CaO			SO3
Содержание, %	25,3-27,9			70,8-73,4			1,0			не более 0,4			не более 0,3
Таблица 2
Химический состав перлита и кварцитового песчаника
Оксиды/компонент		SiO2	Al 2O3		CaO	Fe2O 3		MgO	K2O		Na 2O	FeO		SO3	ппп
Перлит		71,4	12,1		0,52	0,77		0,37	3,21		5,2	0,56		-	5,87
Кварцитовый песчаник		98,46	0,73		0,03	0,28		0,02	0,03		0,03	-		0,013	0,13

Готовят три смеси компонентов, мас.%: безводный силикат натрия - 8-14; перлит - 25-32, кварцитовый песчаник - 54-67 (составы 1-3, табл.3) соответственно. Одновременно готовят два состава для коррозионностойкого бетона с запредельным содержанием безводного силиката натрия, перлита и кварцитового песчаника для подтверждения оптимальности (составы 4 и 5) и два состава с пониженным и повышенным содержанием воды (составы 6 и 7). Кроме того, готовят два известных состава бетона с использованием жидкого стекла, перлита, суперпластификатора С-3 и кварцитового песчаника, мас.%: 7,5-9 (в пересчете на сухой Na₂O); 27,5-36,0; 1,0-1,2 и 55-65 соответственно (составы 8 и 9).

Таблица 3
Составы бетона	№ п/п	Содержание компонентов, масс.%				В/Т отношение
		безводный силикат натрия	жидкое стекло (в пересчете на сухой Na2O)	перлит	кварцитовый песчаник
Предложенные	1	8	-	25	67	0,29
	2	11	-	29	60	0,30
	3	14	-	32	54	0,31
Для оптимальности	4	6	-	43	51	0,32
	5	16	-	15	69	0,29
	6	11	-	29	60	0,26
	7	11	-	29	60	0,34
Известные (прототип)	8	-	7,5	27,5	65	0,33
	9	-	9,0	36	55	0,31

Смеси 1-5 подвергают совместной механоактивации в виброистирателе до удельной поверхности 450 м²/кг в течение 4-5 мин. Композиционное перлитовое вяжущее смешивают с кварцитовым песчаником фракцией 0,3-2,5 мм и при водотвердом отношении, равном 0,28-0,31, формуют образцы-балочки одинаковой подвижности размером 40×40×160 мм. Аналогичным образом готовят образцы из смеси 6,7 с пониженным В/Т-отношением - более жесткая бетонная смесь, и с более высоким В/Т-отношением - более подвижная бетонная смесь. Образцы с безводным силикатом натрия подвергают автоклавированию при Р=0,8 МПа по режиму =1,5+5+1,5 ч. Известные составы готовят следующим образом: смесь молотого перлита и кварцитового песчаника затворяют жидким стеклом до получения образцов с одинаковой с предыдущими подвижностью, образцы автоклавируют по такому же режиму. Исследуемые образцы испытывали на прочность через 1 и 7 суток после тепловлажностной обработки.

В таблице 4 представлены физико-механические характеристики исследуемых бетонов.

Таблица 4
№ составов	Предел прочности при сжатии, МПа
	после 1 суток после ТВО	после 7 суток после ТВО
1	52,4	57,5
2	56,0	61,0
3	58,2	62,0
4	40	44,0
5	49,0	52,0
6	54,0	59,0
7	49,0	52,0
8	53,0	58,0
9	55,0	60,0

Механохимическая активация композиционного перлитового вяжущего интенсифицирует процессы взаимодействия компонентов состава, ускоряет процессы гидратации и твердения вяжущего, что позволяет сократить режим тепловлажностной обработки коррозионностойкого бетона на его основе. Образцы готовят по той же схеме, как и при сравнении составов. Тепловлажностную обработку бетона проводят при давлении 0,8 МПа по трем режимам: 1,5+2+1,5 час, 1,5+3+1,5 час, 1,5+5+1,5 час и испытывают после 1 суток после тепловлажностной обработки. В таблице 5 представлены физико-механические характеристики бетона (составы 1, 2, 3) при пониженных режимах изотермической выдержки.

Таблица 5
№ составов	Предел прочности при сжатии после ТВО при 0,8 МПа
	время изотермич. выдержки 2 час.	время изотермич. выдержки 3 час.	время изотермич. выдержки 5 час.
1	45	51	52,4
2	50	54	56,0
3	52	57	58,2

Анализ полученных результатов (табл.4 и 5) позволяет сделать следующие выводы:

- прочность коррозионностойкого бетона на основе предложенного композиционного перлитового вяжущего с использованием механоактивации лежит в пределах 52-57 МПа после тепловлажностной обработки, что превышает прочность бетона с использованием жидкого стекла на 5-10%;

- повышение прочности связано с повышением растворимости безводного силиката натрия в процессе механоактивации, ускорением химического взаимодействия силиката натрия и перлита в процессе измельчения, что приводит к ускорению твердения и повышению прочности;

- механоактивация композиционного перлитового вяжущего позволяет сократить режим тепловлажностной обработки коррозионностойкого бетона на его основе при сокращении энергетических затрат на процесс его твердения;

- оптимальное водотвердое отношение для получения смеси для коррозионностойкого бетона лежит в пределах 0,28-0,31, при котором получены оптимальные физико-механические свойства и коррозионная стойкость предлагаемого бетона.

Предлагаемую смесь для коррозионностойкого бетона на основе композиционного перлитового вяжущего готовят следующим образом.

Щелочной активизатор твердения перлита - безводный силикат натрия и перлит предварительно дробят, смешивают, а затем подвергают совместной механоактивации в вибромельнице до порошкообразного состояния с S _уд=400-450 м²/кг. Полученное композиционное перлитовое вяжущее смешивают с кварцитовым песчаником фракцией 0,3-2,5 мм. Содержание компонентов в смеси, мас.%: безводный силикат натрия - 8-14; перлит - 25-32; кварцитовый песчаник - 54-67. После тщательного перемешивания формуют образцы с использованием виброформования размером 4×4×16 см. Образцы подвергают автоклавированию при Р=0,8 МПа по режиму 1,5+3+1,5 час.

Примеры, подтверждающие получение смеси для коррозионностойкого бетона на основе композиционного перлитового вяжущего.

Пример 1. Безводный силикат натрия и перлит предварительно смешивают, а затем подвергают совместной механоактивации в вибромельнице до порошкообразного состояния с S_уд=450 м²/кг, добавляют кварцитовый песчаник и тщательно перемешивают. Содержание компонентов в смеси, в мас.%:

1. Безводный силикат натрия - 8;

2. Перлит - 25;

3. Кварцитовый песчаник - 67.

После перемешивания добавляют воду - В/Т отношение 0,29 (В/В отношение 0,88), формуют виброформованием в течение 60-150 сек образцы размером 4×4×16 см. Образцы подвергают автоклавированию при Р=0,8 МПа по режиму 1,5+3+1,5 час.

Предел прочности при сжатии в возрасте 1 суток после тепловлажностной обработки - 52,4 МПа.

Пример 2. Проводят аналогично примеру 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

1. Безводный силикат натрия - 11;

2. Перлит - 29;

3. Кварцитовый песчаник - 60.

В/Т отношение 0,30 (В/В отношение 0,75). Предел прочности при сжатии в возрасте 1 суток после тепловлажностной обработки - 56,0 МПа.

Пример 3. Проводят аналогично примеру 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

1. Безводный силикат натрия - 14;

2. Перлит - 32;

3. Кварцитовый песчаник - 54.

В/Т отношение 0,31 (В/В отношение 0,67). Предел прочности при сжатии в возрасте 1 суток после тепловлажностной обработки - 58,5 МПа.

Пример 4. Проводят аналогично примеру 1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

4. Безводный силикат натрия - 11;

5. Перлит - 29;

6. Кварцитовый песчаник - 60.

В/Т отношение 0,26 (В/В отношение 0,65). Предел прочности при сжатии в возрасте 1 суток после тепловлажностной обработки - 54,0 МПа.

Пример 5. Проводят аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

7. Безводный силикат натрия - 11;

8. Перлит - 29;

9. Кварцитовый песчаник - 60.

В/Т отношение 0,34 (В/В отношение 0,85). Предел прочности при сжатии в возрасте 1 суток после тепловлажностной обработки - 49,0 МПа.

В таблице 6 приведены сравнительные данные по прочности, коррозионной стойкости и долговечности коррозионностойкого бетона, полученного по предлагаемому изобретению, в сравнении с прототипом (См. Капитонов Г.В. Коррозионностойкий бетон на перлитовом вяжущем (технология и свойства). Автореферат кандидатской диссертации. - М.: МИСИ, 1982. - 20 с.).

Таблица 6
Физико-технические свойства	Единица измерения	Бетон с безводным силикатом натрия	Бетон с жидким стеклом
Средняя плотность	кг/м3	1950-2050	1850-1950
Прочность при сжатии после ТВО	МПа	52-57	53-55
Прочность при изгибе	МПа	6,5-7,5	6,4-7,4
Водопоглощение	% по массе	5-7	6-8
Водостойкость	Кразм	0,92-0,94	0,88-0,90
Сульфатостойкость (класс)	-	«А»	«А»
Кислотостойкость: в 30% р-ре H2SO4	%	94,6	92,73
в 96% р-ре H2SO 4	%	95,3	93,72
Стойкость в условиях искусственной карбонизации:
- % прироста прочности при 180 сут карбонизации;	%	1,2	1,3
- изменение прочности при карбонизации Rкарб/Rнач;	-	1,30	1,24
- изменение прочности бетонов после вымывания карбонатных соединений Rвым/R 150 карб	-	1,07	1,03
Морозостойкость	циклы	не менее 100	не менее 100
Атмосферостойкость при эксплуатации от -15°С до +15°С	лет	25-35	20-30

Таким образом, предлагаемая смесь для коррозионностойкого бетона на основе композиционного перлитового вяжущего имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:

- использование безводного силиката натрия как носителя щелочной активизации перлитовых пород, позволяет отказаться от дорогостоящих жидкомодульных стекол и соответственно устранить налипание и схватывание жидкого стекла в процессе смешивания и формования бетонной смеси, а использование щелочной добавки в твердом виде позволяет регулировать количество щелочи в бетоне, не допуская ее избытка;

- эффект увеличения прочности достигается вследствие применения механоактивации, в результате которой происходит разуплотнение безводного силиката натрия, а химическое взаимодействие перлита и силиката натрия в процессе совместного измельчения ускоряет гидратацию и твердение вяжущего и увеличивает прочность;

- совместная механоактивация безводного силиката натрия и перлита позволяет по сравнению с прототипом сократить режим тепловлажностной обработки и снизить энергозатраты на производство бетона;

- коррозионная стойкость и долговечность полученного бетона с использованием безводного силиката натрия выше коррозионной стойкости бетона с использованием жидкого стекла, что объясняется повышенной плотностью разработанного бетона, формование которого осуществляется с использованием вибрации, и отсутствием избытка щелочи, а количество щелочи с учетом ее содержания в перлите лежит в пределах 9-11% (в пересчете на сухой Na ₂O), в то время как в перлитобетоне с жидким стеклом содержание щелочи лежит в пределах 14,5-16% (в пересчете на сухой Na ₂O), и избыток щелочи приводит к увеличению количества несвязанной щелочи при твердении бетона, что снижает коррозионную стойкость и долговечность бетона.

Предлагаемая смесь для коррозионностойкого бетона на основе композиционного перлитового вяжущего с использованием перлитовых пород может быть использована в производстве коррозионностойких материалов и изделий: тротуарная плитка, плитка для пола и др., что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».