Способ приготовления водно-цементной смеси и установка для его осуществления

Способ и установка предназначены для получения смесей цемента с другими материалами, а именно жидкого цементного теста, при использовании ультразвука. Способ приготовления водно-цементной смеси включает смешивание цемента с водой и ультразвуковую обработку полученной смеси полем с интенсивностью (7÷70)10⁴ Вт/м² при избыточном давлении. Установка для осуществления этого способа включает емкость для смешивания цемента с водой, ультразвуковой генератор с указанной интенсивностью поля и насос, установленный между ними. Технический результат - повышение прочности и скорости ее нарастания, плотности, водонепроницаемости, морозостойкости бетона, полученного с использованием водно-цементной смеси. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Группа изобретений относится к способам и устройствам для получения смесей цемента с другими материалами, например жидкого цементного теста, смешиванием с использованием ультразвука.

Известен способ приготовления водно-цементной смеси, реализуемый установкой для приготовления бетонных и растворных смесей (заявка RU 93056065, MПK⁶ B28C 9/00, опубл. 20.05.1996 г.). Сущность способа состоит в том, что осуществляют смешивание цемента с водой при одновременном воздействии на цементное тесто ультразвуком. Установка для приготовления водно-цементной смеси содержит растворомешалку и ультразвуковой генератор, воздействующий на стенки растворомешалки.

Недостатком такого способа и устройства для его реализации является недостаточная степень эффективности активации цементного теста, что объясняется невысокой интенсивностью ультразвукового воздействия на цементное тесто через стенки растворомешалки, неравномерностью и неполнотой по объему действия акустического поля на цементное тесто.

Наиболее близкими к заявляемым способу и установке является способ приготовления водно-цементной смеси и оборудование для получения суспензий (пат. JP 8319485, МПК В28С 5/48, опубл. 03.12.1996 г.). Способ включает смешивание цемента с водой и одновременную или последующую ультразвуковую обработку полученной смеси. Установка для приготовления водно-цементной смеси содержит емкость для смешивания цемента с водой, ультразвуковой генератор и установленный после него насос.

Выполнение ультразвуковой обработки после смешивания цемента с водой позволяет несколько повысить эффективность активации цементного теста за счет принудительного диспергирования в воде цементного порошка и предотвращения образования крупных частиц.

Однако при использовании такого способа и оборудования для его осуществления низка эффективность активации цементного теста, что объясняется низкой интенсивностью ультразвукового воздействия на цементное тесто через стенки емкости для смешивания или стенки накопительного бака и неравномерностью действия акустического поля на цементное тесто, так как ультразвуковой генератор установлен на днище емкости для смешивания или на днище корпуса накопительного бака. При мощности генератора 100-2000 ватт и при КПД не более 50% интенсивность ультразвуковых колебаний составит менее 10⁴ Вт/м². При такой интенсивности ультразвуковых колебаний генератор работает в режиме акустического воздействия, и производиться только диспергирование агрегатов цементных зерен до той степени, которая определяется частотой и амплитудой колебания, временем обработки и водоцементным соотношением.

Задачей изобретения является создание способа приготовления водно-цементной смеси и установки для его осуществления, обеспечивающих повышение эффективности активации цементного теста за счет повышения интенсивности ультразвукового воздействия на цементное тесто и обеспечения возможности предпочтительного доизмельчения крупных зерен цемента, содержащихся в общей массе используемого цемента.

Технический результат достигается за счет того, что в способе приготовления водно-цементной смеси, включающем смешивание цемента с водой и ультразвуковую обработку полученной смеси, ультразвуковую обработку производят полем с интенсивностью (7÷70)10⁴ Вт/м² при избыточном давлении.

Технический результат достигается за счет того, что в установке для приготовления водно-цементной смеси, содержащей емкость для смешивания цемента с водой, ультразвуковой генератор и горизонтальный центробежный насос, насос установлен между емкостью для смешивания цемента с водой и ультразвуковым генератором, имеющим интенсивность поля (7÷70)10⁴ Вт/м².

Единый технический результат при использовании заявляемых способа и установки для его осуществления достигается мощным ультразвуковым воздействием в сочетании с подачей подготовленного к обработке водно-цементного теста под избыточным давлением, что позволяет обеспечить значительную его активацию за счет:

- более высокой степени диспергирования цементных агрегатов в цементном тесте и разрушения структуры высокодисперсной системы, что обеспечивает высокую степень однородности теста, дополнительной констракции системы цемент - вода за счет процесса перераспределения воды в этой системе и уменьшения сольватной пленки воды при изменении физико-химических свойств воды при ультразвуковом воздействии;

- доизмельчения зерен цемента предпочтительно фракции более 40÷50 мкм;

- повышения коагуляционной плотности цементного теста при протекании процессов констракции и воздействия радиационного давления;

- увеличения диффузионных и массообменных процессов в макро- и микросистеме цементного теста и, как следствие, ускорения реакций гидратации клинкерных составляющих цемента, и увеличения количества кристаллических зародышей новообразований за счет процесса коллапсирования.

Заявляемая группа изобретений поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема установки для приготовления водно-цементной смеси.

Установка содержит емкость 1 для смешивания цемента с водой, горизонтальный центробежный насос 2 и ультразвуковой генератор 3. Насос 2 установлен между емкостью 1 для смешивания цемента с водой и ультразвуковым генератором 3, имеющим интенсивность поля (7÷70)10⁴ Вт/м². Позициями 4, 5, 6 и 7 обозначены узлы подачи воды, цемента и пластифицирующих, и других добавок соответственно. В приведенном варианте для обеспечения подготовки цементного теста к ультразвуковой обработке при смешивании воды с цементом используется перемешивание лопастной мешалкой 8 в емкости 1. Для обеспечения рециркуляционной прокачки цементного теста при ультразвуковой обработке ультразвуковой генератор 3 трубопроводом 9 с клапаном 10 соединен с емкостью 1. Для подачи полученного цементного теста в бетоносмесительную емкость 11 для приготовления бетона служит трубопровод 12 с клапаном 13. Для повышения степени подготовки цементного теста в емкости 1 возможна установка вибратора 14.

Способ осуществляется на предлагаемой установке.

Вода и цемент узлами 4 и 5 подаются в емкость 1 для смешивания в количествах, соответствующих принятому для данного бетона водоцементному соотношению. Это соотношение изменяется в пределах от нормальной густоты цементного теста в зависимости от марки и изготовителя цемента до 1,0. Нижний предел водоцементного соотношения определяется возможностью прокачки цементного теста центробежным насосом и работы ультразвукового генератора 3 в кавитационном режиме с учетом предварительной подготовки цементного теста путем перемешивания цементного теста как с проведением добавления в него пластифицирующих добавок узлом 6 и вибрационного воздействия вибратором 14 с частотой не менее 100 Гц, так и без проведения вышеуказанного, верхний предел этого соотношения - технологической разумностью. При необходимости пластифицирующие и другие добавки узлами 6 и 7 подаются в емкость 1 для смешивания в количествах, соответствующих принятому регламенту. Количество добавок изменяется в пределах от 0,0% до 20,0% от веса цемента, используемого при смешивании с водой. В емкости 1 путем перемешивания лопастной мешалки 8 и/или без добавления в него пластифицирующих добавок и вибрационного воздействия производится смешивание цемента с водой, снижение динамической вязкости цементного теста путем частичного разрушения структуры высокодисперсной системы с низкими значениями водоцементного соотношения. Перемешивание осуществляется в течение 40÷60 секунд. Предварительная подготовка цементного теста производится для достижения определенной степени однородности, снижения эффективной вязкости и напряжения сдвига. После проведения смешивания компонентов открывают клапан 10 и запускают центробежный насос 2. При этом цементное тесто подвергается интенсивному ультразвуковому воздействию с помощью генератора 3. Ультразвуковая обработка цементного теста производится в генераторе 3 ультразвуковым полем интенсивностью (7÷70)10⁴ Вт/м² с амплитудой колебания 1÷2 мм. Для выполнения ультразвуковой обработки полем интенсивностью (7÷70)10⁴ Вт/м² в генераторе необходимая мощность извлекается из энергии "затопленной струи" непосредственно подводящего трубопровода, уменьшая давление в нем не менее, чем на 0,3 МПа. Время ультразвуковой обработки определяется производительностью насоса 2, пропускной способностью генератора 3, степенью предварительной подготовки цементного теста, водоцементным соотношением, температурой исходной воды и изменением температуры цементного теста в процессе ультразвуковой обработки, и достижением необходимой степени активации.

Исходя из выше изложенного, минимальное время активации 2÷3-разовая прокачка объема цементного теста через генератор 3 и максимальное - 12-13-ти разовая прокачка.

Несмотря на высокий коэффициент поглощения ультразвуковых колебаний цементным тестом, конструкция предлагаемого к использованию генератора 3 обеспечивает акустическое воздействие на весь объем теста, проходящего через генератор 3.

Бетон, затворенный на актированном данным способом тесте, обладает повышенной прочностью, плотностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью и сокращением времени набора прочности на стадии схватывания и твердения. При этом на 28 сутки прирост прочности бетона увеличивается на 45÷60% от проектной прочности марочного бетона, или для получения необходимой марки бетона потребность в цементе уменьшается до 30÷40% в зависимости от получаемой марки бетона.

Для приготовления цементного теста с конкретными физико-механическими характеристиками и прежде всего для повышения прочности, водонепроницаемости бетона и/или сокращения расхода цемента на стадии подготовки цементного теста возможна подача дополнительных добавок: промышленного (добавки, ускоряющие или замедляющие твердение, с морозостойким эффектом и т.д.), минерального (мел, известняк, кварцевый песок и т.д.) и техногенного (металлургические шламы и шлаки, зола ТЭЦ и т.д.) происхождения с последующим ультразвуковым воздействием на приготовленную смесь. Ультразвуковое воздействие на цементное тесто с добавками позволяет получить высокооднородную смесь и повысить реакционную активность добавок.

Предлагаемым способом на предлагаемой установке получали водно-цементную тесто для изготовления бетона марки - 250, с пластифицирующей добавкой. Параметры процесса и характеристики бетона, полученного из водно-цементного теста приведены в таблице:

Интенсивность поля, Вт/м2	Давление на входе генератора, МПа	Время воздействия ультразвука, мин.	Увеличение прочности бетона на 28 сутки, %	Увеличение плотности бетона на 28 сутки, %	Увеличение класса бетона по водонепроницаемости
7×104	0,32	3	45	2,1	1÷2
40×104	0,41	3	60	3,4	2÷3
70×104	0,41	2	60	3,5	2÷3

Таким образом, использование предлагаемой группы изобретений позволяет повысить эффективность активации цементного теста за счет повышения интенсивности ультразвукового воздействия на цементное тесто и обеспечения возможности дополнительного избирательного доизмельчения цементных зерен размером более 40-50 мкм.

1. Способ приготовления водно-цементной смеси, включающий смешивание цемента с водой и ультразвуковую обработку полученной смеси, отличающийся тем, что ультразвуковую обработку производят полем с интенсивностью (7÷70)10⁴ Вт/м² при избыточном давлении.

2. Установка для осуществления способа по п.1, содержащая емкость для смешивания цемента с водой, ультразвуковой генератор и насос, который установлен между емкостью для смешивания цемента с водой и ультразвуковым генератором, имеющим интенсивность поля (7÷70)10⁴ Вт/м².