СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СХВАТЫВАНИЯ И ТВЕРДЕНИЯ ВОДОЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ
METHOD FOR CONTROL OF SETTING AND HARDENING PROCESSES IN WATER-CEMENT SYSTEMS

Изобретение относится к области строительства, а именно к области строительных работ с использованием водоцементных систем, и может быть использовано при осуществлении строительных и ремонтных работ с использованием бетона или раствора на основе водоцементной смеси.
В основе разработанного технического решения лежит технология воздействия акустическими колебаниями ультразвукового диапазона, а также диапазона, прилегающего к ультразвуковому диапазону, на один из компонентов водоцементной смеси, а именно - на воду. Было экспериментально установлено, что вода способна аккумулировать энергию акустических колебаний с последующей трансформацией ее во внутреннюю энергию воды.
Достаточно широко известно использование акустических колебаний для определения качества бетонных сооружений, а также контроля кинетики материалов типа цементов.
Так известен (SU, авторское свидетельство 1193572) способ определения долговечности изделий из железобетона в условиях агрессивной воздушно-влажной среды. Согласно известному способу определяют скорость ультразвуковых колебаний в изделии и с учетом измеренных величин по ранее полученной калибровочной зависимости определяют искомый параметр.
Известен также (SU, авторское свидетельство 1104411) способ контроля структурных изменений бетона. Согласно известному способу в исследуемую среду вводят два электрода и измеряют разность потенциалов между ними. При проведении исследования в одном из электродов нормально его поверхности возбуждают механические колебания звуковой или ультразвуковой частоты, измеряют при этом величину возникающей переменной составляющей электрического потенциала, по изменению которой судят о структурных изменениях в бетоне.
Известен также (SU, авторское свидетельство 1629205) способ однородности контроля бетонной смеси. Согласно известному способу измеряют звуковые колебания вблизи корпуса бетономешалки, выделяют в качестве характеристических параметров интенсивность и спектр измеренных колебаний, а об однородности получаемой бетонной смеси, т.е. ее готовности, судят по появлению постоянных значений указанных характеристических параметров.
Все приведенные источники информации не раскрывают способов регулирования процессом схватывания и твердения водоцементных систем.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного способа, состоит в расширении арсенала средств воздействия на водоцементные смеси в процессе их схватывания и твердения.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа, состоит в обеспечении возможности управления указанными процессами схватывания и твердения водоцементных систем.
3
3
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ управления процессами схватывания и твердения водоцементных смесей. Согласно известному способу перед смешением воды и цемента воду обрабатывают акустическими (звуковыми) колебаниями частотой от 17,5 до 22,5 кГц до достижения уровня введенной в воду энергии от 3,0 до 40 кВт·ч на 1 м воды. Экспериментально установлено, что указанный диапазон частот наиболее приемлем для закачивания в воду энергии акустических колебаний. Количество закаченной энергии может быть проконтролировано по величине нагрева обрабатываемой воды (изменение температуры до 0,5°С). Максимальный эффект от обработки указанным способом воды, используемой для смешения с цементом, может быть достигнут в случае, если смешение цемента и обработанной воды осуществляют не ранее 2 минут после окончания обработки воды, но не позднее 60 мин. Для усиления указанного технического результата предпочтительно при обработке акустическими колебаниями в обрабатываемую воду добавляют углеродные наночастицы. Экспериментально установлено, что желательно добавлять наночастицы в количестве от 0,01 до 0,50 граммов на 1 кг цемента, используемый при смешении с водой. Обработка воды акустическими колебаниями в течение времени, достаточного для достижения уровня введенной в воду энергии от 3,0 до 40 кВт·ч на 1 м воды, обеспечивает равномерное распределение наночастиц по объему обрабатываемой воды. При введении наночастиц в обрабатываемую воду ее можно смешивать с цементом в интервале времени от 2 минут после окончания обработки воды до 5 суток. В предпочтительном варианте реализации используют наночастицы размером 50÷150 нанометров, хотя при незначительном отклонении от указанного диапазона (до 20%) получаемый технический результат лишь немногим хуже, чем при использовании указанного оптимального размера. При смешении обработанной воды и цемента в смесь можно добавить пластифицирующие добавки (разжижитель С - 3, Изола ФМ-86, ХДСК и т.д.).
Использование разработанного способа позволяет регулировать характеристики процесса схватывания и твердения, а также потребительские характеристики получаемого монолита.
В дальнейшем преимущества разработанного способа будут раскрыты с использованием примеров его реализации.
3
1. Портландцемент в количестве 1000 кг затворили водой в количестве 0,5 м. Время начала схватывания водоцементной смеси составило 3 часа 20 мин. Время окончания схватывания - 5 часов 5 мин. Прочность при сжатии составила - в 7-суточном возрасте - 20,3 МПа; в 28-суточном возрасте - 31,5 МПа.
3
3
2. Портландцемент в количестве 1000 кг затворили водой, в количестве 0,5 м предварительно обработанной акустическими колебаниями с основной частотой 20 кГц. Введенная энергия составила 5 кВт·ч (10 кВт·ч на 1 м воды). Температура воды увеличилась на 0,1°С. Воду смешали с портландцементом через 10 минут после окончания обработки. Время начала схватывания водоцементной смеси составило 2 часа 40 мин. Время окончания схватывания - 4 часа. Прочность при сжатии составила - в 7-суточном возрасте - 35,0 МПа; в 28-суточном возрасте - 47,1 МПа.
3. Способ реализовывали согласно примеру 2, но в процессе обработки акустическими колебаниями в воду добавили углеродные наночастицы - астралены в количестве 0,025 г на 1,0 кг цемента. Время начала схватывания водоцементной смеси составило 4 часа. Время окончания схватывания - 5 часа 30 минут. Прочность при сжатии составила - в 7-суточном возрасте - 28,7 МПа; в 28-суточном возрасте - 49,2 МПа.
4. Способ реализовывали согласно примеру 3, но воду использовали через 3 суток после окончания обработки. Время начала схватывания водоцементной смеси составило 3 часа 45 мин. Время окончания схватывания - 5 часа 15 минут. Прочность при сжатии составила - в 7-суточном возрасте - 32,9 МПа; в 28-суточном возрасте - 46,3 МПа.
5. Способ реализовывали согласно примеру 2, но воду использовали через 1 минуту после окончания обработки. Время начала схватывания водоцементной смеси составило 2 часа 25 мин. Время окончания схватывания - 3 часа 50 минут. Прочность при сжатии составила - в 7-суточном возрасте - 18,2 МПа; в 28-суточном возрасте - 29,4 МПа.
3
6. Смесь цементов: 800 кг портландцемента и 200 кг глиноземистого цемента затворили водой в количестве 0,5 м. Время начала схватывания водоцементной смеси составило 32 мин. Время окончания схватывания водоцементной смеси - 42 минуты. Прочность на изгиб через 2 суток составила 0,9 МПа, а при сжатии - 0,6 МПа. Прочность при сжатии составила - в 7-суточном возрасте - 20 МПа; в 28-суточном возрасте - 37 МПа.
3
7. Способ реализовали согласно примеру 6, но воду перед затворением обработали акустическими колебаниями с основной частотой 22 кГц при количестве введенной энергии 12 кВт·ч/м. Изменение температуры воды составило 0,2°С. Воду смешивали со смесью цементов через 5 минут после окончания обработки. Время начала схватывания водоцементной смеси составило 21 мин. Время окончания схватывания водоцементной смеси - 28 минут. Прочность на изгиб через 2 суток составила 3,8 МПа, а при сжатии - 5,4 МПа. Прочность при сжатии составила - в 7-суточном возрасте - 28,4 МПа; в 28-суточном возрасте - 39,6 МПа.
8. Способ реализовали согласно примеру 7, но в воду при обработке акустическими колебаниями добавили 0,4 кг наночастиц размером 50-150 нм. Воду смешивали со смесью цементов через 5 минут после окончания обработки. Время начала схватывания водоцементной смеси составило 50 мин. Время окончания схватывания водоцементной смеси - 1 час 10 минут. Прочность на изгиб через 2 суток составила 4,3 МПа, а при сжатии - 5,2 МПа. Прочность при сжатии составила - в 7-суточном возрасте - 27 МПа; в 28-суточном возрасте - 40,9 МПа.
3
9. Портландцемент в количестве 1000 кг затворили водой, которую предварительно обработали акустическими колебаниями с основной частотой 20 кГц и добавили пластифицирующую добавку - С - 3. Введенная энергия составила 8 кВт·ч на 1 м воды. Изменение температуры воды составило 0,2°С. Прочность при сжатии составила - в 7-суточном возрасте - 49,4 МПа; на изгиб - 8,8 МПа; в 28-суточном возрасте - 62,2 МПа.
Подбирая введенную в воду энергию акустических колебаний, время выдержки обработанной воды, а также введя, при необходимости, наночастицы, можно регулировать время начала схватывания и время окончания схватывания, а также потребительские характеристики получаемого продукта.