RU2410237C1

RU2410237C1 - Method for production of water-cement mix and plant for its realisation

Info

Publication number: RU2410237C1
Application number: RU2009142886/03A
Authority: RU
Inventors: Алексей Валентинович Левыкин (RU); Алексей Валентинович Левыкин; Вячеслав Павлович Терёхин (RU); Вячеслав Павлович Терёхин; Михаил Евгеньевич Пастухов (RU); Михаил Евгеньевич Пастухов; Анна Николаевна Пастухова (RU); Анна Николаевна Пастухова
Original assignee: Алексей Валентинович Левыкин; Вячеслав Павлович Терёхин; Михаил Евгеньевич Пастухов; Анна Николаевна Пастухова
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-01-27

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: method for production of water-cement mix includes mixing cement with water and ultrasonic treatment of produced mix with field with intensity of (7÷70)10⁴ W/m² at excessive pressure. Plant for realisation of this method includes reservoir to mix cement and water, ultrasonic generator with specified intensity of field and pump installed between them.

EFFECT: improved strength and rate of its increase, density, water impermeability, frost resistance of concrete produced with application of water-cement mix.

2 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Группа изобретений относится к способам и устройствам для получения смесей цемента с другими материалами, например жидкого цементного теста, смешиванием с использованием ультразвука.The group of inventions relates to methods and devices for producing mixtures of cement with other materials, for example liquid cement paste, mixing using ultrasound.

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.A known method of preparing a water-cement mixture, implemented by the installation for the preparation of concrete and mortar mixtures (application RU 93056065, MPK ⁶ B28C 9/00, publ. 05/20/1996). The essence of the method consists in the fact that they mix cement with water while simultaneously applying ultrasound to the cement paste. Installation for the preparation of water-cement mixture contains a mortar mixer and an ultrasonic generator acting on the walls of the mortar mixer.

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.The disadvantage of this method and device for its implementation is the insufficient degree of effectiveness of the activation of cement paste, which is explained by the low intensity of ultrasonic exposure to the cement paste through the walls of the mortar mixer, unevenness and incompleteness in the volume of the action of the acoustic field on the cement paste.

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.Closest to the claimed method and installation is a method of preparing a water-cement mixture and equipment for producing suspensions (US Pat. JP 8319485, IPC B28C 5/48, publ. 03.12.1996). The method includes mixing cement with water and simultaneous or subsequent ultrasonic treatment of the resulting mixture. Installation for the preparation of water-cement mixture contains a container for mixing cement with water, an ultrasonic generator and a pump installed after it.

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.Performing ultrasonic treatment after mixing cement with water allows you to slightly increase the efficiency of activation of the cement paste due to forced dispersion of the cement powder in the water and prevent the formation of large particles.

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.However, when using this method and equipment for its implementation, the activation efficiency of the cement paste is low, which is explained by the low intensity of ultrasonic exposure to the cement paste through the walls of the mixing tank or the walls of the storage tank and the uneven action of the acoustic field on the cement paste, since the ultrasonic generator is installed on the bottom mixing tanks or on the bottom of the storage tank body. With a generator power of 100-2000 watts and an efficiency of not more than 50%, the intensity of ultrasonic vibrations will be less than 10 ⁴ W / m ² . With such an intensity of ultrasonic vibrations, the generator operates in the acoustic mode, and only the dispersion of aggregates of cement grains is carried out to such an extent that is determined by the frequency and amplitude of the oscillations, the processing time and the water-cement ratio.

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.The objective of the invention is to provide a method of preparing a water-cement mixture and installation for its implementation, providing increased efficiency of activation of the cement paste by increasing the intensity of ultrasonic exposure to the cement paste and providing the possibility of preferred regrinding of large grains of cement contained in the total mass of cement used.

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.The technical result is achieved due to the fact that in the method of preparing a water-cement mixture, including mixing cement with water and ultrasonic treatment of the resulting mixture, ultrasonic treatment is performed by a field with an intensity of (7 ÷ 70) 10 ⁴ W / m ² at overpressure.

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.The technical result is achieved due to the fact that in the installation for the preparation of a water-cement mixture containing a container for mixing cement with water, an ultrasonic generator and a horizontal centrifugal pump, the pump is installed between the tank for mixing cement with water and an ultrasonic generator having a field intensity (7 ÷ 70) 10 ⁴ W / m ² .

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:A single technical result when using the proposed method and installation for its implementation is achieved by powerful ultrasonic action in combination with the supply of water-cement dough prepared for processing under excessive pressure, which allows for its significant activation due to:

- 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;- a higher degree of dispersion of cement aggregates in the cement test and destruction of the structure of the finely dispersed system, which provides a high degree of homogeneity of the test, additional construction of the cement-water system due to the process of redistribution of water in this system and a decrease in the solvate film of water when the physicochemical properties of water change when ultrasound exposure;

- доизмельчения зерен цемента предпочтительно фракции более 40÷50 мкм;- regrinding of cement grains, preferably fractions of more than 40 ÷ 50 microns;

- повышения коагуляционной плотности цементного теста при протекании процессов констракции и воздействия радиационного давления;- increase the coagulation density of the cement paste during the course of the processes of construction and exposure to radiation pressure;

- 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.- an increase in diffusion and mass transfer processes in the macro- and microsystem of cement paste and, as a result, acceleration of hydration reactions of the clinker components of cement, and an increase in the number of crystalline nuclei of neoplasms due to the collapse process.

Заявляемая группа изобретений поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема установки для приготовления водно-цементной смеси.The claimed group of inventions is illustrated by a drawing, which shows a schematic diagram of an installation for the preparation of a water-cement mixture.

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.The installation contains a tank 1 for mixing cement with water, a horizontal centrifugal pump 2 and an ultrasonic generator 3. A pump 2 is installed between a tank 1 for mixing cement with water and an ultrasonic generator 3 having a field intensity (7 ÷ 70) 10 ⁴ W / m ² . Positions 4, 5, 6 and 7 indicate the nodes of the supply of water, cement and plasticizing, and other additives, respectively. In the above embodiment, to ensure the preparation of the cement paste for ultrasonic treatment when mixing water with cement, mixing using a paddle mixer 8 in the tank 1 is used. To ensure the recirculation of the cement cake during ultrasonic treatment, the ultrasonic generator 3 is connected to the tank 1 by a pipe 9 with a valve 10. the cement paste into the concrete mixing tank 11 for concrete preparation is the pipeline 12 with the valve 13. To increase the degree of preparation of cement paste in the tank Of the bridge 1, a vibrator 14 can be installed.

Способ осуществляется на предлагаемой установке.The method is carried out on the proposed installation.

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.The water and cement units 4 and 5 are fed into the tank 1 for mixing in quantities corresponding to the water-cement ratio adopted for this concrete. This ratio varies from the normal density of the cement paste, depending on the brand and manufacturer of the cement, to 1.0. The lower limit of the water-cement ratio is determined by the possibility of pumping the cement dough with a centrifugal pump and operating the ultrasonic generator 3 in the cavitation mode, taking into account the preliminary preparation of the cement dough by mixing the cement dough as with the addition of plasticizing additives with unit 6 and vibration exposure with a vibrator 14 with a frequency of at least 100 Hz without carrying out the above, the upper limit of this ratio is technological rationality. If necessary, plasticizing and other additives nodes 6 and 7 are fed into the tank 1 for mixing in quantities corresponding to the adopted regulations. The amount of additives varies from 0.0% to 20.0% of the weight of the cement used when mixed with water. In the tank 1, by mixing the paddle mixer 8 and / or without adding plasticizing additives and vibration exposure, cement is mixed with water, the dynamic viscosity of the cement paste is reduced by partially destroying the structure of a highly dispersed system with low values of water-cement ratio. Mixing is carried out for 40 ÷ 60 seconds. Preliminary preparation of cement paste is carried out to achieve a certain degree of uniformity, to reduce the effective viscosity and shear stress. After mixing the components, open valve 10 and start the centrifugal pump 2. In this case, the cement paste is subjected to intense ultrasonic treatment using a generator 3. Ultrasonic treatment of the cement paste is performed in the generator 3 by an ultrasonic field of intensity (7 ÷ 70) 10 ⁴ W / m ² with amplitude fluctuations of 1 ÷ 2 mm. To perform ultrasonic treatment with a field of intensity (7 ÷ 70) 10 ⁴ W / m ² in the generator, the necessary power is extracted from the energy of the "flooded stream" of the directly supplying pipeline, reducing the pressure in it by at least 0.3 MPa. The ultrasonic treatment time is determined by the capacity of the pump 2, the capacity of the generator 3, the degree of preliminary preparation of the cement paste, the water-cement ratio, the temperature of the initial water and the change in temperature of the cement paste during the ultrasonic treatment, and the achievement of the required degree of activation.

Исходя из выше изложенного, минимальное время активации 2÷3-разовая прокачка объема цементного теста через генератор 3 и максимальное - 12-13-ти разовая прокачка.Based on the foregoing, the minimum activation time is 2–3 times pumping the volume of cement paste through generator 3 and the maximum is 12–13 times pumping.

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.Despite the high absorption coefficient of ultrasonic vibrations by the cement test, the design of the generator 3 proposed for use provides an acoustic effect on the entire volume of the test passing through the generator 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.Concrete mixed on a test activated by this method has increased strength, density, water resistance, frost resistance and a reduction in the time of curing at the stage of setting and hardening. At the same time, on the 28th day, the increase in concrete strength increases by 45 ÷ 60% of the design strength of brand concrete, or in order to obtain the necessary grade of concrete, the need for cement is reduced to 30 ÷ 40% depending on the type of concrete obtained.

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.For the preparation of cement paste with specific physico-mechanical characteristics and, above all, to increase the strength, water tightness of concrete and / or reduce cement consumption at the stage of preparation of the cement paste, additional additives can be supplied: industrial (additives that accelerate or slow down hardening, with a frost-resistant effect, etc. etc.), mineral (chalk, limestone, silica sand, etc.) and industrial (metallurgical sludge and slag, ash of thermal power plants, etc.) origin with subsequent ultrasonic impact on otovlennuyu mixture. Ultrasonic action on cement paste with additives allows to obtain a highly homogeneous mixture and increase the reactivity of additives.

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:The proposed method at the proposed installation received water-cement dough for the manufacture of concrete brand - 250, with a plasticizing additive. The process parameters and characteristics of concrete obtained from water-cement test are given in the table:

Интенсивность поля, Вт/м² Field Intensity, W / m ² Давление на входе генератора, МПаPressure at the inlet of the generator, MPa Время воздействия ультразвука, мин.Ultrasound exposure time, min. Увеличение прочности бетона на 28 сутки, %The increase in concrete strength by 28 days,% Увеличение плотности бетона на 28 сутки, %The increase in concrete density at 28 days,% Увеличение класса бетона по водонепроницаемостиIncrease concrete waterproof grade 7×10⁴ 7 × 10 ⁴ 0,320.32 33 4545 2,12.1 1÷21 ÷ 2 40×10⁴ 40 × 10 ⁴ 0,410.41 33 6060 3,43.4 2÷32 ÷ 3 70×10⁴ 70 × 10 ⁴ 0,410.41 22 6060 3,53,5 2÷32 ÷ 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.Thus, the use of the proposed group of inventions allows to increase the efficiency of activation of cement paste by increasing the intensity of ultrasonic exposure to the cement paste and providing the possibility of additional selective regrinding of cement grains larger than 40-50 microns.

Claims

1. A method of preparing a water-cement mixture, comprising mixing cement with water and ultrasonic treatment of the resulting mixture, characterized in that the ultrasonic treatment is performed by a field with an intensity of (7 ÷ 70) 10 ⁴ W / m ² at overpressure.

2. Installation for implementing the method according to claim 1, containing a container for mixing cement with water, an ultrasonic generator and a pump, which is installed between the tank for mixing cement with water and an ultrasonic generator having a field intensity (7 ÷ 70) 10 ⁴ W / m ² .