Состав тампонирующего действия и способ его получения

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.

 

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 портландцемент	49-74,9
сульфоалюминатно-известковый спек	5-20
абиетат натрия	0,1-1,0

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,
начало	конец
по примеру 2	4	15
по примеру 2 с поташом	1	4

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,
начало	конец
по примеру 2	4	15
по примеру 7 с винной кислотой	60	180

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 вяжущее	50-95
расширяющаяся добавка	5-50

2. Состав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по крайней мере, один компонент из ряда: оксид, гидрооксид и соль металла с валентностью не менее двух.

3. Состав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по крайней мере, один компонент из ряда: глина, песок, слюда, сажа, органические продукты - материалы растительного происхождения, отходы, образующиеся при производстве изделий на основе органических полимерных материалов.

4. Состав по п.3, отличающийся тем, что в качестве песка он содержит мелкие фракции шлака или базальта, или апатитов, или извести.

5. Состав по любому из пп.3-4, отличающийся тем, что в качестве материалов растительного происхождения он содержит опилки или солому.

6. Состав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит замедлитель схватывания или ускоритель твердения.

7. Способ получения состава тампонирующего действия, включающего минеральное вяжущее и расширяющуюся добавку, характеризующийся приготовлением расширяющейся добавки путем взаимодействия кислоты и/или основания с цементом в водно-дисперсионной среде, выдерживания полученной суспензии, сушки и измельчения и последующим механическим смешиванием компонентов указанного состава.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что после измельчения указанной добавки ее дополнительно просеивают.