Способ активации воды затворения, цементная матрица с активированной водой затворения, применение способа активации воды затворения для повышения грибостойкости цементной матрицы
METHOD FOR ACTIVATION OF GAUGING WATER, CEMENT MATRIX WITH ACTIVATED GAUGING WATER, USE OF ACTIVATION METHOD OF GAUGING WATER TO INCREASE FUNGUS-PROOFING OF CEMENT MATRIX

Группа изобретений относится к строительным материалам, а именно к способам защиты строительных материалов от воздействия грибковых заражений и может быть использовано в процессах производства строительных композиционных материалов, на основе минеральных вяжущих.
Строительные материалы и изделия на основе цементного вяжущего в процессе эксплуатации подвергаются разрушающему действию биологически активных сред. Биологическая коррозия становится существенным факторов надежности и долговечности зданий и сооружений. Мицелиальные грибы, бактерии, актиномицеты в процессе своей жизнедеятельности способны, если не полностью разрушить конструкцию, то, во всяком случае, значительно снизить эксплуатационные характеристики материалов, использованных для ее получения. В последние годы отмечается рост разнообразия и численности микроорганизмов, вызывающих биоповреждения материалов и сооружений. Возросла агрессивность известных видов (Соломатов В.И. Биологическое сопротивление материалов / В.И. Соломатов, В.Т. Ерофеев, В.Ф. Смирнов и др. – Саранск: Изд-во Мордов. гос. ун-та, 2001. – 194 с.).
К настоящему времени разработан широкий спектр методов и технологий, дающих возможность проводить регулирование структуры и свойств цементных композитов. К таким методам можно отнести воздействие на воду затворения различных источников активации (магнитное поле, электрическое поле, ультразвук, механическое и тепловое воздействие, лазерное излучение и т.д.). Результаты исследования ученых и практиков в этом направлении позволяют констатировать, что при этом возрастает прочность бетонных изделий, улучшается удобоукладываемость бетонных смесей. В последнее время отмечается перспективность использования обработки воды с помощью электромагнитного поля и электрического тока.
Известен способ получения жидкости затворения цемента, включающий электрохимическую обработку асимметричным переменным током водопроводной воды в трехкамерном электролизере с ионселективными мембранами с последующим использованием воды, отобранной из анодной камеры, средней или катодной камер для затворения цемента (RU 2533564, МПК C04B 40/00, опубл. 20.11.2014).
В основу известного решения положена задача повышения эффективности обработанной жидкости затворения. Технический результат заключается в повышении морозоустойчивости бетонной смеси, увеличении степени гидратации цемента и прочности цементного камня в ранние сроки твердения, но при этом отсутствуют антигрибковые свойства и показатели биостойкости состава цемента.
3
3+
Известен способ затворения формовочных смесей, включающий смешивание сухих компонентов и подготовку воды затворения путем пропускания ее между электродами, при подаче на них переменной или постоянной разности потенциалов, со скоростью движения и силой электротока, обеспечивающих плотность насыщенности зарядом, прошедшей между электродами воды не менее 825 кКл/м. Воду затворения при электролизе насыщают ионами Fe металла электрода до концентрации ионов железа 30-35 %, предварительно в указанную воду вводят раствор аскорбиновой кислоты в количестве 0,1 г/л (RU 2528718, МПК C04B 40/00, опубл. 20.09.2014).
В известном способе увеличивается подвижность формовочных смесей без увеличения общего количества воды затворения в результате чего значительно улучшаются эксплуатационные характеристики готовых изделий. Однако и в этом случае не изучены показатели грибостойкости и фунгицидности формовочной смеси.
Известен способ активации воды для строительных растворов и смесей, включающий обработку воды затворения методом электролиза при постоянном напряжении тока 100-200 В в течение 10-40 мин в электролизной ванне и последующим смешением с сухими компонентами строительной смеси, причем для затворения строительных растворов и смесей используют воду из прикатодной зоны электролизной ванны, образованной путем помещения катода в проницаемую оболочку или отделения указанной зоны проницаемой перегородкой (RU 2355667, МПК С04B 40/00, C02F 1/461, опубл. 20.05.2009).
Известный способ позволяет ускорить схватывание строительного раствора, повысить его прочности. Не исследованы же показатели грибостойкости  и фунгицидности.
2
Известен способ активации воды затворения для цементных растворов и бетонов, в котором воду обрабатывают электрическим путем: проточную водопроводную воду непрерывно с постоянной скоростью пропускают через электролизер снизу вверх. Электролизер имеет железные электроды, выполненные из стали марки Ст.3, на них подают постоянный ток плотностью 68,3-76,1 А/м. При этом вода насыщается гидроокисью железа, состоящей из трех кристаллографических модификаций (α – Fe(ОН) : β – Fe(OH) : γ – Fe(OH)), которая поступает в виде добавки в строительный раствор из расчета 62 мг железа на 1 л воды. Одновременно с образованием гидроокиси железа происходят структурные изменения других примесей, находящихся в воде. Соли кальция кристаллизуются в форме арагонита (SU 1662943, МПК С02F 1/46, C 04B 22/00, опубл. 15.09.1991).
В известном решении наличие в воде затворения оксигидрата железа, солей кальция, магния и других примесей, с измененной кристаллической решеткой приводит к увеличению скорости гидратации вяжущего (цемента) и соответственно к возрастанию скорости твердения бетонов и строительных растворов и, как следствие, к повышению твердости, морозостойкости, водонепроницаемости и уменьшению времени затворения при изготовлении изделий. Не исследованы показатели грибостойкости и фунгицидности.
Известен способ приготовления строительных растворов, включающий смешивание цемента, наполнителя и воды затворения. Строительный раствор приготавливают на активированной воде и укладывают на предварительно смоченную активированной водой поверхность. Активация происходит в результате воздействия на воду звуковых колебаний в диапазоне частот 100-140 кГц при мощности излучателя 9-27 Вт в течение 3-4 ч (RU 2380344, МПК C04B 40/00, C02F 1/34 , опубл. 27.01.2010).
В известном способе повышается прочность при сжатии материала, однако не изучены показатели грибостойкости и фунгицидности.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является электрохимическая и электромагнитная активация воды затворения цементных композитов, которая способствует твердению материалов с момента их производства и продолжается в течение всего периода, то есть последствие активационной обработки проявляется в композиционных материалах в течение длительного времени их службы благодаря явлениям структурной наследственности и сохранения определенной направленности гидратационного процесса, заданного на первоначальных этапах преобразования вяжущего в пластичной цементной дисперсии.
+
–
Электромагнитная обработка заключается в пропускании потока воды через электромагнитное поле. В общем случае его действие на движущуюся воду сводится к действию сил Лоренца на заряженные частицы и непосредственному действию магнитного поля на магнитный момент молекул. Обработка природной воды магнитным полем приводит к взаимодействию поля с частицами, находящимися в воде и обладающими ферромагнитными свойствами – оксидные и гидроксидные соединения, образующимися в ходе электрохимического окисления железа. Действие электромагнитного поля способствует деформации и (или) разрушению водородных связей между молекулами воды в аквакомплексах (кластерах) и, вследствие этого, изменению величины поверхностного натяжения воды. Электрохимическая активация основана на свойстве растворов, подвергнутых электрохимическому воздействию, переходить в неравновесное состояние, проявляющих при этом каталитическую активность и повышенную реакционную способность в окислительно-восстановительных, кислотно-основных и других сопряженных с ними, реакциях. При обработке воды затворения электрическим полем в системе растворимых электродов основным фактором, влияющим на образование дисперсных частиц в области слабых напряженностей электрического поля, являются электрохимические процессы растворения металлических электродов с последующим образованием гидроксидов металла. Многовалентные гидроксиды алюминия или железа, образовавшиеся в результате электрохимического растворения электродов при наложении электрического поля, многовалентного и обладающего перманентным дипольным моментом с повышенным содержанием ионов Н и ОН, что влияет на формирование кристаллогидратной решетки твердого тела. За счет введения в раствор многовалентных ионов алюминия или железа, обладающих перманентным дипольным моментом, появляется возможность способствовать возникновению центров кристаллизации. Получающиеся при этом соединения, находящиеся в ультрадисперсной фазе (1…100 нм), определяют активность воды, используемой в процессах затворения строительных растворов. Дисперсная фаза оксидов и гидрооксидов железа (анодные продукты) и гидрооксидов кальция и магния – за счет катодного восстановления молекул воды, образуют временно устойчивую систему центров кристаллизации  в процессах перехода растворов цемента в фазу образования гелевых структур, способствующих образованию твердой фазы с более мелкокристаллической структурой. Электрохимическая и электромагнитная активация способствует изменению физико-химического состава воды: pH, содержание различных ионов, смачиваемость и т.д. Присутствие в жидкой фазе цементного теста различных ионов и молекул, поступающих в систему в результате воздействия электромагнитным и электрическим полями на воду затворения, определенным образом влияет не только на структуру воды затворения, но и на процессы адсорбции, растворения и поверхностной гидратации образующейся твердой фазы,  на свойства самого цементного композита (Активация воды для цементных композитов. Холдинг «МАКСИМИР». Режим доступа: http://www.maxmir-energy.ru/catalog-2.html. Дата доступа: 08.04.2019).
В известном способе улучшение структурных показателей, физико-механических свойств и долговечности бетонов и других цементных материалов достигается за счет применения активированной воды затворения. Прочностные свойства и грибостойкость материала улучшаются, но в известных пределах.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая группа изобретений, является получение активированной воды затворения, придающей цементной матрице с активированной водой затворения биостойкие (грибостойкие и фунгицидные) свойства за счет применения установки электрохимической и электромагнитной активации воды с медным растворимым анодом и адаптивной к изменяющимся физико-химическим свойствам исходной воды системой управления электрическим и магнитным полями, что позволяет обеспечить защиту против грибкового воздействия во всем объеме цементных матриц с улучшением их физико-механических и эксплуатационных показателей.
2
Сущность группы изобретений заключается в электрохимической и электромагнитной активации воды затворения, используемой в процессе производства строительных композиционных материалов, при ее прохождении между электродами электролитической камеры, в которой растворяющийся анод изготовлен из меди, с образованием с гидроксид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярных окисно-гидроокисных наноструктур, содержащих в связанном виде ионы одно- и двухвалентной меди и активации в рабочем канале электромагнитной камеры. Плотность электрического тока в электролитической камере составляет5,65…43,55 A/м, напряженность электромагнитного поля в рабочих зазорах электромагнитной камеры составляет24…135 кА/м. Обработку ведут до получения активированной воды затворения, содержащей окисно-гидроокисные соединения меди в количестве 0,2…10 ppm. Цементная матрица строительных композиционных материалов, полученная из смеси портландцемента и активированной воды затворения, содержащая указанные компоненты при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Портландцемент
78,9
активированная вода затворения
21,1
Способ активации воды затворения применяют для повышения грибостойкости цементной матрицы.
В табл. 1 показаны рекомендуемые режимы активации и их параметры, в табл. 2 – составы цементных матриц, табл. 3 – свойства цементных матриц.
Способ электрохимической и электромагнитной активация заключается в последовательном пропускании потока воды (природной или технической) или водных растворов через электролитическую камеру, в которой растворяющийся анод изготовлен из меди, с образованием с гидроксид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярных окисно-гидроокисных наноструктур, содержащих в связанном виде ионы одно- и двухвалентной меди и через канал электромагнитной камеры.
Активация воды затворения цементных композиций производится с использованием установки для противонакипной обработки водных систем УПОВС2-5.0 «Максмир» (ЖЗ-201). Данная установка представляет собой многоконтурную программирующую систему, содержащую в самой себе три циркуляционных контура, способных обеспечить эффект на безвозвратных потоках.
Установка состоит из двух основных частей: камер электрохимической и электромагнитной активации. Камера электромагнитной активации состоит из корпуса; внутреннего магнитопровода с входным и выходным патрубками; наружного магнитопровода, который является секционным и набирается из отдельных магнитных блоков, закрепляемых к корпусу аппарата. Расположенная внутри установки камера электрохимической активации состоит из соосно прикрепленных катода и анода, работающие в настроенных диапазонах напряжения и тока. Наличие трех каналов в установке удлиняет путь пробега водяного потока и, следовательно, время воздействия на него. Предусмотрен автоматический воздухоотводчик для выпуска воздуха и газов из верхней части аппарата.
Поступающая в установку вода после прохождения через магнитный фильтр проходит через отверстия в пластиковой опоре катода в зону электрохимической активации, между анодом и катодом. Далее вода через центр анода попадает в камеры электромагнитной обработки, где подвергается электромагнитному воздействию. Затем вода через выпускной коллектор подается в систему потребления. Длина протока воды в зоне непрерывного воздействия электромагнитного поля для одной камеры составляет 0,5 м. Суммарная длина зоны воздействия рабочих каналов и камеры электрохимеческой активации в полости внутреннего магнитопровода составляет около 1,5 м, что значительно повышает эффект воздействия электромагнитного поля.
В рабочих зазорах аппарата создается непрерывное электромагнитное поле с чередующимся направлением векторов магнитной индукции.
j
Н
max
max
2
С целью достижения высоких стабильных значений степени активации воды затворения и получения ее с заданными свойствами в зависимости от физико-химических свойств обрабатываемой воды и производительности используется гибкая настройка установки. Режим работы установки может быть выбран по параметрам плотности электрического тока в камере электрохимической активации  в пределах 5,65…43,55 A/м и напряженности электромагнитного поля в рабочих зазорах камеры электромагнитной активации  в пределах 24…135 кА/м. Рекомендуемые режимы и их параметры представлены в таблице 1.
В заявленном изобретении в процессе активации в воду затворения вводят окисно-гидроокисные соединения меди в количестве 0,2…10 ppm, образующиеся при ее прохождении между электродами электролитического модуля, один из электродов которого изготовлен из меди, анодно-растворяющегося с образованием с гидрооксид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярных окисно-гидрокисных наноструктур, содержащие в связанном виде ионы одно- и двухвалентной меди.
Содержание ионов в воде определяют аналитическим способом по методике (Руководство по химическому и технологическому анализу воды. М.: Стройиздат, 1973. – 306 с.).
Цементная матрица строительных композиционных материалов, полученная из смеси портландцемента и воды затворения, активированной вышеуказанным способом, содержащая указанные компоненты при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Портландцемент
78,9
активированная вода затворения
21,1
Для получения составов цементных матриц использовались следующие компоненты: портландцемент ЦEM I 42,5 Б соответствующий ГОСТ 31108-2003; вода, отвечающая требованиям ГОСТ 23732-2011, для затворения бетонов и строительных растворов. Предварительно производят активацию воды затворения по вышеописанному способу.
Способ получения цементных композитов, в качестве которых рассматриваются матрицы в строительных композиционных материалах, заключается в следующем. Производят весовую дозировку компонентов. В работающем смесителе портландцемент смешивают совместно с активированной водой затворения. Смесь тщательно перемешивают до получения однородной массы. Приготовленную смесь укладывают в стальные формы. Уплотняют смесь на виброустановках. Через сутки готовые образцы для испытания на прочность и биологическую стойкость в виде балочек с размерами 4×4×16 см извлекают из форм и отверждают при нормальных температурно-влажностных условиях в течение 28 суток. Далее для испытания на грибостойкость из образцов-балочек выпиливаются пластинки с размерами 30×30×2 мм.
Предлагается применение способа активации воды затворения, полученной вышеуказанным способом, для повышения грибостойкости цементных матриц.
Обрастаемость мицелиальными грибами определяют на образцах цементного камня по ГОСТ 9.049-91 методами 1 (без дополнительных источников углеродного и минерального питания) и 3 (на твердой питательной среде Чапека-Докса) с установлением грибостойкости и фунгицидности.
Составы № 4-6 обладают наилучшими показателями биологической стойкости (табл. 3).
Предлагаемый способ отличен тем, что с целью снижения общей концентрации антигрибкового вещества и снижения его экологического воздействия вводят в воду затворения при ее прохождении между электродами электролитического модуля, один из электродов которого изготовлен из меди (положительный потенциал источника постоянного тока) и при окислении которого в воду затворения выделяются ионы меди, образующие с гидрооксид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярные окисно-гидроокисные наноструктуры, содержащие в связанном виде ионы одно- и двухвалентной меди. При использовании данной электрохимически и электромагнитно обработанной воды в процессе затворения цемента образующиеся окисно-гидроокисные наноструктуры меди органически связываются со структурными компонентами цементной композиции, обеспечивая фунгицидные свойства образующегося камня.
Таким образом, изобретение позволяет получить активированную воду затворения, придающую цементным матрицам грибостойкие и фунгицидные свойства за счет применения установки электрохимической и электромагнитной активации воды с медным растворимым анодом и адаптивной системой управления электрическими и магнитными полями, что позволяет обеспечить зоны защиты против грибкового воздействия во всем объеме цементных композиционных материалов.