Активация твердения цементов разрядно-импульсным воздействием Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 622.245.422

А.Н. КУЗНЕЦОВ, канд. техн. наук, М.С. ГАРКАВИ, д-р техн. наук, О.К. МЕЛЬЧАЕВА, инженер (o.melchaeva@gmail.com), Магнитогорский государственный технический университет (МГТУ); Е.М. НУРИЕВА канд. геол.-минерал. наук, Казанский (Приволжский) федеральный университет

Активация твердения цементов разрядно-импульсным воздействием

Задача повышения физико-механических и эксплуатационных свойств бетона на основе минеральных вяжущих является весьма актуальной. Решение этой задачи возможно за счет использования разрядно-импульсного воздействия (РИВ), сущность которого заключается в создании в дисперсной системе мощного электрического разряда [1]. Эффект этого воздействия в значительной степени зависит от вида вяжущего.

Целью данной работы является изучение влияния РИВ на твердение наиболее распространенных в строительной практике цементов — портландцемента и шла-копортландцемента.

В работе использовались цементы Магнитогорского цементно-огнеупорного завода, характеристики которых приведены в таблице.

Разрядно-импульсное воздействие осуществлялось на цементное тесто в лабораторной установке, позволяющей реализовать образование высоковольтного электрического разряда с энергией единичного импульса 29,4 Дж, длительностью 0,8 мкс и плотностью энергии 1013—1014 Дж/м3. Интенсивность воздействия составляет 1200 импульсов.

На рис. 1 приведен прирост прочности цементного камня в зависимости от возраста образцов.

Как следует из приведенных данных, при прочих равных условиях разрядная активация паст на основе шлаковых цементов более эффективна, чем паст на основе ПЦ, причем прирост прочности снижается по мере достижения марочного возраста образцов.

Степень восприимчивости цементных паст к разрядно-импульсному воздействию зависит от концентрации в системе твердой фазы (водоцементного отношения). Увеличение В/Ц с 0,3 до 0,4 приводит к возрастанию прочности цементного камня в марочном возрасте по сравнению с контрольными образцами с 30 до 56%. Усиление эффекта воздействия с увеличением В/Ц объясняется тем, что в этом случае повышается содержание основной токопроводящей фазы — воды, что способствует улучшению условий разряда и гомогенизации смеси при осуществлении разрядно-импульсного воздействия.

В случае с ШПЦ полученные результаты обусловлены дополнительной активацией шлакового стекла при воздействии высоковольтного электрического разряда.

В работе [2] показано, что относительная инертность шлаковых стекол при гидратации ШПЦ связана с образованием донорно-акцепторных связей сильными льюисовскими кислотными центрами, нейтрализующими немостиковые атомы кислорода на поверхности. Одним из способов разрушения таких пар, приводящих к образованию новых активных центров, и является электроразрядная активация цементных паст на основе ШПЦ, хотя конкретный механизм разрушения указанных пар может быть различным.

Вероятно, активированная разрядом поверхность шлакового стекла в составе ШПЦ интенсивно сорбирует ионы кальция, что приводит к снижению концентрации ионов Са2+ в жидкой фазе теста и стимулирует гидролиз клинкерных минералов. Этот процесс отражается при электрофизическом исследовании как значительное увеличение накопленного заряда в вяжущей системе (рис. 2).

Активация шлакового стекла по указанному механизму приводит к повышению его пуццолановой активности, увеличению скорости гидратации клинкерных минералов ШПЦ, упрочнению адгезионных контактов.

Проведенный рентгенофазовый анализ показал, что в активированных образцах происходит резкое возрастание гидравлической активности алита, а также заметно увеличивается количество тоберморитоподобных низкоосновных гидросиликатов кальция [3].

Появление на поверхности твердой фазы новых активных центров и дополнительная активация существующих при РИВ связаны с изменением зернового состава цементных паст [4].

Как показали проведенные исследования (рис. 3), в пасте увеличивается количество самых мелких частиц: доля частиц фракции 0,31—1,95 мкм после РИВ возрастает на 42% по сравнению с контрольной пастой, а доля частиц фракции 1,95—9,00 — на 26%. Следовательно, при РИВ происходит диспергация микрочастиц цементной пасты. После 10 мин гидратации удельная поверхность

80 70 60 50 40 30 20 10 0

Рис. 1

ПЦ 500

□ ПЦ 500

□ ШПЦ 300

3 сут

Возраст образцов

28 сут

. Влияние РИВ на прочность цементного камня на основе: и ШПЦ 300

0,8

5 0,7

£ 0,6 CL

СО

5 0,5

х 0,4

ф

§ 0,3

S2

£ 0,2 0,1 0

□ ПЦ 500

□ ШПЦ 300

- 1

Без воздействия

После РИВ

Рис. 2. Величина накопленного электрического заряда для цементных дисперсий на основе ПЦ 500 и ШПЦ 300

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" ~30 ноябрь 2011 Ь^ШШ'

Цемент Кол-во шлака, % Уд. поверхность, S, м2/кг Нормальная густота,% Сроки схватывания, ч-мин Механическая прочность, МПа

начало конец изгиб сжатие

2 сут 28 сут 2 сут 28 сут

ШПЦ 300 53 294 27,6 4-10 6-45 2,1 5,81 8,5 33,8

ПЦ 500 - 371 26,8 3-20 4-20 3,2 6,25 16,8 52,6

„ 35 s- 30

5 25

сс

£ 20

Ф

и 15

I 10

ч

о О

гь

□ 1 □ 2

0,31-1,95 1,95-9 9-19,31 19,31-41,43 41,43-76,32 >76,32 Размер фракции, мкм Рис. 3. Зерновой состав цементных пастах: 1 - паста после РИВ; 2 - контрольная паста

цементной пасты после РИВ составляет 641,6 м2/кг, в то время как удельная поверхность контрольной пасты лишь 534,1 м2/кг (прирост 20%). Следует отметить, что значительное увеличение удельной поверхности после РИВ связано не только с диспергирующим действием электрогидравлических ударов, но и с более интенсивным формированием высокодисперсных новообразований после РИВ с соответствующим увеличением активной поверхности [5].

Измельчение частиц способствует образованию химических и других дефектов, что определяет химическую активность (реакционную способность) взаимодействующих компонентов [3]. Кроме того, после РИВ увеличивается и количество дислокаций, в том числе вышедших на поверхность, которые являются активными центрами

и активно участвуют в процессах гидратации и в конденсационных процессах структурообразования.

Из всего вышеизложенного следует, что увеличение прочности цементного камня после РИВ обусловлено:

— диспергацией частиц и ростом числа активных центров;

— ростом количества высокодисперсных игольчатых новообразований гидросиликатов кальция;

— изменением структуры межфазных граничных слоев, т. е. их наноструктурированием;

— интенсификацией структурообразования.

Ключевые слова: разрядно-импульсное воздействие, портландцемент, шлакопортландцемент.

Список литературы

1. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машино-строение,1986. 253 с.

2. Казанская Е.Н., Сычев М.М. Активация твердения портландцемента // Цемент. 1991. № 5. С. 31—35.

3. Сватовская Л.Б., Сычев М.М. Активированное твердение цементов. Л.: Стройиздат, 1983. 160 с.

4. Сычев М.М. Природа активных центров, методы активации гидратации и твердения цементов // Цемент. 1992. № 3. С. 79 - 89.

5. Кузнецов А.Н. Структурообразование цементов и бетонов при разрядно-импульсном воздействии: Диссертация ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2006. 174 с.

Активатор

\ измельчение акшвацГ1я синтез

Активатор-231_

100 во Ч ео

и гз

3 40 20 0

■ • /

5 мим. в j*

У • * •• / ' 1 мин.

10 100 диаметр частиц, мкм

Лабораторные мельницы "Активатор" для заводских и исследовательских лаборатории.

100

во

. 60 а

i 40

гВ

20 О

Активатор-4М

2 мин, ■

^ 1 МИН,

*•

1 10 100 диаметр частиц, мкм

Для проболодготовки материалов

Для наработки небольших партий материалов

Активатор-25

Для помола материалов в ударном, сдвиговом, вихревом режимах

www.activator.ru »

Новосибирск, Софийская 18. оф 107 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: 8(383) 325-18-49 Тел: 8 913 942 94 81 е niail: belyaev;S,ac.:iva:or.ru Реклш

Cj научно-технический и производственный журнал

® ноябрь 2011 31