комплексный модификатор бетона

Формула изобретения

1. Комплексный модификатор бетона, содержащий дисперсный минеральный компонент, включающий горную породу или ее смесь с золой-уносом и/или с продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, и пластифицирующую добавку, отличающийся тем, что дисперсный минеральный компонент в качестве горной породы включает подвергнутый термической обработке каолин и гипс и модификатор может дополнительно включать гидроксид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Дисперсный минеральный компонент	80-98
Пластифицирующая добавка	2-20
Гидроксид кальция	0-10

которое обеспечивает наличие в модификаторе следующих оксидов при следующем содержании, мас.%:

SiO2	20-66
Al2O 3	4-27
SO3	4-26
CaO	3-22
Н2O	3-12

2. Модификатор по п.1, отличающийся тем, что дисперсный минеральный компонент включает подвергнутый термической обработке каолин и гипс при следующем их содержании, мас.%:

Подвергнутый термической обработке каолин	42-68
Гипс	32-58

3. Модификатор по п.1, отличающийся тем, что дисперсный минеральный компонент включает смесь подвергнутого термической обработке каолина и гипса с золой-уносом при следующем их содержании, мас.%:

Подвергнутый термической обработке каолин	10-83
Гипс	10-83
Зола-унос	5-60

4. Модификатор по п.1, отличающийся тем, что дисперсный минеральный компонент включает смесь подвергнутого термической обработке каолина и гипса с продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, при следующем их содержании, мас.%:

Подвергнутый термической обработке каолин	10-83
Гипс	10-83
Продукты газоочистки печей, выплавляющих
кремнийсодержащие сплавы	5-60

5. Модификатор по п.1, отличающийся тем, что дисперсный минеральный компонент включает смесь подвергнутого термической обработке каолина и гипса с золой-уносом и продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, при следующем их содержании, мас.%:

Подвергнутый термической обработке каолин	10-78
Гипс	10-78
Зола-унос	5-60
Продукты газоочистки печей, выплавляющих
кремнийсодержащие сплавы	5-60

6. Модификатор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит воздухововлекающую добавку в количестве 0,01-1,0% от массы модификатора.

7. Модификатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластифицирующей добавки он содержит соль поликонденсата -нафталинсульфокислоты и формальдегида, и/или соль лигносульфоновой кислоты, и/или поликарбоксилат.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составам многокомпонентных модификаторов бетона полифункционального действия.

Известен модификатор бетона, позволяющий получать высокопрочные бетоны, состоящий из микрокремнезема (77,2-94,0 мас.%), химической добавки (4,7-15,7 мас.%) и воды (остальное) (см. RU 2096372, опубл. 20.11.1997).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является комплексный модификатор бетона, состоящий из дисперсного минерального компонента, который содержит диоксид кремния и представляет собой горную породу и/или продукт газоочистки печей, выплавляющих кристаллический кремний, и/или ферросиликохром, и/или силикокальций и/или сжигающих каменный уголь, или смесь, по крайней мере, одного из вышеуказанных компонентов с продуктом газоочистки печей, выплавляющих ферросилиций, а в качестве химической добавки он содержит пластификаторы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

дисперсный минеральный компонент	51,9-94,1
химическая добавка	4,7-45,5
вода	остальное

(см. RU 2160723, опубл. 20.12.2000).

Недостатком указанного комплексного модификатора является то, что, способствуя получению высокой марочной прочности бетонов при осевом сжатии, он не обеспечивает такого же прироста прочности в раннем возрасте и на растяжение при изгибе, а также компенсацию усадки, или расширение, или самонапряжение бетона.

Техническая задача заключается в разработке такого комплексного модификатора, который обеспечил бы получение высокопрочных бетонов с повышенной ранней прочностью, в том числе на растяжение при изгибе при отсутствии усадочных деформаций или расширении, или самонапряжении при использовании высокоподвижных бетонных смесей на обычном портландцементе.

Это может быть достигнуто при создании условий формирования в цементной системе дополнительных кристаллогидратов сульфоалюминатного типа, что обеспечивается, в свою очередь, оптимизацией соотношения оксидов кремния, алюминия, кальция, серного ангидрида и воды в составе модификатора.

В связи с изложенным техническая задача решается тем, что в комплексном модификаторе бетона, содержащем дисперсный минеральный компонент, включающий горную породу или ее смесь с золой-уноса и/или с продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, и пластифицирующую добавку, дисперсный минеральный компонент в качестве горной породы включает подвергнутый термической обработке каолин и гипс и модификатор может дополнительно включать гидроксид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

дисперсный минеральный компонент	80-98
пластифицирующая добавка	2-20
гидроксид кальция	0-10

которое обеспечивает наличие в модификаторе следующих оксидов при следующем содержании, мас.%:

SiO2	20-66
Al2O 3	4-27
SO3	4-26
CaO	3-22
Н2O	3-12

В первом варианте модификатора дисперсный минеральный компонент включает подвергнутый термической обработке каолин и гипс при следующем их содержании, мас.%:

подвергнутый термической обработке каолин	42-68
гипс	32-58

Во втором варианте дисперсный минеральный компонент включает смесь подвергнутого термической обработке каолина и гипса с золой уноса при следующем их содержании, мас.%:

подвергнутый термической обработке каолин	10-83
гипс	10-83
зола-уноса	5-60

В третьем варианте дисперсный минеральный компонент включает смесь подвергнутого термической обработке каолина и гипса с продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, при следующем их содержании, мас.%:

подвергнутый термической обработке каолин	10-83
гипс	10-83
продукты газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы	5-60

В четвертом варианте дисперсный минеральный компонент включает смесь подвергнутого термической обработке каолина и гипса с золой-уноса и продуктами газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, при следующем их содержании, мас.%:

подвергнутый термической обработке каолин	10-78
гипс	10-78
зола-уноса	5-60
продукты газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы	5-60

Модификатор может также дополнительно содержать воздухововлекающую добавку в количестве 0,01-1,0% от массы модификатора.

Модификатор может также в качестве пластифицирующей добавки содержать соль поликонденсата -нафталинсульфокислоты и формальдегида, и/или соль лигносульфоновой кислоты, и/или поликарбоксилат.

Для приготовления комплексного модификатора выбраны дисперсные материалы, которые в связи с наличием или преобладанием в своих составах SiO₂, Al₂O₃, СаО, SO₃, Н₂ О в сочетании между собой способствуют формированию кристаллогидратов сульфоалюминатного типа.

Характеристики использованных дисперсных материалов приведены в таблице 1.

1. В качестве горной породы использованы природный обогащенный каолин (К) Глуховецкого месторождения (Украина) и тот же каолин, подвергнутый термической обработке при температуре изотермического выдерживания 650...800°С (КТ).

Термическая обработка осуществлялась с целью получения рентгено-аморфных фаз из минералов, присутствующих в составе природного каолина.

2. В качестве продуктов газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы, использовали пылевидный отход производства ферросилиция (ФС) Челябинского электрометаллургического комбината.

3. В качестве продуктов газоочистки печей, сжигающих каменный уголь, использовали золу-уноса (3-У) - пылевидный отход Рефтинской ГРЭС по ГОСТ 25818 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия».

4. В качестве горной породы использовали молотый гипсовый камень (ГК) по ГОСТ 4013 «Камень гипсовый и гипсоангидритовый для производства вяжущих. Технические условия».

Таблица 1 Характеристики дисперсных минеральных компонентов
Наименование компонентов	Обозначение компонентов	Потери при прокаливании (п.п.п.)	Содержание основных оксидов, мас.%:
			SiO 2	Al2O 3	SO3	CaO	Н2O	MgO	Fe2O 3	Na2O	К2O	TiO 2	MnO	Р 2O5	CO 2
Каолин	К	13,50	47,60	34,80	0,02	0,08	1,04	0,4	1,7	0,1	0,06	0,35	-	0,13	-
Каолин, подвергнутый термической обработке	КТ	0,65	54,70	40,00	0,03	0,09	1,20	0,1	2,27	0,2	0,07	0,46		0,23
Отход производства ферросилиция	ФС	4,77	90,40	1,25	0,02	0,41	1,80	0,5	0,2	0,42	0,15	0,01	0,06
Зола-уноса	3-У	2,73	57,00	28,80	0,05	2,34	2,00	1,71	4,28	0,54	0,45	-	0,08	-	-
Гипс	Г	-	-	-	46,50	34,00	19,50	-	-	-	-	-	-	-	-
Известь	И	-	-	-	-	98,20	0,80	-	-	-	-	-	-	-	1,0

5. В качестве вещества, содержащего гидроксид кальция, использовали известь (И) гидратную (гашеную) воздушную по ГОСТ 9179 «Известь строительная. Технические условия».

В дополнение к вышеуказанным дисперсным материалам использовали химические добавки, приведенные ниже.

1. В качестве сульфированного нафталинформальдегидного поликонденсата использовали порошкообразный суперпластификатор марки С-3 согласно ГОСТ 24211 «Добавки для бетонов. Общие технические требования», соответствующий пластифицирующей добавке I группы.

2. В качестве лигносульфоната использовали порошкообразный лигносульфонат технический согласно ГОСТ 24211, соответствующий пластифицирующей добавке II группы.

3. В качестве поликарбоксилата использовали добавку ViscoCrete-105 Pulver, являющуюся сополимером на основе оксиэтилен- и оксипропиленовых соединений и согласно ГОСТ 24211 соответствующую пластифицирующей добавке I группы.

4. В качестве воздухововлекающей добавки использовали смолу нейтрализованную воздухововлекающую - СНВ, соответствующую требованиям ГОСТ 24211.

Из вышеприведенных дисперсных материалов и химических добавок в скоростном смесителе готовили образцы модификаторов, которые представляли собой сыпучие порошкообразные композиции, отличающиеся соотношением компонентов.

В таблице 2 приведены вещественные составы и соотношения основных компонентов приготовленных образцов модификаторов.

Образцы №1 и №2, включающие отходы производства ферросилиция, золу-уноса, каолин и пластификаторы, приготовленные по патенту-прототипу, являлись контрольными, остальные образцы (№№3-27) приготовлены в соответствии с предлагаемым техническим решением.

С использованием образцов модификаторов готовили мелкозернистые бетонные смеси разной подвижности с дозировками модификаторов от 10 до 50% от массы цемента. Составы и характеристики бетонных смесей приведены в таблице 3. Составы модификаторов в образцах бетонной смеси соответствуют составам образцов модификаторов, приведенных в таблице 2 под соответствующими номерами.

В качестве компонентов мелкозернистых бетонных смесей использовали портландцемент М500 ДО, песок кварцевый М_кр=2,5, образцы модификатора с разным соотношением компонентов (табл.2).

Из бетонных смесей приготовлены:

- образцы-кубы размерами 70,7×70,7×70,7 мм для определения предела прочности при осевом сжатии;

- образцы-призмы размерами 70×70×280 мм для определения предела прочности на растяжение при изгибе;

образцы-призмы размерами 40×40×160 мм для определения деформаций расширения;

- образцы-призмы размерами 31,5×31,5×95 мм в динамометрических кольцах для определения величины самонапряжения.

Подвижность бетонных смесей оценивали по осадке конуса по ГОСТ 10181.1.

Величины пределов прочности на сжатие и изгиб определяли по ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

Показатели линейного расширения и самонапряжения определяли по ТУ 5743-157-46854090-2003 «Цемент напрягающий. Технические условия».

Испытания на прочность проводили в возрасте 1 и 28 суток нормального твердения бетонов (t=20±2°C, W=98%), а величины деформаций расширения и самонапряжения измеряли в течение 28 суток при выдерживании образцов в воде.

Таблица 2 Вещественный и химический состав модификаторов
№композиции	Ингредиенты дисперсного минерального компонента (ДМК), мас.%					Вещественный состав, мас.%							Соотношения оксидов, мас.%
						И	ДМК	химическая добавка					SiO 2	Al2 O3	SO 3	CaO	Н2O
								ингредиенты
	КТ	ФС	К	Г	З-У			ЛСТ	С-3	VC-105P	СНВ	Всего
Образцы по прототипу
1	-	50	-	-	50	-	90	2	8	-	-	10	66,33	13,52	0,03	1,24	1,71
2	-	44	12	-	44	-	90	2	8	-	-	10	63,72	15,5	0,03	1,11	1,62
Образцы по предлагаемому решению
3	67	-	-	22	11	-	90	-	-	10	-	10	38,52	26,88	9,03	7,08	4,82
4	63	-	-	37	-	6	86	4	10	-	-	14	27,35	20,00	13,97	16,14	6,49
5	44	-	-	44	12	-	90	2	8	-	-	10	27,58	18,88	18,62	13,87	8,48
6	44	-	-	44	12	-	90	2	6	2	-	10	27,58	18,88	18,62	13,87	8,48
7	44	-	-	44	12	-	90	2	6	1,7	0,3	10	27,58	18,88	18,62	13,87	8,48
8	44	-	-	44	12	-	90	-	7	3	-	10	27,58	18,88	18,62	13,87	8,48
9	44	-	-	44	12	-	90	7	-	3	-	10	27,58	18,88	18,62	13,87	8,48
10	44	-	-	44	12	-	90	10	-	-	-	10	27,58	18,88	18,62	13,87	8,48
11	44	-	-	44	12	-	90	-	10	-	-	10	27,58	18,88	18,62	13,87	8,48
12	44	-	-	44	12	-	90	-	-	10	-	10	27,58	18,88	18,62	13,87	8,48
13	42	-	-	58	-	-	94	-	-	6	-	6	21,33	15,60	25,58	18,74	11,20
14	53	-	-	47	-	10	80	-	20	-	-	20	20,23	14,80	15,35	21,07	6,96
15	35	11	-	43	11	1	94	4	2	-	-	6	32,79	16,21	18,62	14,89	8,58
16	25	25	-	25	25	2	90	-	10	-	-	10	44,46	15,41	10,25	10,07	5,40
17	25	25	-	25	25	2	90	2	8	-	-	10	44,46	15,41	10,25	10,07	5,40
18	22	56	-	22	-	1	91	3	6	-	-	9	56,14	8,63	9,32	8,01	5,05
19	22	-	-	22	56	-	90	-	10	-	-	10	39,44	22,40	9,33	7,99	5,14
20	26	35	-	26	13	2	80	-	20	-	-	20	41,95	11,23	9,32	9,13	4,86
21	17	33	-	17	33	-	90	2	8	-	-	10	52,43	15,02	7,00	5,94	4,25
22	11	11	-	11	67	8	98	2	-	-	-	2	48,71	21,41	4,69	12,71	9,75
23	11	11	-	11	67	8	98	1,98	-	-	0,02	2	48,71	21,41	4,69	12,71	9,75
24	11	11	-	11	67	8	98	-	2	-	-	2	48,71	21,41	4,69	12,71	9,75
25	11	11	-	11	67	8	98	-	-	2	-	2	48,71	21,41	4,69	12,71	9,75
26	12,5	75	-	12,5	-	-	80	-	20	-	-	20	59,71	4,75	4,67	3,66	3,27
27	11	67	-	11	11	1	91	6	3	-	-	9	65,41	7,63	4,67	4,87	3,47

В табл.3 приведены результаты испытаний бетонов, приготовленных с использованием модификаторов разных составов. Из полученных результатов следует, что образцы №№3-27, приготовленные с применением предлагаемых поликомпонентных модификаторов, отличаются от контрольных (приготовленных по прототипу) рядом существенных преимуществ:

- повышенной на 12-44% ранней (в возрасте 1 сут) прочностью при сжатии;

- повышенной на 26-43% ранней (в возрасте 1 сут) прочностью на растяжение при изгибе;

- повышенной прочностью при сжатии (на 13-44%) и растяжении при изгибе (на 12-38%) в возрасте 28 сут;

- линейным расширением в пределах 0,05-0,13% и самонапряжением в пределах 1,0-2,1 МПа в возрасте 28 сут.

Все указанные преимущества проявили образцы, приготовленные из смесей подвижностью, аналогичной контрольным.

Полученные эффекты являются следствием оптимизации соотношения между содержащимися в дисперсных компонентах модификатора основными оксидами (SiO₂, Al₂O₃, SO ₃, СаО, Н₂О), которые способствуют формированию гидросульфоалюминатов кальция (эттрингита), приводящих не только к повышению прочности, но и к расширению цементной системы. При этом повышенная подвижность смесей обеспечивается за счет оптимизации соотношения между дисперсным минеральным компонентом и химическими добавками.

Таким образом, поставленная техническая задача решается многокомпонентной композицией - комплексным модификатором, в составе которого присутствуют выбранные ингредиенты в оптимальных соотношениях.