Водорастворимый бесщелочной ускоритель схватывания и способ его получения

Водорастворимый бесщелочной ускоритель схватывания и способ его получения

Реферат

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 pK_a=2÷4 основной сульфат алюминия и в качестве комплексообразователя - многоатомные спирты НОСН₂(CHOH)_nCH₂OH, где n=0÷4, пентаэритрит, замещенные спирты RCH₂CH₂OH, 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	-

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 pK_a=2÷4 основной сульфат алюминия, а в качестве комплексообразователя - многоатомные спирты HOCH₂(СНОН)_nCH₂OH, где n=0÷4, пентаэритрит, замещенные спирты RCH₂CH₂OH, 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.