Композиция для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов
COMPOSITION FOR THE RESTORATION OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES OF COMMUNICATION COLLECTORS

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к производству бетонных и железобетонных смесей и изделий, ремонтных строительных растворов, которые могут быть использованы для восстановления и ремонта бетонных и железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов, других видов строительных материалов на основе цемента.
Известна комплексная добавка, вводимая в бетонные смеси и строительные растворы в количестве 4-8% от массы цемента, для повышения сроков схватывания и набора прочности бетона в ранние сроки твердения и водонепроницаемости бетона, содержащая цитрат натрия трехзамещенный технический безводный, полученный обработкой цитрата натрия трехзамещенного двуводного при температуре 200°С в течение 2-3 часов, и сульфат алюминия при их соотношении 75-80 и 20-25 мас % (Патент РФ №2610458). Смешивание порошкообразного сульфата алюминия и обезвоженного цитрата трехзамещенного осуществляют в шаровой мельнице в течение 1 часа. Недостатками предложенного метода повышения прочности строительных растворов и бетонов является относительно низкая прочность бетонов и ремонтных составов, а также большая продолжительность обработки трехзамещенного двуводного цитрата натрия.
3
Известен способ приготовления цементных строительных растворов, включающий облучение строительного состава, после его затворения водой, электромагнитным полем сверхвысокой частоты в диапазоне частот 500-5000 МГц при удельной мощности облучения 0,1-10 Вт/см в течение 5-300 с, сопровождающийся нагревом строительного раствора до температуры 20-60°С (Патент РФ №2612173). Недостатком данного способа приготовления строительных растворов является технологическая сложность его применения при выполнении работ по ремонту и восстановлению бетонных и железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов, а также низкая прочность ремонтных составов при изгибе и растяжении.
-2
-2
-16
2
3
Известен способ ускорения процессов гидратации цемента и повышения скорости набора прочности цементных растворов и бетонов, основанный на использовании для их производства водоцементной суспензии, обработанной низкотемпературной плазмой с последующим совмещением ее с минеральным вяжущим и заполнителями для приготовления формовочных масс. Водоцементную суспензию обрабатывают в течение от 1⋅10 до 5⋅10 с. низкотемпературной плазмой со значением параметра Е/N=15⋅10 В⋅см, где Е - напряженность электрического поля, N - суммарная концентрация частиц плазмы при значениях удельного энерговклада, превышающего 1 кВт/м и напряженности электрического поля более 1 кВ/мм в искровом разряде (Патент РФ №2695212). Недостатком данного способа является недостаточная скорость набора прочности в ранний период твердения бетона и невысокая прочность бетонов и строительных растворов при растяжении и изгибе.
Известна ремонтно-гидроизолирующая композиция на основе смеси портландцемента марки ПЦ - 500 Д0 и высокоглиноземистого и/или гипсоглиноземистого цемента, содержащая фракционированный кварцевый песок, волластонит, безхлорную химически активную добавку, неуплотненный микрокремнезем и порошкообразный гиперпластификатор, водорастворимый целлюлозный загуститель, винилацетат-этиленовый полимер и сополимер акриловой кислоты, пеногаситель и расширяющую добавку, минеральную или синтетическую фибру и воду затворения (Патент РФ №2471738). Недостатками предложенной композиции являются ее многокомпонентность длительные сроки набора прочности и относительно низкие прочностные характеристики отвержденной композиции при растяжении и изгибе.
Известна ленточная шовная композиция сохнущего типа для стеновых плит, содержащая связующее, систему загустителей, наполнитель, воду, биоцид, глину, слюду и 0,05-0,15 мас. % нанокристаллическую целлюлозу диаметром менее 60 нм в качестве добавки, улучшающей сопротивление растрескиванию шовной композиции при сушке (Патент РФ №2627057). В шовной композиции в качестве связующего используют поливиниловый спирт, этиленвинилацетатный латекс, крахмал, козеин, полиакрилоамид, сополимер акриламида и акриловой кислоты или их комбинацию. Недостатком известной шовной композиции является сложность ее применения при восстановлении строительных конструкций коммуникационных коллекторов.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является композиция для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов, состоящая из портландцемента, фракционированного кварцевого песка 1 класса (фракция менее 0,5 мм и 0,5-2,0 мм) после его 2-х кратной обработки низкотемпературной неравновесной плазмой (НТНП) в плазмохимическом реакторе, воды затворения, состоящую из смеси обычной воды, соответствующей ГОСТ 23732 - 2011, и воды, обработанной НТНП в плазмохимическом реакторе, при их соотношении 1:1, и минеральной фибры, в качестве которой применяют отходы производства структурированного ферромагнитного микропровода диаметром 5-35 мкм и длиной 10-15 мм (Патент РФ №2745107). Недостатком известной композиции для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов является недостаточно высокие прочностные характеристики при растяжении и изгибе и водонепроницаемость затвердевшей композиции.
Технический результат изобретения - повышение скорости твердения цемента, водонепроницаемости, прочности при растяжении и изгибе композиций для восстановления и ремонта бетонных и железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов.
Технический результат достигается тем, что для получения композиции для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов используют цементное вяжущее, фракционированный кварцевый песок, прошедший 2-х кратную обработку низкотемпературной неравновесной плазмой, бесхлорную химически активную добавку, металлическую фибру, представляющую собой отходы производства структурированного ферромагнитного микропровода диаметром 5-35 мкм и длиной 10-15 мм и воду затворения, при этом для ее получения дополнительно используют водную суспензию нанокристаллической целлюлозы, содержащей 0,7-4,8 мас. % НКЦ, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
цементное вяжущее
22,72-25,15
фракционированный кварцевый песок
после 2-кратной обработки НТНП
63,33-67,74
бесхлорная химически активная добавка
0,32-0,45
отходы производства структурированного
ферромагнитного микропровода диаметром 5-35 мкм
и длиной 10-15 мм
0,05-0,25
водная суспензия нанокристаллической целлюлозы,
содержащей 0,7-4,8 мас. % НКЦ,
3,81-8,57%
вода затворения
остальное.
-16
2
3
-2
2
Для плазменной обработки фракционированного кварцевого песка применяли плазмотрон, состоящий из внутреннего стержневого электрода, помещенного внутрь внешнего кольцевого электрода, между которыми создается область низкотемпературной неравновесной плазмы со значением параметра Е/N=15⋅10 В⋅см, где Е - напряженность электрического поля, N - суммарная концентрация частиц плазмы при значениях удельного энерговклада, превышающем 1 кВт/м и напряженности электрического поля более 1 кВ/мм в искровом разряде. Время обработки кварцевого песка в установке НТНП составляет (1-5)⋅10 с. В результате плазмохимических процессов, протекающих на поверхности кварцевого песка при обработке НТНП происходит оплавление поверхности частиц SiO и уменьшение на 10-18% его водопотребности. При такой обработке поверхность кварцевого песка переходит из кристаллической структуры в аморфную.
Структурированный ферромагнитный микропровод представляет собой тонкий металлический сердечник в стеклянной изоляции (трехслойный композит), состоящий из металлического проводника диаметром 1-30 мкм, структурированного переходного слоя толщиной ≈5 нм и стеклянной изоляции толщиной 2-30 мкм. Технология получения структурированного ферромагнитного микропровода в стеклянной оболочке состоит в следующем: навеска ферромагнитного сплава помещается в стеклянную трубку с опаянным концом и вводится в индуктор высокочастотной установки. Под действием магнитного поля ферромагнитный сплав плавится и размягчает примыкающие к нему стенки стеклянной трубки. Путем прикосновения к донцу микрованны стеклянным штапиком, часть ее оболочки оттягивается на специальное приемное устройство в виде капилляра со сплошным металлическим заполнением в виде непрерывной теплопроводящей жилы. По пути от микрованны до приемного устройства микропровод проходит через кристаллизатор в виде струи охлажденного агента. В результате закалки расплава получают структурированный микропровод с аморфной и кристаллической структурой (патент РФ №2396621, Н01В 13/06).
Основные характеристики структурированного ферромагнитного микропровода представлены ниже:
структура
аморфная
температура плавления, °С
950-1150
плотность, кг/м<sup>3</sup>
7200-7300
прочность при растяжении, МПа
2500-4500%
относительное удлинение при разрыве, %
2,5-4,0
коэффициент линейного расширения, 10<sup>-6</sup>/°С
10,5-11,5
максимальная температура эксплуатации, °С
250.
Отходы производства структурированного ферромагнитного микропровода представляют собой волокна диаметром 5-35 мкм и длиной 10-15 мм. При содержании структурированного ферромагнитного микропровода 0,05-0,25% наблюдается значительное повышение прочности при растяжении и изгибе ремонтных составов, используемых для восстановления и ремонта железобетонных конструкций, подверженных динамическим воздействиям.
В качестве цементного вяжущего для производства композиций для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов используют портландцемент марки ПЦ 500 Д0 (ГОСТ 31108-2016) или его смесь с высокоглиноземистым цементом марки ГЦ-40; 50; 60; 70, ВВЦ (ГОСТ 11052-72, ГОСТ 969-2019) или глиноземистым цементом типа ГГРЦ (ГОСТ 11052-74). В качестве кремнеземистого компонента применяли фракционированный кварцевый песок 1 класса по ГОСТ 8736-2014, а в качестве бесхлорной химически активной добавки - формиат кальция и нитрат кальция или их сочетание. Фракционированный песок способствует образованию более плотной упаковки частиц в затвердевшей композиции и повышает водоудерживающую способность. Вода затворения соответствовала требованиям ГОСТ 23732-2011.
Нанокристаллическая целлюлоза является продуктом контролируемого гидролиза целлюлозосодержащего материала. Водную суспензию нанокристаллической целлюлозы(НКЦ) получали по методике, описанной в работе [Bondeson, D. Optimization of the isolation of nanocrystals from microcrystalline cellulose by acid hydrolysis / D. Bondeson, A. Mathew, &K. Oksman // Cellulose. -2006. - V. 13. - N2. - P. 171-180.] с некоторой ее модификацией. Указанная методика представляет собой контролируемый сернокислотный гидролиз исходной целлюлозы, в качестве которой использовали чистую целлюлозу, не содержащую лигнина, гемицеллюлоз и других веществ - микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ) (Sigma-Aldrich) или сульфатную целлюлозу (ГОСТ 3914-89). Гидролиз проводили в растворе серной кислоты (62%) при температуре 50°С в течение двух часов при интенсивном перемешивании. Модуль ванны составлял 3 г МКЦ на 100 мл раствора серной кислоты.
2
2
4
В стеклянный реактор с рубашкой охлаждения наливали 58 мл HO, затем медленно добавляли 52 мл HSO (98%) при охлаждении и перемешивании. Когда температура раствора достигала ~15°С вводили при перемешивании 3 г МКЦ. После этого охлаждение отключают и нагревают смесь до +50°С. При этой температуре осуществляем гидролиз МКЦ в течение 2-х часов. Остановку гидролиза проводили выключением нагрева и добавлением холодной воды, увеличивая реакционный объем в 6-10 раз. После этого отмывают суспензию от кислоты дистиллированной водой с чередованием центрифугирования (10 минут при 8000 об/мин) и удаления надосадочной жидкости. Этап центрифугирования прекращается после 5-6 промывок, контролируя процесс индикаторной бумагой.
После этого суспензию НКЦ обрабатывают ультразвуком (Sonorex DT100 Bandelin) и отмывают с помощью ионообменной смолы для удаления остаточных ионов. В качестве ионообменной смолы используют катионно-анионную смолу марки ТОКЕМ MB-50(R). Суспензию, предназначенную для очистки, нейтрализовали до рН~7,0 и добавляли 25 г ТОКЕМ MB-50(R) на 1 г целлюлозы. Для расчета требуемого количества смолы предварительно гравиметрически определяли концентрацию НКЦ в суспензии. Точный объем НКЦ отливали в чашку Петри и высушивали на воздухе до постоянной массы. Процесс очитки продолжается не менее 3-х суток с периодическим помешиванием. Затем отфильтровывают НКЦ от смолы и определяют ее концентрацию. Для получения суспензии НКЦ нужной концентрации используют ротационный испаритель. Сушку водных суспензий НКЦ можно проводить и методом полива в чашку Петри для получения пленки или методом сублимационной сушки для получения аэрогелей НКЦ. Сублимационную сушку водных суспензий НКЦ проводили в аппарате ЛС-500 при давлении 6 Па, температуре коллектора -54°С в течение 36-48 часов. Образцы предварительно замораживали при температуре -40°С в течение 2 суток. Аэрогели НКЦ можно использовать для повторного диспергирования в воде и некоторых органических растворителей.
Свойства водной суспензии нанокристаллической целлюлозы приведены ниже:
концентрация НКЦ в водной суспензии, мас. %
0,7-4,8
рН
4-7
размер частиц НКЦ, нм
150-250.
При получении композиций для восстановления железобетонных конструкций водную суспензию НКЦ предварительно совмещали с водой затворения в требуемом соотношении.
Для испытания композиции для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов готовили образцы, которые твердели в нормальных тепловлажностных условиях. Прочность образцов композиции при сжатии и изгибе определяли с помощью гидравлического пресса Unstron 3382 и разрывной машины WDW - 100Е по ГОСТ 5802 - 86, а сроки схватывания - по ГОСТ 5802 - 86. Прочность образцов композиций определяли через 1; 7; 14 и 28 суток их твердения. Водонепроницаемость определяли через 28 суток твердения образцов по ГОСТ 12730.5-2018.
Составы для получения композиций для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов по известному и заявленному способам представлены в таблице 1, а их физико-механические свойства - в таблице 2.
Из таблицы 1 следует, что содержание НКЦ в предложенной композиции может варьироваться в пределах от 0,025 до 0,41 мас. % в зависимости от ее концентрации в водной суспензии нанокристаллической целлюлозы.
Из данных таблицы 2 следует, что заявленная композиция для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов обладает высокой скоростью твердения, повышенными водонепроницаемостью и прочностью при растяжении и изгибе. Это особенно актуально для ремонтных композиций, используемых для восстановления железобетонных конструкций, подверженных динамическим воздействиям, в частности, для железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов. При этом оптимальной концентрацией НКЦ в ремонтной композиции является 0,13-0,20 мас. %.