CC BY
20
УДК 693.547.6
ГУЮМДЖЯНПЕРЧ ПОГОСОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, Veter_TG@mail.ru
ВЕТРЕНКО ТАТЬЯНА ГРИГОРЬЕВНА, канд. техн. наук, докторант, Veter_TG@mail.ru
РАСЦВЕТОВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА, аспирант,
Ивановский государственный архитектурно-строительный университет, Россия, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20
УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ БЕТОНА ПУТЁМ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ЗАТВОРЕНИЯ
Рассматриваются результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния механической обработки воды затворения и водно-цементной суспензиии в мешалке, представляющей собой гидродинамическую установку, на интенсификацию процесса структурообразования цементного камня и бетона. Установлено, что механическая обработка воды вызывает ускорение схватывания и увеличение прочности готовых изделий.
Ключевые слова: цементный камень, механическая обработка, активированная вода, бетон.
GUJUMDZHYAN, PERCH POGOSOVICH, Dr. of tech. sc., prof., Veter_TG@mail.ru
VETRENKO, TATIANA GRIGORJEVNA, Cand. of tech. sc., Veter_TG@mail.ru
RASTSVETOVA, ELENA ANATOLYEVNA, P.G.,
Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering 20 March-8, Ivanovo, 153037, Russia
IMPROVEMENT OF PROPERTIES OF CONCRETE BY MACHANICAL TREATMENT OF MIXING WATER
The results of theoretical and experimental researches of influence of intensive processing of mixing water and water-cement suspension in a mixer, representing hydro-dynamical installation, on an intensification of process of structurization of a cement stone and concrete are considered. It was determined, that mechanical treatment of water causes acceleration of setting, reduction of porosity, increase in durability of finished articles.
Keywords: cement stone, mechanical treatment, mixing water, concrete.
Создание высококачественных бетонов и растворов требует новых перспективных методов совершенствования технологии приготовления бетонной смеси, использование новых перспективных сырьевых компонентов, позволяющих повысить физико-механические свойства готовой продукции и технико-экономические показатели производства.
Значительное внимание в современном строительном материаловедении уделяется исходному состоянию компонентов. Долгое время развитие технологии бетонов шло по пути изучения свойств и возможностей эффективного
© П.П. Гаюмджян, Т.Г. Ветренко, Е.А. Расцветова, 2010
использования цемента и заполнителей. Меньше внимания уделялось исследованиям свойств воды затворения. Вместе с тем вода является равноправным участником формирования структуры цементного камня и бетона, а ее состояние и способ подготовки во многом определяют характер процессов гидратации и структурообразования цементных систем.
Отсутствие единой теории гидратации и гидролиза цемента, а также недостаточная изученность явлений на границе раздела фаз сдерживают поиск и разработку новых технологических приемов, улучшающих качество цементных композиций.
Одним из направлений совершенствования технологии приготовления бетонной смеси является активация сырьевых компонентов, в частности воды затворения, которую считают единственным компонентом цементных систем, инициирующим реакции для получения композитного материала [1]. Без воды невозможно начало химической реакции, превращающей разрозненные компоненты бетонной смеси в единый монолит.
В момент твердения бетона определяющими физико-химическими процессами являются растворение клинкерных минералов и кристаллизация компонентов цементного камня в водной среде [2]. Данные процессы можно интенсифицировать при механоактивации жидкости затворения.
Авторами были проведены исследования влияния механической обработки воды и водно-цементных суспензий на свойства цементного камня и мелкозернистого бетона.
Вода подвергалась интенсивной обработке в мешалке, представляющей собой гидродинамическую установку, разработанную на кафедре «Производство строительных материалов» ГОУ ВПО «ИГАСУ», при скорости вращения рабочего органа от 200 до 1400 об/мин.
Следствием механической обработки воды было изменение её свойств [3], которое фиксировали по изменению водородного показателя (рН) (рис. 1). Экспериментально установлено, что время перемешивания в интервале (10-60 мин) не оказывает существенного влияния на изменение рН воды, поэтому процесс перемешивания проводился при постоянном времени (10 мин).
Используя механообработанную водопроводную воду, готовили цементное тесто нормальной густоты, из которого формовали образцы, твердеющие в нормальных условиях. В качестве вяжущего применяли портландцемент М500, 42,5Б «Мордовцемент», для затворения - водопроводную воду, соответствующую ГОСТ 2874-82. Нормальная густота и сроки схватывания цементного теста определялись согласно требованиям ГОСТ 310.3-76[4].
Экспериментально авторами было установлено, что с увеличением скорости перемешивания воды уменьшается время начала схватывания цементного теста (рис. 2), что свидетельствует об интенсификации процесса кристаллообразования цементного камня. Причем при обработке воды на скорости вращения мешалки 1200 об/мин время начала схватывания цементного теста уменьшается на 37 % по сравнению с образцами, полученными на необработанной воде.
Скорость вращения мешалки, об/мин
ф рН дистиллированной воды —■—рН водопроводной воды
Рис. 1. Зависимость изменения водородного показателя (pH) воды от скорости вращения мешалки
Скорость вращении мешалки, об/мин
Рис. 2. Зависимость времени начала схватывания цементного теста от частоты вращения мешалки
Происходило и изменение предела прочности при сжатии цементного камня (рис. 3). При использовании воды затворения, обработанной при скорости 1200 об/мин, образцы в 28-суточном возрасте имеют прочность при сжатии, на 30,8 % превышающую прочность образцов, затворенных с применением необработанной воды.
«
«
I
О
К
&
К
н
о
о
д
о
ч
о
о
&
Скорость вращения мешалки, об/мин
♦ 7-суточное твердение И 28-суточное твердение
Рис. 3. Зависимость предела прочности при сжатии цементного камня от скорости вращения мешалки
Авторами проводилось также изучение влияния скорости обработки воды на свойства мелкозернистого бетона. В ходе исследований установлено, что с увеличением скорости перемешивания воды затворения механические характеристики мелкозернистого бетона улучшаются: сокращается время начала схватывания бетонной смеси (на 28,6 % при скорости обработки 1400 об/мин), возрастает предел прочности при сжатии в 28-суточном возрасте (от 17 % при скорости перемешивания 200 об/мин до 46 % при скорости перемешивания 1400 об/мин).
Одним из направлений, также позволяющих целенаправленно регулировать структуру и свойства цементных композиционных материалов, является совместная механическая активация водно-цементной суспензии в процессе перемешивания.
Исследования, проводимые авторами, позволили установить, что предварительная активация воды с различными соотношениями вяжущего (цемента) дает возможность в той или иной степени повысить прочность цементного камня и бетона. Экспериментально было изучено влияние процесса совместной обработки водно-цементных суспензий на механические характеристики цементного камня.
Процесс совместной механической активации воды с малым количеством цемента (1,5-10 % от общего количества, идущего на замес) проводился при скоростях вращения мешалки от 200 до 1200 об/мин. В воду добавлялся цемент в следующих весовых пропорциях: 1,5, 3, 5, 7 и 10 % от общего количества цемента. Совместная обработка проводилась в течение 10 мин, после
чего по стандартной методике приготавливались образцы-кубы, которые выдерживались в течение 7 и 28 суток во влажной среде. Испытания образцов на прочность при сжатии проводились в 7-суточном и 28-суточном возрасте. Одновременно с прочностью определялись сроки схватывания, водопоглощение и морозостойкость затвердевших образцов.
Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 1-5.
Таблица 1
Результаты испытаний образцов (содержание цемента 1,5 %)
Характеристики цементного камня Скорость обработки водно-цементной суспензии, об/мин
200 800 1000 1200
Сроки схватывания, мин 120 130 130 125
Прочность при сжатии в 7-суточном возрасте, МПа 37,98 42,14 43,05 36,63
Прочность при сжатии в 28-суточном возрасте, МПа 45,59 48,77 51,91 52,77
Потеря прочности после 15 циклов замораживания-оттаивания, % 11,78 6,74 10,36 8,96
Водопоглощение, % 20,80 11,90 18,30 15,80
Плотность, кг/м3 1 882 1 926 1 863 1 911
Как видно из табл. 1, с увеличением скорости перемешивания цементно-водной суспензии механические характеристики бетона возрастают. Наибольшую прочность имеют образцы, изготовленные на водно-цементной суспензии при частоте вращения 1200 об/мин.
Таблица 2
Физико-механические характеристики образцов (содержание цемента 3 %)
Характеристики цементного камня Скорость обработки водно-цементной суспензии, об/мин
200 600 1000 1200
Сроки схватывания, мин 145 110 110 70
Прочность при сжатии в 7-суточном возрасте, МПа 36,53 36,96 32,72 33,51
Прочность при сжатии в 28-суточном возрасте, МПа 45,68 45,28 42,67 47,02
Потеря прочности после 15 циклов замораживания-оттаивания, % 12,03 9,91 9,17 9,46
Водопоглощение (по массе), % 21,25 17,50 16,20 16,70
Плотность, кг/м3 1 755 1 819 1 894 1 919
Таблица 3
Физико-механические характеристики образцов (содержание цемента 5 %)
Характеристики цементного камня Скорость обработки водно-цементной суспензии, об/мин
200 600 1000 1200
Сроки схватывания, мин 110 116 120 115
Прочность при сжатии в 7-суточном возрасте, МПа 33,10 37,73 47,05 42,55
Прочность при сжатии в 28-суточном возрасте, МПа 46,62 44,13 47,63 42,76
Потеря прочности после 15 циклов замораживания-оттаивания, % 8,32 7,93 8,38 9,00
Водопоглощение, % 14,7 14,00 14,8 15,9
Плотность, кг/м3 1 930 1 917 1 987 1 917
Таблица 4
Физико-механические характеристики образцов (содержание цемента 7 %)
Характеристики цементного камня Скорость обработки водно-цементной суспензии, об/мин
200 600 1000 1200
Сроки схватывания, мин 110 150 135 143
Прочность при сжатии в 7-суточном возрасте, МПа 29,15 24,26 20,92 24,46
Прочность при сжатии в 28-суточном возрасте, МПа 53,0 46,38 40,0 46,75
Потеря прочности после 15 циклов замораживания-оттаивания, % 9,17 7,02 10,05 9,50
Водопоглощение, % 16,20 12,40 17,75 16,40
Плотность, кг/м3 1 944 1 980 1 881 1 944
Таблица 5
Физико-механические характеристики образцов (содержание цемента 10 %)
Характеристики цементного камня Скорость обработки водно-цементной суспензии, об/мин
200 600 1000 1200
Сроки схватывания, мин 139 122 131 127
Прочность при сжатии в 7-суточном возрасте, МПа 20,45 25,34 22,52 24,74
Прочность при сжатии в 28-суточном возрасте, МПа 24,56 34,08 32,32 34,08
Прочность после 15 циклов замораживания-оттаивания, МПа 22,42 31,11 29,46 30,83
Потеря прочности после 15 циклов замораживания-оттаивания, % 8,72 8,70 8,85 9,53
Водопоглощение, % 15,40 15,30 15,70 16,83
Плотность, кг/м3 1 900 1 936 1 931 1 897
В ходе исследований установлено, что механическая обработка водноцементной суспензии высокими скоростями позволяет сократить сроки схватывания цементного теста на 25-40 % по сравнению с образцами на обработанной механически воде затворения. При этом прочность цементного камня при сжатии в возрасте 28 суток увеличивается на 15-25 % по сравнению с образцами, изготовленными на обработанной воде затворения (рис. 4).
Скорость вращения мешалки, об/мин | активированнаявода затворения водно-цементная суспензия 1,5 % водно-цементная суспензия 3 % водно-цементная суспензия 5 % —Ж— водно-цементная суспензия 7 % водно-цементная суспензия 10 %
Рис. 4. Предел прочности при сжатии цементного камня, изготовленного на обработанной водно-цементной суспензии, в возрасте 28 сут
Авторами проводились также исследования изменения свойств механо-обработанной воды при хранении и их влияние на прочностные характеристики цементного камня.
Вода подвергалась механической обработке при скоростях вращения вала мешалки от 200 до 1200 об/мин. Затем делались образцы-балочки с использованием воды затворения сразу после обработки, а затем на 10-е и 20-е сутки после обработки. В возрасте 7 и 28 сут образцы подвергали испытанию на предел прочности при изгибе и при сжатии.
При изготовлении образцов на механоактивированной воде затворения их предел прочности при изгибе снижается как при использовании воды сразу после активации, так и при использовании воды, хранившейся в течение 10 и 20 сут. Однако испытания показали стабильное повышение предела прочности при сжатии образцов на механоактивированной воде как при использова-
нии воды сразу после активации, так и при использовании механоактивиро-ванной воды, хранившейся в течение 10 и 20 сут. Сроки схватывания при этом уменьшаются, как и в предыдущих исследованиях.
Такого же рода исследования были проведены и для мелкозернистого бетона. Вода подвергалась механической обработке при скорости вращения вала мешалки 1000 и 1200 об/мин. Формовались образцы-кубы по стандартной методике с использованием механоактивированной воды сразу после обработки, а затем через 2, 5, 9, 12 сут после обработки. При использовании воды через 12 сут после механоактивации предел прочности при сжатии образцов в 28-суточном возрасте снижается на 35 %. То есть теряется эффект активации.
Результаты проведенных исследований свидетельствуют об улучшении эксплуатационных характеристик цементного камня и мелкозернистого бетона при использовании воды затворения, обработанной механическим способом. Механическая обработка воды затворения способствует повышению предела прочности при сжатии и сокращению сроков схватывания цементного камня и мелкозернистого бетона. Но при этом воду, обработанную механическим способом, желательно использовать для затворения бетонной смеси сразу после обработки, поэтому и механическую мешалку необходимо включать непосредственно в технологическую линию приготовления бетона.
Затворение цемента механообработанной водой, по всей вероятности, интенсифицирует процессы растворения и гидратации цементных минералов в ранние сроки твердения на молекулярном уровне. В то же время ускоряется выделение более мелких кристаллов в общем объеме цементного камня. Это приводит к уменьшению пористости цементного камня и, соответственно, к увеличению его предела прочности при сжатии.
Библиографический список
1. Пухаренко, Ю.В. Эффективность активации воды затворения углеродными наночастицами / Ю.В. Пухаренко, И.У. Аубакирова, В. Д. Староверов // Инженерно-строительный журнал. - № 1. - 2009. - С. 40-45.
2. Ребиндер, П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия / П.А. Ребиндер. - М.: Высш. шк., 1978. - 366.
3. Брагинский, Л.Н. Перемешивание в жидких средах / Л.Н. Брагинский, В.И. Бегачев, В.М. Барабаш. - Л. : Химия, 1984. - 336 с.
4. ГОСТ 310.3-76. Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема. - М. : Изд-во стандартов, 2003.
