Кинетика набора прочности твердеющих композиций при обработке сухих смесей высоковольтным коронным разрядом Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 622.733:537.064.32

САФРОНОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, v.n.safronov@mail.ru

СОЛОВЬЕВА ЕЛЕНА ПЕТРОВНА, ст. преподаватель, eps76@mail.ru

Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

КИНЕТИКА НАБОРА ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЕЮЩИХ КОМПОЗИЦИЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ СУХИХ СМЕСЕЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ КОРОННЫМ РАЗРЯДОМ

В работе приведены результаты исследований прочностных свойств твердеющих композиций, приготовленных на активированных высоковольтным коронным разрядом минеральных вяжущих. Установлены характерные особенности кинетики набора прочности твердеющими композициями при активации высоковольтным коронным разрядом их компонентов. В принятом диапазоне изменения кинетики набора прочности твердеющими композициями имеют место повышенные значения прочности активированных структур.

Ключевые слова: высоковольтный разряд; корона; чехол короны; активация; цементный камень; прочность; сухие минеральные смеси; портландцемент.

VLADIMIR N. SAFRONOV, Ph.D., Assoc. Prof.,

v.n.safronov@mail.ru

ELENA P. SOLOVYOVA, senior teacher,

eps76@mail.ru

Tomsk State University of Architecture and Building,

2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia

KINETICS OF STRENGTH GAIN OF HARDENING COMPOSITIONS AT PROCESSING THEIR DRY MIXES BY HIGH VOLTAGE CORONA DISCHARGE

The paper presents the results of strength properties research of hardening compositions prepared by the activated high-voltage corona mineral binders. The characteristic features of the kinetics of hardening compositions strength at activation of their components by a high-voltage corona discharge are defined. In the accepted range the kinetics change of strength gain of hardening compositions the higher values of the activated structures strength take place.

Key words: high-voltage discharge; corona; corona case; activation; cement stone; strength; dry mineral mixes; Portland.

Электрический разряд в газах при атмосферном давлении бывает двух видов: искровой и коронный. Искровой разряд возможен при любой конфигурации электродов и представляет собой полный пробой газа между электродами. При достаточной мощности источника тока искровой разряд переходит в электрическую дугу. Характер электрического разряда зависит от расстояния между электродами. Так, при малом расстоянии (отношение длины ис-

© В.Н. Сафронов, Е.П. Соловьева, 2013

крового промежутка к радиусу электрода меньше двух) и повышении напряжения выше определенного значения обычно получается искровой разряд.

При большом расстоянии сначала возникает коронный разряд, затем промежуточный (в виде светящихся кистей между электродами) и, наконец, искровой. При равных условиях корона образуется раньше у электрода с большей кривизной.

Для обработки сыпучих строительных материалов и твердеющих композиций в процессе набора ими прочности используют коронный разряд, от которого технология, в частности, и получила свое название - высоковольтная технология активации коронным разрядом [1-2].

Таким образом, коронный разряд - это один из видов газового разряда, возникающего в резко неоднородных электрических полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов с малым радиусом кривизны поверхности, где напряженность электрического поля гораздо больше, чем в остальной части промежутка. Электроды, вблизи которых существует корона, называются коронирующими, а область коронирования называется чехлом короны. Вследствие ионизации и сопутствующих ей процессов рекомбинации и перехода возбужденных атомов в нормальное состояние корона сопровождается свечением, характерным потрескиванием и появлением запаха озона.

При коронном разряде в результате ионизации воздуха у поверхности провода образуется объемный заряд того же знака, что и полярность провода. Увеличение напряжения на проводе приводит к усилению ионизационных процессов, к увеличению объемного заряда, а напряженность на поверхности провода остается равной начальной напряженности коронного разряда и зависит только от геометрических размеров проводника (коэффициента гладкости и радиуса кривизны провода) и относительной плотности воздуха. Увеличение объемного заряда приводит к увеличению потерь энергии и интенсивности электромагнитных излучений.

Физические процессы высоковольтного коронного разряда на постоянном и переменном напряжениях на коронирующих проводниках имеют существенные отличия [3].

При высоковольтном коронном разряде на постоянном напряжении и положительной полярности проводника образующиеся электроны уходят на анод, а положительные ионы создают объемный заряд, перемещающийся под действием электрического поля к противоположному электроду (земле). При высоковольтном коронном разряде на постоянном напряжении и отрицательной полярности проводника положительные ионы нейтрализуются на этом проводнике, а электроны, перемещаясь к аноду (земле), захватываются атомами кислорода и создают отрицательный объемный заряд.

При высоковольтном коронном разряде на переменном напряжении, так же как и на постоянном напряжении, возникают объемные заряды того же знака, что и заряд проводника. Однако вследствие непрерывного изменения полярности провода объемный заряд каждой фазы удаляется от провода только в течение полупериода и при перемене полярности начинает притягиваться к проводу. Когда короны на проводнике нет, потери энергии отсутствуют, т. к.

энергия, затраченная источником на создание электрического поля в течение одного полупериода, в течение следующего полупериода полностью возвращается источнику. При наличии высоковольтной короны на переменном напряжении источнику возвращается только часть этой энергии, определяемая зарядом на проводе, а энергия, связанная с объемным зарядом вблизи провода, сохраняется в виде остаточного электрического поля, которое затем компенсируется зарядом противоположного знака в последующий полупериод.

Кинетика набора прочности оценена при обработке высоковольтным коронным разрядом сухих проб из портландцемента, потерявшего свою первоначальную активность, сухих композиций, состоящих из портландцемента с различным процентным (10-40) содержанием добавок зол, как инертных, так и проявляющих вяжущие свойства. Обработка коронным разрядом осуществлялась в течение 5 мин при различных напряжениях на коронирующем проводнике (40-80 кВ). С учетом достаточно хорошо известных данных по набору прочности при обработке коронным разрядом марочного цемента в проводимых экспериментах в большей степени уделено внимание процессам структурообразования при обработке сухих композиций с добавками зол. Обработка же цементов осуществлялась при потере ими активностей, причем последние различались по абсолютным значениям.

Кинетика набора прочности цементного камня при обработке портландцемента различной активности высоковольтным коронным разрядом приведена на рис. 1. Исходная активность, определенная по стандартной методике на образцах-балочках 4x4x16 см, составляла 24,4 и 19,5 МПа. Там же приведены данные по изменению прочности в различные сроки твердения контрольных (необработанных) серий образцов.

Rсж, МПа

4

Время твердения, сут

Рис. 1. Кинетика набора прочности цементного камня при обработке портландцемента различной активности:

1 и 2 - активность 24,4 МПа; 3 и 4 - активность 19,5 МПа; 1 и 3 - активированные образцы; 2 и 4 - контрольные образцы

Из рис. 1 видно, что при обработке высоковольтным коронным разрядом портландцементов, утерявших свою первоначальную активность, набор прочности протекает более интенсивно по сравнению с контрольными образцами как в ранние сроки твердения, так и в более поздние сроки. Причем в ранние сроки процессы структурообразования лучше у активированного портландцемента с большей исходной активностью (рис. 1, кривая 1). Так, если при высоковольтной обработке коронным разрядом портландцемента активностью 24,4 МПа превышение прочности камня по отношению к контрольной серии в 3- и 7-суточном твердении составило 1,5 и 1,76 раза соответственно, то при обработке портландцемента активностью 19,5 МПа это превышение составило 1,18 и 1,23 соответственно.

Интенсивность процессов структурообразования твердеющего теста при высоковольтной обработке портландцемента по сравнению с контрольными образцами, наиболее вероятно, связана с деформацией связей кристаллической решетки от воздействия коронного разряда, которая установлена по рентгеновским дифрактограммам. Деформация связей приводит к ослаблению и разрыву связи СаО-81, что, в свою очередь, способствует интенсивному выщелачиванию и переходу ионов Са2+ в раствор [4].

Результаты экспериментальных исследований кинетики набора прочности цементно-зольным камнем при высоковольтной обработке коронным разрядом сухих композиций с добавками инертной золы приведены на рис. 2. Ввиду большой значимости решения вопросов замены портландцемента на часть отходов промышленных предприятий, в том числе инертных зол, кинетика исследована до сроков твердения 500 дней включительно при различных напряжениях на коронирующем (рабочем) электроде.

Rсж, МПа

Время твердения, сут

Рис. 2. Кинетика набора прочности цементно-зольным камнем при различном напряжении:

1 - U = 80 кВ; 2 - U = 70 кВ; 3 - U = 40 кВ; 4 - контрольная серия образцов

Для сравнения течения процессов структурообразования цементнозольного камня там же приведена кинетика набора прочности контрольной серии образцов.

Из приведенных на рис. 2 данных по кинетике набора прочности цементно-зольного камня с содержанием добавки золы в количестве 30 % видно, что усиление энергетического режима обработки цементно-зольной смеси от 40 до 80 кВ на коронирующем проводнике приводит к более интенсивному процессу структурообразования и росту прочности цементно-зольного камня как в ранние сроки набора прочности, так и в более поздние сроки твердения. Так, увеличение напряжения на коронирующем электроде от 40 до 80 кВ привело к росту прочности при 7- и 14-суточном твердении в 1,25 и 1,32 раза соответственно и при 90- и 500-суточном твердении - к практически одинаковому приросту в 1,24 и 1,29 раза. Повышение кинетики набора прочности с ростом напряжения на коронирующем электроде, по всей видимости, связано с тем, что увеличение напряжения приводит к большей концентрации заряженных частиц в пространстве, в котором находится цементно-зольное вяжущее, и, как следствие, не только к возможному повышению поверхностной энергии, но и к усилению воздействующего поля, приводящего к большим объемным изменениям в частицах композиции, к более сильным деформациям кристаллической решетки. Следует отметить, что зависимость прочности цементнозольного камня от напряжения носит нелинейный характер (рис. 3, кривая 1), причем нелинейность в большей степени проявляется при больших напряжениях (60 кВ и более) на коронирующем проводнике. При постоянстве напряжения на коронирующем проводнике влияние процентного количества инертной добавки на изменение прочности определяется практически двумя линейными участками (рис. 3, кривая 2), имеющими преломление при 20 % добавки. Увеличение добавки более чем на 20 % приводит к более резкому уменьшению прочности. Так, если увеличение добавки к портландцементу в количестве до 20 % приводит к снижению прочности от 29 до 26 МПа, то увеличение добавки от 20 до 40 % привело к снижению прочности от 26 до 17 МПа в технологии высоковольтной обработки коронным разрядом при напряжении 40 кВ на рабочем электроде.

% добавки золы

40

50

60

70 80

Напряжение, кВ

Рис. 3. Зависимость прочности камня от процента добавки золы и изменения напряжения

«сж, МПа

1

2

Из зависимостей рис. 2 следует, что прочность цементно-зольного камня на активированных композициях превышает прочность контрольных образцов во всем диапазоне сроков твердения до 500 дней включительно. Подобное превышение прочности при высоковольтной активации коронным разрядом сухих цементно-зольных композиций обязано более лучшему течению процессов гидратации при прочих равных условиях. Результаты исследований по изменению форм связи воды в твердеющей композиции, состоящей из 70 % портландцемента и 30 % добавки инертной золы, при высоковольтной обработке коронным разрядом сухих смесей и контрольных образцов показали, что сорбция воды и образование гидросиликатов (как высокоосновных, так и низкоосновных) различно при высоковольтной обработке и отсутствии ее. Как при 7-, так и при 14-суточном сроках твердения количество механически связанной воды меньше в образцах, приготовленных на активированных сухих смесях. В то же время при тех же сроках твердения количество адсорбционной и кристаллогидратной воды в образцах на активированных смесях существенно выше, чем у контрольных образцов, что свидетельствует о большей степени формирования соответственно высокоосновных и низкоосновных гидросиликатов при высоковольтной активации [5].

На рис. 4 приведена кинетика набора прочности цементно-зольного камня при высоковольтной обработке сухой композиции, содержащей 70 % портландцемента и 30 % добавки золы, проявляющей вяжущие свойства (зола активная). Из рис. 4 видно, что прочность активированных образцов выше контрольных во всем диапазоне сроков твердения. Механизм увеличения прочности аналогичен изложенному выше при высоковольтной обработке композиций с добавками инертной золы. Следует, однако, отметить, что процессы структурообразования в ранние сроки твердения при высоковольтной активации коронным разрядом композиций с добавкой активной золы протекают интенсивнее, чем при активации композиций с добавками инертной золы.

Rсж, МПа

Время твердения, сут

Рис. 4. Кинетика набора прочности цементно-зольного камня при активации сухой смеси с добавкой активной золы:

1 - активированная серия; 2 - контрольная серия

Так, если при высоковольтной обработке сухих композиций с добавкой инертной золы прочность активированных образцов превышает прочность контрольных при 7- и 14-суточном сроке твердения соответственно в 1,25 и 1,32 раза, то при прочих равных условиях активации это превышение при активной добавке золы составляет 1,66 и 1,72 соответственно.

Полученные закономерности изменения кинетики набора прочности активированными твердеющими композициями высоковольтным коронным разрядом расширяют представления о влиянии последействия на объекты исследования и позволяют более эффективно реализовать технологию высоковольтной активации коронным разрядом сыпучих материалов.

Библиографический список

1. Сафронов, В.Н. Электрофизические технологии активации строительных материалов / В.Н. Сафронов. - Томск : Изд-во ТГАСУ, 2006. - 140 с.

2. Недавний, О.И. Некоторые аспекты активации минерального заполнителя в среде ионизированного воздуха / О.И. Недавний, В.Н. Сафронов, А.А. Алексеев // Вестник ТГАСУ. - 2000. - № 1. - С. 186-193.

3. Основы инженерной электрофизики / В.А. Бутенко, В.Ф. Важов, Н.Б. Вишневецкая [и др.]. - Томск : ТПУ, 1987. - 95 с.

4. Высоковольтная активация вяжущих на основе портландцемента - эффективный путь регулирования физико-химических процессов гидратации и экономии цемента / В.И. Верещагин, В.Н. Сафронов, О.В. Силкина [и др.] // Труды 8-го Всесоюзного научно-технического совещания по химии и технологии цемента. - М. : Союзстройматериа-лы, 1991. - С. 173-176.

5. Верещагин, В.И. Электрофизическая активация компонентов в технологии силикатных материалов / В.И. Верещагин, А.В. Губернаторов, В.Н. Сафронов // Химия и технология силикатных материалов. - Белгород : БТИСМ, 1991. - С. 87-89.

References

1. Safronov, V.N. Elektrofizicheskie tekhnologii aktivatsii stroitel'nykh materialov [Electroactivation technology of building materials]. - Tomsk, TGASU Publ., 2006. - 140 p. (rus)

2. Nedavniy, O.I., Safronov, V.N., Alekseev, A.A. Nekotorye aspekty aktivatsii mineral'nogo zapolnitelya v srede ionizirovannogo vozdukha [Some aspects of the activation of mineral filler in the ionized air] // Vestnik of Tomsk State Universty of Architecture and Building. -2000. - No. 1. - P. 186-193. (rus)

3. Butenko, V.A., Vazhov, V.F., Vishnevetskaya, N.B. [i dr.]. Osnovy inzhenernoy elektrofiziki [Bases of Engineering Electrophysics]. - Tomsk, TPU Publ., 1987. - 95 p. (rus)

4. Vereshchagin, V.I., Safronov, V.N., Silkina, O.V. [i dr.]. Vysokovol'tnaya aktivatsiya vyazhushchikh na osnove portlandtsementa - effektivnyy put' regulirovaniya fiziko-khimicheskikh protsessov gidratatsii i ekonomii tsementa [The high-voltage activated binders based on Portland cement - an effective way to control physical and chemical processes of hydration and cement saving] // Trudy 8-go Vsesoyuznogo nauchno-tekhnicheskogo sovesh-chaniya po khimii i tekhnologii tsementa [Proceedings of the 8th All-Union Scientific-Technical Conference on the Chemistry and Technology of cement]. Moscow, Soyuzstroyma-terialy Publ., 1991. - P. 173-176. (rus)

5. Vereshchagin, V.I., Gubernatorov, A.V., Safronov, V.N. Elektrofizicheskaya aktivatsiya kom-ponentov v tekhnologii silikatnykh materialov [Electro-physical activation of components in the technology of silicate materials] // Khimiya i tekhnologiya silikatnykh materialov [Chemistry and technology of silicate materials]. - Belgorod, BTISM Publ., 1991. - P. 87-89. (rus)