СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТО-ВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК B28C5/16 

Изобретение относится к области строительных материалов и изделий, а именно к способам получения цементо-водной суспензии и продуктов на ее основе - цементного камня, строительного раствора и бетонов, а также к устройствам для их осуществления.

Из уровня техники известен ряд способов получения цементо-водной суспензии с активацией содержащегося в ней цемента [1]. Активированная цементо-водная суспензия применяется в течение XX в. и в настоящее время как в качестве готового продукта, подлежащего быстрому использованию - до начала ее схватывания, а именно - в качестве материала для инъекций в геотехнике с целью укрепления грунтов, усиления оснований и фундаментов, в качестве основного материала для буроинъекционных свай, для ремонтных и восстановительных работ в тоннельном, дорожном, аэродромном, оборонном строительстве, для инъецирования каналов с напрягаемой металлической арматурой в железобетонных конструкциях, особенно длинномерных, в других областях строительства, так и в качестве промежуточного продукта с последующим введением в активированную суспензию наполнителей и заполнителей посредством дополнительного перемешивания с получением строительных растворов и бетонов как в монолитном, так и в сборном строительстве.

Аналогом изобретения по технической сущности является способ получения цементо-водной суспензии и материалов на ее основе - строительного раствора и бетонов, включающий физико-механическую активацию цемента посредством его мокрого домола [2]. Способ обеспечивает прирост прочности указанных материалов, по данным авторов, на 15-20% по сравнению с обычным перемешиванием цемента и воды согласно [1], однако нетехнологичен: очистка мельницы, в которой проводят мокрый домол цемента, занимает не менее 1 ч в 8-часовой смене, использование удаляемых отходов затруднительно, а получаемая суспензия не может храниться более 1 ч - загустевает и может схватываться до укладки в формы или опалубку [3]. Способ пригоден преимущественно при изготовлении крупноразмерных конструкций типа пролетных строений мостов с длительным временем бетонирования.

Более компактным является способ получения цементо-водной суспензии и материалов на ее основе, включающий активацию цемента посредством домола в вибрационной мельнице. Начиная с пионерской работы [4], такой способ широко применялся в СССР в 50-е - 60-е годы [5-7]. Способ обеспечивает следующие преимущества [8, 9]: а) активацию поверхности частиц клинкерного компонента цемента, на которой возникают новые активные центры, что повышает вяжущие свойства цемента и позволяет либо увеличить прочность затвердевшей цементо-водной суспензии, то есть цементного камня и других материалов на ее основе, в том числе строительного раствора и бетона, либо снизить расход цемента в указанных материалах равной прочности и повысить долю заполнителей (заполнителеемкость цемента); б) устранение воздушных оболочек на частицах цемента, возникающих при пневмотранспорте цемента по трубопроводам на цементном заводе из мельниц в силоса, а из последних - в вагоны, а также при аэрации силосов во время хранения цемента; указанные оболочки затрудняют доступ воды к частицам цемента и распределение последней по их поверхности; в) активацию взаимодействия частиц гипсового камня, содержащегося в цементе, с водой, что повышает скорость твердения и прочность затвердевшей цементо-водной суспензии, цементного камня, строительного раствора и бетона [9]. Однако вибродомол цемента оказался работоспособным лишь при малой производительности (по выходу цементо-водной суспензии - до 3 м³/ч) [8] и не мог быть использован в мощных технологических линиях по производству как монолитного, так и сборного бетона и железобетона. Многим исследователям это было ясно с самого начала, поэтому вибрационное активирование цементо-водной суспензии развивалось параллельно с невибрационными технологическими приемами активации цемента в ее составе.

Так, известны другие аналоги изобретения, в которых указанную активацию цемента в упомянутой суспензии осуществляют в поле центробежных сил [10-12], обеспечивая, по мнению авторов, те же преимущества, что и вибродомол, но при технологически более надежных активаторах. При этом производительность технологической линии может быть значительно выше - до 10 м³/ч. Однако соответствующие смесители - “вихревой гидратор” [10], центробежный активатор [11] и скоростной турбулентный активатор [12] после длительной проверки в производственных условиях были признаны недостаточно долговечными и непригодными для условий непрерывной работы, прежде всего вследствие: а) невозможности приготовления цементо-водных суспензий с низкими значениями В/Ц (0,2-0,25), для которых они первоначально предназначались, поскольку было показано, что при быстром перемешивании суспензий с низкими значениями В/Ц в указанном поле возникают разрывы сплошности и снижается однородность материала [13]; б) в связи с быстрым зарастанием смесительных устройств твердеющими гидратными новообразованиями, очистка от которых является весьма трудоемкой; качество получаемых материалов в таких условиях оказалось подверженным значительным колебаниям [14]. В работе [13] сделан вывод, что по указанным причинам активацию в поле центробежных сил необходимо совмещать с вибрационной обработкой для снижения вязкости и предельного напряжения сдвига цементо-водной суспензии.

Следующим шагом в этой связи стал способ получения цементо-водной суспензии, включающий так называемую “виброактивацию цементного теста”, представляющую собой перемешивание цемента с водой при значении В/Ц, соответствующем примерно 0,8 от величины В/Ц при нормальной густоте цементного теста, с обработкой полученного цементного теста глубинным вибратором в течение 3-10 минут, а после достигаемого тиксотропного разжижения указанного теста посредством повторного перемешивания - с введением мелкого заполнителя, в частности, при дополнительной активации [15]. Для осуществления последней в Азербайджанском политехническом институте была предложена перекачка гомогенизируемой суспензии цемента и песка с водой с ударом о преграду после специального центробежного насоса [16]. Несмотря на значительный прирост качества цементного раствора, достигнутый при активации перемешивания по способу [15, 16] в дополнительных смесителях, известно мнение [13, 14] о малой надежности двухаппаратного перемешивания по способу [15, 16] ввиду повышения трудоемкости операций чистки двух аппаратов взамен одного и о целесообразности объединения операций перемешивания и вибрирования в одном аппарате.

Действительно, такие способы и соответствующие им аппараты, а именно вибрационные смесители, в которых указанную активацию цементо-водной суспензии осуществляют в поле центробежных сил, совмещенном с вибрацией, были разработаны [17-20], а соответствующие им устройства оказались менее подвержены загрязнению и зарастанию. В них упомянутый “цементный гель” благодаря вибрированию, тиксотропно разжижаясь, окружает кристаллические гидратные новообразования и, по мнению авторов, не позволяет указанным новообразованиям необратимо заращивать смесительные емкости [19, 20]. Указанному разжижению и снижению скорости зарастания смесительных емкостей содействуют добавки поверхностно-активных веществ, в частности, распространенные в то время технические лигносульфонаты в форме сульфитно-спиртовой барды, которые дополнительно “пептизируют” (придают субмикроскопические размеры) [13, 21] основным элементам субмикроструктуры цементного камня - гидросульфоалюминатам кальция (волокнам), гидросиликатам кальция (гелю при основности C/S менее 1,5 и субмикрокристаллическим волокнам при основности C/S 1,5 и более), остаточным гидроалюминатам кальция (микрокристаллам) и свободному гидроксиду кальция, в частности, с примесью кремнезема (микрокристаллам и рентгеноаморфному гелю соответственно) [22] и формируют из указанных гелей матрицу, образующую основу прочности цементного камня, в то время как кристаллическая и волокнистая часть последнего представляет собой островные сростки, определяющие прочность цементного камня только в начальные сроки твердения, когда содержание гелей невелико. Эти сростки способны осуществлять обрастание смесителей либо при ложном схватывании цемента, возникающем при преобладании в его гидратных новообразованиях кристаллов гидроалюминатов или двуводного сульфата кальция, либо в отсутствие активации цемента, поскольку в результате двухступенчатой активации цемента доля гелей в его гидратных новообразованиях в 2-3 раза возрастает по сравнению с гидратацией неактивированного цемента в условиях одноступенчатого перемешивания последнего с водой.

Наиболее близким к изобретению является способ получения цементо-водной суспензии, а также затвердевших продуктов на ее основе - цементного камня, строительного раствора и бетонов, включающий перемешивание гидравлического вяжущего вещества, преимущественно цемента с водой или наполнителем и водой с физико-механической активацией цемента в составе получаемой в смесителе цементоводной суспензии, в котором указанную активацию цемента осуществляют в поле центробежных сил, совмещенном с вибрацией, а именно перемешивают цемент с водой или цемент с водой и частью наполнителя (молотого песка) при В/Ц в пределах 0,25-0,4, совмещая перемешивание с вибрацией получаемой суспензии с частотой колебаний в пределах 100-230 с^-1 при амплитуде последних соответственно в пределах 0,5-0,3 мм, добавляя при необходимости уже в отсутствие вибрации по крайней мере остальную часть наполнителя, а иногда - заполнитель [23]. При этом рекомендуется использовать тонкомолотый или домолотый цемент, в частности, с удельной поверхностью 500 м²/кг и более. Этот способ позволяет повысить прочность продуктов, получаемых на основе указанной суспензии, а именно цементного камня, строительного раствора и бетона на его основе по сравнению с одноступенчатым перемешиванием, известным из уровня техники, примерно на 10-15 МПа при прочих равных условиях [13, 24], в частности, без повышения расхода цемента в растворах и бетонах. Этот способ, как и его предшественники, не получил широкого промышленного использования в связи со сложностью конструкции и невозможностью длительной безаварийной эксплуатации смесительного устройства с вибрирующими лопастями. Если же вибрированию подвергается только корпус смесителя [21], то эффективность способа снижается по меньшей мере вдвое, а слабым местом становится сочленение корпуса с приводным валом и закрепленными на нем лопастями.

Основным общим недостатком всех известных способов получения цементо-водной суспензии и продуктов на ее основе - цементного камня в широком смысле (затвердевших инъекционных растворов и пр.), а также строительного раствора и бетонов, включающих вибрационную обработку непосредственно при перемешивании указанной суспензии, является отсутствие статистического усреднения распределения воды по раличным фракциям цемента. Дело в том, что гранулометрический состав цемента неоднороден: при среднем размере частиц цемента 12-15 мкм в нем содержится (в мас.%) от 2 до 15 фракций частиц крупнее 80 мкм и от 3 до 35 фракций частиц менее 5 мкм [24]. При этом мелкие фракции цемента содержат больше алюминатов кальция и гипса по сравнению с остальными, образуют в этой связи при затворении водой и последующем твердении значительно более многоводные гидраты и вследствие высокой удельной поверхности существенно быстрее взаимодействуют с водой. В то же время все известные способы приготовления цементо-водной суспензии не только не обеспечивают равномерность распределения воды между фракциями цемента в соответствии с их удельной поверхностью, но, напротив, формируют структуру суспензии, при которой частицам крупной фракции соответствуют крупные поры с повышенным содержанием в них воды, как это прямыми измерениями показали Шестоперов, Любимова и Феднер [25]. Последняя, оставаясь свободной, в затвердевшем цементном камне формирует систему капилляров, являющихся концентраторами напряжений от внешней нагрузки, снижающих прочностные показатели. Кроме того, по системе таких капилляров происходит диффузия извне коррозионных агентов окружающей среды [26]. Таким образом, неравномерность распределения воды между фракциями цемента в цементо-водной суспензии вызывает снижение уровня всего комплекса строительно-технических свойств цементного камня и других продуктов на ее основе.

Другими общими недостатками всех способов получения цементо-водной суспензии и продуктов на ее основе - цементного камня в широком смысле (затвердевших инъекционных растворов и пр.), а также строительного раствора и бетонов, включающих вибрационную обработку непосредственно при перемешивании указанной суспензии, является нестабильность работы соответствующего оборудования [27] и подверженность технического персонала, обслуживающего это оборудование, виброболезни [28], причем опасность последней возрастает с повышением частоты вибрации. При этом, как показала практика использования способов [17-23, 27], главной технологической причиной отсутствия их широкого внедрения, помимо механических недостатков, является все же зарастание смесительных устройств при приготовлении цементо-водной суспензии продуктами гидратации цемента ввиду наличия в их рабочих камерах невибрируемых зон и соприкасающихся с ними зарастающих участков внутренней поверхности их корпусов.

Задачей изобретения в части способа получения цементо-водной суспензии, а также указанных материалов на ее основе является обеспечение активации частиц цемента в условиях статистически равномерного распределения воды в суспензии по поверхности фракций цемента, при котором поверхности как крупных, так средних и мелких частиц цемента адсорбируют ровно столько воды, сколько могут удержать при перемешивании. Это положение можно назвать условием Шестоперова, которое он пытался сформулировать в указанной работе [25], но не имел возможности реализовать. Оно гарантирует значительное повышение однородности и качества как указанной суспензии, так и указанных материалов на ее основе. При этом достигается существенное повышение технологичности способа, а также ресурса работы оборудования по сравнению с уровнем техники.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения цементо-водной суспензии, включающем перемешивание гидравлического вяжущего вещества, преимущественно цемента, с водой или с наполнителем и водой с физико-механической активацией цемента в составе получаемой в смесительном устройстве в поле центробежных сил цементо-водной суспензии, указанную активацию осуществляют с кавитацией, интенсифицируемой поддувом указанной суспензии с ее барботированием сжатым воздухом при регулировании, по крайней мере, в течение части времени перемешивания, значения числа кавитации ϕ в пределах от 3,8 до 0,6· 10^-4, при этом число кавитации определяют по формуле:

где k₁ - коэффициент потери напора смесительного устройства при кавитации, равный 0,55-0,8;

Δ Н - разность гидравлического напора смесительного устройства и давления насыщенного водяного пара в кавернах при 20° С, равного 0,03 МПа, характеризующая кавитационное поле и выбираемая в пределах 0,25-1,2 МПа;

k₂ - коэффициент потери напора поддуваемого сжатого воздуха, равный в среднем 0,5;

Δ Р - разность давления поддуваемого сжатого воздуха и давления насыщенного водяного пара в кавернах, выбираемая в пределах 100-250 КПа;

η - текущая вязкость приготавливаемой цементо-водной суспензии или продуктов на ее основе, поддерживаемая в пределах 16-1770 Па· с, а во время барботирования в пределах 20-130 Па· с;

ρ - текущая плотность указанной цементо-водной суспензии или продуктов на ее основе;

g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с²;

π - 3,14;

R - текущий радиус указанного поля центробежных сил, выбираемый в пределах 0,3-1,2 м;

n - частота вращения рабочего органа смесительного устройства, выбираемая в пределах 300-6000 об/мин, или 5-100 с^-1,

а указанную активацию суспензии ведут до достижения степени начальной гидратации цемента по критерию прироста потерь при прокаливании от начала затворения суспензии до момента начала ее схватывания не менее 2,5 мас.%.

В варианте изобретения в качестве указанного цемента используют материал из группы: портландцемент, шлакопортландцемент, сульфатостойкий портландцемент, пуццолановый портландцемент, цемент низкой водопотребности, расширяющийся или безусадочный цемент, указанные цементы на основе промотированных клинкеров, смеси указанных цементов.

В другом варианте изобретения указанный наполнитель вводят в суспензию в процессе кавитации и/или после его окончания.

В следующем варианте изобретения в качестве наполнителя используют порошкообразный материал с удельной поверхностью по методу воздухопроницаемости в пределах 200-1500 м²/кг.

В варианте изобретения в качестве указанного порошкообразного материала используют молотые песок или стеклобой или кирпичный бой или золу-унос при мас. соотношении клинкерной части указанного цемента и указанного порошкообразного материала от 1:0,05 до 1:1.

В другом варианте изобретения в указанную суспензию в процессе кавитации и/или после его окончания дополнительно вводят мелкий заполнитель.

В следующем варианте изобретения в качестве указанного мелкого заполнителя используют стандартный песок или особо мелкий песок или заиленный песок или барханный песок или их смеси при мас. соотношении указанного цемента и указанного мелкого заполнителя от 1: 0,3 до 1: 4.

В варианте изобретения в указанную суспензию в процессе кавитации и/или после его окончания дополнительно вводят товарную сухую смесь гидравлического вяжущего, наполнителя, заполнителя и добавок при мас. соотношении указанного цемента и гидравлического вяжущего в составе указанной сухой смеси от 1:0,1 до 1:15.

В другом варианте изобретения среднюю удельную энергонапряженность поля центробежных сил при приготовлении указанной суспензии с барботированием выбирают в пределах 1,8-25 кДж/м³.

В следующем варианте изобретения в указанную суспензию в процессе барботирования или по его окончании дополнительно вводят добавки для бетонов из групп: I - пластифицирующие, или водоредуцирующие; II - водоудерживающие, или улучшающие перекачиваемость; III - замедлители схватывания и твердения; IV - ускорители схватывания и твердения; V - кольматирующие поры; VI - газообразующие; VII - воздухововлекающие; VIII - противоморозные; IX - гидрофобизирующие, в концентрациях, составляющих 50-70 мас.% их оптимальных значений, подобранных в условиях свободного доступа атмосферной углекислоты, и/или противоусадочные добавки, неорганической основой которых являются сульфоалюминатный клинкер и/или сульфат алюминия, дополнительно включающие пептизирующий компонент, а именно смесь органических травителя и пленкообразователя, при массовом соотношении неорганической основы и указанных ингредиентов в противоусадочной добавке 100:(0,5-20):(0,3-15) и массовом соотношении портландцементной клинкерной части в цементе и противоусадочной добавки, вводимой в цементоводную суспензию или продукты на ее основе 100: (0,6-3,5).

В варианте изобретения в качестве пластифицирующих или водоредуцирующих добавок берут полиметиленполинафталинсульфонаты натрия или кальция или лигносульфонаты технические или лигносульфонаты технические модифицированные, в качестве водоудерживающих, или улучшающих перекачиваемость добавок берут метилцеллюлозу или полиоксиэтилен, в качестве замедлителей схватывания и твердения берут мелассу или ортофосфорную кислоту или нитрилотриметиленфосфоновую кислоту, в качестве ускорителей схватывания и твердения берут поташ или хлорид кальция или хлорид натрия или хлорид алюминия или сульфат натрия или тринатрийфосфат или их смеси, в качестве добавок, кольматирующих поры, берут сульфат алюминия, сульфат железа, хлорид железа, в качестве газообразующих добавок берут алюминиевую пудру или пероксид водорода в смеси с оксихлоридом кальция, в качестве воздухововлекающих добавок берут смолу древесную омыленную или смолу нейтрализованную воздухововлекающую или этилсиликонат натрия, в качестве противоморозных добавок берут нитрит натрия или нитрит-нитрат-хлорид кальция, в качестве гидрофобизирующих добавок берут раствор высокомолекулярных жирных кислот в минеральном масле или полигидросилоксаны, а в качестве противоусадочных добавок берут смесь первой неорганической основы последних - сульфоалюминатного клинкера, включающего не менее 30 мас.% сульфоалюмината кальция, и пептизирующего компонента - композиции травителя и пленкообразователя, а конкретно маннуроновой кислоты и стеарата кальция, или смесь второй неорганической основы противоусадочных добавок - сульфата алюминия и указанного пептизирующего компонента.

В другом варианте изобретения указанную суспензию подвергают дополнительному перемешиванию с введением крупного заполнителя или смеси крупного и мелкого заполнителей, а также воды и приготовлением растворной или бетонной смесей, включающих гидратные новообразования цемента, полученные при его указанной предварительной активации, в качестве затравок.

В следующем варианте изобретения в качестве указанного мелкого и/или крупного заполнителей используют материалы из групп: I - естественного происхождения, включающие силикатные горные породы и/или минералы, в частности, гранит и/или кварц, и/или карбонатные горные породы, в частности, известняк и/или доломит, и/или II - искусственного происхождения, приготовленные из вспученных горных пород, включающих алюмосиликаты, в частности, керамзит или стеклозит или перлит, или из искусственных пористых материалов, в частности пенопорита.

Сущность изобретения в части способа получения цементо-водной суспензии заключается в преимуществах интенсифицируемой кавитации перед вибрацией в процессе активации цемента в составе цементо-водной суспензии.

Первое из них состоит в том, что вибрационные воздействия по мере увеличения расстояния от рабочего органа гасятся в обрабатываемых материалах пропорционально их вязкости и квадрату объемной доли в них твердой фазы, тогда как интенсифицируемая кавитация равномерно воздействует на весь объем обрабатываемых материалов. Более того, считая, что вибрированию подвергается в каждый заданный момент времени около 10 об. % частиц, а кавитации - около 100 об. % частиц, и полагая, что содержание воды в указанной суспензии превышает 20 об. %, то есть водоцементное отношение (В/Ц) по массе превышает 0,20:3,1=0,065, где 3, 1 - отношение плотностей цемента и воды, на основании первой теоремы стереологии, иначе называемой теоремой Герланда [29], представляется возможным заключить, что вероятность найти воду у поверхности каждой частицы цемента при кавитационной обработке всегда положительна, тогда как при вибрационной обработке она по крайней мере в случаях из 10 является нулевой в каждый данный момент времени. Формулировка теоремы Герланда, принятая в отечественной литературе, такова [30]: “Непрерывно протяженная одномерная фаза (линия), проходящая через весь объем структуры в одном направлении, с вероятностью, отличной от нуля, занимает не менее 1/5 общего объема структуры”. Иными словами, в двухфазной системе, включающей, в частности, твердую и жидкую фазы, где последняя занимает не менее 20% по объему, при случайном распределении фаз по объему структуры вероятность в каждой точке структуры найти обе фазы превышает нуль. Следовательно, принимая, как обычно, см. главы 1 в работах [30], твердые фазы за единую фазу, а жидкость - за вторую фазу, главным условием ненулевой вероятности присутствия обеих фаз в любой точке системы, или, в данном случае, суспензии, является случайный характер распределения воды в системе (более строго - распределение воды в системе по Пуассону). При вибрационной активации суспензии процесс активации, распространяющийся на 10% объема суспензии в каждый данный момент времени, является процессом с предысторией, то есть активация каждой порции суспензии в ее объеме зависит от активации предыдущей, тем самым случайный характер процесса активации не обеспечивается. При кавитации активируется одновременно весь объем указанной суспензии, что гарантирует отсутствие предыстории процесса в каждой точке суспензии (характеристика марковской цепи [31]), при этом условие случайного характера процесса выполняется, тем самым каждая частица цемента обеспечивается адекватным количеством воды. В этом, а именно в выполнении упомянутого условия Шестоперова, состоит причина повышения качества и однородности цементо-водной суспензии, получаемой по способу согласно изобретению. (Известна строгая связь между выполнением условия Пуассона для дефектов структуры и минимальным значением коэффициента вариации технических свойств материала - по Чернявскому [30]).

Таким образом, активация суспензии по способу согласно изобретению повышает однородность получаемой суспензии и материалов на ее основе - цементного камня, строительного раствора и бетонов и существенно снижает коэффициент вариации их строительно-технических свойств. Кроме того, в данной ситуации отсутствуют необработанные зоны цементо-водной суспензии, которые при вибрировании всегда имеются, и именно при соприкосновении с последними происходит зарастание поверхности смесителя. В способе согласно изобретению это не проявляется. В результате кавитационные воздействия позволяют на 10-15%, иногда и в большей степени снижать значения водоцементного отношения в суспензии, полученной по способу согласно изобретению, по сравнению с суспензией, получаемой посредством виброактивационного перемешивания, и еще в большей степени по сравнению с суспензией, получаемой перемешиванием без активации, известным из уровня техники. Этот фактор наряду с рассматриваемым ниже ускорением взаимодействия цемента с водой в суспензии, получаемой согласно изобретению, вносит существенный вклад в прирост прочности и долговечности материалов на основе указанной суспензии, полученной по способу согласно изобретению, а именно цементного камня, строительного раствора и бетонов.

Второе преимущество заключается в том, что интенсифицируемая поддувом кавитация в указанном диапазоне чисел кавитации в поле центробежных сил в активируемой цементо-водной суспензии позволяет заполнять образующиеся в последней разрывы сплошности при пониженном уровне значений средней удельной энергонапряженности в массе обрабатываемого материала по сравнению с полем центробежных сил, совмещенном с вибрацией. Это обеспечивает пониженные энергозатраты при осуществлении способа, коренное (на два порядка) повышение надежности работы оборудования и является главным условием возможности широкого промышленного применения указанного способа.

Указанными преимуществами в конечном счете и обеспечиваются основные технико-экономические эффекты изобретения.

Отметим, что снижение среднего размера пор в затвердевшей цементо-водной суспензии, то есть в цементном камне и продуктах на его основе при статистически равномерном распределение воды по поверхности частиц цемента, снижает степень карбонатизации цементного камня и материалов на его основе и, на порядок снижая интенсивность диффузионных процессов в цементном камне, в значительной степени снижает усадочные деформации последнего и продуктов на его основе. Так, у тяжелых бетонов и строительных растворов по крайней мере треть усадки и более обусловлена карбонатизацией ввиду наличия капиллярных каналов [9], особенно при относительной влажности воздуха менее 60%.

Для заметного проявления указанного эффекта Шестоперова, как показывают эксперименты, необходимо и достаточно, чтобы после окончания активации цементо-водной суспензии степень гидратации цемента по величине потерь при прокаливании (далее сокращенно - п.п.п.) составляла по крайней мере не менее 2,5 мас.%. В этом случае обычно не встречается карбонатного двупреломления гидратных фаз в микропрепаратах, видимого под оптическим микроскопом, а гидроалюминаты кальция, судя по значениям коэффициентов светопреломления и данным рентгенофазового анализа, свободны от загрязняющего карбонат-иона (СО₃ ^2-).

Отметим, что фазовый анализ образцов цементо-водной суспензии для определения степени гидратации цемента в ее составе проводят с помощью дифференциального термического анализа (ДТА), в частности, на приборе Н.С.Курнакова в предварительно отвакуумированных для удаления свободной и гигроскопической влаги образцах, а степень гидратации определяют, считая, что в полностью гидратированном цементе содержание химически связанной воды по величине потерь при прокаливании (п.п.п.) равно в среднем 24% согласно Кравченко и др. против примерно 28% по Коуплэнду и по Тейлору (все данные - в [74]), поскольку отечественные портландцементы и другие цементы на их основе содержат в среднем меньше алюминатов кальция и продукты их гидратации менее обводнены. Степень гидратации цемента (G) определяют по данным п.п.п. в образцах суспензии с помощью ДТА по обычной методике, принятой в НИИЦементе (подробности см., в частности, в работе [75]), относя измеренные значения п.п.п. к 24% связанной воды при максимальной степени гидратации, близкой к 100%.

Важным следствием указанного преимущества способа согласно изобретению по сравнению с уровнем техники является связанная с ним возможность частичной или полной замены дальнепривозных заполнителей из изверженных пород типа гранита на менее дорогие, в Европейской части России имеющиеся повсеместно карбонатные заполнители. Из уровня техники известно, что заполнители карбонатного типа в строительных растворах и бетонах снижают прочность и долговечность последних не только ввиду пониженной прочности их зерен по сравнению, например, с гранитными, но прежде всего в связи с наличием в них примеси карбонатной пыли, образующейся при их дроблении, транспортировании и хранении. Известно, что эта пыль существенно снижает эффективность действия стандартных добавок для бетонов, причем пластифицирующих и водоредуцирующих - практически до нулевого уровня [32]. Это не может быть объяснено иначе, чем преимущественно химическим влиянием карбонатной пыли на состав гидратных новообразований цемента. Это подтверждается повышением степени карбонатизации гидратных новообразований цемента в бетонах на карбонатных заполнителях и понижением в таких бетонах степени гидратации цемента [12]. Кроме того, карбонатизация гидратных новообразований приводит к их разложению с выделением свободной воды [9], растворяющей наиболее напряженные контакты в матрице цементного камня, что ведет к перекристаллизации матрицы и к сбросам прочности твердеющих цементного камня, строительного раствора и бетона [22]. Проявление эффекта Шестопрова по способу согласно изобретению, касающееся основы бетонов и строительных растворов - цементного камня - продукта твердения цементо-водной суспензии, полученной по способу согласно изобретению, способно не только уменьшить все указанные отрицательные эффекты, но и предотвратить их проявления, что было установлено в исследованиях авторов настоящего изобретения. А это открывает возможность более эффективного применения карбонатных заполнителей в строительных растворах и бетонах. К этому следует добавить, что старые успешные работы А.С.Пантелеева 50-х годов XX века по замене части клинкерного компонента в цементе известняковой мукой с частицами размером 40-120 мкм и соответственно по замене части силикатных заполнителей в бетонах известняковыми, как стало ясно в последние годы, относятся к частному случаю применения высокощелочных [R₂O=(Na₂О+0,658К₂О)≥ 0,8% по массе] и высокоалюминатных (С₃А≥ 8% по массе) клинкеров в качестве основы цемента и представляют собой лишь частные технические решения. При этом способ согласно прототипу, как было установлено, лишь в подобных отдельных случаях может обеспечить прирост содержания известняковых наполнителей в цементе или частичную замену силикатных заполнителей известняковыми в бетонах в связи со слишком малым количеством бескарбонатных затравок в составе продуктов начальной гидратации цемента и незначительным их влиянием на конечную степень карбонатизации продуктов основного процесса гидратации цемента в твердеющем цементном камне, и соответственно в строительном растворе и бетоне. Способ согласно изобретению впервые может на любых цементах способствовать указанным заменам, экономическая эффективность которых несомненна, без ухудшения строительно-технических свойств цементного камня, строительного раствора и бетона.

Число кавитации α характеризует интенсивность кавитации, обеспечивающую ее указанное физико-химическое воздействие на цементо-водную суспензию, на продукты на основе последней и соответственно - также на характеристики цементного камня и материалов на его основе. По мере тиксотропного разжижения указанной суспензии в процессе ее приготовления на первой ступени перемешивания и соответственного снижения ее динамической вязкости η в процессе кавитационной обработки, как следует из анализа формулы (1), число кавитации понижается от указанного максимума, равного примерно 3,8 и соответствующего согласно [33] минимальной степени проявления кавитационных каверн, или “начальной кавитации”, до указанного минимума, равного примерно 0,6· 10^-4, и характеризующего согласно [33, 34] высокую степень развития кавитационных каверн, или “устойчивую кавитацию” в интервале значений числа кавитации менее 0,35 [35]. Реальные значения всех переменных в формуле (1), определяемые на опытной установке авторов, и расчет указанных значений числа кавитации в диапазоне практически возможных режимных параметров представлен ниже в примерах осуществления способа получения цементо-водной суспензии и материалов на ее основе согласно изобретению. К этому следует добавить, что формула (1) выведена авторами изобретения на основе анализа размерностей в соответствии с общими рекомендациями [36] применительно к общему случаю плоского осесимметричного кавитационного течения [37, 38], а затем откорректирована по опытным данным согласно результатам испытаний на разработанной установке. Она позволила сконструировать устройство для осуществления способа, описанное ниже, не методом проб и ошибок, а по расчетным данным, проверенным экспериментально.

Отметим, что снижение значений числа кавитации α в пределах от 10^-3 до 10^-4 ведет к повышению энергозатрат при перемешивании и энергонапряженности поля центробежных сил, а также к повышению воздухововлечения в суспензию, поэтому полезные эффекты изобретения при этом по крайней мере не возрастают. Повышение значений указанного числа до 10^-2 и далее до 10^-1, соответствующее снижению интенсивности кавитации, заметно снижает полезные эффекты изобретения и нецелесообразно. Оно допускается лишь в короткий период времени при разгоне процесса обработки.

Значения коэффициента k₁ в пределах 0,55-0,8 и коэффициента k₂ в пределах 0,5±0,05 гарантированы конструкцией устройства для осуществления способа, описанной ниже.

Значения в пределах 0,25-1,25 МПа представляют диапазон доступных давлений, которые достаточны для дезагрегации цемента и удаления воздушных прослоек вокруг его частиц в процессе перемешивания, а также для эффекта самоочищения смесительного устройства при интервале изменений радиуса R в пределах 0,4-1,2 м (оптимальный диапазон). При радиусе менее 0,4 м значение числа кавитации повышается до 5 и выше, что соответствует отсутствию кавитации, при этом значительно сокращается ряд полезных эффектов изобретения. При значениях R более 1,2 м существенно затрудняется сохранение сплошности слоя цементо-водной суспензии, начинается ее смешивание с цементной пылью и налипание на верхней части внутренней поверхности смесителя, что сужает область применения способа. При значении Δ Н менее 0,25 МПа эффект дезагрегации цемента является неполным, а самоочищение смесителя временами отсутствует, что существенно затрудняет промышленное использование изобретения. Условия, создающиеся при Δ Н более 1,25 МПа, примерно аналогичны условиям при R более 1,2 м. Диапазон значений Δ Р в пределах 0,1-0,25 МПа является оптимальным. Снижение этого показателя за пределы приведенного диапазона соответствует затруднениям в инициировании кавитации и снижению полезных эффектов изобретения, а рост сверх приведенного диапазона приводит к последствиям, аналогичным описанным выше при R более 1,2 м. Частота вращения указанного поля может быть выше приведенного диапазона (5-100 с^-1) вплоть до 120-200 с^-1, однако последние значения пригодны преимущественно для случая особо тонкомолотых, или высокодисперсных цементов, преимущественно получаемых из пыли цементных мельниц как в исходном, так и в модифицированном состоянии при их использовании для тампонирования или укрепления сыпучих сред. Частота вращения поля аналогичным образом может быть и ниже указанного диапазона, что допускается в частном случае использования особо грубомолотых цементов для гидротехнических сооружений в целях уменьшения тепловыделения цемента, однако не ниже уровня 2 с^-1, в противном случае исчезают полезные эффекты изобретения.

В вариантах изобретения его сущность в части способа получения цементо-водной суспензии и материалов на ее основе совершенствуется с помощью следующих дополнительных технологических приемов:

А. Введение наполнителя и заполнителей может быть использовано и при активации указанной суспензии с кавитацией, посредством которой поверхность частиц или зерен указанных материалов очищается от природных примесей и активируется для взаимодействия с гидратными новообразованиями цемента в большей степени, чем это наблюдается при вибрационной активации поверхности последних. Это при осуществления изобретения характеризуется возможностью повышения наполнителеемкости кавитационно-активированного цементного камня, полученного на основе активированной суспензии, и соответственно заполнителеемкости растворов и бетонов, полученных на основе последней.

Б. Тиксотропное разжижение цементо-водной суспензии. Очевидно, что попытка прокачать воздух через цементное тесто нормальной консистенции для его барботирования не может увенчаться положительным результатом ввиду высокой вязкости теста (более 2000 Па· с). В качестве показателя разжижения целесообразно использовать его непосредственную физическую характеристику - вязкость предельно разрушенной структуры, характеризующую минимальную вязкость цементо-водной суспензии и продуктов на ее основе при возрастающих механических напряжениях [39]. Указанные пределы (16-130 Па· с) соответствуют опытным данным для вязкости цементного теста нормальной густоты в сдвиговом вискозиметре при максимально возможных скоростях сдвига (0,2-0,3 м/с). Более низкие (около 10) и более высокие (до 300 и выше) Па· с значения указанной вязкости не являются оптимальными, так как усиливают образование брызг при активации и затрудняют введение во время барботирования наполнителей, заполнителей и добавок соответственно.

В. Дробное затворение цемента водой, заключающееся во введении части воды затворения не сразу, а порционно, в процессе перемешивания цементо-водной суспензии по способу согласно изобретению в условиях активации цемента, как показывают опыты, более эффективно по сравнению с известным технологическим приемом двукратного порционного введения воды затворения в старых работах [39, 40], где активация цемента при перемешивании либо не предусматривалась, либо осуществлялась посредством вибрирования.

Г. Перемешивание, осуществляемое при требуемой величине средней удельной энергонапряженности указанного поля центробежных сил (1,8-25 кДж/м³), необходимо и достаточно для активации цемента по способу согласно изобретению. Указанные пределы энергонапряженности установлены эмпирически и существенно ниже наблюдаемых в локальных зонах цементо-водной суспензии, прилежащих к поверхности виброактиватора, в частности, глубинного вибратора, зато в способе согласно изобретению охватывают весь объем обрабатываемого материала. Повышенные значения энергонапряженности требуются, как правило, только в случаях особо тонкомолотых цементов, упомянутых выше. Естественно, они не препятствуют проявлению положительных технических эффектов изобретения, но приводят к приросту требуемых энергозатрат.

Д. Введение функциональных добавок для бетонов по [41] в соответствии со способом согласно изобретению, как предусмотрено выше, более эффективно, чем известное из уровня техники, поскольку экспериментально установлено, что в условиях активации цемента и наличия большего содержания в указанной суспензии первичных продуктов гидратации цемента, а именно “цементного геля”, оптимальные дозировки указанных добавок, подобранные по критериям согласно [42], следует снизить до 50-70 мас.% от эффективной их концентрации при неактивированном или виброактивированном перемешивании согласно прототипу [23]. Наиболее эффективно введение по способу согласно изобретению указанных добавок не с первой порцией воды затворения, а отдельно, в процессе барботирования, когда первичная субмикроструктура цементного геля уже сложилась и отрицательное влияние многих добавок либо на структуру гидратов (ускорители, замедлители схватывания, кольматирующие добавки), либо на скорость твердения цемента (водоредуцирующие добавки и др.) уменьшается. В тот же период после начала барботирования наиболее целесообразно и введение наполнителей или наполнителей с добавочным количеством воды, поскольку в этот период обеспечивается наиболее эффективное взаимодействие двух активируемых в процессе обработки интенсифицируемой кавитацией в поле центробежных сил поверхностей - наполнителя и упомянутого “цементного геля”.

Что касается следующего поколения добавок к цементу и бетону, называемых противоусадочными (термин впервые введен в 2002 г. [43]) и преимущественно используемых в способе получения цементного камня и материалов на его основе согласно изобретению, то они содержат:

- в качестве неорганической основы: сульфоалюминатный клинкер, включающий не менее 30 мас.% сульфоалюмината кальция, или сульфат алюминия, а также

- пептизирующий компонент, функциями которого являются:

- инициирование избирательного травления алюминатной фазы портландцементного клинкера после его затворения водой для выделения в раствор ионов [АlO₂]^- и [АlO₄]^5-, участвующих в построении расширяющихся субмикропленок гидросульфоалюминатов кальция вокруг каждой частицы клинкерного компонента портландцемента и/или цементов на его основе, и

- защита указанных субмикропленок от углекислоты воздуха, фрагментирующей указанные субмикропленки и снижающей их расширяющий и противоусадочный эффект.

Соответственно этот компонент включает два ингредиента - травитель и пленкообразователь.

Главное преимущество указанных противоусадочных добавок перед расширяющими добавками предыдущего поколения состоит в том, что последние требуется вводить для достижения расширяющего эффекта в цементном камне и материалах на его основе в количестве 18-20% массы клинкерного компонента портландцемента [44], а для безусадочности цементного камня или материалов на его основе - не менее 6-10% массы цемента [45], тогда как согласно данным авторов изобретения содержание противоусадочных добавок по [43] для достижения расширяющего эффекта при применении способа согласно изобретению должно быть максимум 3% массы клинкерного компонента портландцемента, преимущественно 1,5-2 мас.%, а безусадочность цементного камня и материалов на его основе, включающих противоусадочную добавку, достигается уже при ее содержании около 1% массы клинкерного компонента портландцемента, что следует из данных, приведенных в примере осуществления изобретения. Естественно, что столь значительное снижение расхода указанной дорогостоящей добавки по сравнению с предыдущим поколением расширяющих добавок обеспечивает значительную экономию и расширение масштаба внедрения. При этом в способе согласно изобретению благодаря отсутствию примесей СO₂ в среде достижение тех же эффектов возможно при еще более низких значениях содержания противоусадочных добавок по [43] в цементо-водной суспензии и продуктах на ее основе. Таким образом, использование противоусадочных добавок при осуществлении способа согласно изобретению также становится более эффективным по сравнению с известным из уровня техники.

Е. Использование в качестве цемента в способе согласно изобретению указанных выше его разновидностей для повышения технического эффекта изобретения находится в связи с обычными для указанных разновидностей функциями, причем специальные эффекты указанных цементов возрастают при их использовании согласно способу по изобретению по сравнению с известными из литературы их эффектами, что подробно охарактеризовано в примере осуществления изобретения.

И. Применение заполнителей в получаемых по способу согласно изобретению материалах на основе цементного камня в условиях, существенно снижающих вредное химическое влияние углекислотных примесей в гидратных новообразованиях цемента на технические свойства последнего, позволяет коренным образом повысить полезный эффект применения карбонатных наполнителей и заполнителей любого минерального типа (известняковых, мраморовидных, доломитов) или наполнителей и заполнителей с карбонатными примесями в получаемых по способу согласно изобретению материалах на основе указанной суспензии благодаря росту прочности и долговечности указанных материалов, а именно строительного раствора и бетонов. Это достигается при активации цемента в поле центробежных сил, совмещенном с кавитацией. Этот вариант изобретения может быть эффективно использован для частичной или полной замены в бетонах без изменения их технических свойств дальнепривозного гранитного щебня на местный карбонатный, в частности, известняковый, что показано в одном из примеров осуществления изобретения и может иметь для ряда регионов страны важное экономическое значение. Кроме того, применение способа согласно изобретению позволяет смягчить при необходимости требования к чистоте и фракционному составу заполнителей, в частности, по гумусовым примесям и модулю крупности песка в строительных растворах и бетонах и по содержанию активных по отношению к щелочам цемента фракций в крупном заполнителе для бетона.

Сущность изобретения в части способа получения цементо-водной суспензии становится более ясной из примера его осуществления.

Пример 1. Для получения цементо-водной суспензии и материалов на ее основе - цементного камня, строительного раствора и бетонов по способу согласно изобретению используют следующие исходные материалы и оборудование:

Исходные материалы:

- в качестве гидравлического вяжущего вещества следующие цементы:

Ц1: портландцемент ПЦ500 Д0 (марки 500, без минеральных добавок), включающий: в качестве клинкерного ингредиента - портландцементный клинкер следующего химического и минералогического состава (здесь и ниже в мас.%): по главным оксидам: SiO₂ 21,80; Аl₂О₃ 5,29; Fе₂О₃ 5,09; CaO 65,35; MgO 1,1; SO₃ 0,38; R₂O 0,32; в том числе К₂О 0,3 и Nа₂О 0,12; сумма 99,33, силикатный модуль (n) 2,10; глиноземный модуль (р) 1,04, коэффициент насыщения известью (КН) по В.А.Кинду: 0,90; содержание остальных малых составляющих: Li₂O≅ 0, ВаО 0,07, SrO 0,002, NiO 0,031, СоО 0,02, Мn₂О₃ 0,095, Сr₂О₃ 0,188, MoO 0,054, TiO₂ 0,02, Р₂О₅ 0,19, Сl₂ 0, F₂0; расчетный минералогический состав (мас.%) средней пробы клинкера: алит (С₃S) 58, белит (C₂S) 19, трехкальциевый алюминат (С₃А) 5,4, алюмоферрит кальция (C₄AF) 15,5, примеси - остальное; в качестве сульфатно-кальциевого ингредиента - гипсовый камень, содержащий двуводный гипс в количестве 98,6% массы, примеси - остальное; при мас. соотношении ингредиентов 100:5; удельная поверхность цемента (S, здесь и ниже определенная по методу воздухопроницаемости в соответствии с [46]) - 310 м /кг;

Ц2: портландцемент быстротвердеющий ПЦ500 Д0 БТ (марки 500, без минеральных добавок) на основе клинкерного и сульфатно-кальциевого ингредиентов, аналогичных использованным в Ц1, при мас. соотношении ингредиентов 100:5,5 и S 375 м²/кг;

Ц3: портландцемент высокопрочный ПЦ600 Д0 (марки 600, без минеральных добавок), включающий в качестве клинкерного ингредиента - портландцементный клинкер следующего химического и минералогического состава: химический состав по главным оксидам: SiO₂ 23,94; Аl₂О₃ 3,60; Fе₂О₃ 3,44; CaO 67,14; MgO 0,76; SO₃ 0,34; R₂О 0,26; в том числе К₂О 0,18 и Na₂O 0,14; сумма 99,48, включая п.п.п.0,21; n 3,40; p 1,05, КН по В.А.Кинду: 0,89; содержание остальных малых составляющих: Li₂O≅ 0, ВаО 0,03, SrO≅ 0, NiO 0,01, СоО 0,01, Мn₂O₃ 0,12, Сr₂O₃ 0,15, МоO₂ 0,02, TiO₂ 0,09, Р₂O₅ 0,08, Cl₂ 0,01, F₂O, расчетный минералогический состав средних проб контрольного клинкера: алит (C₃S) 62, белит (C₂S) 22, трехкальциевый алюминат (С₃А) 4,0, алюмоферрит кальция (C₄AF) 10,0, примеси - остальное; в качестве сульфатно-кальциевого ингредиента - гипсовый камень, аналогичный использованному в Ц1, при мас. соотношении ингредиентов 100:6 и S 465 м²/кг;

Ц4: шлакопортландцемент ШПЦ 400 (марки 400) на основе клинкерного и сульфатно-кальциевого ингредиентов, аналогичных использованным в Ц1, включающий также шлак доменный гранулированный следующего химического состава: п.п.п.0,36; SiO₂ 31,75; Аl₂О₃ 10,63; Fе₂О₃ 2,12; MnO 0,30; CaO 50,90; MgO 1,24; S (сульфид-ион) 2,09; SO₃ 0,30, примеси - остальное, при массовом соотношении ингредиентов 60:6:40 и S 400 м²/кг;

Ц5: сульфатостойкий портландцемент ССПЦ 500 Д0 (марки 500, без минеральных добавок), включающий: в качестве клинкерного ингредиента - портландцементный клинкер следующего минералогического состава: алит (С₃S) 46, белит (C₂S) 35, оксид кальция (CaO) свободный 0,5, трехкальциевый алюминат (С₃А) 4, алюмоферрит кальция (C₄AF) 14, примеси - остальное; в качестве сульфатно-кальциевого ингредиента - гипсовый камень, аналогичный использованному в Ц1, при мас. соотношении ингредиентов 100: 5 и S 380 м²/кг;

Ц6: пуццолановый портландцемент (ППЦ) марки 400, включающий в качестве клинкерного ингредиента - портландцементный клинкер, аналогичный использованному в Ц5; в качестве активной минеральной добавки - опоку состава: п.п.п.17,36; SiO₂ 52,03; Аl₂О₃ 6,25; Fе₂О₃ 3,54; CaO 17,31; MgO 1,67; SO₃ 0,05; Na₂O 0,25; К₂О 1,54, включающую водорастворимый глинозем в количестве 4% массы; в качестве сульфатно-кальциевого ингредиента - гипсовый камень, аналогичный использованному в Ц1, при маc. соотношении ингредиентов 100:20:5 и S 490 м²/кг;

Ц7: цемент низкой водопотребности по [47] (Д-ЦНВ), марки 1000 с определением последней в соответствии с [47], включающий в качестве портландцементного клинкерного ингредиента портландцементный клинкер, аналогичный использованному в Ц3, в качестве сульфатно-кальциевого ингредиента двуводный гипс, аналогичный использованному в Ц1, в качестве органического водопонижающего модификатора - нафталинсульфонат натрия - модификатор цемента МЦ-1 по [48], включающий сульфат натрия до 2 мас.%, при мас. соотношении указанных ингредиентов 98:5:2 и S 640 м²/кг;

Ц9: расширяющийся портландцемент марки 400, включающий: смесь портландцемента быстротвердеющего (Ц2), гипсоглиноземистого расширяющегося цемента по [49], содержащего (мас.ч) глиноземистый цемент 70 и сульфатно-кальциевый ингредиент - гипсовый камень, аналогичный использованному в Ц1 30, и опоку, аналогичную использованной в Ц6, при мас. соотношении ингредиентов 85: 25: 15 и S 420 м²/кг;

Ц10: безусадочный портландцемент марки 550, включающий портландцемент (Ц1) и противоусадочную добавку ПУД2 с приведенными ниже характеристиками и мас. соотношении компонентов указанного безусадочного портландцемента 100: 1,5 и S 350 м²/кг;

Ц11: портландцемент ПЦ600 Д0 (марки 600, без минеральных добавок) на основе промотированного клинкера [50] состава: SiO₂ 21,90; Аl₂О₃ 3,56; Fе₂O₃ 3,43; CaO 68,74, MgO 1,04; SO₃ 0,42; R₂O 0,14; в том числе К₂O 0,09 и Na₂O 0,08; сумма 99,09; содержание остальных малых составляющих: Li₂O О, ВаО 0,07, SrO 0, NiO 0,01, СоО 0,03, Мn₂О₃ 0,21, Сr₂O₃ 0,22, МоO₂ 0,03, TiO₂ 0,18, P₂O₅ 0,17, Сl₂ 0, F₂O; минералогический состав в мас.%: C₃S 83,0; С₃А 3,6; C₄AF 10,45, примеси - остальное; по данным петрографического анализа средней пробы, С₃S 80, С₃А по методу прокрашивания 4, C₄AF 10,5, примеси - остальное; сульфатно-кальциевый ингредиент - гипсовый камень, аналогичный использованному в Ц1, при мас. соотношении ингредиентов 100:5 и S 380 м²/кг;

Ц12: шлакопортландцемент ШПЩ 500 (марки 500) на основе промотированного клинкера, аналогичного использованному в Ц11, сульфатно-кальциевого ингредиента, аналогичного использованному в Ц1, включающий также шлак доменный гранулированный, аналогичный использованному в Ц4, при массовом соотношении ингредиентов 60:6:40 и S 420 м²/кг;

Ц13: смесь цементов Ц1 и Ц8 марки 750 с определением последней в соответствии с [47] при массовом соотношении ингредиентов 50: 50 и S 480 м²/кг;

Ц14: смесь цементов Ц1 и Ц9, безусадочный портландцемент марки 400 при массовом соотношении ингредиентов 50:50 и S 380 м²/кг;

- в качестве наполнителя:

материал из группы I:

HI: микрокремнезем, гранулированный суперпластификатором С-3 (органоминеральный модификатор типа МБ согласно [51];

материал из группы II:

НII: зола-унос тепловой электростанции состава: п.п.п.0,79; SiO₂ 30,45; Аl₂О₃ 28,25; Fе₂О₃ 13,01; CaO 3,23; MgO 1,59; Na₂O 0,74; К₂О 0,15; SO₃ 0,50; TiO₂ 1,29; примеси - остальное; S 280 м²/кг после предварительного домола;

материал из группы III:

HIII: молотый керамзит S 300 м²/кг;

материал из группы IV:

HIV: пыль клинкерообжигательных печей состава: п.п.п.34,38; SiO₂ 10,94; Аl₂О₃ 3,36; Fе₂O₃ 3,27; CaO 41,35; MgO 0,55; SO₃ 0,46; R₂O 5,14, в том числе К₂О 4,61 и Na₂O 2,10; сумма 99,45, примеси - остальное, S 510 м²/кг;

- в качестве добавок для бетонов в соответствии с [41], называемых также химическими добавками [14, 20, 39]:

добавки группы I - пластифицирующие, или водоредуцирующие:

IA: полиметиленполинафталинсульфонаты натрия (С-3) по [53];

IБ: технические лигносульфонаты (ЛСТ) по [54];

добавки группы II - водоудерживающие, или улучшающие перекачиваемость:

IIА: карбоксиметилцеллюлоза согласно [41];

IIБ: полиоксиэтилен согласно [41];

добавки группы III - замедлители схватывания:

IIIA: меласса согласно [41];

IIIБ: кислота ортофосфорная по [55];

добавки группы IV - добавки - ускорители схватывания и твердения:

IVA: хлорид кальция, практически безводный (98%-ный) по [56];

IVБ: хлорид алюминия шестиводный по [57];

IVB: сульфат натрия безводный - прокаленный, приготовленный из технического продукта по [58];

IVГ: смесь добавок IVA и IVB в мас. соотношении 1:1;

добавки группы V - кольматирующие поры:

VA: сульфат алюминия безводный, полученный прокаливанием технического продукта по [59];

VB: сульфат железа по [60];

добавки группы VI - газообразующие:

VIA: пудра алюминиевая по [61];

VLB: пероксид водорода - водный раствор согласно [62];

добавки группы VII - воздухововлекающие:

VIIA: смола древесная омыленная по [63] в форме 50%-ного водного раствора;

VIIB смола нейтрализованная воздухововлекающая согласно [64] в форме 40%-ного водного раствора;

добавки группы VIII - противоморозные:

VIIIA - нитрит натрия согласно [41];

VIIIE - нитрит-нитрат-хлорид кальция согласно [41];

добавки группы IX - гидрофобизирующие:

IXA: раствор высокомолекулярных жирных кислот (C₁₈) в минеральном масле (ЛЗГФ) согласно [65]:

IХБ: полигидросилоксан - жидкость 136-41 по [66];

- в качестве противоусадочных добавок (ПУД):

на основе сульфата алюминия:

ПУД1: смесь сульфата алюминия четырехводного и пептизирующего компонента в мас. соотношении 100:12, причем последний включает травитель - маннуроновую кислоту и пленкообразователь - стеарат кальция в мас. соотношении 1:1 (все ингредиенты - химреактивы);

на основе сульфоалюминатного клинкера:

ПУД2: смесь сульфоалюминатного клинкера и пептизирующего компонента в мас. соотношении 100: 5, причем первый (технический - по [67]) включает (в мас.%): сульфоалюминат кальция (4СаО· 3Аl₂О₃·_{SO3) 35, белит (2СаО· SiO2) 20, майенит (12СаО· 7Аl2О3) 3,5, моноалюминат кальция (СаО· Аl2О3) 15, ферриты кальция (2СаО· Fе2О3, СаО· Fе2O3) 5, сульфат кальция (CaSO4) 15, алюминаты и ферриты щелочных металлов [R(Al, Fe)O2] 1,5, оксид кальция (СаО) 5, а второй включает (в мас.%): маннитовый спирт 75; стеарат кальция 25 (два последних ингредиента - химреактивы);}

ПУДЗ - аналог ПУД1, при мас. соотношении сульфата алюминия и пептизирующего компонента 100: 0,8; в последнем мас. соотношение маннуроновой кислоты и стеарата кальция 5:3;

ПУД4 - аналог ПУД1, при мас. соотношении сульфата алюминия и пептизирующего компонента 100:35; в последнем мас. соотношение маннуроновой кислоты и стеарата кальция 1:0,75;

- в качестве заполнителей:

из группы I - заполнителей естественного (природного) происхождения:

MЗIA: мелкий заполнитель - песок кварцевый монофракционный по [68];

МЗIБ: мелкий заполнитель - песок кварцевый полифракционный по [68];

MЗIB: мелкий заполнитель - песок кварцевый фракции 1-5 мм, содержащий, в мас.%: кварц 97, полевые шпаты 2, темноцветные минералы - эпидот и другие примеси 1, при пустотности 38% по объему; соответствует требованиям [69];

KЗIA: крупный заполнитель - щебень гранитный фракции 5-20 мм, содержащий, в мас.%: гранит 95, кварцит 3, слюду и другие примеси 2, при пустотности 42% по объему; соответствует требованиям [70];

КЗIБ: крупный заполнитель - щебень известковый фракции 5-15 мм, содержащий, в мас.%: кальцит 93, полевой шпат 3, доломит 2, песчаник и другие примеси 2, при пустотности 45% по объему; соответствует требованиям [70];

из группы II - заполнителей искусственного происхождения:

КЗIIА: перлитовый щебень по [71];

КЗIIБ: пенопорит - вспененные автоклавные или неавтоклавные материалы, содержащие фрагменты и/или порошки газосиликата или пеносиликата или газобетона или пенобетона согласно [45]; в данном примере - куски пенобетона плотностью D500. прочностью в момент использования 1,5 МПа, фракция размером 3-10 мм, отделенная на ситах граничных размеров;

- в качестве воды затворения цементо-водной суспензии, растворной и бетонных смесей используют воду питьевую водопроводную, соответствующую требованиям [72].

Для помола и домола цементов и наполнителей, а также порошкообразных добавок для бетонов в лабораторных условиях используют мельницу МБЛ-1 диаметром × длиной (м) (⊘ × L) 0,5× 0,56, двухкамерную, периодического действия, футерованную чугунными бронеплитами, с размерами каждой камеры: длина 0,28 м, диаметр 0,5 м, частота вращения 48 мин^-1, мощность привода 1,1 кВт, частота вращения двигателя 930 мин^-1, мелющая загрузка на 1 камеру (при навеске материала 10 кг в каждую камеру): шары ⊘ 60 мм ок. 6 кг, ⊘ 50 мм ок. 8 кг, ⊘ 40 мм ок. 8 кг, ⊘ 30 мм ок. 8 кг, цильпебс ⊘ 20 мм × L 32 мм 25 кг, всего 55 кг. Перед взвешиванием материал, подлежащий помолу, дробят до фракции 1-2 мм в лабораторной щековой дробилке.

При осуществлении способа согласно изобретению прочностные показатели образцов из затвердевшей цементо-водной суспензии определяют в образцах из цементного камня без добавок, из цементного камня с наполнителем, из цементо-песчаных стандартных растворов, получаемых путем введения в цементо-водную суспензию, полученную согласно изобретению стандартного песка, а также из бетонов, получаемых путем введения в указанную суспензию мелкого и крупного заполнителей в дополнительном лабораторном бетоносмесителе принудительного действия. Из цементо-водной суспензии без добавок, а также с добавками и наполнителями формуют и уплотняют на виброплощадке с частотой колебаний 50 Гц и механическим креплением форм образцы-кубики 1,41× 1,41× 1,41 см, из цементо-водной суспензии с дополнительно введенным стандартным песком по [73] формуют образцы-балочки, или призмы размерами 4× 4× 16 см. Указанные кубические и призматические образцы хранят в течение 24 ч в воздушно-влажных условиях - на воздухе при температуре 20±3° С и 100% относительной влажности, затем помещают в воду той же температуры и хранят до момента испытаний. Из цементо-водной суспензии с дополнительно введенными мелким и крупным заполнителями изготавливают образцы-кубы с ребром 10 см и хранят в упомянутых выше воздушно-влажных условиях. Все образцы испытывают после 3 и 28 суток нормального твердения, а в отдельных случаях подвергают тепловлажностной обработке (ТВО), режим которой указан в таблицах опытных данных, и испытывают через 4 ч после окончания ТВО и через 28 суток после их хранения в воздушно-влажных условиях.

В течение первых суток хранения в естественных или воздушно-влажных условиях для предотвращения испарения влаги с поверхности образцов форму покрывают тканью из грубого холста, смоченной водой. Для испытаний образцов применяют стандартный гидравлический пресс с самоустанавливающейся верхней плитой. Результаты испытаний образцов-кубов с ребром 10 см приводят к стандартному размеру образцов 15× 15× 15 см путем умножения полученного на прессе предельного значения сопротивления образцов сжимающему усилию на стандартный коэффициент 0,85.

Порядок осуществления изобретения в данном примере охарактеризован в разделе описания, относящемся к устройству для существления описываемого способа.

При необходимости использования наполнителей и химических добавок их вводят, как правило, во время барботирования, за исключением микрокремнезема, который вводят до начала барботирования; указанные добавки вводят также с водой затворения или во время введения цемента в смеситель.

Введение мелкого заполнителя в получаемую по способу согласно изобретению цементо-водную суспензию осуществляют при мас. соотношении (цемент): (мелкий заполнитель) не менее 1:1. Этим обеспечивается вязкость цементо-водной суспензии с заполнителем не более 1770 Па· с; при более высокой вязкости кавитация прекращается при приемлемых для стабильности процесса перемешивания значения других параметров и эффект изобретения снижается.

Анализ данных электронной микроскопии образцов полученной суспензии свидетельствует, что указанная выше минимальная степень гидратации цемента (2,5 мас.% по критерию потерь при прокаливании - п.п.п.) в конце обработки сответствует наличию гидратных оболочек практически на всех без исключения частицах цемента, как крупных, так и мельчайших. Это - необходимый в условиях активации нижний порог, характеризующий достижение случайного распределения воды по поверхности частиц цемента, а именно распределения по Пуассону, что обеспечивает эффект Шестоперова и достижение положительных результатов при осуществлении изобретения по сравнению с уровнем техники. При отсутствии активации, когда происходит недостаточное усреднение гидратов, для достижения подобного результата требуется гораздо более высокий уровень степени начальной гидратации цемента: при k₁ около 0,3, соответствующего известному из уровня техники перемешиванию компонентов цементо-водной суспензии [1], требуемая степень гидратации цемента, как следует из результатов электронно-микроскопического исследования, составляет примерно 8-10%, что достижимо только после 12 ч твердения, т.е. не может быть обеспечено при перемешивании без активации. При использовании высокоактивных или низкоалюминатных цементов, в которых начальные гидраты содержат больше портландита, чем в обыкновенном портландцементе, ситуация более благоприятна по сравнению с изложенным. В цементах с минеральными добавками, в частности, шлакопортландцементе и пуццолановом цементе гидратных новообразований меньше, чем в портландцементе, а снижение примерно пропорционально содержанию соответствующей минеральной добавки (шлака, природной пуццоланы), ситуация, напротив, менее благоприятна, в связи с чем требуемая степень гидратации клинкерного компонента возрастает, поэтому для решения задачи изобретения требуется повышенная удельная поверхность указанных цементов (более 400 м²/кг) по сравнению с обычным портландцементом (не менее 300-320 м²/кг).

Полученные цементо-водную суспензию, в частности, цементное тесто, можно смешивать также с готовыми сухими строительными смесями, имеющимися на рынке, чтобы повышать их прочность и скорость их твердения, обычно недостаточные для нормального применения.

Основные области применения активированной цементо-водной суспензии согласно изобретению, как уже упоминалось, - в качестве инъекционного раствора для укрепления оснований и фундаментов, для заполнения буроинъекционных свай, укрепляющих стяжек, выравнивающих и изолирующих замазок, шпатлевок, и, кроме того, в качестве компонента обычных строительных растворов и бетонов после добавления в суспензию заполнителей и воды. В данном примере цементо-водную суспензию, полученную согласно изобретению, укладывают в формы для изготовления цементного камня, а после введения заполнителей и дополнительного количества воды (последней - при необходимости) - помещают полученные растворные и бетонные смеси в формы и обеспечивают их твердение в воздушно-влажных условиях для оценки технических свойств получаемых растворов и бетонов и сравнения их с известными из уровня техники.

Результаты испытаний материалов, приготовленных в ряде серий опытов при осуществлении способа получения цементо-водной суспензии согласно изобретению, приготовления на ее основе растворной и бетонных смесей, а также полученных при их твердении цементного камня, строительных растворов и бетонов, представлены в таблицах 1 и 2.

Составы цементо-водной суспензии, полученной согласно изобретению, составы изготовленных на их основе растворных и бетонных смесей, использованные в опытах, а также значения числа кавитации, характеризующие активацию при их перемешивании, приведены в таблице 1. Следует учитывать, что повышение числа кавитации означает снижение интенсивности кавитационного воздействия на цементо-водную суспензию.

Результаты испытаний образцов, полученных при твердении указанной суспензии и продуктов на ее основе, результаты испытаний аналогичных материалов, полученных согласно прототипу, а также по технологии, известной из уровня техники, с добавлением таких параметров их изготовления, которые позволяют рассчитать число кавитации при перемешивании по способу согласно изобретению, приведены в таблице 2.

Анализ приведенных данных позволяет заключить следующее.

1. Продукты, полученные на основе цементо-водной суспензии, изготовленной по способу согласно изобретению, а именно цементный камень, строительный раствор и бетон, характеризуются более высокой прочностью в 28-суточном возрасте, в 3-суточном возрасте (т.е. большей скоростью нарастания прочности), а также пониженной усадкой по сравнению с аналогичными продуктами, полученными по способу согласно прототипу и известному из уровня техники. Это следует, в частности, из сравнения данных, приведенных в таблице 2, в строках 1-3 (известны из уровня техники), 4-6 (получены согласно прототипу) и в строках 7 и 31 (согласно изобретению).

2. Сравнение данных в строках 7-29 таблицы 2 между собой свидетельствует, что: а) цементы различных видов в составе указанной суспензии ведут себя в соответствии со своими свойствами, известными из уровня техники, причем цемент низкой водопотребности активируется эффективнее остальных; б) аналогичное поведение характерно и для наполнителей, и для добавок. Отсюда видно, что активация по способу согласно изобретению не изменяет сравнительной оценки цементов, наполнителей и добавок между собой и не изменяет их функционального назначения.

3. Активация цементо-водной суспензии согласно изобретению в целом повышает прочностные показатели материалов примерно на 5-10 МПа, т.е. в ряде случаев - на марку или на класс; больший эффект характерен преимущественно для цемента низкой водопотребности.

4. Активация цементо-водной суспензии согласно изобретению позволяет заменить в бетоне, получаемой на основе указанной суспензии, часть гранитного заполнителя известковым без потери прочности (ср. строки 31 и 32 в таблице 2), притом с увеличением содержания песка в бетоне (см. строку 33 в той же таблице).

5. Режим активации, принятый в таблице 1 за основу, фактически наиболее применим. Его достоинства - стабильная работа оборудования, сравнительно высокое качество материалов, получаемых с его использованием, что следует из данных, представленных в строках 7-29 таблицы 2. К этому следует добавить, что коэффициент вариации прочности в 28-суточном возрасте на 2-3% меньше у продуктов на основе цементо-водной суспензии согласно изобретению (строки 11-25, 27, 30-34) по сравнению с продуктами по прототипу (строки 5 и 6) и с продуктами, известными из уровня техники (строки 2 и 3, все - таблицы 2). Это, как известно, повышает надежность материалов, полученных с использованием способа согласно изобретению и их конкурентоспособность, и, кроме того, повышает перспективность способа для широкого внедрения.

Другие режимы активации, в частности, связанные с более существенным повышением или понижением числа кавитации ϕ , вызванным изменениями параметров поля центробежных сил и поддува сжатым воздухом при обработке указанной суспензии, по сравнению с режимом, представленным в виде диапазона чисел активации в таблице 1, как следует из приведенных в таблице 2 данных (строки 42-44), не приводят к коренному изменению качества получаемых материалов, хотя по крайней мере один из таких режимов с пониженным числом кавитации (строка 43) дает несколько лучшие результаты по сравнению с режимом-аналогом (строка 7). Отметим, что изменения параметров активации в пределах, изложенных в тексте описания формулы (1), повышают качество материалов преимущественно в сочетаниях, приводящих к понижению числа активации. При выходе за упомянутые пределы, если это технически осуществимо, эффект изобретения не гарантирован, поскольку способ может оказаться нетехнологичным. А стабильность режима внутри упомянутых пределов гарантируется опытом устойчивой работы соответствующего оборудования, что обеспечивает технологичность активации и является одним из главных достоинств способа согласно изобретению.

Касаясь особенностей технологического режима активации по способу согласно изобретению, следует отметить, что изменения Δ Р и Δ Н взаимно компенсируемы, что следует из данных, представленных в строках 42-44 таблицы 2; это касается также частоты и радиуса поля центробежных сил. При назначении параметров обработки следует учитывать, что высокая плотность суспензии сама по себе повышает эффект кавитации, поэтому интенсивность воздействия на такую суспензию парадоксальным образом повышать не обязательно.

Следует отметить также, что данные, относящиеся к суспензии, полученной по способу согласно изобретению на основе исходных компонентов, упомянутых в описании, но отсутствующих в таблицах, позволяют заключить, что эффект изобретения достижим в примерно равной мере и при их использовании. Особо следует упомянуть товарные сухие смеси, имеющиеся на рынке и обычно характеризующиеся малым или недостаточным содержанием вяжущего вещества. Использование таких смесей в качестве наполнителей суспензии согласно изобретению, что соответствует повышению содержания в них цемента перед применением в дело, позволяет существенно повысить их технический эффект. Важное значение имеет также улучшение по сравнению с уровнем техники использования в бетонах и растворах на основе указанной суспензии по способу согласно изобретению мелких песков, в том числе заиленных, в последнее время широкого распространившихся в реках с зарегулированным почти до остановки течением, таких как Волга, и барханных песков, содержащих до 30 мас.%, иногда более, лессовой фракции. В ряде регионов страны другие пески трудно доступны. Именно для таких мест существенен тот факт, что на указанных мелких, загрязненных песках способ согласно изобретению позволяет получать строительные растворы и бетоны, соответствующие всем требованиям стандартов.

В целом полученные данные свидетельствуют, что способ получения цементо-водной суспензии и материалов на ее основе - цементного камня, строительного раствора и бетонов в целом позволяет существенно улучшить их строительно-технические свойства и снизить коэффициент их вариации по сравнению как с прототипом, так и с уровнем техники.

Таким образом, первая цель изобретения - создание способа получения цементо-водной суспензии, существенно превышающей по своим свойствам характеристики аналогичных материалов, известных из уровня техники, в частности, по их прочности и однородности - достигнута. Приведенные характеристики позволяют использовать способ согласно изобретению как весьма эффективный, но для повышения однородности и соответственно качества указанных материалов целесообразно, кроме того, осуществление указанного способа в соответствующем ему устройстве, обеспечивающем надлежащие условия приготовления указанных материалов.

Задачу перемешивания цемента с водой и заполнителями решали на протяжении XIX и XX веков посредством различных смесителей, среди которых наиболее производительным был смеситель так называемого гравитационного типа, представляющий собой цилиндрический корпус с бандажами, опертыми на роликоопоры, приводимый во вращение посредством венцовой шестерни, с внутренней камерой, оборудованной по периметру лопастями, расположенными на винтовых линиях (Фредерик Рансом, Англия, 1885 г.). Хотя этот смеситель, в варианте с коническими оконечностями цилиндра, установленный на автошасси, и поныне широко применяют, однородность перемешивания указанных исходных компонентов оставляет желать лучшего, поскольку коэффициент вариации качества смеси составляет 15%.

Из уровня техники известны более эффективные устройства для перемешивания, представляющие собой аппараты с мешалками, состоящими из корпуса, вала с приводом и установленной на валу мешалки, помещенной в расположенной внутри корпуса рабочей камере, куда загружают исходные компоненты смесей [76]. Многочисленные варианты смесителей для всех отраслей техники, описанные в цитированной работе, как правило, не пригодны для смесей с высокой когезией к стенкам корпуса, возрастающей по мере приближения смесей к однородности и в течение процесса перемешивания, что характерно для цементо-водной суспензии по мере ее приближения к началу схватывания. Разбавление цемента наполнителями, а суспензии в целом - заполнителями уменьшает удельную величину когезионной силы, то есть силы, приходящейся на единицу поверхности корпуса смесителя, и снижают скорость ее нарастания во времени, однако кинетика ее изменения остается прежней и требует специальных конструктивных изменений в смесителе.

В промышленности строительных материалов известны различные устройства для приготовления бетонных и растворных смесей, в том числе и для цементо-водных суспензий. Известные устройства, выполняемые обычно в виде быстроходных смесителей указанного назначения, как правило, имеют вертикальные одно- или двухопорные приводные валы, на которых смонтированы роторные рабочие органы с перемешивающими лопастями [77].

Указанные смесительные устройства предназначены для одностадийного получения указанных материалов и не могут быть использованы для активации цемента в составе цементо-водной суспензии. Кроме того, их эксплуатация достаточно трудоемка при ограниченном ресурсе работы.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения (прототипом) по технической сущности и достигаемому результату является устройство, выполненное в виде смесителя для получения цементо-водной суспензии, содержащего размещенную в цилиндрической камере мешалку, включающую ротор открытой турбины с радиально-дуговыми лопатками на диске, обращенном к днищу камеры смесителя и консольно закрепленном на вертикальном валу, расположенном в центральном отверстии днища с кольцевым зазором, а также содержащего нижний привод вала, люк для подачи исходных компонентов и разгрузочный патрубок с затвором [78].

Главным его недостатком является непригодность для неразбавленной заполнителем цементо-водной суспензии. Рабочая камера данного смесителя быстро зарастает продуктами начальной гидратации цемента и продукт перемешивания невозможно полностью выгрузить из рабочей камеры, а чистка последней существенно снижает производительность смесителя, повышает долю ручного труда и стоимость обслуживания аппарата. Кроме того, вал данного смесителя невозможно изолировать от проникания через неплотности жидкой фазы суспензии, что в течение недолгого времени вызовет необходимость его замены и, следовательно, частые ремонты. Эти особенности привели к отсутствию широкого внедрения данного технического решения в стройиндустрию и строительное дело в целом даже в качестве смесителя для более толерантных к смесителям строительных растворов. Следует особо отметить, что до настоящего времени в упомянутых отраслях техники отсутствуют устойчиво работающие смесители для концентрированных цементо-водных суспензий с В/Ц в пределах 0,22-0,6. Именно поэтому подобные суспензии, в которых нуждаются многие области строительства, до настоящего времени используют только в лабораторных условиях.

Задачей изобретения в части смесителя является обеспечение в последнем физико-механической активации цемента, а также повышение стабильности работы оборудования.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве, выполненном в виде смесителя для получения цементо-водной суспензии, содержащего размещенную в цилиндрической камере мешалку, включающую ротор открытой турбины с радиально-дуговым и лопатками на диске, обращенном к днищу камеры смесителя и консольно закрепленном на вертикальном валу, расположенном в центральном отверстии днища с кольцевым зазором, а также содержащего нижний привод вала, люк для подачи исходных компонентов и разгрузочный патрубок с затвором, днище камеры снабжено сальниковой коробкой с уплотнением для вала, полость которой выполнена сообщающейся с рабочим пространством камеры посредством кольцевого зазора, при этом отношение площадей поперечных сечений в свету камеры и кольцевого зазора составляет 1100-325000, сальниковая коробка снабжена штуцером для подачи сжатого воздуха в ее полость, а разгрузочный патрубок соединен с камерой тангенциально.

В варианте изобретения люк снабжен загрузочным патрубком, выполненным в виде обратного конуса, расположенного в камере соосно с мешалкой, при этом нижний обрез конуса отстоит от верхнего края камеры на расстоянии, равном 1/3-1/2 высоты последней.

Сущность изобретения в части устройства состоит в том, что указанный смеситель впервые обеспечивает перемешивание цементо-водной суспензии в производственных условиях благодаря значительному эффекту интенсифицированной поддувом кавитации, совмещенной с перемешиванием обрабатываемого материала в турбинной мешалке. Поддув, кроме того, не только препятствует прониканию суспензии в картер и связанному с этим перерыву в работе, а в дальнейшем и выходу смесителя из строя, но также устраняет вакуум в кавитационных кавернах суспензий. Насосный эффект мешалки, полнота обработки суспензии во всем объеме камеры смесителя и повышенное содержание гелей в измененном поддувом фазовом составе продуктов начального взаимодействия цемента с водой препятствуют обрастанию последними стенок камеры смесителя, обеспечивают полноту его разгрузки после каждого замеса, равную 100%, и быстроту процесса разгрузки суспензии, по своей длительности не превышающего 5-20 с, а чаще - 5 с. Все эти особенности смесителя представляют основную совокупность признаков его новизны.

Другой признак новизны смесителя касается соотношения площадей поперечных сечений его цилиндрической рабочей камеры и площади упомянутого кольцевого зазора между валом и отверстием в днище рабочей камеры, использованного для поддува. Указанные пределы соотношения обусловлены следующими соображениями, проверенными на полупроизводственных смесителях.

Исходные данные принимаем следующие:

- размеры зазора: от 0,05 см до 0,5 см; тогда при диаметре вала 1 см площадь s₀ кольцевого сечения зазора может быть принята примерно равной от 0,25 см² до 2,5 см²;

- максимальный радиус камеры смесителя 1,6 м =160 см (больше оптимума, принятого в обозначениях формулы (1), упомянутого выше и равного 1,2 м), что соответствует площади круга поперечного сечения камеры S₀ 80384 см²;

- средний диаметр капель водяного тумана, образуемого в смесителе при поддуве, 1 мкм; это примерно соответствует средним размерам капель в промышленных туманах, зародышами которых служит неоседающая пыль, размер которой в составе цемента находится в пределах от 0,3 до 2 мкм [78];

- вязкость воздуха ν =18,11· 10^-6/дм³ при 20° С;

- плотность воздуха γ ₀=1,3 г/дм³ при 20° С;

- плотность воды γ =1000 г/дм³ при 20° С;

- расход воздуха на поддув 0,06 м³/мин =60000 см³/мин =1000 см³/с;

Определяем скорость воздуха в сечении зазора по формуле:

w=v/s₀=1000:0,25=4000 см/с (максимум) или 1000:2,5=400 см/с;

эти значения соответствуют вдуванию всего лишь 0,1 л воздуха на каждый оборот мешалки.

Запишем для прямоточного совместного течения воздуха и капель тумана над перемешиваемой суспензией формулу критерия Федорова и вычислим его значение:

Значение критерия Рейнольдса для указанного течения составляет:

Значение скорости витания капель в указанном течении рассчитывают по формуле:

откуда

w_в=7,97· 10^-3·^{18,1· 10-6/(1· 10-6)=0,144 м/с =14,4 см/с.}

Скорость поддуваемого воздуха в сечении S_o рабочей камеры смесителя при указанном расходе должна быть ниже скорости витания капель. Она составляет для максимального и минимального радиусов камеры 1,6 и 0,3 м:

v_pк1=v/S₀=v/(π R_max ²)=1000/80384=0,012 см/с;

v_pк2=v/S₀=v/(π R_min ²)=1000/2826=0,35 см/с.

Кроме скорости витания по формуле (2), необходимо дополнительно учесть составляющую скорости воздуха, связанную с ускорением, обусловленным схлопыванием открывающихся в верхнем наружном слое перемешиваемой суспензии кавитационных каверн и ускоренным выходом из них воздуха, поскольку в образующийся в этом слое каверны воздух не засасывается, а поступает из поддува. Дополнительная составляющая принимается в виде коэффициента пропорциональности К_к, обратного числу кавитации, с поправкой k₂=0,5 из формулы (1). Кроме того, следует учесть, что мгновенная площадь горизонтального поперечного сечения схлопывающихся каверн на поверхности слоя суспензии существенно - примерно в 100 раз - меньше общей площади поперечного сечения рабочей камеры, и соответствующая поправка k₃ по экспериментальным данным составляет 0,01. Поэтому для оценки критической скорости v_k движения брызг используют соотношение, основанное на формуле (1):

В данном случае в качестве оценки для ϕ берут при R_max=1,6 м значение из строки 43 таблицы 3 ϕ ₁=0,84· 10^-3; при R_min=0,3 м - среднее значение величин, взятых из столбца 10 таблицы 1, равное ϕ ₂=2,14. Тогда по формуле (3) получаем соответственно:

v_к1=v_pк1·_{(k2k3/ϕ 1)=0,012· 0,5· 0,01/(0,84· 10^-3)=0,071 м/с =7,1 см/с;}

v_к2=v_pк2·_{(k2k3/ϕ 2)=0,35· 0,5· 0,01/(2,14· 10^-3)=0,818 м/с =81,8 см/с.}

Именно для последнего варианта - при минимальном радиусе корпуса - необходим отсекатель брызг в виде обратного конуса, расположенного в камере соосно с мешалкой, при этом нижний обрез конуса отстоит от верхнего края камеры на расстоянии, равном 1/3-1/2 высоты последней, чтобы дать возможность испариться в полете хотя бы части брызг. Обычно таким отсекателем снабжают все модификации смесителя в качестве гарантии от брызг при большей частоте вращения n по сравнению с оптимальными пределами, приведенными выше, чтобы перемешивать цементно-водные суспензии в тех случаях, когда используют цемент с особо высокой удельной поверхностью - выше 1000 м²/кг по методу воздухопроницаемости, или выше 500 м²/кг по методу низкотемпературной адсорбции азота согласно Брунауэру - Эмметту - Теллеру (БЭТ). Кроме того, конус формирует возвратное течение суспензии из внешнего слоя, образуемого центробежной силой мешалки, в центральную часть последней, при наличии в суспензии мелкого заполнителя, усиливающего инерционную составляющую. В этом случае брызг образуется меньше, а для формирования упомянутого возвратного течения расстояние между верхним краем камеры и нижним обрезом конуса устанавливают в пределах 1/3-1/2 высоты камеры.

Изложенное свидетельствует, что фактическое соотношение А между величиной S₀, изменяющейся в пределах от 0,25 см² до 2,5 см², и величиной S₀, изменяющейся в пределах от 2826 см² до 80384 см², гарантирующее отсутствие брызг, находится в пределах от 2826/2,5=1130 до 80384/0,25=321536, или примерно от 1100 до 325000.

Максимум А ограничивается снижением числа кавитации до минимума ϕ =0,6· 10^-4, ниже которого начинается быстрый рост воздухосодержания в цементо-водной суспензии, снижающий эффект изобретения. Так, при ϕ =0,5· 10^-4, достигаемом при пробном режиме на смесителе с R=1,6 м и n=250 с^-1 (15000 об/мин), при Δ Н=0,75 МПа, Δ Р=100 КПа, η =60 Па· с, с угрозой стабильной работе смесителя по механическим причинам, полезные технические эффекты изобретения уменьшаются в связи со снижением значения ρ до 1850 кг/м³, обусловленным ростом воздухововлечения.

В целом в диапазоне значений А между 1100 и 325000 эксперименты, выполненные авторами на моделях смесителей, позволяют сделать вывод об их стабильной работе, полноте выгрузки обрабатываемой цементо-водной суспензии, соответствующей 100%, и времени выгрузки в течение 5-15 с.

Сущность изобретения в части указанного устройства в связи с характеристиками цементо-водной суспензии и продуктов на ее основе, полученных по способу согласно изобретению при помощи устройства для осуществления этого способа, становится более ясной из приведенного чертежа (фиг.1 и 2).

На фиг.1 схематично изображен смеситель для получения цементо-водной суспензии и продуктов на ее основе, вид сбоку; на фиг.2 - вид сверху, сечение по А-А на фиг.1.

Смеситель содержит цилиндрическую камеру 1, мешалку 2, выполненную в виде ротора открытой турбины с радиально-дуговыми лопатками 3, закрепленными на диске 4, обращенном к днищу 5 камеры. Диск консольно соединен с вертикальным валом 6, имеющим нижний привод 7. Вал расположен в центральном отверстии днища с кольцевым зазором 8, при этом отношение площадей поперечных сечений в свету камеры и кольцевого зазора составляет 1100-325000. С наружной стороны днище снабжено сальниковой коробкой 9 с уплотнением 10 для вала 6. Полость коробки 9 сообщается с рабочим пространством камеры посредством кольцевого зазора 8. При этом в коробке предусмотрен штуцер 11 для подачи сжатого воздуха в ее полость и далее в камеру через кольцевой зазор.

Люк 12 цилиндрической камеры снабжен загрузочным патрубком 13, выполненным в виде обратного конуса. Последний установлен в камере соосно с мешалкой, а его нижний обрез отстоит от верхнего края камеры на расстоянии, равном 1/3-1/2 высоты последней.

Разгрузочный патрубок 14, имеющий затвор 15, соединен с камерой тангенциально окружности ее днища.

Порядок работы смесителя следующий.

Разгрузочный патрубок 14 перекрывают затвором 15. От компрессора (на чертеже не показан) по штуцеру 11 в полость сальниковой коробки подают воздух под давлением, достаточным для предотвращения вытекания цементо-водной суспензии из камеры через кольцевой зазор. Затем включают привод 7 и приводят во вращение мешалку 2. Через загрузочный патрубок 13 в камеру 1 подают дозированные компоненты суспензии - воду и цемент. Для осуществления барботирования увеличивают давление воздуха, подаваемого в камеру, до появления воздушных пузырей на поверхности перемешиваемой цементо-водной суспензии, наблюдаемых через окно 16 в верхней части камеры.

При вращении турбины с лопастями суспензия под действием центробежных сил отбрасывается к стенке камеры, движется по ней вверх и затем под действием силы тяжести и благодаря увеличенной инерционной составляющей массы в присутствии заполнителя и геометрической форме рабочего пространства камеры, образованного верхней крышкой 17 и конической поверхностью загрузочного патрубка 13, без снижения скорости и в отсутствие разрывов в циркулирующем потоке направляется к вращающемуся ротору, непосредственно в зону его действия. Характер воздействия на суспензию ротора мешалки аналогичен характеру воздействия колеса центробежного насоса.

Готовую цементо-водную суспензию через разгрузочный патрубок 14 при открытом затворе 15 и вращающемся роторе выгружают из смесителя. Центробежное закручивание потока готовой суспензии и тангенциальное расположение разгрузочного патрубка на камере обуславливает самоочищение рабочих поверхностей камеры и разгрузочного патрубка.

Изложенное позволяет заключить, что вторая цель изобретения - создание смесителя для рационального получения цементо-водной суспензии с кавитационным активированием - достигнута.

Изобретение впервые позволяет активировать цементо-водную суспензию с повышением вне зависимости от качества цемента, прочности затвердевших продуктов на ее основе на 12-15% с параллельным снижением их усадочных деформаций и коэффициента вариации свойств на 2-3% при 100%-ной полноте выгрузки цементо-водной суспензии после каждого замеса и длительности выгрузки не более 15 с, обеспечивая технологичность способа, производительность смесителя по цементо-водной суспензии до 120 м³/ч без какого бы то ни было применения ручного труда, а также существенно улучшить структуру объема и поверхности получаемых материалов.

Таким образом, способ получения цементо-водной суспензии и смеситель для его осуществления обладают коренными преимуществами по сравнению с известными из уровня техники, характеризуясь элементами новизны и являясь многовариантными техническими решениями, не требующими жесткой привязки к конкретным поставщикам исходных компонентов указанной суспензии и конкретным машиностроительным предприятиям, что существенно для обеспечения минимальной стоимости как указанной суспензии, так и смесителя для ее получения в условиях рыночной экономики. Тем самым указанные технические решения подготовлены к широкому производственному внедрению.

Источники информации

1. Совалов И.Г. и др. Методы активации цементов и влияние активации на свойства бетонов. М.: ЦБТИ НИИОМТП, 1963, 41 с.

2. Скрамтаев Б.Г. и др. Повышение прочности цемента и бетона путем добавки гипса и мокрого домалывания цемента./ Строительные материалы, 1951, №8.

3. Фищуков М.А. Исследование эффективности применения мокрого домола цемента при изготовлении предварительно напряженных железобетонных балок пролетных строений мостов. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: НИИЖБ, 1953. 20 с.

4. Руднев Н.Г. Применение вибрационного измельчения для активации стандартного цемента. / Труды ВНИИ железнодорожного строительства, вып.IX. М.: Трансжелдориздат, 1951.

5. Кевеш П.Д. и др. Вибрационный домол цемента в водной среде. М.: Бюро тех. помощи НИИ Горсельстроя, 1955, 8 с.

6. Труды совещания по вибродомолу цемента. Под ред. М.И.Гершмана и др. М.:Промстройиздат, 1957.

7. Горчаков Г.И. и др. Ускорение процессов твердения цемента путем тонкого помола в вибромельнице. /Вибрационное измельчение материалов. Научное сообщение ВНИИТИСМ №7. М., 1955.

8. Гильденберг З.Г. и др. Инструкция по активизации цемента на заводах железобетонных изделий домолом в вибромельницах (ИЖ 5-56). М.: Промстройиздат, 1957, 33 с.

9. Barta R. Chemie a techologie cementu. Praha, Nakl. CAV, 1961, 1107 s., wiz. s. 655-656.

10. Мощанский Н.А. Механическое активирование цементов. /Строительная промышленность, 1951, №8.

11. Листопадов М.Е. Гидравлическая активация вяжущих. /Строительные материалы, 1960, №3.

12. Адамович А.Н. Цементация оснований гидросооружений. М.: Энергия, 1964. См. разд. о методе скоростной турбулентной активации инъекционных растворов для цементационных работ.

13. Урьев Н. Б. и др. Коллоидный цементный клей и его применение в строительстве. М.: Стройиздат, 1967. 175 с., см. с.57 и ниже.

14. Совалов И.Г. Исследование, разработка и внедрение эффективных методов возведения железобетонных и бетонных сооружений. Доклад, составленный на основании обобщения выполненных и опубликованных работ, результатов исследований и внедрения в производство и представленный на соискание уч. степ.д-ра техн. наук. М.: ЦНИИЭП-жилища, 1968. 127с.

15. Штаерман Ю.Я. Виброактивация цемента. Тбилиси: “Техника да шрома”, 1957. 44 с. См. также: Штаерман Ю. Виброактивированный бетон. Тбилиси: “Сабчота Сакартвело”, 1963. 181 с. Штаерман Ю.Я. и др. Плотный бетон на многофракционном заполнителе. Тбилиси: Там же, 1967. 212 с.

16. Юсуфов И. - М. Б. Исследование свойств коллоидного раствора и бетона: технология их изготовления с применением смесительной установки АзПИ. Автореф. дисс.на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Баку: Азерб. политехн. ин-т, 1963. 27 с.

17. Скрамтаев Б.Г. и др. Виброперемешивание бетонной смеси. /Вестник трудов Военно-Инженерной Академии им. В.В.Куйбышева, М.: Воениздат, 1959.

18. Десов А.Е. Виброперемешивание бетонной смеси в бетономешалке с вибрирующими лопастями /Автоматизация и усовершенствование процессов приготовления, укладки и уплотнения бетонных смесей. Сб. статей. М.: Госстройиздат, 1960. См. также Кублинь И.Я. и др. Виброактивация цементного теста с добавками поверхностно-активных веществ и микронаполнителей. Там же.

19. Файтельсон Л.А. Виброперемешивание бетонной смеси. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: НИИЖБ, 1961, 17 с.

20. Куннос Г. Я. и др. Теория и практика вибросмешивания бетонных смесей. Изд-во Акад. наук Латв. ССР., Рига, 1962. 216 с.

21. Хигерович М. И. и др. Влияние поверхностно-активных добавок на свойства цементного камня. М.: Промстройиздат, 1954. 72 с.

22. Малинин Ю.С. и др. О морфологических основах структуры цементного камня. Доклады АН СССР, 1977, т. 233, №4, с.653-656.

23. Михайлов Н.В. Основные принципы новой технологии бетона и железобетона. М.: Госстройиздат, 1961. 53 с.(прототип к способу).

24. Кравченко И.В. и др. Высокопрочные и особо быстротвердеющие портландцементы. М.: Стройиздат, 1971, 228 с., см. гл. IV.

25. Шестоперов С.В. Долговечость бетона. - М.: Автотрансиздат, 1960. - 512с.

26. Розенталь Н.К. Проблемы коррозии бетона. // 1-я Всероссийская конференция по проблемам бетона и железобетона. “Бетон на рубеже 3-го тысячелетия. В 3 книгах, М.: “Готика”, 2001, кн. 3, секционные доклады, с.1419- 1430.

27. Захаров Б.Н. и др. Исследование параметров двухчастотного виброперемешивания песчаного бетона. /Доклады Межвузовской научной конференции и комплексной механизации и автоматизации в строительстве. Саратов. Изд. Cap. ДНТИ, 1960.

28. Санитарные Нормы 2.2.4/2.1.8.583-96. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий. М.: Минздрав РФ,1996.

29. Gurland I. Transactions of Metallurgical Soc. Of AIME, 1958, v.212, pp.452-463. In “Plansee Proceedings”, London, Pergamon Press, 1961, pp.507-514. Transactions of Metallurgical Soc. of AIME, 1966, v.236, pp. 642-646. See also in: Stereology, L. - N.Y. - Berlin, Springer, 1968, pp. 250-255.

30. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, Изд. 3-е. 1970. 376 с.; см. также Чернявский К.С. Стереология в металловедении. М.: Металлургия, 1977. 280 с., см. с.212-214.

31. Вентцель Е.П. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1962.

32. Батутина Л.С. Интенсификация твердения цемента предварительной поверхностной гидратацией. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М.: НИИцемент, 1984. 24 с.

33. Ламекин Н.С. Кавитация: теория и применение. Гос. нац. рус. академия. М.: Русаки, 2000. 246 с., см. с.68.

34. Буйвол Б. Н. Тонкие каверны в течениях с возмущениями. К.: Наукова думка, 1980. 296 с., см. с.266.

35. Биркгоф Т. и др. Струи, следы и каверны. М.: Мир, 1964. 466 с. См. также Перник А. Д. Проблемы кавитации. Л.: Судпромгиз, 1966. 643 с.

36. Эпштейн Л.А. Методы теории размерности и подобия в задачах гидромеханики судов. Л.: Судостроение, 1970. 247 с.

37. Кулагин В.А. и др. Моделирование двухфазных кавитационных потоков. Красноярск, Красноярский гос. техн. ун-т. 2001, 187 с.

38. Макаров В.В. Исследование плоских кавитационных вихрей и осесимметричных струйных течений. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. физ. - мат. наук, Чебоксары, Чуваш, гос. ун-т, 2000. 15 с.

39. Калищук А.Л. и др. Справочник по производству сборного железобетона. К.: “Будiвельник”, 1964, 347 с., см. с.57.

40. Хаютин Ю. Г. Исследование вопросов раздельного бетонирования с инъекцией активированного раствора в крупный заполнитель. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: НИИЖБ, 1964, 21 с.

41. ГОСТ 24211-91. Добавки для бетонов. Общие технические условия.

42. ГОСТ 30459-96. Добавки для бетонов. Методы определения эффективности.

43. ТУ 5730-003-23454867-02. Добавка “Дилафилм” для цемента, цементных сухих смесей и бетона.

44. Звездов А.И. Физико-механические свойства шлакобетона на напрягающем цементе. Автореф. канд. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: НИИЖБ, 1981, 20 с.

45. Удачкин И.Б. и др. Пенобетон: результаты и перспективы развития / Строительные материалы, 2003, №3, с.5 и ниже.

46. ГОСТ 310.2-76. Цементы. Методы определения тонкости помола.

47. ТУ 5730-001-23454867-01. Цемент низкой водопотребности дезагрегированный для коррозионно-стойких бетонов “Д-ЦНВ”. М.: 2001.

48. ТУ 5743-026-00369171-01. Модификатор для цемента МЦ-1. М., 2001.

49. ГОСТ 11052-74 Цемент гипсоглиноземистый расширяющийся. Технические условия.

50. Евразийский патент №002673, 2002.

51. Каприелов С.С. и др. Высокопрочные бетоны с органоминеральными модификаторами серии “МБ”. Структура и свойства. // 1-я Всероссийская конференция по проблемам бетона и железобетона. “Бетон на рубеже 3-го тысячелетия. В 3 книгах, М.: “Готика”, 2001, кн. 2-я, с.1019-1026.

52. ТУ 2455-005-00281039-03. Лигносульфонаты технические модифицированные - “Пластификатор ЛСТМ-12”

53. ТУ 2481-001-51831493-00. Суперпластификатор С-3

54. ТУ 13-0281036-029-94. Лигносульфонаты технические.

55. ГОСТ 6552-80. Кислота ортофосфорная. Технические условия.

56. ГОСТ 450-77. Кальций хлористый технический. Технические условия.

57. ГОСТ 3759-75. Алюминий хлористый 6-водный. Технические условия.

58. ГОСТ 4166-76. Натрий сернокислый. Технические условия.

59. ГОСТ 12966-85. Алюминия сульфат технический очищенный. Технические условия.

60. ГОСТ 6981-75. Купорос железный технический. Технические условия.

61. ГОСТ 5494-95. Пудра алюминиевая. Технические условия

62. Кевеш П.Д. и др. Газобетон на пергидроле. М.: Госстройиздат, 1961, 115 с.

63. ТУ 2453-013-10644738-00. Смола древесная омыленная (SDO-L).

64. Баженов Ю. М. Технология бетона. М.: Высш. школа, 1978. 455 с.

65. Тарнаруцкий Г.М. Разработка технологии и исследование строительно-технических свойств гидрофобного портландцемента с поликомпонентными добавками. Автореф. дисс.на соиск. уч. степ.канд. техн. наук, М.: НИИцемент, 1974, 35 с.

66. ГОСТ 10834-76. Жидкость гидрофобизующая 136-41. Технические условия.

67. ТУ 5730-007-23454867-03. Клинкер сульфоалюминатный.

68. ГОСТ 6139-91. Песок нормальный для испытания цементов. Технические условия.

69. ГОСТ 8736-93. Песок для строительных работ. Технические условия.

70. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.

71. ГОСТ 10832-91. Песок и щебень перлитовые вспученные. Технические условия.

72. ГОСТ 23732-79. Вода для бетонов и растворов. Технические условия.

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

74. Kravchenko I.V. ct, al. VI International Congress on Differential Thermal Analysis (DTA). Wiesbaden: Bauverlag, 1977, s. 87. См. также Copeland L.E. et al. Journal of Portland Cement Assoc. Research and Develop. Laboratories, 1962, v. 4, №2; see also: Barta R. Chemie a techologie cementu. Praha. Nakl. CAV, 1961, 1107 s., wiz. s. 950; Тейлор X. Химия цемента. М.: Мир, 1996, 560 с., см. с.241-243 (данные по ДТА цемента в раннем возрасте), 249 (данные по п.п.п. в нацело гидратированном цементе).

75. Юдович Б.Э. Исследование особенностей измельчения, гранулометрического состава и строительно-технических свойств высокопрочных портландцементов. Автореф. исс.на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М.: НИИЦемент, 1972. -31 с., см. с.25 и ниже.

76. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975.384с.

77. Бауман В. Н. и др. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Машиностроение, 1981, с.270-272. 78. Патент РФ №2036090, кл. В 28 С 5/16, 1991 (прототип к смесителю).

Изобретение относится к области строительных материалов и изделий, а именно к способам получения цементо-водной суспензии и продуктов на ее основе – цементного камня, строительного раствора и бетонов, а также к устройствам для их осуществления. Изобретение позволит из материалов цементно-водной суспензии обеспечить активацию частиц цемента в условиях статистически равномерного распределения воды в суспензии по поверхности фракций цемента, при котором поверхности как крупных, так и средних и мелких частиц цемента адсорбируют ровно столько воды, сколько могут удержать при перемешивании. Способ получения цементо-водной суспензии включает перемешивание гидравлического вяжущего вещества, преимущественно цемента, с водой или с наполнителем и водой с физико-механической активацией цемента в составе получаемой в смесительном устройстве в поле центробежных сил цементо-водной суспензии. Активацию осуществляют с кавитацией, интенсифицируемой поддувом суспензии с ее барботированием сжатым воздухом при регулировании времени перемешивания. Значения числа кавитации ϕ в пределах от 3,8 до 0,6·10^-4. Число кавитации определяют по формуле:

где k₁ - коэффициент потери напора смесительного устройства при кавитации, равный 0,55-0,8; ΔН - разность гидравлического напора смесительного устройства и давления насыщенного водяного пара в кавернах при 20°С, равного 0,03 МПа, характеризующая кавитационное поле и выбираемая в пределах 0,25-1,2 МПа; k₂ - коэффициент потери напора поддуваемого сжатого воздуха, равный в среднем 0,5; ΔР - разность давления поддуваемого сжатого воздуха и давления насыщенного водяного пара в кавернах, выбираемая в пределах 100-250 КПа; η - текущая вязкость приготавливаемой цементо-водной суспензии или продуктов на ее основе, поддерживаемая в пределах 16-1770 Па·с, а во время барботирования в пределах 20-130 Па·с; ρ - текущая плотность указанной цементо-водной суспензии или продуктов на ее основе кг/м³; g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с²; π - 3,14;R - текущий радиус указанного поля центробежных сил, выбираемый в пределах 0,3-1,2 м; n - частота вращения рабочего органа смесительного устройства, выбираемая в пределах 300-6000 об/мин, или 5-100 с^-1, а указанную активацию суспензии ведут до достижения степени начальной гидратации цемента по критерию прироста потерь при прокаливании от начала затворения суспензии до момента начала ее схватывания не менее 2,5 мас.%. 2 н. и 13 з.п.ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Способ получения цементо-водной суспензии, включающий перемешивание гидравлического вяжущего вещества, преимущественно цемента, с водой или с наполнителем и водой с физико-механической активацией цемента в составе получаемой в смесительном устройстве в поле центробежных сил цементо-водной суспензии, отличающийся тем, что указанную активацию осуществляют с кавитацией, интенсифицируемой поддувом указанной суспензии с ее барботированием сжатым воздухом при регулировании, по крайней мере, в течение части времени перемешивания, значения числа кавитации ϕ в пределах от 3,8 до 0,6·10^-4, при этом число кавитации определяют по формуле:

где k₁ - коэффициент потери напора смесительного устройства при кавитации, равный 0,55-0,8;

ΔН - разность гидравлического напора смесительного устройства и давления насыщенного водяного пара в кавернах при 20°С, равного 0,03 МПа, характеризующая кавитационное поле и выбираемая в пределах 0,25-1,2 МПа;

k₂ - коэффициент потери напора поддуваемого сжатого воздуха, равный в среднем 0,5;

ΔР - разность давления поддуваемого сжатого воздуха и давления насыщенного водяного пара в кавернах, выбираемая в пределах 100-250 кПа;

η - текущая вязкость приготавливаемой цементо-водной суспензии или продуктов на ее основе, поддерживаемая в пределах 16-1770 Па·с, а во время барботирования в пределах 20-130 Па·с;

ρ - текущая плотность указанной цементо-водной суспензии или продуктов на ее основе, кг/м³;

g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с²;

π - 3,14;

R - текущий радиус указанного поля центробежных сил, выбираемый в пределах 0,3-1,2 м;

n - частота вращения рабочего органа смесительного устройства, выбираемая в пределах 300-6000 об/мин, или 5-100 с^-1,

а указанную активацию суспензии ведут до достижения степени начальной гидратации цемента по критерию прироста потерь при прокаливании от начала затворения суспензии до момента начала ее схватывания не менее 2,5 мас.%.