СПОСОБ АКТИВАЦИИ МАТОЧНОГО РАСТВОРА
ACTIVATION METHOD FOR MOTHER LIQUOR

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано в различных областях науки и техники в создании композитов различного назначения.
Известен способ диспергирования цементных паст с использованием ультразвуковых колебаний большой мощности, где диспергирование идет за счет процесса кавитации (патент РФ №2269374, 08.04.2003. «Устройство для диспергирования жидких органических сред».
Одним из существенных недостатков использования ультразвуковых колебаний большой мощности является создание высокой интенсивности ультразвуковых колебаний во всем объеме. При воздействии на раствор ультразвуковыми колебаниями с интенсивностью, превышающей порог кавитации, излучатель ультразвука подвергается разрушительным воздействиям.
Наиболее близким по техническому назначению является патент RU 2380344 С2, МПК С04В 40/00, C02F 1/34, 04.03.2008. Главным недостатком, которого является длительная активация воды в течение 3-4 часов при мощности излучателя 9-27 Вт и частоте 100-140 кГц.
Цель изобретения - повышение прочности вяжущего, сокращение времени твердения, уменьшение В/Ц затворения, уменьшение времени активации.
2
Способ активации заключается в следующем: ненасыщенный маточный раствор, содержащий 1,3% (по массе) нерастворенных частиц цементного геля, помещается в цилиндрический или кубический сосуд, где обрабатывается ультразвуковым полем с частой 22 кГц, мощностью 140 В-А (10 Вт/см), возбуждаемым пьезоэлектрическим или магнитострикционным датчиком, через волновод, устанавливаемый вертикально к поверхности раствора и опущенный на глубину 5 см, вводится в порошкообразное вяжущее, после чего перемешивается в мешалке (1000 об/мин) и разливается в формы, где остается для твердения при нормальных условиях.
На фиг. 1 представлена схема установки волновода (1 - волновод, 2 - сосуд).
Подобная схема позволяет активизировать процесс седиментации в гравитационном поле взвешенных в растворе частиц и способствует его гомогенизации.
В результате диспергации происходит увеличение на 2 порядка удельной поверхности частиц (таблица 1), соответственно локальное распределение энергии в маточном растворе принимает минимальное значение.
Таблица 1
Увеличение удельной поверхности при прогрессирующем дроблении материала при воздействии ультразвука
Размер частиц
Число частиц
Суммарная поверхность
Удельная поверхность, отнесенная к единице объема
85 мкм
0,111·10<sup>10</sup>
600 см<sup>2</sup>
6·10<sup>2</sup> см<sup>-1</sup>
40 мкм
1,015·10<sup>10</sup>
1200 см<sup>2</sup>
6·10<sup>2</sup> см<sup>-1</sup>
20 мкм
5,86·10<sup>10</sup>
2400 см<sup>2</sup>
6·10<sup>2</sup> см<sup>-1</sup>
7,5 мкм
86,71·10<sup>10</sup>
6000 см<sup>2</sup>
6·10<sup>3</sup> см<sup>-1</sup>
2,25 мкм
176,9·10<sup>10</sup>
6 м<sup>2</sup>
6·104 см<sup>-1</sup>
Распределение Больцмана позволяет определить количество частиц на заданной высоте и, соответственно, число частиц в единице объема. Считая, что распределение числа частиц по высоте каждого слоя подчиняется закону Больцмана, а в однородном поле силы тяжести потенциальная энергия частиц зависит от высоты получим:
i
0
где N - количество частиц в слое; N - общее количество частиц; m - масса частицы; g - ускорение свободного падения; h - высота сосуда; Т - температура окружающей среды; k - постоянная Больцмана.
Считая, что частицы имеют сферическую форму получаем:
где r - радиус частиц; σ - свободная энергия; Т - температура окружающей среды; k - постоянная Больцмана.
Запишем уравнение (2) для частиц с радиусами 2,25 мкм и 7,5 мкм:
Логарифмируя уравнение (4), получаем:
Выражаем σ из уравнения (5):
2
2
Как показывает расчет, энергия уменьшается до 2,49 (эрг/см) при норме 12-24 (эрг/см), что способствует возрастанию диффузионных процессов и росту кристаллов гидроокиси кальция и трехкальциевого гидросиликата, которые срастаясь образуют прочный кристаллический каркас.
Произведенный расчет дает уменьшение энергии в 5 раз, следовательно, согласно закону Фика ускоряет диффузию.
Характерная особенность жидкости состоит в том, что в ней могут распространяться лишь продольные волны разряжения сжатия, соответственно колебания дисперсных частиц происходят параллельно направлению распространения волны, и деформация представляет комбинацию всестороннего сжатия (растяжения) и частичного сдвига.
В результате образуется дисперсная матрица с равномерно распределенными частицами. Введение такого раствора в порошкообразное вяжущее вызывает интенсивное взаимодействие клинкерных минералов с водой, причем в результате диффузионных процессов клинкерные зерна концентрируются около центров кристаллизации, распределенных в маточном растворе. Это способствует формированию высокоорганизованной малодефектной структуры композита.
В результате, по сравнению с обычной технологией, прочность на сжатие возрастает в 2 раза (таблица 2).
Таблица 2
Результаты испытаний на сжатие опытных образцов
Срок
3 дня
7 дней
28 дней
Разработанный метод. Прочность, МПа
25,10
43,14
62,76
Обычный метод. Прочность, МПа
13,43
19,61
30,09
В таблице 2 представлена кинетика нарастания прочности. Из нее видно, что уже на 7 сутки у образцов, изготовленных на активизированном маточном растворе, она достигает марочного значения.
Из проведенного примера следует, что предварительная ультразвуковая обработка маточного раствора затворения позволяет перевести материалы на данной вяжущем в более высокую категорию. Следовательно, описанный способ оказывает большое влияния на технику, а также экономику производства строительных материалов и изделий.