CC BY
47
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.todav 2020, №2, Том 12 / 2020, No 2, Vol 12 https://esj.today/issue-2-2020.html URL статьи: https://esj.today/PDF/94SAVN220.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Щербань Е.М., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Нажуев М.П., Ельшаева Д.М., Самофалова М.С. Реологические свойства бетонных смесей на основе модифицированных минеральных дисперсий // Вестник Евразийской науки, 2020 №2, https://esj.today/PDF/94SAVN220.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Shcherban' E.M., Stel'makh S.A., Khalyushev A.K., Nazhuev M.P., El'shaeva D.M., Samofalova M.S. (2020). Reological properties of concrete mixes on the basis of the modified mineral dispersions. The Eurasian Scientific Journal, [online] 2(12). Available at: https://esj.today/PDF/94SAVN220.pdf (in Russian)
УДК 691 ГРНТИ 67.09.33
Щербань Евгений Михайлович
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты»
Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]
Стельмах Сергей Анатольевич
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты»
Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]
Халюшев Александр Каюмович
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики
Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]
Нажуев Мухума Пахрудинович
ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный технический университет», Махачкала, Россия
Аспирант E-mail: [email protected]
Ельшаева Диана Михайловна
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия
Бакалавр
E-mail: [email protected]
Самофалова Мария Сергеевна
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия
Бакалавр
E-mail: [email protected]
Реологические свойства бетонных смесей на основе модифицированных минеральных дисперсий
Аннотация. Применение минеральных добавок в качестве частичной замены портландцемента для получения высокопрочного бетона в последние годы получило
значительное внимание. Однако эти материалы обладают некоторыми недостатками -добавление известнякового наполнителя вызывает увеличение гидратации в раннем возрасте, что может снизить прочность в более позднем возрасте из-за эффекта разбавления, а зола-унос улучшает прочность бетона в более позднем возрасте. Введение ультрадисперсной добавки микрокремнезема резко повышает водопотребность порландцемента, что требует дополнительного применения суперпластификатора. Для устранения этих недостатков был разработан способ модифицирования портландцемента и минеральных добавок в высоковольтном электрическом поле. При оптимальных параметрах модифицирования реологические свойства бетонных смесей, а также прочность бетона повышаются. Частичная замена портландцемента на минеральную добавку в контрольном составе снижает прочностные характеристики бетона: с добавлением зольной пыли - на 6 %, с добавлением известняка - на 12 %, а в случае с микрокремнеземом незначительно возрастает - на 10 %. Для всех композиций с модифицированной минеральной добавкой несмотря на то, что водовяжущее соотношение смесей практически не изменяется, прочность бетона на сжатие все равно возрастает. Высоковольтное поверхностное модифицирование портландцемента и минеральных добавок оказывает существенное влияние на межчастичные взаимодействия в цементных пастах и бетонных смесях. В результате эффективная вязкость бетонных смесей уменьшается на 36-40 %. Поверхностное модифицирование минеральных дисперсных компонентов бетонной смеси на агломерационной установке, позволила повысить прочность бетона на сжатие на 26-27 %.
Ключевые слова: вязкость; минеральные добавки; модифицирование; прочность при сжатии; зола-унос; известняк; микрокремнезем
Деформативные характеристики бетонной смеси занимают некоторое промежуточное положение между вязкими жидкостями и твердыми телами. Такие сложные системы, к которым относится бетонная смесь, во времени при различных нагрузках ведут себя неоднозначно, и характеризуются реологическими свойствами. Количественное описание реологических свойств структурированных дисперсных систем в значительной степени основано на использовании методов математического моделирования и анализа идеальных механических моделей вязкого, упругого и пластического тела и их сочетания [1].
Для определения структурной вязкости коллоидных растворов применяются вискозиметры, основанные на различных принципах действия: падающего или всплывающего шарика, вращающихся коаксиальных цилиндров, истечения из капилляра, колебаний тел и других [2].
В зависимости от дисперсности минеральные добавки классифицируют на добавки-разбавители, близкие по своему гранулометрическому составу к цементу, и на добавки-уплотнители, которые имеют размер частиц примерно в 100 раз меньше зерен цемента (удельная поверхность 20-30 м2/г) [3].
Разнообразные способы интенсификации технологических процессов, протекающих в концентрированных дисперсных системах, основываются на управлении свойствами структуры, образованной частицами системы [4].
В данном случае изменением поверхностных свойств дисперсных минеральных компонентов можно не только увеличивать удобоукладываемость либо уменьшать водопотребность бетонных смесей, но одновременно и изменять свойства контактной зоны, а, следовательно, и бетона [5].
Ведущая роль активных центров на поверхности и в объеме твердого тела в создании его реакционной и структурообразующей способности, в том числе и для дисперсных систем,
к которым относятся бетонные и растворные смеси, предопределяет поиск и развитие эффективных способов их модифицирования [5].
С помощью различных способов модифицирования [6-11] поверхностных свойств минеральных веществ можно достигать следующих эффектов: аморфизации силикатной и алюмосиликатной составляющих, повышения реакционной способности поверхности; повышения обменной емкости поверхности; изменения знака и величины поверхностного заряда и других [12].
В современной технологии бетона представляют практический интерес такие приемы, как механохимическая активация вяжущих веществ в роторно-пульсационных и вихревых гидрокавитационных аппаратах, дезинтеграторах, смесителях-активаторах и других устройствах [13-15].
Для лучшего достижения поверхностного модифицирования в процессе агломерации дисперсных минеральных компонентов необходимо применять биполярную обработку частиц в сравнении с униполярной [16]. Таким образом, процесс поверхностного модифицирования минеральных дисперсий осуществлялось в экспериментальной установке, описанной в работе [17].
Способ поверхностного модифицирования минеральных дисперсий состоит в следующем: на первом этапе производится биполярная обработка в высоковольтном поле коронного разряда всех компонентов, поступающих в установку, при этом они разделяются на два потока. Навеска мелкодисперсного компонента («гостевых частиц») насыпается через камеру зарядки с отрицательным коронирующим электродом, а навеска грубодисперсных компонентов («частицы-носители») через камеру зарядки с положительным коронирующим электродом. Узел камеры электризации состоит из коронирующего электрода, расположенного в центре трубы, который выполнен из медной проволоки диаметром 0,6 мм, напряженность электрического поля возле электрода составляет Е = 18-20 кВ/см, сила тока I = 30-50 цА [5].
Затем частицы, получившие первоначальный заряд (положительный/отрицательный) попадают в агломерационную камеру, где под действием высоковольтного переменного электрического поля осуществляются колебания с разной амплитудой и частотой. Крупные частицы осциллируют с большей амплитудой и частотой, чем мелкие частички, градиент частоты и амплитуды колебаний обусловливает увеличение частоты столкновений частиц, что приводит к образованию сфероидальных агломератов [18].
Цель данной работы - исследовать эффективность воздействия агломерационной установки на реологические свойства бетонных смесей с применением модифицированных минеральных добавок и цемента.
Для получения модифицированных минеральных дисперсий в качестве исходных компонентов были приняты следующие материалы:
• портландцементный клинкер (минеральный состав, %: СзБ - 55,5; С28 - 22,4;
СзА - 6,6; С4ЛБ - 11,2) (рисунок 1);
• микрокремнезем (химический состав, %: БЮ2 - 94,4; АЬОз - 0,7; Бе20з - 0,75;
СаО - 50,90; М§О - 0,2; ППП - 1,74) (рисунок 2);
• известняк (химический состав, %: БЮ2 - 3,73; АЬОз - 0,44; Бе20з - 0,63;
СаО - 2,52; М§0 - 1,99; ППП - 41,50) (рисунок 3);
• зола-унос (химический состав, %: БЮ2 - 53,6; АЪ03 - 21,79; Бе2О3 - 15,39;
СаО - 2,52; М§0 - 1,0; ППП - 1,27).
Используемые математические модели основаны на различных способах определения динамической вязкости. Наиболее конструктивно простым и доступным является метод Стокса по всплытию или погружению шарика различной массы и замера при этом вязкости или предельной текучести. Подробное описание определения показателя эффективной вязкости бетонной смеси приведено в работе [19].
Рисунок 1. Микрофотографии и гранулометрический состав молотого клинкера (составлено авторами)
tV г .К* . xi ^
ш^^Зк ■ездку'
•¡Л*
WD-ie.Smm
20.00kV »150 200иш
Рисунок 2. Микрофотографии и гранулометрический состав добавки микрокремнезема (составлено авторами)
%
100 1 75 50 25 0
Фракции, мкм
Рисунок 3. Микрофотографии и гранулометрический состав молотого известняка (составлено авторами)
Эффективную вязкость определяли на бетонных смесях при отсутствии крупного заполнителя. Дисперсные минеральные добавки и портландцемент вводили в состав бетонной смеси после их предварительной поверхностной модификации в агломерационной установке. Пластифицирующая добавка (лигносульфонат) была использована для устранения влияния структурообразования цементного теста на показатели эффективной вязкости бетонных смесей. Эта добавка замедляла затвердевание цементного теста. Соотношение вода/цемент для всех исследованных составов было постоянным - 0,40.
Данные результаты (рисунки 4, 5) представляют собой средние значения эффективной вязкости, полученные на трех образцах для каждого состава бетонных смесей с применением различных видов минеральных добавок. Относительная ошибка находится в диапазоне 5,7-6,6 % (на уровне достоверности 95 %).
Рисунок 4. Гистограмма эффективной вязкости бетонной смеси с минеральной добавкой микрокремнезема (составлено авторами)
Рисунок 5. Гистограмма эффективной вязкости бетонной смеси с минеральными добавками золой-унос и известняком (составлено авторами)
Установлено, что частичная замена портландцемента на микрокремнезем, летучую золу или известняковый наполнитель вызывает повышение эффективной вязкости системы. Для бетонной смеси с добавлением микрокремнезема и известняка это связано с подъемом удельной поверхности частиц твердой фазы [20]. Летучая зола характеризуется более крупным гранулометрическим составом по сравнению с портландцементом. В то же время наличие
несгоревших частиц угля в летучей золе повышает расход воды бетонной смеси, вызывая снижение ее обрабатываемости [21].
Униполярный заряд частиц цемента и минеральных добавок вызывает незначительное снижение показателей эффективной вязкости бетонных смесей. Это связано с электростатическим отталкиванием между равномерно заряженными частицами, которое вызывает стабилизацию системы. В то же время в случае биполярной обработки дисперсных компонентов бетонных смесей их эффективная вязкость в 1,36-1,4 раза меньше по сравнению с контрольными составами. Этот эффект обусловлен агрегацией разно заряженных частиц цемента и минеральных добавок и, как следствие, уменьшением удельной поверхности дисперсных частиц. Избыток воды в системе вызывает ее пластификацию.
Модификация адгезионных контактов на границе цементной пасты - минерального наполнителя будет способствовать формированию более однородной и плотной микроструктуры мелкозернистого бетона [22]. В результате бетон будет иметь более высокие физико-механические свойства [23]. С другой стороны, установленный эффект пластификации бетонной смеси (снижение эффективной вязкости) за счет высоковольтной электростатической обработки порошковых материалов позволяет снизить потребность в воде при сохранении необходимой обрабатываемости. Это обеспечивает дополнительное увеличение прочности бетона.
Для установления влияния электростатической обработки бетонных дисперсных компонентов на показатели предельной прочности на сжатие были изготовлены стандартные кубы с размером ребра 0,05 м. Составы бетонных смесей приведены в таблице 1. Соотношение воды к вяжущему было выбрано из условия, обеспечивающего одинаковую обрабатываемость бетонной смеси (рабочий диаметр конуса в пределах 120-125 мм). При формовании бетонные смеси были механически уплотнены. Через 24 часа образцы были извлечены из форм и покрыты пластиковыми листами. В возрасте 28 дней нормального твердения образцы были испытаны на прочность при сжатии (рисунки 6, 7).
Таблица 1
Составы бетонных смесей
Наименование материала Состав бетонной смеси
С№1 С№2 С№3 С№4
Цемент, кг/м3 750 675 600
Песок, кг/м3 894
Отсев дробления гранита, кг/м3 596
Микрокремнезем, кг/м3 - 75 -
Известняк, кг/м3 - - 150 -
Зола-унос, кг/м3 - - - 150
Суперпластификатор FM-34, % 0,75
Испытания были проведены на шести повторных образцах и представлены средние значения. Относительная ошибка находится в диапазоне 1,77-2,36 % (на уровне достоверности 95 %). Коэффициент вариации не превышает 2,25 %. Установлено, что при использовании в составе бетона дисперсных минеральных добавок (микрокремнезема, золы-унос или известняка) потребность воды в бетонной смеси возрастает. Активация минеральных дисперсий в электростатическом поле незначительно отражается на изменении показателя водовяжущего (В/В) соотношения. В то же время биполярная обработка дисперсных минеральных компонентов бетона обеспечивает получение подвижных смесей по сравнению с контрольным составом при более низком значении В/В соотношения (0,25 по сравнению с 0,29).
Рисунок 6. Гистограмм предела прочности при сжатии образцов бетона с минеральной добавкой микрокремнезема (составлено авторами)
Рисунок 7. Гистограмм предела прочности при сжатии образцов бетона с минеральными добавками золой-унос и известняком (составлено авторами)
Частичная замена портландцемента на минеральную добавку в контрольном составе снижает прочностные характеристики бетона: с добавлением зольной пыли - на 6 %, с добавлением известняка - на 12 %, а в случае с микрокремнеземом незначительно возрастает -на 10 %. Для всех композиций с модифицированной минеральной добавкой несмотря на то, что В/В соотношение смесей практически не изменяется, прочность бетона на сжатие все равно возрастает. Вероятно, это связано с тем, что электрическое поле заряженной частицы наполнителя, контактирующей с гранулой цемента, создает в ней противоположный электрический заряд (зеркальное отражение) [23]. В результате возникновения неоднородных электрических контактов прочность системы увеличивается. Этот эффект проявляется в значительно большей степени, когда цемент и наполнитель активируются в электростатическом поле с противоположной полярностью коронирующего электрода. Прочность бетона на сжатие с добавлением зольной пыли по сравнению с контрольным составом возрастает на 19 %, с добавлением известнякового наполнителя - на 12 %. Кроме того, была достигнута экономия портландцемента на 100 кг/м3 (13,3 %). В то же время, когда бетонные составы похожи, обработка портландцемента и наполнителей в электростатическом
поле с противоположной полярностью коронирующего электрода способствует повышению прочности на сжатие на 26-27 %.
Высоковольтное поверхностное модифицирование портландцемента и минеральных добавок оказывает существенное влияние на межчастичные взаимодействия в цементных пастах и бетонных смесях. В результате эффективная вязкость бетонных смесей уменьшается на 36-40 %.
Поверхностное модифицирование минеральных дисперсных компонентов бетонной смеси на агломерационной установке, позволила повысить прочность бетона на сжатие на 26-27 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Овчинников, П.Ф. Реология тиксотропных систем / П.Ф. Овчинников, Н.Н. Круглицкий, Н.В. Михайлов; АН УСССР, Ин-т коллоидной химии и химии воды. К.: Наук. думка, 1972. 119 с.
2. Соломатов В.И., Тахиров М.К., Тахер Шах Интенсивная технология бетонов, Москва: «Стройиздат», 1989. 264 с.
3. Баженов Ю.М. Современная технология бетона // Технологии бетонов. 2005. № 6. С. 6-8.
4. Урьев Н.Б. «Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М: Химия, 1988 г. 256 с.
5. Национальная библиотека Украины имени В.И. Вернадского [Электронный ресурс] URL: http://irbis-nbuv.gov.ua/cgi-bin/irbis_nbuv/cgiirbis_64.exe (дата обращения: 10.03.2020).
6. Щербань Е.М., Стельмах С.А., Гольцов Ю.И., Явруян Х.С. Эффективность электрофизической активации пенобетонных смесей // Инженерный вестник Дона. 2013. № 4 URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2193.
7. Щербань Е.М., Гольцов Ю.И., Ткаченко Г.А., Стельмах С.А. Рецептурно-технологические факторы и их роль в формировании свойств пенобетонов, полученных из смесей, обработанных переменным электрическим полем // Инженерный вестник Дона, 2012, № 3 URL: ivdon. ru/magazine/archive/n3y2012/905.
8. Павлов А.Н., Гольцов Ю.И., Стельмах С.А., Щербань Е.М. Прочность пенобетона при воздействии переменного электрического поля // Научное обозрение. 2015. № 10-1. С. 147-150.
9. Zaichenko N., Golodenko N., Khalyushev A. The effect of electrostatic activation parameters on the rheologic and strength properties of fine-grained concrete. Journal of Civil Engineering and Management. 2007. Т. 13. № 3. С. 237-244.
10. Халюшев А.К. Модифицирование минеральных добавок в высоковольтном электрическом поле // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2012. № 1 (93). С. 159-164.
11. Халюшев А.К. Электрофизические способы модифицирования минеральных компонентов бетона // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2010. № 1 (81). С. 213-220.
12. Матвиенко В.А. Электрические явления и активационные воздействия в технологии бетона / В.А. Матвиенко, С.М. Толчин. Макеевка: РИС, 1998. 154 с.
13. Родионов Р.Б. Об экономичности нанотехнологий в производстве строительных материалов / Р.Б. Родионов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2007. № 7. С. 36-38.
14. Sobolev K. Mechano-chemical modification of cement with high volumes of blast furnace slag. Cem. Concr. Comp. 2005. Vol. 27, No 7-8. P. 848-853.
15. Sekulic Z., Petrov M., Zivanovic D. Mechanical activation of various cements. Intern. J. Miner. Process. 2004. Vol. 74S. P. S355-S363.
16. Hautanen J., Kilpelainen M., Kauppinen E.I. [at el] Electrical agglomeration of aerosol particles in an alternating electric field. Aerosol Science and Technology. 1995. Vol. 22, No 2. P. 181-189.
17. Пат. 2715276 Российская Федерация, МПК С04В 40/02. Способ поверхностного модифицирования цемента / Зайченко Н.М., Халюшев А.К., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Нажуев М.П., Чернильник А.А.; заявитель и патендообладатель Ростов-на-Дону, ДГТУ. - № 2019138010, заявл. 25.11.2019; опубл. 26.02.2020, Бюл. № 6. 8 с.: ил.
18. Пат. 2716285 Российская Федерация, МПК G01N 11/00. Устройство для измерения вязкости бетонной смеси / Зайченко Н.М., Халюшев А.К., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Чернильник А.А.; заявитель и патентообладатель Ростов-на-Дону, ДГТУ. - № 2019129135, заявл. 16.09.2019; опубл. 11.03.2020, Бюл. № 8. 8 с.: ил.
19. Nehdi M. Why some carbonate fillers cause rapid increases of viscosity in dispersed cement-based materials. Cement and Concrete Research, 30 (10), 2000, P. 1663-1669.
20. Concrete admixture handbook. Properties, Science, and Technology. Edited by V.S. Ramachandran. Moscow: Stroyizdat, 1988. 575 p. (in Russian).
21. Matviyenko V.A., Zaichenko N.M., Tolchin S.M. Electro-surface properties of aggregates from waste products and their influence on the quality of fine-grained concrete. In: Proc of the International Conference "Creating with concrete", Dundee, 1999, P. 131-137.
22. Babushkin V.I. et al. The influence of electrosurface phenomena on the processes of hardening of cement paste and concrete. In: Proc of 2-nd Russian Conference on concrete and reinforced concrete, Moscow, 5-9 Sept 2005, P. 19-23 (in Russian).
23. Зимон А.Д. Аутогезия сыпучих материалов / А.Д. Зимон, Е.И. Андрианов. - М.: Металлургия, 1978. 288 с.
Shcherban' Evgenii Mikhailovich
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia
E-mail: [email protected]
Stel'makh Sergei Anatol'evich
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]
Khalyushev Aleksandr Kayumovich
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]
Nazhuev Mukhuma Pakhrudinovich
Dagestan state technical university, Makhachkala, Russia
E-mail: [email protected]
El'shaeva Diana Mikhailovna
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]
Samofalova Mariya Sergeevna
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]
Reological properties of concrete mixes on the basis of the modified mineral dispersions
Abstract. The use of mineral additives as a partial replacement for Portland cement to produce high-strength concrete has received considerable attention in recent years. However, these materials have some drawbacks - the addition of limestone filler causes an increase in hydration at an early age, which can reduce strength at a later age due to the dilution effect, and fly ash improves the strength of concrete at a later age. The introduction of an ultrafine silica fume additive dramatically increases the water demand of porland cement, which requires additional use of superplasticizer. To address these shortcomings, a method has been developed to modify Portland cement and mineral additives in a high-voltage electric field. With optimal modification parameters, the rheological properties of concrete mixtures, as well as concrete strength, increase. Partial replacement of Portland cement with a mineral additive in the control composition reduces the strength characteristics of concrete: with the addition of fly ash - by 6 %, with the addition of limestone - by 12 %, and in the case of silica fume slightly increases - by 10 %. For all compositions with a modified mineral additive, despite the fact that the water-binder ratio of the mixtures practically does not change, the compressive strength of concrete is still increasing. High-voltage surface modification of Portland cement and mineral additives has a significant effect on interparticle interactions in cement pastes and concrete mixtures. As a result, the effective viscosity of concrete mixtures is reduced by 36-40 %. Surface modification of the mineral dispersed components of the concrete mixture in the sinter plant, has increased the compressive strength of concrete by 26-27 %.
Keywords: viscosity; mineral additives; modification; compressive strength; fly ash; limestone; silica fume mineral components; viscosity; silica fume; mobility of the mixture mineral component
