СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ
METHOD OF PREPARING CONCRETE MIXTURE

Изобретение относится к области строительства, а именно к технологии приготовления бетонных смесей и изделий из них.
Известен способ активации цементного теста путем воздействия знакопеременного постоянного тока в электроактиваторе [1].
Недостатком данного способа является его низкая производительность, а также необходимость применения электрооборудования для выпрямления промышленного тока и его знакопеременного воздействия на цементное тесто.
Кроме того, развитая внутренняя поверхность электроактиватора, соприкасающаяся с бетонной смесью, затрудняет процесс ее очистки от налипшего цементного теста.
Наиболее близким из известных способов является способ раздельного приготовления бетонной смеси путем предварительного приготовления цементного теста в скоростном смесителе-активаторе с последующим его перемешиванием с заполнителем в бетоносмесителе до получения готовой бетонной смеси. Смеситель-активатор обеспечивает перемешивание цемента с водой при скорости вращения (18÷24) м/с [2].
Недостатком способа-прототипа является низкая скорость и степень гидратации цемента, длительное время схватывания цемента и низкая прочность бетонного камня.
Технической задачей, на решение которой направлен заявляемый способ приготовления бетонной смеси, состоит в повышение скорости и степени гидратации цемента, темпов твердения и прочности бетона.
2
2
Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе приготовления бетонной смеси, включающем перемешивание в смесителе-активаторе части расчетной дозы жидкости затворения с цементом, введение оставшейся части расчетной дозы жидкости затворения в бетоносмеситель с заполнителем, последующее введение полученной в смесителе-активаторе суспензии в бетоносмеситель и окончательное перемешивание полученной смеси, при этом в качестве жидкости затворения используют воду, которую предварительно заливают в смеситель-активатор в объеме (40÷70)% от расчетной (рецептурной) дозы жидкости затворения и в процессе заливки в смеситель-активатор ее активируют, для чего пропускают со скоростью (1÷2) м/с через поперечное магнитное поле, напряженность которого лежит в диапазоне (500÷2000) Э. Затем, после заливки упомянутой жидкости в смеситель-активатор, ее подвергают дополнительной вторичной активации путем кавитационной дезинтеграции, для чего на нее воздействуют ультразвуком, частота которого лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне средних частот ультразвука от 20 кГц до 75 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см до 2,5 Вт/см. Причем в процессе кавитационной дезинтеграции жидкости затворения в нее засыпают и перемешивают цемент. При этом одновременно с заливкой жидкости затворения в смеситель-активатор заливают в бетоносмеситель с заполнителем оставшуюся от расчетной (рецептурной) дозы часть жидкости затворения, в качестве которой используют воду, которую в процессе ее заливки в бетоносмеситель с заполнителем также пропускают со скоростью (1÷2) м/с через поперечное магнитное поле, напряженность которого лежит в диапазоне (500÷2000) Э. После перемешивания суспензии (цементного теста) в смесителе-активаторе в течение 1-1,5 минут ее переливают в бетоносмеситель и полученную смесь окончательно перемешивают в течение 1,5-2 минут.
Сущность изобретения состоит в следующем. На скорость и степень гидратации цемента большое влияние оказывают свойства жидкости затворения. Однако в обычной, даже очищенной при помощи фильтров воде, могут присутствовать органические вещества, например сахара и фенолы, которые замедляют нормальное протекание процесса гидратации цемента и тем самым снижают прочность бетона. При большом содержании фенолов и сахара схватывание бетонной смеси может вообще отодвинуться на неопределенное время. Поэтому в воде затворения количество сахаров или фенолов должно быть не более 10 мг/л каждого.
Особую опасность представляет присутствие в воде растворимых солей, сульфат-ионов и ионов хлора. Они могут вызвать неконтролируемое изменение сроков схватывания и скорости твердения бетона. Но самое главное - возникает опасность коррозии цементного камня и стальной арматуры в железобетоне. При большом количестве сульфат-ионов в бетоне начинается сульфатная коррозия, которая разрушает цементный камень и бетонную конструкцию в целом. Хлор-ионы вызывают коррозию не только в цементном камне, но и в стальной арматуре.
Растворимые в воде соли (при большом их содержании) после затвердевания бетона кристаллизуются в порах цементного камня и образуют на поверхности изделий солевые налеты - так называемые высолы, портящие внешний вид сооружений.
Поэтому для затворения бетонной смеси и поливки твердеющего бетона следует весьма осмотрительно применять питьевую воду, а также речную, озерную или воду из искусственных водоемов, так как использование любой из перечисленных видов воды не гарантирует того, что в ней полностью отсутствуют упомянутые примеси. Поэтому для гарантированного устранения указанных выше недостатков необходимо применять некоторые дополнительные технологические меры, в частности, омагничивание воды.
Омагничивание воды позволяет устранить некоторые факторы, мешающие эффективной гидратации цементов и ухудшающих качественные свойства бетонов, например, частично уменьшить кристаллы солей жесткости по сравнению с размерами кристаллов солей жесткости в исходной воде.
Магнитная обработка воды предусматривает пропускание ее через поперечное магнитное поле. На неподвижную воду магнитные поля действуют гораздо слабее, поскольку обрабатываемая жидкость всегда обладает некоторой электропроводностью, при ее перемещении в магнитных полях возбуждается небольшой электрический ток. Следовательно, точнее считать, что имеет место не магнитная, а электромагнитная обработка воды. В общем случае изменение свойств воды после магнитной обработки возрастает с увеличением концентрации примесей в воде и сменой их характера [3]. Это важный момент с точки зрения направленного регулирования свойств воды, в том числе повышения ее активных (реакционных) свойств и стабилизации этого эффекта. Воздействие на воду магнитного поля влияет на процессы растворения, смачивания, кипения, адсорбции, коагуляции и другие активные свойства воды, что в конечном счете сказывается на химических реакциях в очень многих технологических процессах. Эти явления полностью относятся к реакциям гидратации и гидролиза вяжущих веществ. Поэтому омагничивание воды и использование ее в качестве жидкости затворения приводит к повышению гидратации цемента.
Выбор диапазона скорости движения воды в поперечном магнитном поле и диапазона напряженности поперечного магнитного поля обусловлены следующими обстоятельствами.
В процессе магнитной обработки воды не наблюдается какого-либо изменения значений ее водородного показателя и редокс-потенциала, а происходит лишь раздробление и уменьшение размеров кристаллов солей жесткости, находящихся в воде. Опытным путем установлено, что оптимальное значение скоростей движения обрабатываемой воды в поперечном магнитном поле находится в диапазоне (1÷2) м/с, а оптимальное значение напряженности поперечного магнитного поля лежит в диапазоне (500÷2000) Э. Исследования, проведенные с использованием микроскопа показали, что при скорости движения воды меньшей 1 м/с и напряженности поперечного магнитного поля меньшей 500 Э, происходит снижение эффективности магнитной обработки воды, что проявляется в незначительном (в 1,5÷2 раза) уменьшении кристаллов солей жесткости по сравнению с размерами кристаллов солей жесткости в исходной воде.
При скоростях движения обрабатываемой воды в поперечном магнитном поле, находящихся в диапазоне (1÷2) м/с и значении напряженности поперечного магнитного, лежащего в диапазоне (500÷2000) Э, происходит более значительное (в 8÷12 раз) уменьшение кристаллов солей жесткости по сравнению с размерами кристаллов солей жесткости в исходной воде. Дальнейшее увеличение скорости движения воды за значение 2 м/с и повышение напряженности поперечного магнитного поля за значение 2000 Э не приводит к существенному уменьшению кристаллов солей жесткости. Поэтому омагничивание воды происходит в процессе ее заливки в смеситель-активатор при скорости ее движения (1÷2) м/с. Однако одна активация жидкости затворения только путем омагничивания воды, позволяет лишь частично повысить гидратацию цемента и улучшить технологические и эксплуатационные свойства бетонных смесей и бетонных конструкций.
Эффект гидратации цемента и улучшение технологических и эксплуатационных свойств бетонных смесей и бетонных конструкций существенно возрастает при дополнительной (вторичной) активации жидкости затворения путем воздействия на нее ультразвуком. По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука.
Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна, она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усредненной верхней границе слышимого звука. Принято считать, что к ультразвуковому диапазону относятся частоты, находящиеся в диапазоне от 20 кГц до 1ГГц. Частоты, находящиеся в диапазоне от 16 кГц до 20 кГц, относятся к слышимому звуку.
Частоты лежащие ниже 16 кГц относятся к инфразвуку, а частоты, лежащие выше 1 ГГц, называют гиперзвуком.
Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти:
4
5
ультразвук низких частот (2×10-10 Гц) - УНЧ;
5
7
ультразвук средних частот (10-10 Гц) - УСЧ;
7
9
ультразвук высоких частот (10-10 Гц) - УЗВЧ.
В жидких средах под действием ультразвука возникает и протекает специфический физический процесс - ультразвуковая кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия как на сами жидкости, так и на твердые тела, в частности на частицы цемента, в жидкостях.
Кавитация - это образование в жидкости пульсирующих пузырьков (каверн, полостей), заполненных паром, газом или их смесью. В ультразвуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в жидкости, интенсивное излучение акустических волн. При этом, в жидкости происходит разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью.
Кавитация - это быстрое образование и разрушение миллионов мельчайших пузырьков (или полостей [cavity]) в жидкости. Кавитация производится за счет чередующихся волн высокого и низкого давления, образуемых звуком высокой частоты (ультразвуком). Эти пузырьки вырастают в размере от микроскопического (в фазе низкого давления) до таких размеров (в фазе высокого давления), при которых они сжимаются и разрываются.
Ультразвуковая кавитация - основной инициатор физико-химических процессов, возникающих в жидкости под действием ультразвука. Она реализуется за счет трансформации низкой плотности энергии ультразвука в высокую плотность энергии вблизи и внутри газового пузырька.
Кавитационные явления в той или иной среде возникают только при превышении ультразвуком порога кавитации.
Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления. Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость.
Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия.
2
2
В воде при частотах выше 20 кГц порог нестабильной кавитации находится в диапазоне от 0,3 Вт/см до 1 Вт/см.
2
2
2
Дальнейшее повышение интенсивности до 1,5 Вт/см приводит к нарушению линейности колебаний стенок пузырьков. Начинается стадия стабильной кавитации. Диапазон интенсивностей стабильной кавитации лежит в области от 1,5 Вт/см до 2,5 Вт/см. Пузырек сам становится источником ультразвука колебаний. На его поверхности возникают волны, микротоки, электрические разряды.
2
Увеличение интенсивности ультразвука за величину 2,5 Вт/см приводит вновь к стадии нестабильной кавитации. Она характеризуется образованием быстрорастущих парогазовых пузырьков, которые в фазу сжатия мгновенно сокращаются в объеме и охлопываются, т.е. наступает коллапс.
Наилучшая гидратация частиц цемента возникает в диапазоне стабильной кавитации, возникающей в области низких частот. Поэтому активировать жидкость затворения бетонных смесей лучше всего ультразвуком низких частот. Выбор этого диапазона частот обусловлен следующими факторами.
Во-первых, частота 20 кГц принята за нижнюю границу возникновения ультразвуковых колебаний. При частотах ниже 20 кГц находится область слышимого звука и процессы кавитации в этой области не наблюдаются.
2
2
Во-вторых, в низкочастотной области, лежащей в от 20 кГц до 100 кГц, диапазон интенсивностей ультразвука, в котором наблюдается стабильная кавитация, как это указывалось выше, лежит в области от 1,5 Вт/см до 2,5 Вт/см.
Область частот, лежащая выше 100 кГц, относится к области средних частот ультразвука. В этой области частот могут возникнуть ряд явлений, которые будут отрицательно сказываться на свойства бетонов. В частности, в этой области частот могут происходить структурные изменения частиц цемента, которые могут привести к снижению клинкерных свойств цементов и прочности бетонного камня. В этой области частот при определенной интенсивности ультразвука может возникнуть эффект фонтанирования струи активированной жидкости, что также может вызвать нежелательные явления при приготовлении бетонных смесей. Кроме того, для обеспечения стабильной кавитации в области средних частот, требуются более мощные излучатели ультразвука, чем для создания упомянутой области в диапазоне низких частот. Это обусловлено тем, что порог кавитации возрастает с увеличением частоты ультразвука. Необходимость применения более мощных излучателей в области средних частот, по сравнению с мощностью излучателей в области низких частот, приводит к усложнению и к удорожанию конструкции активатора цемента.
Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных явлений в процессе затворения цементов.
Во-первых, процесс кавитации приводит к активному очищению поверхности частиц цементов от возможных органических пленок, препятствующих гидратации цемента.
5
2
Во-вторых, активацию жидкости затворения путем ее кавитационной дезинтеграции осуществляют после ее заливки в смеситель-активатор путем воздействия на нее ультразвуком, частота которого лежит выше частоты порога кавитации, причем в процессе кавитационной дезинтеграции жидкости затворения в нее засыпают и перемешивают цемент. При этом частицы среды (цемента и воды) колеблются с малыми амплитудами (доли микрометра) и громадными ускорениями, порядка 10×g, где g=9,8 м/с - ускорение свободного падения.
В-третьих, ультразвуковые колебания обеспечивают сверхтонкое диспергирование частиц цемента в жидкости затворения (не реализуемое другими способами), увеличивая межфазную поверхность реагирующих элементов. Таков один из механизмов интенсификации процессов в жидких средах.
В-четвертых, возникающая под действием колебаний в жидкости кавитация и сопровождающие ее мощнейшие микропотоки, звуковое давление и звуковой ветер воздействуют на пограничный слой частиц цемента и «смывают» его. Таким образом, устраняется сопротивление переносу реагирующих веществ и интенсифицируется технологический процесс гидратации частиц цемента.
В-пятых, к повышенной гидратации цемента приводит также локальное температурное повышение в цементном тесте.
Объяснение того, как происходит увеличение температуры в частицах цемента, достаточно простое: проникая в частицы цемента, ультразвуковые волны теряют энергию, передавая ее системе, сквозь которую они проходят. Переданная энергия преобразуется в тепло, и местная температура значительно повышается, особенно на границе жидкой и твердой фазы с различной степенью акустического сопротивления.
Для разных жидкостей значения давления, при котором образуется кавитация, находится в пределах от 1,0 до 3,9 атм. Для воды это давление составляет 1 атм.
Таким образом, в жидкости затворения возникают такие физико-химические явления, как акустическая кавитация, интенсивное перемешивание, переменное движение частиц цемента, интенсификация массообменных процессов.
Воздействие УЗ с частотой 20-100 кГц характеризуется разделением молекул и ионов с различной массой, искажением формы волны, появлением переменного электрического поля, капиллярно-акустическим и тепловым эффектами, активацией диффузии.
Под действием ультразвуковой кавитации ускоряются реакции механохимического происхождения, имевшие место в озвучиваемой среде до воздействия ультразвука, в частности процессы гидратации цемента. Основным типом протекающих здесь химических процессов являются окислительно-восстановительные реакции.
Все химические реакции начинаются с определенного порога, совпадающего с началом кавитации. Первоначально выход продуктов реакции пропорционален удельной мощности и времени озвучивания. После превышения некоторого значения интенсивности скорость звукохимической реакции резко уменьшается. Это объясняется тем, что при высоких интенсивностях ультразвука растет максимальный размер пузырьков и они не успевают захлопнуться за полупериод волны.
На низких частотах кавитация начинается при меньших интенсивностях и, соответственно, реакции протекают при меньших интенсивностях.
5
Ультразвук ускоряет аутооксидацию твердых веществ, особенно процессы гидролиза, расщепления, окисления. При воздействии на процесс растворения ультразвуком в жидкой среде возникают знакопеременное звуковое давление, способствующее проникновению жидкости в трещины и капилляры частиц цемента, а также быстрые течения: звуковой ветер, кавитация. Интенсификация процесса гидролиза цемента, а равно и коэффициент диффузии зависят от значений амплитуды и частоты вынужденных колебаний жидкости. При воздействии на среду ультразвука уменьшается динамическая вязкость полярных жидкостей; микротрещины и поры, имеющиеся в частицах цемента, разветвляются, увеличиваются их размеры и глубина. Рассматривая гидродинамику среды в одиночном капилляре (трещине), можно различить три зоны: с турбулентным движением жидкости, с вязким подслоем и с диффузионным подслоем. У кромки открытой микротрещины при интенсивном движении жидкости происходят турбулизация микропотоков, а затем и срыв вихрей. Здесь процесс растворения твердой фазы лимитируется коэффициентом турбулентной диффузии. Поступающие из первой во вторую зону турбулентные пульсации осуществляют перенос основной массы растворяемого вещества. В третьей зоне массообмен обусловлен хаотическим молекулярным движением. Продольные и поперечные размеры микротрещин являются важным фактором в процессе гидролиза. При возникновении ультразвукового переменного давления (±5×10 Па) в жидкости, находящейся в трещине, создаются колебательные тангенциальные смещения микрообъемов жидкости затворения вдоль стенок, которые переходят в однонаправленное движение раствора. Молекулярная диффузия практически сменяется достаточно быстрым конвективным массопереносом.
Таким образом, при использовании ультразвука как средства интенсификации процесса гидратации цемента существенное значение имеют микропульсации жидкости затворения, в особенности, если длина волны равна или меньше размера твердой частицы (цемента) или же линейных размеров микротрещин, пор, капилляров.
Сочетание магнитной обработки воды с обработкой ее ультразвуковой дезинтеграцией не простое сложение указанных факторов, а дополнение и усиление действия одного другими. Совместная магнитная активация воды и дополнительная активация воды ультразвуком дает кумулятивный эффект.
Любая бетонная смесь приготавливается в соответствии с выбранным рецептом. Каждый рецепт предусматривает, в каком количестве нужно смешать цемент, жидкость затворения и заполнители для того, чтобы получить бетон с заданными свойствами. Таких рецептов существует множество [4]. Поэтому для каждого конкретного рецепта и требуемого объема бетонной смеси предварительно рассчитывается необходимая доза цемента, доза жидкости затворения и доза заполнителей для любого единичного замеса. Объем расчетной дозы жидкости затворения в единичном замесе, которая требуется для приготовления бетонной смеси по некоторому рецепту, принят за 100%. В заявляемом способе в турбулентный смеситель-активатор заливается (40÷70)% объема затворной жидкости от ее расчетной дозы. Остальные (30÷60) жидкости затворения заливаются в бетоносмеситель с заполнителем. Деление расчетной (рецептурной) дозы жидкости на две части, одна из которых заливается в смеситель-активатор, где смешивается с частицами цемента, а вторая часть заливается в бетоносмеситель, где смешивается с заполнителем, обусловлено следующими факторами.
Во-первых, такое разделение жидкости затворения необходимо для повышения производительности процесса, так как одновременно происходит перемешивание жидкости затворения с цементом в турбулентном смесителе-активаторе, и перемешивание остатка от расчетной (рецептурной) дозы жидкости затворения с заполнителем в бетоносмесителе.
3
Во-вторых, для приготовления суспензии (цементного теста) и для приготовления смеси в бетоносмесителе с заполнителем могут использоваться, для повышения эффективности процесса, разные по физико-химическим свойствам жидкости затворения, например, омагниченная вода прошедшая вторичную активацию путем кавитационной дезинтеграции, и омагниченная вода не подверженная вторичной активации. Объем жидкости затворения, который заливается в турбулентный смеситель-активатор, зависит от водоцементного числа В/Ц, характеризующего отношение массы воды В к массе цемента Ц, необходимого для приготовления 1 м бетонной смеси по заданному рецепту приготавливаемой бетонной смеси. Чем выше водоцементное отношение, тем меньшая часть жидкости затворения от расчетной (рецептурной) дозы затворной жидкости может быть залито в турбулентный смеситель-активатор. При высоких водоцементных числах, например, В/Ц=1,28 в турбулентный смеситель-активатор достаточно залить 30% от расчетной дозы жидкости затворения, что достаточно для осуществления удовлетворительной гидратации цемента и качественного получения суспензии (цементного теста). Если залить в турбулентный смеситель-активатор меньше 30% от расчетной дозы жидкости затворения, то это может привести к снижению гидратации цемента и к снижению качества бетонной смеси. При низких водоцементных числах, например, В/Ц=0,3 в турбулентный смеситель-активатор необходимо залить не менее 70% от расчетной дозы жидкости затворения, так как при меньшем количестве затворной жидкости будет затруднительно обеспечить удовлетворительную гидратацию цемента и качественное получение суспензии (цементного теста).
После магнитной обработки жидкости затворения ее заливают в турбулентный смеситель-активатор и подвергают вторичной активации путем кавитационной дезинтеграции, в процессе которой в турбулентный смеситель-активатор засыпают цемент.
Образующееся цементное тесто, не прекращая воздействовать на это тесто ультразвуком, перемешивают в турбулентном смесителе-активаторе. Турбулентное перемешивание в смесителе-активаторе, усиленное гидравлическое воздействие жидкости затворения с частицами цемента, вызванное ультразвуковой кавитацией, а также магнитная обработка жидкости затворения, способствуют активному удалению пленок, возникающих вокруг цементных зерен и препятствующих их гидратации. За счет этого активная поверхность цементных зерен обнажается и увеличивается, за счет их дробления в процессе кавитационной дезинтеграции, создавая, тем самым, более благоприятные условия для развития процесса гидратации в глубину цементного зерна. За счет интенсивного перемешивания в турбулентном смесителе-активаторе суспензия (цементное тесто) обеспечивает активное взаимодействие всей массы цемента с жидкостью затворения.
Оставшуюся часть жидкости затворения в объеме (30÷60)% от расчетной дозы вводят, предварительно подвергнув ее обработке в магнитном поле, заливают непосредственно в бетоносмеситель с заполнителем. Дополнительную кавитационную дезинтеграцию этой оставшейся части жидкости затворения, заливаемой в бетоносмеситель, проводить нецелесообразно, так как основные процессы гидратации частиц цемента происходят в смесителе-активаторе. После перемешивания суспензии (цементного теста) в течение 1÷1,5 минут ее переливают из турбулентного смесителя-активатора в бетоносмеситель, где производят ее перемешивание с заполнителем до получения однородной консистенции в течение 1,5-2 минут.
Выбор диапазона времени перемешивания цементного теста в смесителе-активаторе обусловлен следующими обстоятельствами. При времени перемешивания в смесителе-активаторе менее 1 минуты может произойти не полная гидратация цемента. Увеличение времени перемешивания в смесителе-активаторе за 1,5 минуты нецелесообразно, так как это снижает производительность труда.
Выбор диапазона времени перемешивания бетонной смеси в бетоносмесителе обусловлен следующими обстоятельствами. Заполнитель с жидкостью затворения перемешиваются в бетоносмесителе параллельно с перемешиванием цементного теста в смесителе-активаторе в течение одного и того же времени 1÷1,5 минут. За это время не только цементное тесто равномерно промешивается по всему объему смесителя-активатора, но и равномерно промешивается в бетоносмесителе заполнитель с жидкостью растворения по всему объему бетоносмесителя. После слива цементного теста из смесителя-активатора в бетоносмеситель для равномерного перемешивания образованной бетонной смеси требуется не менее 1,5 минут. Увеличение времени перемешивания за время 2 минуты приводит к снижению производительности труда.
На фиг.1 изображена схема приготовления бетонной смеси, поясняющая сущность изобретения.
На фиг.1 введены следующие обозначения: 1 - электродвигатель турбулентного смесителя-активатора; 2 - вал электродвигателя; 3 - корпус турбулентного смесителя-активатора; 4 - неподвижные лопасти турбулентного смесителя-активатора; 5 - лопасти турбулентного смесителя-активатора; 6 - индустриальный звуковой процессор; 7 - накопитель воды; 8 - дозатор воды в турбулентный смеситель-активатор; 9 - полюса магнитов; 10 - накопитель цемента; 11 - дозатор цемента; 12 - накопитель воды; 13 - дозатор воды в бетоносмеситель; 14 - полюса магнитов; 15 - накопитель заполнителя; 16 - дозатор заполнителя; 17 - бетоносмеситель; 18 - затвор для выгрузки суспензии (цементного теста); 19 - система выгрузки бетонной смеси; 20, 21 - водопроводы.
Турбулентный смеситель-активатор снабжен электродвигателем 1, передающим вращающий момент лопастям 5 через вал 2. К корпусу активатора 3 прикреплены неподвижные лопасти 4, способствующие турбулентному перемешиванию смеси. В турбулентный смеситель-активатор введен индустриальный звуковой процессор 6. Турбулентный смеситель-активатор имеет затвор 18 для выгрузки суспензии (цементного теста). Корпус турбулентного смесителя-активатора снабжен патрубками для подачи воды и для подачи цемента.
Способ приготовления активированной бетонной смеси осуществляется следующим образом.
2
2
Из накопителя воды 7 через дозатор воды 8 заливают в смеситель-активатор (40÷70)% объема от рецептурной дозы жидкости затворения при скорости (1÷2) м/с ее движения по водопроводу 20, которую пропускают через поперечное магнитное поле (полюса магнитов 9), напряженность которого лежит в диапазоне (500÷2000) Э. После омагничивания и заливки в смеситель-активатор требуемой дозы жидкости затворения включают индустриальный звуковой процессор 6. При помощи индустриального звукового процессора 6 производят вторичную активацию жидкости затворения путем ее кавитационной дезинтеграции. Кавитационная дезинтеграция жидкости затворения осуществляется ультразвуком, частота которого лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне низких частот от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см до 2,5 Вт/см. Одновременно с включением индустриального звукового процессора 6 из накопителя цемента 10 через дозатор цемента 11 засыпают в смеситель-активатор цемент, и, не прекращая кавитационной дезинтеграции жидкости затворения, включают электродвигатель турбулентного смесителя-активатора 1, при помощи которого перемешивают образуемое цементное тесто. Одновременно с заливкой жидкости затворения в смеситель-активатор, засыпают в бетоносмеситель расчетную дозу заполнителя из накопителя заполнителя 15 через дозатор 16, и заливают оставшуюся от расчетной (рецептурной) дозы часть жидкости затворения в бетоносмеситель 17 с заполнителем.
В качестве упомянутой заливаемой в бетоносмеситель дозы жидкости затворения также используют воду, которую заливают из накопителя воды 12 через дозатор 13, причем в процессе ее заливки в бетоносмеситель 17 с заполнителем ее омагничивают. Для активации воды омагничиванием ее также пропускают со скоростью (1÷2) м/с через поперечное магнитное поле (полюса магнитов 14), напряженность которого лежит в диапазоне (500÷2000) Э. Затем после перемешивания суспензии (цементного теста) в смесителе-активаторе в течение 1-1,5 минут, открывают затвор 18 для выгрузки суспензии (цементного теста) и упомянутую суспензию переливают в бетоносмеситель 17. Полученную бетонную смесь окончательно перемешивают в бетоносмесителе в течение 1,5-2 минут.
После приготовления бетонной смеси равномерно перемешанную бетонную смесь выгружают из бетоносмесителя в систему выгрузки бетонной смеси 19.
Пример конкретного воспроизведения способа.
Заявляемый способ был осуществлен по схеме, изображенной на фиг.1.
Изучение влияния жидкости затворения на гидратацию цемента и свойства бетонных смесей и бетонных проводилось в два этапа. На первом этапе опыты проводились на цементном камне, при этом исследовались такие характеристики, как время схватывания цемента, степень гидратации цемента и прирост прочности цементного камня. В замесах использовался портландцемент.
Для сравнения заявляемого способа со способом-прототипом было приготовлено 3 замеса. Первый замес был приготовлен по способу-прототипу. В этом замесе в качестве жидкости затворения была использована обычная водопроводная вода.
Отличие второго замеса от первого состояло в том, что в нем в качестве жидкости затворения была использована та же водопроводная вода, но активированная магнитным полем. Для активации воды в этом замесе ее пропускали со скоростью 1,5 м/с через поперечное магнитное поле, напряженность которого была равна 1500 Э.
2
Третий замес был осуществлен по заявляемому способу. В этом замесе в качестве жидкости затворения была использована вода, прошедшая двойную активацию: первоначально путем пропускания ее со скоростью 1,5 м/с через поперечное магнитное поле, напряженность которого была равна 1500 Э. Затем, после заливки требуемой дозы этой омагниченной воды, на нее в процессе засыпки в смеситель-активатор цемента, воздействовали ультразвуком, частота которого составляла 20 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежала в области стабильной кавитации и равнялась 2 Вт/см. В качестве кавитационного дезинтегратора был использован индустриальный звуковой процессор «Hielscher Ultrasound Technology UP» марки UIP 1000 hd [5]
Все технологические операции при изготовлении упомянутых трех замесов были идентичными: сначала в смеситель-активатор заливалась жидкость затворения, количество которой было одинаково во всех трех замесов, и она составляла 50% от рецептурной (расчетной дозы), затем в смеситель-активатор засыпалась требуемая в соответствии с рецептом доза цемента. Отличие в этих замесах составляли только операции подготовки жидкости затворения, описанные выше.
3
Опыты проводились на цементном камне, при этом исследовались такие характеристики, как время схватывания цемента, степень гидратации цемента и прирост прочности цементного камня. В замесах использовался портландцемент. Водоцементное отношение в этих опытах было равно В/Ц=0,3, где В - расход воды на 1 м бетона, кг; Ц - расход цемента на 1 м бетона, кг.
Опыты показали, что время схватывания цементного теста, приготовленного по способу-прототипу, составляло 3 часа 10 минут. Время схватывания цементного теста, приготовленного во втором замесе составляло 2 часа 10 минут. Время схватывания цементного теста, приготовленного по заявляемому способу, составляло 1 час 5 минут. Пластическая прочность цементного теста, приготовленного по способу-прототипу, через 4 часа твердения составляла 0,15 МПа. Пластическая прочность цементного теста, приготовленного во втором замесе составляло 0,35 МПа. Пластическая прочность цементного теста, приготовленного по заявляемому способу, через 4 часа твердения составляла 0,78 МПа. Гидратация цемента исследовалась рентгеноструктурным методом на установки ДРОН-4. Исследования показали, что в цементном тесте, приготовленном по способу - прототипу гидратация цемента составляла 65%. Во втором замесе гидратация цемента составляла 72%, тогда как по заявляемому способу она была равной 86%.
3
Во второй серии опытов изучалась селективная активация цемента и заполнителя. Для проведения таких исследований было приготовлено 3 замеса бетонной смеси. Состав бетонной смеси во всех трех замесах был практически идентичен. Водоцементное отношение во всех трех замесах было равно В/Ц=0,55. В состав на 1 м бетонной смеси входили: В=200 л; Ц=365 кг; песка П=600 кг; гравия Г=1145 кг.
Первый замес бетонной смеси осуществлялся по способу-прототипу, а в качестве жидкости затворения как при приготовлении цементного теста, так и при окончательном приготовлении бетонной смеси, использовалась обычная водопроводная вода. При приготовлении первого замеса объем воды был разделен на части: 109,5 л и 90,5 л. Одна часть 109,5 л было использована для затворения бетонного теста. Вторая часть 90,5 л заливалась в бетоносмеситель с заполнителем.
Во втором замесе в качестве жидкости затворения была использована та же водопроводная вода, но активированная магнитным полем. Для активации воды в этом замесе ее пропускали со скоростью 1,5 м/с через поперечное магнитное поле, напряженность которого была равна 1500 Э.
2
Третий замес был осуществлен по заявляемому способу. В этом замесе в качестве жидкости затворения была использована вода, прошедшая двойную активацию: первоначально путем пропускания ее со скоростью 1,5 м/с через поперечное магнитное поле, напряженность которого была равна 1500 Э. Затем, после заливки требуемой дозы этой омагниченной воды на нее в процессе засыпки в смеситель-активатор цемента, воздействовали ультразвуком, частота которого составляла 20 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежала в области стабильной кавитации и равнялась 2 Вт/см. В качестве кавитационного дезинтегратора был использован индустриальный звуковой процессор «Hielscher Ultrasound Technology UP» марки UIP 1000 hd.
Процедура приготовления цементного теста во всех трех замесах была идентичной. В турбулентный смеситель-активатор заливали жидкость затворения в количестве 109,5 л при включенном двигателе 1 на режим перемешивания. После этого засыпали в турбулентный смеситель-активатор цемент из накопителя 10 через дозатор 11 в количестве 365 кг. Длительность перемешивания цементного теста в смесителе-активаторе во всех трех замесах составляла 1 минуту. Длительность перемешивания в бетоносмесителе бетонной смеси, после перелива в него цементного теста составляла 2 минуты. Таким образом общая продолжительность приготовления бетонной смеси составляла 3 минуты. Готовую смесь выгружали в транспортное средство для перевозки на место укладки. Для оценки величины прочности бетона в нормальных условиях изготавливали контрольные образцы-кубики ребром 150×150×150 мм, которые испытывали в возрасте 28 суток хранения в камере нормального твердения.
Результаты проверки прочности показали, что в 28 суточном возрасте прочность бетона, приготовленного по заявляемому способу во втором замесе, превышала прочность бетона, приготовленного по способу - прототипу на 20%, а прочность бетонного камня, приготовленного по заявляемому способу в третьем замесе - на 42%.
Таким образом, заявляемый способ имеет следующие преимущества перед способом-прототипом: повышенную гидратацию цемента на 21%; сниженное в 2,92 раза время схватывания цемента; повышенную в 5, 2 раза пластичную прочность цементного теста на ранних стадиях затворения, повышенную на 42% прочность бетонного камня в 28 суточном возрасте.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №146228, кл. В28С 5/00, 1961.
2. Соломатов В.И. и др. Интенсивная технология бетонов. - М.: Стройиздат, 1989, с.69-75.
3. Гульков А.Н., Заславский 10.А., Ступаченко П.П. Применение магнитной обработки воды на предприятиях Дальнего Востока // Владивосток: изд-во Дальневосточного университета. 1990, стр.134. - (Прототип)
4. B.C. Баталов. Теоретические основы вибротехнической технологии монолитного бетона: Монография. Магнитогорск: МГМА, 1998, стр.41-53.
5. Inquiry from http://www.hielscher.com.