Композиция для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов

Изобретение относится к промышленности строительных материалов. Технический результат заключается в повышении скорости твердения цемента, водонепроницаемости, прочности при растяжении и изгибе композиций. Композиция для восстановления железобетонных конструкций содержит компонентцы при следующем соотношении, мас. %: цементное вяжущее 22,72-25,15; фракционированный кварцевый песок после 2-кратной обработки НТНП 63,33-67,74; бесхлорная химически активная добавка 0,32-0,45; отходы производства структурированного ферромагнитного микропровода диаметром 5-35 мкм и длиной 10-15 мм 0,05-0,25; водная суспензия нанокристаллической целлюлозы, содержащей 0,7-4,8 мас. % НКЦ, 3,81-8,57%; вода затворения - остальное. 2 табл.

 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к производству бетонных и железобетонных смесей и изделий, ремонтных строительных растворов, которые могут быть использованы для восстановления и ремонта бетонных и железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов, других видов строительных материалов на основе цемента.

Известна комплексная добавка, вводимая в бетонные смеси и строительные растворы в количестве 4-8% от массы цемента, для повышения сроков схватывания и набора прочности бетона в ранние сроки твердения и водонепроницаемости бетона, содержащая цитрат натрия трехзамещенный технический безводный, полученный обработкой цитрата натрия трехзамещенного двуводного при температуре 200°С в течение 2-3 часов, и сульфат алюминия при их соотношении 75-80 и 20-25 мас % (Патент РФ №2610458). Смешивание порошкообразного сульфата алюминия и обезвоженного цитрата трехзамещенного осуществляют в шаровой мельнице в течение 1 часа. Недостатками предложенного метода повышения прочности строительных растворов и бетонов является относительно низкая прочность бетонов и ремонтных составов, а также большая продолжительность обработки трехзамещенного двуводного цитрата натрия.

Известен способ приготовления цементных строительных растворов, включающий облучение строительного состава, после его затворения водой, электромагнитным полем сверхвысокой частоты в диапазоне частот 500-5000 МГц при удельной мощности облучения 0,1-10 Вт/см³ в течение 5-300 с, сопровождающийся нагревом строительного раствора до температуры 20-60°С (Патент РФ №2612173). Недостатком данного способа приготовления строительных растворов является технологическая сложность его применения при выполнении работ по ремонту и восстановлению бетонных и железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов, а также низкая прочность ремонтных составов при изгибе и растяжении.

Известен способ ускорения процессов гидратации цемента и повышения скорости набора прочности цементных растворов и бетонов, основанный на использовании для их производства водоцементной суспензии, обработанной низкотемпературной плазмой с последующим совмещением ее с минеральным вяжущим и заполнителями для приготовления формовочных масс. Водоцементную суспензию обрабатывают в течение от 1⋅10^-2 до 5⋅10^-2 с. низкотемпературной плазмой со значением параметра Е/N=15⋅10^-16 В⋅см², где Е - напряженность электрического поля, N - суммарная концентрация частиц плазмы при значениях удельного энерговклада, превышающего 1 кВт/м³ и напряженности электрического поля более 1 кВ/мм в искровом разряде (Патент РФ №2695212). Недостатком данного способа является недостаточная скорость набора прочности в ранний период твердения бетона и невысокая прочность бетонов и строительных растворов при растяжении и изгибе.

Известна ремонтно-гидроизолирующая композиция на основе смеси портландцемента марки ПЦ - 500 Д0 и высокоглиноземистого и/или гипсоглиноземистого цемента, содержащая фракционированный кварцевый песок, волластонит, безхлорную химически активную добавку, неуплотненный микрокремнезем и порошкообразный гиперпластификатор, водорастворимый целлюлозный загуститель, винилацетат-этиленовый полимер и сополимер акриловой кислоты, пеногаситель и расширяющую добавку, минеральную или синтетическую фибру и воду затворения (Патент РФ №2471738). Недостатками предложенной композиции являются ее многокомпонентность длительные сроки набора прочности и относительно низкие прочностные характеристики отвержденной композиции при растяжении и изгибе.

Известна ленточная шовная композиция сохнущего типа для стеновых плит, содержащая связующее, систему загустителей, наполнитель, воду, биоцид, глину, слюду и 0,05-0,15 мас. % нанокристаллическую целлюлозу диаметром менее 60 нм в качестве добавки, улучшающей сопротивление растрескиванию шовной композиции при сушке (Патент РФ №2627057). В шовной композиции в качестве связующего используют поливиниловый спирт, этиленвинилацетатный латекс, крахмал, козеин, полиакрилоамид, сополимер акриламида и акриловой кислоты или их комбинацию. Недостатком известной шовной композиции является сложность ее применения при восстановлении строительных конструкций коммуникационных коллекторов.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является композиция для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов, состоящая из портландцемента, фракционированного кварцевого песка 1 класса (фракция менее 0,5 мм и 0,5-2,0 мм) после его 2-х кратной обработки низкотемпературной неравновесной плазмой (НТНП) в плазмохимическом реакторе, воды затворения, состоящую из смеси обычной воды, соответствующей ГОСТ 23732 - 2011, и воды, обработанной НТНП в плазмохимическом реакторе, при их соотношении 1:1, и минеральной фибры, в качестве которой применяют отходы производства структурированного ферромагнитного микропровода диаметром 5-35 мкм и длиной 10-15 мм (Патент РФ №2745107). Недостатком известной композиции для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов является недостаточно высокие прочностные характеристики при растяжении и изгибе и водонепроницаемость затвердевшей композиции.

Технический результат изобретения - повышение скорости твердения цемента, водонепроницаемости, прочности при растяжении и изгибе композиций для восстановления и ремонта бетонных и железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов.

Технический результат достигается тем, что для получения композиции для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов используют цементное вяжущее, фракционированный кварцевый песок, прошедший 2-х кратную обработку низкотемпературной неравновесной плазмой, бесхлорную химически активную добавку, металлическую фибру, представляющую собой отходы производства структурированного ферромагнитного микропровода диаметром 5-35 мкм и длиной 10-15 мм и воду затворения, при этом для ее получения дополнительно используют водную суспензию нанокристаллической целлюлозы, содержащей 0,7-4,8 мас. % НКЦ, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

цементное вяжущее	22,72-25,15
фракционированный кварцевый песок
после 2-кратной обработки НТНП	63,33-67,74
бесхлорная химически активная добавка	0,32-0,45
отходы производства структурированного
ферромагнитного микропровода диаметром 5-35 мкм
и длиной 10-15 мм	0,05-0,25
водная суспензия нанокристаллической целлюлозы,
содержащей 0,7-4,8 мас. % НКЦ,	3,81-8,57%
вода затворения	остальное.

Для плазменной обработки фракционированного кварцевого песка применяли плазмотрон, состоящий из внутреннего стержневого электрода, помещенного внутрь внешнего кольцевого электрода, между которыми создается область низкотемпературной неравновесной плазмы со значением параметра Е/N=15⋅10^-16 В⋅см², где Е - напряженность электрического поля, N - суммарная концентрация частиц плазмы при значениях удельного энерговклада, превышающем 1 кВт/м³ и напряженности электрического поля более 1 кВ/мм в искровом разряде. Время обработки кварцевого песка в установке НТНП составляет (1-5)⋅10^-2 с. В результате плазмохимических процессов, протекающих на поверхности кварцевого песка при обработке НТНП происходит оплавление поверхности частиц SiO₂ и уменьшение на 10-18% его водопотребности. При такой обработке поверхность кварцевого песка переходит из кристаллической структуры в аморфную.

Структурированный ферромагнитный микропровод представляет собой тонкий металлический сердечник в стеклянной изоляции (трехслойный композит), состоящий из металлического проводника диаметром 1-30 мкм, структурированного переходного слоя толщиной ≈5 нм и стеклянной изоляции толщиной 2-30 мкм. Технология получения структурированного ферромагнитного микропровода в стеклянной оболочке состоит в следующем: навеска ферромагнитного сплава помещается в стеклянную трубку с опаянным концом и вводится в индуктор высокочастотной установки. Под действием магнитного поля ферромагнитный сплав плавится и размягчает примыкающие к нему стенки стеклянной трубки. Путем прикосновения к донцу микрованны стеклянным штапиком, часть ее оболочки оттягивается на специальное приемное устройство в виде капилляра со сплошным металлическим заполнением в виде непрерывной теплопроводящей жилы. По пути от микрованны до приемного устройства микропровод проходит через кристаллизатор в виде струи охлажденного агента. В результате закалки расплава получают структурированный микропровод с аморфной и кристаллической структурой (патент РФ №2396621, Н01В 13/06).

Основные характеристики структурированного ферромагнитного микропровода представлены ниже:

структура	аморфная
температура плавления, °С	950-1150
плотность, кг/м3	7200-7300
прочность при растяжении, МПа	2500-4500%
относительное удлинение при разрыве, %	2,5-4,0
коэффициент линейного расширения, 10-6/°С	10,5-11,5
максимальная температура эксплуатации, °С	250.

Отходы производства структурированного ферромагнитного микропровода представляют собой волокна диаметром 5-35 мкм и длиной 10-15 мм. При содержании структурированного ферромагнитного микропровода 0,05-0,25% наблюдается значительное повышение прочности при растяжении и изгибе ремонтных составов, используемых для восстановления и ремонта железобетонных конструкций, подверженных динамическим воздействиям.

В качестве цементного вяжущего для производства композиций для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов используют портландцемент марки ПЦ 500 Д0 (ГОСТ 31108-2016) или его смесь с высокоглиноземистым цементом марки ГЦ-40; 50; 60; 70, ВВЦ (ГОСТ 11052-72, ГОСТ 969-2019) или глиноземистым цементом типа ГГРЦ (ГОСТ 11052-74). В качестве кремнеземистого компонента применяли фракционированный кварцевый песок 1 класса по ГОСТ 8736-2014, а в качестве бесхлорной химически активной добавки - формиат кальция и нитрат кальция или их сочетание. Фракционированный песок способствует образованию более плотной упаковки частиц в затвердевшей композиции и повышает водоудерживающую способность. Вода затворения соответствовала требованиям ГОСТ 23732-2011.

Нанокристаллическая целлюлоза является продуктом контролируемого гидролиза целлюлозосодержащего материала. Водную суспензию нанокристаллической целлюлозы(НКЦ) получали по методике, описанной в работе [Bondeson, D. Optimization of the isolation of nanocrystals from microcrystalline cellulose by acid hydrolysis / D. Bondeson, A. Mathew, &K. Oksman // Cellulose. -2006. - V. 13. - N2. - P. 171-180.] с некоторой ее модификацией. Указанная методика представляет собой контролируемый сернокислотный гидролиз исходной целлюлозы, в качестве которой использовали чистую целлюлозу, не содержащую лигнина, гемицеллюлоз и других веществ - микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ) (Sigma-Aldrich) или сульфатную целлюлозу (ГОСТ 3914-89). Гидролиз проводили в растворе серной кислоты (62%) при температуре 50°С в течение двух часов при интенсивном перемешивании. Модуль ванны составлял 3 г МКЦ на 100 мл раствора серной кислоты.

В стеклянный реактор с рубашкой охлаждения наливали 58 мл H₂O, затем медленно добавляли 52 мл H₂SO₄ (98%) при охлаждении и перемешивании. Когда температура раствора достигала ~15°С вводили при перемешивании 3 г МКЦ. После этого охлаждение отключают и нагревают смесь до +50°С. При этой температуре осуществляем гидролиз МКЦ в течение 2-х часов. Остановку гидролиза проводили выключением нагрева и добавлением холодной воды, увеличивая реакционный объем в 6-10 раз. После этого отмывают суспензию от кислоты дистиллированной водой с чередованием центрифугирования (10 минут при 8000 об/мин) и удаления надосадочной жидкости. Этап центрифугирования прекращается после 5-6 промывок, контролируя процесс индикаторной бумагой.

После этого суспензию НКЦ обрабатывают ультразвуком (Sonorex DT100 Bandelin) и отмывают с помощью ионообменной смолы для удаления остаточных ионов. В качестве ионообменной смолы используют катионно-анионную смолу марки ТОКЕМ MB-50(R). Суспензию, предназначенную для очистки, нейтрализовали до рН~7,0 и добавляли 25 г ТОКЕМ MB-50(R) на 1 г целлюлозы. Для расчета требуемого количества смолы предварительно гравиметрически определяли концентрацию НКЦ в суспензии. Точный объем НКЦ отливали в чашку Петри и высушивали на воздухе до постоянной массы. Процесс очитки продолжается не менее 3-х суток с периодическим помешиванием. Затем отфильтровывают НКЦ от смолы и определяют ее концентрацию. Для получения суспензии НКЦ нужной концентрации используют ротационный испаритель. Сушку водных суспензий НКЦ можно проводить и методом полива в чашку Петри для получения пленки или методом сублимационной сушки для получения аэрогелей НКЦ. Сублимационную сушку водных суспензий НКЦ проводили в аппарате ЛС-500 при давлении 6 Па, температуре коллектора -54°С в течение 36-48 часов. Образцы предварительно замораживали при температуре -40°С в течение 2 суток. Аэрогели НКЦ можно использовать для повторного диспергирования в воде и некоторых органических растворителей.

Свойства водной суспензии нанокристаллической целлюлозы приведены ниже:

концентрация НКЦ в водной суспензии, мас. %	0,7-4,8
рН	4-7
размер частиц НКЦ, нм	150-250.

При получении композиций для восстановления железобетонных конструкций водную суспензию НКЦ предварительно совмещали с водой затворения в требуемом соотношении.

Для испытания композиции для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов готовили образцы, которые твердели в нормальных тепловлажностных условиях. Прочность образцов композиции при сжатии и изгибе определяли с помощью гидравлического пресса Unstron 3382 и разрывной машины WDW - 100Е по ГОСТ 5802 - 86, а сроки схватывания - по ГОСТ 5802 - 86. Прочность образцов композиций определяли через 1; 7; 14 и 28 суток их твердения. Водонепроницаемость определяли через 28 суток твердения образцов по ГОСТ 12730.5-2018.

Составы для получения композиций для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов по известному и заявленному способам представлены в таблице 1, а их физико-механические свойства - в таблице 2.

Из таблицы 1 следует, что содержание НКЦ в предложенной композиции может варьироваться в пределах от 0,025 до 0,41 мас. % в зависимости от ее концентрации в водной суспензии нанокристаллической целлюлозы.

Из данных таблицы 2 следует, что заявленная композиция для восстановления железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов обладает высокой скоростью твердения, повышенными водонепроницаемостью и прочностью при растяжении и изгибе. Это особенно актуально для ремонтных композиций, используемых для восстановления железобетонных конструкций, подверженных динамическим воздействиям, в частности, для железобетонных конструкций коммуникационных коллекторов. При этом оптимальной концентрацией НКЦ в ремонтной композиции является 0,13-0,20 мас. %.

Композиция для восстановления железобетонных конструкций, содержащая цементное вяжущее, фракционированный кварцевый песок, прошедший 2-кратную обработку низкотемпературной неравновесной плазмой - НТНП, безхлорную химически активную добавку, металлическую фибру, представляющую собой отходы производства структурированного ферромагнитного микропровода диаметром 5-35 мкм и длиной 10-15 мм, и воду затворения, отличающаяся тем, что для ее получения дополнительно используют водную суспензию нанокристаллической целлюлозы - НКЦ, содержащей 0,7-4,8 мас. % НКЦ, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

цементное вяжущее	22,72-25,15
фракционированный кварцевый песок
после 2-кратной обработки НТНП	63,33-67,74
бесхлорная химически активная добавка	0,32-0,45
отходы производства структурированного
ферромагнитного микропровода диаметром 5-35 мкм
и длиной 10-15 мм	0,05-0,25
водная суспензия нанокристаллической
целлюлозы	3,81-8,57
вода затворения	остальное.