Особливошвидкотверднучий безпропарювальний бетон
Номер патенту: 99426
Опубліковано: 10.08.2012
Автори: Плугін Дмитро Артурович, Плугін Олексій Андрійович, Плугін Андрій Аркадійович, Калінін Олег Анатолійович, Плугін Аркадій Миколайович, Мирошниченко Сергій Валерійович, Романенко Олександр Валерійович
Формула / Реферат
Особливошвидкотверднучий безпропарювальний бетон, який складається з щебеню, піску, цементу, води, добавки-суперпластифікатора С-3 (або її аналога) і добавки-електроліту, який відрізняється тим, що як добавка-електроліт використовується хлористий кальцій СаСl2, вміст добавок С-3 (або її аналога) і СаСl2, щебеню, піску, цементу і води приймають оптимальними, відповідно, ,
,
і
, (С-3)ОПТ і (СаСl2)ОПТ, при цьому оптимальна кількість добавки С-3 (або її аналога) визначається по кривій залежності умовної в'язкості віброваної цементно-водної суміші з
від вмісту добавки, що змінюється в межах від 0 % до 1,0 % через 0,1 %, оптимальні витрати щебеню, піску, цементу і води визначаються по формулах:
, (1)
, (2)
, (3)
де: - величина оптимального коефіцієнта розсунення зерен щебеню:
, (4)
- величина оптимального коефіцієнта розсунення зерен піску:
, (5)
, (6)
Пусщ, Пусп - пустотність щебеню і піску в насипному стані;
,
- насипна щільність щебеню і піску;
,
,
- істинна щільність щебеню, піску і цементу;
,
- середні розміри фракцій щебеню і піску, що визначаються по максимальній щільності розподілу розмірів зерен;
- середній розмір найбільшої фракції цементу,
та оптимальну кількість добавки СаСl2 визначають по максимальній міцності бетонних зразків з оптимальними витратами ,
,
і
, (С-3)ОПТ через 12 годин витримки при температурі 30 °С, при виготовленні бетонної суміші добавку СаСl2 вводять останньою в кінці перемішування, контролюють легкоукладаність бетонної суміші за показниками осідання конуса ОК≤2 см і вібророзтічності ВР≤120 с, і після формування витримують бетон у формі в камері пропарювання без подачі пари при температурі не менше 30 °С, або влітку при такій же температурі на відкритому майданчику протягом 12-18 год.
Текст
Реферат: Винахід належить до конструктивних бетонів, зокрема особливошвидкотверднучих, і може бути найефективніше використаний при виробництві залізобетонних шпал. Особливошвидкотверднучий безпропарювальний бетон складається з щебеню, піску, цементу, води, добавки-суперпластифікатора С-3 (або її аналога) і добавки-електроліту, та як добавка-електроліт використовується хлористий кальцій СаСl2, вміст добавок С-3 (або її аналога) і СаСl2, щебеню, піску, цементу і води приймають оптимальними, відповідно, ЩОПТ, ПОПТ, ЦОПТ і ВОПТ, (С-3)ОПТ і (СаСl2)ОПТ, при цьому оптимальна кількість добавки С-3 (або її аналога) визначається по кривій залежності умовної в'язкості віброваної цементно-водної суміші з В/Ц=0,23 від вмісту добавки, що змінюється в межах від 0 % до 1,0 % через 0,1 %, оптимальні витрати щебеню, піску, цементу і води визначаються по формулах. Оптимальну кількість добавки CaCl2 визначають по максимальній міцності бетонних зразків з оптимальними витратами ЩОПТ, ПОПТ, ЦОПТ і ВОПТ, (С-3)ОПТ через 12 годин витримки при температурі 30 °С, при виготовленні бетонної суміші добавку СаСl2 вводять останньою в кінці перемішування, контролюють легкоукладаність бетонної суміші за показниками осідання конуса ОК≤2 см і вібророзтічності ВР≤120 с, і після формування витримують бетон у формі в камері пропарювання без подачі пари при температурі не менше 30 °С, або влітку при такій же температурі на відкритому майданчику протягом 12-18 год. UA 99426 C2 (12) UA 99426 C2 Задачею винаходу є створення особливошвидкотверднучого бетону з міцністю через 12 годин безпропарювального твердіння вище 32 МПа, придатного для переднапружених залізобетонних шпал, при мінімально необхідній (оптимальній) витраті добавкисуперпластифікатора С-3. UA 99426 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до конструктивних бетонів, зокрема особливошвидкотверднучих, і може бути найефективніше використаний при виробництві залізобетонних шпал, інших несучих залізобетонних конструкцій масового виготовлення, монолітних конструкцій експлуатованих мостів і тунелів при їх ремонті і реконструкції, дорожніх і аеродромних конструкцій, для аварійно-ремонтних робіт. Виготовлення залізобетонних шпал належить до масового виробництва з великою витратою пари, а значить газу, вартість якого останніми роками різко зросла і займає в енергетичному балансі країн велику частку. Передбачається укладання на величезному протязі високошвидкісних магістралей, в т. ч. по дорогах України, на залізобетонних шпалах або інших підрейкових основах. Значне скорочення витрати пари і газу при виробництві залізобетонних шпал і інших виробів масового виготовлення сприятиме вирішенню проблеми енергозбереження. Важливим також в реконструкції і ремонтних роботах на транспорті є скорочення часу твердіння бетону в конструкціях, що дозволить скоротити перерви в русі транспорту. Таким чином, задачею винаходу є розробка особливошвидкотверднучого бетону високої надійності і довговічності для несучих бетонних і залізобетонних конструкцій. Відомий швидкотверднучий бетон, що має відносно високу міцність у ранньому віці (1-3 діб) при твердінні в нормальних умовах, в якому відносно висока міцність в ранньому віці досягається за рахунок застосування цементу марки 500, домеленого, з 3 % гіпсу, жорсткої бетонної суміші з В/Ц=0,35, добавки хлористого кальцію в кількості 2 % маси цементу і віброперемішування, при визначенні складу швидкотверднучого бетону водоцементне відношення встановлюють по заданій міцності бетону в ранньому віці з урахуванням вибраного способу прискорення твердіння, і проводять подальший розрахунок складу бетону по звичайній методиці. При цьому отримують бетон міцністю при стисненні в першу добу 20-30 МПа, а в другу - 30-40 МПа. Недоліком такого бетону є його недостатня міцність у віці 12-16 годин для виготовлення переднапружених залізобетонних шпал - нижче необхідної передавальної міцності (32 МПа), а також значні енерго- і тимчасові витрати, пов'язані з додатковим домелом цементу з гіпсом і хлористим кальцієм в млині. Відомий швидкотверднучий високоміцний бетон, до складу якого входить змішане механоактивоване в'яжуче на портландцементі з дисперсним наповнювачем і суперпластифікатором С-3, що містить, окрім суперпластифікатора, целюлозне мікроволокно ARBOCEL і гідрофобізуючий інгредієнт - соапсток. Недоліком такого бетону є значні енерговитрати на домел цементу з модифікуючою 2 2 добавкою із збільшенням питомої поверхні із звичайної 300 м /кг до ~550 м /кг, а також недостатньо висока рання міцність, потрібна при передачі натягнення арматури на бетон (32 МПа через 12-18 годин). Міцність, близька до цієї (34 МПа) досягається лише у віці 3 діб). Відомий модифікований бетон нового покоління, що має високу ранню міцність при твердінні в нормальних умовах (25-40 МПа в 1 доб.) і високу рухливість (ОК=22-24 см), в якому використовується органо-мінеральний модифікатор бетону серії МБ, мінеральна частина якого складається з мікрокремнезему або його суміші з кислою золою-уносом, а органічна частина представлена суперпластифікатором або його сумішшю з регулятором твердіння і іншими добавками. Недоліком такого бетону нового покоління також є недостатньо висока рання міцність (25-40 МПа в 1 добу), яка не дозволить отримати бетон з нормованою передавальною міцністю для залізобетонних шпал 32 МПа. Крім того, висока рухомість бетонної суміші такого бетону непридатна для формування шпал і витягання пустотоутворювачів при формуванні отворів під болт. Найбільш близьким по технічній суті є безпропарювальний бетон з високою міцністю у віці 12 год., що складається з щебеню, піску, цементу, води, добавки-суперпластифікатора С-3, добавки-електроліту, в якому цемент вибирається по показнику сумісності, добавкасуперпластифікатор С-3 застосовується в кількості 0,5-1 %, як добавка-електроліт застосовують натрієву сіль тіосірчаної кислоти (ТФ), при цьому оптимальна кількість добавок визначається експериментально. Міцність такого бетону через 12 годин твердіння в нормальних умовах складає 35-40 МПа, що відповідає необхідній передавальній міцності бетону для переднапружених залізобетонних шпал [Серенко А.Ф. Беспропарочная технология бетона с учетом аномальных свойств пластифицированных цементных систем Спец. 05.23.05 Строительные материалы и изделия: Дисс… докт. техн. наук: 02.23.05. - Санкт-Петербург, 2009.-328 с.]. Недоліком такого бетону по прототипу є зайва витрата добавки-суперпластифікатора С-3 ізза неврахування вмісту трикальцієвого алюмінату в цементі, що збільшує вартість бетону, а 1 UA 99426 C2 5 10 15 також звуження числа цементів, що вибирються по показнику сумісності, придатних для отримання безпропарювального бетону необхідної відпускної міцності для переднапружених залізобетонних шпал. У основу винаходу поставлено задачу створення особливошвидкотверднучого бетону з міцністю через 12 годин безпропарювального твердіння вище 32 МПа, придатного для переднапружених залізобетонних шпал, при мінімально необхідній (оптимальній) витраті добавки-суперпластифікатора С-3. Поставлена задача вирішується таким чином, що в складі особливошвидкотверднучого безпропарювального бетону, який складається з щебеню, піску, цементу, води, добавкисуперпластифікатора С-3 (або її аналога) і добавки-електроліту, який відрізняється тим, що як добавка-електроліт використовується хлористий кальцій СаСl2, вміст добавок С-3 (або її аналога) і СаСl2, щебеню, піску, цементу і води приймають оптимальними, відповідно, Щ ОПТ, ПОПТ, ЦОПТ і BОПТ, (С-3)ОПТ і (СаСl2)ОПТ, при цьому оптимальна кількість добавки С-3 (або її аналога) визначається по кривій залежності умовної в'язкості віброваної цементно-водної суміші з В/Ц=0,23 від вмісту добавки, що змінюється в межах від 0 % до 1,0 % через 0,1 %, оптимальні витрати щебеню, піску, цементу і води визначаються по формулах: ЩОПТ 1000 ОПТПЩ УС Щ НАС 1000 ПОПТ ОПТПЩ УС П НАС ЦОПТ (1) 1 Щ , Щ Щ (2) 1 П , 1 1 1000 Щ Щ W Щ П П W П (3) 1 В Ц Ц ОПТ , де: αОПТ - величина оптимального коефіцієнта розсунення зерен щебеню: 3 dП ОПТ 2,1 1 Щ 1,1 d , (4) μОПТ - величина оптимального коефіцієнта розсунення зерен піску: 3 dЦ ОПТ 2,1 1 П 1,1 d , Щ (5) П BОПТ=(В/Ц)ОПТ·Ц+Щ·W +П·W , (6) щ п Пус , Пус - пустотність щебеню і піску в насипному стані; 20 25 30 35 Щ НАС П , НАС - насипна щільність щебеню і піску; щ п ц ρ , ρ , ρ - істинна щільність щебеню, піску і цементу; щ п d , d - середні розміри фракцій щебеню і піску, що визначають по максимальній щільності розподілу розмірів зерен; ц d - середній розмір найбільшої фракції цементу. Оптимальну кількість добавки СаСl2 визначають по максимальній міцності бетонних зразків з оптимальними витратами ЩОПТ, ПОПТ, ЦОПТ і ВОПТ, (С-3)ОПТ через 12 годин витримки при температурі 30 °C, при виготовленні бетонної суміші добавку СаСl2, вводять останньою в кінці перемішування, контролюють легкоукладаність бетонної суміші за показниками осідання конуса ОК≤2 см і вібророзтічності ВР≤120 с, і після формування витримують бетон у формі в камері пропарювання без подачі пари при температурі не менше 30 °C, або влітку при такій же температурі на відкритому майданчику протягом 12-18 год. Вказані вище ознаки винаходу, який заявляється, забезпечують досягнення технічного результату, який полягає в забезпеченні передавальної міцності бетону не менше 32 МПа через 12-16 годин його безпропарювального твердіння для переднапружених залізобетонних шпал і зниження вартості бетону за рахунок зменшення витрати добавки С-3 і виключення витрати пари, а також розширення цементів різних заводів, придатних для особливошвидкотверднучого бетону. 2 UA 99426 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Оптимальна кількість добавки-суперпластифікатора С-3 (або її аналога) забезпечує виключення вільної води в цементному тісті і отримання хорошої легкоукладаності бетонної суміші при скороченні часу її ущільнення на вібростолі в 2-3 рази. Оптимальні кількості щебеню, піску, цементу і води забезпечують максимальну щільність і міцність бетону і тріщиностійкість шпал. Оптимальну кількість (С-3)ОПТ добавки-суперпластифікатора С-3 визначають по тій кількості, яка відповідає перелому кривої залежності вібророзтічності ВР бетонної суміші з добавкою CaCl2 від вмісту добавки С-3 (або її аналога), що змінюється в межах від 0 % до 1,0 % через 0,1 % від витрати цементу, забезпечує точність визначення добавки і досягнення максимальної міцності бетону. Оптимальна кількість добавки СаСl2 забезпечує компенсацію кристалогідратів етрингіту, які не утворилися із-за адсорбції С-3 (або її аналога) на поверхні С3А+С4АF, відновлення оптимального співвідношення між кристалогідратами і гелем гідросилікату і збільшення міцності бетону за рахунок цього. Граничні параметри вмісту добавок і компонентів бетону в особливошвидкотверднучому бетоні, що заявляється, не встановлюються, оскільки будь-яке відхилення їх вмісту від оптимального приведе до зменшення міцності бетону. Мінімальне значення температури (30 °C), а також тривалість (12 годин) витримки шпал в камері пропарювання без подачі пари або на відкритому майданчику обумовлено достатністю цих параметрів для досягнення бетоном передавальної міцності. Максимальне значення тривалості витримки шпал при цій температурі (18 годин) обумовлене технологічним режимом. Введення добавки СаСl2 в бетонну суміш в кінці її перемішування в бетонозмішувачі 2+ виключає її негативний вплив на активність добавки С-3 (адсорбція катіонів Са , що 3нейтралізує активні групи SO ). Крім того, добавка солі СаСl2 на початку перемішування збільшує жорсткість бетонної суміші, що утруднює її перемішування (за рахунок адсорбції 2+ катіонів Са , добудови ними кристалічної решітки С3А і C3S і збільшення їх позитивного поверхневого заряду). В кінці перемішування цей ефект набагато ослаблюється у вже 2+ перемішаній суміші і за рахунок браку часу для повної адсорбції катіонів Са . Суть винаходу пояснюється схемами і графіками, на яких зображено: Фіг. 1. Залежність міцності цементного каменю через 12 годин твердіння без добавок, з добавкою С-3 і комплексною добавкою С-3+ТФ від відношення (C3A+C4AF)/C3S. Фіг. 2. Залежність міцності при стисненні R від масового відношення кг/г для: 1 романцементу; 2-C2S; 3-0,25C3S+0,75С2S; 4-0,5С3S+0,5С2S; 5-0,75С3S+0,25C2S; 6-C3S; 7 гідравлічного вапна. Фіг. 3. Ізотерма адсорбції ССБ мінералів цементного клінкеру: С3А - 1; C4AF-2; C3S-3; C2S-4 [Плугин А.Н. Электрогетерогенные взаимодействия при твердении цементных вяжущих: Дис. докт. хим. наук: 02.00.11. - Харьков: ХИ-ИТ, 1989.-282 с.]. Фіг. 4. Коефіцієнт розсунення зерен піску μ (для підрейкових перерізів): Вишнєвський ЗЗБШ [Плугин А.Н. Электрогетерогенные взаимодействия при твердении цементных вяжущих: Дис. докт. хим. наук: 02.00.11. - Харьков: ХИИТ, 1989.-282 с.]; ЗЗБШ України: Коростенський (Кор.), Київський (Київ), Кременчуцький (Крем.), Гніванський (Гнів.) [Рекомендації з удосконалення технології виробництва залізобетонних шпал у відповідності з ТУ У 01116472.021 (для Коростенського заводу залізобетонних шпал) / ХарДАЗТ / А.М. Плугін, О.А. Калінін, А.А. Плугін та ін. - Харків, 2001.-123 с.]. Фіг. 5. Коефіцієнт розсунення зерен щебеню α (для підрейкових перерізів): Актюбінський ЗЗШ (Акт.) [Плугин А.Н. Электрогетерогенные взаимодействия при твердении цементных вяжущих: Дис. докт. хим. наук: 02.00.11. - Харьков: ХИИТ, 1989.-282 с.]; ЗЗБШ Украины; Київський (Київ), Коростенський (Кор.), Кременчуцький (Крем.), Гніванський (Гнів.) [Рекомендації з удосконалення технології виробництва залізобетонних шпал у відповідності з ТУ У 01116472.021 (для Коростенського заводу залізобетонних шпал) / ХарДАЗТ / А.М. Плугін, О.А. Калінін, А.А. Плугін та ін. - Харків, 2001.-123 с.]. Фіг. 6. Залежність міцності цементного каменю на стиснення від В/Ц: розрахункових значень R=f(В/Ц) по (4.38), (4.39) і експериментальних значень по [Киреенко И.А. Расчет состава высокопрочных и обычных бетонов и растворов на стандартных и мелких песках. - К.: Госстройиздат УССР" 1961.-80 с.; Конструкційні матеріали нового покоління та технології їх впровадження в будівництво / В.Д. Братчун, В.І. Гоц, І.І. Назаренко, А.М. Плугін, Р.Ф. Рунова, М.А. Саницький, В.Й. Сівко, В.Н. Старчук, С.І. Федоркін, П.С. Шилюк. - К.: У ВПК "ЕксОб", 2008.354 с.]. Фіг. 7. Залежність часу витікання суміші з віскозиметра ВЗ-1 з вібрацією від кількості добавки-суперпластифікатора. 3 UA 99426 C2 5 10 15 Фіг. 8. Змінення міцності при вигині балочок від вмісту добавки СаСl2. Фіг. 9. Змінення вібророзтічності і часу ущільнення бетонної суміші (вирівнювання поверхні бетонної суміші при вібрації) залежно від вмісту добавки С-3. Фіг. 10. Відформована переднапружена залізобетонна шпала. Фіг. 11. Форма зі свіжовідформованою шпалою і зразки-куби з бетонною сумішшю перед формою в камері з температурою Т=20-30 °C. Фіг. 12. Шпала після твердіння, що витягнута з форми. Фіг. 13. Випробування на тріщиностійкість лівого підрейкового перерізу. Фіг. 14. Контроль розмірів тріщин за допомогою відлікового мікроскопа МПБ-2. Фіг. 15. Змінення міцності особливошвидкотверднучого бетону від тривалості безпропарювального твердіння. У табл. 1 представлені дані про ранню міцність бетонів (на 12 годину твердіння) без добавок і з добавкою-суперпластифікатором С-3, виготовлених з цементів різних заводів-виробників, узятих з роботи [Серенко А.Ф. Беспропарочная технология бетона с учетом аномальных свойств пластифицированных цементных систем Спец. 05.23.05 - Строительные материалы и изделия: Дис. докт. техн. наук: 02.23.05. - Санкт-Петербург, 2009.-328 с.] і про середній мінеральний склад клінкерів по сертифікатах на цементи цих заводів. Таблиця 1 Дані про міцність бетонів на 12 годі твердіння без добавки і з добавкою-суперпластифікатором С-3, виготовлених з цементів різних заводів-виробників Цемент Оскольський Бєлгородський Катавський Липецький Нев'янський Ачинський 20 25 30 35 40 45 C3S C2S С3А C4AF C3A 63,35 62,6 53,1 66 57 61 13,81 14,9 20,1 11,8 17 17 9,54 6,9 6,7 7 7 4,5 11,3 13 13,2 12 14,5 14 9,54 6,9 6,7 7 7 4,5 Міцність Без доб. С-3 11,5 12,5 11,8 10 15 17 22,9 29 23 28,6 11,2 20,6 Аналіз показав, що рання міцність бетону залежить від вмісту трикальцієвого алюмінату С3А в клінкері, причому найбільш тісна залежність спостерігається для відношення сумарного вмісту C3A і чотирикальцієвого алюмофериту C4AF до трикальцієвого силікату, фіг. 1. Це обумовлено тим, що С-3 адсорбується на ділянці поверхні, зайнятій целітом (С3А і C4AF), в якому адсорбційна активність трикальцієвого алюмінату, єдиного в клінкері мінералу з позитивним поверхневим зарядом, набагато більша по відношенню до негативно заряджених частинок С-3. Проте ці мінерали зливаються в одну практично однорідну для органічних аніонів С-3 поверхню, фіг. 2 [Конструкційні матеріали нового покоління та технології їх впровадження в будівництво / В.І. Братчун, В.І. Гоц, І.І. Назаренко, А.М. Плугін, Р.Ф. Рунова, М.А. Саницький, В.Й. Сівко, В.Н. Старчук, С.І. Федоркін, П.С. Шилюк. - К.: УВПК "ЕксОб", 2008.-354 с.]. Згідно з графіками, міцність бездобавочного цементного каменю і цементного каменю з добавкою С-3 максимальна при відношенні (С3А+С4АF)/С3S=0,32. Максимум міцності при (С3А+С4АF)/С3S=0,32 для бездобавочного цементного каменя обумовлений досягненням оптимального співвідношення між кількістю позитивно заряджених кристалогідратів і негативно заряджених гелів гідросилікату. Кристалогідрати в цементному камені на ранній стадії твердіння представлені головним чином етрингітом і портландитом. Етрингіт, як відомо, утворюється за рахунок розчинення С3А на ділянці С3А і C4AF, де вони, як відмічено, зливаються в суцільну поверхню, утворення з продуктів розчинення гідроалюмінату кальцію і його з'єднання з гіпсом. Чим більше поверхня С3А і C4AF, тобто чим більше вміст цих мінералів в цементі, тим більше утворюється кристалогідратів етрингіту (при достатній кількості гіпсу). На ділянках C3S протікає розчинення і утворення кристалогідратів портландиту і гелю гідросилікату. Оскільки переважаючим за об'ємом серед продуктів гідратації є гель гідросилікату, при (С3А+С4АF)/С3S=0,32 встановлюється оптимальне співвідношення між кристалогідратами і гелем КГ/Г, при (C3A+C4AF)/C3S0,32 - надлишок кристалогідратів (через надмірну кількість етрингіту). Така екстремальна залежність між міцністю різних в'яжучих і масовим співвідношенням між кристалогідратами і гелем гідросилікату КГ/Г підтверджується графіком, фіг. 2, з [Конструкційні матеріали нового покоління та технології їх впровадження в будівництво / 4 UA 99426 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 В.І. Братчун, В.І. Гоц, І.І. Назаренко, А.М. Плугін, Р.Ф. Рунова, М.А. Саницький, В.Й. Сівко, В.Н. Старчук, С.І. Федоркін, П.С. Шилюк. - К.: УВПК "Ексоб", 2008.-354 с.]. Екстремальний характер впливу С-3 обумовлений механізмом дії добавоксуперпластифікаторів, зокрема С-3. Розчинені у воді добавки-суперпластифікатори є негативно зарядженими органічними аніонами, вони адсорбуються на позитивно зарядженій поверхні С 3А і C4AF. Певна величина поверхневого заряду цієї поверхні адсорбує на собі певну кількість добавки С-3. Це затримує гідроліз С3А і виникнення гідроалюмінату кальцію і, відповідно, етрингіту, що пояснює механізм "блокуючої дії" з термінології у [Серенко А.Ф. Беспропарочная технология бетона с учетом аномальных свойств пластифицированных цементных систем Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия: Дисс… докт. техн. наук: 02,23.05. - Санкт-Петербург, 2009.-328 с.], добавок-суперпластификаторов, т. е. механизм удлинения индукционного периода гидратации цемента. Решта кількість добавки, понад 0,25 %, адсорбується на поверхні виникаючих після закінчення індукційного періоду зародках етрингіту і перешкоджає їх зростанню. В результаті в цементному камені зменшується кількість кристалогідратів, що мають позитивний поверхневий заряд, і збільшується кількість гідросилікатів кальцію з негативним поверхневим зарядом, у зв'язку з чим порушується оптимальне співвідношення між ними, і міцність цементного каменю зменшується. При цьому, чим більше вміст фази алюмінату в цементі, тим менше залишається кристалогідратів в цементному камені, тим нижче міцність каменю і тим менший ефект від зниження витрати води, фіг. 1. Разом з алюмінатною і алюмоферитною поверхнею, адсорбція суперпластифікуючої добавки, як і інших пластифікаторів, відбувається і на поверхні C3S. Проте, найбільш інтенсивну адсорбційну здатність має С3А, потім C4AF, нижчу С3S, a C2S практично не адсорбує добавки, фіг. 3. Це обумовлено негативним поверхневим зарядом олігомерних частинок добавок і величиною та знаком поверхневого заряду мінералів в цементному тісті: максимально позитивний у С3А, а у С2S він негативний. Виходячи з цього, при незначній кількості С3А і C4AF, що відповідає (С3А+С4АF)/С3S0,32, вона на поверхні C3S не адсорбується. Надмірна кількість добавки різко зменшує кількість кристалогідратів і подовжує індукційний період, а її недолік - погіршує редукуючий ефект (зменшення витрати води). Це підтверджується і видом кривих на фіг. 1 і фіг. 2 - крутіша зліва і пологіша праворуч від максимуму міцності. Викладене обумовлює необхідність оптимізації вмісту добавки-суперпластифікатора в цементному камені, який, як показали наші численні експерименти, як правило, значно менший, ніж той, що рекомендується в документах на суперпластифікатори і використаний в прототипі інтервал (0,5-1 %). На відміну від добавки-електроліту в прототипі, що прискорює утворення етрингіту, застосована у винаході добавка хлористого кальцію призначена для утворення замість етрингіту гідрохлоралюмінату кальцію (ГХАК) 3СаО·Аl2О3·СаСl2·10Н2О з позитивним поверхневим зарядом, як і етрингіт, який утворюється при введенні в бетон СаСl 2 в кількості до 2 % [Ларионова З.М. Фазовый состав, микроструктура и прочность цементного состава и бетона / З.М. Ларионова, Л.В. Никитина, В.Р. Гарашин. - М.: Стройиздат, 1977.-264 с.] и др. При більшій кількості CaCl2, чим 2 %, утворюється гідрооксихдорид кальцію 3Са(ОН) 2·СаСl2·12Н2О з негативним поверхневим зарядом. Кількість етрингіту 3СаО·Аl2О3·3СаSO4·31Н2О, що утворюється в цементному камені без добавки С-3, можна визначити з виразу; Е 50 55 С3 А МЕ МС3 А (7) , де МЕ і МСЗА - молекулярні ваги (маси) етрингіту і трикальцієвого алюмінату; α - ступінь гідратації цементу, зазвичай рівний приблизно 0,5. Добавка СаСl2 в кількості понад 2 % може привести до зменшення міцності бетону. Молекулярна вага (маса) трикальцієвого алюмінату 3СаО·Аl2О3: МСЗА=3·40+3·16+27·2+3·16=270 г/моль Молекулярна вага етрингіту 3СаО·Аl2О3·3СаSO4·31Н2О: МС3А=3·40+3·16+2·27+3·16+3·40+3·32+12·16+31·18=1236 г/моль Кількість етрингіту залежно від С3А: Е С3 А 1236 0,5 2,29 C3 A 270 . (8) 5 UA 99426 C2 Кількість гідрохлоралюмінату кальцію в цементному камені з добавкою СаСl2 визначиться виразом: ГХАК 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 CaCl 2 МГХАК MCaCl2 . (9) Молекулярна вага хлориду кальцію СаСl2: МСаCl2=40+2·35=110 г/моль. Молекулярна вага ГХАК 3СаО·Аl2О3·СаСl2·10Н2О: МГХАК=3·40+3·16+2·27+3·16+40+2·35+10·18=630 г/моль CaCl 2 630 ГХАК 5,73CaCl 2 110 . Максимальна кількість добавки СаСl2 для компенсації етрингіту визначиться з рівності Е=ГХАК: 2,29·С3А=5,73СаСl2; СаСl2=2,29/5,73С3А=0,4С3А. Отже, для отримання максимальної міцності, особливошвидкотверднучого бетону з добавками С-3 і СаСl2 останню необхідно ввести в кількості 0,4 % від кількості трикальцієвого алюмінату в клінкері. Відповідно, при вмісті в клінкері С2А 5 %, кількість добавки СаСl2 складе близько 2 %, що відповідає граничному вмісту СаСl2, при якому утворюється ГХАК. При більшій кількості CaCl2 утворюється ГОХК з негативним поверхневим зарядом, що, як наголошувалося, може привести до зниження міцності цементного каменя і бетону. Отже, кількість добавки СаСl2 також повинна бути оптимальною, залежно від кількості С-3. Дотримання оптимальних величин коефіцієнтів розсунення зерен щебеню α ОПТ і піску μОПТ в бетоні обумовлює максимальну міцність і тріщиностійкість бетону, що наочно підтверджується реальними експериментальними графіками на фіг. 4 і 5 [Плугин А.А. Долговечность бетона и железобетона в обводненных сооружениях: коллоидно-химические основы: дисс… докт. техн. наук; 05-23.05 / Плугин Андрей Аркадьевич - Харьков; УкрГАЖТ, 2005.-420 с.]. Досягнення максимальної міцності бетону при визначенні оптимальних величин цементу, ЦОПТ і води ВОПТ, виходячи з (В/Ц)ОПТ, підтверджується відомими і власними експериментальними даними міцності цементного каменя залежно від В/Ц на графіках, фіг. 6 [Плугин А.А. Долговечность бетона и железобетона в обводненных сооружениях: коллоиднохимические основы: дис… докт. техн. наук: 05.23.05 / Плугин Андрей Аркадьевич - Харьков: УкрГАЖТ, 2005.-420 с.]. Виготовляють особливошвидкотверднучий бетон і переднапружену залізобетонну шпалу з нього таким чином. Зважують компоненти бетонної суміші, зокрема окремі водні розчини (наприклад, у 10 л води) добавок С-3 і СаСl2 у відповідних кількостях. Вводять їх, окрім СаСl2, в бетонозмішувач у звичайному порядку і перемішують. Розчин добавки СаСl2 вводять в кінці перемішування (наприклад, за 30-40 хв. до закінчення перемішування, що достатньо для її однорідного розподілу в суміші). Після приготування бетонної суміші формують шпалу, встановлюють в камеру пропарювання форму з бетоном або витримують її на окремому майданчику влітку. Через 12 або 18 годин обрізають арматуру і передають натягнення на бетон. Приклад. Для визначення оптимальної кількості добавки С-3 виготовляють послідовно 8 складів цементно-водної суміші з цементу марки ПЦ І-500-ДО Балаклейського цементного заводу з В/Ц=0,23 і різною кількістю добавки, відповідно, 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 і 0,8 %. Кожен склад вводили в ємкість віскозиметра ВЗ-1 із закритим за допомогою стрижня капіляром. Суміш ущільнювали постукуванням і закріплювали віскозиметр з сумішшю на стандартному лабораторному вібростолі. Одночасно включали вібрацію, відкривали капіляр і засікали час витікання суміші з ємкості до штирка. Потім будували криву зміни умовної в'язкості (за часом витікання суміші t, с) від вмісту добавки С-3. Згідно з отриманою кривою, оптимальний вміст добавки склав 0,35 % від кількості цементу. Для визначення оптимальної кількості добавки СаСl2 виготовляють 4 серії балочок 1×1×3 см (по 9 шт) з цементної суміші з В/Ц=0,23, з добавкою С-3 в кількості 0,35 % від вмісту цементу. Серія № 1, що є контрольною, не містить добавки СаСl2, серії № 2, № 3 і № 4 містять цю добавку в кількості, відповідно, 2, 3 і 4 % від вмісту цементу. Після твердіння зразків протягом 1 доби без пропарювання балочки випробували на міцність при вигині під пресом за допомогою спеціального пристосування. На фіг. 8 наведена крива змінення міцності від вмісту добавки СаСl2. Згідно з цією кривою, міцність цементного каменю з добавкою С-3 значно (на 20 %) збільшується при введенні в суміш добавки СаСl2 в кількості 1 % від витрати цементу. Проте, при подальшому збільшенні 6 UA 99426 C2 5 10 15 20 СаСl2 міцність збільшується незначно. Це обумовлено тим, що зі всієї кількості СаСl2, що вводиться, лише 1 % витрачається на утворення кристалогідратів гідрохлоралюмінату кальцію, що мають позитивний поверхневий заряд, що збільшує міцність цементного каменю за рахунок електрогетерогенного тяжіння між кристалогідратами і частинками гелю гідросилікату, що мають негативний поверхневий заряд. Решта добавки СаСl2 витрачається на утворення гідрооксихлориду кальцію, частинки якого мають негативний поверхневий заряд, і у зв'язку з цим практично не дають внеску в збільшення міцності каменю. У зв'язку з цим, а також тим, що введення електролітів може істотно зменшити опір бетону, прийнятий оптимальний вміст добавки СаСl2 в кількості 1 % від витрати цементу Виконаний розрахунок оптимального складу бетону по формулах (1)-(6) для 5-ти серій бетону із вмістом добавки С-3, що змінюється: 0,3; 0,35, 0,4 і 0,6 % від витрати цементу. Витрати компонентів на 1 лабораторний заміс наведені в табл. 2. Відповідно до розрахованого складу виготовлені 5 серій бетонної суміші і виконано контроль її вібророзтічності і часу ущільнення (до вирівнювання поверхні бетонного зразка при вібрації), фіг. 9. Для випробування розробленого особливошвидкотверднучого бетону на міцність готували бетонну суміш, визначали її осідання конуса ОК і вібророзтічність ВР (по жорсткості Ж спрощеним способом Скрамтаєва), потім виготовляли зразки - куби 10×10×10 см і випробовували їх на міцність при стисненні. Склад бетону наведений в табл. 2, дані про реологічні властивості бетонної суміші - в табл. 3, а міцності бетону при стисненні - в табл. 4. Таблиця 2 Дані про склад розробленого бетону Компоненти Цемент Ц Пісок П Щебінь Щ Вода В Добавка-суперпластифікатор С-3 Добавка СаСl2 В/Ц В/ЦДОП Витрати на 1 заміс, кг/заміс Структурні характеристики 2,27 1,56 5,55 0,52 α=1,1; μ=2,7 7,9 Г (0,35 %) 56,8 Г (2,5 %) 0,23 0,05 Таблиця 3 Змінення вібророзтічності і часу вирівнювання поверхні бетонної суміші від вмісту добавки С-3 Вміст С-3, % 0,35 0,4 0,5 0,6 25 Вібророзтічність ВР, с Час вібрування бетонної суміші в формах-кубах t с 250 347 185 265 90 155 66 103 По графіках, при вмісті добавки С-3 в кількості 0,35 % час вібрації (вирівнювання поверхні бетону у формі) складає 350 с, або приблизно 6 хв., при цьому оптимальна рухливість бетонної суміші не досягнута. Це обумовлено зменшенням концентрації добавки в суміші за рахунок кількості води на змочування заповнювачів. У зв'язку з цим в остаточному складі бетону прийнято оптимальний вміст добавок С3=0,45 % і СаСl2=1 %. 30 7 UA 99426 C2 Таблиця 4 Результати випробування зразків на міцність при різному часі твердіння Тривалість твердіння, год. 8 10 12 18 24 5 Показання преса, кг 12400 13200 18900 19800 31500 31400 40400 40800 40700 46200 44500 Міцність цементного каменю, МПа 12,80 19,35 31,45 40,60 45,35 З бетонної суміші вказаного складу виготовлена переднапружена залізобетонна шпала і контрольні зразки-куби 10×10×10 см на дослідній ділянці галузевої лабораторії підрейкових основ УкрДАЗТ в точній відповідності із заводською технологією, фіг. 10, фіг. 11, фіг. 12. Дані про зміну міцності бетону, від тривалості безпропарювального твердіння бетону представлені в табл. 5 і на графіці, фіг. 15, дані про випробування шпали на тріщиностойкість, фіг. 14, фіг. 15, в табл. 6. Таблиця 5 Дані змінення міцності при стисненні контрольних зразків особливошвидкотверднучого бетону для переднапруженої залізобетонної шпали Тривалість тверднення, год. 8 10 12 18 24 Показання преса, кг 12400 11900 13200 17100 18900 19800 30300 31500 31400 40400 39600 40800 40700 46200 44500 10 8 Міцність цементного каменю, МПа 12,8 19,35 31,5 40,6 45 UA 99426 C2 Таблиця 6 Дані випробувань на тріщиностійкість переднапруженої залізобетонної шпали з особливошвидкотверднучого бетону на наступну добу після виготовлення Прикладене навантаження в т. і випробовуваний переріз 1 Підрейковий лівий 13,2 16,0 Підрейковий правий 13,2 16,0 Середній 13,2 16,0 Вимога ГОСТ на шпалу типу Ш-1-1 Висновок про тріщиностійкість перерізів шпали Опис зони контролю 2 3 2 волосяних тріщини: розкриття δ=0,04 мм, довжина l=3 см тріщина: розкриття δ=0,1 мм, довжина l=5 см Допустима Тріщин немає Тріщин немає Витримала на перший сорт Тріщин немає Тріщин немає Витримала на перший сорт Витримала на перший сорт Примітка: Навантаження, які повинна витримати шпала першого сорту: - підрейковий переріз - 13,2 т; середній переріз - 10,5 т; - неприпустима тріщина - δ>0,05 мм, l>30 мм (товщина захисного шару). 5 10 Таким чином, особливошвидкотверднучий безпропарювальний бетон по винаходу має необхідну передавальну міцність (32 МПа і більш), а переднапружена залізобетонна шпала з такого бетону витримала випробування на тріщиностійкість. Відповідно до розробленого особливошвидкотверднучого бетону на Кременчуцькому заводі ЗЗБШ виготовлена дослідна партія переднапружених залізобетонних шпал в кількості 10 шт. Шпали витримали випробування на тріщиностійкість В порівнянні з прототипом, особливошвидкотверднучий бетон по винаходу має значно менший вміст добавки С-3 (0,45 % проти 0,5-1,0 (в середньому 0,75) від витрати цементу, і має значно меншу вартість за рахунок цього. У табл. 7 представлений відповідний розрахунок економічного ефекту по винаходу. Вартість добавки С-3 рівна 52 руб/кг [суперпластификатор С3 - Строй-Бетон. …www.ibetоn.ru/plast.php-]. Вартість добавки СаСl2 складає 17 руб/кг. 15 Таблиця 7 Розрахунок економічного ефекту при виготовленні залізобетонних шпал з особливошвидкотверднучого бетону по винаходу, в порівнянні з бетоном-прототипом (на 1 млн. 3 шпал при витраті цементу 470 кг/м ) Витрата цементу, кг, на 1 млн. Витрата добавки Вартість 3 шт. шпал (100000 м бетону) С-3, кг (0,45 % добавки С-3, 3 при витраті 470 кг/м від цементу) млн. руб 47000000 Всього по винаходу: млн. руб. млн. грн. 1 По прототипу: У цінах 2008 р. У цінах 2011 р. млн. грн 211500 11 211500 9,1 Витрата Вартість добавки СаСl2, добавки СаСl2, кг, 1 % від млн. руб. цементу) 470000 8,0 470000 19,0 5,3 8 23,25 28,0 7,8 9 UA 99426 C2 5 10 Перерахунок вартості добавки в ціни 2011 р. виконаний по офіційному курсу рубля в 2008 р. і 2011 р., який впав на 20 %. Таким чином, економічний ефект при використанні для виготовлення залізобетонних шпал особливошвидкотверднучого безпропарювального бетону по винаходу складає 2,2 млн. грн. на 1 млн. шпал за рахунок зменшення вартості добавки (5,3 млн. грн. проти 7,8 млн. грн., відповідно). Особливошвидкотверднучий бетон по винаходу розширює також кількість заводів, цемент яких придатний для його виготовлення. По суті, всі цементи марки ПЦ І-500 Д0 будь-якого цементного заводу придатні для його виготовлення, на відміну від бетону по прототипу, для якого придатні цементи лише деяких заводів Росії. Таблиця 8 Дані про економічний ефект безпропарочного бетону по способу-прототипу [Серенко А.Ф. Беспропарочная технология бетона с учетом аномальных свойств пластифицированных цементных систем Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия: Дисс… докт. техн. наук: 02.23.05. - Санкт-Петербург, 2009.-328 с.] Місце впровадження Вид технології (завод ЗЗБШ) Чудово, Безпропарювальна розрахунковий 1 рік Хабаровськ, безпропарювальна розрахунковий 1 рік Об'єм шпал, млн. шт. Витрати на Економія енергії, добавку, млн. руб. млн. руб. 1,0 22,5 27,1 1,0 24,0 54,4 Актуальність винаходу і його економічний ефект значно вище у зв'язку з різким подорожчанням газу за три останні роки. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Особливошвидкотверднучий безпропарювальний бетон, який складається з щебеню, піску, цементу, води, добавки-суперпластифікатора С-3 (або її аналога) і добавки-електроліту, який відрізняється тим, що як добавка-електроліт використовується хлористий кальцій СаСl2, вміст добавок С-3 (або її аналога) і СаСl2, щебеню, піску, цементу і води приймають оптимальними, відповідно, Щ ОПТ , ПОПТ , ЦОПТ і ВОПТ , (С-3)ОПТ і (СаСl2)ОПТ, при цьому оптимальна кількість добавки С-3 (або її аналога) визначається по кривій залежності умовної в'язкості віброваної цементно-водної суміші з В / Ц 0,23 від вмісту добавки, що змінюється в межах від 0 % до 1,0 % через 0,1 %, оптимальні витрати щебеню, піску, цементу і води визначаються по формулах: Щ ОПТ 1000 ОПТ ПЩ УС Щ НАС 1000 ПОПТ Ц ОПТ ОПТПЩ УС П НАС , 1 (1) Щ Щ Щ , 1 (2) П 1 1 1000 Щ W Щ П WП Щ П ,(3) 1 В Ц Ц ОПТ де: ОПТ - величина оптимального коефіцієнта розсунення зерен щебеню: 3 dП 1,1 , ОПТ 2,1 1 dЩ (4) ОПТ - величина оптимального коефіцієнта розсунення зерен піску: 10 UA 99426 C2 3 dЦ 1,1 , ОПТ 2,1 1 dП В ОПТ В / ЦОПТ Ц Щ W Щ П W П , П (5) (6) Щ УС , П П УС - пустотність щебеню і піску в насипному стані; Щ НАС , П НАС - насипна щільність щебеню і піску; Щ , П , Ц - істинна щільність щебеню, піску і цементу; d Щ , d П - середні розміри фракцій щебеню і піску, що визначаються по максимальній щільності 5 розподілу розмірів зерен; d Ц - середній розмір найбільшої фракції цементу, 10 та оптимальну кількість добавки СаСl2 визначають по максимальній міцності бетонних зразків з оптимальними витратами Щ ОПТ , ПОПТ , ЦОПТ і ВОПТ , (С-3)ОПТ через 12 годин витримки при температурі 30 °С, при виготовленні бетонної суміші добавку СаСl2 вводять останньою в кінці перемішування, контролюють легкоукладаність бетонної суміші за показниками осідання конуса ОК≤2 см і вібророзтічності ВР≤120 с, і після формування витримують бетон у формі в камері пропарювання без подачі пари при температурі не менше 30 °С, або влітку при такій же температурі на відкритому майданчику протягом 12-18 год. 11 UA 99426 C2 12 UA 99426 C2 13 UA 99426 C2 14 UA 99426 C2 15 UA 99426 C2 16 UA 99426 C2 17 UA 99426 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 18
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюExtra-rapid curing steaming-free concrete
Автори англійськоюPluhin Andrii Arkadiiovych, Pluhin Arkadii Mykolaiovych, Romanenko Oleksandr Valeriiovych, Pluhin Oleksiy Andriyovich, Kalinin Oleh Anatoliiovych, Pluhin Dmytro Arturovych, Miroshnichenko Serhii Valeriiovych
Назва патенту російськоюОсобобыстротвердеющий беспропарочный бетон
Автори російськоюПлугин Андрей Аркадиевич, Плугин Аркадий Николаевич, Романенко Александр Валериевич, Плугин Алексей Андреевич, Калинин Олег Анатолиевич, Плугин Дмитрий Артурович, Мирошниченко Сергей Валериевич
МПК / Мітки
МПК: C04B 28/00, G01N 33/38
Мітки: бетон, безпропарювальний, особливошвидкотверднучий
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/20-99426-osoblivoshvidkotverdnuchijj-bezproparyuvalnijj-beton.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Особливошвидкотверднучий безпропарювальний бетон</a>
Попередній патент: Енергоощадна система електропостачання з вуличним освітленням
Наступний патент: Спосіб виготовлення полотна щіткового ущільнення і пристрій для його здійснення
Випадковий патент: Спосіб екстракції ліпідів і пігментів з одноклітинних водоростей