Результат интеллектуальной деятельности: Способ активации воды затворения, цементная матрица с активированной водой затворения, применение способа активации воды затворения для повышения грибостойкости цементной матрицы

Группа изобретений относится к строительным материалам, а именно к способам защиты строительных материалов от воздействия грибковых заражений и может быть использовано в процессах производства строительных композиционных материалов, на основе минеральных вяжущих.

Строительные материалы и изделия на основе цементного вяжущего в процессе эксплуатации подвергаются разрушающему действию биологически активных сред. Биологическая коррозия становится существенным факторов надежности и долговечности зданий и сооружений. Мицелиальные грибы, бактерии, актиномицеты в процессе своей жизнедеятельности способны, если не полностью разрушить конструкцию, то, во всяком случае, значительно снизить эксплуатационные характеристики материалов, использованных для ее получения. В последние годы отмечается рост разнообразия и численности микроорганизмов, вызывающих биоповреждения материалов и сооружений. Возросла агрессивность известных видов (Соломатов В.И. Биологическое сопротивление материалов / В.И. Соломатов, В.Т. Ерофеев, В.Ф. Смирнов и др. – Саранск: Изд-во Мордов. гос. ун-та, 2001. – 194 с.).

К настоящему времени разработан широкий спектр методов и технологий, дающих возможность проводить регулирование структуры и свойств цементных композитов. К таким методам можно отнести воздействие на воду затворения различных источников активации (магнитное поле, электрическое поле, ультразвук, механическое и тепловое воздействие, лазерное излучение и т.д.). Результаты исследования ученых и практиков в этом направлении позволяют констатировать, что при этом возрастает прочность бетонных изделий, улучшается удобоукладываемость бетонных смесей. В последнее время отмечается перспективность использования обработки воды с помощью электромагнитного поля и электрического тока.

Известен способ получения жидкости затворения цемента, включающий электрохимическую обработку асимметричным переменным током водопроводной воды в трехкамерном электролизере с ионселективными мембранами с последующим использованием воды, отобранной из анодной камеры, средней или катодной камер для затворения цемента (RU 2533564, МПК C04B 40/00, опубл. 20.11.2014).

В основу известного решения положена задача повышения эффективности обработанной жидкости затворения. Технический результат заключается в повышении морозоустойчивости бетонной смеси, увеличении степени гидратации цемента и прочности цементного камня в ранние сроки твердения, но при этом отсутствуют антигрибковые свойства и показатели биостойкости состава цемента.

Известен способ затворения формовочных смесей, включающий смешивание сухих компонентов и подготовку воды затворения путем пропускания ее между электродами, при подаче на них переменной или постоянной разности потенциалов, со скоростью движения и силой электротока, обеспечивающих плотность насыщенности зарядом, прошедшей между электродами воды не менее 825 кКл/м³. Воду затворения при электролизе насыщают ионами Fe³⁺ металла электрода до концентрации ионов железа 30-35 %, предварительно в указанную воду вводят раствор аскорбиновой кислоты в количестве 0,1 г/л (RU 2528718, МПК C04B 40/00, опубл. 20.09.2014).

В известном способе увеличивается подвижность формовочных смесей без увеличения общего количества воды затворения в результате чего значительно улучшаются эксплуатационные характеристики готовых изделий. Однако и в этом случае не изучены показатели грибостойкости и фунгицидности формовочной смеси.

Известен способ активации воды для строительных растворов и смесей, включающий обработку воды затворения методом электролиза при постоянном напряжении тока 100-200 В в течение 10-40 мин в электролизной ванне и последующим смешением с сухими компонентами строительной смеси, причем для затворения строительных растворов и смесей используют воду из прикатодной зоны электролизной ванны, образованной путем помещения катода в проницаемую оболочку или отделения указанной зоны проницаемой перегородкой (RU 2355667, МПК С04B 40/00, C02F 1/461, опубл. 20.05.2009).

Известный способ позволяет ускорить схватывание строительного раствора, повысить его прочности. Не исследованы же показатели грибостойкости и фунгицидности.

Известен способ активации воды затворения для цементных растворов и бетонов, в котором воду обрабатывают электрическим путем: проточную водопроводную воду непрерывно с постоянной скоростью пропускают через электролизер снизу вверх. Электролизер имеет железные электроды, выполненные из стали марки Ст.3, на них подают постоянный ток плотностью 68,3-76,1 А/м². При этом вода насыщается гидроокисью железа, состоящей из трех кристаллографических модификаций (α – Fe(ОН) : β – Fe(OH) : γ – Fe(OH)), которая поступает в виде добавки в строительный раствор из расчета 62 мг железа на 1 л воды. Одновременно с образованием гидроокиси железа происходят структурные изменения других примесей, находящихся в воде. Соли кальция кристаллизуются в форме арагонита (SU 1662943, МПК С02F 1/46, C 04B 22/00, опубл. 15.09.1991).

В известном решении наличие в воде затворения оксигидрата железа, солей кальция, магния и других примесей, с измененной кристаллической решеткой приводит к увеличению скорости гидратации вяжущего (цемента) и соответственно к возрастанию скорости твердения бетонов и строительных растворов и, как следствие, к повышению твердости, морозостойкости, водонепроницаемости и уменьшению времени затворения при изготовлении изделий. Не исследованы показатели грибостойкости и фунгицидности.

Известен способ приготовления строительных растворов, включающий смешивание цемента, наполнителя и воды затворения. Строительный раствор приготавливают на активированной воде и укладывают на предварительно смоченную активированной водой поверхность. Активация происходит в результате воздействия на воду звуковых колебаний в диапазоне частот 100-140 кГц при мощности излучателя 9-27 Вт в течение 3-4 ч (RU 2380344, МПК C04B 40/00, C02F 1/34 , опубл. 27.01.2010).

В известном способе повышается прочность при сжатии материала, однако не изучены показатели грибостойкости и фунгицидности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является электрохимическая и электромагнитная активация воды затворения цементных композитов, которая способствует твердению материалов с момента их производства и продолжается в течение всего периода, то есть последствие активационной обработки проявляется в композиционных материалах в течение длительного времени их службы благодаря явлениям структурной наследственности и сохранения определенной направленности гидратационного процесса, заданного на первоначальных этапах преобразования вяжущего в пластичной цементной дисперсии.

Электромагнитная обработка заключается в пропускании потока воды через электромагнитное поле. В общем случае его действие на движущуюся воду сводится к действию сил Лоренца на заряженные частицы и непосредственному действию магнитного поля на магнитный момент молекул. Обработка природной воды магнитным полем приводит к взаимодействию поля с частицами, находящимися в воде и обладающими ферромагнитными свойствами – оксидные и гидроксидные соединения, образующимися в ходе электрохимического окисления железа. Действие электромагнитного поля способствует деформации и (или) разрушению водородных связей между молекулами воды в аквакомплексах (кластерах) и, вследствие этого, изменению величины поверхностного натяжения воды. Электрохимическая активация основана на свойстве растворов, подвергнутых электрохимическому воздействию, переходить в неравновесное состояние, проявляющих при этом каталитическую активность и повышенную реакционную способность в окислительно-восстановительных, кислотно-основных и других сопряженных с ними, реакциях. При обработке воды затворения электрическим полем в системе растворимых электродов основным фактором, влияющим на образование дисперсных частиц в области слабых напряженностей электрического поля, являются электрохимические процессы растворения металлических электродов с последующим образованием гидроксидов металла. Многовалентные гидроксиды алюминия или железа, образовавшиеся в результате электрохимического растворения электродов при наложении электрического поля, многовалентного и обладающего перманентным дипольным моментом с повышенным содержанием ионов Н⁺ и ОН^–, что влияет на формирование кристаллогидратной решетки твердого тела. За счет введения в раствор многовалентных ионов алюминия или железа, обладающих перманентным дипольным моментом, появляется возможность способствовать возникновению центров кристаллизации. Получающиеся при этом соединения, находящиеся в ультрадисперсной фазе (1…100 нм), определяют активность воды, используемой в процессах затворения строительных растворов. Дисперсная фаза оксидов и гидрооксидов железа (анодные продукты) и гидрооксидов кальция и магния – за счет катодного восстановления молекул воды, образуют временно устойчивую систему центров кристаллизации в процессах перехода растворов цемента в фазу образования гелевых структур, способствующих образованию твердой фазы с более мелкокристаллической структурой. Электрохимическая и электромагнитная активация способствует изменению физико-химического состава воды: pH, содержание различных ионов, смачиваемость и т.д. Присутствие в жидкой фазе цементного теста различных ионов и молекул, поступающих в систему в результате воздействия электромагнитным и электрическим полями на воду затворения, определенным образом влияет не только на структуру воды затворения, но и на процессы адсорбции, растворения и поверхностной гидратации образующейся твердой фазы, на свойства самого цементного композита (Активация воды для цементных композитов. Холдинг «МАКСИМИР». Режим доступа: http://www.maxmir-energy.ru/catalog-2.html. Дата доступа: 08.04.2019).

В известном способе улучшение структурных показателей, физико-механических свойств и долговечности бетонов и других цементных материалов достигается за счет применения активированной воды затворения. Прочностные свойства и грибостойкость материала улучшаются, но в известных пределах.

Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая группа изобретений, является получение активированной воды затворения, придающей цементной матрице с активированной водой затворения биостойкие (грибостойкие и фунгицидные) свойства за счет применения установки электрохимической и электромагнитной активации воды с медным растворимым анодом и адаптивной к изменяющимся физико-химическим свойствам исходной воды системой управления электрическим и магнитным полями, что позволяет обеспечить защиту против грибкового воздействия во всем объеме цементных матриц с улучшением их физико-механических и эксплуатационных показателей.

Сущность группы изобретений заключается в электрохимической и электромагнитной активации воды затворения, используемой в процессе производства строительных композиционных материалов, при ее прохождении между электродами электролитической камеры, в которой растворяющийся анод изготовлен из меди, с образованием с гидроксид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярных окисно-гидроокисных наноструктур, содержащих в связанном виде ионы одно- и двухвалентной меди и активации в рабочем канале электромагнитной камеры. Плотность электрического тока в электролитической камере составляет 5,65…43,55 A/м², напряженность электромагнитного поля в рабочих зазорах электромагнитной камеры составляет 24…135 кА/м. Обработку ведут до получения активированной воды затворения, содержащей окисно-гидроокисные соединения меди в количестве 0,2…10 ppm. Цементная матрица строительных композиционных материалов, полученная из смеси портландцемента и активированной воды затворения, содержащая указанные компоненты при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Способ активации воды затворения применяют для повышения грибостойкости цементной матрицы.

В табл. 1 показаны рекомендуемые режимы активации и их параметры, в табл. 2 – составы цементных матриц, табл. 3 – свойства цементных матриц.

Способ электрохимической и электромагнитной активация заключается в последовательном пропускании потока воды (природной или технической) или водных растворов через электролитическую камеру, в которой растворяющийся анод изготовлен из меди, с образованием с гидроксид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярных окисно-гидроокисных наноструктур, содержащих в связанном виде ионы одно- и двухвалентной меди и через канал электромагнитной камеры.

Активация воды затворения цементных композиций производится с использованием установки для противонакипной обработки водных систем УПОВС2-5.0 «Максмир» (ЖЗ-201). Данная установка представляет собой многоконтурную программирующую систему, содержащую в самой себе три циркуляционных контура, способных обеспечить эффект на безвозвратных потоках.

Установка состоит из двух основных частей: камер электрохимической и электромагнитной активации. Камера электромагнитной активации состоит из корпуса; внутреннего магнитопровода с входным и выходным патрубками; наружного магнитопровода, который является секционным и набирается из отдельных магнитных блоков, закрепляемых к корпусу аппарата. Расположенная внутри установки камера электрохимической активации состоит из соосно прикрепленных катода и анода, работающие в настроенных диапазонах напряжения и тока. Наличие трех каналов в установке удлиняет путь пробега водяного потока и, следовательно, время воздействия на него. Предусмотрен автоматический воздухоотводчик для выпуска воздуха и газов из верхней части аппарата.

Поступающая в установку вода после прохождения через магнитный фильтр проходит через отверстия в пластиковой опоре катода в зону электрохимической активации, между анодом и катодом. Далее вода через центр анода попадает в камеры электромагнитной обработки, где подвергается электромагнитному воздействию. Затем вода через выпускной коллектор подается в систему потребления. Длина протока воды в зоне непрерывного воздействия электромагнитного поля для одной камеры составляет 0,5 м. Суммарная длина зоны воздействия рабочих каналов и камеры электрохимеческой активации в полости внутреннего магнитопровода составляет около 1,5 м, что значительно повышает эффект воздействия электромагнитного поля.

В рабочих зазорах аппарата создается непрерывное электромагнитное поле с чередующимся направлением векторов магнитной индукции.

С целью достижения высоких стабильных значений степени активации воды затворения и получения ее с заданными свойствами в зависимости от физико-химических свойств обрабатываемой воды и производительности используется гибкая настройка установки. Режим работы установки может быть выбран по параметрам плотности электрического тока в камере электрохимической активации j_max в пределах 5,65…43,55 A/м² и напряженности электромагнитного поля в рабочих зазорах камеры электромагнитной активации Н_max в пределах 24…135 кА/м. Рекомендуемые режимы и их параметры представлены в таблице 1.

В заявленном изобретении в процессе активации в воду затворения вводят окисно-гидроокисные соединения меди в количестве 0,2…10 ppm, образующиеся при ее прохождении между электродами электролитического модуля, один из электродов которого изготовлен из меди, анодно-растворяющегося с образованием с гидрооксид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярных окисно-гидрокисных наноструктур, содержащие в связанном виде ионы одно- и двухвалентной меди.

Содержание ионов в воде определяют аналитическим способом по методике (Руководство по химическому и технологическому анализу воды. М.: Стройиздат, 1973. – 306 с.).

Цементная матрица строительных композиционных материалов, полученная из смеси портландцемента и воды затворения, активированной вышеуказанным способом, содержащая указанные компоненты при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Для получения составов цементных матриц использовались следующие компоненты: портландцемент ЦEM I 42,5 Б соответствующий ГОСТ 31108-2003; вода, отвечающая требованиям ГОСТ 23732-2011, для затворения бетонов и строительных растворов. Предварительно производят активацию воды затворения по вышеописанному способу.

Способ получения цементных композитов, в качестве которых рассматриваются матрицы в строительных композиционных материалах, заключается в следующем. Производят весовую дозировку компонентов. В работающем смесителе портландцемент смешивают совместно с активированной водой затворения. Смесь тщательно перемешивают до получения однородной массы. Приготовленную смесь укладывают в стальные формы. Уплотняют смесь на виброустановках. Через сутки готовые образцы для испытания на прочность и биологическую стойкость в виде балочек с размерами 4×4×16 см извлекают из форм и отверждают при нормальных температурно-влажностных условиях в течение 28 суток. Далее для испытания на грибостойкость из образцов-балочек выпиливаются пластинки с размерами 30×30×2 мм.

Предлагается применение способа активации воды затворения, полученной вышеуказанным способом, для повышения грибостойкости цементных матриц.

Обрастаемость мицелиальными грибами определяют на образцах цементного камня по ГОСТ 9.049-91 методами 1 (без дополнительных источников углеродного и минерального питания) и 3 (на твердой питательной среде Чапека-Докса) с установлением грибостойкости и фунгицидности.

Составы № 4-6 обладают наилучшими показателями биологической стойкости (табл. 3).

Предлагаемый способ отличен тем, что с целью снижения общей концентрации антигрибкового вещества и снижения его экологического воздействия вводят в воду затворения при ее прохождении между электродами электролитического модуля, один из электродов которого изготовлен из меди (положительный потенциал источника постоянного тока) и при окислении которого в воду затворения выделяются ионы меди, образующие с гидрооксид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярные окисно-гидроокисные наноструктуры, содержащие в связанном виде ионы одно- и двухвалентной меди. При использовании данной электрохимически и электромагнитно обработанной воды в процессе затворения цемента образующиеся окисно-гидроокисные наноструктуры меди органически связываются со структурными компонентами цементной композиции, обеспечивая фунгицидные свойства образующегося камня.

Таким образом, изобретение позволяет получить активированную воду затворения, придающую цементным матрицам грибостойкие и фунгицидные свойства за счет применения установки электрохимической и электромагнитной активации воды с медным растворимым анодом и адаптивной системой управления электрическими и магнитными полями, что позволяет обеспечить зоны защиты против грибкового воздействия во всем объеме цементных композиционных материалов.