RU2163582C2

RU2163582C2 - Method for production of cement tempering liquid

Info

Publication number: RU2163582C2
Application number: RU99107885A
Authority: RU
Inventors: Г.Д. Семенова; Ю.С. Саркисов; А.Н. Еремина; В.Д. Семенов; С.В. Образцов
Original assignee: Томский государственный архитектурно-строительный университет
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2001-02-27

Abstract

FIELD: building material industry, in particular, methods for treatment of cement tempering liquid. SUBSTANCE: method consists in electrochemical treatment of tap water in a three-chamber electrolyzer with ion-selective membranes with a subsequent use of treated water for cement tempering; for cement tempering use is made of treated tap water taken from the middle, or cathode, or anode chamber, electrochemical treatment is accomplished by alternating asymmetrical current at voltage of 40-50 V, frequency of 500-600 Hz at a ratio of direct and return current half-waves equal to 1.6-1.7. EFFECT: reduced power consumption and enhanced strength of cement stone in early stages of hardening. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к способам обработки жидкости затворения для приготовления бетонной смеси, и направлено на повышение прочности цементного камня. The invention relates to the building materials industry, and in particular to methods for processing a mixing fluid for preparing a concrete mixture, and is aimed at increasing the strength of cement stone.

Известен способ водоподготовки в технологии приготовления бетонной смеси, когда воду перед смешением с другими компонентами обрабатывают постоянным электрическим током в бездиафрагменном электролизере. При этом обработку воды осуществляют при анодной плотности тока на электродах (0,1-2,0)·10² А/м², а суммарная площадь анодов относится к суммарной площади катодов как 1: (1,0-2,5). Кроме того, перед обработкой постоянным электрическим током или после нее воду дополнительно обрабатывают магнитным полем напряженностью (0,01-2,0)·10⁴ А/м [1].There is a method of water treatment in the technology of preparing a concrete mixture, when the water before mixing with other components is treated with direct electric current in a diaphragmless electrolyzer. In this case, water treatment is carried out at an anode current density on the electrodes of (0.1-2.0) · 10 ² A / m ² , and the total area of the anodes refers to the total area of the cathodes as 1: (1.0-2.5). In addition, before treatment with direct electric current or after it, the water is additionally treated with a magnetic field of intensity (0.01-2.0) · 10 ⁴ A / m [1].

Недостатками известного способа являются его сложность и высокая энергоемкость, связанные с комплексной обработкой жидкости затворения постоянным электрическим током и магнитным полем. The disadvantages of this method are its complexity and high energy intensity associated with the complex treatment of the mixing fluid with a constant electric current and a magnetic field.

Известен также способ приготовления жидкости затворения бетонной смеси, заключающийся в том, что в воду вводят соли жесткости, после чего раствор подвергают гидромеханическому воздействию с последующей обработкой жидкости в электролизере переменным электрическим током (U=30-60 В, i=0,01-0,025 А/см²; f=50-200 Гц), после чего жидкость обрабатывают магнитным полем 300-500 Э [2].There is also known a method of preparing a mixing fluid for a concrete mixture, which consists in introducing hardness salts into the water, after which the solution is subjected to hydromechanical treatment followed by treatment of the liquid in the electrolyzer with alternating electric current (U = 30-60 V, i = 0.01-0.025 A / cm ² ; f = 50-200 Hz), after which the liquid is treated with a magnetic field of 300-500 Oe [2].

Недостатками этого способа являются его нетехнологичность, сложность и высокая энергоемкость, связанные с реализацией операций химического, гидромеханического, электрохимического и магнитного воздействий на жидкость затворения. The disadvantages of this method are its low technology, complexity and high energy intensity associated with the implementation of chemical, hydromechanical, electrochemical and magnetic effects on the mixing fluid.

Наиболее близким по количеству существенных признаков и достигаемому результату является способ получения цементного камня, включающий электрохимическую обработку жидкости затворения в трехкамерном электролизере постоянного тока. При этом в среднюю камеру электролизера подают 1-3% раствор хлорида кальция, а в крайние камеры - водопроводную воду. Электрохимический процесс ведут при выпрямленном напряжении 220 В. Цемент затворяют раствором из анодной или катодной камеры. При этом прирост прочности цементного камня составляет до 45% в возрасте 1 суток и до 58% в возрасте 28 суток по сравнению с прочностью цементного камня, затворенного водопроводной водой [3]. The closest in number of essential features and the achieved result is a method for producing cement stone, including the electrochemical treatment of a mixing fluid in a three-chamber direct current electrolyzer. At the same time, a 1-3% solution of calcium chloride is fed into the middle chamber of the electrolyzer, and tap water is delivered to the outer chambers. The electrochemical process is carried out at a rectified voltage of 220 V. Cement is shut with a solution from the anode or cathode chamber. At the same time, the increase in the strength of cement stone is up to 45% at the age of 1 day and up to 58% at the age of 28 days compared with the strength of cement stone closed with tap water [3].

К недостаткам прототипа [3] следует отнести его нетехнологичность, связанную с использованием при электрохимической обработке жидкости затворения химического компонента (1-3% раствор CaCl₂) и применением высокого напряжения, что делает использование данного способа энергоемким и небезопасным. Кроме того, прирост прочности цементного камня, особенно в ранние сроки твердения, невысок и составляет около 45%.The disadvantages of the prototype [3] should include its low technology associated with the use of electrochemical processing fluid mixing chemical component (1-3% CaCl ₂ solution) and the use of high voltage, which makes the use of this method energy-intensive and unsafe. In addition, the increase in the strength of cement stone, especially in the early stages of hardening, is low and amounts to about 45%.

В основу изобретения положена задача упрощения технологии и снижения энергозатрат при обработке жидкости затворения, при этом технический результат заключается в увеличении прочности цементного камня в ранние сроки твердения. The basis of the invention is the task of simplifying the technology and reducing energy consumption during the processing of the mixing fluid, while the technical result is to increase the strength of the cement stone in the early stages of hardening.

Поставленная задача решена следующим образом. Согласно заявляемому способу, жидкость затворения (водопроводную воду) обрабатывают в трехкамерном электролизере с ионселективными мембранами переменным асимметричным током с отношением амплитуд прямой и обратной полуволн тока, равным 1,6-1,7 (коэффициент асимметрии), напряжением 40-50 В, частотой 500-600 Гц. При этом для затворения цемента берут растворы из анодной, катодной или средней камер электролизера. The problem is solved as follows. According to the claimed method, the mixing liquid (tap water) is treated in a three-chamber electrolyzer with ion-selective membranes with an alternating asymmetric current with a ratio of amplitudes of forward and reverse half-waves of current equal to 1.6-1.7 (asymmetry coefficient), voltage 40-50 V, frequency 500 -600 Hz. At the same time, cement solutions are taken from the anode, cathode or middle chambers of the electrolyzer.

Общее между заявляемым способом и прототипом в том, что электрохимическую обработку жидкости затворения осуществляют в трехкамерном электролизере с ионселективными мембранами, а в качестве жидкости затворения берут жидкости из анодной или катодной камер электролизера. The total between the claimed method and the prototype is that the electrochemical treatment of the mixing liquid is carried out in a three-chamber electrolyzer with ion-selective membranes, and the liquid taken from the anode or cathode chambers of the electrolyzer is used as the mixing liquid.

Отличие заявляемого способа от прототипа состоит в том, что электрохимическую обработку жидкости затворения ведут асимметричным переменным током, напряжением 40-50 В, частотой 500-600 Гц, с коэффициентом асимметрии, равным 1,6-1,7. Для затворения цемента используют обработанную водопроводную воду из средней, или катодной, или анодной камер электролизера. Дополнительно следует отметить, что при реализации заявляемого способа не требуется введения химических добавок и электрохимический процесс ведут при гораздо более низком напряжении (40-50 В), по сравнению со способом прототипа (220 В). Проведенный анализ позволяет сделать вывод о наличии новизны и существенных признаков заявляемого способа. The difference of the proposed method from the prototype is that the electrochemical treatment of the mixing fluid is carried out by asymmetric alternating current, voltage 40-50 V, frequency 500-600 Hz, with an asymmetry coefficient equal to 1.6-1.7. For mixing cement use treated tap water from the middle, or cathode, or anode chambers of the electrolyzer. Additionally, it should be noted that the implementation of the proposed method does not require the introduction of chemical additives and the electrochemical process is carried out at a much lower voltage (40-50 V), compared with the prototype method (220 V). The analysis allows us to conclude that there is novelty and essential features of the proposed method.

Электрохимическая обработка водопроводной воды асимметричным переменным током в трехкамерном электролизере с ионселективными мембранами усиливает химическую активность жидкости, то есть активизирует ее. Затворение цемента электрохимически активированной водой оказывает влияние на процессы растворения, гидратации, гидролиза, что в целом приводит к повышению прочности цементного камня, особенно, в ранние сроки твердения. В межэлектродном пространстве электролизера под действием асимметричного переменного тока (S= 1,6-1,7) в заданном диапазоне частот (500-600 Гц) происходит ориентация и направленное движение ионов и молекул воды к электродам, создаются условия, при которых проявляются резонансные эффекты в двойном электрическом слое (ДЭС) на плоскости электродов. Структурные изменения, начавшиеся у межфазной границы в ДЭС, благодаря когерентному движению молекул воды и водородным связям, распространяются вглубь жидкой фазы, формируются ориентационные структуры, в которых при воздействии слабых электромагнитных полей возможно спонтанное нарушение их симметрии и дальнейшее разрушение. Таким образом, изменение надмолекулярной структуры воды значительно увеличивает ее химическую активность и, как следствие, влияет на процесс структурообразования цементного камня, приводит к повышению его прочности. The electrochemical treatment of tap water with asymmetric alternating current in a three-chamber electrolyzer with ion-selective membranes enhances the chemical activity of the liquid, that is, activates it. Cement mixing with electrochemically activated water affects the dissolution, hydration, and hydrolysis processes, which generally leads to an increase in the strength of cement stone, especially in the early stages of hardening. Under the influence of an asymmetric alternating current (S = 1.6-1.7), in the interelectrode space of the electrolyzer, in a given frequency range (500-600 Hz), the ions and water molecules are oriented and directed towards the electrodes, and conditions are created under which resonant effects are manifested in a double electric layer (DEL) on the plane of the electrodes. Structural changes that began at the interfacial boundary in the DES, due to the coherent motion of water molecules and hydrogen bonds, propagate deep into the liquid phase, orientational structures are formed in which, under the influence of weak electromagnetic fields, their symmetry can be spontaneously broken and further destroyed. Thus, a change in the supramolecular structure of water significantly increases its chemical activity and, as a result, affects the process of structure formation of cement stone, leading to an increase in its strength.

На чертеже представлена электрическая схема для получения жидкости затворения. Электрическая схема включает в себя задающий генератор 1, частотомер 2, усилитель мощности 3 с трансформатором 4, первичная обмотка 5 которого подключена к выходу усилителя 3, а вторичная обмотка 6 через диоды 7, 8, резистор 9 и токовый шунт 10 подключена к электролизеру 11. Для измерения амплитудных значений токов и напряжений применялся осциллограф 12, один вход которого подключен к шунту 10 для измерения тока, а второй - к электролизеру 11 для измерения напряжения. The drawing shows an electrical diagram for a mixing fluid. The electrical circuit includes a master oscillator 1, a frequency counter 2, a power amplifier 3 with a transformer 4, the primary winding of which 5 is connected to the output of the amplifier 3, and the secondary winding 6 through diodes 7, 8, a resistor 9, and a current shunt 10 is connected to the electrolyzer 11. To measure the amplitude values of currents and voltages, an oscilloscope 12 was used, one input of which is connected to a shunt 10 for measuring current, and the second to an electrolyzer 11 for measuring voltage.

Пример. Для приготовления цементного камня используют портландцемент М 300, в качестве жидкости затворения - водопроводную воду. Электролизер выполнен трехкамерным, проточным. Средняя камера электролизера образована ионселективными мембранами МК-40 и МА-40. Катод, площадью 30 см², изготовлен из нержавеющей стали, анод выполнен из прессованного графита. Процесс электрохимической обработки ведут на переменном асимметричном токе (S=l,6-l,7) при напряжении 40-50 В, частоте 500-600 Гц. При таких режимах обработки pH растворов (воды) в анодной, катодной и средней камерах электролизера изменяется незначительно: на 0,1-0,2 единицы по сравнению с водопроводной (необработанной) водой, температура полученных растворов увеличивается на 0,5-1,0^oC. Полученными растворами затворяют цемент (В/Ц=0,27) и формуют кубики размером 3х3х3 см, которые твердеют в естественно-влажных условиях. В установленные сроки (7-28 суток) образцы испытывают на прочность при сжатии. Для контроля по такой же технологии были приготовлены образцы на водопроводной (необработанной) воде. Прочность при сжатии цементного камня, затворенного водопроводной водой, составила в возрасте 7 и 28 суток соответственно 134 и 285 кгс/см². Результаты испытаний представлены в таблице "Прочностные характеристики цементного камня, затворенного электрохимически обработанной водой.Example. For the preparation of cement stone, Portland cement M 300 is used, tap water is used as a mixing liquid. The cell is made of three-chamber, flowing. The middle cell of the cell is formed by ion-selective membranes MK-40 and MA-40. The cathode, an area of 30 cm ² , is made of stainless steel, the anode is made of pressed graphite. The process of electrochemical processing is carried out on an alternating asymmetric current (S = l, 6-l, 7) at a voltage of 40-50 V, a frequency of 500-600 Hz. Under such conditions of processing the pH of solutions (water) in the anode, cathode and middle chambers of the electrolyzer changes insignificantly: by 0.1-0.2 units compared to tap (untreated) water, the temperature of the resulting solutions increases by 0.5-1.0 ^o C. The resulting solutions mix cement (W / C = 0.27) and form cubes of 3x3x3 cm in size, which harden in naturally moist conditions. On time (7-28 days), the samples are tested for compressive strength. To control using the same technology, samples were prepared on tap (untreated) water. The compressive strength of cement closed by tap water was 134 and 285 kgf / cm ² at the age of 7 and 28 days, respectively. The test results are presented in the table "Strength characteristics of cement stone, closed electrochemically treated water.

Как видно из таблицы, максимальный прирост прочности (81-113%) в возрасте 7 суток и (58-65%) в возрасте 28 суток имеют образцы, затворенные растворами из катодной или средней камер электролизера, полученными при напряжении 40-50 В, частоте 500-600 Гц, коэффициенте асимметрии S=l,6-1,7. При использовании в качестве жидкости затворения раствора из анодной камеры прирост прочности цементного камня при сжатии в возрасте 7 суток составляет 80-97%, что выше, чем у прототипа, а прирост прочности в возрасте 28 суток - 16-21%, что ниже, чем у прототипа. As can be seen from the table, the maximum strength gain (81-113%) at the age of 7 days and (58-65%) at the age of 28 days have samples closed with solutions from the cathode or middle cells of the cell obtained at a voltage of 40-50 V, frequency 500-600 Hz, asymmetry coefficient S = l, 6-1.7. When using mortar from the anode chamber as the mixing fluid, the increase in the strength of cement stone under compression at the age of 7 days is 80-97%, which is higher than that of the prototype, and the increase in strength at the age of 28 days is 16-21%, which is lower than at the prototype.

Обработка воды при напряжении менее 40 В, переменном токе менее 0,15 А и коэффициенте асимметрии менее 1,6 снижает активность жидкости затворения и, как следствие, приводит к снижению прочности, особенно при использовании жидкости из анодной камеры (анолита). Использование напряжений более 50 В и частоты более 600 Гц повышает расход электроэнергии, усложняет оборудование и его эксплуатацию, а также приводит к нестабильности результатов, особенно при использовании в качестве жидкости затворения раствора из анодной камеры. Water treatment at a voltage of less than 40 V, alternating current less than 0.15 A and an asymmetry coefficient of less than 1.6 reduces the activity of the mixing fluid and, as a result, leads to a decrease in strength, especially when using fluid from the anode chamber (anolyte). The use of voltages of more than 50 V and frequencies of more than 600 Hz increases the energy consumption, complicates the equipment and its operation, and also leads to instability of the results, especially when using solution mixing fluid from the anode chamber as a liquid.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает прирост прочности в ранние сроки твердения более чем в два раза. При этом расход энергии составляет 0,4-0,5 кВт·час на 1 м³ обработанной воды, тогда как в прототипе (U = 220 В) расход энергии составляет 1,2-1,3 кВт·час на 1 м³ воды.Thus, the inventive method provides an increase in strength in the early stages of hardening by more than two times. Moreover, the energy consumption is 0.4-0.5 kW · h per 1 m ^{3 of} treated water, whereas in the prototype (U = 220 V) the energy consumption is 1.2-1.3 kW · h per 1 m ^{3 of} water .

Источники информации, используемые при составлении описания:
1. Патент Российской Федерации N 2017702, М. кл⁵ C 04 B 40/00, Бюл. N 15, 15.08.94.Sources of information used in the preparation of the description:
1. Patent of the Russian Federation N 2017702, M. cl ⁵ C 04 B 40/00, Bull. N 15, 08/15/94.

2. Патент СССР N 1782230, М. кл⁵. C 04 B 40/00, Бюл. N 46, 15.12.92.2. USSR patent N 1782230, M. cl. ⁵ . C 04 B 40/00 Bull. N 46, 12/15/92.

3. Авт. св. N 1705266, М. кл⁵ C 04 B 40/00, Бюл. N 2, 15.01.92.3. Auth. St. N 1705266, M. cl. ⁵ C 04 B 40/00, Bull. N 2, 01/15/92.

Claims

A method of obtaining a cement mixing liquid, comprising the electrochemical treatment of tap water in a three-chamber electrolyzer with ion-selective membranes, followed by the use of treated water for mixing cement, characterized in that treated cement selected from the middle or cathode or anode chambers is used for mixing cement electrochemical water treatment is carried out by alternating asymmetric current at a voltage of 40 - 50 V, a frequency of 500 - 600 Hz with a ratio of amplitudes of forward and reverse half-wave current equal to 1.6 - 1.7.