CC BY
11
УДК 691.535: 621.318
DOI: 10.30838/J.BPSACEA.2312.280420.107.627
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ЕЛЕКТРОМАГН1ТНО1 АКТИВАЦП КОНЦЕНТРОВАНО1 ЦЕМЕНТНО1 СУСПЕНЗП НА ВЛАСТИВОСТ1 ЦЕМЕНТНОГО КАМЕНЮ Й БЕТОНУ
ШПИРЬКО М. В.1, докт. техн. наук, проф., ДУБОВ Т. М. 2*, асист.
1 Кафедра технологи будiвельних матерiалiв, виробiв i конструкций, Державний вищий навчальний заклад «Придншровська державна академiя будiвництва та арх1тектури», вул. Чернишевського, 24-а, 49000, Дншро, Укра!на, тел. +38 (0562) 756-33-76, e-mail: shpirko1946@ukr.net, ORCID ID: 0000-0002-2166-4952
2 Кафедра автоматики та електротехшки, Державний вищий навчальний заклад «Придншровська державна академiя будiвництва та арх1тектури», вул. Чернишевського,Ю 24-а, 49000, Дншро, Украша, тел. +38 (0562) 756-34-54, e-mail: DTN2003@ukr.net, ORCID ID: 0000-0003-1740-9251
Анотащя. Постановка проблеми. Значно впливае на властивосп бетошв мщнють цементного каменю. Тому формуванню структури i властивостей цементного каменю придшяеться велика увага. Шдвищення властивостей забезпечуеться шляхом активацп твердшня цементного тюта р1зннмн способами. Один i3 таких способ1в - це обробка в електромагштному пол1 води зам1шування чи цементно! суспензп низько! концентрацп. Пщ час обробки концентровано! цементно! суспензп в змшному електромагштному пол1 штенсиф^ються: розчинення, диспергащя, пдратащя компоненпв цементу i формування зв'язнодисперсно! структури цементного каменю. У статт наводяться результати дослщження впливу обробки концентровано! цементно! суспензп, що мютить вапно, в змшному електромагштному пол1 на процеси твердшня i мщнють цементного каменю. Мета cmammi - дослщження сумюного впливу змшного електромагштного поля i Са(ОН)2 на властивосп цементного каменю. Висновок. Вплив змшного електромагштного поля на концентровану цементну суспензто, що мютить Са(ОН)2 завдяки синергетичному ефекту сприяе штенсифжацп процесу твердшня i тдвищенню мщносп цементного каменю, як у ранньому, так i в нормативному вщ.
Ключовi слова: активащя; електромагнтна обробка; цементный камть; бетон; цементна суспензiя
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ ЦЕМЕНТНОЙ СУСПЕНЗИИ НА СВОЙСТВА
ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ И БЕТОНА
ШПИРЬКО Н. В.1, докт. техн. наук, проф., ДУБОВ Т. Н.2*, ассист.
1 Кафедра технологии строительных материалов, изделий и конструкций, Государственное высшее учебное заведение «Приднипровская государственная академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24-а, 49000, Днипро, Украина, тел. +38 (056) 756-33-76, e-mail: shpirko1946@ukr.net, ORCID ID: 0000-0002-2166-4952
2 Кафедра автоматики и электротехники, Государственное высшее учебное заведение «Приднипровская государственная академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24-а, 49000, Днипро, Украина, тел. +38 (056) 756-34-54, e-mail: DTN2003@ukr.net, ORCID ID: 0000-0003-1740-9251
Аннотация. Постановка проблемы. Значительное влияние на свойства бетонов оказывает прочность цементного камня. Поэтому формированию структуры и свойств цементного камня уделяется большое внимание. Повышение свойств обеспечивается путем активации твердения цементного теста различными способами. Одним из таких способов является обработка в электромагнитном поле воды затворения или цементной суспензии низкой концентрации. При обработке концентрированной цементной суспензии в переменном электромагнитном поле интенсифицируются: растворение, диспергация, гидратация компонентов цемента и формирование связнодисперсной структуры цементного камня. В данной работе приводятся результаты исследования влияния обработки концентрированной цементной суспензии, содержащей известь в переменном электромагнитном поле, на процессы твердения и прочность цементного камня. Цель статьи -исследование совместного влияния переменного электромагнитного поля и Са(ОН)2 на свойства цементного камня. Вывод. Воздействие переменного электромагнитного поля на концентрированную цементную
суспензию, содержащую Са(ОН)2, благодаря синергетическому эффекту способствует интенсификации процесса твердения и повышению прочности цементного камня как в раннем, так и нормативном возрасте.
Ключевые слова: активация; электромагнитная обработка; цементный камень; бетон; цементная суспензия
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF ELECTROMAGNETIC ACTIVATION OF CONCENTRATED CEMENT SUSPENSION ON THE PROPERTIES OF CEMENT STONE AND CONCRETE
SHPYRKO V.M. 1 , Dr. Sc. (Tech.), Professor, DUBOV T.M. 2*, Assist.
1 Department of Technology of Construction Materials, Products and Structures, State Higher Educational Institution "Prydniprovska State Academy of Civil Engineering and Architecture", 24-a, Chernyshevskoho St., 49000, Dnipro, Ukraine, tel. +38 (0562) 756-33-76, e-mail: shpirko1946@ukr.net, ORCID ID: 0000-0002-2166-4952
2 Department of Automation and Electrical Engineering, State Higher Educational Institution "Prydniprovska State Academy of Civil Engineering and Architecture", 24-a, Chernyshevskoho St., 49000, Dnipro, Ukraine, tel. +38 (0562) 756-34-54, e-mail: DTN2003@ukr.net, ORCID ID: 0000-0003-1740-9251
Abstract. Problem statement. The strength of cement stone has a significant impact on the properties of concrete. Therefore, much attention is paid to the formation of the structure and properties of cement stone. Improvement of the properties is achieved by activating the hardening of the cement paste in various ways. One of such methods is the processing of cement paste in electromagnetic field mixing with water or cement suspension of low concentration. When processing concentrated cement suspension in an alternating electromagnetic field, there is the intensification of dissolution, dispergation, hydration of the cement components and the formation of a cohesively dispersed structure of cement stone. The given paper gives research results of the impact of the processing concentrated cement suspension containing lime in an alternating electromagnetic field on hardening and strength processes of cement stone. The purpose of the article is to study the joint influence of alternating electromagnetic field and Са(ОН)2 on the properties of cement stone. Conclusion. The impact of the alternating electromagnetic field on the concentrated cement suspension, containing Са(ОН)2 as the result of synergetic effect enables to intensify hardening process and increasing the physical and mechanical properties of cement stone.
Keywords: activation; electromagnetic treatment; cement stone; concrete; cement suspension
Актуальшсть проблеми. На економiчнi показники технологи виробництва бетонних виробiв i конструкцш значно впливае надае пщвищення його мщносл як у ранньому, так i в нормативному вщ1 Мщнють бетону забезпечуеться штенсивним збшьшенням мщносл цементного каменю. Тому формуванню структури цементного каменю, що забезпечуе необхщну мщнють у ранньому i нормативному вщ^ придшяеться велика увага дослщниив. Пщвищення мщносл цементного каменю досягаеться рiзними способами. Один iз таких способiв — це обробка концентровано! цементно! суспензп, що мютить Са(ОН)2 в змшному електромагштному пол1 Така обробка штенсифжуе процес розчинення, диспергацп i гщратацп, а поим формування структури цементного каменю.
Анал1з публжацш. Формування структури цементного каменю шсля замшування цементу з водою включае розчинення, диспергацш i гщратащю поверхш зерен цементу з подальшим формуванням гщратованих комплекшв (в основному топохiмiчно i меншою мiрою по «скрiзьрозчинному» мехашзму) !х колощащею, кристалiзацiею i конден-сащею.
Слщ зазначити, що багато вчених придшяли велику увагу проникненню води по мжротрщинах, поверхневих дефектах у зерна цементу, викликаючи розпад !х поверхш, у тому чи^ трьохкальщевого силжату [1—3; 17]. Низка вчених також зазанчають, що процес гщратацп цементних мiнералiв супроводжуеться протошзащею атомiв кисню протоном, що утворюеться в результат дисощацп молекул води. При
цьому розрив деформованих зв'язив -Са-О- може вiдбуватися пщ час мiграцiï протошв усередину кристалiчноï решiтки, що пщтверджуеться даними 1Ч спектроскопiï [4-9].
За [5], протони утворюються в результатi дисоцiацiï води на активних центрах поверхш. При цьому також утворюються й юни ОН-, ям змшюють рН рщ^' фази. Згiдно з [9], прослшими стiйкими гiдратами у водних розчинах кислот i основ завдяки водневому зв'язку стають комплекснi iони Н5О2+ i Н3О2-. У процесi розчинення поверхш зерен цементу у зв'язку з утворенням юшв збшьшуються рН i електропровщнють. З утворенням у рщкш фазi комплексiв портландиту, гщросульфоалюмшалв
кальцiю, гiдроалюмiнатiв кальцiю, гiдросилiкатiв кальцш i гiдросилiкатiв топохiмiчним шляхом починаеться процес формування коагуляцiйноï, кристалiзацiйноï i конденсацiйноï структури цементного каменю.
У пращ [11] розвинеш уявлення про мехашзм гiдратацiï i тверднення цементних систем в умовах електромагнiтноï активаци, що полягае в збiльшеннi рухливосл iонiв Н+ i ОН-. Це спричинюе послаблення зв'язку Ме-О, i збшьшення iнтенсивностi взаемодiй в система Показано, що керувати процесами, ям вiдбуваються в композитах, i ix властивостями можливо змiною напруженостi магнiтного поля.
Дослiдженнями, описаними в [12-14], установлено, що найбшьший ефект пщ час формування структури мiнеральниx в'яжучих речовин досягаеться за комплексноï електромагнiтноï обробки. За цих факторiв ефект електромагнiтноï обробки залежить вiд швидкосл течп води, напруженостi магнiтного поля.
Вiдомi два способи замiшування бетонноï сумiшi омагнiченою водою. У першому способi здiйснюеться попередня обробка води або цементноï суспензп 1,5 % концентраци [11-15], а в другому магштна обробка бетонноï сумiшi здшснюеться пiд час ïï приготування у бетонозмiшувачi [15].
Результати дослщжень. Найбшьш слабка ланка в структурi бетону -цементний камшь, тому пщвищення мщносл актуальне. Нижче розглядаеться вплив електромагнiтноï обробки
концентрованоï суспензп цементу ПЦ I, Са(ОН)2, на рН, електропровщшсть i мiцнiсть цементного каменю, ям характеризують фiзико-xiмiчнi процеси, що зумовлюють формування i розвиток дисперсноï структури. Обробка концентрованоï цементноï суспензп (В/Ц = 0,5) проводилася в змшному електромагштному полi з напруженютю 1,7405 А/м.
Враховуючи те, що час релаксаци частково зруйнованоï кластерноï структури води незначний, а, отже, водневi зв'язки швидко вiдновлюються, обробщ в змiнному електромагнiтному полi шддавалася не вода, а концентрована цементна суспензiя, що мiстить Са(ОН)2.
Кривi змши концентраци гiдроксильниx iонiв, наведенi на рисунку 1, свщчать, що штенсившсть i величина розчинення, диспергацп поверхш зерен цементу суспензп, що мiстить Са(ОН)2, обробленоï в змiнному електромагштному пол^ значно збiльшуються порiвняно з контрольним зразком суспензп.
Порiвняльний аналiз пiдвищення електропровiдностi тверднучоï суспензп, що мютить Са(ОН)2, обробленоï в електромагштному пол^ i контрольноï суспензп (рис. 2) показуе бiльш штенсивне збiльшення електропровiдностi першоï, що також свщчить про вищу швидкiсть розчинення i диспергацп поверхш зерен цементу.
Пщ час обробки концентрованоï цементноï суспензп, що мiстить Са(ОН)2, в змшному електромагштному полi вiдбуваються таи процеси: при гасшш вапна у водi утворюеться Са(ОН)2, що мютиться в розчинi у виглядi юшв; це спричинюе руйнування структури води та ïï частковоï дисоцiацiï по реакцп 2Н2О = Н3О++ОН-. Також за дп електромагнiтного поля вiдбуваеться прецешя зовнiшнix електронних хмар у молекулах води, i вони набувають шдукований магнiтний момент,
перпендикулярний напряму магштного поля. При цьому енергiя напружених зв'язив змшюеться, що також спричинюе !х частковий розрив i змши структури води [15].
Змiна структури води через синергетичний ефект ввд дп Са(ОН)2 i змiнного електромагнiтного поля збшьшуе И дисоцiацiю з утворенням бшьшо! кiлькостi iонiв Н+ i ОН-. Це викликае бшьш iнтенсивну i бiльшу диспергацiю, розчинення поверхш зерен цементу з подальшою гiдратацiею. Бiльша кiлькiсть гщратованих частинок р1зного р1вня в рН
13 12, Б 12.2 11,8
11,4 11
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 3 90 420 450 480 610
Час твердшня, ^ хв
Рис. 1. Крива змти рН у процеа формування структури цементного каменю: 1 — на вод^ обробленш у змтному електромагнтному полi; 2 — на концентрованш цементнш суспензПз добавкою Са(ОН)2, оброблетй
в електромагнтному полi
4 -I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510
Час твердшня, ^ хв
Рис. 2. Крива змти електропровiдностi ху процеа формування структури цементного каменю: 1 — на вод^ обробленш у змтному електромагнтному полi; 2 — на концентрованш цементнш суспензП з добавкою
Са(ОН)2, обробленш в змтному електромагнтному полi
одинищ об'ему зумовлюе бшьш штенсивну коагулящю i формування зв'язнодисперсно! системи, в якш вони зв'язаш ван-дер-ваальсовими силами i водневими зв'язками, а також утворення i кристалiзацiю гщросульфоалюмшаив, алюмшапв кальцш, Са(ОН)2, гщросилжаив кальцш, розташованих як на поверхш, так i мiж гщратованими зернами цементу. Бшьш штенсивне формування первинно! структури сприяе бшьш високш раннш мщносл цементного каменю у вщ одше! доби, що виходить з рисунка 3.
При цьому мщнють цементного каменю, отриманого з концентрованоï цементноï суспензп, що мiстить Са(ОН)2, i обробленоï в електромагнiтному полi у вiцi однiеï доби, на 24 % перевищуе мщнють контрольного зразка, а у вщ 28 дiб - на 19,6 %. Це свщчить, що в ранньому вщ мщнють цементного каменю шдвищуеться бшьш iнтенсивно порiвняно з контрольним зразком, за рахунок большого розчинення i диспергацп поверхш зерен цементу, вищого ступеня гщратацп i утворення
бiльшоï кшькосп портландиту i гщросилкапв кальцiю. Зрештою це зумовлюе збшьшення контакта i ïx площi в одинищ об'ему цементного каменю.
Результати дослщжень, наведеш на рисунку 3, свщчать про закономiрне збiльшення мщносп цементного каменю в процесi тверднення концентрованоï цементноï суспензп, що мiстить Са(ОН)2, обробленоï в змiнному електромагштному пол1
т, доб.
Рис. 3. Kpuei змти Rem у процес формування структури цементного каменю: Riem — на eodi, обробленшу змшному електромагнтному полi; Rem2 — на концентрованш цементнш суспензп з добавкою Ca(OH)2,
обробленш у змшному електромагнтному полi
Висновки. Активащя води, адсорбованоï на поверхш зерен цементу, шляхом обробки концентрованоï цементноï суспензп, що мютить Са(ОН)2 в змшному електромагштному полi викликае збшьшення кшькосп в нш протошв. Це пщвищуе стутнь розчинення i диспергацп поверхш зерен цементу, утворення бiльшоï кшькосп Са(ОН)2, гщросилкапв, кiлькостi контактiв в одиницi об'ему
цементного каменю i обумовлюе бшьш штенсивний набiр мiцностi в ранньому вщ. В подальшому розрив м1ж мiцнiстю цементного каменю, отриманого з концентрованоï цементноï суспензп, що мютить Са(ОН)2, обробленоï в змшному електромагштному полi i контрольним зразком, скорочуеться з 25 до 19,6 %.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Кинд В. В. Коррозия цементов и бетона в гидротехнических сооружениях : монография. Москва : Госэнергоиздат, 1955. 230 с.
2. Окороков С. Д. Взаимодействие минералов портландцементного клинкера в процессе твердения цемента : монография. Москва, Санкт-Петербург : Стройиздат, 1945. 36 с.
3. Труды III Всесоюзной конференции по коллоидной химии. Москва : Изд-во АН СССР, 1956. 149 с.
4. Илюхин В. В., Кузнецов В. А., Лобачёв А. Н., Бакшутов B. C. Гидросиликаты кальция. Синтез монокристаллов и кристаллохимия : монография. Москва : Наука, 1979. 184 с.
5. Сычев М. М. Современные представления о механизме гидратации цементов. Промышленность строительных материалов. Сер. 1. Цементная промышленность. Вып. 3. Москва : ВНИЭСТИ, 1984. 51 с. С. 13-17.
6. Шпынова Л. Г., Чех В. И., Саницкий М. А. и др. Физико-химические основы формирования структуры цементного камня : монография. Львiв : Вища школа, 1981. 160 с.
7. Саницкий М. А. Некоторые вопросы кристаллохимии цементных минералов : монография. Ки!в : УМК ВО, 1990. 64 с.
8. Капранов В. В. Твердение вяжущих веществ и изделий на их основе : монография. Челябинск, 1976. 191 с.
9. Юхневич Г. В. Инфракрасная спектроскопия воды : монография. Москва, 1973. 207 с.
10. Горленко Н. П., Саркисов Ю. С. Низкоэнергетическая активация дисперсных систем : монография. Томск : Издательство Томского государственного архитектурно-строительного университета, 2011. 263 с.
11. Круглицкий H. H. Физико-химическая механика дисперсных структур в магнитных полях : монография. Киев : Наукова думка, 1976. 193 с.
12. Грушко И. М., Бирюков В. А., Селиванов И. И., Киселев И. Ф. Влияние обработки цементных суспензий на ускоренное твердение бетонов. Бетон и железобетон. Харьков : ХАДИ, 1981. № 3. С. 38-40.
13. Королев К. М., Медведев В. М. Магнитная обработка воды в технологии бетона. Бетон и железобетон. Харьков : ХАДИ, 1971. № 8. 32 с.
14. Дубов Т. М. Вплив електромагштно! обробки концентровано! цементно! суспензп на фiзико-механiчнi властивостг В^ник Придншровськоi державноi академи будiвництва та архтектури. 2019. № 5. С. 31-36.
15. Калашников С. Г. Электричество : учеб. пособ. 6-е изд. Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2003. 624 с.
REFERENCES
1. Kind V.V. Korroziya tsementov i betona v gidrotekhnicheskikh sooruzheniyakh [Corrosion of cements and concrete in hydraulic structures]. Moscow : Gosenergoizdat, 1955, 230 p. (in Russian).
2. Okorokov S.D. Vzaimodeystviye mineralov portlandtsementnogo klinkera v protsesse tverdeniya tsementa [The interaction of Portland cement clinker minerals in the process of cement hardening]. Moscow, Siant-Petersburg : Stroyizdat, 1945, 36 p. (in Russian).
3. Trudy III Vsesoyuznoy konf. po kolloid, khimii [Proceedings of the III All-Union Conf. on colloid, chemistry]. Moscow : Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1956, 149 p. (in Russian).
4. Ilyukhin V.V., Kuznetsov V.A., Lobachov A.N. and Bakshutov B.C. Gidrosilikaty kal'tsiya. Sintez monokristallov i kristallokhimiya [Calcium hydrosilicates. Synthesis of single crystals and crystal chemistry]. Moscow : Nauka Publ., 1979, 184 p. (in Russian).
5. Sychev M.M. Sovremennyye predstavleniya o mekhanizme gidratatsii tsementov [Modern views on the mechanism of cement hydration]. Promyshlennost' stroitel'nyh materialov. Ser. 1. Cementnaya promyshlennost' [Industry of building materials. Ser. 1. Cement Industry]. Vol. 3, Moscow : VNIESTI, 1984, 51 p. (in Russian).
6. Shpynova L.G., Chekh V.I., Sanitskiy M.A. and oth. Fiziko-khimicheskiye osnovy formirovaniya struktury tsementnogo kamnya [Physico-chemical principles of the formation of the structure of cement stone]. Lviv : High School, 1981, 160 p. (in Russian).
7. Sanitskiy M.A. Nekotoryye voprosy kristallokhimii tsementnykh mineralov [Some issues of the crystal chemistry of cement minerals]. Kyiv : UMK VO, 1990, 64 p. (in Russian).
8. Kapranov V.V. Tverdeniye vyazhushchikh veshchestv i izdeliy na ikh osnove [Hardening of binders and products based on them]. Chelyabinsk, 1976, 191 p. (in Russian).
9. Yukhnevich G.V. Infrakrasnaya spektroskopiya vody [Infrared spectroscopy of water]. Moscow, 1973, 207p. (in Russian).
10. Gorlenko N.P. Nizkoenergeticheskaya aktivatsiya dispersnykh sistem [Low-energy activation of disperse systems]. Tomsk : Publishing House of Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering, 2011, 263 p. (in Russian).
11. Kruglitsky N.N. Fiziko-khimicheskaya mekhanika dispersnykh struktur v magnitnykh polyakh [Physicochemical mechanics of disperse structures in magnetic fields]. Kyiv : Naukova Dumka, 1976, 196 p. (in Russian).
12. Grushko I.M. Vliyaniye obrabotki tsementnykh suspenziy na uskorennoye tverdeniye betonov [The effect of the processing of cement suspensions on the accelerated hardening of concrete]. Kharkiv : HADI, 1981, no. 3, pp. 38-40. (in Russian).
13. Korolev K.M. and Medvedev V.M. Magnitnaya obrabotka vody v tekhnologii betona [Magnetic water treatment in concrete technology]. Beton i zhelezobeton [Concrete and reinforced concrete]. Kharkiv : HADI, 1971, no. 8, 32 p. (in Russian).
14. Dubov T.M. Vplyv elektromahnitnoyi obrobky kontsentrovanoyi tsementnoyi suspenziyi na fizyko-mekhanichni vlastyvosti [Influence of electromagnetic processing of concentrated cement slurry on physical and mechanical properties]. Visnyk Prydniprovs'koyi derzhavnoyi akademiyi budivnytstva ta arkhitektury [Bulletin of the Prydniprovsk State Academy of Civil Engineering and Architecture]. No. 5, 2019, pp. 31-36. (in Ukrainian).
15. Kalashnikov S.G. Elektrichestvo : ucheb. posob. [Electricity : tutorial]. 6th ed. Moscow : FIZMATLIT, 2003, 624 p. (in Russian).
Надшшла до редакци : 17.02.2020 р.
