водорастворимый бесщелочной ускоритель схватывания и способ его получения
Классы МПК: | C04B22/08 кислоты или их соли C04B103/12 схватывания |
Автор(ы): | Вовк Анатолий Иванович (RU), Ковалев Александр Федорович (RU), Шамсутдинов Ильсур Зинурович (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Полипласт" (ОАО "Полипласт") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-04-07 публикация патента:
27.07.2014 |
Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к составам ускорителей схватывания, используемых в производстве торкрет-бетона мокрым способом, и к способу получения ускорителя схватывания. Техническим результатом, полученным при использовании предлагаемой комплексной добавки, является быстрое схватывание бетонной смеси с последующим быстрым и стабильным набором прочности бетона. Водорастворимый бесщелочной ускоритель схватывания содержит сульфаты, соединения алюминия, комплексообразователь и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: основной сульфат алюминия 20-40, сульфаты двухвалентных металлов 4-6, органический буферообразующий компонент 6-12, комплексообразователь 2-10, вода остальное. В способе получения ускорителя схватывания алюминат натрия предварительно смешивают с комплексообразователем, затем вводят органический буферообразующий компонент, после чего в полученной системе растворяют средний сульфат алюминия и далее к стабилизированному раствору основного сульфата алюминия добавляют сульфат двухвалентного металла. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 табл.
Формула изобретения
1. Водорастворимый бесщелочной ускоритель схватывания для торкрет-бетона, содержащий сульфаты, соединения алюминия, комплексообразователь и воду, отличающийся тем, что в качестве соединений алюминия содержит стабилизированный органическим буферообразующим компонентом на основе кислоты с константой ионизации pKa=2÷4 основной сульфат алюминия, а в качестве комплексообразователя - многоатомные спирты HOCH2(СНОН)nCH 2OH, где n=0÷4, пентаэритрит, замещенные спирты RCH 2CH2OH, где R содержит элемент со свободной неподеленной парой электронов или смесь нескольких указанных продуктов, способных образовывать пяти- и шестичленные хелаты, при дополнительном введении водорастворимых сульфатов двухвалентных металлов при следующем соотношении, мас.%:
основной сульфат алюминия | 20-40 |
сульфаты двухвалентных металлов | 4-6 |
органический буферообразующий компонент | 6-12 |
комплексообразователь | 2-10 |
вода | остальное |
2. Ускоритель схватывания по п.1, отличающийся тем, что основной сульфат алюминия получают взаимодействием среднего сульфата алюминия и раствора алюмината в присутствии комплексообразователя и органического буферообразующего компонента.
3. Ускоритель схватывания по п.1, отличающийся тем, что в качестве водорастворимых сульфатов двухвалентных металлов содержит сульфаты железа, кобальта, хрома, марганца, магния, бериллия или смесь нескольких указанных продуктов.
4. Ускоритель схватывания по п.1, отличающийся тем, что его дозировка в торкрет-бетон составляет 1-5% от массы цемента.
5. Способ получения водорастворимого бесщелочного ускорителя схватывания для торкрет-бетона, включающий последовательное смешение указанных компонентов в заданном соотношении соответственно, отличающийся тем, что алюминат натрия предварительно смешивают с комплексообразователем, затем вводят органический буферообразующий компонент, после чего в полученной системе растворяют средний сульфат алюминия и далее к стабилизированному раствору основного сульфата алюминия добавляют сульфат двухвалентного металла.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к составам ускорителей схватывания, используемых в производстве торкрет-бетона мокрым способом.
К добавкам, которые используются либо в мокром, либо в сухом торкрет-процессе, предъявляются следующие требования:
- быстрое схватывание: начало и конец схватывания;
- повышенная способность к образованию максимальной толщины слоя;
- увеличение скорости развития прочности;
- достижение максимальной прочности при заданных условиях.
Широкое применение при торкретировании получили щелочи и другие химические вещества с сильноосновными свойствами, например жидкое стекло. Щелочной характер активного ингредиента делает такие добавки чрезвычайно едкими, что требует соблюдения мер предосторожности в обращении с ними. Кроме того, такие добавки способны инициировать процессы щелочной коррозии бетона, что отрицательно сказывается на долговечности возведенных элементов и сооружений.
Также известны добавки для торкретирования на основе хлорида кальция. Однако такие добавки не способны обеспечить весь комплекс характеристик, необходимых для торкрет-бетонов, и, кроме того, хлориды проявляют высокую коррозионную активность по отношению к арматуре, что требует дополнительного введения ингибиторов коррозии [1].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является жидкий ускоритель схватывания, содержащий соединения серы, алюминия, щелочных металлов и комплексообразующего агента [2].
Данная добавка не содержит щелочей и не вызывает коррозии арматуры в бетоне. Однако стабильные при хранении составы характеризуются весьма низкими значениями pH (согласно описанию, предпочтительный диапазон 1,5-3), что может приводить к коррозии оборудования. Поскольку при изготовлении этого ускорителя согласно патенту используют труднорастворимые соединения: фторид алюминия или криолит (3NaF·AlF3), добавка представляет собой не истинный раствор, а суспензию с размером частиц не более 5 мкм; однако для получения устойчивой при хранении суспензии требуется длительный помол компонентов в шаровой мельнице. Для достижения эффекта быстрого схватывания дозировка добавки должна составлять 5-15% от массы цемента, что заметно сказывается на В/Ц-отношении и, следовательно, прочности торкрет-бетона, а также приводит к удорожанию конечного материала.
Технической задачей изобретения является разработка не содержащего галогенидов водорастворимого бесщелочного ускорителя схватывания, характеризующегося ускоренным набором прочности в ранние сроки и концентрацией не менее 45%.
Техническим результатом, полученным при использовании предлагаемого бесщелочного ускорителя схватывания, является получение торкрет-бетона с максимально быстрым набором прочности при заданных условиях (расход и активность цемента, величина В/Ц).
Указанный технический результат достигается тем, что бесщелочной водорастворимый ускоритель схватывания, содержащий сульфаты, соединения алюминия, комплексообразователь и воду, согласно изобретению в качестве соединений алюминия содержит стабилизированный органическим буферообразующим компонентом на основе кислоты с константой ионизации pKa=2÷4 основной сульфат алюминия и в качестве комплексообразователя - многоатомные спирты НОСН2(CHOH)nCH 2OH, где n=0÷4, пентаэритрит, замещенные спирты RCH 2CH2OH, где R содержит элемент со свободной неподеленной парой электронов или смесь нескольких указанных продуктов, способных образовывать пяти- и шестичленные хелаты, при дополнительном введении водорастворимых сульфатов двухвалентных металлов. Ускоритель схватывания включает вышеуказанные компоненты в следующем соотношении, мас.%:
основной сульфат алюминия | 20-40 |
сульфаты двухвалентных металлов | 4-6 |
органический буферообразующий компонент | 6-12 |
комплексообразователь | 2-10 |
вода | остальное |
Основной сульфат алюминия могут получать взаимодействием среднего сульфата алюминия и раствора алюмината в присутствии комплексообразователя и органического буферообразующего компонента.
В качестве водорастворимых сульфатов двухвалентных металлов ускоритель схватывания может содержать сульфаты железа, кобальта, хрома, марганца, магния, бериллия или смесь нескольких указанных продуктов.
Дозировка предлагаемого ускорителя схватывания в торкрет-бетонах составляет 1-5% от массы цемента.
Способ получения водорастворимого бесщелочного ускорителя схватывания, включающий последовательное смешение указанных компонентов в заданном соотношении, соответственно, осуществляют посредством предварительного смешения алюмината натрия с комплексообразователем, затем вводят органический буферообразующий компонент, после чего в полученной системе растворяют средний сульфат алюминия и далее к стабилизированному раствору основного сульфата алюминия добавляют сульфат двухвалентного металла.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.
Введение в состав бетонной смеси высококонцентрированного раствора основного сульфата алюминия приводит к мгновенному образованию в системе значительного количества алюмосиликатов кальция, что обеспечивает чрезвычайно быстрый набор прочности цементного камня и надежное сцепление заполнителя с растворной частью бетона. Отсутствие перекристаллизации алюмосиликатного каркаса обеспечивает стабильное нарастание прочности бетона и в последующие сроки [3].
Техническая сущность изобретения и достигаемые эффекты могут быть проиллюстрированы следующими примерами, не исчерпывающими все возможные варианты, приведенными в таблице 1.
Водорастворимый бесщелочной ускоритель схватывания для всех примеров, представленных в таблице 1, получают путем предварительного смешения алюмината натрия с комплексообразователем, затем вводят органический буферообразующий компонент, после чего в полученной системе растворяют средний сульфат алюминия и далее к стабилизированному раствору основного сульфата алюминия добавляют сульфат двухвалентного металла. При этом в качестве сульфата двухвалентного металла используют сульфаты железа, кобальта, хрома, марганца, магния, бериллия или смесь нескольких указанных продуктов. В качестве примеров приведены сульфаты марганца, магния и железа, а также смеси сульфатов марганца и магния, марганца и железа, магния и железа.
Проверку свойств комплексных добавок по настоящему изобретению проводили в соответствии с ГОСТ 30459-2003 на бетонной смеси состава (кг/м3): цемент - 350, песок - 850, щебень - 990, вода - 185 при В/Ц=0,53. Подвижность и сохраняемость определяли по ГОСТ 10181.1, прочность бетона - по результатам испытаний образцов-кубов 10×10×10 см по ГОСТ 10180.
В таблице 2 представлены результаты испытаний ускорителя схватывания по данной заявке и прототипа на сохраняемость бетонной смеси. Обеспечение необходимой исходной подвижности бетонной смеси достигалось введением 0,4% полиметиленнафталинсульфонатного суперпластификатора, после чего в бетонные смеси вводили добавку по заявке или прототип.
Таблица 3 содержит результаты испытаний по кинетике твердения бетона с ускорителем схватывания по заявке и прототипа.
Анализируя данные таблиц 2 и 3, можно сделать следующие выводы:
- бетон с добавкой по заявке превосходит добавку-прототип по срокам схватывания бетонной смеси, что очень существенно при использовании добавки в процессе торкретирования;
- бетон с добавкой по заявке превосходит добавку-прототип по набору прочности в ранние сроки;
- в 28-суточном возрасте прочность бетона с добавкой по данной заявке превосходит прочностные характеристики добавки-прототипа.
В таблице 4 приведены данные по растворимости солей, используемых в качестве компонентов для добавки по данной заявке и прототипу [4]. Растворимость криолита, используемого при приготовлении добавки-прототипа, столь мала, что не позволяет повысить концентрацию добавки до 45-50%, а также создает большие трудности в процессе ее приготовления. Сульфаты, используемые в качестве компонентов для получения добавки по настоящей заявке, хорошо растворимы при комнатной температуре, что существенно снижает энергетические затраты на приготовление ускорителя схватывания.
Литература
1. Рамачандран С.В. Добавки в бетон. М.: Стройиздат. 1988.
2. Denki Kagaku Kogyo К.К. EP 1676820 A1, опубл. 28.04.05.
3. И.Н. Ахвердов. Физика бетона. М.: Стройиздат. 1981.
4. Справочник химика, том 2. М.: Химия. 1964.
Таблица 2 | |||||||||||
Влияние состава бесщелочного ускорителя схватывания на сохраняемость бетонной смеси | |||||||||||
№ № по табл.1 | В/Ц | Дозировка, % от массы цемента по товарному продукту | Осадка конуса, см | ||||||||
сразу | через 5 мин | через 10 мин | |||||||||
1.1 | 0,60 | 12,0 | 18 | 6 | 1 | ||||||
1.2 | 0,59 | 10,0 | 19 | 7 | 2 | ||||||
1.3 | 0,53 | 5,0 | 18 | 2 | 0 | ||||||
1.4 | 0,53 | 5,0 | 18 | 1 | 0 | ||||||
1.5 | 0,53 | 5,0 | 18 | 1 | 0 | ||||||
1.6 | 0,53 | 5,0 | 17 | 1 | 0 | ||||||
1.7 | 0,53 | 5,0 | 19 | 1 | 0 | ||||||
1.8 | 0,53 | 5,0 | 19 | 1 | 0 | ||||||
1.9 | 0,53 | 5,0 | 18 | 1 | 0 | ||||||
1.10 | 0,53 | 5,0 | 19 | 2 | 0 | ||||||
Таблица 3 | |||||||||||
Влияние состава бесщелочного ускорителя схватывания на кинетику твердения | |||||||||||
№ № по табл.1 | Прочность на сжатие, кгс/см2, в возрасте | ||||||||||
3 ч | 5 ч | 1 сут | 2 сут | 7 сут | 28 сут | ||||||
1.1 | 5 | 25 | 140 | 171 | 250 | 291 | |||||
1.2 | 6 | 31 | 144 | 176 | 264 | 302 | |||||
1.3 | 11 | 42 | 183 | 206 | 301 | 340 | |||||
1.5 | 11 | 44 | 176 | 206 | 298 | 345 | |||||
1.7 | 13 | 46 | 173 | 209 | 296 | 339 | |||||
1.8 | 12 | 44 | 179 | 201 | 292 | 336 |
Таблица 4 | ||||||||
Растворимость солей, используемых как компоненты добавок-ускорителей схватывания | ||||||||
Наименование соли | Температура воды | |||||||
0°C | 10°C | 16°C | 18°C | 20°C | 25°C | 50°C | 100°C | |
Криолит | - | - | 0,035 | - | - | 0,042 | 0,079 | |
Сульфат кобальта | - | - | - | - | 36,2 | - | - | 38,5 |
Сульфат магния | - | - | - | 33,7 | - | - | 50,0 | |
Сульфат марганца | - | 60 | - | - | - | - | - | - |
Сульфат бериллия | 35,3 | - | - | - | - | - | - | 85,9 |
Сульфат алюминия | 31,2 | 33,5 | - | - | 36,2 | - | 52,2 | 89,0 |
Сульфат железа (II) 7-ми водный | 15,7 | 20,5 | - | - | 26,5 | - | 48,6 | - |
Класс C04B22/08 кислоты или их соли