Свойства бетона с использованием поликарбоксилатных добавок при кавитационной обработке Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Свойства бетона с использованием поликарбоксилатных добавок при кавитационной обработке

Гусев Борис Владимирович,

доктор техн. наук, профессор, член-корреспондент Российский университет транспорта (МИИТ);

РАН,

Оленич Дмитрий Игоревич,

аспирант, Российский университет транспорта (МИИТ), olenich.dmitry@mail.ru;

Джагарян Игорь Григорьевич,

аспирант, Российский университет транспорта (МИИТ).

С увеличением темпов строительства объектов различного назначения возрастает потребность в недорогих, качественных и долговечных элементах конструкций. В цементной и бетонной промышленности всё активнее используются последние достижения бетоноведения, "зеленая химия" и новые технологии. Одна из прорывных стратегий базируется на современной концепции, которая позволяет снизить количество цемента в бетоне, за счет применения минеральных и химических добавок. Но не все из них предлагают использование простых и дешевых технологий для этих целей. Примером может служить использование дорогих синтетических суперпластификаторов. Химические добавки обеспечивают более высокую пластичность бетонных смесей. Для повышения пластичности предлагается использовать кавитационную технологию активации добавок. В материалах статьи представлены результаты активации химических добавок за счет использования кавитационной установки.

Ключевые словаЛ кавитация, химические добавки, минеральные добавки, бетон, суспензии, эмульсии, пластификатор, прочность бетона, кавитационные пузырьки, гомогенизация.

В современном строительстве широко применяются химические добавки. Эти добавки, смешанные с бетонным раствором в небольшом количестве от массы цемента, изменяют водо-редуцирующие, реологические, физико-механические характеристики бетонных и растворных смесей. Неотъемлемой частью строительного производства стали суперпластификаторы. Их можно использовать как отдельные добавки, так и в комплексных химических добавках.

Суперпластификаторы делят на четыре группы: I — сульфированные меламиноформальде-гидные смолы, II - продукты конденсации наф-талинсульфокислоты и формальдегида, III — модифицированные (очищенные и практически не содержащие сахаров) лигносульфонаты, IV — добавки на основе поликарбоксилатов и некоторые другие. В настоящее время при приготовлении бетонных растворов очень часто применяют суперпластификаторы на основе поли-карбоксилатов. Эти добавки относят к группе поверхностно-активных веществ (ПАВ). Пластифицирующий эффект образуется за счет образования на поверхностях частиц цемента и тонкодисперсной фракции заполнителей мономолекулярных адсорбционных оболочек, снижающих внутреннее трение в бетонной смеси. Известно, что такие суперпластификаторы существенно повышают подвижность бетонной смеси, уменьшают В/Ц до 30%, но при этом есть и недостаток - повышается воздухововлечение несмотря на использование пеногасителей.

Повышение физико-механических свойств бетонных растворов и увеличение прочностных характеристик бетонов является важной задачей современного строительства. В рамках научной работы была использована технология гидродинамической активации водных эмульсий [1-6]. Гомогенизация водных эмульсий происходит за счет кавитации, которая возникает в устройстве при движении жидкости в диспергаторе. Данный метод механического диспергирования эмульсии был выбран на основе исследований, проведенных Р.Ф. Ганиевым и В.В. Чередовым [7].

х х О го А С.

X

го m

о

ю 3

м о

О)

о

см

О!

О Ш

т

X

3

<

т О X X

По мнению исследователей [8], кавитация -это разрыв сплошности капельной жидкости, образование в ней полостей (кавитационных пузырьков), заполненных смесью газа и пара. Кавитация возникает в тех местах жидкости, где давление ниже определенного критического значения, приближенно равного для реальной жидкости давлению насыщенных паров жидкости при данной температуре.

На рис. 1 представлена принципиальная схема гидродинамической кавитационной установки. В циркуляционную емкость 1 подается вода (водопроводная вода) в количестве необходимом для активируемой добавки (но не менее 30 литров воды), затем в емкость 1 заливается химическая добавка. Под циркуляционной емкостью открывается вентиль и жидкости заполняют систему трубопроводов 5. Электросистема оборудования работает от сети 380 В. После включения оборудования в сеть на приборной панели нужно включить автомат УЗО (устройство защитного отключения). Питание подается на контроллер вращения двигателя гидронасоса и панель запуска этого же двигателя. Для запуска двигателя 2 нажимается кнопка «СТАРТ» на панели запуска двигателя, затем на этой же панели за счет вращения тумблера увеличивается частота вращения двигателя гидронасоса. Частота вращения фиксируется на контроллере вращения. Максимальная частота вращения двигателя ограничена 50 Гц (это нужно для предотвращения перегрузки). Многорядный насос 3 нагнетает эмульсию в диспергатор 4. Давление возникает за счет рабочих тел, установленных в диспергаторе на пути движения эмульсии. Это давление фиксируется за счет манометра 6, установленного сразу перед дис-пергатором. В свою очередь частота вращения двигателя 2 также влияет на создаваемое давление в системе трубопроводов. При возрастании давления возрастает эффект диспергации и гомогенизации эмульсии за счет образования турбулентного движения. Также увеличивается интенсивность перемешивания химической добавки с водой с увеличением давления.

Схема работы диспергатора схематично изображена на рис. 2. По ходу движения жидкости установлены рабочие тела. При набегании потока на эти тела происходит образование завихрений, что способствует перемешиванию и активации химической добавки с водой [9].

После добавления компонентов в емкость, производят запуск кавитационной установки. Качество активации химической добавки оценивалось при изменении времени активации (от 1 до 7 минут). Пробы отбирали через 1 минуту активации, 3 минуты, 5 минут и 7 минут, которые затем использовались для приготовления составов цементно-песчаных бетонов. Продолжи-

тельность обработки эмульсии ограничили 7 минутами, так как дальнейшая её обработка оказалась не эффективной.

Рис. 1. Принципиальная схема гидродинамической кавитационной установки: 1 - циркуляционная емкость; 2 - электрический двигатель мощностью 3 кВт; 3 - многоступенчатый многорядный насос; 4 - пассивный гидродинамический диспергатор; 5 - систему трубопроводов; 6 - манометр.

б)

Рис. 2 Схематическое устройство проточного диспергатора (а) и картина перемешивания (б).

При приготовления образцов балочек без добавок или с не активированными добавками использовался стандартный цементно-песчаный раствор 1:3, В/Ц=0,4. После приготовления смеси были определены консистенция и подвижность цементно-песчаного раствора. В качестве суперпластификаторов использовались

Ма81егС1епшт 115 на основе эфира поликар-боксилата и MasterPolyheed 3500 на основе эфира полиарила. Результаты приведены в Таблице 1.

Далее выполняли выбор В/Ц с использованием этих же химических добавок для достижения нормальной консистенции цементно-песчаного раствора. Оптимальное значение В/Ц с использованием этих добавок составило 0,35,

причем количество добавок, вводимых в раствор, приняли в обоих случаях по 0,5 % от массы цемента. Соотношение цемента к песку осталось прежним - 1/3. Было изготовлено 5 замесов (выполнили по одному замесу на каждый промежуток времени активации добавки и один контрольный замес с неактивированной добавкой). Во всех приготовляемых смесях определяли её консистенцию. На основе полученных данных построены графики изменения густоты и подвижности цементно-песчаного раствора на рисунках 3 и 4.

Таблица 1.

Использование добавки Опыт Без добавок 1У^егРо1у-heed 3500, 0,5 % от массы цемента 1У^егРо1у-heed 3500,1 % от массы цемента MasterGlenium 115, 0,5 % от массы цемента

Погружение конуса, мм 26 50 50 68,5

Расплыв на встряхивающем столике, мм 118 146 220 190

Отмечается особенность влияния времени активации добавки на пластические свойства смеси. При активации эмульсии больше трех минут происходит обратный эффект - нормальная густота и подвижность смеси снижается.

Рис. 3. Изменение показателей погружения стандартного конуса в зависимости от времени кавитационной обработки.

Рис. 4. Изменение показателей расплыва цементно-песчаного раствора на встряхивающем столике в зависимости от времени кавитационной обработки.

После определения подвижности и густоты раствора из каждого замесы были изготовлены стандартные образцы-балочки для определения прочностных характеристик на изгиб и сжатие. Образцы твердели и набирали прочность в пропарочной камере в три этапа: 1 этап - нагревание температуры в камере до 75 оС в течение 4 часов, 2 этап - поддерживание температуры 75 оС в камере в течение 8 часов, 3 этап - охлаждение камеры до комнатной температуры в течение 2 часов.

Для каждого замеса формовали по три ба-лочки. За окончательный результат принималось среднее арифметическое трех испытаний для каждого времени активации. Результаты испытаний прочности на изгиб приведены на рисунке 5.

Рис. 5. Изменение показателей прочности на изгиб в зависимости от времени кавитационной обработки.

Определение прочности на сжатие проводили на полученных половинках образцов-балочек. За окончательный результат принимали среднее арифметическое шести измерений испытаний для каждого времени активации. Результаты испытаний прочности при сжатии приведены на рисунке 6.

6Д.НД_

М.ГЭЗ 57.377

ШЫсгРЫуН.ч^ ЭИО

- М,1И" I Г П I ит 115

Рис. 6. Изменение показателей прочности при сжатии в зависимости от времени кавитационной обработки.

Снижение прочности является результатом более активного воздухововлечения в следствие кавитационной обработки. Образование пузырьков при эффекте кавитации негативно влияет на обрабатываемые добавки. Достаточ-

х

X

о

го А с.

X

го т

о

ю 3

м о

О)

о

сч

fO OI

О Ш

m

X

3

<

m О X X

но одной минуты работы установки чтобы произошло воздухововлечение и снижение прочности до 10 %.

Положительным результатом является повышение подвижности смеси на 15 % при активации до трёх минут, дальнейшая обработка эмульсии не дает видимых результатов. При этом использование активированной поликар-боксилатной добавки в ответственных конструкциях нежелательно, из-за снижения прочностных характеристик раствора.

Выводы.

Обобщая полученные результаты, можно сформулировать следующее:

- использование активированных поликар-боксилатных добавок повышает подвижность смеси до 15 %, для этого достаточно одной минуты активации;

- следует отметить эффект воздухововлече-ния при повышении длительности кавитацион-ной обработки свыше 3 минут;

- активация добавки более трёх минут не дает видимых результатов в сравнении с добавками, активированными до трёх минут.

Литература

1. Гусев Б.В., Ин Иен-лян С., Кузнецова Т.В., Цементы и бетоны - тенденции развития. - М.: Научный мир, 2012. - 136 с.

2. Гусев Б.В. Фаликман В.Р., Бетон и железобетон в эпоху устойчивого развития // Евразийский союз ученых. 2015. № 2-2(11).

3. Сорокер В.И., Пластифицирующие растворы и бетоны. - М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1953. - 195 с.

4. Афанасьев Н.Ф., Целуйко М.К., Добавки в бетоны и растворы. - Киев: «Буд1вельник», 1989. - 128 с.

5. Клындюк А.И., Поверхностные явления и дисперсные системы. - Минск: БГТУ, 2011. -317 с

6. Хигерович М.И., Байер В.Е., Улучшение свойств бетона органическими поверхностно-активными добавками. Обзор. - М.: ВНИИЭСМ, 1975, - 47 с.

7. Ганиев Р.Ф., Кормилицын В.И., Украинский Л.Е., Волновая технология приготовления альтернативных видов топлив и эффективность их сжигания. - М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотичная динамика», 2008. - 116 с.

8. Балабышко А.М., Зимин А.И., Ружицкий В.П., Гидродинамическое диспергирование - М.: Наука, 1998. - 331 с.

9. Галимзянов Ф.Г., Галимзянов Р.Ф., Теория внутреннего турбулентного движения. - Уфа: Эксперт, 1999. - 352 с.

Concrete properties using polycarboxylate additives during cavitation treatment

Gusev B.V., Olenich D.I., Dzhagarian I.G.

Russian University of Transport (MIIT)

With the increase in the construction pave of the facilities for various purposes, the need for low-cost, high-quality and durable structural elements increases. In the cement and concrete industries, the latest achievements are "green chemistry" and new technologies are increasingly being used. One of the breakthrough strategies is based on the modern concept, which allows to reduce the amount of cement in concrete, through the usage of chemical additives. But not all of them offer the use of simple and cheap technologies for these purposes. An example is the use of expensive synthetic superplasticizers. Chemical additives provide higher plasticity of concrete mixes. To improve the ductility, it is proposed to use the cavitation technology of activation of additives. The results of chemical additives activation due to the use of cavitation installation are shown in the article.

Keywords: cavitation, chemical additives, mineral additives, concrete, suspension, emulsion, plasticizer, concrete strength, cavitation bubbles, homogenization.

References

1. Gusev B.V., In Yen-lian S., Kuznetsova T.V., Cements and

concretes - development trends. - M .: Scientific world, 2012. - 136 p.

2. Gusev B.V. Falikman VR, Concrete and reinforced concrete in

the era of sustainable development // Eurasian Union of Scientists. 2015. No. 2-2 (11).

3. Soroker VI, Plasticizing mortars and concretes. - M .: State

publishing house of literature on construction and architecture, 1953. - 195 p.

4. Afanasyev NF, Tseluyko MK, Additives to concrete and mortars. - Kiev: Budivelnik, 1989. - 128 p.

5. Klyndyuk AI, Surface phenomena and disperse systems. -Minsk: BSTU, 2011. - 317

6. Khigerovich MI, Bayer VE, Improving the properties of concrete with organic surface-active additives. Overview. - M .: VNIIESM, 1975, - 47 p.

7. Ganiev, RF, Kormilitsyn, VI, Ukrainian, L.Ye., Wave technology for the preparation of alternative types of fuels and the efficiency of their combustion. - M .: Scientific and Publishing Center "Regular and chaotic dynamics", 2008. -116 p.

8. Balabyshko, AM, Zimin, AI, Ruzhitsky, VP, Hydrodynamic Dispersion - Moscow: Nauka, 1998. - 331 p.

9. Galimzyanov FG, Galimzyanov RF, Theory of internal turbulent motion. - Ufa: Expert, 1999. - 352 p.