RU2533564C1 - Method of obtaining of cement mixing liquid - Google Patents

Method of obtaining of cement mixing liquid Download PDF

Info

Publication number
RU2533564C1
RU2533564C1 RU2013127329/03A RU2013127329A RU2533564C1 RU 2533564 C1 RU2533564 C1 RU 2533564C1 RU 2013127329/03 A RU2013127329/03 A RU 2013127329/03A RU 2013127329 A RU2013127329 A RU 2013127329A RU 2533564 C1 RU2533564 C1 RU 2533564C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water
anode
cement
ultrasound
khz
Prior art date
Application number
RU2013127329/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Геннадий Васильевич Смирнов
Дмитрий Геннадьевич Смирнов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Priority to RU2013127329/03A priority Critical patent/RU2533564C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2533564C1 publication Critical patent/RU2533564C1/en

Links

Landscapes

  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)

Abstract

FIELD: construction.
SUBSTANCE: method comprises electrochemical treatment of mains water in three-chamber electrolysis unit with ion-selective membranes by alternating asymmetric current. Meanwhile the electrolysis unit anode is made from shungite. During the electrochemical treatment of water in the anode and in the anode chamber the ultrasonic oscillations are exited, the frequency of which exceeds the cavitation threshold frequency within a range from 20 kHz up to 100 kHz, and the intensity of the named ultrasonics is in the field of stable cavitation from 1.5 W/cm2 up to 2,5 W/cm2. Water treatment is stopped at achieving of density of particles of hydrated fullerene 10-3-10-4%.
EFFECT: improvement of frost resistance of concrete mix, increase of cement hydratation level and strength of cement stone in early periods of curing.

Description

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

Известен способ получения жидкости затворения путем добавления в нее наночастиц (наномодификатора), в частности фуллерена с размером частиц от 20 до 200 нм, до достижения концентрации фуллерена в воде 10-4-10-7% [1].A known method of producing a mixing liquid by adding nanoparticles (nanomodifier), in particular fullerene with a particle size of 20 to 200 nm, to achieve a concentration of fullerene in water of 10 -4 -10 -7 % [1].

Недостатком указанного способа является то, что получение наночастиц фуллерена - процесс трудоемкий и дорогостоящий. В 90 годы прошлого столетия, когда фуллерены только стали использовать для практических нужд, стоимость фуллерена составляла 10000$ за грамм. Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки привели к существенному снижению стоимости С60 за последние 17 лет - с 10000$ до 10-15$ за грамм {2}, что подвело к рубежу их реального промышленного использования. Тем не менее, цена фуллерена, несмотря на ее заметное снижение за последние годы, остается все еще достаточно высокой. Кроме того, искусственно получаемые наночастицы фуллерена практически нерастворимы в воде, что не позволяет повысить их концентрацию в жидкости затворения, и это также ограничивает потенциальные возможности модифицируемой жидкости. В упомянутом аналоге имеется необходимость засыпать в каждую очередную порцию жидкости затворения определенную довеску (дозу) фуллереновых частиц, что усложняет его реализацию.The disadvantage of this method is that the preparation of fullerene nanoparticles is a laborious and expensive process. In the 90s of the last century, when fullerenes were just beginning to be used for practical purposes, the cost of fullerene was $ 10,000 per gram. A relatively rapid increase in the total number of plants for producing fullerenes and constant work to improve their cleaning methods led to a significant reduction in the cost of C 60 over the past 17 years - from $ 10,000 to $ 10-15 per gram {2}, which brought to the line of their real industrial use. Nevertheless, the price of fullerene, despite its marked decline in recent years, remains still quite high. In addition, artificially produced fullerene nanoparticles are practically insoluble in water, which does not allow increasing their concentration in the mixing liquid, and this also limits the potential possibilities of the modified fluid. In the aforementioned analogue, there is a need to fill in each successive portion of the mixing liquid a certain weight (dose) of fullerene particles, which complicates its implementation.

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 [3].A known 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 [3].

Недостатками способа являются его сложность и высокая энергоемкость, связанные с комплексной обработкой жидкости затворения постоянным электрическим током и магнитным полем.The disadvantages of the 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 [4].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 [4].

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.

Известен способ получения бетонного 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 [5].A known method of producing concrete 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 [5].

К недостаткам указанного способа [5] следует отнести его нетехнологичность, связанную с использованием при электрохимической обработке жидкости затворения химического компонента (1-3% раствор СаСl2) и с применением относительно 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 this method [5] should be attributed to its low technology associated with the use of a mixing component of a chemical component during electrochemical treatment (1-3% CaCl 2 solution) and with the use of a relatively 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%.

Наиболее близким по количеству существенных признаков и достигаемому результату является способ получения жидкости затворения цемента, включающий электрохимическую обработку водопроводной воды в трехкамерном электролизере с ионоселективными мембранами с последующим использованием обработанной воды для затворения цемента, для затворения цемента используют обработанную водопроводную воду, отобранную из средней, или катодной, или анодной камер, причем электрохимическую обработку воды ведут переменным асимметричным током при напряжении 40-50 В, частоте 500-600 Гц при отношении амплитуд прямой и обратной полуволн тока 1,6-1,7 [6].The closest in terms of the number of essential features and the achieved result is a method of producing cement mixing liquid, including electrochemical treatment of tap water in a three-chamber electrolyzer with ion-selective membranes, followed by the use of treated water to mix the cement; treated cement selected from the middle or cathodic water is used to mix the cement or anode chambers, moreover, the electrochemical treatment of water is carried out by alternating asymmetric current at voltage 40-50 V, a frequency of 500-600 Hz with a ratio of amplitudes of forward and reverse half-waves of current 1.6-1.7 [6].

Недостатком способа-прототипа является то, что жидкость затворения не структурированная, что снижает технологические свойства бетонной смеси (низкая морозоустойчивость бетонной смеси, пластичность, степень гидратации цемента, распалубочное время и др.), а прочность бетонного камня, полученного с использованием жидкости затворения, активированной по способу-прототипу, относительно низка.The disadvantage of the prototype method is that the mixing fluid is not structured, which reduces the technological properties of the concrete mixture (low frost resistance of the concrete mixture, ductility, degree of cement hydration, formwork time, etc.), and the strength of the concrete stone obtained using the mixing fluid activated by the prototype method, is relatively low.

В основу изобретения положена задача повышение эффективности обработанной жидкости затворения, при этом технический результат заключается в повышении морозоустойчивость бетонной смеси степени, увеличение гидратации цемента и прочности цементного камня в ранние сроки твердения.The basis of the invention is to increase the efficiency of the processed mixing fluid, while the technical result is to increase the degree of frost resistance of the concrete mixture, increase the hydration of cement and 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 ионоселективными мембранами переменным асимметричным током. При этом анод электролизера выполняют из шунгита и в процессе электрохимической обработки воды в аноде и в анодной камере возбуждают ультразвуковые колебания, частота которых лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см2 до 2,5 Вт/см2, обработку воды прекращают при достижении концентрацией частиц гидратированного фуллерена 10-3-10-4% и используют для затворения цемента. При этом для затворения цемента берут растворы из катодной, средней или из анодной камеры 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. The anode of the electrolyzer is made of schungite and during the electrochemical treatment of water in the anode and in the anode chamber, ultrasonic vibrations are excited, the frequency of which lies above the frequency of the cavitation threshold in the range from 20 kHz to 100 kHz, and the intensity of the mentioned ultrasound lies in the region of stable cavitation from 1 5 W / cm 2 to 2.5 W / cm 2 , the water treatment is stopped when the concentration of hydrated fullerene particles reaches 10 -3 -10 -4 % and is used for mixing cement. In this case, for mixing cement take solutions from the cathode, middle or from the anode chamber of the electrolyzer.

Общее между заявляемым способом и прототипом в том, что электрохимическую обработку жидкости затворения осуществляют в трехкамерном электролизере с ионоселективными мембранами переменным асимметричным током, а в качестве жидкости затворения берут воду из средней, 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 with an alternating asymmetric current, and water is taken as the mixing liquid from the middle, anode or cathode cells of the electrolyzer.

Отличие заявляемого способа от прототипа состоит в том, что электрохимическую обработку жидкости затворения ведут в электролизере, анод которого выполняют из шунгита, причем в процессе электрохимической обработки воды в аноде и в анодной камере возбуждают ультразвуковые колебания, частота которых лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см2 до 2,5 Вт/см2, при этом обработку воды прекращают при достижении концентрацией частиц гидратированного фуллерена 10-3-10-4%, после чего активированную воду используют для затворения цемента. Дополнительно следует отметить, что при реализации заявляемого способа не требуется введения химических добавок, которые успешно заменяет перешедшие из анода в воду в процессе ее активации частицы гидратированного фуллерена.The difference of the proposed method from the prototype is that the electrochemical treatment of the mixing fluid is carried out in the electrolyzer, the anode of which is made of schungite, and during the electrochemical treatment of water in the anode and in the anode chamber, ultrasonic vibrations are excited, the frequency of which is higher than the frequency of the cavitation threshold in the range from 20 kHz to 100 kHz and the intensity of said ultrasound is in stable cavitation of 1.5 W / cm 2 to 2.5 W / cm 2, wherein the water treatment is stopped when the concentration of particulate g dratirovannogo fullerene 10 -3 -10 -4%, after which the activated water is used for mixing cement. Additionally, it should be noted that when implementing the proposed method, the introduction of chemical additives is not required, which successfully replaces hydrated fullerene particles that have passed from the anode into the water during its activation.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод о наличии новизны и существенных признаков заявляемого способа.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 ионоселективными 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 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. Существенно повышает активные свойства жидкости затворения попавший в анолит фуллерен. В шунгите содержатся не просто фуллерены, а гидратированные фуллерены, способные экстрагироваться водой. 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. Уникальным свойством фуллеренов является их способность структурировать воду. Фуллерены, полученные искусственным путем, растворяются в воде с большим трудом. Зато, если они растворены, как это имеет место в шунгите, вокруг каждого шара образуется многослойная оболочка из правильно расположенных молекул воды, примерно в десять молекулярных слоев. Эта водяная, иначе говоря, гидратная оболочка молекулы Фуллерена и есть структурированная вода.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. In the interelectrode space of the electrolyzer, under the action of an asymmetric alternating current, the orientation and directional movement of ions and water molecules to the electrodes occurs, conditions are created under which resonance effects appear in the 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. Significantly increases the active properties of the mixing fluid that is in the anolyte fullerene. Shungite contains not just fullerenes, but hydrated fullerenes that can be extracted with water. 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. A unique property of fullerenes is their ability to structure water. Artificial fullerenes dissolve in water with great difficulty. But, if they are dissolved, as is the case in shungite, a multilayer shell of correctly located water molecules, about ten molecular layers, is formed around each ball. This water, in other words, the hydration shell of the Fullerene molecule is structured water.

Известно, что при электролизе воды происходит разрушение анода и положительно заряженные ионы его материала (катионы) проходят от анода через анолит и через мембрану поступают в катодную камеру.It is known that during electrolysis of water, the anode is destroyed and positively charged ions of its material (cations) pass from the anode through the anolyte and enter the cathode chamber through the membrane.

В заявляемом способе в качестве анода используют шунгит. Использование шунгита в качестве анода позволяют в первую очередь его высокая электропроводность и другие его физические характеристики, приведенные ниже:In the inventive method, shungite is used as an anode. The use of shungite as an anode is primarily possible due to its high electrical conductivity and its other physical characteristics, given below:

- плотность - 2,25-2,40 г/см3 - density - 2.25-2.40 g / cm 3

- пористость - 0,5-5%- porosity - 0.5-5%

- прочность на сжатие 100-150 МПа- compressive strength 100-150 MPa

- модуль упругости (Е) - 0,31×105 МПа- modulus of elasticity (E) - 0.31 × 10 5 MPa

- электропроводность - (1-3)×103 См/м- electrical conductivity - (1-3) × 10 3 S / m

- теплопроводность - 3,8 Вт/м·к.- thermal conductivity - 3.8 W / m · k.

- среднее значение коэффициента теплового расширения в интервале температур 20-600 С - 12×10-6 1/град.- the average value of the coefficient of thermal expansion in the temperature range 20-600 C - 12 × 10 -6 1 / deg.

В заявляемом способе используется тот факт, что в процессе электролиза из анода электрическим полем вырываются положительно заряженные ионы (катионы) материала анода, которые под действием поля переносятся в прикатодную область, насыщая католит этими катионами.In the inventive method, the fact is used that during the electrolysis of the anode, positively charged ions (cations) of the anode material are pulled out from the anode by an electric field, which are transferred to the cathode region by the action of the field, saturating the catholyte with these cations.

Следует отметить, что фуллерены, полученные искусственным путем, практически нерастворимы в воде. Шунгит - это камень естественного происхождения, и гидратированные фуллерены, входящие в его состав, способны к растворению в воде.It should be noted that fullerenes obtained by artificial means are practically insoluble in water. Shungite is a stone of natural origin, and hydrated fullerenes that are part of it are capable of dissolving in water.

В заявляемом способе процесс поступления положительных ионов из шунгитового анода интенсифицируют, используя ультразвук.In the inventive method, the process of receipt of positive ions from the schungite anode is intensified using ultrasound.

По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука.By its physical nature, ultrasound is an elastic wave, and in this it does not differ from sound.

Принято считать, что к ультразвуковому диапазону относятся частоты, находящиеся в диапазоне от 20 кГц до 1 ГГц. Частоты, находящиеся в диапазоне от 16 кГц до 20 кГц, относятся к слышимому звуку.It is generally accepted that the ultrasonic range includes frequencies in the range from 20 kHz to 1 GHz. Frequencies ranging from 16 kHz to 20 kHz relate to audible sound.

Частоты, лежащие ниже 16 кГц, относятся к инфразвуку, а частоты, лежащие выше 1 ГГц, называют гиперзвуком.Frequencies below 16 kHz are infrasound, and frequencies above 1 GHz are called hypersound.

Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти:The frequency range of ultrasound can be divided into three subregions:

ультразвук низких частот (2×104-105 Гц) - УНЧ;low frequency ultrasound (2 × 10 4 -10 5 Hz) - ULF;

ультразвук средних частот (105-107 Гц) - УСЧ;ultrasound of medium frequencies (10 5 -10 7 Hz) - USCH;

ультразвук высоких частот (107-109 Гц) - УЗВЧ.ultrasound of high frequencies (10 7 -10 9 Hz) - UHF.

В жидких средах под действием ультразвука возникает и протекает специфический физический процесс - ультразвуковая кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия на шунгитовый анод.In liquid media under the action of ultrasound, a specific physical process arises and proceeds - ultrasonic cavitation, which provides maximum energy effects on the shungite anode.

В ультразвуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в воде и в порах шунгитового анода, за счет чего значительно усиливается эффект образования катионов из материала анода (шунгита).In the ultrasonic wave, during half-periods of rarefaction, cavitation bubbles arise that collapse sharply after transition to the high-pressure region, generating strong hydrodynamic disturbances in the water and in the pores of the schungite anode, which significantly enhances the effect of the formation of cations from the anode material (schungite).

Кавитация производится за счет чередующихся волн высокого и низкого давления, образуемых звуком высокой частоты (ультразвуком).Cavitation is carried out due to alternating waves of high and low pressure formed by high-frequency sound (ultrasound).

Ультразвуковая кавитация - основной инициатор физико-химических процессов, возникающих в жидкости под действием ультразвука, в частности процессов образования катионов из материала анода.Ultrasonic cavitation is the main initiator of the physicochemical processes that occur in a liquid under the influence of ultrasound, in particular, the formation of cations from the anode material.

Кавитационные явления в той или иной среде возникают только при превышении ультразвуком порога кавитации.Cavitation phenomena in a given medium arise only when the ultrasound exceeds the cavitation threshold.

Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления. Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость.The cavitation threshold is the intensity of ultrasound, below which cavitation phenomena are not observed. The cavitation threshold depends on the parameters characterizing both ultrasound and the liquid itself.

Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия.For water and aqueous solutions, the cavitation thresholds increase with increasing ultrasound frequency and decreasing exposure time.

В при частотах выше 20 кГц порог нестабильной кавитации находится в диапазоне от 0,3 Вт/см2 до 1 Вт/см2.At frequencies above 20 kHz, the threshold for unstable cavitation is in the range from 0.3 W / cm 2 to 1 W / cm 2 .

Дальнейшее повышение интенсивности до 1,5 Вт/см2 приводит к нарушению линейности колебаний стенок пузырьков. Начинается стадия стабильной кавитации. Диапазон интенсивностей стабильной кавитации лежит в области от 1,5 Вт/см2 до 2,5 Вт/см2. Пузырек сам становится источником ультразвука колебаний. На его поверхности возникают волны, микротоки, электрические разряды.A further increase in intensity to 1.5 W / cm 2 leads to a violation of the linearity of the oscillations of the walls of the bubbles. The stage of stable cavitation begins. The range of intensities of stable cavitation lies in the range from 1.5 W / cm 2 to 2.5 W / cm 2 . The bubble itself becomes a source of ultrasound vibrations. On its surface there are waves, microcurrents, electric discharges.

Увеличение интенсивности ультразвука за величину 2,5 Вт/см2 приводит вновь к стадии нестабильной кавитации.An increase in ultrasound intensity beyond 2.5 W / cm 2 again leads to the stage of unstable cavitation.

В заявляемом способе наиболее эффективно использовать диапазон интенсивностей стабильной кавитации лежит в области от 1,5 Вт/см2 до 2,5 Вт/см2.In the inventive method, the most efficient use of the range of intensities of stable cavitation lies in the region from 1.5 W / cm 2 to 2.5 W / cm 2 .

Именно в этом диапазоне частот и мощностей ультразвука активируемая вода, омывая поверхность анода и проникая в его поры, способствует интенсивному разрушению анода, материал которого поступает в анолит в виде нейтральных частиц и ионов (катионов) гидратированного фуллерена.It is in this range of frequencies and powers of ultrasound that activated water, washing the surface of the anode and penetrating into its pores, contributes to the intensive destruction of the anode, the material of which enters the anolyte in the form of neutral particles and ions (cations) of hydrated fullerene.

Под действием ультразвука активируемая вода интенсивно перемешивается и через поры проникает внутрь шунгита, что позволяет ей взаимодействовать с поверхностью шунгита. За счет ультразвука существенно увеличивается интенсивность разрушения частиц шунгита и поступления наночастиц фуллерена, содержащегося в шунгите, в воду, что в значительной мере повышает эффективность процесса активации воды.Under the influence of ultrasound, the activated water is intensively mixed and penetrates into the schungite through the pores, which allows it to interact with the surface of the schungite. Due to ultrasound, the rate of destruction of shungite particles and the entry of fullerene nanoparticles contained in shungite into water significantly increase, which significantly increases the efficiency of the process of water activation.

Наилучшая гидратация частиц шунгита возникает в диапазоне стабильной кавитации, возникающей в области низких частот. Поэтому активировать жидкость затворения бетонных смесей лучше всего ультразвуком низких частот. Выбор этого диапазона частот обусловлен следующими факторами.The best hydration of shungite particles occurs in the range of stable cavitation that occurs at low frequencies. Therefore, it is best to activate the mixing fluid of concrete mixtures with low-frequency ultrasound. The choice of this frequency range is due to the following factors.

Во-первых, частота 20 кГц принята за нижнюю границу возникновения ультразвуковых колебаний. При частотах ниже 20 кГц находится область слышимого звука и процессы кавитации в этой области не наблюдаются.Firstly, the frequency of 20 kHz is taken as the lower limit of the occurrence of ultrasonic vibrations. At frequencies below 20 kHz, the region of audible sound is located and cavitation processes in this region are not observed.

Во-вторых, в низкочастотной области, лежащей в от 20 кГц до 100 кГц, диапазон интенсивностей ультразвука, в котором наблюдается стабильная кавитация, как это указывалось выше, лежит в области от 1,5 Вт/см2 до 2,5 Вт/см2.Secondly, in the low-frequency region lying in the range from 20 kHz to 100 kHz, the range of ultrasound intensities in which stable cavitation is observed, as indicated above, lies in the region from 1.5 W / cm 2 to 2.5 W / cm 2 .

Область частот, лежащая выше 100 кГц, относится к области средних частот ультразвука. В этой области частот при определенной интенсивности ультразвука может возникнуть эффект фонтанирования струи активированной жидкости, что может вызвать нежелательные явления при приготовлении бетонных смесей. Кроме того, для обеспечения стабильной кавитации в области средних частот требуются более мощные излучатели ультразвука, чем для создания упомянутой области в диапазоне низких частот. Это обусловлено тем, что порог кавитации возрастает с увеличением частоты ультразвука. Необходимость применения более мощных излучателей в области средних частот по сравнению с мощностью излучателей в области низких частот приводит к усложнению и к удорожанию конструкции активатора воды.The frequency region lying above 100 kHz refers to the region of medium frequencies of ultrasound. In this frequency range, at a certain ultrasound intensity, the effect of a gushing of a jet of activated liquid may occur, which can cause undesirable effects in the preparation of concrete mixtures. In addition, to ensure stable cavitation in the mid-frequency region, more powerful ultrasound emitters are required than to create the region in the low-frequency range. This is due to the fact that the cavitation threshold increases with increasing frequency of ultrasound. The need to use more powerful emitters in the mid-frequency region compared to the power of emitters in the low-frequency region leads to a complication and more expensive construction of the water activator.

В заявляемом способе наиболее эффективно использовать диапазон интенсивностей стабильной кавитации, который лежит в области от 1,5 Вт/см2 до 2,5 Вт/см2.In the inventive method, it is most effective to use the range of intensities of stable cavitation, which lies in the region from 1.5 W / cm 2 to 2.5 W / cm 2 .

Именно в этом диапазоне частот и мощностей ультразвука активируемая вода, омывая поверхность шунгита и проникая в его поры, способствует его интенсивному разрушению и наночастицы фуллерена поступают в воду в виде нейтральных частиц.It is in this range of frequencies and powers of ultrasound that activated water, washing the surface of schungite and penetrating into its pores, contributes to its intensive destruction and fullerene nanoparticles enter the water in the form of neutral particles.

Концентрация частиц фуллерена в воде при воздействии на шунгит и воду в анодной камере электролизера ультразвуком зависит от частоты, интенсивности ультразвука и времени воздействия ультразвуком на шунгитовый анод и воду в анодной камере.The concentration of fullerene particles in water when exposed to shungite and water in the anode chamber of the electrolyzer with ultrasound depends on the frequency, intensity of ultrasound and the time of exposure to ultrasound on the schungite anode and water in the anode chamber.

Опыты показали, что воздействие ультразвука на воду и шунгит в течение 10-20 минут приводит к достижению концентрации наночастиц фуллерена в воде в диапазоне 10-3-10-4%, что достаточно для того, чтобы придать жидкости затворения (активированной воде) свойства, требуемые для эффективного затворения цемента. Эти свойства жидкости затворения, которая становится структурированной, приводят к повышению степени гидратации цемента и прочности бетонного камня, а также к улучшению удобоукладывемости бетонной смеси, к снижению водоцементного отношения, без ущерба качественным и технологическим свойствам бетонных смесей.The experiments showed that the effect of ultrasound on water and shungite for 10-20 minutes leads to a concentration of fullerene nanoparticles in water in the range of 10 -3 -10 -4 %, which is sufficient to give the mixing fluid (activated water) properties, required for effective mixing of cement. These properties of the mixing fluid, which becomes structured, lead to an increase in the degree of hydration of cement and the strength of concrete stone, as well as to improve workability of the concrete mixture, to reduce the water-cement ratio, without compromising the quality and technological properties of concrete mixtures.

Сформировать суждение о том, сколько воды может структурировать фуллерен, можно из следующих соображений. Поскольку диаметр гидратной оболочки десятикратно превышает поперечник углеродной сферы, ее объем, а соответственно, и масса структурированной фуллереном воды будут пропорциональны кубу линейного размера и превысят массу фуллерена примерно в тысячу раз. Таким образом, фуллерен структурирует в тысячи раз большую массу воды. Иначе говоря, что уже сотые доли процента фуллерена способны структурировать значительную долю раствора. Т.е. фуллерен при активации жидкости затворения действует в малых и сверхмалых дозах.It is possible to form a judgment on how much water the fullerene can structure from the following considerations. Since the diameter of the hydration shell is ten times the diameter of the carbon sphere, its volume and, consequently, the mass of structured fullerene water will be proportional to the linear cube and will exceed the mass of fullerene by about a thousand times. Thus, fullerene structures thousands of times a large mass of water. In other words, that already hundredths of a percent of fullerene are able to structure a significant proportion of the solution. Those. fullerene when activated mixing liquid acts in small and ultra-small doses.

По своим свойствам структурированная вода, окружающая молекулу фуллерена, существенно отличается от обычной. В частности, она замерзает не при 0, а при -2,8°С. Это в значительной степени повышает морозоустойчивость бетонной смеси, что позволяет осуществлять бетонирование при более низких температурах без дополнительного разогрева бетонной смеси.By its properties, structured water surrounding a fullerene molecule differs significantly from ordinary. In particular, it does not freeze at 0, but at -2.8 ° C. This significantly increases the frost resistance of the concrete mixture, which allows concreting at lower temperatures without additional heating of the concrete mixture.

Пример. Для приготовления цементного камня использовался портландцемент М 300, в качестве жидкости затворения - активированную воду, приготовленную по способу-прототипу и по заявляемому способу. Электролизер был выполнен трехкамерным, проточным.Example. For the preparation of cement stone, Portland cement M 300 was used, as a mixing liquid, activated water prepared according to the prototype method and the claimed method. The cell was made three-chamber, flowing.

Средняя камера электролизера образована ионоселективными мембранами МК-40 и МА-40. Катод площадью 30 см2 был изготовлен из нержавеющей стали и в обоих случаях (в прототипе и в заявляемом способе) оставался одни и тем же. Анод же в электролизере менялся. При обработке воды по способу-прототипу он был выполнен из прессованного графита, а по заявляемому способу - из шунгита. Процесс электрохимической обработки в обоих случаях осуществляли на переменном асимметричном токе (S=l,6-1,7) при напряжении 40-50 В, частоте 500-600 Гц. Отличие состояло в том, что при обработке воды по заявляемому способу в аноде и в анодной камере возбуждали ультразвуковые колебания, частота которых лежала выше частоты порога кавитации в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежала в области стабильной кавитации от 1,5 Bт/cм2 до 2,5 Bт/cм2. В рассматриваемом примере частота ультразвука составляла 20 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежала в области стабильной кавитации и равнялась 2 Вт/см2. В качестве кавитационного дезинтегратора был использован индустриальный звуковой процессор «Hielscher Ultrasound Technology UP» марки UIP 1000 hd [7].The middle chamber of the cell is formed by ion-selective membranes MK-40 and MA-40. The cathode with an area of 30 cm 2 was made of stainless steel and in both cases (in the prototype and in the claimed method) remained the same. The anode in the cell changed. When processing water according to the prototype method, it was made of pressed graphite, and according to the claimed method - from shungite. The process of electrochemical treatment in both cases was carried out on an alternating asymmetric current (S = l, 6-1.7) at a voltage of 40-50 V, a frequency of 500-600 Hz. The difference was that during the treatment of water according to the claimed method, ultrasonic vibrations were excited in the anode and in the anode chamber, the frequency of which was higher than the frequency of the cavitation threshold in the range from 20 kHz to 100 kHz, and the intensity of the mentioned ultrasound lay in the region of stable cavitation from 1, 5 W / cm 2 to 2.5 W / cm 2 . In this example, the ultrasound frequency was 20 kHz, and the intensity of the mentioned ultrasound lay in the region of stable cavitation and amounted to 2 W / cm 2 . An industrial sound processor “Hielscher Ultrasound Technology UP” of the UIP 1000 hd brand was used as a cavitation disintegrator [7].

Опытным путем было установлено, что при обработке активируемой воды в течение 10-20 минут концентрация частиц гидратированного фуллерена изменялась 10-3-10-4% соответственно. В рассматриваемом примере обработку воды вели в обоих случаях в течение 20 минут. Такая продолжительность процесса гарантировала, что концентрация частиц фуллерена в жидкости затворения будет составлять 10-3-10-4%. После 20 минут обработку воды прекращали, после чего активированную воду использовали для затворения цемента.It was experimentally established that when treating activated water for 10-20 minutes, the concentration of hydrated fullerene particles changed 10 -3 -10 -4 %, respectively. In this example, the water was treated in both cases for 20 minutes. This duration of the process guaranteed that the concentration of fullerene particles in the mixing liquid would be 10 -3 -10 -4 %. After 20 minutes, the water treatment was stopped, after which activated water was used to mix the cement.

Гидратация цемента исследовалась рентгеноструктурным методом на установке ДРОН-4. Исследования показали, что в цементном тесте, приготовленном по способу-прототипу, гидратация цемента составляла 70%, тогда как по заявляемому способу она была равной 86%.Cement hydration was investigated by the X-ray diffraction method using a DRON-4 apparatus. Studies have shown that in the cement test prepared by the prototype method, the hydration of cement was 70%, while according to the claimed method, it was equal to 86%.

Полученными растворами затворяли цемент (В/Ц:=0,27) и формировали кубики размером 3×3×3 см, которые твердели в естественно-влажных условиях. В установленные сроки (7-28 суток) образцы испытывают на прочность при сжатии. Прочность при сжатии цементного камня, затворенного жидкостью затворения, приготовленной по способу -прототипу, составила в возрасте 7 и 28 суток в среднем соответственно 242 и 427 кгс/см2, тогда как прочность при сжатии цементного камня, затворенного жидкостью затворения, приготовленной по заявляемому способу, составила в возрасте 7 и 28 суток в среднем соответственно 272 и 513 кгс/см3.The cement was cemented with the obtained solutions (W / C: = 0.27) and cubes of 3 × 3 × 3 cm in size were formed, which solidified under naturally moist conditions. On time (7-28 days), the samples are tested for compressive strength. The compressive strength of a cement stone mixed with a mixing fluid prepared according to the prototype method was at the age of 7 and 28 days, on average, 242 and 427 kgf / cm 2 , respectively, while the compressive strength of a cement stone mixed with a mixing fluid prepared by the inventive method , at the age of 7 and 28 days averaged 272 and 513 kgf / cm 3, respectively.

Таким образом, заявляемый способ по сравнению со способом-прототипом позволяет повысить степень гидратации цемента в 1,23 раза, а прочность цементного камня при сжатии в 1,12 и в 1,2 раза в возрасте 7 и 28 суток соответственно. Дополнительным преимуществом жидкости затворения, приготовленной по заявляемому способу перед прототипом, является то, что она замерзает не при 0, а при -2,8°С. Это в значительной степени повышает морозоустойчивость бетонной смеси, что позволяет осуществлять бетонирование при более низких температурах без дополнительного разогрева бетонной смеси.Thus, the claimed method in comparison with the prototype method can increase the degree of hydration of cement by 1.23 times, and the strength of the cement stone in compression of 1.12 and 1.2 times at the age of 7 and 28 days, respectively. An additional advantage of the mixing fluid prepared by the present method over the prototype is that it does not freeze at 0, but at -2.8 ° C. This significantly increases the frost resistance of the concrete mixture, which allows concreting at lower temperatures without additional heating of the concrete mixture.

Источники информацииInformation sources

1. Пухаренко Ю.В., Никитин В.А., Летенко Д.Г. Наностуктурирование воды затворения как способ повышения эффективности пластификаторов бетонных смесей// Строительные материалы. - Наука, №8 (приложение к научно-техническому журналу» Строительные материалы», 2006.-е. 154-161.1. Pukharenko Yu.V., Nikitin V.A., Letenko D.G. Nanostructuring of mixing water as a way to increase the effectiveness of plasticizers of concrete mixtures // Building materials. - Science, No. 8 (appendix to the scientific and technical journal "Building Materials", 2006.-. 154-161.

2. Вуль А.Я. Материалы электронной техники, №3, с.4 (1999).2. Vul A.Ya. Materials of electronic equipment, No. 3, p. 4 (1999).

3. Патент Российской Федерации N 2017702, М. кл5 С04В 40/00, Бюл. №15, 15.08.94.3. Patent of the Russian Federation N 2017702, M. cl 5 C04B 40/00, bull. No. 15, 08/15/94.

4. Патент СССР №1782230, М. кл5. С04В 40/00, Бюл. N 46, 15.12.92.4. USSR patent No. 1782230, M. class 5. С04В 40/00, Bull. N 46, 12/15/92.

5. Авт.св. №1705266, М. кл5 С04В 40/00, Бюл. №2, 15.01.92.5. Auto No. 1705266, M. kl5 С04В 40/00, Bull. No. 2, 01/15/92.

6. Патент РФ №2163582. Способ получения жидкости затворения цемента Семенова Г.Д.; Саркисов Ю.С.; Еремина А.Н.; Семенов В.Д.; Образцов СВ. /-Опубликовано: 2001.02.27. Бюл. №6 (Прототип).6. RF patent №2163582. A method of obtaining a cement mixing fluid Semenova GD; Sarkisov Yu.S.; Eremina A.N .; Semenov V.D .; SV samples. / -Published: 2001.02.27. Bull. No. 6 (Prototype).

7. Inquiry from http://www.hielscher.com.7. Inquiry from http://www.hielscher.com.

Claims (1)

Способ получения жидкости затворения цемента, включающий электрохимическую обработку водопроводной воды в трехкамерном электролизере с ионселективными мембранами асимметричным переменным током с последующим использованием обработанной воды, отобранной из анодной камеры, средней или катодной камер для затворения цемента, отличающийся тем, что анод электролизера выполняют из шунгита и в процессе электрохимической обработки воды в аноде и в анодной камере возбуждают ультразвуковые колебания, частота которых лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см2 до 2,5 Вт/см2, обработку воды прекращают при достижении концентрацией частиц гидратированного фуллерена 10-3-10-4%, после чего активированную воду используют для затворения цемента. A method of obtaining a cement mixing liquid, including the electrochemical treatment of tap water in a three-chamber electrolytic cell with asymmetric alternating current ion membranes, followed by the use of treated water taken from the anode chamber, middle or cathode cement mixing chambers, characterized in that the anode of the cell is made of shungite and in During the electrochemical treatment of water in the anode and in the anode chamber, ultrasonic vibrations are excited, the frequency of which lies above the frequency threshold cavitation in the range from 20 kHz to 100 kHz and the intensity of said ultrasound is in stable cavitation of 1.5 W / cm 2 to 2.5 W / cm 2, the water treatment is stopped when the concentration of particles of hydrated fullerene 10 -3 -10 -4 %, after which activated water is used to mix cement.
RU2013127329/03A 2013-06-14 2013-06-14 Method of obtaining of cement mixing liquid RU2533564C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013127329/03A RU2533564C1 (en) 2013-06-14 2013-06-14 Method of obtaining of cement mixing liquid

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013127329/03A RU2533564C1 (en) 2013-06-14 2013-06-14 Method of obtaining of cement mixing liquid

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2533564C1 true RU2533564C1 (en) 2014-11-20

Family

ID=53382760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013127329/03A RU2533564C1 (en) 2013-06-14 2013-06-14 Method of obtaining of cement mixing liquid

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2533564C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230365439A1 (en) * 2018-02-23 2023-11-16 Unique Equipment Solutions Llc Method for activation of concrete mixing water

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2163582C2 (en) * 1999-04-13 2001-02-27 Томский государственный архитектурно-строительный университет Method for production of cement tempering liquid
RU2006117163A (en) * 2006-05-18 2007-12-10 Геннадий Михайлович Яковлев (RU) METHOD FOR ELECTROCHEMICAL WATER TREATMENT AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION
RU2316480C2 (en) * 2005-11-09 2008-02-10 Открытое акционерное общество "Московский комитет по науке и технологиям" Method of purification of the waste waters and the device for its implementation
FR2920765A1 (en) * 2007-09-11 2009-03-13 Lafarge Sa Activating and/or accelerating setting of non-refractory concrete, mortar or cement paste, e.g. Portland cement, by applying ultrasonic vibrations

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2163582C2 (en) * 1999-04-13 2001-02-27 Томский государственный архитектурно-строительный университет Method for production of cement tempering liquid
RU2316480C2 (en) * 2005-11-09 2008-02-10 Открытое акционерное общество "Московский комитет по науке и технологиям" Method of purification of the waste waters and the device for its implementation
RU2006117163A (en) * 2006-05-18 2007-12-10 Геннадий Михайлович Яковлев (RU) METHOD FOR ELECTROCHEMICAL WATER TREATMENT AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION
FR2920765A1 (en) * 2007-09-11 2009-03-13 Lafarge Sa Activating and/or accelerating setting of non-refractory concrete, mortar or cement paste, e.g. Portland cement, by applying ultrasonic vibrations

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230365439A1 (en) * 2018-02-23 2023-11-16 Unique Equipment Solutions Llc Method for activation of concrete mixing water

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huan et al. Effects of ultrasonic disintegration on sludge microbial activity and dewaterability
JP4144669B2 (en) Method for producing nanobubbles
JP5294370B2 (en) Method for producing water containing reactive species and water containing reactive species
CN106637232B (en) A kind of improved method of electrochemistry extraction Chloride Ion in Concrete
RU2533564C1 (en) Method of obtaining of cement mixing liquid
RU2496748C1 (en) Method of preparing concrete mixture
JP5596276B2 (en) Super fine bubble water
US11629074B2 (en) Method for activation of concrete mixing water
Antonina Non-reagent methods for the activation of concrete mix raw components in the construction industry
RU2533506C1 (en) Method of activating hardening water of cement-based composites
RU2695212C1 (en) Method of producing a plasma modified curing system for cement
US9944542B2 (en) Water generation process in supercritical state with lower energy consumption through ultrasound
RU2163582C2 (en) Method for production of cement tempering liquid
Cabiguen Jr et al. Reduction of water hardness from groundwater in Puerto Princesa City, Palawan, Philippines using electrocoagulation
JP2015074578A (en) Method for improving quality of reinforced concrete structure
RU2521310C1 (en) Method for preparing therapeutic mud
Moon et al. Ultrasonically enhanced physical properties of milky cement for ground improvement
RU2725385C1 (en) Method of preparing concrete mixture
Azharonok et al. Acoustic-radio wave activation of tempering water for Portland cement systems
RU2528718C1 (en) Method of tempering moulding mixtures
RU2152906C2 (en) Water activation process
CN109701946A (en) A kind of water-saving and environmental protection sea sand cleaning method
Akulova et al. Fine Grain Concrete on Mixing Water Activated in Cavitation Permanent Magnet-Type Apparatus
Azhar et al. Electrokinetic stabilisation method of soft clay in pure system using electrokinetic geosynthetic electrode
Deng et al. Experimental study on solidification of uranium tailings by microbial grouting combined with electroosmosis

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170615