ЦЕМЕНТНО-ПОЛИМЕРНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ АНТИКОРРОЗИОННОЙ И АБРАЗИВНОЙ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ СИСТЕМ ТЕПЛОВОДОСНАБЖЕНИЯ
CEMENT-POLYMER MIXTURE FOR ANTICORROSION AND ABRASIVE PROTECTION OF INNER SURFACES OF STEEL PIPES OF HEAT AND WATER SUPPLY SYSTEMS

Изобретение относится к строительным материалам, в частности к цементно-полимерным смесям, используемым для антикоррозионной и абразивной защиты внутренних поверхностей стальных трубопроводов, в частности стальных сетей тепловодоснабжения и цилиндрических резервуаров.
Известна композиция (Патент РФ №2149219) для защиты от коррозии и солеотложения систем водоснабжения, включающая фосфорную кислоту, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит гидроксиды и карбонаты щелочных металлов, диоксид кремния или растворимое стекло при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Фосфорная кислота - 66,5-72,0
Гидроксид натрия, или карбонат натрия, или их смесь (в пересчете на оксид натрия) - 14,5-19,5
Оксид кальция, или гидроксид кальция, или карбонат кальция, или их смесь (в пересчете на оксид кальция) - 6,5-9,5
Оксид магния, или гидроксид магния, или карбонат магния, или их смесь (в пересчете на оксид магния) - 0,9-3,0
Гидроксид калия, или карбонат калия, или их смесь (в пересчете на оксид калия) - 0,9-3,7
Диоксид кремния или растворимое стекло (в пересчете на диоксид кремния) - 0,8-2,2.
Недостатком известной композиции является относительная сложность и длительность ее приготовления: сначала указанные ингредиенты расплавляют при температуре выше 900°С с последующим выдерживанием расплава в течение 10-30 мин, затем перемешивают и охлаждают со скоростью охлаждения не менее 150°С/мин. Это практически исключает возможность оперативного применения машинного способа нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность стальных трубопроводов без снижения основных физико-механических характеристик затвердевшего материала.
Известна полимерная композиция (Патент РФ №2168477), содержащая вяжущее на основе полимера и минеральный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве вяжущего она содержит циклолинейный силоксановый блок-сополимер с отвердителем в виде оловоорганического компонента при содержании отвердителя 3-5 мас.ч. на 100 мас.ч. блок-сополимера, а в качестве наполнителя изоляция содержит смесь 5-15 мас.ч. минерального порошка в виде пыли муки от камнедробления и от сит, 65 - 89 мас.ч. строительного песка и 15-25 мас.ч. силикатной содовой муки, а также изоляция содержит гранулы из смеси полиэлектролитного гидрогеля с негашеной строительной известью, которые перед смешиванием с минеральным наполнителем орошают водой, при содержании полиэлектролитного гидрогеля в гранулах 5-8 мас.ч. на 100 мас.ч. массы гранулы и при абсолютной влажности гранул 25% при следующем содержании указанных компонентов, мас.ч.:
Циклолинейный силоксановый блок-сополимер с отвердителем - 3-10
Минеральный наполнитель - 88-96
Гранулы полиэлектролитного гидрогеля с негашеной строительной известью - 1-2.
Недостатком известной композиции является относительно низкая плотность защитного слоя и его механическая прочность, а также невозможность получить защитное покрытие заданной толщины на внутренних поверхностях стальных трубопроводов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является полимерная композиция холодного отверждения (Патент №2191317) на основе эпоксидных диановых смол, содержащих в качестве отвердителя основание Манниха (А) общей формулы
2
2
4
2
2
4
где R -(СН)n- или -(CHNHCH)n-, n=1-10, представляющее собой продукт конденсации фенола, альдегида и алифатического амина, отличающаяся тем, что в составе смоляной части она дополнительно содержит эпоксидную алифатическую смолу в соотношении диановая смола: алифатическая смола от 20:30 до 95:5 и порошковый наполнитель, а в составе отвердителя - дополнительно основание Шиффа (Б), представляющее собой продукт взаимодействия алифатического ди- или полиамина с кетоном при соотношении А-Б от 5:95 до 95:5, при этом композиция содержит в массовых частях:
Смоляная часть - 100
Отвердитель - 10:60
Порошковый наполнитель - 20:800.
Недостатком известного технического решения является относительная сложность нанесения композиции на внутреннюю поверхность трубопровода и невозможность получения покрытия заданной толщины, при относительно низкой трещиностойкости покрытия в условиях циклического изменения температуры от 20-30°С до 130-150°С транспортируемой воды в стальном трубопроводе.
Поставленная техническая задача решается тем, что цементно-полимерная смесь для антикоррозионной и абразивной защиты внутренних поверхностей стальных трубопроводов систем тепловодоснабжения, включающая цементное вяжущее, строительный песок, полимерную добавку, комплексный регулятор подвижности и воду, отличающаяся тем, что в качестве полимерной добавки смесь содержит продукты полимеризации или сополимеризации органических мономеров при их стехиометрическом соотношении из группы: бутадиен, метилакрилат, или акрилонитрил, или метилметакрилат, или метакрилонитрил, или изопрен, или стирол, или их двойные смеси при массовом соотношении компонентов полимерных добавок, равным 1:1, в виде их водных дисперсий, а в качестве комплексного регулятора подвижности она содержит редиспергируемые в воде синтетические олигомерные продукты поверхностно-активных веществ анионно-катионного типа в смеси со сложными эфирами целлюлозы или крахмала при следующем соотношении компонентов цементно-полимерной смеси, мас.%:
Цементное вяжущее
37-50
Строительный песок
32-40
Полимерная добавка
1,5-4,5
Комплексный регулятор подвижности
0,18-0,42
Вода
Остальное
при этом в качестве строительного песка использовали кварцевый песок следующего фракционного состава:
Диаметр отверстий на ситах, мм
1,25
0,63
0,315
0,16
Поддон
Частные остатки на ситах, %
-
25-30
65-70
4-6
0,5-2,5
Предложенная цементно-полимерная смесь указанного состава обеспечивает получение защитного покрытия проектной толщины на внутренних поверхностях стальных трубопроводов при требуемых параметрах по подвижности и удобоукладываемости свежеприготовленной формовочной смеси, ее сохраняемости во времени, удобоукладываемости и относительно высоких физико-механических характеристиках по механической прочности, трещиностойкости, адгезионной прочности и долговечности в реальных условиях эксплуатации.
Испытания предложенной цементно-полимерной смеси проводили как на образцах лабораторного типа, так и в технологии восстановления действующих сетей стальных трубопроводов в системе коммунального тепловодоснабжения.
Для приготовления формовочной цементно-полимерной смеси использовали следующие материалы: портландцемент классом не ниже ЦВМ I 42,5 по ГОСТ 31108-2008, песок кварцевый фракционированный по ГОСТ 8735-88 нижеследующего фракционного состава с частными остатками (масс.%): 25-30, 65-70, 4-6 и 0,5-2,5 соответственно на ситах с диаметром отверстий (мм): 0,63, 0,315, 0,16 и на поддоне; в качестве полимерной добавки использовали продукты полимеризации бутадиена и стирола, а также стирола и метакрилата в виде водных дисперсий 50%-ной концентрации, в качестве комплексного регулятора подвижности использовали смесь синтетических олигомерных поверхностно-активных веществ анионно-катионного типа и сложных эфиров целлюлозы или крахмала по ТУ 5730-001-86549669-11.
Приготовление формовочной полимерно-цементной смеси осуществляли в смесителе лабораторного типа с горизонтальным валом при скорости вращения 60 об/мин. В смеситель при работающей мешалке последовательно подавали расчетное количество воды затворения, комплексного регулятора подвижности, цементного вяжущего, песка и полимерной добавки с последующим перемешиванием компонентов до получения тщательно гомогенизированной однородной смеси без комков и сгустков, из которой готовили стандартные образцы-кубы лабораторного типа по ГОСТ 5802-86 и ГОСТ 310-81 с длинной ребра 3, 4 и 7 см, а также пластины-лепешки диаметром 70-90 мм и толщиной 5-7 мм с последующим их испытанием на механическую и адгезионную прочность, трещиностойкость и долговечность.
Примеры составов цементно-полимерной смеси и достигаемый технический результат ее осуществления в качестве антикоррозионной и абразивной защиты внутренних поверхностей стальных трубопроводов систем тепловодоснабжения приведены в табл.1 и 2.
Составы цементно-полимерной смеси
Таблица 1
Наименование компонента
Содержание компонентов, масс.% для составов:
1
2
3
4
5
6 (по прототипу)
(за пределами)
Цементное вяжущее
37
43,5
50
35
52
-
Строительный песок
40
36,0
32
41
31
-
Полимерная добавка
4,5
3,0
1,5
5,0
1,3
-
Комплексный регулятор подвижности
0,42
0,3
0,18
0,5
0,15
-
Вода
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
-
Смоляная часть, масс.ч.
-
-
-
-
-
100
Отвердитель, масс.ч.
-
-
-
-
-
35
Порошковый наполнитель в частности цемент, масс.ч
-
-
-
-
-
50
Физико-технологические свойства формовочной цементно-полимерной смеси и физико-механические свойства защитного покрытия
Таблица 2
№№ п/п
Наименование параметра
Ед.изм.
Значение параметра для составов:
1
2
3
4
5
6 (по прототипу)
(за пределами)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
Начальная подвижность свежеприготовленной цементно-песчаной смеси
мм
160
160
160
160
160
160
2
Время сохранения подвижности, ч, через:
0,5
ч
158
155
160
160
150
135
1,0
153
150
154
155
140
110
1,5
148
142
149
150
132
<105
2,0
145
140
146
147
105
<105
3
Предел прочности при сжатии
МПа
50,0
53,5
58,3
46,2
49,5
54,7
4
Возможность машинного способа нанесения слоя покрытия заданной толщины
Да/нет
да
да
да
да
да
нет
5
Адгезионная прочность*, трещиностойкость
Выдерживает/не выдерживает
выдерживает
Не выдерживает
Не выдерживает
6
Долговечность, не менее
Год
10
10
10
<10
<10
<10
* выдерживает не менее 45 циклов попеременного нагрева в кипящей воде в течение 5 мин пластины - лепешки нанесенной на металлическую подложку с последующим нагревом в кипящей воде до 100°С и резким охлаждением до +10°С в течение 5 мин.
Анализ табл.1 и 2 показывает, что техническим результатом предлагаемой цементно-песчаной смеси в пределах заявленных условий является:
- сохранение подвижности свежеприготовленной формовочной смеси на уровне не менее 140 мм в заданном временном интервале (до 2 ч) (см. составы 1-3 табл.2);
- обеспечивает возможность использования машинного способа нанесения покрытия заданной толщины;
- гарантирует относительно высокую трещиностойкость и адгезионную прочность покрытия к металлической поверхности;
3
- применение в цементно-полимерной смеси кварцевого песка указанного гранулометрического состава позволяет получать покрытия максимально плотной упаковки при средней плотности не менее 2200 кг/м, что способствует достижению относительно высоких физико-механических характеристик защитного слоя по всем заявленным параметрам качества.
Применение цементно-полимерной смеси за пределами заявленных условий и составов по прототипу не приводит к достижению желаемых результатов (см. составы 4-6).