Способ приготовления модифицированной фибробетонной смеси и модифицированная фибробетонная смесь

Заявляемое изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к составам бетонных смесей, используемых для дорожного и аэродромного строительства, при изготовлении сборных и монолитных железобетонных изделий и конструкций.

В известном способе приготовления модифицированной сталефибробетонной смеси для дорожного и аэродромного строительства, изготовления и ремонта конструкций мостовых сооружений, включающем перемешивание в смесителе цемента, заполнителя, фибры стальной, добавки и воды затворения, предварительно осуществляют активацию в роторно-пульсационном аппарате воды затворения с полифункциональной добавкой и частью цемента, и продукт указанной активации перемешивают с сухой смесью, полученной при последовательном введении в смеситель заполнителя, оставшегося цемента и фибры, а также используется модифицированная сталефибробетонная смесь, приготовленная по вышеуказанному способу, где в качестве заполнителя используют: песок, щебень и песок, а в качестве фибры используют фибру стальную, фрезерованную из склябов [Патент РФ № 2214986, 2003 г. - прототип].

Недостатком прототипа является низкая эффективность процесса приготовления смеси и невысокая прочность полученного сталефибробетона на сжатие и растяжение.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности процесса получения модифицированной фибробетонной смеси, направленное на увеличение ее прочности на сжатие и растяжение при изгибе за счет использования компонентов, упрочняющих структуру фибробетона на микро- и наноуровнях, при сохранении высокой морозостойкости и водонепроницаемости.

Технический результат, полученный в процессе решения поставленной задачи, достигается тем, что в способе приготовления модифицированной фибробетонной смеси, включающем перемешивание в смесителе портландцемента, фибры стальной, заполнителя, пластифицирующей добавки и воды затворения, в качестве стальной фибры используют «Миксарм» - фибру, выполненную из стальной проволоки с коническими анкерами на концах, в качестве пластифицирующей добавки - суперпластификатор «Полипласт СП-3», предварительно проводят диспергацию 10-15 мас.% портландцемента и указанного суперпластификатора в линейно-индукционном вращателе индуктивностью 0,1 Тл и частотой 50 Гц в течение 3-5 минут, полученную сухую смесь совместно с водой затворения и дополнительно вводимой модифицирующей добавкой - многослойными углеродными нанотрубками диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм обрабатывают в течение 2-3 минут в ультразвуковом диспергаторе с частотой 22-26 кГц, и полученный продукт перемешивают в смесителе в течение 3-4 минут при последовательном введении заполнителя, оставшегося портландцемента и указанной фибры.

Техническая задача решается также тем, что модифицированная фибробетонная смесь, включающая портландцемент, фибру стальную, заполнитель, пластифицирующую и модифицирующую добавки и воду затворения приготовлена вышеуказанным способом при следующем соотношении компонентов, кг/м³ смеси: портландцемент - 320-330; заполнитель 1900-1920; указанная фибра 70-80; указанный суперпластификатор 1,6-1,72; указанная модифицирующая добавка 0,010-0,015; вода затворения 130-145, причем содержание указанного суперпластификатора - 0,5-0,52% от массы портландцемента, содержание указанной модифицирующей добавки 0,003-0,0045% от массы портландцемента.

Дисперсное фибровое армирование позволяет в большой степени компенсировать главные недостатки бетона - низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения. Фибровое армирование способствует стойкости бетона к воздействию агрессивной среды, позволяет уменьшить толщину конструкций и значительно снизить или полностью исключить расход арматуры. Таким образом, создаются благоприятные условия для снижения материалоемкости и трудоемкости строительства. Однако до настоящего времени применение фибробетона практически отсутствует из-за дороговизны стальной фибры, незначительного повышения прочности на сжатие, так как упрочнение бетона на макроуровне не изменяет микроструктуру применяемых цементных вяжущих материалов. Отсутствует оптимальная технология приготовления фибробетонной смеси.

Предлагаемый способ получения модифицированной фибробетонной смеси позволяет упрочнить структуру фибробетона на микро- и наноуровнях.

При изготовлении фибробетонов в качестве вяжущего использовался портландцемент М 500 Себряковского цементного завода. В качестве крупного заполнителя применялся щебень из гранитных пород. Мелкий заполнитель представлен кварцевым песком Оленьевского и Орловского карьеров с модулем крупности 2,2. Для повышения прочности и трещиностойкости фибробетона на макроуровне применялись стальные волокна-фибры с конусообразными анкерами на концах, блокирующие развитие макротрещин. В качестве макроупрочнителя использовалась фибра «Миксарм» на основе стальной проволоки, выпускаемой ОАО «Северсталь-метиз» по ТУ 1211-205-46854090-2005. Эта фибра с конусообразными анкерами разработана люксембургской компанией AWD, мировым лидером в производстве фибры. Коэффициент удержания фибры в бетоне достигает 95%. Стальные фибры «Миксарм» имеют длину от 30 мм до 54 мм, а диаметр - до 1 мм. Плотность стальных фибр «Миксарм» составляет 7800 кг/м³. Временное сопротивление разрыву не менее 1100 МПа.

В составе комплексной добавки, модифицирующей микро- и наноструктуру фибробетона, использовались многослойные углеродные нанотрубки диаметром 8-40 нм, длиной 2-50 мкм и суперпластификатор «Полипласт СП-3» (ТУ 5870-006-58042865-05). Эта добавка относится к классу суперпластификаторов и обладает пластифицирующе-водоредуцирующим, снижающим водоцементное отношение, действием.

Использование наноуглеродных трубок значительно изменяет микро- и наноструктуру фибробетонов. Этот эффект связан с тем, что высокопрочные нанотрубки являются центрами кристаллизации новообразований цементного камня. В результате образуется упрочненная армированная микроструктура цементного камня, что значительно повышает прочность фибробетона. Так как углеродные нанотрубки нерастворимы в воде, предварительно изготовили суспензию с применением ультразвукового диспергатора.

Таким образом, повышение эффективности процесса получения модифицированной фибробетонной смеси, а также применение в составе смеси стальной фибры «Миксарм» с конусообразными анкерами на концах, суперпластификатора «Полипласт СП-3» и многослойных углеродных нанотрубок диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм способствует, в сравнении с прототипом, повышению однородности структуры, снижению количества дефектов, увеличению прочности фибробетона на сжатие и растяжение, приготовленного по предлагаемому способу, что и является новым техническим свойством заявляемой модифицированной фибробетонной смеси, приготовленной предлагаемым способом.

Способ приготовления заявляемой модифицированной фибробетонной смеси заключается в следующем. Предварительно проводят диспергацию части портландцемента в количестве 10-15% по массе с пластифицирующей добавкой «Полипласт СП-3» в линейно-индукционном вращателе (ЛИВ) в течение 3-5 минут, позволяющем с помощью переменного электромагнитного поля одновременно произвести эффективное перемешивание компонентов и дополнительное измельчение с повышением удельной поверхности полученного однородного порошкообразного продукта. В камере линейно-индукционного вращателя диспергирование компонентов осуществляется с помощью вращающихся ферромагнитных частиц под действием переменного электромагнитного поля, имеющего следующие технологические параметры: индукция - 0,1 Тл, частота - 50 Гц.

Полученную тонкоизмельченную сухую смесь, обладающую повышенной реакционной способностью, подвергают дополнительному перемешиванию с водой затворения и углеродными нанотрубками в ультразвуковом диспергаторе (УЗД) с частотой 22-26 кГц в течение 2-3 минут. Полученный продукт двойной диспергации перемешивают в смесителе при последовательном введении заполнителей, фибры стальной и оставшейся части портландцемента в течение 3-4 минут.

Для экспериментальной проверки заявляемой модифицированной фибробетонной смеси готовили составы (табл.1), отличающиеся способом приготовления. В качестве примера выбраны усредненные количественные соотношения компонентов заявляемой модифицированной фибробетонной смеси.

Первый состав модифицированной фибробетонной смеси готовили с применением двойной диспергации части портландцемента, суперпластификатора и углеродных нанотрубок в линейно-индукционном вращателе и ультразвуковом диспергаторе при последующем перемешивании в смесителе заполнителей, фибры стальной и оставшейся части портландцемента. Второй - контрольный состав модифицированной фибробетонной смеси готовили традиционным способом без применения двойной диспергации, а именно последовательным перемешиванием в смесителе портландцемента, заполнителей, фибры стальной, воды затворения с суперпластификатором и углеродными нанотрубками.

Для определения влияния способа приготовления заявляемой модифицированной фибробетонной смеси на физико-механические свойства фибробетонов в сравнении с прототипом готовили по стандартной методике образцы-кубы размером 15×15×15 см и образцы-балочки размером 10×10×40 см, твердеющие в естественных условиях. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Анализ представленных в таблице 2 данных показывает, что применение двойной диспергации части портландцемента, суперпластификатора и углеродных нанотрубок (состав №1) способствует увеличению прочности на сжатие полученного фибробетона по сравнению с фибробетоном, приготовленным без двойной диспергации (состав №2), - на 44%, прочности на растяжение при изгибе - на 55%. Прирост прочности заявленной модифицированной смеси (состав №1) при расходе портландцемента на 22% меньше по сравнению с прототипом составляет соответственно: на сжатие - 18%, на растяжение при изгибе - 44% при сохранении высокой морозостойкости и водонепроницаемости.

1. Способ приготовления модифицированной фибробетонной смеси, включающий перемешивание в смесителе портландцемента, фибры стальной, заполнителя, пластифицирующей добавки и воды затворения, отличающийся тем, что в качестве стальной фибры используют «Миксарм» - фибру, выполненную из стальной проволоки с коническими анкерами на концах, в качестве пластифицирующей добавки - суперпластификатор «Полипласт СП-3», предварительно проводят диспергацию 10-15 мас.% портландцемента и указанного суперпластификатора в линейно-индукционном вращателе в течение 3-5 мин, полученную сухую смесь совместно с водой затворения и дополнительно вводимой модифицирующей добавкой -многослойными углеродными нанотрубками диаметром 8-40 нм и длиной 2-50 мкм обрабатывают в течение 2-3 мин в ультразвуковом диспергаторе с частотой 22-26 кГц и полученный продукт перемешивают в смесителе 3-4 мин при последовательном введении заполнителя, оставшегося портландцемента и указанной фибры при следующем соотношении компонентов смеси, кг/м³:

2. Модифицированная фибробетонная смесь, приготовленная способом по п.1.

3. Смесь по п.2, отличающаяся тем, что содержание указанного суперпластификатора - 0,5-0,52% от массы портландцемента.

4. Смесь по п.2, отличающаяся тем, что содержание указанной модифицирующей добавки - 0,003-0,0045% от массы портландцемента.