CC BY
24Федосов С.В., д-р техн. наук, член-кор. РААСН; Акулова М.В., д-р техн. наук, профессор советник РААСН;
Стрельников А.Н., аспирант; Слизнева Т.Е., к.т.н.,доцент. Ивановский государственный архитектурно-строительный университет
ПРИМЕНЕНИЕ МЕХАНОМАГНИТНОЙ АКТИВАЦИИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ВВОДИМЫХ ДОБАВОК В БЕТОН
.rektor@igasu.ru
Установлено, что использование механомагнитной активации водных систем с неорганическими добавками для затворения бетона приводит к повышению прочности цементного камня. Максимальное увеличение прочности на сжатие составляет для тиосульфата натрия 84%, для хлорида кальция 98% при частоте вращения ротора 3500 об/мин, при времени обработки 3 мин и концентрации 0,03% от массы вяжущего.
При активации водного раствора с неорганическими добавками количество вводимых добавок можно сократить до ста раз, не снижая скорости набора прочности в ранние сроки твердения.
Ключевые слова: механомагнитная активации, структурообразование цементного камня, добавки-электролиты, кавитация, дегазация.
Ускорители твердения и противоморозные добавки занимают важное место среди многочисленных добавок в бетон. Они нашли широкое применение при возведении монолитных зданий и сооружений, изготовлении сборных и железобетонных конструкций, в производстве каменных работ.
Ускорение твердения бетона позволяет существенно повысить эффективность бетонных работ - увеличить оборачиваемость опалубки и бортоснастки, снизить энергетические затраты при изготовлении сборных изделий и конструкций сократить сроки строительства. Обеспечение твердения цементных систем при пониженных температурах без снижения качества - острая необходимость для нашей страны, во многих регионах которой такие температуры в течение года являются доминирующими.
Заметим, однако, что повышенные количества традиционных электролитов, которые вводятся в бетонную смесь для обеспечения твердения при пониженных температурах, часто приводят к появлению высолов, снижению долговечности бетона, особенно морозостойкости [1].
Указанный недостаток устраняется при активации воды с химическими добавками. При сравнении с такими известными способами активации воды для затворения бетона как ультразвуковым [2], асимметричным
переменным током [3], механическим [4], магнитным и др., механомагнитный способ обработки воды с добавкой-ускорителем
схватывания бетонной смеси для приготовления бетона на портландцементном вяжущем наиболее перспективен в производстве строительных материалов. Разработанная технология не требуют особых дополнительных затрат и не трудоемка.
Традиционно под механоактивацией принято понимать диспергирование твердой фазы, например, вяжущего. При измельчении твердых частиц наблюдается их активация -сложный многоступенчатый процесс изменения энергетического состояния вещества. Измельчение твердой фазы приводит к увеличению удельной поверхности, к структурным нарушениям, происходящим в кристаллической решетке и, как следствие, к увеличению реакционной способности тонкодисперсных материалов [5].
Обработка воды перед затворением цементного теста является сравнительно новым направлением. Под механической активацией водного раствора понимают процесс поглощения жидкостью подводимой
механической энергии. Энергия накапливается в жидкости, меняет ее физические свойства и ускоряет физико-химические процессы. Механическое воздействие на жидкость вызывает её интенсивное перемешивание (турбулентность), вихреобразование,
преобразование механической энергии в тепловую (трибоэффект), кавитацию [6]. Кавитация в жидкости - это образование полостей или пузырьков, заполненных паром
или газом при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенного пара. При импульсных растягивающих напряжениях в жидкости зародыши кавитации начинают расти, образуя кавитационный кластер. Процесс возникновения кавитационных пузырьков является цепной реакцией [7]. При достижении максимального давления и температуры кавитационный пузырек распадается на части, в которых давление и температура парогазовой смеси повышены. В фазе растяжения они легко расширяются и становятся новыми зародышами кавитации. Кавитационные полости, возникшие на этих зародышах, порождают новые. Внутри кавитационной области идет непрерывный процесс размножения и коагуляции кавитационных пузырьков [8]. Таким образом,
воздействие кавитации на водные растворы сводится к расщеплению молекул воды в кавитационных пузырьках. Кроме того, под действием магнитного поля газовые пузырьки взаимодействуют с ионами, коагулируют и всплывают, то есть происходит дегазация.
Механоактивация водных систем чаще всего осуществляется в роторных импульсно-кавитационных аппаратах, в канале статора которых образуются кавитационные кластеры [8]. В данной работе для изучения совместного влияния добавок электролитов и механомагнитной активации водной системы на прочность бетона в раннем возрасте была использована лабораторная экспериментальная установка, схема которой представлена на рисунке 1.
9
Рисунок 1 - Схема установки для активации воды затворения: 1 - магнит; 2 - активатор; 3 - электромотор; 4 -
подставка для электроприборов; 5 - панель электромотора; 6 - емкость для жидкости; 7 - клапан для слива остатков жидкости из активатора; 8 - ременная передача; 9 -электроприборы; 10 - ручка регулировки скорости
вращения ротора; 11, 12 - входное и выходное отверстия
Обрабатываемая вода с добавками электролитов, введенными непосредственно перед обработкой, циркулировала по замкнутому контуру: активатор 2 - резервуар 6 по резиновым трубкам, присоединенным к выходным отверстиям 11 и 12.
Клапан 7 служил для слива остатков обработанной воды. На выходе из резервуара располагался магнит 1. Напряженность магнитного поля во всех опытах составляла 140 мА/м. Активатор прямоугольной формы приводился в действие электромотором 3, число оборотов которого можно было регулировать при помощи ручки 10 на панели 5. Одновременно можно было активировать 2 л воды.
В результате исследования химических и физических свойств
механомагнитоактивированной воды без добавок, было установлено увеличение водородного показателя рН (на 7%) при механомагнитоактивированной обработке воды на различных режимах. Кроме того, отмечались изменения электрической проводимости, показателя светопреломления и других свойств воды (таб. 1),что способствует возрастанию активности воды как химического и структурообразующего компонента.
В табл. 2 приведены полученные результаты исследования портландцементных паст, приготовленных на дистиллированной воде, принятой за эталон с растворами электролитов одинаковой концентрации равной 1,5% от массы вяжущего до получения пасты с В/Ц=0,27 (эталонное тесто нормальной
густоты). Для испытания применялся портландцемент М 500 Мордовского цементного завода. Вода затворения активировалась 3 минут со скоростью вращения ротора 3500 об./мин. и напряженностью магнитного поля 140 кА/м. Сроки схватывания
цементных паст определялись прибором Вика. Кроме того из цементных смесей формовали образцы-балочки, которые хранились в камере нормального твердения и испытывались на прочность в возрасте 2 и 28 суток.
Таблица 1
Влияние времени обработки воды затворения в активаторе с 8-ми лопастным ротором с
применением магнита (3500 об./мин.)
№ п/п. Время обработки, мин Водородный показатель рН Электропроводимость, мСм/см Температура, °С
1 0 6,75 11,5 15
2 1 6,91 14,9 30
3 2 6,87 14,7 37
4 3 6,92 14,9 46
5 4 6,96 14,8 53
6 5 6,88 13,7 59
7 6 6,98 14,8 66
8 7 6,9 16,0 72
9 8 6,69 15,7 77
10 9 6,90 16,0 82
11 10 7,23 21,0 87
Таблица 2
Влияние растворов электролитов на физико-механические свойства цементных паст при механомагнитнй активации водного раствора.
Раствор электролита добавки Сроки схватывания, часы-минуты Прочность, на сжатие (МПа) в возрасте (сутки)
начало конец 2 28
* ** * ** * ** * **
Контр. образец - 3-45 3-25 6-00 5-40 5,8 6,2 42,0 43,0
Хлорид натрия NaCl 2-00 1-45 4-15 4-00 11,0 12,8 41,0 43,8
Хлорид кальция CaCl2 1-50 1-40 3-40 3-25 11,9 13,2 44,2 50,3
Нитрат натрия NaNOs 2-30 2-20 4-40 4-25 6,5 7,5 45,5 48,5
Тиосульфат натрия Na2S2O3 3-20 3-05 5-30 5-15 10,5 12,3 43,2 45,0
Сульфат натрия Na2SO4 3-00 2-45 5-30 5-10 9,4 10,3 42,5 45,5
Примечание: *-без механомагнитной активацией водного раствора с раствором элекролита
**-с механомагнитной активацией водного раствора электролитов одинаковой концентрации, равной 1,5% от массы вяжущего.
Результаты исследования
портландцементных паст показали
положительное влияние добавок электролитов и активированной воды затворения на
структурообразование цементного камня. Так при активации водного раствора начало и конец схватывания портландцементных паст сдвигались в сторону уменьшения на 9%.
Анализ кинетики роста прочности цементного камня при активировании воды затворения с неорганическими добавками показывает, что прирост прочности в ранние сроки составляет 610%, в 28-ми суточном возрасте 2-13%, причем добавки СаС12 и Ка28203 показали наилучшие результаты.
Для наиболее полного изучения влияния механомагнитной активации на растворы электролитов и свойства цементного камня проводились с использованием методов
математического планирования эксперимента. В качестве факторов, характеризующих режим активирования, были приняты расход добавки, время обработки и скорость вращения ротора. В качестве отклика было выбрано изменение прочности цементного камня в начальные сроки схватывания (в возрасте 3-х дней) при активации водопроводной воды затворения с добавкой -ускорителя твердения тиосульфата натрия и хлорида кальция.
Таблица 3
Прочность цементного камня в возрасте 3-х дней при активации воды затворения с
Название Время обработки мин. Конецент- рация в % от массы вяжучего Предел прочности (МПа) при скорости вращения ротора (об./мин.)
0 3110 4132
* ** * ** * **
Без добавок 0 - 7,5 3,0 - -
№28203 0 0,03 8,3 3,1 - -
3 10,0 3,4 - -
1 0,03 - 13,7 4,8 14,2 5,1
3 - 15,5 4,1 14,7 4,9
5 0,03 - 15,3 5,1 14,2 3,5
3 - 15,6 4,8 17,7 5,1
СаС12 0 0,03 11,5 4,2 - -
3 12,7 5,0 - -
1 0,03 - 18,2 3,2 19,9 3,9
3 - 19,3 3,8 20,9 4,4
5 0,03 - 21,8 4,3 23,8 5,6
3 - 24,5 4,6 23,9 5,2
Примечание: *- Предел прочности цементного камня на сжатие (МПа) **- Предел прочности цементного камня на изгиб (МПа)
Полученные результаты (см. табл.3) показали, что оптимальное время обработки водного раствора и электролита составляет 3 мин. Меньшая продолжительность
активирования растворов снижает эффект от применения добавки, а обработка свыше 3 мин не улучшает свойства цементного камня. Использование одинакового количества добавки, подвергнутой активированию, при различных параметрах цементного камня значительно влияет на характеристики цементного камня. Так, при скорости вращения ротора 3110 об/мин прочность цементного
камня в начальные сроки схватывания увеличилось на 55...65%, при 4132 об./мин. 47...71%. Максимальное увеличение прочности на сжатие составляет для тиосульфата натрия 84%, для хлорида кальция 98% при частоте вращения ротора 3500 об/мин, при времени обработки 3 мин и концентрации 0,03% от массы вяжущего.
Таким образом, проведенные исследования по изменению свойств водных систем после механомагнитной обработки водных систем показывает, что обработка водного раствора с добавками-электролитами способствует
возрастанию активности воды как химического и структурообразующего компонента вяжущих систем. Тем самым при активации водного раствора с неорганическими добавками количество вводимых добавок можно сократить до ста раз, не снижая скорости набора прочности в ранние сроки твердения. Прочность цементного камня с не активированной воды и добавкой 3% от массы вяжущего приблизительно равны с прочностью цементного камня активированной воды с добавкой 0,03% от массы вяжущего как в 3 суток, так и возрасте 28 дней.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Башлыков Н.Ф., Вайнер А.Я., Серых Р.Л., Фаликман В.Р. Комплексные пластифицирующее -ускоряющие добавки на основе суперпластификатора С-3 и промышленных смесей тиосульфата и роданида натрия // Бетон и железобеон.-2004.-№6. -С.13-16.
2. Балакин, П.Ф., Климова Л.К., Федорова Г.М., Взаимосвязь параметров ультразвуковой обработки и
свойств цементного камня // Журнал прикладной химии.-1987.-№3 - С.689-690.
3. Еремина, А. Н. Влияние активированной жидкости затворения на гидравлическую активность и твердение цементных систем [Текст]: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.17.11 / А.Н. Еремина. - Томск, 2002. - 20 с.
4. Федосов С.В., Акулова М.В., Падохин В.А. Применение нанотехнологий с использованием импульсной механоактивации комплексов жидких композитов в производстве бетонов. /Сб. докл. участников круглого стола «Наносистемы в строительстве и производстве строительных материалов». - Москва, декабрь 2007г. - С. 116-121.
5. Авакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. - Новосибирск: Наука, 1986. - 306 С.
6. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика. - М.: Машиностроение-1, 2001. - 260 С.
7. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации // Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л. Д. Розенберга. -М.: Наука, 1968. - Ч. 5. - С. 168 - 220.
8. Классен В.И. Омагничивание водных систем. - М.: Химия, 1982. - 296 С.
