СОСТАВ ТАМПОНИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК E04B1/68 C09K3/10 C09K8/467 C04B28/00 C04B111/34 

Изобретение относится к средствам, используемым в строительстве и добыче полезных ископаемых, например:

- для ликвидации протечек в материалах минерального происхождения (гидроизоляции швов между блоками, стеновыми панелями, трубами хозяйственно-питьевого водоснабжения и канализации; цементирования нефтяных и газовых скважин; остановки водопритока сквозь трещины в породе в шахтах);

- для быстрого крепления элементов строительных конструкций (фиксации анкерных болтов, элементов декора);

а именно к разработке нового состава тампонирующего действия, представляющего собой смесь на основе минерального вяжущего и расширяющейся добавки.

Существует множество составов тампонирующего действия на основе минерального вяжущего и расширяющейся добавки. Например, известны тампонажные составы, включающие:

- портландцемент, расширяющуюся добавку (гипс, негашеную известь), золу уноса, жидкое стекло, хлористый кальций и лигносульфонат (патент РФ 2222688);

- портландцементный клинкер, гипс, шлак, золу уноса с мергелем или глиной (патент РФ 2208131);

- портландцемент, гипс, расширяющуюся добавку (глиноземистый, сульфоалюминатный цемент), ускоритель твердения (хлористая соль щелочного или щелочно-земельного металла), пластификатор (смесь триэтаноламина и кремнеземсодержащей добавки), облегчающая добавка (алюмосиликатные микросферы, вспученный вермикулит или перлит) (патент РФ 2235857).

Эффект, получаемый в результате применения большинства имеющихся в продаже составов тампонирующего действия, близок, поэтому ключевое значение приобретает стоимость, а также широта областей применения такого состава.

Наиболее близким решением - прототипом настоящего изобретения - является решение, изложенное в патенте РФ 2204694, которое представляет собой тампонажный состав, включающий тампонажный портландцемент, расширяющуюся добавку (сульфоалюминатно-известковый спек), поверхностно-активное вещество (абиетат натрия) и термообработанную глину при следующем соотношении компонентов, мас.%:

тампонажный портландцемент49-74,9сульфоалюминатно-известковый спек5-20абиетат натрия0,1-1,0

Основное преимущество прототипа - использование доступных компонентов.

Основные недостатки прототипа:

- узость сырьевой базы по минеральному вяжущему (используется только тампонажный портландцемент);

- узость сырьевой базы по расширяющейся добавке (используется только сульфоалюминатно-известковый спек);

- чрезвычайно жесткие условия приготовления расширяющейся добавки (сульфоалюминатно-известковый спек получают обжигом высокоалюминатной глины, известняка и гипса при 1000-1200°С);

- узость областей применения (состав используется только для крепления нефтяных и газовых скважин).

Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала составов тампонирующего действия путем разработки нового тампонажного состава, сочетающего расширенную сырьевую базу, простоту изготовления и широкую область применения.

В части расширения сырьевой базы поставленная задача решается с помощью использования в качестве:

- минерального вяжущего, по крайней мере, одного из представителей ряда: напрягающий цемент, глиноземистый цемент, гипсоглиноземистый цемент, портландцемент, известь, соль кремниевой или фосфорной кислоты;

- расширяющейся добавки - продукта взаимодействия кислоты и/или основания с цементом.

При этом вяжущее на основе цемента позволяет создать высокопрочный тампонажный состав, вяжущее на основе извести - дешевый и пластичный, вяжущее на основе соли кремниевой или фосфорной кислоты - жаропрочный. Это расширяет области применения предлагаемого состава, позволяя использовать его для ремонта конструкций:

- как высокопрочных (на основе бетона, кирпича, камня), так и менее прочных (на основе глины, извести, гипса);

- эксплуатируемых в условиях обычных и повышенных температур.

Предлагаемый тампонажный состав включает в себя минеральное вяжущее и расширяющуюся добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- минеральное вяжущее - по крайней мере, один из представителей ряда: напрягающий цемент, глиноземистый цемент, гипсоглиноземистый цемент, портландцемент, известь, соль кремниевой или фосфорной кислоты 50-95;

- расширяющаяся добавка - продукт взаимодействия кислоты и/или основания с цементом 5-50.

Использование дополнительных компонентов предусмотрено как способ улучшения получаемого тампонажного состава. Для усиления эффекта, получаемого от использования расширяющейся добавки, совместно с предлагаемым тампонажным составом допускается использование, по крайней мере, одного из представителей ряда: оксид, гидрооксид и соль металла с валентностью не менее двух. Для удешевления состава, повышения пластичности рабочего раствора, усиления гидроизолирующих свойств состава, помимо глины, используемой в прототипе, может использоваться, по крайней мере, один из представителей ряда: глина, песок, слюда, сажа, органические продукты - материалы растительного происхождения, отходы, образующиеся при производстве изделий на основе органических полимерных материалов. Причем в качестве песка могут также использоваться мелкие фракции шлака, или базальта, или апатитов, или извести. В качестве материалов растительного происхождения также могут использоваться опилки или солома. Для регулирования сроков схватывания и твердения тампонажного состава дополнительно допускается использование замедлителей схватывания, ускорителей твердения.

Таким образом, использование более широкой сырьевой базы по минеральному вяжущему и расширяющейся добавке позволяет создать тампонажный состав доступным и с широкой областью применения.

Отличительными характеристиками предлагаемого состава являются:

- использование в качестве расширяющейся добавки продукта взаимодействия цемента с кислотой и/или основанием;

- использование расширенной сырьевой базы по вяжущему.

Способ получения предлагаемого состава в литературе не найден, поэтому разработка способа его получения - это вторая задача настоящего изобретения.

Получение прототипа предлагаемого состава согласно патенту РФ 2204694 включает в себя другие процессы:

- приготовление расширяющейся добавки - сульфоалюминатно-известкового спека, обжигом высокоалюминатной глины, известняка и гипса при 1000-1200°С;

- приготовление термообработанной глины обжигом при 700-900°С;

- механическое смешение компонентов состава.

Данный способ не включает в себя приготовление продукта взаимодействия кислоты и/или основания с цементом, используемого в качестве расширяющейся добавки, поэтому не может рассматриваться в качестве прототипа способа получения предлагаемого тампонажного состава.

Получение предлагаемого тампонажного состава осуществляется в более мягких условиях и включает в себя:

- приготовление расширяющейся добавки - продукта взаимодействия кислоты и/или основания с цементом - в водно-дисперсионной среде;

- механическое смешение компонентов состава.

Аналогов предлагаемому способу получения тампонажного состава не обнаружено.

Для увеличения срока хранения получаемого состава, предотвращения его комкования (слеживаемости) допускается дополнительно просушивать и/или просеивать компоненты состава.

Практическая реализация предлагаемого состава и способа его получения иллюстрируется следующими примерами.

1. Состав на основе расширяющейся добавки из цемента и кислоты и его получение

В портландцемент при интенсивном перемешивании добавляют раствор серной кислоты при следующем массовом соотношении компонентов (цемент - вода - кислота) 1:0,7:0,2 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось вскипания. Суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки, затем сушат при температуре 170-180°С в течение 5 часов, измельчают, просеивают и просеянную фракцию используют в качестве расширяющейся добавки.

Навеску (150 г) расширяющейся добавки и 850 г напрягающего цемента перемешивают в механическом смесителе 5-10 минут. После чего полученный тампонажный состав, содержащий 85% вяжущего и 15% расширяющейся добавки, закупоривают в герметичную тару.

Для использования тампонажного состава его затворяют водой в массовом соотношении состав - вода, равном 1:(0,3-0,4).

Аналогично получают тампонажный состав, используя как вяжущее вместо напрягающего цемента: другие виды цемента (глиноземистый, гипсоглиноземистый, портландцемент), известь, соль кремниевой или фосфорной кислоты либо смеси перечисленных вяжущих. Применение указанных вяжущих широко отражено в литературе (например, Справочник работника строительной лаборатории завода ЖБИ. / Под. ред. М.Ю.Лещинского. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Будивельник, 1980. - 256 с.; Сычев М.М. Неорганические клеи. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1986. - 152 с.; В.Шульце, В.Тишер, В.-П. Эттель. Растворы и бетоны на нецементных вяжущих. / Пер. с нем. Т.Н.Олесовой. М.: Стройиздат, 1990. - 240 с.), поэтому здесь дополнительно не отражается.

2. Состав на основе расширяющейся добавки из цемента и основания и его получение

В смесь глиноземистого цемента и оксида кальция при интенсивном перемешивании добавляют в один прием воду (массовое соотношении цемент - оксид кальция - вода составляет 1:1:1). Суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки, затем сушат при температуре 170-180°С в течение 5 часов, измельчают, просеивают и просеянную фракцию используют в качестве расширяющейся добавки.

Навеску (130 г) расширяющейся добавки и 870 г гипсоглиноземистого цемента перемешивают в механическом смесителе 5-10 минут, после чего полученный тампонажный состав, содержащий 87% вяжущего и 13% расширяющейся добавки, закупоривают в герметичную тару.

Для использования тампонажного состава его затворяют водой в массовом соотношении состав - вода, равном 1:(0,3-0,4).

3. Состав на основе расширяющейся добавки из цемента, кислоты и основания и его получение

В портландцемент при интенсивном перемешивании добавляют раствор серной кислоты при следующем массовом соотношении компонентов (цемент - вода - кислота) 1:0,6:0,2 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось вскипания. Суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки.

Затем в суспензию при интенсивном перемешивании добавляют воду и оксид кальция при следующем массовом соотношении компонентов (исходный цемент - вода - оксид кальция) 1:1:1 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось сильного вскипания.

После чего суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки. Затем смесь сушат при температуре 170-180°С в течение 5 часов, измельчают, просеивают и просеянную фракцию используют в качестве расширяющейся добавки.

Навеску (350 г) расширяющейся добавки и 650 г портландцемента (лучше быстросхватывающегося) перемешивают в механическом смесителе 5-10 минут, после чего полученный тампонажный состав, содержащий 65% вяжущего и 35% расширяющейся добавки, закупоривают в герметичную тару.

Для использования тампонажного состава его затворяют водой в массовом соотношении состав - вода, равном 1:(0,3-0,4).

Дополнительные добавки (для усиления действия расширяющейся добавки, удешевления состава, повышения пластичности рабочего раствора, изменения сроков схватывания и твердения и т.п.) вводят на стадии смешивания компонентов тампонажного состава либо после этого. Например, в состав, приготовленный согласно примеру 2, добавляют 25 г поташа (ускоритель твердения). Смесь перемешивают 5-10 мин и переносят в герметичную тару. Результаты испытания состава с добавкой поташа приведены ниже.

Образец:Срок схватывания, мин,началоконецпо примеру 2415по примеру 2 с поташом14

4. Состав на основе расширяющейся добавки из цемента, кислоты и основания с использованием альтернативной кислоты и основания и его получение

В портландцемент при интенсивном перемешивании добавляют раствор ортофосфорной кислоты при следующем массовом соотношении компонентов (цемент - вода - кислота) 1:0,6:0,15 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось вскипания. Суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки.

Затем в суспензию при интенсивном перемешивании добавляют воду и гидрооксид железа при следующем массовом соотношении компонентов (исходный цемент - вода - гидрооксид железа) 1:1:0,8 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось сильного вскипания.

После чего суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки. Затем смесь сушат при температуре 170-180°С в течение 5 часов, измельчают, просеивают и просеянную фракцию используют в качестве расширяющейся добавки.

Навеску (200 г) расширяющейся добавки и 800 г портландцемента перемешивают в механическом смесителе 5-10 минут, после чего полученный тампонажный состав, содержащий 80% вяжущего и 20% расширяющейся добавки, закупоривают в герметичную тару. Для использования тампонажного состава его затворяют водой в массовом соотношении состав - вода, равном 1:(0,3-0,4).

Аналогичным образом получают состав, содержащий в качестве расширяющейся добавки продукт взаимодействия других кислот (например, соляной, плавиковой, азотной) и других оснований (например, гидрооксида магния, оксида магния, оксида цинка, гидрооксида бария).

5. Состав на основе расширяющейся добавки из цемента, кислоты и основания, дополнительно содержащий, по крайней мере, один компонент из ряда: оксид, гидрооксид и соль металла с валентностью не менее двух, и его получение

В портландцемент при интенсивном перемешивании добавляют раствор серной кислоты при следующем массовом соотношении компонентов (цемент - вода - кислота) 1:0,6:0,2 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось вскипания. Суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки.

Затем в суспензию при интенсивном перемешивании добавляют воду и оксид кальция при следующем массовом соотношении компонентов (исходный цемент - вода - оксид кальция) 1:1:1 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось сильного вскипания.

После чего суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки. Затем смесь сушат при температуре 170-180°С в течение 5 часов, измельчают, просеивают и просеянную фракцию (расширяющуюся добавку) смешивают с просушенным гидрооксидом алюминия при следующем массовом соотношении компонентов (расширяющаяся добавка - гидрооксид алюминия) 1:0,2, а полученную смесь используют для приготовления состава.

В навеску (300 г) смеси из расширяющейся добавки с гидрооксидом алюминия добавляют 600 г портландцемента и перемешивают в механическом смесителе 5-10 минут, после чего полученный тампонажный состав, содержащий 60% вяжущего и 25% расширяющейся добавки, закупоривают в герметичную тару.

Для использования тампонажного состава его затворяют водой в массовом соотношении состав - вода, равном 1:(0,3-0,4).

Аналогичным образом получают состав, дополнительно содержащий другой (вместо или помимо гидрооксида алюминия), по крайней мере, один компонент из ряда: оксид, гидрооксид и соль металла с валентностью не менее двух (например, оксид магния, гидрооксид кальция, хлорид кальция, сульфат алюминия, хлорид железа). Указанные добавки широко используются для повышения водонепроницаемости бетонов (а.с. СССР 823360; Справочник по производству сборных железобетонных изделий. - М.: Стройиздат, 1982, с.41-45).

6. Состав на основе расширяющейся добавки из цемента, кислоты и основания, дополнительно содержащий, по крайней мере, один компонент из ряда: глина, песок, слюда, сажа, органические продукты, и его получение

В портландцемент при интенсивном перемешивании добавляют раствор серной кислоты при следующем массовом соотношении компонентов (цемент - вода - кислота) 1:0,6:0,2 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось вскипания. Суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки.

Затем в суспензию при интенсивном перемешивании добавляют воду и оксид кальция при следующем массовом соотношении компонентов (исходный цемент - вода - оксид кальция) 1:1:1 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось сильного вскипания.

После чего суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки. Затем смесь сушат при температуре 170-180°С в течение 5 часов, измельчают, просеивают и просеянную фракцию (расширяющуюся добавку) смешивают с просушенной глиной (каолином) при следующем массовом соотношении компонентов (расширяющаяся добавка - глина) 1:0,5, а полученную смесь используют для приготовления состава.

В навеску (300 г) смеси из расширяющейся добавки с глиной добавляют 600 г портландцемента и перемешивают в механическом смесителе 5-10 минут, после чего полученный тампонажный состав, содержащий 60% вяжущего и 20% расширяющейся добавки, закупоривают в герметичную тару.

Для использования тампонажного состава его затворяют водой в массовом соотношении состав - вода, равном 1:(0,3-0,4).

Аналогичным образом получают состав, дополнительно содержащий другой (вместо или помимо глины), по крайней мере, один компонент из ряда:

- песок, слюда, сажа;

- органические продукты - материалы растительного происхождения, отходы, образующиеся при производстве изделий на основе органических полимерных материалов (например, опилки, солому, пластмассовую крошку);

- мелкие фракции шлака (например, зола-уноса), или базальта, или апатитов, или извести (например, кальцит).

7. Состав на основе расширяющейся добавки из цемента, кислоты и основания, дополнительно содержащий замедлитель схватывания, и его получение

В портландцемент при интенсивном перемешивании добавляют раствор серной кислоты при следующем массовом соотношении компонентов (цемент - вода - кислота) 1:0,6:0,2 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось вскипания. Суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки.

Затем в суспензию при интенсивном перемешивании добавляют воду и оксид кальция при следующем массовом соотношении компонентов (исходный цемент - вода - оксид кальция) 1:1:1 с такой скоростью, чтобы не наблюдалось сильного вскипания.

После чего суспензию выдерживают в закрытой емкости 1 сутки. Затем смесь сушат при температуре 170-180°С в течение 5 часов, измельчают, просеивают и просеянную фракцию (расширяющуюся добавку) смешивают с замедлителем схватывания (винной кислотой) при следующем массовом соотношении компонентов (расширяющаяся добавка - глина) 1:0,05, а полученную смесь используют для приготовления состава.

В навеску (300 г) смеси из расширяющейся добавки с замедлителем схватывания добавляют 600 г портландцемента и перемешивают в механическом смесителе 5-10 минут, после чего полученный тампонажный состав, содержащий 60% вяжущего и 28,6% расширяющейся добавки, закупоривают в герметичную тару.

Для использования тампонажного состава его затворяют водой в массовом соотношении состав - вода, равном 1:(0,3-0,4). Результаты испытания состава с добавкой замедлителя схватывания приведены ниже.

Образец:Срок схватывания, мин,началоконецпо примеру 2415по примеру 7 с винной кислотой60180

Изобретение может быть использовано в строительстве и добыче полезных ископаемых для ликвидации протечек (гидроизоляции швов, цементирования скважин, остановки водопритока в шахтах), крепления элементов строительных конструкций (анкерных болтов, элементов декора). Состав тампонирующего действия содержит, мас.%: минеральное вяжущее - напрягающий, глиноземистый, гипсоглиноземистый цемент, портландцемент, известь, соль кремниевой или фосфорной кислоты или их смесь 50-95 и расширяющуюся добавку - продукт взаимодействия кислоты и/или основания с цементом 5-50. Для получения состава готовят расширяющуюся добавку путем взаимодействия кислоты и/или основания с цементом в водно-дисперсионной среде, выдерживания суспензии, сушки и измельчения и механически смешивают компоненты состава. Изобретение развито в зависимых пунктах. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Состав тампонирующего действия на основе минерального вяжущего и расширяющейся добавки, отличающийся тем, что в качестве минерального вяжущего он содержит, по крайней мере, один компонент из ряда: напрягающий цемент, глиноземистый цемент, гипсоглиноземистый цемент, портландцемент, известь, соль кремниевой или фосфорной кислоты, а в качестве расширяющейся добавки - продукт взаимодействия кислоты и/или основания с цементом при следующем соотношении компонентов указанного состава, мас.%:

минеральное вяжущее50-95расширяющаяся добавка5-50