Спосіб виготовлення бетону

Реферат: Винахід належить до будівельної галузі промисловості, а саме систем об'єктів та споруд спеціального призначення. Запропоновано спосіб виготовлення бетону, при якому попередньо змішують воду з цементом для отримання цементного клею, який в подальшому піддають ультразвуковій кавітаційній обробці та додають в суміш піску, щебеню та інших компонентів за умови накладання вібраційних низькочастотних та ультразвукових коливань до бетону при заповненні форми виробу, в цементний клей перед здійсненням ультразвукової кавітаційної UA 108260 C2 (12) UA 108260 C2 обробки додатково додають дрібнодисперсний порошок вольфраму або його сплаву і здійснюють кавітаційну обробку при підвищеному статичному тиску, а ультразвукові коливання у бетон при заповненні форми виробу вводять при тиску, нижче атмосферного, та здійснюють з інтенсивністю, що перевищує поріг виникнення кавітації в усьому об'ємі бетонної суміші. Запропонований спосіб дозволяє отримати бетон підвищеної міцності та радіаційної непроникності. UA 108260 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до будівельної галузі промисловості, а саме водно-цементних систем об'єктів та споруд спеціального призначення, до яких пред'являються високі вимоги стосовно міцності та радіаційної непроникності. Винахід може бути використаний, наприклад, при виготовленні бетонних контейнерів для довготривалого зберігання радіоактивних відходів або конструктивних елементів для будівництва споруд з високим ступенем радіаційного захисту в атомній енергетиці. В атомній енергетиці для захисту від радіаційного випромінювання традиційно використовують воду певної товщини, важкі метали, наприклад свинець, вольфрам та інші, а також бетон. Застосування води для радіаційного захисту вимагає, перш за все, забезпечення надійної герметизації опроміненої води, що призводить до значного збільшення розмірів ядерних об'єктів. Застосування для радіаційного захисту свинцю дуже поширене. Але свинець є високотоксичним (належить до першої групи за токсичністю) і тому є небезпечним для здоров'я людини. Робота зі свинцем і особливо у випадку застосування дрібнодисперсного порошку свинцю вимагає спеціальної підготовки фахівця та застосування засобів індивідуального захисту, перш за все, органів дихання. Застосування бетону з метою захисту від радіації дуже поширене та перспективне, оскільки відрізняється низькою вартістю та легкістю отримання різних конфігурацій виробів. Але при цьому бетонні вироби повинні відрізнятися високою міцністю та довговічністю, малою гігроскопічністю та високою радіаційною непроникністю. Тому актуальною та перспективною є задача створення спеціальних водно-цементних систем, що відрізняються особливо високими характеристиками міцності, довговічності та радіаційної непроникності. З метою досягнення високих показників міцності та довговічності, як правило, використовують механічну, механохімічну, магнітну або акустичну активацію води замішування бетонних сумішей водно-цементних суспензій або готової бетонної суміші. При цьому досягається інтенсифікація процесів структуроутворення, модифікація структур та характеристик композитів. Відомий спосіб виготовлення бетону (Пороцкий Е.М., Петрова В.М. Исследование влияния магнитной обработки воды затворения на физико-химические свойства цемента, раствора и бетона./ Материалы научной конф. Л.: ЛИСИ, 1971 г.), що полягає в попередній активації води замішування полем постійних магнітів або змінним електромагнітним полем з наступним перемішуванням її з цементом та додаванням необхідних компонентів бетонної суміші. Магнітна обробка води замішування цементної суміші підвищує міцність, щільність, морозостійкість, понижує пористість, водопоглинання і т.п. бетонних виробів. Досягнення вказаних характеристик забезпечується за рахунок магнітної активації води, яка призводить до тимчасового підвищення хімічної активності води, що, в свою чергу, прискорює та поглиблює процеси гідратації. Недоліком вказаного способу є відсутність додаткового впливу на цемент з метою покращення його характеристик, наприклад, покращення дисперсних характеристик, утворення мікротріщин у зернах і т.п. В наслідок цього не вдається забезпечити високу щільність та міцність кристалогідратної структури цементного каменю. Радіаційно-захисні властивості бетону, отриманого таким способом, покращуються незначно, що не дозволяє застосувати його в атомній енергетиці на об'єктах спеціального призначення. Відомий спосіб виготовлення бетону (Патент России RU 2363686 С1, опубликованный 10.08.2009), при якому попередньо здійснюють ультразвукову обробку води, а потім змішують її з цементом, вуглецевими наночастинками та іншими необхідними компонентами бетонної суміші. У вказаному способі також відсутня додаткова обробка цементу, а покращення характеристик бетону досягається тільки за рахунок активації води замішування. Вуглецеві частинки додають в дуже малій кількості (0,01…0,5 г на 1 кгс цементу). Додавання вуглецевих наночастинок дозволяє збільшити час придатності до застосування при виготовленні бетону попередньо активованої води замішування. Даний спосіб не дозволяє суттєво покращити характеристики міцності бетону та підвищити його радіаційно-захисні властивості. Найбільш близьким до запропонованого способу по сукупності ознак і технічному результату є спосіб виготовлення бетону (Корнилович Ю.Е., Белохвостикова В.И. Ультразвук в технологии 1 UA 108260 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 бетона. - Киев: Гостройиздат УССР, 1964, - С. 3-8), при якому попередньо змішують воду з цементом для отримання цементного клею, який в подальшому піддають ультразвуковій кавітаційній обробці та додають в суміш піску, щебеню та інших компонентів за умови накладання вібраційних низькочастотних та ультразвукових коливань до бетону при заповненні форми виробу. В даному випадку ультразвуковій кавітаційній обробці піддається вже не тільки вода замішування, а і сам цемент. При цьому одночасно відбувається активація води і диспергування цементу. Зерна цементу подрібнюються, в них з'являються мікротріщини. Ультразвукова кавітаційна ерозія окрім подрібнення зерен цементу (диспергування цементу) призводить до руйнування гідросульфоалюмінатних плівок з клінкерних частинок, що призводить до відкриття нових активних центрів їх поверхні. Активована вода і суттєво збільшена площа поверхні цементу за рахунок зменшення розміру зерен і утворення в них мікротріщин прискорюють та поглиблюють процес гідратації. Це призводить до збільшення міцності кінцевого продукту виробу з бетону. В наведеному способі застосовують низькочастотну вібрацію бетону, що заповнює форму, та додаткове введення в бетон ультразвукових коливань, які прикладаються до форми. Це дозволяє зменшити кількість пустот в бетоні, підвищити його щільність і, завдяки цьому, зменшити гігроскопічність та радіаційну проникність. Ультразвукові коливання дозволяють додатково збільшити поверхневу міцність бетонного виробу, оскільки вони проникають на незначну глибину бетону. В основу винаходу поставлено задачу розробки способу виготовлення бетону, який дозволить підвищити міцність та довговічність бетону, зменшити його гігроскопічність та радіаційну проникність. Для вирішення поставленої задачі в способі виготовлення бетону, при якому попередньо змішують воду з цементом для отримання цементного клею, який в подальшому піддають ультразвуковій кавітаційній обробці та додають в суміш піску, щебеню та інших компонентів за умови накладання вібраційних низькочастотних та ультразвукових коливань до бетону при заповненні форми виробу, в цементний клей перед здійсненням ультразвукової кавітаційної обробки додатково додають дрібнодисперсний порошок вольфраму або його сплаву і здійснюють кавітаційну обробку при підвищеному статичному тиску, а ультразвукові коливання у бетон при заповненні форми виробу вводять при тиску, нижче атмосферного, та здійснюють з інтенсивністю, що перевищує поріг виникнення кавітації в усьому об'ємі бетонної суміші. Додавання до цементного клею перед кавітаційною обробкою дрібнодисперсного порошку вольфраму або його сплаву дозволяє отримати після кавітаційної обробки стійку щодо розшарування суміш. При подібній кавітаційній обробці будуть дисперговані (подрібнені) усі скупчення дрібних частинок вольфраму, що утворилися за рахунок злипання. Застосований при цьому підвищений статичний тиск дозволить багатократно підвищити ефективність та продуктивність ультразвукової кавітаційної обробки. Внаслідок цього буде отримано цементний клей, який рівномірно насичений дрібнодисперсним порошком вольфраму та замішаний на активованій воді та диспергованому цементі. Застосування пониженого (нижче атмосферного) тиску після заповнення бетоном форми виробу і застосування ультразвукових коливань з інтенсивністю, що перевищує поріг виникнення кавітації в усьому об'ємі бетонної суміші, дозволить здійснити ефективну ультразвукову дегазацію бетону. Внаслідок цього будуть ліквідовані в об'ємі бетону повітряні пустоти, тобто підвищиться щільність бетону. При цьому буде понижена гігроскопічність та підвищена радіаційна непроникність виробу. Застосування дрібнодисперсного порошку вольфраму, який буде рівномірно розповсюджений по об'єму бетону і не встигне за час твердіння бетону осісти під дією сили тяжіння, дозволить суттєво збільшити радіаційну непроникність бетону. Застосування при цьому, як варіант, нанорозмірного вольфрамового порошку дозволить забезпечити ще більшу рівномірність насичення бетону вольфрамом, збільшити об'ємну кількість вольфраму в бетоні та запобігти осадженню дрібних частинок вольфраму під час твердіння бетону. Як варіант, в цементний клей перед ультразвуковою кавітаційною обробкою додатково додають парафін. У парафіну під дією ультразвукової кавітації руйнується структура і він здатний якісно перемішуватися у складі цементного клею під час кавітаційної обробки. Через деякий час його структура поновлюється і він вже у складі бетонної суміші заповнює усі пустоти між компонентами бетону, що забезпечує додаткове пониження гігроскопічності бетону. Реалізується спосіб виготовлення бетону, що пропонується, наступним чином. 2 UA 108260 C2 5 10 15 20 25 30 В заданій пропорції в ємності попередньо змішують воду, цемент, нанопорошок вольфраму та парафін. Потім отриману суміш насосом під підвищеним статичним тиском (0,5…1,0 МПа) багаторазово прокачують через ультразвуковий проточний кавітатор. Підвищений статичний тиск дозволяє в декілька разів підвищити інтенсивність кавітаційної обробки, що дає можливість забезпечити високу продуктивність та енергетичну ефективність способу, що пропонується. Внаслідок інтенсивної кавітаційної обробки відбувається активація води, тобто підвищується її хімічна активність, диспергується на більш дрібні зерна цемент, в зернах утворюються мікротріщини, що значно збільшує поверхню цементу, яка змочується активованою водою, розбиваються на окремі частинки грудки порошку вольфраму, руйнується структура парафіну. Після подібної кавітаційної обробки буде отримано цементний клей у вигляді суміші, яка рівномірно насичена дрібнодисперсними частинками вольфраму і в якій розчинений парафін. Підготовлений таким чином цементний клей використовується для подальшого приготування бетонної суміші, яка заливається в форму виробу. Цементний клей треба використати на протязі приблизно 30 хвилин, оскільки активованість води поступово зменшується, а парафін поступово відновлює свою структуру. Після заповнення бетоном форми виробу над поверхнею бетону тиск знижують нижче атмосферного і починають вібрувати форму, прикладаючи до неї низькочастотні вібраційні коливання та ультразвукові коливання. Причому інтенсивність ультразвукових коливань повинна перевищувати поріг виникнення кавітації в об'ємі бетону. Кавітація в об'ємі бетону призводить до ультразвукової дегазації бетонної суміші. Затиснуте в бетоні повітря та повітря, що знаходиться в воді замішування у розчиненому вигляді і у вигляді дрібних бульбашок, поступово підіймається на поверхню. Цьому сприяє і понижений тиск над бетонною поверхнею. Дегазація бетонної суміші підвищує щільність бетону, зменшує його гігроскопічність, збільшує морозостійкість та радіаційну непроникність. Внаслідок застосування запропонованого способу виготовлення бетону вдається отримати бетон підвищеної міцності, довговічності та радіаційної непроникності для виготовлення виробів спеціального призначення в атомній енергетиці. Отриманий згідно запропонованому способу бетон, буде мати великий термін працездатності. Запропонований спосіб є екологічно безпечним, оскільки вольфрам відноситься до третьої групи матеріалів за ступенем токсичності, тобто практично є нетоксичним. При цьому його здатність затримувати радіаційне випромінювання майже в два рази краща, ніж у свинцю, який, до того ж, належить до першої групи матеріалів за ступенем токсичності і є небезпечним для людини. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 1. Спосіб виготовлення бетону, при якому попередньо змішують воду з цементом для отримання цементного клею, який в подальшому піддають ультразвуковій кавітаційній обробці та додають в суміш піску, щебеню та інших компонентів за умови накладання вібраційних низькочастотних та ультразвукових коливань до бетону при заповненні форми виробу, який відрізняється тим, що в цементний клей перед здійсненням ультразвукової кавітаційної обробки додатково додають дрібнодисперсний порошок вольфраму або його сплаву і здійснюють кавітаційну обробку при підвищеному статичному тиску, а ультразвукові коливання у бетон при заповненні форми виробу вводять при тиску, нижче атмосферного, та здійснюють з інтенсивністю, що перевищує поріг виникнення кавітації в усьому об'ємі бетонної суміші. 2. Спосіб виготовлення за п. 1, який відрізняється тим, що як дрібнодисперсний порошок вольфраму використовують нанорозмірний порошок. 3. Спосіб виготовлення за п. 1 та п. 2, який відрізняється тим, що в цементний клей перед ультразвуковою кавітаційною обробкою додатково додають парафін. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3