УПЛОТНЯЮЩАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ГИДРОИЗОЛЯЦИИ И ОМОНОЛИЧИВАНИЯ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК Российский патент 2010 года по МПК C04B28/04 E21D11/10 C04B41/50 C04B111/20 C04B111/27 

Изобретение относится к инъекционным сухим смесям и может быть использовано, в частности, для обеспечения герметичности швов в железобетонных блоках тоннелей, прокладываемых в условиях неагрессивных грунтовых вод, а также для осуществления гидроизоляции.

Известен сухой уплотняющий материал, используемый, в частности, для гидроизоляции и омоноличивания тоннельных обделок, представляющий собой цемент гипсоглиноземный расширяющийся по ГОСТ11052-74.

Этот материал содержит доменные шлаки, которые являются отходом металлургического производства с неопределенными свойствами, в связи с чем физико-химические свойства цемента по ГОСТ11052-74 непостоянны; прочность цемента недостаточна; ввиду высокого содержания SO₃ (до 17 мас.%) долговечность материала недостаточна; кроме того, цемент по ГОСТ11052-74 выделяет сероводород при затворении, что недопустимо при работе в замкнутом пространстве тоннеля.

Известна уплотняющая смесь, которая может быть использована для омоноличивания и гидроизоляции нефтяных и газовых скважин, а также и тоннельных обделок. Смесь содержит портландцементный клинкер, шлаковый, сульфатсодержащий и глиноземсодержащий компоненты; в качестве глиноземсодержащего компонента смесь содержит белый шлам, образующийся на стадии глубокого обескремнивания алюминатных растворов при производстве глинозема методом спекания из высококремнистых глиноземсодержащих руд, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Белый шлам глиноземного производства 4,0-8,0 Сульфатсодержащий компонент (%SO₃) 2,0-5,0 Шлаковый компонент 10,0-15,0 Портландцементный клинкер Остальное

SU1435764.

Недостатком указанной смеси является низкая механическая прочность получаемого из нее материала, а также длительные сроки затвердевания.

Известна уплотняющая смесь для гидроизоляции тоннельных обделок, которая может быть также использована для их омоноличивания; смесь содержит портландцемент, расширяющий сульфоалюминатный компонент в виде гипсоглиноземистого цемента в сочетании с глиноземистым цементом и тонкодисперсное волокно в виде асбеста при соотношении компонентов, мас.%:

Гипсоглиноземистый цемент 27-30 Портландцемент 27-30 Асбест 9,5-10 Глиноземистым цементом 30-36

SU 300436.

Данная смесь является наиболее близким техническим решением по отношению к заявленному изобретению по совокупности общих существенных признаков и принята в качестве прототипа.

Недостатки прототипа состоят в следующем:

- слишком короткие сроки схватывания (начало схватывания 4-10 мин), что вызывает необходимость затворения небольших порций смеси, которая должна быть использована за весьма короткий промежуток времени. Ввиду быстрого схватывания материал укладывается в заполняемое пространство в несколько приемов с использованием дополнительного оборудования - чеканочного молотка; указанное выше усложняет и увеличивает продолжительность технологического процесса;

- глиноземистые и гипсоглиноземистые цемента, входящие в состав смеси, характеризуются нестабильностью химического состава и свойств, поскольку являются продуктом измельчения глиноземистых шлаков, образующихся в качестве отходов металлургического производства, что в результате обусловливает низкий уровень прочности как при сжатии, так и при сцеплении с основанием;

- растворная смесь не обладает достаточной тиксотропностью, что вызывает ее сползание с потолочных и вертикальных поверхностей;

- наличие асбеста резко ухудшает санитарно-гигиенические характеристики смеси.

Задачей настоящего изобретения является упрощение и сокращение продолжительности технологического процесса при осуществлении гидроизоляции и омоноличивания тоннельных обделок, повышение начальной прочности получаемого из смеси омоноличивающего материала, повышение тиксотропности растворной смеси и предотвращение тем самым ее сползания с потолочных и вертикальных поверхностей, а также улучшение санитарно-гигиенических характеристик.

Согласно изобретению смесь для гидроизоляции и омоноличивания тоннельных обделок, включающая портландцемент, расширяющийся сульфоалюминатный компонент и тонкодисперсное волокно, дополнительно содержит сополимер винилацетата и винилверсатата, винную кислоту или ее растворимые соли и кварцевый песок с размером частиц 0,1-2,5 мм, при этом в качестве расширяющегося сульфоалюминатного компонента используют смесь СаО: Аl₂О₃: SO₃ при мольном соотношении (3,1-3,5):(0,9-1,2):(2,2-2,6), в качестве портландцемента использован портландцемент бездобавочный с активностью не менее 25,0 МПа через 1 сутки, в качестве тонкодисперсного волокна используют целлюлозное волокно с размером волокон 0,03-1,0 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент бездобавочный 45-50 смесь СаО:Al₂O₃:SO₃ при мольном   соотношении (3,1-3,5):(0,9-1,2):(2,2-2,6) 2,5-3,5 винная кислота или ее растворимые соли 0,010-0,025 сополимер винилацетата и винилверсатата 0,2-0,5 целлюлозное волокно 0,1-0,2 кварцевый песок остальное

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Портландцемент является основой смеси; бездобавочный портландцемент (в конкретном примере - ПЦ 500-ДО по ГОСТ 10178-85) обеспечивает быстрый набор прочности при твердении, чего не обеспечивают портландцементы с добавками (минеральными), поскольку содержание активного клинкера в них существенно ниже. Кроме того, активность бездобавочного портландцемента должна быть не менее 25,0 МПа через 1 сутки, поскольку в ином случае прочность затвердевшего материала в ранние сроки недостаточна для осуществления таких ответственных работ, как гидроизоляция и омоноличивание тоннельных обделок; материал может выпадать из герметизируемого шва, что недопустимо. При содержании бездобавочного портландцемента менее 45 мас.% снижается прочность в начальные сроки, а при содержании этого компонента более 50 мас.% увеличиваются сроки схватывания смеси и также уменьшается прочность раствора.

Смесь СаО:А1₂O₃:SO₃ является расширяющимся компонентом, что обеспечивает надежное удержание раствора в герметизируемых щелях, и повышает трещиностойкость. Мольное соотношение СаО:Аl₂О₃SО₃ в указанных пределах (3,1-3,5):(0,9-1,2):(2,2-2,6) обеспечивает образование фазы эттрингит по реакции: СаО·Аl₂О₃+3CaO·SO₂·0,5H₂O+2CaO·Н₂O+28.5H₂O→3СаO·Аl₂О₃·3CaO·3SO₃·32Н₂O.

Образование фазы эттрингит в начальный период гидратации смеси обеспечивает сокращение сроков схватывания, высокую прочность при сжатии, необходимую величину расширения. Указанные свойства недостаточно выражены при содержании СаО:Аl₂О₃:SО₃ в смеси менее 2,5 мас.%, а при содержании данного компонента более 3,5 мас.% происходит слишком большое расширение раствора, что может привести к деформации и даже разрушению уплотняемой конструкции.

Наличие в составе заявленной смеси винной кислоты или ее растворимых солей (тартратов) в количестве 0,010-0,025 мас.% позволяет обеспечить требуемые сроки схватывания - 10-30 мин. При содержании этого компонента менее 0,010 мас.% время схватывания - менее 10 мин, что слишком мало для осуществления процесса работы со смесью, а при содержании его более 0,025 мас.% время схватывания более 30 мин, что может привести к сползанию растворной смеси из уплотняемого шва.

Использование сополимера винилацетата с винилверсататом в количестве 0,2-0,5 мас.% обеспечивает придание инъекционной растворной смеси пластичности, необходимой для свободного заполнения швов без дополнительного механического уплотнения, увеличение прочности сцепления растворной смеси с основанием; обеспечивается предотвращение сползания растворной смеси с вертикальных и потолочных поверхностей; при содержании данного компонента в количестве менее 0,2 мас.% не обеспечивается необходимая подвижность инъекционной растворной смеси и достаточная величина сцепления с основанием; увеличение содержания сополимера винилацетата с винилверсататом > 0,5 мас.% удлиняет сроки схватывания растворной смеси, замедляет кинетику твердения раствора.

Применение в качестве волокнистого компонента целлюлозного волокна обеспечивает экологическую чистоту смеси. Особенность строения целлюлозного волокна, представляющего собой трубки, полые внутри, дополнительно обеспечивает высокую тиксотропность растворной смеси - повышение подвижности в момент приложения нагрузки за счет освобождения свободной воды из волокна и последующее сокращение подвижности после снятия нагрузки, что предотвращает сползание растворной смеси с вертикальных и потолочных поверхностей. При содержании целлюлозного волокна менее 0,1 мас.% указанные свойства мало проявляются, а при его содержании выше 0,2 мас.% существенно увеличивается водопотребность смеси, что обусловливает ухудшение ее основных характеристик. Кварцевый песок является заполнителем, повышает трещиностойкость, участвует в регулировании кинетики фазообразования.

Таким образом, реализация отличительных признаков заявленного изобретения обеспечивает указанные выше важные новые свойства объекта.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».

В таблице приведены свойства растворов, приготовленных из заявленной смеси с различным соотношением исходных компонентов.

Далее описан пример получения раствора из смеси, имеющего наиболее высокие свойства (пример 3 в таблице).

В смеситель было введено 475 кг портландцемента бездобавочного ПЦ 500-ДО с активностью более 25,0 МПа, 28 кг смеси СаО:Аl₂О₃:SO₃ при мольном соотношении 3,36:1,02:2,40, 0,2 кг винной кислоты, 3 кг сополимера винилацетата и винилверсатата, 1 кг целлюлозного волокна; компоненты перемешивались в течение 3 минут. Затем в смеситель вводился заполнитель - кварцевый песок (0,1-2,5 мм), смесь дополнительно перемешивалась 3 минуты. Затворение сухой инъекционной смеси водой проводилось на месте применения. В смеситель наливали необходимое количество воды - (В/Т=0,15) 150 л из расчета на 1 тонну смеси, затем засыпали сухую смесь, растворная смесь перемешивалась в течение 2 минут, после чего была готова к использованию.

Раствор по примерам 1, 2, 4, 5, 6, 7 и согласно прототипу приготовлялся аналогично.

Благодаря возможности регулирования времени схватывания и увеличения его до 10-30 мин обеспечивается возможность укладывания растворной смеси в уплотняемый шов в один прием без использования дополнительного оборудования - чеканочного молотка, что позволяет упростить и уменьшить продолжительность технологического процесса герметизации шва; повышается начальная прочность (в 1 сутки) получаемого из смеси твердого омоноличивающего материала; увеличивается тиксотропность растворной смеси и предотвращается тем самым ее сползание с потолочных и вертикальных поверхностей.

Компоненты сухой инъекционной смеси выпускаются промышленностью, широко доступны. Технология приготовления и применения сухой инъекционной смеси реализуется с использованием стандартного оборудования. Это обусловливает соответствие заявленного изобретения критерию «промышленная применимость».

Изобретение относится к инъекционным сухим уплотняющим смесям и может быть использовано, в частности, для обеспечения герметичности швов в железобетонных блоках тоннелей, прокладываемых в условиях неагрессивных грунтовых вод, а также для осуществления гидроизоляции. Смесь для гидроизоляции и омоноличивания тоннельных обделок включает портландцемент бездобавочный с активностью не менее 25,0 МПа через 1 сутки, расширяющийся сульфоалюминатный компонент - смесь СаО:Al₂O₃:SO₃ при мольном соотношении (3,1-3,5):(0,9-1,2):(2,2-2,6), тонкодисперсное целлюлозное волокно с длиной волокон 0,03-1,0 мм, сополимер винилацетата и винилверсатата, винную кислоту или ее растворимые соли и кварцевый песок с размером частиц 0,1-2,5 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный портландцемент 45-50, указанная смесь СаО:Al₂O₃:SO₃ 2,5-3,5, винная кислота или ее растворимые соли 0,010-0,025, указанный сополимер 0,2-0,5 указанное целлюлозное волокно 0,1-0,2, указанный кварцевый песок - остальное. Технический результат - упрощение и сокращение продолжительности технологического процесса, повышение начальной прочности получаемого из смеси омоноличивающего материала, повышение тиксотропности растворной смеси и предотвращение ее сползания с потолочных и вертикальных поверхностей, а также улучшение ее санитарно-гигиенических характеристик. 1 табл.

Смесь для гидроизоляции и омоноличивания тоннельных обделок, включающая портландцемент, расширяющийся сульфоалюминатный компонент и тонкодисперсное волокно, отличающаяся тем, что дополнительно содержит сополимер винилацетата и винилверсатата, винную кислоту или ее растворимые соли и кварцевый песок с размером частиц 0,1-2,5 мм, при этом в качестве расширяющегося сульфоалюминатного компонента используют смесь СаО:Al₂O₃:SO₃ при мольном соотношении (3,1-3,5):(0,9-1,2):(2,2-2,6), в качестве портландцемента использован портландцемент бездобавочный с активностью не менее 25,0 МПа через 1 сутки, в качестве тонкодисперсного волокна используют целлюлозное волокно с размером волокон 0,03-1,0 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
портландцемент бездобавочный 45-50 смесь СаО:Al₂O₃:SO₃ при мольном   соотношении (3,1-3,5):(0,9-1,2):(2,2-2,6) 2,5-3,5 винная кислота или ее растворимые соли 0,010-0,025 сополимер винилацетата и винилверсатата 0,2-0,5 целлюлозное волокно 0,1-0,2 кварцевый песок остальное