CC BY
43УДК 691.32
Р.А. ИБРАГИМОВ1, канд. техн. наук (rusmag007@yandex.ru); Е.В. КОРОЛЕВ2, д-р техн. наук; Т.Р. ДЕБЕРДЕЕВ3, д-р техн. наук, В.В. ЛЕКСИН3, канд. физ.-мат. наук
1 Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)
2 Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
3 Казанский национальный исследовательский технологический университет (420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68)
Прочность тяжелого бетона на портландцементе, обработанном в аппарате вихревого слоя
В настоящее время наблюдается тенденция повышения физико-механических свойств строительных материалов за счет активации сырьевых компонентов. Одним из таких способов является активация цемента в аппаратах вихревого слоя. В работе представлены данные оптимизации параметров работы аппарата вихревого слоя путем реализации четырехфакторного плана второго порядка на тяжелом бетоне класса В25. На основе планирования эксперимента выявлены оптимальные параметры работы аппарата вихревого слоя, размеры ферромагнитных частиц и отношение ферромагнитных частиц к активируемому материалу. Найдена математическая зависимость прочности тяжелого бетона в возрасте 1 и 28 сут твердения от независимых переменных. При оптимальных режимах работы аппарата вихревого слоя происходит повышение прочности при сжатии тяжелого бетона в первые сутки твердения в 2,44 раза, а в марочном возрасте - в 1,48 раза.
Ключевые слова: активация, вяжущее, вихревой слой, ферримагнитные частицы, тяжелый бетон.
Для цитирования: Ибрагимов Р.А., Королев Е.В., Дебердеев Т.Р., Лексин В.В. Прочность тяжелого бетона на портландцементе, обработанном в аппарате вихревого слоя // Строительные материалы. 2017. № 10. С. 28-31.
R.A. IBRAGIMOV1, Candidate of Sciences (Engineering) (rusmag007@yandex.ru); E.V. KOROLEV2, Doctor of Sciences (Engineering) (KorolevEV@mgsu.ru); T.R. DEBERDEEV3, Doctor of Sciences (Engineering), V.V. LEKSIN3, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics)
1 Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, 420043, Russian Federation)
2 Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
3 Kazan National Research Technological University (68, K. Marksa Street, Kazan, 420015, Russian Federation)
Durability of Heavy-Weight Concrete with Portland Cement Treated in Apparatus of Vortex Layer
At present, the tendency of improving physical-mechanical properties of building material due to the activation of raw components is observed. One of the methods is the activation of cement in the apparatus of vortex layer. The paper presents the data on optimization of parameters of the apparatus of vortex layer by means of realization of the four-factor plan of the second order for heavy-weight concrete of B25 class. On the basis of the experiment planning, optimal parameters of operation of the apparatus of vortex layer, sizes of ferromagnetic particles and relation of ferromagnetic particles to the material activated were revealed. The mathematical dependence of durability of heavy-weight concrete at the age of 1 and 28 days of hardening on the independent variables was found. At optimal conditions of the apparatus of vortex layer operation, improving the compression strength of heavy-weight concrete takes place at the first day of hardening by 2.44 times and at the grade age - by 1.48 times.
Keywords: activation, binder, vortex layer, ferromagnetic particles, heavy-weight concrete.
For citation: Ibragimov R.A., Korolev E.V., Deberdeev T.R., Leksin V.V. Durability of heavy-weight concrete with portland cement treated in apparatus of vortex layer. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 10, pp. 28-31. (In Russian).
Повышение качества строительных материалов может быть осуществлено различными способами: рецептурным (оптимизация рецептуры материала без существенного изменения технологического режима производства материала), технологическим (применение нового технологического режима и/или аппарата), комплексным — рецептурно-технологическим. Указанное четко прослеживается в эволюции бетона [1]. В работе [2] с применением критерия совершенства технологии Фш, показано, что эффективными способами повышения качества цементных материалов являются: повышение активности портландцемента (способ № 1); снижение начального водосодер-жания посредством введения пластификаторов (способ № 2); пропитка поровой структуры бетона органическими веществами или серой (способ № 3); применение сухого формования (способ № 4). По величине указанные способы можно расположить в ряд эффективности: способ № 3>способ № 1>спо-соб № 2> способ № 4.
Способ № 3, безусловно, усложняет и повышает затраты на технологический процесс производства изделий и конструкций; способ № 4 не получил достаточной апробации для широкого применения, а также ограничен производством штучных изделий. Способ № 2 наи-
более часто реализуется в повышении качества цементных композитов. Перспективен также способ № 1, как посредством повышения физико-химической активности минеральных вяжущих, так и путем создания композитных, тонкомолотых вяжущих систем [3—8].
В настоящее время широко распространены и известны следующие способы воздействия на вяжущее: турбулентное [9—11], кавитационное [12, 13], механо-химическое [14], ультразвуковое [15], вибрационное [16—18] и т. д. Данные способы активации вяжущего приводят к увеличению дисперсности и удельной поверхности новообразований.
Отдельно необходимо отметить незаслуженно забытый способ активации цемента в аппарате вихревого слоя. Такие аппараты впервые были разработаны Д.Д. Логвиненко [19]. В процессе апробации аппаратов вихревого слоя была отмечена их высокая производительность, а также выявлены некоторые физические аномалии, связанные с особенностями перераспределения внутренней потенциальной энергии вещества [20].
Работа аппарата вихревого слоя обеспечивается постоянно движущимся (вращающимся) электромагнитным полем (рис. 1). В немагнитной трубе аппарата могут размещаться различные ферримагнитные тела, движе-
28
октябрь 2017
Рис. 1. Типовая конструкция аппарата с вращающимся электромагнитным полем [20]: 1 - магнитопровод индуктора; 2 - трехфазная обмотка индуктора; 3 - немагнитный цилиндрический корпус рабочей зоны аппарата; 4 - ферримагнитные иглы; 5 - обрабатываемый материал; 6 - кожух
ние которых обеспечивает вращающееся электромагнитное поле. При движении ферримагнитных тел в немагнитной трубе происходит измельчение находящихся веществ, сопровождающееся сложными физическими, химическими и механохимическими явлениями.
Изучение вопросов активации материалов в аппаратах вихревого слоя, в частности портландцемента, к сожалению, не имеет систематического характера. Так, например, в работах [21, 22] представлено влияние массы мелющих тел, отношение их диаметра к длине, времени обработки на активность портландцемента при получении неавтоклавных пенобетонов.
В данной работе с целью формирования базы экспериментальных данных, являющихся основой для по-
следующих исследований с применением высокоинформативных методов изучения структуры и свойств вещества, выявления ключевых физико-химических параметров и механизмов, проведены исследования по установлению влияния технологического режима обработки портландцемента в аппарате вихревого слоя на кинетику набора и прочность тяжелого бетона.
Исследование влияния обработки портландцемента в аппарате вихревого слоя производили на тяжелом бетоне с проектным классом по прочности В25.
Для исследований приняли портландцемент (Ц) ЦЕМ I 42,5 Б/ПЦ 500-Д0-Н Новотроицкого цементного завода, соответствующего требованиям ГОСТ 31108—2016. Указанный портландцемент имеет следующий минералогический состав: CзS - 64-65%; С^ - 11-13%; С3А - 5-6%; C4AF - 14-15%.
Мелким заполнителем служил кварцевый песок (П) Камско-Устьинского месторождения. Модуль крупности 2,7, соответствует требованиям ГОСТ 8736-2014.
Крупным заполнителем являлся гранитный щебень (Щ) Уральского месторождения. Размер фракций 5-20 мм, соответствует ГОСТ 8267-93.
Расходы указанных компонентов бетона следующие, кг/м3: Ц - 490; П - 555; Щ - 1315.
Количество воды затворения подбирали при условии равной подвижности бетонной смеси марки П2.
Обработку портландцемента производили в аппарате вихревого слоя (АВС), модель 297, производитель ООО «Регионметтранс».
Оценку эффективности применения АВС на начальном этапе целесообразно произвести по величине прочности, являющейся структурно-чувствительной характеристикой структуры материала. Изменение кинетики набора и величины прочности бетона в условиях данного эксперимента определяется изменениями, возника-
j í . ®
октябрь 2017
29
Таблица 1
Факторы Название факторов Уровни варьирования
-1 0 + 1
Xi Частота вращения электромагнитного поля, Гц 20 70 120
X2 Время активации, мин 1 5 9
X3 Отношение диаметра ферримагнитных тел к их длине 0,06 0,12 0,18
X4 Отношение массы ферримагнитных тел к массе измельчаемого материала 0,2 0,4 0,6
Таблица 2
Наименование фактора Уравнение прочности
R1 _/(X1, ^ % X4) R28"/(X1, X2, X3, X4)
Фактор Х1 +7,6 -0,16
Фактор Х2 +44,2 +25,2
Фактор Х3 -9764 -688
Фактор Х4 -224 -36
(1)
R1 = 11,6+12,8Х1-42Х2-1008Х3+109Х4+3,8Х?+ +22,1Х|-4897Х32-112Х42-8,2Х1Х2-0,02Х1Х3+ +3,9Х1Х4+1345Х2Х3+4,9Х2Х4+2,5Х3Х4. (2)
Графические интерпретации уравнений (1) и (2) представлены на рис. 2 и 3 (пунктирная линия - отно-
шение массы ферримагнитных тел к массе измельчаемого материала, равное 0,2; непрерывная линия - 0,4; штрихпунктирная линия - 0,6).
Оценку влияния выбранных факторов на прочность бетона производили как по результатам расчетов, производимых по уравнениям (1) и (2), так и по тангенсу угла наклона прямой частной производной указанных уравнений (табл. 2):
Э Rj (Хь Х2, Х3, Xt) _
щ
£ = tg(a),
kXi + b;
ющими при обработке портландцемента в АВС (колебания свойств других компонентов и в режимах на других технологических этапах принимаются статистически незначимыми). Как показано, в работах [19, 20], обработка в АВС приводит как к повышению дисперсности, так и к изменению энергетического состояния вещества. Эти изменения, безусловно, будут оказывать существенное влияние на процессы гидратации и структуро-образования цементного камня, соответственно на параметры структуры и его эксплуатационные свойства.
Ведущими факторами при обработке материала, в частности портландцемента, в АВС, способными оказать значительное влияние на физико-химические свойства, являются: частота вращения электромагнитного поля, время активации, отношение диаметра фер-римагнитных тел к их длине, отношение массы ферри-магнитных тел к массе измельчаемого материала.
Уровни варьирования указанных независимых переменных, выбранные для данного эксперимента, приведены в табл. 1.
После исключения статистически незначимых коэффициентов вид математической зависимости прочности (после твердения в нормальных условиях в течение 28 сут — R28, то же, после первых сут — R1) от независимых переменных Х1, Х2, Х3, Х4 примут следующий вид:
R28 = 34,1+0,05Х1+0,74Х2—0,006Х3—0,056Х4—0,08Х2+ + 12,6Х2—344Х3—18Х4—0,2Х1Х2—0,88Х1Х3+ +0,7Х1Х4+104Х2Х3+8,6Х2Х4+12,4Х3Х4;
где а — угол наклона прямой.
Анализ показывает, что все выбранные факторы оказывают влияние на величину прочности бетона. По интенсивности влияния рассмотренные факторы располагаются в ряд:
Х3>Х4>Х2>Х1.
Наибольшая весомость факторов Х3 и Х4 указывает на то, что обработка портландцемента в АВС связана в первую очередь с процессами его измельчения. Так, если принять элементарную модель дисперсной системы, состоящей из частиц портландцемента и стальных волокон, длиной I, измельчение в которой осуществляется посредством столкновения волокон с частицами портландцемента, то частота столкновений, определяющая интенсивность измельчения, будет равна:
Z = n(\ + dcemfbN,
(3)
где (!сет — диаметр частицы портландцемента; Ф — средняя скорость движения стальных волокон, зависящая от факторов Х1 и Х2; N — концентрация частиц портландцемента и стальных волокон.
При этом количество частиц N связано с факторами Х3 и Х4:
_6_,4X4
N = mr,
ЯРсет dCem
ЯР1СХ3 Ь\
(4)
где Реет, Р« — соответственно плотность портландцемента и стальных волокон; с1сет — средний диаметр частиц портландцемента.
Из представленных формул видно, что интенсивность измельчения должна сильнее возрастать при уменьшении величины фактора Х3 и менее интенсивно при увеличении значения фактора Х4. Указанное четко следует из уравнения (2). Отсюда можно принять за основу рассмотренную модель дисперсной системы.
С набором прочности бетона наблюдается снижение интенсивности влияния факторов Х2, Х3 и Х4 (интенсивность влияния фактора Х2 уменьшается в 1,7 раза, Х3 — в 14,2 раза, а Х4 — 6,2 раза). Фактор Х1 с увеличением продолжительности твердения бетона изменяет как величину, так и направленность влияния (с положительного на отрицательное). Такое изменение значений рассмотренных факторов указывает на то, что обработка портландцемента в АВС приводит в первую очередь к интенсификации начальных процессов твердения — растворения и гидратации минералов цементного клинкера, а также к сокращению периода гетерогенной нуклеации. При этом вследствие изменения энергетического состояния вещества должна наблюдаться нелинейная зависимость интенсивности этих процессов от дисперсности. Указанное должно быть четко выявлено при проведении
научно-технический и производственный журнал Г1- Г £г
~30 октябрь 2017 й- 1 - *
исследований с применением высокоинформативных методов исследования структуры вещества.
Диапазон технологического режима обработки портландцемента в АВС можно установить по полученным уравнениям (1) и (2). Так, по данным, представленным на рис. 2, видно, что наибольшее повышение марочной прочности тяжелого бетона происходит при времени активации 4,5-5,5 мин, частоте вращения электромагнитного поля 70 Гц, отношении диаметра ферримагнит-ных тел к их длине 0,12 и отношении массы ферримаг-нитных тел к массе измельчаемого материала, равном 0,4. При этом марочная прочность бетона повышается с 33 МПа до 49 МПа (в 1,48 раза).
Повышение ранней прочности бетона (рис. 3) происходит при тех же параметрах активации, что и при
Список литературы / References
1. Ушеров-Маршак А.В. Современный бетон и его технологии // Бетон и железобетон. 2009. С. 20—25.
1. Usherov-Marshak A.V. Modern concrete and its technologies. Beton i Zhelezobeton. 2009, pp. 20—25. (In Russian).
2. Королев Е.В. Принцип реализации нанотехнологии в строительном материаловедении // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 60—64.
2. Korolev E.V. Principle of realization of nanotechnology in building materials science. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 6, pp. 60-64. (In Russian).
3. Rajesh, D.V.S.P., Narender Reddy A., Venkata Tilak U., Raghavendra M. Performance of alkali activated slag with various alkali activators. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 2013. No. 2, pp. 378-386.
4. Benes L., Minar L. Geopolymer as a bonding agent in braking segment composites. Proceed. 3rd International Symposium «Non-traditional cement&concrete». Brno. 2008, pp. 86-89.
5. Bakharev T., Sanjayan J.G., Cheng Y.B. Effect of admixtures on properties of alkali-activated slag concrete. Cement and Concrete Research. 2001. No. 30 (9), pp. 1367-1374.
6. Van Jaarsveld J.G.S., Van Deventer J.S.J., Lukey G.C. The effect of composition and temperature on the properties of fly ash and kaolinite - based geopolymers. Chemical Engineering Journal. 2002. No. 89, pp. 63-73.
7. Fediuk R.S. Mechanical activation of construction binder materials by various mills. Materials Science and Engineering. 2016. No. 125, pp. 1-7.
8. Sadique M., Al-Nageima H., Athertona W., Setonb L., Dempsterb N. Mechano-chemical activation of high-Ca fly ash by cement free blending and gypsum aided grinding. Construction and Building Materials. 2013. No. 43, pp. 480-489.
9. Balaz P. Mechanochemistry in nanoscience and minerals engineering. Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag. 2008. 413 p.
10. Bouzoubaa N., Zhang M.N., Bilodeau A., Malhotra V.M. The effect of grinding on the physical properties of fly ashes and a portland cement clinker. Cement and Concrete Research. 1997. No. 27, pp. 1861-1874.
11. Bergold S.T., Goetz-Neunhoeffer F., Neubauer J. Mechanically activated alite: New insights into alite hydration. Cement and Concrete Research. 2015. No. 76, pp. 202-211.
12. Sekulic Z., Petrov M., Zivanovic D. Mechanical activation of various cements. International Journal of Mineral Processing. 2004. No. 74, pp. 355-363.
повышении марочной прочности бетона. При этом прочность бетона при сжатии в первые сутки твердения повышается с 8 до 19,5 МПа (в 2,44 раза).
Увеличение времени активации цемента при частоте вращения электромагнитного поля 20 и 120 Гц и увеличении фактора Х3>0,12, Х4>0,4 приводит к незначительному повышению прочности тяжелого бетона при сжатии во все исследуемые сроки (повышение прочности составляет 5-8%).
Таким образом, для дальнейших исследований режим обработки портландцемента в АВС следующий: время активации 5 мин; частота вращения электромагнитного поля 70 Гц; отношение диаметра ферримагнит-ных тел к их длине 0,12; отношение массы ферримаг-нитных тел к массе измельчаемого материала 0,4.
13. Sekulic Z., Popova S., DuriCica M., Rosic A. Mechanical activation of cement with addition of fly ash. Materials Letters. 1999. No. 39, pp. 115-121.
14. Scian A.N., Porto Lopez J.M., Pereira E. Mechano-chemical activation of high alumina cements-hydration behaviour. Cement and Concrete Research. 1991. No. 21, pp. 51-60.
15. Kalinkin A.M., Krzhizhanovskaya M.G., Gurevich B.I., Kalinkina E.V., Tyukavkina V.V. Hydration of mechanically activated blended cements studied by in situ X-ray diffraction. Inorganic Materials. 2015. No. 51, pp. 828-833.
16. Emoto T., Bier T.A. Rheological behavior as influenced by plasticizers and hydration kinetics. Cement and Concrete Research. 2007. No. 37 (5), pp. 647-654.
17. Puertas F., Santos H., Palacios M., Martinez Ramirez S. Polycarboxylate superplasticizer admixtures: effect on hydration, microstructure and rheological behaviour in cement pastes. Advances in Cement Research. 2005. Vol. 17. No. 2, pp. 77-89.
18. Sakai E., Kasuga T., Sugiyama T., Asaga K., Daimon M. Influence of superplasticizers on the hydration of cement and the pore structure of hardened cement. Cement and Concrete Research. 2006. Vol. 36. No. 11, pp. 2049-2053.
19. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. Киев: Техника, 1976. 144 с.
19. Logvinenko D.D., Shelyakov O.P. Intensifikatsiya tekhnologicheskikh protsessov v apparatakh s vikhrevym sloem [Intensification of technological processes in devices with a vortex layer]. Kiev: Tekhnika. 1976. 144 p.
20. Mischenko M.V., Bokov M.M., Grishaev M.E. Activation of technological processes of materials in the device rotary electromagnetic field. Technical Sciences. 2015. No. 2, pp. 3508-3512.
21. Филонов И.А., Явруян Х.С. Механическая активация портландцемента в аппарате вихревого слоя // Инженерный вестник Дона. 2012. № 3 (21). С. 678-681.
21. Filonov I.A., Yavruyan Kh.S. Mechanical activation of Portland cement in the vortex layer apparatus. Inzhenernyi VestnikDona. 2012. No. 3 (21), pp. 678-681. (In Russian).
22. Явруян Х.С., Филонов И.А. Гомогенизация наномо-дифицированных цементных систем и подбор параметров их обработки в установках с вихревым слоем // Вестник Московского государственного строительного университета. 2013. № 2. С. 130-136.
22. Yavruyan Kh.S., Filonov I.A. Homogenization of nanomodified cement systems and selection of parameters for their processing in installations with a vortex layer. Vestnik Moskovskogo Gosudarstvennogo Stroitel'nogo Universiteta. 2013. No. 2, pp. 130-136. (In Russian).
октябрь 2017
31
