СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ АРМИРОВАННЫХ ТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF PRODUCING FINELY-DISPERSED REINFORCED HARDENING MIXES AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к отраслям промышленности, где используются твердеющие смеси, например в строительной индустрии, нефтегазодобывающей и других отраслях, и может быть использовано, в частности, при приготовлении бетонных смесей и производстве любых видов бетонной продукции.
Известен способ приготовления пеноцементного тампонажного состава для цементирования скважин [1], сущность которого заключается во введении в цементный раствор минерального волокна и в качестве жидкого эмульгатора смесь додецилбензосульфаната натрия и алкилсульфатов натрия.
Недостатком этого способа приготовления пеноцементного тампонажного состава является то, что пеноцементный тампонажный камень практически непроницаем для воды и керосина. Вследствие наличия разности плотностей волокнистых материалов, минерального волокна и тампонажных растворов, песок из них выпадает в осадок, что приводит к образованию в заколонном пространстве цементного камня с неодинаковыми (измененными) физико-механическими свойствами по высоте. Химические реагенты в значительной степени влияют на сроки схватывания.
Известен способ получения волокнистого цемента, предложенный Н.А. Луценко, представляющий собой смесь обычного тампонажного цемента для «холодных» скважин с каким-либо волокнистым материалом, измельченным до длины волокон 1-3 мм и добавляемым в количестве 1-2% от веса цемента. Добавка к цементу 1-2% волокна придает цементному раствору закупоривающие свойства, но повышает прочность цементного камня, при этом проницаемость цементного камня практически равна нулю [2].
Основным недостатком этого способа является слабая степень сцепления волокнистых материалов с цементным раствором. Это объясняется тем, что между бетонным раствором и наполнителем (волокном) отсутствует разность величин окислительно-восстановительных потенциалов (ОВП) (редокс-потенциалов) наполнителя и средой - цементным (бетонным) раствором.
Известен способ приготовления бетонной смеси, выбранный в качестве прототипа, включающий смешение цемента, заполнителя и воды, подвергнутой электролитической обработке при редокс-потенциале в пределах (-400)-(-600) мВ [3].
Основным недостатком этого способа является низкое качество продукции из-за отсутствия в бетонной смеси армирующих добавок (волокнистого наполнителя). Минеральные и синтетические волокна, имеющие высокоразвитую поверхность, являются эффективным структурообразователем бетонных растворов, способствуют хорошему ценообразованию, хорошо стабилизируют диспергированные пузырьки газа в растворе, придавая ему повышенную баростабильность. Кроме того, минеральные и синтетические волокна эффективно армируют цементный раствор, повышая его трещиностойкость, прочность при изгибе и растяжении.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества любых видов продукции, полученной после затвердевания смесей, например бетонных изделий.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение физико-механических свойств изделий, получаемых при затвердевании смеси, например формируемого бетонного камня, за счет увеличения силы сцепления волокнистых наполнителей с формируемым бетонным камнем, путем обеспечения разницы величин ОВП (редокс-потенциалов) волокнистых наполнителей от +600 до +800 мВ и средой, в частности цементным (бетонным) раствором от -600 до -800 мВ. Он достигается тем, что в способе получения мелкодисперсных армированных твердеющих смесей, включающем, в частности, смешивание цемента, заполнителя и воды, подвергнутой электролитической обработке, в смесь дополнительно вводят волокнистый наполнитель, например шерстяные измельченные волокна, массой до 2,5% от связующего вещества, который предварительно подвергают замачиванию в электролитически обработанной воде в отдельной емкости, в течение получаса, при этом электролитическую обработку воды для смешивания компонентов смеси осуществляют в зоне отрицательного электрода электролизера при величине редокс-потенциала от -600 до -800 мВ, а электролитическую обработку воды для предварительного замачивания в ней волокнистого наполнителя осуществляют в зоне положительного электрода электролизера при величине редокс-потенциала от +600 до +800 мВ.
Заявленный способ реализуется в устройстве (на примере приготовления бетонных смесей).
В его состав входят: смеситель для перемешивания всех компонентов смеси, емкость с электролизером для электролитической обработки воды в зоне отрицательного электрода, которая затем подается в смеситель, емкость для замачивания волокнистого наполнителя, емкость с электролизером для электролитической обработки воды в зоне положительного электрода и подачи ее в емкость для замачивания волокнистого наполнителя, емкость для цемента и емкость для других компонентов смеси, причем волокнистый наполнитель предварительно выдерживается в емкости в электролитически обработанной, в зоне положительного электрода, воде в течение до получаса, после чего все компоненты, в нужных пропорциях, помещают в смеситель и заливают определенным количеством электролитически обработанной, в зоне отрицательного электрода электролизера, воды и перемешивают.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, являются:
1. Предварительное замачивание волокнистого наполнителя в электролитически обработанной воде в зоне положительного электрода электролизера.
2. Включение в состав смеси волокнистого заполнителя, замоченного в электролитически обработанной воде в зоне положительного электрода, и разведение смеси водой, электролитически обработанной, но в зоне отрицательного электрода.
3. Величина редокс-потенциала при электролитической обработке воды колеблется от -600 до -800 мВ для воды, которая разводит всю смесь, и от +600 до +800 мВ - для воды, в которой замачивается волокнистый наполнитель.
Существенными отличительными признаками по устройству являются:
1. Наличие отдельной емкости с электролизером для получения электролитически обработанной воды в зоне положительного электрода.
2. Наличие отдельной емкости для предварительного замачивания волокнистого наполнителя.
3. Наличие отдельной емкости с электролизером для электролитической обработки воды в зоне отрицательного электрода.
4. Связи между известными и новыми элементами устройства.
Использование новых признаков, в совокупности с известными, и новых связей между ними обеспечивают достижение технического результата изобретения, а именно повышение качества любых видов продукции, полученной после затвердевания смесей, в частности бетонных изделий.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен разрез затвердевшей смеси, вид «а», и блок-схема приготовления смеси.
В составе бетонной смеси 1, вид «а», находится волокнистый заполнитель 2.
Блок-схема состоит из следующих элементов, вид «б»: емкости 3 с электролизером для приготовления воды, электролитически обрабатываемой в зоне положительного электрода; емкости 4 для замачивания волокнистого наполнителя; емкости 5 для хранения цемента (связующего вещества); емкости 6 для размещения в ней других компонентов (песок, щебень и т.п.); емкости 7 с электролизером для приготовления воды, электролитически обрабатываемой в зоне отрицательного электрода; смесителя 8, в котором происходит перемешивание всех компонентов.
Работа по получению мелкодисперсных армированных твердеющих смесей заключается в следующем (на примере получения бетонных смесей).
Приготовление бетонных смесей осуществляется на жидкости затворения - воде, подвергнутой электролитической обработке, путем равномерной добавки к цементу и заполнителю определенного количества (до 2,5% от веса цемента) волокнистого наполнителя, обработанного соответствующим образом, в смесителе 8, представляющем из себя емкость необходимого размера.
Обработка волокнистого наполнителя осуществляется в отдельной емкости 4 водой, подвергнутой электролитической обработке в емкости 3 в зоне положительного электрода, например диафрагменного электролизера, при редокс-потенциале от +600 до +800 мВ, путем его замачивания в течение времени до получаса.
Жидкость затворения - вода подвергается электролитической обработке в зоне отрицательного электрода такого же электролизера при редокс-потенциале от -600 до -800 мВ, в другой емкости 7, откуда она подается в смеситель. Цемент (связующее вещество) и другие добавки находятся в отдельных емкостях 5 и 6, откуда подаются в смеситель 8.
Период приготовления бетонной смеси и укладки ее в формы выбирают в соответствии с периодом электрохимической релаксации цементных растворов в пределах 10-180 мин. Бетонные смеси укладывают в формы в течение времени, меньшего, чем время электрохимической релаксации бетонного раствора.
В качестве электролизера может быть использован любой другой из известных электролизеров.
Обеспечение разницы величин ОВП (редокс-потенциалов) волокнистых наполнителей от +600 до +800 мВ и средой - цементным (бетонным) раствором - от -600 до -800 мВ достигается следующим образом.
Известно, что поверхность земли и все материалы на ней имеют положительный редокс-потенциал, равный +200-250 мВ, т.е. между материалом отсутствует разница ОВП (редокс-потенциалов).
Приготовленная бетонная смесь на жидкости затворения (воде), подвергнутой электролитической обработке в зоне отрицательного электрода электролизера при редокс-потенциале от -600 до -800 мВ, приобретает то же значение ОВП (редокс-потенциала), т.е. от -600 до -800 мВ.
Обработанный в отдельной емкости волокнистый наполнитель путем его замачивания в течение времени до получаса водой, подвергнутой электролитической обработке в зоне положительного электрода электролизера при редокс-потенциале от +600 до +800 мВ приобретает то же значение ОВП (редокс-потенциала), т.е. от +600 до +800 мВ.
Таким образом, обеспечивается разность редокс-потенциалов двух смешиваемых сред: волокнистого наполнителя, приобретенного после соответствующей обработки при редокс-потенциале от +600 до +800 мВ и бетонной смеси, которая после соответствующей обработки приобрела редокс-потенциал от -600 до -800 мВ.
При величине редокс-потенциала жидкости затворения (воды) больше -600 мВ, а волокнистого наполнителя меньше +600 мВ разность потенциалов на контакте «волокнистый наполнитель - бетонная смесь» недостаточна для интенсификации протекающих здесь реакций, что приводит лишь к незначительному росту силы сцепления.
При величине редокс-потенциала жидкости затворения (воды) меньше -800 мВ, а волокнистого наполнителя больше +800 мВ дальнейший прирост интенсификации реакций в контактной зоне незначителен и не оправдывается возрастающими затратами электроэнергии.
Благодаря возникшей разности редокс-потенциалов через контакт «волокнистый наполнитель - бетонная смесь» протекает электрический ток в направлении от бетонной смеси к волокнистому наполнителю, величина которого прямо пропорциональна величине разности ОВП бетонной смеси и волокнистого наполнителя, равномерному распределению зарядов по контактирующим поверхностям и возникновению дополнительных процессов взаимодействия (происходит электрофоретическое уплотнение контакта), увеличивается сила сцепления бетонного камня с волокнистым наполнителем в сравнении с известными способами получения бетонных смесей, что приводит к повышению качества любых видов бетонной продукции.
В таблице приведены преимущества армированных, согласно изобретению, цементных смесей.
1.
Уменьшение образования микротрещин и внутренних напряжений при твердении
до 50%
2.
Снижение водопроницаемости бетонного камня
до 50%
3.
Увеличение морозостойкости
до 35%
4.
Повышение прочности при сжатии
35%
5.
Повышение прочности при растяжении и изгибе
25%
6.
Повышение ударной и усталостной прочности
более 500%
7.
Улучшение способности восприятия знакопеременных нагрузок
30%
8.
Препятствие расслаиванию бетонного раствора
25%
Устройство работает следующим образом. Предварительно в емкости 3 с электролизером осуществляется электролитическая обработка воды в зоне положительного электрода и подача ее в емкость 4. В эту воду помещается волокнистый заполнитель и выдерживается в течение времени до получаса. Большее время выдержки уже дает слабый эффект. Одновременно в емкости 7 с электролизером производят электролитическую обработку воды в зоне отрицательного электрода. После этого все компоненты смеси (цемент из емкости 5, волокнистый заполнитель из емкости 4, песок, гравий и др. из емкости 6) помещают в смеситель 8 в нужных пропорциях и заливают водой из емкости 7 в определенном количестве. И все это перемешивают. Смесь готова к использованию.
Использование заявляемого изобретения позволяет значительно увеличить качество получаемых изделий из твердеющих смесей.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1224398.
2. Дон Н.С., Титков Н.И., Гайворонский А.А. Разобщение пластов в нефтяных и газовых скважинах. - М.: Недра, 1973. - с.129.
3. Авторское свидетельство СССР №1293143.