расширяющаяся цементная смесь

Формула изобретения

1. Расширяющаяся цементная смесь для крепления анкеров, включающая портландцемент, глиноземистый шлак, гипсовый компонент, отличающаяся тем, что глиноземистый шлак содержит не более 10 мас.% оксида кремния - SiO₂ и дополнительно активизатор твердения - кальцинированную соду при следующем соотношении компонентов, %:

Портландцемент 50-55

Указанный глиноземистый шлак 25-35

Гипсовый компонент 10-20

Кальцинированная сода 0,5-2,0 мас.%

от сухой смеси

2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что содержит портландцемент бездобавочный.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности, производящей расширяющиеся цементы, применяемые, например, для крепления анкеров в горных выработках, в строительстве и других целях.

Известна смесь в составе бурового раствора, вяжущего компонента, отвердевающей смолы и воды. Вяжущий компонент выбирают из группы веществ, представленных портландцементом, глиноземистым цементом, шлаком, зольной пылью, конденсированным порошком кремнезема и извести, гипсовым цементом или смесью указанных материалов. В смеси буровой раствор составляет примерно 70% по объему от указанного вяжущего компонента. Смолообразующий компонент выбирают из группы веществ, представленных продуктами модификации растворов эпоксидных смол, акриловыми смолами и др., содержание которых составляет 1-50% по массе цементирующего цемента. Содержание воды в смеси составляет 20-175% цементирующего материала или соединений этого материала [1].

Недостатками известных смесей со смолообразующими компонентами являются длительные сроки твердения, высокая стоимость, дефицитность, недолговечность (особенно при пожарах), а также и токсичность составов.

Известны составы расширяющихся цементных смесей для крепления анкеров в горных выработках и в строительстве, включающие портландцемент (или портландцементный клинкер), глиноземистый шлак (или глиноземистый цемент) и гипсовый компонент в виде его различных модификаций (природный гипсовый камень, строительный гипс и т.п.).

Одним из таких примеров является состав напрягающего цемента, выпускаемого в России по ТУ 5734-072-6854090-98, включающий портландцементный клинкер, камень гипсовый, глиноземистый шлак или другие алюмосодержащие природные или искусственные материалы, а также доменный гранулированный шлак [2].

Известен напрягающий цемент, полученный совместным помолом портландцементного клинкера и напрягающего компонента, в состав которого входит глиноземистый шлак и другие алюмосодержащие вещества, гипс и в качестве активизатора известь [3].

В качестве активизатора твердения цемента известна также кальцинированная сода, которую вводят в количестве 0,5-2,0% от массы смеси [4].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому составу является цементная композиция, включающая, маc.%: глиноземистый цемент 8,5-56,5; портландцемент 24-40; строительный гипс 10-35; поверхностно-активную добавку 0,5-3,5; вода остальное [5].

Основной недостаток известного технического решения заключается в низком темпе набора прочности и расширения в первоначальный период (до 30 мин после установки анкера), что существенно снижает область применения таких смесей. Так, например, в горных выработках зачастую по горно-геологическим условиям требуется через 30 мин иметь прочность закрепления анкера не менее 20-30 кН. В строительстве также имеется необходимость закрепления анкера с быстрым набором прочности в начальный период. При этом прочность на сжатие твердеющей цементной смеси должна быть не менее 8-10 МПа, линейное расширение цементной смеси должно быть не менее 0,5%.

Известные составы расширяющих цементов, в том числе и содержащие активизатор твердения - кальцинированную соду, по истечении 30 мин твердения имеют малую прочность и недостаточное линейное расширение, которые лишь спустя несколько часов и даже суток достигают необходимых значений.

Задачей изобретения является разработка цементной смеси для крепления анкеров, обеспечивающей эффект расширения в начальный период, то есть сокращение срока твердения смеси.

Это достигается тем, что расширяющаяся цементная смесь для крепления анкеров, включающая портландцемент, глиноземистый шлак, гипсовый компонент, содержит глиноземистый шлак с содержанием оксида кремния не более 10 мас.% и дополнительно активизатор твердения - кальцинированную соду при следующем соотношении компонентов, %:

Портландцемент 50-55

Указанный глиноземистый шлак 26-35

Гипсовый компонент 10-20

Кальцинированная сода 0,5-2,0 мас.% от сухой смеси.

В качестве портландцемента используют портландцемент бездобавочный, не содержащий никаких минеральных добавок, кроме гипса.

Именно при таком составе, в первоначальный период гидратации и твердения цементной смеси, создается оптимальная щелочная среда в водном растворе и необходимая концентрация СаО, Аl₂О₃ и SО₃, за счет чего происходит интенсивное образование в твердеющем цементе эттрингита 3СаО·Аl₂О₃·3CaSO₄·32Н₂О, который обеспечивает высокую начальную прочность и достаточное расширение цементной смеси. Эти условия обеспечивают также стабильный фазовый состав твердеющей композиции и нарастание прочности при данной смеси твердения, что в конечном итоге придает креплению долговечность.

Пример осуществления изобретения.

Расширяющуюся цементную смесь можно изготавливать на предприятиях цементной промышленности. Глиноземистый шлак предварительно измельчают до оптимальной тонкости помола, соответствующего 5-10% остатку на сите с размером ячейки 80 микрон. Затем этот шлак измельчают совместно с портландцементом, гипсом и кальцинированной содой до удельной поверхности смеси, равной 4000-6000 см²/г. При применении в готовую цементную смесь добавляют воду в количестве, необходимом для получения заданной консистенции.

Для экспериментальной проверки предлагаемой расширяющейся цементной смеси были приготовлены два состава (см. таблицу) и определены значения времени начала и конца схватывания, прочность на сжатие и линейное расширение.

Как видно из таблицы, введение в известную смесь глиноземистого цемента с пониженным содержанием SiO₂, бездобавочного портландцемента и дополнительно активизатора твердения в виде кальцинированной соды позволяет значительно увеличить начальную прочность и расширение цемента в начальный период.

Источники информации

1. Патент США № 5458195, кл. Е 21 В 33/138, oп. 17.10.95.

2. ТУ 5734-072-46854090-98 "Цемент напрягающий".

3. НИИЖБ. Технология напрягающего цемента и самонапряженных железобетонных конструкций. - М.: Стройиздат, 1975, с. 24.

4. Рамачандра В.С. Добавки в бетон. Справочное пособие. - М.: Стройиздат, 1988, с. 76, прототип.

5. Заявка РФ № 92003546, кл. С 04 В 28/04. oп. 20.07.1996, прототип.