Содержащие цемент композиции и способ их применения - RU2266266C2

Описание

Данное изобретение относится к содержащим цемент композициям, способу их приготовления и способу их применения.

Содержащие цемент композиции, часто называемые жидкими цементными растворами, интенсивно использовали в шахтах главным образом для создания крепи. Однажды созданный свод шахты будет обычно до некоторой степени опускаться, и потому существовала практика размещения массивных опор под ним для предотвращения опускания. Такие крепи были способны деформироваться, сохраняя в то же время хорошую способность нести нагрузку, обычно несколько сотен фунтов на квадратный дюйм (p.s.i.). Традиционно данное требование выполняли путем использования жидких цементных растворов с высоким содержанием воды, закачиваемых в гибкий контейнер, часто называемый коробом, после чего цемент оставляли пластично деформироваться под нагрузкой. Ранее цемент представлял собой цемент такого типа, который быстро образует значительное количество эттрингита, например материалы, продаваемые под торговыми наименованиями Tekpak, Hydropak и Aquapak. Образующие эттрингит жидкие цементные растворы основывались на смесях алюмоземного цемента, сульфата кальция и источника извести. Обычно алюмоземный цемент закачивали в виде взвеси отдельно от смеси сульфат кальция/известь для получения двухкомпонентного жидкого цементного раствора с продленным временем работы каждого компонента. Соединение двух компонентов вызывает схватывание в течение нескольких минут. Применяли очень высокие соотношения вода/твердые вещества так, чтобы взвеси имели низкую вязкость для того, чтобы их можно было перекачивать на большие расстояния, например до 10 километров, через трубопроводы малого диаметра к месту применения.

Ранее было также предложено использовать реакцию между силикатом щелочного металла и портланд-цементом для получения выдерживающего нагрузку материала для создания крепи в шахтах.

Например, в патенте США 3672173 описано изготовление самоподдерживающихся перегородок в проходах шахты, которое включает смешение водной суспензии, содержащей портланд-цемент, с водным раствором силиката, такого как силикат щелочного металла, в том месте, где желательно соорудить перегородку. Получаемые смеси должны быть быстро схватывающимися и схватываются по мере отложения, так что они могут непрерывно подаваться порциями на дно и стенки отдаленных проходов шахты для образования непреодолимых для воды перегородок, которые не требуют использования опалубки.

В патенте США 4984933 описан жидкий цементный раствор, имеющий антисмываемые свойства, приготовленный из (a) цемента, такого как обычный портланд-цемент и пуццолановый или подобный материал, такой как летучая зола, шлак доменных печей или подобное, (b) гелирующего агента, такого как силикат натрия, сульфат алюминия, сульфат магния или подобное, и (c) антисмывного замедлителя, например природного или синтетического полимера, который должен окружать частицы цемента для того, чтобы защитить такие частицы от вымывания водой, присутствующей в свободном пространстве, в которое помещают жидкий цементный раствор. Количество гелирующего агента в отношении к сухому цементу может составлять до 8%.

В патенте США 3928052 описана перекачиваемая содержащая цемент взвесь, которая не должна схватываться пока ее перемешивают, но быстро схватывается в статических условиях, каковая взвесь содержит цемент, такой как портланд-цемент, соединение силиката металла, основание для замедления гелирования силиката, соль для понижения вязкости и достаточно воды для превращения композиции в перекачиваемую взвесь. Взвесь может перекачиваться в течение нескольких часов, но если перемешивание прекратить более чем на пять минут, взвесь начинает образовывать жесткий гель, который не может быть сдвинут незначительно спустя примерно 30 минут. Описано, что при приготовлении взвеси силикат, основание и соль могут быть растворены в части воды, которая должна использоваться, и цемент смешивают с оставшейся порцией воды и затем первую часть, содержащую силикат, основание и соль, объединяют со смесью цемент/вода для образования конечной взвеси.

Реакция портланд-цемента с силикатами щелочных металлов также была описана ранее в патенте США 4655837, в котором описано приготовление легковесных строительных блоков, содержащих поры, сформированные путем образования газообразного водорода. Блоки изготовляют из композиций, содержащих от 70 до 94 частей портланд-цемента, 10-30 частей гипса, 1-3 частей гидроксида натрия, 150-275 частей насыщенного раствора силиката натрия, от 1/4 до 11/2 частей алюминия или цинка и от 2 до 5 частей кислотного ингредиента, где все части являются массовыми. Ни в одном из этих предшествующих патентов не описан способ изготовления крепи, в котором жидкий цементный раствор, полученный смешением содержащего цемент компонента с компонентом, содержащим силикат, подают в гибкий контейнер таким образом, который позволяет контейнеру и его содержимому деформироваться по контуру поверхности шахты. В данных патентах не описан также жидкий цементный раствор, который является жидким в течение достаточно продолжительного времени для того, чтобы деформировать контейнер по контуру поверхности шахты, и благодаря этому пригоден для применения в данном способе.

Существует потребность в улучшенном способе создания крепи в шахте, который может уменьшить или исключить применение алюмоземных цементов, являющихся относительно дорогими, и который также дает цементный раствор, являющийся жидким в течение достаточного времени, чтобы позволить цементному раствору, поданному в гибкий контейнер, деформировать контейнер по контуру поверхности шахты. Такая способность деформироваться и примыкать плотно к поверхностям шахты является особенно важной, когда требуется обеспечить равномерное распределение нагрузки и также когда желательно образовать плотные перегородки для воздуха или газа в шахте.

Настоящее изобретение предлагает решение данной проблемы поставкой первого компонента, включающего портланд-цемент и воду, и предпочтительно замедлитель реакции гидратации цемента, и предпочтительно также суспензионный агент для предотвращения выпадения твердых веществ в осадок, и второго компонента, включающего водный раствор силиката, подачи компонентов на место использования, где их смешивают для получения жидкого цементного раствора и подачи образованного таким образом жидкого цементного раствора в гибкий контейнер, способный деформироваться по контуру поверхности шахты.

Согласно настоящему изобретению предложена отверждающаяся цементирующая композиция, которая является жидкой в течение времени, достаточного для того, чтобы она была пригодной для использования в гибком контейнере для создания крепи в шахте, при этом композиция содержит:

(i) портланд-цемент в количестве, по меньшей мере, около 8%, предпочтительно около 10%, более предпочтительно, по меньшей мере, около 12%;

(ii) водорастворимый силикат, предпочтительно силикат щелочного металла, в количестве от, по меньшей мере, около 2% и

(iii) воду в количестве, достаточном для обеспечения массового соотношения воды к твердым веществам, по меньшей мере, около 1,2:1, предпочтительно, по меньшей мере, около 1,5:1, более предпочтительно, по меньшей мере, около 2:1, и где %% даны в расчете на объединенную массу (i), (ii) и (iii).

Согласно другому аспекту изобретения предложен способ приготовления отверждающейся композиции, которая является жидкой в течение достаточно продолжительного времени для того, чтобы быть пригодной для применения в гибком контейнере для создания крепи в шахте, каковой способ включает приготовление первого компонента, содержащего портланд-цемент, воду и предпочтительно замедлитель реакции гидратации цемента, и предпочтительно также суспензионный агент для предотвращения выпадения твердых веществ в осадок, приготовление второго компонента, содержащего раствор силиката в воде, и смешение первого и второго компонента для образования отверждающейся композиции, имеющей минимальное содержание твердых веществ, по меньшей мере, около 10% масс., предпочтительно, по меньшей мере, около 12% масс., более предпочтительно, по меньшей мере, около 20% масс., и массовое соотношение воды к твердым веществам, по меньшей мере, около 1, 2:1, предпочтительно, по меньшей мере, около 1,5:1 и более предпочтительно, по меньшей мере, около 2:1.

Композиции по изобретению могут быть предоставлены в виде двух потоков с высоким содержанием воды (взвесь, содержащая портланд-цемент и раствор, содержащий силикат), которые должны быть смешаны. Композиция, полученная смешением двух потоков, пригодна для применения в качестве шахтной крепи в гибком контейнере и обеспечивает улучшенный контакт со сводом шахты и потому улучшенные характеристики крепи. В дополнение было найдено, что целесообразно вводить в цементную взвесь суспензионный агент. Это неожиданно позволяет оставлять питающие трубопроводы заполненными взвесью в статических условиях, на многие часы сохранить перекачиваемость.

Известно, что для образования жидких цементных растворов в одном потоке используют ангидрит (в виде взвеси), а в другом - цемент с высоким содержанием оксида алюминия. Когда во взвеси цемента с высоким содержанием оксида алюминия содержатся обычные замедлители, можно получить срок сохранения перекачиваемости трое суток. При добавке дополнительного замедлителя становится более затруднительно вызвать схватывание. Однако неожиданно было обнаружено, что если использовать взвесь портланд-цемента с высоким содержанием воды, содержащую замедлитель, вместо более дорогого цемента с высоким содержанием оксида алюминия, схватывание может быть легко вызвано силикатным раствором и может быть достигнута высокая прочность даже при массовых отношениях воды к твердым веществам 2:1 или более.

Подразумевается, что термин "шахта" в настоящей заявке включает карьеры, штольни и все подземные выработки.

Термин "портланд-цемент" в настоящей заявке означает цемент, который содержит трикальцийсиликат и дикальцийсиликат, которые вместе составляют, по меньшей мере, 50% от массы цемента.

Подразумевается, что термин "пуццолан" включает неалюмоземные цементы, такие как шлак доменных печей, летучая зола, мета-каолин и возогнанный диоксид кремния.

Портланд-цемент в том виде, в каком он поставляется производителем, содержит один или несколько таких материалов, как гипс (который обычно присутствует в количестве около 5% для предотвращения быстрого схватывания), которые можно считать действующими как замедлители. Поэтому термин "замедлитель реакции гидратации цемента" в настоящей заявке относится к такому материалу, как глюконат, который не присутствует в портланд-цементе, каким его поставляет производитель, и который замедляет гидратацию дикальциевых и трикальциевых силикатов.

Термин "перекачиваемый" означает способность перекачиваться обычными насосами, которые используют в горно-добывающей промышленности.

Термин "твердые вещества" в выражении "отношение воды к твердым веществам" относится и к растворенным, и к не растворенным твердым веществам.

Предполагается, что термин "самовыравнивающийся" означает, что композиция должна течь под своим собственным весом.

Гибкий контейнер, применяемый в настоящем изобретении, может быть таким, какой описан в заявке WO 97/47859, описание которого приведено в качестве ссылки. В опубликованной заявке описан контейнер, который включает трубчатый элемент, обычно изготавливаемый из стали, имеющий на своих концах резиновые диафрагмы, которые способны раздуваться и прижиматься к своду и дну шахты при введении накачиваемого несущего нагрузку материала, причем диафрагмы достаточно эластичны для того, чтобы следовать неровностям поверхности свода и дна шахты.

Массовое количество воды (iii) в схватывающейся композиции предпочтительно составляет от 65% до 85% в расчете на объединенную массу (i), (ii) и (iii).

Компонент, содержащий портланд-цемент, который находится в виде взвеси, предпочтительно содержит замедлитель реакции гидратации цемента и предпочтительно также суспензионный агент для облегчения перекачиваемости, например полисахаридную смолу или бентонит, или тонко измельченный аморфный диоксид кремния.

Схватывающаяся композиция может содержать (iv) другие алюмоземные цементы, например доменный шлак обычно в размолотом гранулированном виде, известный в практике как МГШДП (мелкогранулированный шлак доменных печей), летучая зола, которая может быть класса С или класса F, мета-каолин, возогнанный диоксид кремния или другой пуццолан, количество которого может достигать 35%, предпочтительно 20% масс. от объединенной массы (i), (ii), (iii) и (iv).

Обычно его количество находится в интервале от 2%, предпочтительно 4%, до 15% масс.

Схватывающие композиции проявляют следующую прочность при сжатии:

на 2 часа, по меньшей мере, 10 psi, предпочтительно, по меньшей мере, 15 psi,

на первые сутки, по меньшей мере, 50 psi, предпочтительно, по меньшей мере, 100 psi,

на седьмые сутки, по меньшей мере, 100 psi, предпочтительно, по меньшей мере, 150 psi, более предпочтительно, по меньшей мере, 200 psi. Хранение при 20^оС.

Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложен способ создания крепи в шахте, который включает приготовление двух потоков, как определено здесь до этого, и перекачку потоков в точку использования, смешение суспензий для получения жидкого цементного раствора и применение жидкого цементного раствора для изготовления крепи в шахте.

Подходящими силикатами для применения в настоящем изобретении могут быть любые из тех, которые описаны в патентах США 3672173, 4984933, 3928052 и 4655837.

Предпочтительными силикатами являются силикаты щелочных металлов и предпочтительные отношения диоксида кремния к оксиду натрия составляют от 1,5 до 3,3 к 1.

Согласно следующему аспекту изобретения предложена система, включающая два компонента, которые должны быть смешаны для получения отверждающейся композиции, причем каждый из компонентов способен перекачиваться в течение, по меньшей мере, 4 часов, предпочтительно, по меньшей мере, 24 часов, более предпочтительно, по меньшей мере, 48 часов и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 72 часов, если хранятся при 15^оС в статических условиях, в которой первый компонент включает:

(a) портланд-цемент и

(b) воду и предпочтительно замедлитель реакции гидратации цемента, и предпочтительно также суспензионный агент для предотвращения выпадения твердых веществ в осадок при массовом соотношении воды к твердым частицам портланд-цемента от 0,5:1 до 5:1

и второй компонент включает:

(c) водорастворимый силикат и

(d) воду

при массовом соотношении воды к силикату от 1,5:1 до 25:1.

Изобретение поясняется следующими примерами, которые описывают получение жидких отверждающихся композиций, которые сразу после смешения имеют достаточно низкую вязкость (динамическая вязкость ниже примерно 100 сантипуаз) для того, чтобы быть способными принять дополнительную воду, и которые являются текущими или самовыравнивающимися. Композиции гелировались за примерно 30 секунд.

После гелирования ни одна из отверждающихся композиций, полученных в примерах, не показала выступания цементного молока.

Пример 1

Смола Welan представляет собой суспензионный агент для предотвращения выпадения твердых частиц цемента в осадок и обеспечения тем самым перекачиваемости после хранения в статических условиях.

Глюконат натрия является замедлителем реакции гидратации портланд-цемента.

Тип 1 - это обозначение портланд-цемента, используемое в США согласно ASTM C150-00.

Количество МГШДП в расчете на общую массу А и В составляло 6%.

Компонент А в виде взвеси и компонент В в виде раствора готовили из индивидуальных ингредиентов, показанных в таблице 1.

Компонент А готовили, вначале смешивая портланд-цемент, смолу Welan, МГШДП и глюконат, и затем образованную таким образом смесь (которая была в виде порошка) добавляли к воде. Во всех примерах компонент А готовили таким образом, т.е. готовили сухой порошок и добавляли его к воде.

При хранении при 15^оС в статических условиях, т.е. без перемешивания, срок перекачиваемости компонента В был бесконечным, а срок перекачиваемости компонента А составлял несколько недель.

Компоненты А и В смешивали в равных объемах для получения жидкой самовыравнивающейся композиции, в которую может быть легко введена дополнительная вода. Массовое отношение воды к твердому веществу составляло 2,38:1.

Жидкую композицию закачивали в гибкий контейнер, как описано в WO 97/47859, помещенный в шахту, для того, чтобы раздуть последний до герметичного контакта с контурами свода и дна шахты.

Были проведены измерения осевой прочности на сжатие. Готовили 100 мм кубики схватившегося цементного раствора в формах из пенополистирола и определяли их прочность на сжатие в различном возрасте, используя стандартную машину для испытаний на сжатие.

Данный метод был использован во всех примерах.

Прочность на сжатие после хранения при 20^оС была следующей:

На 28 сутки образец поддавался нехрупким образом. Для того, чтобы быть эффективным при использовании в качестве шахтной крепи, желательно, чтобы композиции поддавались под нагрузкой и не разрушались хрупким образом.

Пример 2

Данный пример описывает композицию, которая содержит мало портланд-цемента и не соответствует изобретению, и включен только в целях сравнения.

Пример 1 был повторен с другими количествами индивидуальных ингредиентов, показанными в таблице 2.

Компонент А формировали смешением ингредиентов в таком же порядке, как описано в примере 1.

Компоненты А и В были способны перекачиваться в течение, по меньшей мере, 24 часов, когда хранились при 15^оС в статических условиях.

Компоненты А и В смешивали в равных объемах, получая схватывающуюся композицию, имевшую массовое отношение воды к твердому веществу 2,27:1.

Количество МГШДП в расчете на общую массу А и В составляло 19,9%.

Композицию перемешивали и закачивали в гибкий контейнер как описано в примере 1.

Прочность на сжатие по оси определяли, как описано в примере 1. Прочность спустя 2 часа была слишком низкой для того, чтобы быть определенной, а прочность через 1 сутки составила только 176 psi. Обычно считают, что для того, чтобы цементный раствор стоял без опалубки, требуется прочность, по меньшей мере, около 10-15 psi.

Пример 3

Данный пример соответствует изобретению и показывает эффект увеличения количества портланд-цемента.

Компоненты А и В готовили, используя количества индивидуальных ингредиентов, показанные в таблице 3. Оба компонента были способны перекачиваться в течение, по меньшей мере, 24 часов, когда хранились при 15^оС в статических условиях.

Компоненты смешивали в равных объемах, получая жидкую самовыравнивающуюся схватывающуюсякомпозицию, в которую может быть легко введена дополнительная вода.

Количество МГШДП в композиции составляло 14,9%. Массовое отношение воды к твердому веществу составляло 2,27:1. Композиция гелировалась за примерно 30 секунд.

Композицию закачивали в гибкий контейнер как описано в примере 1.

Прочность на сжатие была следующей:

Пример 4

Данный пример соответствует изобретению и показывает эффект исключения пуццоланы из композиции.

Компоненты А и В готовили, используя количества индивидуальных ингредиентов, показанные в таблице 4.

Оба компонента были способны перекачиваться в течение, по меньшей мере, 24 часов после хранения в статических условиях при 15^оС.

Компоненты смешивали в равных объемах, получая жидкую самовыравнивающуюся схватывающуюся композицию, в которую может быть легко введена дополнительная вода. Массовое отношение воды к твердому веществу составляло 2,47:1.

Композицию закачивали в гибкий контейнер как описано в примере 1.

Измеренная прочность на сжатие была следующей:

Пример 5

Данный пример соответствует изобретению.

Компоненты А и В готовили, используя количества индивидуальных ингредиентов, показанные в таблице 5.

Оба компонента были способны перекачиваться в течение, по меньшей мере, 24 часов после хранения при 15^оС в статических условиях. Компоненты смешивали в равных объемах, получая жидкую схватывающуюся композицию, которая была самовыравнивающейся. Композиция имела массовое отношение воды к твердому веществу 2,48:1. Композицию закачивали в гибкий контейнер как описано в примере 1.

Измеренная прочность на сжатие была следующей:

Примеры 4 и 5 показывают преимущества (прочность продолжает возрастать между 1 и 7 сутками) включения пуццоланы в рецептуру.

Дополнительными преимуществами композиций по изобретению, продемонстрированными в вышеприведенных примерах, являются следующие:

(i) глиноземные и сульфоглиноземные цементы, применявшиеся ранее, стоят примерно в три или четыре раза больше, чем обычный портланд-цемент. Поэтому композиции по изобретению, содержащие обычный портланд-цемент, дают значительную экономическую выгоду.

(ii) при ранее используемых цементных растворах, образованных из компонента, содержащего глиноземный цемент, и другого компонента, содержащего сульфат кальция, не оказалось возможным одновременно снизить гидратацию двух компонентов за трое суток и все же получить требуемую скорость совместного схватывания двух компонентов. Это означает, что существует опасность забивки подающих труб для двух компонентов, если оставить их стоять на выходные. Компоненты, использованные в вышеприведенных примерах, имеют улучшенную стабильность, в некоторых случаях более 2 недель, и существенно снижают упомянутые выше трудности.

(iii) из схватывающихся композиций по настоящему изобретению не выступает цементное молоко.

Реферат

Настоящее изобретение относится к схватывающейся жидкой цементирующей композиции, которая является жидкой в течение времени, достаточного для того, чтобы она была пригодной для использования в гибком контейнере, для создания крепи в шахте, к способу её приготовления, способу её применения для создания крепи в шахте. Указанная композиция содержит (i) портланд-цемент в количестве, по меньшей мере, около 8%, предпочтительно около 10%; (ii) водорастворимый силикат в количестве, по меньшей мере, около 2% и (iii) воду в количестве, для обеспечения массового соотношения воды к твердым веществам, по меньшей мере, около 1,2:1, предпочтительно, по меньшей мере, около 1,5:1, и где %% даны в расчете на объединенную массу (i), (ii) и (iii). Вязкость непосредственно после смешения компонентов является достаточно низкой для того, чтобы могла быть введена добавочная вода. Композиция может включать (iv) пуццолану в количестве от 2 до 35% масс. в расчете на объединенную массу (i), (ii), (iii) и (iv). Технический результат - получение самовыравнивающейся цементирующей композиции с ускоренным набором прочности, способной перекачиваться в течение по меньшей мере 24-х часов после хранения в статических условиях, снижение стоимости композиции, получение седиментационно устойчивой композиции.4 н. и 7 з.п.ф-лы, 5 табл.

Формула