Патент на изобретение №2345969

(54) БЕТОННАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ БЕТОННОЙ СМЕСИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к составам бетонных смесей, применяемых для изготовления элементов мощения тротуаров, пешеходных и садово-парковых дорожек, пешеходных площадей и посадочных площадок общественного транспорта и способам изготовления указанных элементов. Технический результат – улучшение физико-механических характеристик бетона, предназначенного для изготовления элементов мощения, снижение энергетических и материальных затрат и расширение сырьевой базы их производства. Бетонная смесь включает, мас.%: 20-30 – вяжущее низкой водопотребности, полученное путем совместного помола портландцемента 96-98 и пластификатора С-3 2-4, 60-67 – мелкий заполнитель – механическую смесь фракции 0,16-5 мм песка природного обогащенного с М_кр 2,0-2,5 и песка из отсевов дробления гранита с М_кр 3,6 в соотношении 1:0,25-0,67, 3-7 – модификатор в виде зольных микросфер, 6-7 – вода. Способ изготовления изделий из указанной бетонной смеси включает приготовление бетонной смеси, ее укладку в пресс-форму, уплотнение при давлении 40-60 МПа приложением одно- или двукратного силового воздействия на пуансон пресс-формы, немедленную выпрессовку отформованных изделий и их выдержку в воздушно-влажной атмосфере. Изобретение развито в зависимых пунктах. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 табл.

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к составам бетонных смесей, применяемых для изготовления элементов мощения тротуаров, пешеходных и садово-парковых дорожек, пешеходных площадей и посадочных площадок общественного транспорта и способам изготовления указанных элементов.

Известны бетонные смеси для изготовления элементов мощения и облицовочных изделий, включающие вяжущее вещество, заполнитель – щебень и (или) песок, пластификатор и различные минеральные и органические (полимерные) добавки – модификаторы свойств.

В качестве вяжущегося вещества используются портландцемент (RU 2131856, С04В 28/04, 20.06.1999; RU 2272860, C04B 28/04, 27.03.2006); продукт совместного помола портландцемента с пластификатором (RU 21186236, C04B 28/04, 10.09.1998); смесь совместного помола портландцемента, пластификатора и кремнеземистых добавок (RU 2147017, C04B 28/00, 27.03.2000).

Однако изделия из предлагаемых бетонных смесей либо имеют недостаточную механическую прочность на сжатие и (или) растяжение при изгибе, морозостойкость и коррозионную стойкость, либо сравнительно высокую истираемость, а состав бетонной смеси по RU 2118623 отличается повышенным содержанием цемента (до 50 мас.%), что увеличивает себестоимость изделий.

Однако физико-механические характеристики элементов мощения, полученные из этих бетонных смесей, остаются недостаточно высокими, вследствие чего тротуарные и дорожные покрытия оказываются сравнительно недолговечными.

Известен способ повышения механической прочности бетона, предназначенного для изготовления забивных свай и фундаментов машин, основанный на замене части жестких заполнителей (щебня, песка), дисперсным материалом пониженной жесткости – с модулем упругости (1-8)·10³

По мнению авторов положительный эффект от введения демпфирующей добавки должен быть особенно значительным тогда, когда бетонная смесь предназначена для изготовления элементов мощения, которые при эксплуатации подвергаются многократно повторяющимся механическим и термомеханическим нагрузкам. Поэтому поиск новых видов демпфирующих добавок является актуальным.

².

Наиболее близкой по составу и технической сущности к заявляемому изобретению является бетонная смесь для изготовления декоративно-отделочных плит, включающая вяжущее низкой водопотребности (8-21 мас.%),заполнитель (72-83 мас.%), модификатор (0,2-1,6 мас.%) и воду, причем вяжущее низкой водопотребности состоит из портландцемента (50-67,5 мас.%), минеральной добавки (25-37,5 мас.%), пигмента (5-7,5 мас.%) и пластификатора (2,5-5 мас.%), в качестве пластификатора используют смесь натриевых и триэтаноламиновых солей сульфированного продукта конденсации отходов производства фенола, в качестве заполнителя используют механическую смесь тонкомолотого кварцевого песка и мелкого заполнителя из строительного песка в соотношении 1:(0,5-2), причем мелкий заполнитель состоит из трех фракций при следующем их соотношении, мас.%: 0-0,5 мм 15-30, 0,5-1 мм 25-35, 1,0-1,5 мм 45-50, а в качестве модификатора используют вспененный полистирол с содержанием основной фракции 0,4-1,6 мм не менее 92% (RU 2097352, С04В 28/04, 27.11.1997).

Однако предложенный состав бетонной смеси не позволяет получать изделия с повышенной механической прочностью и морозостойкостью и с пониженной истираемостью.

Однако коэффициент уплотнения бетонной смеси при использовании известного способа полусухого прессования является недостаточным для получения изделий с высокими физико-механическими характеристиками.

Задачей изобретения является повышение механической прочности на сжатие, механической прочности на растяжение при изгибе и морозостойкости и снижение истираемости бетонных изделий – элементов мощения, упрощение технологии, расширение сырьевой базы и снижение энергетических и материальных затрат при производстве элементов мощения.

Сущность изобретения состоит в том, что бетонная смесь, включающая вяжущее низкой водопотребности, полученное путем совместного помола портландцемента и пластификатора, фракционированный мелкий заполнитель, модификатор и воду, содержит в составе указанного вяжущего в качестве пластификатора суперпластификатор С-3 при следующем соотношении, мас.%: портландцемент 96-98, С-3 2-4, в качестве фракционированного мелкого заполнителя – механическую смесь фракции 0,16 -5 мм песка природного обогащенного с М_кр 2,0-2,5 и песка из отсевов дробления гранита с М_кр 3,6 в соотношении 1:0,25-0,67, в качестве модификатора – демпфирующую добавку в виде зольных микросфер при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом фракционированный мелкий заполнитель содержит, мас.%:

Сущность изобретения заключается также в том, что способ изготовления изделий из предлагаемой бетонной смеси включает приготовление бетонной смеси, ее укладку в пресс-форму, уплотнение при давлении 40-60 МПа приложением одно- или двукратного силового воздействия на пуансон пресс-формы, немедленную выпрессовку отформованных изделий и их выдержку в воздушно-влажной атмосфере, при этом бетонная смесь содержит фракционированный мелкий заполнитель следующего состава, мас.%:

Известно применение зольных микросфер в технологии конструкционно-теплоизоляционных бетонов, легких бетонов и пенобетонов с целью снижения их плотности и теплопроводности (RU 2154619, С04В 38/08, 20.08.2000; RU 2186749, С04В 38/10, 10.08.2002; RU 2277076, С04В 38/08, 27.05.2006; RU 93052682, С04В 38/10, 10.04.1996).

Однако сведений об использовании зольных микросфер как демпфирующей добавки в составах тяжелых мелкозернистых бетонов, применяемых, в частности, для изготовления элементов мощения, не имеется.

Анализ научных публикаций и собственных исследований позволил авторам предлагаемого изобретения сделать вывод о том, что по простоте технологии, содержанию требований к составу и качеству сырьевых материалов и уровню капитальных затрат на организацию производства метод полусухого прессования элементов мощения является наиболее прогрессивным.

Однако бетонные изделия, полученные полусухим прессованием (Кафтаева М.В. Регулирование свойств мелкозернистых бетонов с пониженным содержанием воды: Дис. … канд. техн. наук. – Белгород, 2000), не отличаются высокими физико-химическими характеристиками (класс бетона по прочности на сжатие – В30, класс бетона по прочности на растяжение при изгибе – B_tb3,2, водопоглощение без поверхностной гидрофобизации – 5,6%, морозостойкость – до 200 циклов, истираемость – до 0,7 г/см²).

В то же время технологические параметры, используемые при реализации существующего метода полусухого прессования, а именно – влажность бетонной смеси 10-12% и давление прессования 10-20 МПа – являются предельно допустимыми. Так увеличение давления прессования невозможно из-за появления в заготовках поперечных трещин расслаивания, в то же время повышение пластических свойств пресс-порошка путем увеличения водосодержания не представляется возможным, так как водоудерживающая способность смеси цементного клинкера с минеральным заполнителем в этом случае недостаточно высока. В результате повышение давления прессования приводит к неравномерному «отжатию» воды из заготовки и снижению механической прочности изделия. Таким образом, задача по разработке новых путей совершенствования метода полусухого прессования бетонных изделий с целью повышения их физико-механических характеристик остается актуальной.

Характеристика исходных материалов

В качестве вяжущих для приготовления бетонных смесей применяли портландцемент ПЦ 500-ДО-Н цементного завода «Пролетарий» ОАО «Новоросцемент», а также вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), полученное совместным помолом указанного портландцемента и пластификатора, в качестве которого был использована натриевая соль продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом – суперпластификатор С-3 (Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: Изд-во АСВ, 2007), в количестве 2-4 мас.% в шаровой мельнице МБЛ-1 в течение 1 часа.

Определение свойств вяжущих производили по методикам ГОСТ 310.1-76 «Цементы. Методы испытаний. Общие положения», ГОСТ 310.2-76 «Цементы. Методы определения тонкости помола», ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема», ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения пределов прочности при изгибе и сжатии».

Результаты испытаний вяжущих приведены в таблице 1.

В качестве заполнителей были использованы: песок природный обогащенный (5,0-0,16 мм) средний ОАО «Мостовской дробильно-сортировочный завод»; песок из отсевов дробления гранита очень крупный фракционированный (5,0-0,16 мм) ОАО «Павловскгранит»; механические смеси указанных песков, взятых в соотношении песок природный : песок из отсевов дробления гранита 1:(0,25-0,67).

Основные физические свойства заполнителей определялись по методикам ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний» и приведены в таблице 2.

По своим свойствам песок природный ОАО «Мостовской дробильно-сортировочный завод» и песок из отсевов дробления гранита ОАО «Павловскгранит» удовлетворяют требованиям ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия», изложенным в пп.4.4.1, 4.4.3, 4.4.7, 4.4.8 и в разделах 5, 6, которые являются обязательными.

В качестве модификатора – демпфирующего компонента, регулирующего формовочные свойства бетонных смесей и прочностные характеристики бетонных изделий – были использованы зольные микросферы – сыпучий материал, состоящий из полых стекловидных частиц сферической формы, выделяемый безреагентной флотацией из золошлаковых смесей на ТЭС и ГРЭС. Определение физических свойств зольных микросфер производили по методикам ГОСТ 9758-87 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний». Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Примеры реализации изобретения

1. Изготовление бетонных смесей и бетонных изделий

Вяжущее низкой водопотребности (ВНВ) получали путем совместного помола портландцемента с добавлением суперпластификатора С-3 (2-4 мас.%). Затем отдозированные сухие компоненты загружали в смесительные бегуны ЛБ-12 и перемешивали в течение 1 мин, затем в смесь путем орошения вводили воду затворения (5-7 мас.%), и перемешивание продолжалось еще в течение 4 мин. Образцы бетона в виде цилиндров диаметром 70 и высотой 70 мм изготавливали методом прессования в металлической пресс-форме на гидравлическом прессе 2ПГ-125. Приготовленный на смесительных бегунах отдозированный пресс-порошок загружали в пресс-форму, после этого к пуансону прикладывали одно- или двукратное усилие, соответствующее давлению 20-60 МПа, в течение 1-3 с, затем образцы немедленно выпрессовывали и складировали. Твердение образцов проходило в нормальных условиях при влажности 90-95% в течение 28 сут.

2. Определение свойств бетонных изделий

Испытания образцов производили в соответствии с рекомендациями ГОСТ 17608-91 «Плиты бетонные тротуарные. Технические условия» и по методикам следующих нормативных документов: ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» – при определении прочности на сжатие и растяжение при изгибе; ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Методы определения водопоглощения» – при определении водопоглощения; ГОСТ 10060.2-95 «Бетоны. Ускоренные методы определения морозостойкости при попеременном замораживании и оттаивании» – при определении морозостойкости; ГОСТ 13087-81 «Методы определения истираемости» – при определении истираемости.

3. Результаты испытаний

3.1.Составы бетонной смеси, являющейся предметом изобретения, и свойства бетона через 28 сут после твердения в нормальных условиях представлены в таблице 4.

Как видно из таблицы, введение в состав смеси зольных микросфер в количества 3-7 мас.% значительно повышает прочность бетона на сжатие в сравнении с прототипом и в сравнении с известными бетонными смесями, применяемыми для изготовления элементов мощения. Роль демпфирующей добавки особенно сказывается на увеличении морозостойкости (не менее чем на две марки по ГОСТ 10060. 2-95) и прочности бетона на растяжение при изгибе (в сравнении с известными бетонными смесями для изготовления элементов мощения). При увеличении содержания зольных микросфер до 10 мас.% или уменьшении содержания ВНВ менее 20 мас.% прочность бетона при сжатии уменьшается с одновременным возрастанием открытой пористости, о чем свидетельствует увеличение водопоглощения бетона. Повышение содержания ВНВ более 30 мас.% нецелесообразно по экономическим показателям, тем более, что возрастание прочности не так значительно, как в диапазоне значений 15-30 мас.%.

Введение в состав заполнителя песка из отсевов дробления гранита приводит к значительному уменьшению истираемости бетона – от значений 0,40-0,60 г/см², характерных для обычного мелкозернистого бетонана природных песках, до 0,22-0,35 г/см² при использовании фракционированного заполнителя, включающего песок из отсевов дробления гранита. Это, по нашему мнению, связано с повышением марки по прочности породы, используемой для изготовления песка. Так, марка по прочности щебня, производимого из песчано-гравийной смеси месторождения «Мостовское», составляет 1000, в то время как марка по прочности гранитного щебня ОАО «Павловскгранит» равняется 1400. Кроме того, при введении песка из отсевов дробления происходит увеличение в заполнителе доли угловатых и пластинчатых частиц, что также повышает износостойкость бетона.

Как известно, основным условием применения песка как заполнителя в составе мелкозернистого бетона является подбор его зернового состава в соответствии с требованиями ГОСТ 26633-91 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия». Составы заполнителя, используемых в заявляемом изобретении, содержат обогащенный природный песок и песок из отсевов дробления гранита в соотношении, равном 1:(0,25-0,67). В этой области составов крупная (5,0-2,5 мм), средняя (2,5-0,63 мм) и мелкая (0,63-0,16 мм) фракции содержатся в заполнителе в следующих количественных соотношениях, мас.%:

При других соотношениях природного песка и песка из отсевов дробления гранита (менее 1:0,25 и более 1:0,67) в составе заполнителя зерновой состав заполнителя значительно выходит за пределы, рекомендованные ГОСТ 26633-91 для мелкозернистых бетонов (п.1.6.12).

Влияние технологических факторов на свойства бетонной смеси и затвердевшего бетона представлены в таблице 5.

Таблица 5
Составы бетонной смеси, ее свойства и свойства затвердевшего бетона
№ п/п	Состав бетонной смеси*	Давление прессования, МПа	св, кг/м3	Ку**	m, кг/м3	R, МПа	Rtf, МПа
1	25 ВНВ без ЗМ	20	2300	0,92	2270	46,7	4,91
2	25 ВНВ без ЗМ	40	2420	0,97	2380	60,3	6,65
3	25 ВНВ + 5 ЗМ	20	2280	0,96	2250	48,8	7,40
4	25 ВНВ + 5 ЗМ	40	2325	0,98	2290	58,6	7,96
5	25 ВНВ + 5 ЗМ	60	2370	0,99	2340	62,3	7,60
6	25 ВНВ + 7 ЗМ	40	2310	0,99	2280	60,0	8,19
7	25 ВНВ + 10 ЗМ	40	2210	0,98	2180	51,6	8,75
8	25 Ц без ЗМ (прототип)	20	2240	0,89	2210	41,7	4,30
9	25 ВНВ без ЗМ	Вибро., 0,1***	2390	0,95	2350	54,8	5,41
10	25 ВНВ + 5 ЗМ	Вибро., 0,1	2310	0,97	2280	51,7	6,94
* – количество цемента (Ц), вяжущего низкой водопотребности (ВНВ) и зольных микросфер (ЗМ), указано в мас.%;
** – коэффициент уплотнения бетонной смеси;
*** – образцы изготовлены вибропрессованием при давлении 0,1 МПа.

При использовании известного метода полусухого прессования элементы мощения, изготовленные из цементно-песчаной смеси при давлении 20 МПа, имеют худшие показатели качества, чем при использовании методов вибропрессования (примеры 9, 10). Однако использование в составе смеси ВНВ значительно повышает коэффициент уплотнения и физико-механические характеристики бетона. Дальнейшее увеличение давления прессования до 40-60 МПа при одновременном введении в состав бетонной смеси зольных микросфер еще больше повышает коэффициент уплотнения бетонной смеси и, как следствие, показатели качества бетона, особенно механическую прочность на растяжение при изгибе. Увеличение давления более 60 МПа нецелесообразно, так как прочность при сжатии увеличивается незначительно, а прочность на растяжение даже уменьшается. Как показали наши исследования, это происходит из-за частичного разрушения микросфер.

Роль зольных микросфер как нового активного компонента полусухих бетонных смесей заключается в их способности удерживать в необходимом количестве воду затворения во время приложения давления, обеспечивая ее равномерное распределение по объему отформованного изделия и сохраняя ее на период гидратации цемента и твердения бетона, препятствуя ее быстрому испарению. Кроме того, зольные микросферы как дисперсный компонент с пониженной жесткостью способствуют выравниванию локальных напряжений по объему прессуемого изделия и тем самым предотвращают образование в нем технологических трещин после снятия давления.

Таким образом, введение в состав бетонной смеси зольных микросфер в технологии полусухого прессования принципиально изменяет формовочные свойства смеси и дает возможность перейти к повышенным давлениям прессования и, как следствие, увеличить коэффициент уплотнения смеси. Это в свою очередь положительно сказывается на физико-механических характеристиках затвердевшего бетона.

Предлагаемые состав бетонной смеси и способ изготовления из нее бетонных изделий и, в частности, элементов мощения позволяют, с одной стороны, увеличить механическую прочность на сжатие и на растяжение при изгибе и морозостойкость, а с другой стороны – уменьшить истираемость бетона и тем самым повысить долговечность сборных тротуарных и дорожных покрытий.

Прочность свежеотформованных изделий, изготовленных предлагаемым способом, достигает 0,8 МПа, что позволяет предприятию-изготовителю отказаться от приобретения и поддержания в рабочем состоянии большого количества пластиковых или металлических форм, в которых обычно выдерживают изделия, полученные известными способами, до набора распалубочной прочности и технологических поддонов, предназначенных для транспортировки изделий к местам складирования. Все это значительно снижает производственные затраты и повышает экономическую эффективность производства бетонных изделий – элементов мощения дорожных и тротуарных покрытий.

Формула изобретения

1. Бетонная смесь, включающая вяжущее низкой водопотребности, полученное путем совместного помола портландцемента и пластификатора, фракционированный мелкий заполнитель, модификатор и воду, отличающаяся тем, что указанное вяжущее содержит в качестве пластификатора С-3 при следующем соотношении, мас.%: портландцемент 96-98, С-3 2-4, в качестве фракционированного мелкого заполнителя механическую смесь фракции 0,16-5 мм песка природного обогащенного с М_кр 2,0-2,5 и песка из отсевов дробления гранита с М_кр 3,6 в соотношении 1:0,25-0,67, в качестве модификатора демпфирующую добавку в виде зольных микросфер при следующем соотношении компонентов, мас.%:

2. Бетонная смесь по п.1, отличающаяся тем, что фракционированный мелкий заполнитель содержит, мас.%:

3. Способ изготовления изделий из бетонной смеси по п.1, включающий приготовление бетонной смеси, ее укладку в прессформу, уплотнение при давлении 40-60 МПа приложением одно- или двукратного силового воздействия на пуансон прессформы, немедленную выпрессовку отформованных изделий и их выдержку в воздушно-влажной атмосфере.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что фракционированный мелкий заполнитель содержит, мас.%: