СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОРА НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА

Изобретение относится к строительным материалам и изделиям, в частности к технологиям изготовления бетонов, железобетонов, строительных растворов, смесей, составов, а также к области переработки радиоактивных отходов, в частности к их захоронению, и может быть использовано при изготовлении бетонных и железобетонных конструкций, цементировании жидких и твердых радиоактивных отходов. Реализация предусматривает воздействие сверхвысокочастотным излучением на раствор на основе цемента.

Известен способ повышения прочности готового изделия путем введения в цементный раствор различных химических добавок, например [1]. Недостатком данного способа является изменение нескольких характеристик бетона при применении любой добавки. Например, воздухововлекающие добавки усиливают подвижность бетонной смеси и несколько снижают прочность бетона. Пластифицирующие добавки могут влиять на кинетику структурообразования и твердения, повышать склонность к расслаиванию и т.д.

Известен способ активации и дегазации цемента при помощи воздействия импульсным электромагнитным полем сверхвысокой (СВЧ) частоты 1000-3000 МГц продолжительностью 1-1,5 секунды [2]. Недостатками данного способа являются сложность применения и низкая прочность образцов.

Известен также способ, описанный в патенте [3], который заключается в том, что в процессе изготовления бетонных изделий, как минимум, на одной из стадий, на изделие осуществляют воздействие электромагнитным полем. Импульсное поле создают непрерывно следующими пакетами электрических видеоимпульсов, при этом длительность пакета составляет 2⋅10^-4-2⋅10^-3 с, скважность импульсов в пакете изменяется в диапазоне 10-100, а удельная мощность составляет 0,01-0,1 Вт/м³ изделия. Недостатками прототипа являются значительное время воздействия на раствор, а также низкая прочность образцов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятому в качестве прототипа является способ, описанный в патенте [4], который заключается в том, что для получения изделий из экологически безопасного строительного раствора, приготовленного путем смешения минерального вяжущего, и содержащих тяжелые металлы и токсиканты шлаков или зол ТЭЦ, или ГРЭС, или металлургических, или мусоросжигательных заводов, затворения их водой и последующего твердения, проводят СВЧ-обработку полученного раствора облучением в процессе его транспортировки на фторопластовом участке трубопровода при частоте 2450 МГц с мощностью излучения 5-10 кВт при температуре 80°С или СВЧ-обработку полученного раствора облучением в формах или монолите при частоте 460, или 915, или 2450 МГц с мощностью излучения 0,7-5 кВт при 100% влажности и температуре 20 или 80°С, а твердение проходит при 20°С и 100% влажности в течение 48 ч. Недостатком прототипа являются низкая прочность образцов.

Технический результат заключается в повышении прочности изделий на основе растворов цемента.

Технический результат достигается тем, что в известном способе при приготовлении раствора на основе цемента, включающем облучение раствора электромагнитным полем после его затворения, облучение раствора осуществляют электромагнитным полем сверхвысокой частоты в диапазоне частот 500-5000 МГц при удельной мощности облучения 0,1-10 Вт/см³ в течение 5-300 с.

В основе предлагаемого процесса лежит способность материалов к непосредственному поглощению электромагнитной энергии СВЧ-диапазона. Процесс является объемным и практически безынерционным. Эффективное взаимодействие СВЧ-излучения с веществом протекает в частотном диапазоне 500-5000 МГц. При использовании частот менее 500 МГц значительно уменьшается поглощение СВЧ-энергии обрабатываемыми материалами. Использование частот более 5000 МГц делает процесс объемной обработки раствора неэффективным в силу существенного уменьшения глубины скин-слоя.

Экспериментально установлено, что облучение раствора электромагнитным полем сверхвысокой частоты при удельной мощности облучения 0,1-10 Вт/см³ в течение 5-300 с приводит к увеличению прочности изделий на его основе. Именно в такой совокупности параметров при обработке раствора достигается технический результат изобретения.

При обработке растворов на основе цемента при указанных параметрах электромагнитного поля происходит нагрев раствора до температуры не более 60°С, что позволяет избежать пересушивания бетона.

Данный способ приготовления раствора был реализован с помощью установки, представленной на фиг. 1 [5]. Установка включает в себя следующие последовательно соединенные узлы: СВЧ-генератор 1, ферритовый вентиль 2, аттенюатор 3, рабочую камеру волноводного или резонаторного типа 4, керамический или фторопластовый тигель 5. Ферритовый вентиль предохраняет СВЧ-генератор от воздействия отраженной волны. С помощью аттенюатора устанавливают необходимую величину СВЧ-мощности в рабочей камере.

Пример №1. Образцы цементного раствора изготавливали и испытывали согласно ГОСТ 310.4-81 [6]. Перед формовкой цементный раствор помещали в СВЧ-установку с рабочей частотой (2450±50) МГц для проведения обработки в полях СВЧ-излучения. Одновременно изготавливались контрольные образцы без воздействия СВЧ-излучения. СВЧ-обработка производилась в течение 60 с при поглощаемой в растворе мощности 15 Вт, соответствующей удельной мощности облучения 0,3 Вт/см³. Наблюдалось повышение температуры раствора с 22°С до 28°С. С помощью гидравлического пресса исследовалась прочность образцов на разрушение на 3, 7, 14 и 28 сутки. На 28 сутки регистрировалось увеличение прочности обработанных образцов (усилие разрушения 65,0 МПа) по сравнению с контрольными (усилие разрушения 48,9 МПа) в 1,33 раза.

Пример №2. Образцы цементного раствора изготавливали и испытывали как описано в примере №1. СВЧ-обработка производилась в течение 5 с при поглощаемой в растворе мощности 230 Вт, соответствующей удельной мощности облучения 4,6 Вт/см³. Наблюдалось повышение температуры раствора с 18°С до 30°С. С помощью гидравлического пресса исследовалась прочность образцов на разрушение на 3, 7, 14 и 28 сутки. На 28 сутки регистрировалось увеличение прочности обработанных образцов (усилие разрушения 61,2 МПа) по сравнению с контрольными (усилие разрушения 51,3 МПа) в 1,19 раза.

Пример №3. Образцы цементно-песчаного раствора изготавливали и испытывали согласно ГОСТ 30744-2001 [7]. Перед формовкой цементно-песчаный раствор помещали в СВЧ-установку с рабочей частотой (2450±50) МГц для проведения обработки в полях СВЧ-излучения. Одновременно изготавливались контрольные образцы без воздействия СВЧ-излучения. СВЧ-обработка производилась в течение 20 с при поглощаемой в растворе мощности 15 Вт, соответствующей удельной мощности облучения 0,3 Вт/см³. Наблюдалось повышение температуры раствора с 20°С до 47°С. С помощью гидравлического пресса исследовалась прочность образцов на разрушение на 3, 7, 14 и 28 сутки. На 28 сутки регистрировалось увеличение прочности обработанных образцов (усилие разрушения 35,5 МПа) по сравнению с контрольными (усилие разрушения 16,0 МПа) в 2,15 раза.

Таким образом, использование предлагаемого способа, при котором осуществляется облучение раствора в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, значительно повышает прочность изделий на основе цементных растворов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент РФ №2118621 С1, МПК С04В 28/00, С04В 28/00, С04В 22:14, С04В 111:20, опубл. 10.09.1998.

2. Патент РФ 2530967 С1, МПК С04В 28/02, С04В 111/20, С04В 40/00. Опубл. 20.10.2014.

3. Патент РФ №2204476 С1, МПК В28В 1/10, С04В 40/02. Опубл. 20.05.2003.

4. Патент РФ №2286318 С1, МПК С04В 40/02, В09В 3/00. Опубл. 27.10.2006.

5. Диденко А.Н., Дмитриев М.С., Коляскин А.Д. Высокотемпературное воздействие СВЧ-излучения на несовершенные диэлектрики // Известия Российской академии наук. Энергетика, 2008, №2, с. 55-63.

6. ГОСТ 310.4-81. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии.

7. ГОСТ 30744-2001. Методы испытаний с использованием полифракционного песка.