RU2583380C2

RU2583380C2 - Способ активации маточного раствора

Info

Publication number: RU2583380C2
Application number: RU2014121604/03A
Authority: RU
Inventors: Антон Сергеевич Гуськов; Георгий Александрович Фокин; Наталья Георгиевна Вилкова
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2016-05-10
Also published as: RU2014121604A

Abstract

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано в различных областях науки и техники в создании композитов различного назначения. Технический результат заключается в повышении прочности вяжущего, сокращении времени твердения, уменьшении В/Ц отношения, уменьшении времени активации. Способ активации маточного раствора заключается в следующем: ненасыщенный маточный раствор, содержащий 1,3% (по массе) портландцемента, в течение 5 минут обрабатывается ультразвуком мощностью 140 В·А (10 Вт/см²) с частотой 22 кГц, возбуждаемым пьезоэлектрическим или магнитострикционным датчиком, через волновод, установленный вертикально к поверхности раствора и опущенный на глубину 5 см, вводится в порошкообразное вяжущее, после чего перемешивается в мешалке (1000 об/мин) и разливается в формы, где остается для твердения при нормальных условиях. 2 табл.

Description

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано в различных областях науки и техники в создании композитов различного назначения.

Известен способ диспергирования цементных паст с использованием ультразвуковых колебаний большой мощности, где диспергирование идет за счет процесса кавитации (патент РФ №2269374, 08.04.2003. «Устройство для диспергирования жидких органических сред».

Одним из существенных недостатков использования ультразвуковых колебаний большой мощности является создание высокой интенсивности ультразвуковых колебаний во всем объеме. При воздействии на раствор ультразвуковыми колебаниями с интенсивностью, превышающей порог кавитации, излучатель ультразвука подвергается разрушительным воздействиям.

Наиболее близким по техническому назначению является патент RU 2380344 С2, МПК С04В 40/00, C02F 1/34, 04.03.2008. Главным недостатком, которого является длительная активация воды в течение 3-4 часов при мощности излучателя 9-27 Вт и частоте 100-140 кГц.

Цель изобретения - повышение прочности вяжущего, сокращение времени твердения, уменьшение В/Ц затворения, уменьшение времени активации.

Способ активации заключается в следующем: ненасыщенный маточный раствор, содержащий 1,3% (по массе) нерастворенных частиц цементного геля, помещается в цилиндрический или кубический сосуд, где обрабатывается ультразвуковым полем с частой 22 кГц, мощностью 140 В-А (10 Вт/см²), возбуждаемым пьезоэлектрическим или магнитострикционным датчиком, через волновод, устанавливаемый вертикально к поверхности раствора и опущенный на глубину 5 см, вводится в порошкообразное вяжущее, после чего перемешивается в мешалке (1000 об/мин) и разливается в формы, где остается для твердения при нормальных условиях.

На фиг. 1 представлена схема установки волновода (1 - волновод, 2 - сосуд).

Подобная схема позволяет активизировать процесс седиментации в гравитационном поле взвешенных в растворе частиц и способствует его гомогенизации.

В результате диспергации происходит увеличение на 2 порядка удельной поверхности частиц (таблица 1), соответственно локальное распределение энергии в маточном растворе принимает минимальное значение.

Таблица 1
Увеличение удельной поверхности при прогрессирующем дроблении материала при воздействии ультразвука
Размер частиц	Число частиц	Суммарная поверхность	Удельная поверхность, отнесенная к единице объема
85 мкм	0,111·10¹⁰	600 см²	6·10² см^-1
40 мкм	1,015·10¹⁰	1200 см²	6·10² см^-1
20 мкм	5,86·10¹⁰	2400 см²	6·10² см^-1
7,5 мкм	86,71·10¹⁰	6000 см²	6·10³ см^-1
2,25 мкм	176,9·10¹⁰	6 м²	6·104 см^-1

Распределение Больцмана позволяет определить количество частиц на заданной высоте и, соответственно, число частиц в единице объема. Считая, что распределение числа частиц по высоте каждого слоя подчиняется закону Больцмана, а в однородном поле силы тяжести потенциальная энергия частиц зависит от высоты получим:

где N_i - количество частиц в слое; N₀ - общее количество частиц; m - масса частицы; g - ускорение свободного падения; h - высота сосуда; Т - температура окружающей среды; k - постоянная Больцмана.

Считая, что частицы имеют сферическую форму получаем:

где r - радиус частиц; σ - свободная энергия; Т - температура окружающей среды; k - постоянная Больцмана.

Запишем уравнение (2) для частиц с радиусами 2,25 мкм и 7,5 мкм:

Логарифмируя уравнение (4), получаем:

Выражаем σ из уравнения (5):

Как показывает расчет, энергия уменьшается до 2,49 (эрг/см²) при норме 12-24 (эрг/см²), что способствует возрастанию диффузионных процессов и росту кристаллов гидроокиси кальция и трехкальциевого гидросиликата, которые срастаясь образуют прочный кристаллический каркас.

Произведенный расчет дает уменьшение энергии в 5 раз, следовательно, согласно закону Фика ускоряет диффузию.

Характерная особенность жидкости состоит в том, что в ней могут распространяться лишь продольные волны разряжения сжатия, соответственно колебания дисперсных частиц происходят параллельно направлению распространения волны, и деформация представляет комбинацию всестороннего сжатия (растяжения) и частичного сдвига.

В результате образуется дисперсная матрица с равномерно распределенными частицами. Введение такого раствора в порошкообразное вяжущее вызывает интенсивное взаимодействие клинкерных минералов с водой, причем в результате диффузионных процессов клинкерные зерна концентрируются около центров кристаллизации, распределенных в маточном растворе. Это способствует формированию высокоорганизованной малодефектной структуры композита.

В результате, по сравнению с обычной технологией, прочность на сжатие возрастает в 2 раза (таблица 2).

Таблица 2
Результаты испытаний на сжатие опытных образцов
Срок	3 дня	7 дней	28 дней
Разработанный метод. Прочность, МПа	25,10	43,14	62,76
Обычный метод. Прочность, МПа	13,43	19,61	30,09

В таблице 2 представлена кинетика нарастания прочности. Из нее видно, что уже на 7 сутки у образцов, изготовленных на активизированном маточном растворе, она достигает марочного значения.

Из проведенного примера следует, что предварительная ультразвуковая обработка маточного раствора затворения позволяет перевести материалы на данной вяжущем в более высокую категорию. Следовательно, описанный способ оказывает большое влияния на технику, а также экономику производства строительных материалов и изделий.

Claims

Способ активации маточного раствора, заключающийся в том, что ненасыщенный маточный раствор, содержащий 1,3% (по массе) нерастворенных частиц цементного геля, помещается в цилиндрический или кубический сосуд, где обрабатывается ультразвуковым полем с частотой 22 кГц, мощностью 140 В·А (10 Вт/см²), возбуждаемым пьезоэлектрическим или магнитострикционным датчиком, через волновод, установленный вертикально к поверхности раствора и опущенный на глубину 5 см, вводится в порошкообразное вяжущее, после чего перемешивается в мешалке (1000 об/мин) и разливается в формы, где остается для твердения при нормальных условиях.