CC BY
7
Экспериментальное исследование воздействия СВЧ-излучения на физико-механические характеристики бетона
Н.Д. Смирнова Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск
Аннотация: Тепловая обработка бетона наряду с пропариванием является одним из основных методов ускорения твердения бетона и достижения им передаточной, распалубочной и проектной прочности. Данные технологии обработки бетона чаще применяются на заводах при изготовлении бетонных и железобетонных изделий массового производства в пропарочных камерах периодического и непрерывного действия, под переносными колпаками на стендах и других установках или в специальных термоформах, термопакетах, кассетах и т. п. Однако все больше возникает необходимость ускорения набора прочности бетона на строительной площадке в моменте производства строительно-монтажных работ, связанных с новым строительством, ремонтом или реконструкцией существующих строений. Целью исследования является изучение ускорения набора прочности бетона, подверженного тепловой обработке с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот (СВЧ). В статье приведены данные результатов экспериментального исследования бетонных образцов на сжатие, обработанных энергией СВЧ и контрольной группы образцов, набиравших прочность в естественных условиях. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о приросте прочности обработанных образцов бетона на 1 сутки на 72.94%, на 2 сутки на 27.83%, на 3 сутки на 14.23%, на 7 сутки на 1.1% в сравнении с образцами, не подвергавшимся СВЧ-воздействиям. С 14 суток происходит плавное падение прочности в сравнении с образцами, не подвергавшимися обработке с помощью электромагнитных полей, так, на 14 сутки прочность обработанных образцов бетона уменьшилась на 2.45%, на 21 сутки на 32,17%, на 28 сутки на 25.61%. В результате анализа полученных экспериментальных данных, сделаны выводы о том, что СВЧ-воздействия на бетонный раствор значительно увеличивают прочность бетона на ранних стадиях, но негативно сказываются на проектной прочности бетона в целом. Ключевые слова: сверхвысокочастотное излучение, СВЧ, бетон, тепловая обработка, прочность, строительство.
Тепловая обработка бетона наряду с пропариванием является одним из основных методов ускорения твердения бетона и достижения им передаточной, распалубочной и проектной прочности [1]. В настоящее время является общеизвестным эффект СВЧ-полей в бытовых целях, в последние годы широко развиваются и используются технологические процессы [2-4], основанные на использовании эффекта СВЧ-энергии в производственных целях. Не менее эффективным представляется использование полей СВЧ-
Введение
излучения для активации строительных процессов, в частности, на это указывают публикации о примерах ускорения подготовки деформационных аэродромных покрытий в исследованиях института ВКС [5]. Большой вклад в изучение данных процессов внесли исследования Нефедова В. Н., Мамонтова А. В. [6-8], свидетельствующие об ускорении процесса твердения бетона при использовании в качестве источника тепла энергии микроволнового излучения.
Материалы и методы исследования
Бетонный раствор для экспериментального исследования был запроектирован согласно ГОСТ 27006-2019 «Бетоны. Правила подбора состава» класса В25. Песок подобран средней крупности, плотностью 2650
3 3
кг/м , щебень фракции 5-20 мм, плотностью 2720 кг/ м , цемент марки М500.
Для опалубки была выбрана ПВХ труба с внутренним диаметром 100 мм, согласно ГОСТу 10180-2012 «Методы определения прочности по контрольным образцам», при данном диаметре цилиндров высота их должна быть равной или больше диаметра образца.
Формование бетонных образцов происходило в течении получаса после затворения сухих заполнителей водой с последующим вибрированием образцов на виброплощадке. Всего было изготовлено 56 образца (7 серий по 4 образца в каждой), первая - контрольная партия, набиравшая прочность в естественных условиях и вторая - партия обработанных энергией СВЧ-излучения.
Вторая партия образцов по очереди помещалась в микроволновую печь с рабочей частотой колебания электромагнитного поля 2450 МГц на 300 секунд, подъём температуры по всем обработанным образцам в среднем составил 45°С с 19.5°С до 64.3°С. После обработки второй партии СВЧ-излучением, производился своевременный уход за бетонными образцами и размещение контрольной и обработанной партии в камеру для нормального
твердения. Испытания образцов бетона на сжатие проводилось на 1, 2, 3, 7, 14, 21 и 28 сутки. Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Таблица № 1
Результаты определения прочности бетонных образцов
Маркиров ка серии образцов Размеры образцов Объемна я масса образца, кг/м3 Разруша ющая нагрузка, кН Предельная прочность на сжатие МПа
Радиус 1, см Радиус 2, см Высота, см Масса, г отдельно го образца среднее
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Обработа нные СВЧ №1 (1 сутки) 10.58 10.5 11.2 2328.6 2382.93 80 9.17 11.57
10.5 10.6 11.3 2316.8 2345.44 88 10.07
10.6 10.4 11 2297.5 2412.31 122.8 14.18
10.4 10.7 11.6 2390.4 2357.79 112.4 12.86
Обычное твердение №1 (1 сутки) 10.52 10.5 11.3 2386 2433.87 46.4 5.35 6.69
10.5 10.55 10.7 2280.2 2449.39 62.4 7.17
10.48 10.5 11.1 2304.2 2401.91 64.4 7.45
10.5 10.55 10.8 2273.1 2419.15 59.2 6.8
Обработа нные СВЧ №2 (2 сутки) 10.62 10.48 11 2276.8 2367.86 126.8 14.51 14.01
10.6 10.5 11.6 2405.3 2372.06 116.8 13.36
10.64 10.52 11 2283.1 2360.94 123.3 14.03
10.5 10.54 11.48 2332.8 2337.85 122.8 14.13
Обычное твердение №2 (2 сутки) 10.55 10.45 11.05 2294.4 2397.99 111.6 12.89 10.96
10.55 10.5 11.5 2380.1 2378.84 99.6 11.45
10.4 10.7 10.88 2301.3 2420.12 86.4 9.89
10.52 10.54 11.22 2351.1 2406.2 83.6 9.6
М Инженерный вестник Дона, №8 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n8y2023/8638
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Обработа нные СВЧ №3 (3 сутки) 10.6 10.45 11.6 2404.5 2382.62 118 13.56 14.29
10.56 10.62 11.1 2288.3 2340.52 141.2 16.03
10.62 10.42 11.06 2240.1 2330.4 86.6 -
10.5 10.62 11.4 2353.6 2357.35 116.4 13.29
Обычное твердение №3 (3 сутки) 10.52 10.52 11.6 2400.8 2381.09 98 11.27 12.51
10.52 10.42 12.1 2512.2 2411.55 124.8 14.5
10.5 10.6 10.98 2282.1 2377.65 102.8 11.76
10.5 10.58 10.72 2235.5 2390.09 146 -
Обработа нные СВЧ №4 (7 сутки) 10.48 10.6 10.9 2250.5 2366.44 125 21.495 21.07
10.52 10.52 11.58 2378.2 2362.75 132 22.785
10.42 10.58 11.65 2359.4 2339.01 125 21.66
10.42 10.6 11.8 2401.4 2345.95 106 18.33
Обычное твердение №4 (7 сутки) 10.52 10.5 11.2 2300.2 2367.3 187 21.55 20.84
10.44 10.56 11.2 2340.3 2413.23 117 18.3
10.68 10.36 11.2 2297.3 2360.36 199 22.9
10.48 10.56 11.18 2319.2 2386.61 204 20.6
Обработа нные СВЧ №5 (14 сутки) 10.44 10.62 11.66 2386.2 2350.14 184 21.13 20.27
10.54 10.52 11.18 2290.2 2352.26 180 20.67
10.5 10.62 10.8 2256.5 2385.66 185 21.12
10.5 10.62 10.8 2212.5 2339.14 159 18.15
Обычное твердение №5 (14 сутки) 10.5 10.5 11.6 2444.6 2433.78 194 22.4 20.78
10.5 10.56 11.3 2357.3 2395.48 156 17.91
10.62 10.46 11.06 2293.7 2377.03 172 19.71
10.52 10.38 12.2 2513.5 2402.24 198 23.09
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Обработа 10.6 10.4 11.7 2399.8 2368.97 165 19.06
нные СВЧ 10.52 10.52 10.54 2132.4 2327.59 110 12.66 16.38
№6 (21 10.5 10.52 11.8 2400.5 2344.9 112 12.91
сутки) 10.52 10.54 11.9 2482.1 2395.11 182 20.9
Обычное 10.5 10.52 11.68 2446 2413.9 216.5 24.96
твердение 10.54 10.52 11.24 2334.9 2385.37 209.5 24.06 24.15
№6 10.62 10.46 10.5 2189.6 2390.17 204.5 23.44
(21 сутки) 10.5 10.52 11.1 2327.2 2416.66 104 -
Обработа 10.7 10.38 11.4 2348.2 2361.34 116 -
нные СВЧ 10.6 10.5 11 2260.1 2350.44 186 21.28 19.4
№7 (28 10.42 10.58 11.4 2337 2367.61 159 18.36
сутки) 10.6 10.48 11.7 2379.4 2330.9 162 18.57
Обычное 10.68 10.4 11.4 2292.6 2305.31 233 26.71
твердение 10.44 10.56 10.8 2270.4 2427.86 271 31.3 26.08
№7 10.48 10.5 11.2 2343.7 2421.27 220 25.46
(28 сутки) 10.62 10.46 10.8 2240.8 2378.12 182 20.86
Примечания. 1. В таблице предельная прочность бетона на сжатие кг/см для отдельных образцов не указана, т.к. разрушение происходило неудовлетворительно.
Полученные результаты эксперимента ускорения твердения бетона показывают в раннем возрасте значения прочности обработанных образцов выше, чем у образцов, подвергшихся твердению в обычных условиях [9]. Однако, после 14 суток, результаты эксперимента меняются на противоположные, обработанные СВЧ-воздействием бетонные образцы замедляют скорость набора прочности, что видно из графика роста прочности бетонных образцов, представленного на рис.1.
Рис. 1. - График роста прочности бетонных образцов
Выводы
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о приросте прочности обработанных образцов бетона на 1 сутки в 1.73 раза, на 2 сутки в 1.28 раза, на 3 сутки в 1.14 раза, на 7 сутки значение прочности обработанных СВЧ-излучением образцов и образцов естественного твердения выравнивается, и с 14 суток начинается замедление скорости набора прочности бетона обработанных образцов. Так, на 14 сутки, прочность обработанных образцов бетона уменьшилась в 0.97 раз, на 21 сутки в 0.68 раз, на 28 сутки в 0.74 раза. По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Суммарная температура микроволнового излучения и выделяемого в процессе гидратации тепла только что заформованного материала должны поддерживаться ниже максимально установленной температуры [9].
2. Значительный прирост прочности бетона на первые несколько суток позволяет сократить время проведения ремонтных работ и затраты на энергообеспечение данного процесса [10].
3. Процесс набора прочности бетона сложный, большое влияние на гидратацию цементного камня оказывает температура и время тепловой обработки, что непосредственно сказывается на количестве гидросиликатов цементного камня [1 1].
Таким образом, при правильном подборе параметров поднятие температуры, времени выстайки бетона перед воздействием СВЧ-энергии, водоцементным отношением, подобаемой мощности на источник СВЧ энергии можно добиться увеличения прочности бетона для проведения ремонтных работ.
1. Осадченко А.М., Терёхина Ю.В., Новикова А.С. Об эффективности комплексного теплого бетонирования и водного горячего твердения бетона //
http : ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2100.
2. Ревенко Б.С. Получение ячеистых бетонов с привлечением СВЧ технологий // Молодой ученый. 2017. № 14. С. 118-119.
3. Лаптева С.Н., Павленко В.И., Гладких Ю.П. СВЧ - обработка поверхностно-модифицированного кварцевого песка и ее влияние на твердение и прочность гипсо-песчаных композиций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2016. №12. С.152-154
4. Вабищевич К.Ю., Коновалов Н.П., Хозеев Е.О. Применение СВЧ энергии для модификации резино-битумных вяжущих // Инженерный вестник Дона, 2019, №8. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N8y2019/6127
5. Дорняк О.Р., Недоносков А.Б. Способ термообработки деформационного шва аэродромного покрытия с использованием СВЧ-воздействия // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2021. №17.
Литература
Инженерный
вестник
Дона, 2013, №4. URL:
С. 66-75.
6. Нефедов В. Н., Мамонтов А. В., Тепловая обработка бетона с использованием микроволнового излучения // Инновационные информационные технологии. 2013. №2-3. С. 258-264.
7. Mamontov A.V., Nefedov V.N., Simonov V.P., Chechetkin A.A. Microwave method of curing of concrete // T-Comm. 2016. Vol. 10. No.8, pp. 7982.
8. Нефёдов В. Н., Мамонтов А. В. Применение микроволнового излучения для тепловой обработки бетона // 25-я Международная Крымская конференция СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. Материалы конференции. 2015. Т1., С. 944-945.
9. Zhiyang Gao, Yan He, Meng Li, Mingjing Jiang, Junan Shen. mpacts of microwave on hydration evolution of Portland cement in the perspective of composition and microstructure of hydrates // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 2022. pp. 856-866 URL: doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129569.
10. Mangat P.S., Grigoriadis K., Abubakri S. Microwave curing parameters of in-situ concrete repairs // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 112. pp. 856-866.
11. Гныря А.И., Абзаев Ю.А., Коробков С.В., Гаусс К.С. Влияние времени и температуры твердения на структурообразование цементного камня // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2018;(2). С. 171-185. URL: doi.org/10.31675/1607-1859-2018-20-2-171-185.
References
1. Osadchenko A.M., Teryohina YU.V., Novikova A.S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2100.
2. Revenko B.S. Molodoj uchenyj. 2017. № 14. pp. 118-119.
3. Lapteva S.N., Pavlenko V.I., Gladkikh Yu.P. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V. G. SHuhova. 2016. №12. pp.152-154.
4. Vabishchevich K.YU., Konovalov N.P., Hozeev E.O. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, №8. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N8y2019/6127
5. Dornyak O.R., Nedonoskov A.B. Vozdushno-kosmicheskie sily. Teoriya i praktika. 2021. №17. pp. 66-75.
6. Nefedov V. N., Mamontov A. V. Innovacionnye informacionnye tekhnologii. 2013. №2-3. pp. 258-264.
7. Mamontov A.V., Nefedov V.N., Simonov V.P., Chechetkin A.A. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.8, pp. 79-82.
8. Nefedov V. N., Mamontov A. V. 25-ya Mezhdunarodnaya Krymskaya konferenciya SVCH-tekhnika i telekommunikacionnye tekhnologii. Materialy konferencii. 2015. T1., pp. 944-945.
9. Zhiyang Gao, Yan He, Meng Li, Mingjing Jiang, Junan Shen. Construction and Building Materials. 2022. Vol. 2022. pp. 856-866 URL: doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129569.
10. Mangat P.S., Grigoriadis K., Abubakri S. Construction and Building Materials. 2016. Vol. 112. pp. 856-866.
11. Gnyrya A.I., Abzaev Yu.A., Korobkov S.V., Gauss K.S. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2018;(2). pp. 171-185. URL: doi.org/10.31675/1607-1859-2018-20-2-171-185.
