Способ контроля и управления сроками схватывания, стадиями и процессами структурообразования растворных и бетонных смесей

 

Изобретение относится к строительному производству и может использоваться при изготовлении бетонных и железобетонных изделий повышенной прочности и возведении монолитных зданий и сооружений. Технический результат – возможность определения времени начала и конца схватывания, ведение пооперационного контроля состояния и образования стадий твердения смесей на основе цемента. В способе образуют, не подключая источников питания, концентрационную цепь из двух электродов однородного материала и бетонной смеси с подключением прибора автоматического контроля. Бетонная смесь используется как электролит. Генерируют в цепи изменяющуюся по величине и во времени ЭДС. По изменению ЭДС и контрольным точкам контролируют и регулируют с высокой точностью стадии твердения смеси и управляют продолжительностью режимами и качеством структурообразования смеси. После завершения структурообразования электроды оставляют застывшими в смеси с отсоединением прибора системы управления и регулирования. 1 ил.

Изобретение относится к строительному производству и может быть использовано при изготовлении бетонных и железобетонных изделий повышенной прочности и возведении монолитных зданий и сооружений.

Известны способы определения начала, конца схватывания цемента. В качестве аналога для определения начала, конца схватывания известен пенетрометрический метод Вика, который осуществляется согласно ГОСТ 310.3-76 по п.2. Иглу прибора Вика погружают в цементное тесто через каждые 10 минут. В условиях твердения смеси качество контроля резко снижается. Началом схватывания цементного теста считают время, прошедшее от начала затворения до того момента, когда игла не доходит до пластинки на 2-4 мм. Концом схватывания цементного теста считают время от начала затворения до момента, когда игла опускается в тесто не более чем на 1-2 мм. При этом если начало схватывания цементного теста в какой-то мере соответствует началу индукционного периода, то конец схватывания не соответствует окончанию индукционного периода, он не может точно определен. При схватывании цементное тесто твердеет и иглу опускать в тесто невозможно. Кроме того, для бетонной смеси этот метод вовсе не пригоден, т.к. проникновению иглы в бетонную смесь, кроме того, препятствуют и зерна наполнителя. Данный прибор имеет существенные недостатки. Он имеет большую погрешность, а соответственно низкую точность определения стадий твердения. Если начало схватывания цементного геля можно с невысокой погрешностью определить на данном приборе, то для контроля окончания схватывания и стадий твердения смеси данный способ не пригоден.

Существуют способы приготовления бетонной смеси и изготовления бетонных и железобетонных изделий, например, а.с. № 735245, МКИ С 04 В 40/02, "Способ приготовления бетонной смеси"; а.с. № 1719380, МКИ С 04 В 40/02, "Способ изготовления бетонных и железобетонных изделий". В рассматриваемых способах для повышения прочности бетонных изделий и сооружений бетонные смеси обрабатываются или подвергаются воздействию электрическим полем на основе использования электроэнергии. Но данные способы не могут эффективно использоваться без точного определения начала и конца схватывания.

Наиболее близким по техническому решению можно использовать в качестве способа определения сроков схватывания бетонной смеси и контроля кинетики твердения бетона метод по изменению электропроводности с подключением источника питания [1]. Данный способ принят в качестве прототипа. Анализ существующих исследовательских работ по способу контроля электропроводности цементного геля показывает различный характер кривых, полученных рядом исследователей с большой погрешностью разброса значений, где в основе их лежит единый физический смысл. Но так как само прохождение электрического тока через бетонную смесь влияет на процесс твердения и накладывает ряд условий, влияющих в той или иной мере на кинетику твердения смеси, то устранение отрицательных явлений этих условий (поддержание постоянных градиентов токов при измерении, ограничение и стабилизация измерительного тока, подбор диапазонов частот измерительного тока) очень усложняет конструкцию и настройку существующей измерительной аппаратуры, что приводит к ограничению применения данного способа.

Известные способы определения начала, конца схватывания и контроля стадий твердения бетонной смеси не могут в полной мере отображать сущность физико-химического процесса стадий твердения и оказывают возмущающее воздействие и неблагоприятное влияния на процесс, что сказывается на точности определения стадий и невозможности автоматизации ряда технологических процессов, бетонных работ.

Признаками предлагаемого способа, совпадающими с известными способами и методами, являются: определение времени начала и конца схватывания и контроля стадий твердения смесей на основе цемента. Известно, что физико-механические свойства цементных растворов, бетонных смесей являются общими для различных способов и характеризуются физическим состоянием и изменением структуры цементного геля во времени.

Техническим результатом изобретения является применение предложенного способа для определения времени начала и конца схватывания, ведение пооперационного контроля состояния и образования стадий твердения смесей на основе цемента, оптимального управления режимами и временем процессов структурообразования. В отличие от существующих способов и методов предлагаемый способ обеспечивает точное определение и контроль всех стадий изменения состояния бетонной смеси и управления методами активации вяжущего. Изобретение позволяет прямым способом определять более точно и эффективно время начала, конца схватывания, стадии твердения бетонной смеси. Применение данного способа позволяет исключить использование других способов косвенного, менее точного определения сроков схватывания и твердения бетонов.

Предлагаемый способ является простым и не требует дополнительных источников питания. Простота предложенного способа основана на использовании внутренней энергии цементного геля. Изобретение позволяет определять точно и непосредственно в теле конструкции или массиве смеси с различными заполнителями время начала, конца схватывания, а также осуществлять непрерывный контроль и оптимальное управление стадий твердения. Уменьшается погрешность контроля состояний смеси, исключается влияние внешних факторов, влияющих на физико-химический процесс гидратации вяжущего. Применение данного способа открывает совершенно новые возможности доступного управления процессами изготовления бетонных изделий, позволяет предложить использование более точных методов определения сроков схватывания и контроля стадий твердения смесей на основе цемента по отношению к существующим.

Аналогов предложенного способа нет. Бетонная смесь используется как электролит, на основе которой и двух электродов - обычных стержней, например из стальной проволоки или прутка, образуют концентрационную цепь и создают гальванический элемент. ЭДС, генерируемая в концентрационной цепи, по характеру изменения во времени точно соответствует стадиям изменения состояния бетонной смеси. Электроды после затвердения бетона остаются в монолите. Способ позволяет осуществлять пооперационный контроль состояния стадий структурообразования и вести автоматизацию контроля на заводах железобетонных изделий и при возведении монолитных сооружений, не вмешиваясь в физико-химические процессы структурообразования, кроме того, производить эффективное управление методами активации вяжущих в бетонных смесях. Применение способа позволяет осуществлять бетонные работы с высоким качеством, точностью, длительным пооперационным контролем твердения бетона, с контролем всех стадий твердения бетонной смеси, позволяет повышать прочность сооружений.

Сущность изобретения. Существенные признаки. Для достижения вышеуказанного технического результата в предлагаемом способе образуют, не подключая источника питания, концентрационную цепь из двух электродов однородного материала и бетонной смеси. Являясь раствором, бетонная смесь проявляет себя как твердеющий электролит с изменяющейся концентрацией ионного состава, на основе чего генерируют в цепи изменяющуюся по величине и во времени электродвижущуюся силу (ЭДС), значение которой снимается с помощью подключенного к электродам автоматического самопишущего прибора. ЭДС генерируется за счет изменения свободной энергии цементного геля. Поскольку цементный гель есть электролитическая среда, то она является твердеющим электролитом, который в отличие от классических электролитов является полиионным. По изменению ЭДС регистрируют с высокой точностью стадии твердения смеси и по показаниям самопишущего прибора контролируют продолжительность и интенсивность стадий структурообразования смеси, включая стадии: интенсивной гидратации, образования пространственной коагуляционной тиксотропно обратимой структуры, образование пространственного каркаса кристаллической структуры и конечной стадии нарастания прочности кристаллической структуры. Определяют стадии изменения кинетики структурообразования бетона, включая начало и конец схватывания, стадии твердения смеси. Контролируя изменение значение электродвижущей силы, определяют ряд характерных экстремальных точек, которые позволяют оценить стадии схватывания твердения смеси. Экстремум изменения ЭДС в конце стадии интенсивной гидратации является началом схватывания, а экстремум в конце стадии образования кристаллизационной структуры - концом схватывания.

На чертеже показаны графики изменения физической структуры цементного геля смеси по трем способам контроля: 1 - график изменения ЭДС концентрационной цепи цементного теста по предлагаемому варианту. Точки N₁, K₁ характеризуют начало и конец схватывания; 2 - график изменения ЭДС концентрационной цепи бетонной смеси по предлагаемому способу. Точки N₂, К₂ показывают начало и конец схватывания; 3 - график изменения электропроводности (по исследованиям Ахвердова [1]) на кривой 3 по изменению сопротивления R регистрируются точки О, A, N, М, К, F изменения стадий твердения бетонной смеси, где N - начало схватывания, К - конец схватывания бетонной смеси.

Описание способа. Способ позволяет определять начало, конец схватывания и контроль стадий твердения смеси на основе цемента. Смесь, например бетонная, является твердеющим электролитом с изменяющимся ионным составом и концентрацией во времени. Используя данное свойство, образуют, не подключая источников питания, концентрационную цепь из бетонной смеси и двух одинаковых электродов с подключением прибора и генерируют ЭДС. Электролит - бетонная смесь и электроды образуют гальванический элемент, который и является источником электродвижущей силы (ЭДС), регистрируемой прибором. Два электрода, помещенных в бетонную смесь, будут иметь изменяющуюся во времени разность потенциалов на протяжении схватывания и твердения смеси. Электроды могут быть выполнены, например, из стальной проволоки или прутка, они соединены с самопишущим измерительным прибором контроля, который автоматически регистрирует изменение значения ЭДС в мВ. На время измерения в качестве прибора может быть использован, например, усовершенствованный многоканальный самопишущий автоматический потенциометр типа КСП-4 с диапазоном измерения ±1В. На движущейся ленте прибора с большой точностью фиксируется кривая изменения ЭДС, которая соответствует изменению состояния (кинетики) бетонной смеси, стадиям структурообразования бетона. Для автоматического управления режимами структурообразования концентрационную цепь соединяют с системой автоматического управления и регулирования, с помощью которой осуществляется оптимальное управление режимами и процессами активации вяжущих в смеси, осуществляется регулирование процессами структурообразования.

Способ реализуется следующим образом. Как только подготовленный раствор бетонной смеси уложен в форму или опалубку, помещают два одинаковых электрода не в зависимости от глубины погружения в смесь. К выступающим над поверхностью бетонной смеси электродам подсоединяют самопишущий прибор и образуют концентрационную цепь. Помещая два электрода в бетонную смесь, являющуюся твердеющим электролитом, генерируют электродвижущую силу на время структурообразования и твердения смеси. Показания изменения ЭДС фиксируются прибором, регистрируются контрольные точки экстремальных значений, возрастания и убывания функции изменения ЭДС, определяются экстремальные и текущие значения ЭДС на кривой 2 (чертеж). Кривая изменения ЭДС с указанными на ней контрольными точками показывает стадии кинетики твердения, определяются по ним моменты времени, длительность, скорость качественного изменения стадий и процессов структурообразования, включая интенсивность гидратации, образование коагуляционно-кристаллизационной, тиксотропно-обратимой структуры, начало схватывания, образование пространственного каркаса кристаллизационной структуры, конец схватывания, период упрочнения кристаллической структуры, набор прочности цементного камня. Применяя автоматическую систему управления и регулирования, осуществляют оптимальное управление процессами активации вяжущих в смеси, регулирование и автоматический контроль как длительности и скорости качественного изменения стадий, так и режимами и качеством процессов структурообразования смеси, применяя дополнительные способы и технологические процессы влияния на повышение качества структурообразования, например, температурное влияние, вибрационные методы и др.

На чертеже кривая 2 изменения ЭДС отражает контрольные точки и стадии изменения состояния бетонной смеси. Точки являются граничными в оценке физико-химического изменения состояния смеси во времени. По показаниям изменения ЭДС определяют экстремальные значения, в точке N₂ ЭДС достигает максимального значения, фиксируют время начала схватывания, в точке К₂ минимальным значением ЭДС - время конца схватывания бетона. По изменению кривой 2 определяют стадии и управляют процессами структурообразования и твердения бетонной смеси. Начальная стадия, на отрезке О₂А₂ характеризует растворение минералов цемента в воде до образования насыщенного раствора, осуществляется образование первичных новобразований, выполняется начальная стадия флуктуации зерен смеси. Стадия A₂N₂ определяет образование коагуляционной структуры, период колоидации и интенсивной гидратации, когда происходит присоединение воды к твердой фазе реагирующих минералов, зарождение и образование кристаллогидратных новообразований высокой коллоидной дисперсности. Пограничный слой зерен цемента набухает и они вступают в непосредственный контакт, образуя коагуляционную структуру. Цементное тело теряет пластичность, наступает начало схватывания. Стадия N₂M₂ характеризует период образования кристаллизационного каркаса, кристаллизации связи с началом процесса кристаллизации гидроксида кальция и перекристаллизацией возникших дисперсных кристаллогидратов в более крупные, которые сращиваются между собой, образуя кристаллизационный каркас.

На участке А₂М₂ образуется пространственная коагуляционная тиксотропно-обратимая структура. Участок A₂M₂ характеризуется пространственно коагуляционно-кристаллизационной, тиксотропно-обратимой структурой. Данный период позволяет активно вмешиваться в процесс структурообразования с целью повышения качества структуры. Стадия M₂K₂ - осуществляется процесс обрастания сформированного каркаса гидратными соединениями, образование пространственного каркаса структуры. На стадии К₂F₂ происходит процесс уплотнения и упрочнения структуры цементного камня вследствие продолжающейся гидратации цементных зерен, происходит нарастание прочности кристаллической структуры с окончательной стабилизацией состояния структуры бетонной смеси. В процессе структурообразования бетонная смесь затвердевает и электроды оставляют застывшими в бетонном монолите и выступающие концы электродов над монолитом при необходимости отрезают, предварительно отсоединив измерительный прибор, систему управления и регулирования.

По изменению кривой 1 (чертеж) определяют с помощью предлагаемого способа стадии и управляют процессами структурообразования и твердения цементного теста. O₁A₁ - начальная стадия характеризуется растворением минералов цемента в воде до образования насыщенного раствора, появление первичных новообразований. A₁N₁ - период колоидации, характеризуется присоединением воды к твердой фазе реагирующих минералов и возникновением "зародышей" кристаллогидратных новообразований высокой коллоидной дисперсности. Пограничный слой зерен цемента набухает и зерна вступают в непосредственный контакт, образуя коагуляционную структуру. Цементное тесто теряет пластичность, наступает начало схватывания. N₁M₁ - период кристаллизации связки с началом процесса кристаллизации гидроксида кальция и перекристаллизацией возникших дисперсных кристаллогидратов в более крупные, которые сращиваются между собой, образуя кристаллический каркас. В процессе выполнения периодов A₁N₁ и N₁M₁ формируется коагуляционно-кристаллизационная, тиксотропно-обратимая структура. M₁K₁ - процесс обрастания сформированного каркаса гидратными соединениями. K₁F₁ - уплотнение и упрочнение структуры цементного камня вследствие продолжающейся гидратации цементных зерен.

На кривой 1 (чертеж) выделены два участка 1-2 и 3-4, которые показывают с большой погрешностью и определяют возможное место нахождения точек начала (1-2) и конца схватывания (3-4) по способу Вика с помощью погружения иглы на глубину L. Тогда как по предлагаемому способу определяются точно точки N₁ и K₁ начала и конца схватывания соответственно.

Источники информации

1. Ахвердов Н.И. Основы физики бетона. - М.: Стройиздат, 1979. – 144 с.

Формула изобретения

Способ контроля и управления сроками схватывания, стадиями и процессами структурообразования растворных и бетонных смесей, отличающийся тем, что образуют, не подключая источников питания, концентрационную цепь из двух электродов и бетонной смеси, являющейся твердеющим электролитом с изменяющейся концентрацией ионного состава, и генерируют в цепи изменяющуюся по величине и во времени электродвижущуюся силу (ЭДС), в то время как с помощью подключенного к электродам прибора автоматически или визуально регистрируют контрольные точки экстремальных значений, возрастания и убывания функции изменения ЭДС, определяют по ним моменты времени, длительность, скорость качественного изменения стадий и процессов структурообразования: интенсивность гидратации, образование коагуляционной тиксотропно-обратимой структуры, начало схватывания, образование пространственного каркаса кристаллизационной структуры, конец схватывания, период упрочнения кристаллической структуры, набор прочности цементного камня, при этом концентрационную цепь соединяют с системой автоматического управления и регулирования, осуществляют оптимальное управление процессами активации вяжущих в смеси и регулирования процессами структурообразования, а после завершения структурообразования электроды оставляют застывшими в смеси с отсоединением прибора системы управления и регулирования.

РИСУНКИ

Рисунок 1