способ обработки водоцементной суспензии для бетонной смеси

Формула изобретения

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДОЦЕМЕНТНОЙ СУСПЕНЗИИ ДЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ путем воздействия электрическим разрядом, отличающийся тем, что водоцементную суспензию обрабатывают одним электрическим разрядом с удельной энергией импульса 0,06 - 0,3 кДж/дм³, электрической емкостью 150 - 600 мкФ и длительностью разряда не менее 120 мкс.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для приготовления строительных смесей.

Известен способ обработки водоцементных суспензий высоковольтным электрическим разрядом с напряжением 40-70 кВ, электрической емкостью 0,5-2 мкФ, количеством разрядов 80-400, с частотой следования импульсов до 15 Гц. Потребляемая мощность электроразрядной установки 68-125 кВт. При этом способе обработки прочность образцов на сжатие может достигать 140% и более от 28-суточной прочности контрольных образцов.

Недостатками известного способа являются высокая энергоемкость процесса, а высокое напряжение требует и дополнительных мер к обеспечению электробезопасности обслуживающего персонала и самой электроразрядной установки, при этом необходима и дополнительная подготовка операторов. Напряжение 40-70 кВ приводит к увеличению габаритов энергетического блока и увеличению себестоимости установки. Большое количество разрядов (80-400) уже при вводимой электрической энергии Е= 360 кДж снижает прочность активированных образцов. Температура обрабатываемой суспензии достигает 60-70^оС и более, происходит парообразование (так как температура в зоне разряда значительно выше) и в конечном итоге твердая фаза цемента раствора переизмельчается, что отрицательно сказывается на развитии коагуляционной структуры бетона.

Наиболее близким техническим решением является способ упрочнения бетонов путем обработки высоковольтными электрическими разрядами с напряжением 25-50 кВ водоцементных суспензий.

Недостатком указанного способа является малая эффективность, большая величина напряжения на электродах, большое количество потребляемой энергии, значительно повышенная опасность для рабочих при использовании этого способа.

Целью изобретения является повышение прочности бетонов, снижение энергетических затрат, улучшение условий техники безопасности.

Цель достигается тем, что водоцементную суспензию обрабатывают одним электрическим разрядом с удельной энергией импульса 0,06-0,3 кДж/дм³ и длительностью разряда не менее 120 мкС с последующим перемешиванием с мелким и крупным заполнителем.

Способ обработки строительных смесей осуществляют следующим образом.

Водоцементную суспензию с расчетным количеством цемента помещают в технологическую камеру и обрабатывают одним электрическим импульсом с напряжением 5-7 кВ и электрической емкостью 150-600 мкФ. Результаты испытаний образцов - кубов раствора на сжатие показывают, что с увеличением напряжения прирост прочности падает. Наибольшему эффекту активации способствует наименьшее напряжение (V= 5 кВ).

На фиг. 1 показан график зависимости прочности раствора от напряжения (1 - при С= 250 мкФ; 2 - при С= 150 мкФ; 3 - при С= 50 мкФ).

На эффект активации существенное влияние оказывает электрическая емкость и длительность импульса. Так большей емкости соответствует максимальный прирост прочности. Нижний предел значения емкости в 50 мкФ заметно снижает эффект активации, в 1,3 раза по сравнению с обработкой при емкости 300 мкФ.

На фиг. 2 показан график зависимость прочности раствора от емкости (1 - при V= 5 кВ; 2 - при V= 7 кВ; 3 - при V= 9 кВ. С увеличением емкости увеличивается и длительность воздействия основополагающих факторов способа обработки цементной суспензии. Увеличение длительности электрического импульса в три раза при постоянной энергии единичного разряда приводит к увеличению прочности образцов на сжатие в 1,6 раза.

На фиг. 3 показан график зависимости раствора на сжатие от длительности электрического импульса при постоянной энергии (Е= 2,3 кДж, 1 - при V= 5 кВ; 2 - при V= 9 кВ). Характер зависимости прочности цементного раствора от длительности импульса в 3, 7, 28-суточном возрасте аналогичен характеру изменения прочности от емкости. При одинаковой длительности электрического разряда возрастание энергии единичного импульса с возрастанием напряжения не приводит к повышению эффекта активации. Увеличение удельной энергии единичного разряда с возрастанием емкости приводит к пропорциональному увеличению прироста прочности раствора.

Данные табл. 1 показывают, что наиболее оптимальным режимом обработки по условиям увеличения прочности, снижению энергоемкости и экономической эффективности процесса обработки следует считать напряжение 5-7 кВ, электрическую емкость С= 150. . . 600 мкФ и межэлектродный промежуток 10-12 мм.

Прочность раствора, приготовленного на активированной суспензии (в сферической камере) достигает 244% от прочности контрольных образцов.

Исследования процесса активации цементной суспензии электрическим разрядом при низких напряжениях (до 5-7 кВ) и высоких емкостях (150-600 мкФ) свидетельствуют о том, что с увеличением количества разрядов до 2 прочность образцов снижается на 6-10% , при увеличении количества импульсов до 5 происходит потеря прочности активированных образцов до прочности контрольных и ниже, и начиная с 10 разрядов эффект активации, выраженный через приращение прочности, возрастает и достигает 17% .

На фиг. 4 приведен график зависимости прочности раствора на сжатие от количества электрических импульсов (С= 150 мкФ; В/ц= 0,45; = 10 мм).

Суть активации заключается в следующем. На стадии смешивания цемента с водой в процессе гидролиза трехкальциевого силиката образуется ионный раствор (ионов сульфата, гидроксида, щелочи, небольшого количества кремнезема, железа). Высокая концентрация ионов кальция и сульфат-ионов наблюдается непродолжительное время после затворения водой, так как в течение нескольких минут из раствора начинают осаждаться первые новообразования - гидроксид кальция и эттрингит. После этого насыщение раствора ионами кальция прекращается, скорость растворения клинкерных минералов снижается и наступает очередная фаза гидратации цемента в бетоне. Прекращение сорбции воды зерном С₃S (на глубину 3-4 молекулярных слоев и дальнейшего растворения минерала в количестве одного молекулярного слоя) наступает вследствие появления на поверхности зерен цемента пленки гидрата определенной толщины. В то же время образующиеся соединения связывают большое количество воды, превращая ее в пленочную.

Первоначальный импульс, воздействуя на жидкую фазу в системе вода - цемент, приводит к насыщению суспензии положительно и отрицательно заряженными ионами, что вновь увеличивает скорость растворения минералов цемента.

Увеличение скорости растворения клинкерных минералов приводит к большей степени гидратации цемента, так как вокруг цементных зерен будут образовываться сольватные оболочки с более тонким двойным электрическим слоем.

Растворный механизм гидратации и топохимический протекают параллельно или чередуясь, причем в различные периоды определяющим кинетику процесса является или растворный, или топохимический механизм. Однако для протекания топохимической гидратации ионы из твердого тела не могут быть вырваны под влиянием притяжения со стороны жидкости, так как энергия в кристалле выше энергии связи в воде. Поэтому величина первоначального импульса должна быть достаточной для дальнейшей диссоциации молекул воды, пока не участвующей в реакции гидратации. Вновь образованные ионы ОН^- и Н⁺ вступают в реакцию с ионами Са⁺⁺ и процесс продолжается. Получив дополнительный импульс, коллоидные частицы новообразований преодолевают энергетический барьер и образуют ближнюю коагуляционную структуру, которая при дальнейшем протекании гидратации переходит в более прочный кристаллический сгусток цементного камня.

Дальнейшее увеличение вводимой удельной энергии в обрабатываемый объем суспензии не приводит к заметному увеличению прироста прочности. Воздействие высоковольтного электрического разряда происходит сразу после затворения цементного порошка или в индукционный период гидратации. Этого времени (3-15 мин) достаточно для насыщения жидкой фазы гидратом окиси кальция и кремнеземом. Поскольку С₃S является основным быстротвердеющим гидравлическим веществом высокой прочности, определяющим конечную прочность бетона, поэтому с каждым последующим импульсом первоначально образовавшаяся "сетка" из коллоидных частиц будет подвергаться необратимым частичным разрушениям. Избыток электрической энергии приводит к временному разрушению флокул. Явления электролиза и электрофореза воды способствуют более полному и быстрому растворению при контакте с водой -С₂S и -С₂S. В результате топохимической реакции (подобной гидролизу) образуются гидросиликаты, в которые могут входить и кислые силикат-анионы Н₂SiO^-, что ведет к усложнению состава гидросиликата за счет конденсации. В результате образуется тоберморитоподобный гидросиликат с развитой удельной поверхностью, гидрофильный и легко адсорбирующий воду. Другие модификации двухкальциевого силиката -форма не обладает заметными вяжущими свойствами. Однако -С₂S конгруэнтно растворяясь, обеспечивает в растворе пересыщение относительно гидросиликата кальция того или иного ионного состава. В то же время известно, что двухкальциевый силикат (белит) медленно твердеет и прочность его нарастает в течение длительного времени и может оказаться достаточно высокой по истечении нескольких лет. Поэтому прочность раствора, затворенного на суспензии, обработанной единичным импульсом, значительно выше, чем при воздействии двух, пяти разрядов. В дальнейшем увеличение энергии активации ведет и к увеличению прочности бетона. Следовательно самым оптимальным количеством разрядов при обработке является единичный импульс.

Влияние объема камеры на эффект активации отражается гиперболической зависимостью:

R_c= 18,85 + (1)

Влияние же удельной энергии на прочность суспензии выражает зависимость типа

R_c= 18,57+0,46 W (2) где R_c - прочность раствора на сжатие, МПа;

V - объем технологической камеры, дм³;

W - удельная энергия, кДж/дм³. Как следует из уравнения (1), наибольшее значение снижения прочности наблюдается при 5-кратном увеличении объема камеры и составляет 20-22% , при 10-кратном увеличении - 25-27% , а при 300-кратном увели- чении объема снижение прочности достигает 41% .

На фиг. 5 приведен график зависимости прочности раствора на сжатие от объема камеры. Понижение прочности, вызванное увеличением объема камеры обработки, восполняется увеличением удельной энергии единичного импульса с доведением ее до 0,06-0,3 кДж/дм³. Прочность активированной суспензии и бетонов, приготовленных на ее основе, несколько ниже, чем указано в табл. 1, и составляет 144-176% (табл. 2).

В предлагаемом способе обработки сокращение количества разрядов до одного и использование электрической емкости 150-600 мкФ позволило уменьшить начальное напряжение до 5 кВ, уменьшить габариты энергетического блока ЭРУстановки и понизить ее стоимость.

Предлагаемый способ позволяет увеличить прочность бетона при одновременном снижении потребляемой мощности ЭРУстановки в 4-6 раз, улучшить условия техники безопасности при активации суспензии.