CC BY
13
А.В. BURMIN
INFLUENCE OF HUMIDITY ON ACCURACY OF DEFINITION OF DURABILITY OF CONCRETE
The principle of job and technology of definition of durability of concrete with the help of not destroying methods of the control and reception of the data at different humidity of concrete is described. For comparison and as a reference method the destroying method is taken. The explanations to the reasons of a divergence of measuring meanings of durability of concrete at different methods of the control is given. The factors of divergences are determined.
УДК 666.972.124
Г. Г. ВОЛОКИТИН, докт. техн. наук, профессор,
В. И. КУРЕЦ, докт. техн. наук, профессор,
Д. В. ШАБАНОВ,
ТГАСУ, Томск
СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ, ЗАТВОРЕННОГО СУСПЕНЗИЕЙ, ОТОБРАННОЙ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
В публикуемой работе показано, что в результате использования суспензии, отобранной после электроимпульсного дробления в ней горных пород, в качестве воды за-творения имеет место следующее: в воде затворения появляются мелкодисперсные частицы каменного материала, имеющие на своей поверхности электрический заряд; изменяется ионный состав воды; в целом увеличивается подвижность цементного теста и уменьшается время схватывания; увеличивается прочность цементных образцов примерно на 50 % при суммарной затраченной энергии 55 кДж/дм3.
При создании рациональной технологии и управлении качеством бетона уделяется большое внимание структурно-технологическим характеристикам используемых компонентов (воды затворения, заполнителя, цементного теста). Реологические характеристики цементного теста и контактные взаимодействия его с поверхностью зёрен заполнителя определяют удобоукладывае-мость бетонной смеси и кинетику начального структурообразования бетона. Известно [1, 2], что активация воды затворения электрическими разрядами существенно улучшает свойства бетонных и цементных смесей, а также изделий из них. Следует отметить, что в указанных работах активация воды затво-рения осуществляется как отдельный процесс и требует значительных дополнительных затрат энергии. Мы предлагаем использовать в качестве жидкости затворения сбросовые суспензии, образующиеся при электроимпульсном разрушении горных пород, что не требует дополнительных затрат энергии, позволяет комплексно использовать все продукты, получаемые в процессе элек-троимпульсного (ЭИ) дробления, и решать экологические проблемы, связан-
© Г.Г. Волокитин, В.И. Курец, Д.В. Шабанов, 2007
ные с очисткой сбросовых вод. Реализация указанных преимуществ возможна только при условии повышенной активности взаимодействия цемента со сбросовыми водами ЭИ-дробления горных пород. Анализ литературы показал, что исследования таких суспензий, используемых в качестве жидкости затворения, отсутствуют, поэтому необходимо изучить свойства и состав суспензий, получаемых в процессе ЭИ-дробления горных пород, а также свойства и характеристики получаемого цементного камня. Эти вопросы рассматриваются в данной работе.
ЭИ-разрушение твердых тел достаточно хорошо изучено [3, 4, 5, 6], включая энергетические и размерные показатели этой технологии, поэтому в работе использовались оптимальные параметры источника импульсов, характерные для дробления горных пород с целью получения щебня из гравия. Основные параметры разрядного контура: амплитуда импульса напряжения ин = 315 кВ положительной полярности; разрядная ёмкость Ср = 0,02 мкФ; длительность фронта импульса напряжения Тф = 150 нс; запасаемая энергия единичного импульса Ж = 992 Дж; частота следования импульсов / = 4 Гц; межэлектродное расстояние Ь = 20 мм [7]. Отбор проб суспензии осуществлялся при достижении удельной суммарной энергии до 110 КДж/дм3. В качестве вяжущего использовался цемент марки 400 Топкинского цементного завода, в качестве жидкости при дроблении использовалась техническая вода.
В процессе ЭИ-дробления образуются новые активные поверхности разрушаемого сырья, мелкодисперсные частицы, и за счет турбулентности жидкости в рабочей камере в процессе дробления происходит их интенсивное омывание. Это приводит к частичному переходу в жидкую фазу суспензии водорастворимых веществ, изменяющих ее ионный состав. Следует отметить, что электрический разряд инициирует появление небольшого количества частиц металла (железа) в суспензии за счет электрической эрозии электродов. Наличие в зоне электрического разряда активных соединений кислорода и водорода, валентно-ненасыщенных свободных радикалов [8], обладающих большой реакционной способностью, приводит к окислительно-восстановительным реакциям в обрабатываемом объеме, появляются новые соединения, не присутствовавшие в исходной жидкости.
Анализировался физико-химический состав и pH суспензии, содержание в ней мелкодисперсных частиц (взвеси), остающихся в ней после 15-минутного отстаивания. Сравнительные исследования исходной воды и суспензии показали, что происходит увеличение pH с 7,15 до 8,2. Основные изменения ионного состава следующие: МН+ с 1,2 до 2,32; Ма+ и К+ с 24,61 до 25,3; Бе2+ с 0 до 1,26; Бе3+ с 0,35 до 1,9; М02- с 0,02 до 1,45; М03- с 1,35 до 3,2. Существенно увеличилась концентрация кремниевой кислоты с 26,78 до 167,4 мг/л. Появились новые соединения М02 и М03. В табл. 1 представлено содержание мелкодисперсных частиц в суспензии после 15-минутного отстаивания.
Как видно из приведённых результатов, количество взвеси в суспензии прямо пропорционально количеству энергии, затрачиваемой на разрушение твердой фазы. Мелкодисперсные частицы, образующиеся вблизи канала разряда, испытывают его температурное воздействие, которое может привести к изменению их фазового состава, что отмечалось в работах [9]. Наличие актив-
ного кислорода и водорода вблизи канала разряда инициирует окислительновосстановительные реакции на поверхности тонкодисперсных частиц и определяет их поверхностный потенциал, соответственно, полярность и величину заряда на поверхности твердой фазы суспензии. Таким образом, в суспензии накапливается в достаточном количестве твердая фаза, изменяются проводимость, химический и ионный состав по сравнению с технической водой, появляются заряженные частицы и т. д., которые могут повлиять на характеристики цементного теста при использовании полученной суспензии в качестве воды затворения. Эффективность суспензии, полученной при электроимпульсном дроблении гравия и используемой для затворения цемента, оценивалась по изменению глубины погружения пестика прибора Вика, сроков и продолжительности схватывания цементного теста. Эксперименты проводились на топкинском портландцементе (ПЦ) при постоянном водоцементном отношении, равном 0,25. Результаты исследований представлены в табл. 2.
Таблица 1
Количество энергии, затраченное для активации суспензии, кДж/дм3 22 55 110
Содержание мелкодисперсных частиц (взвеси), г/дм3 0,69 1,72 3,41
Таблица 2
Количество затраченной энергии Ж, кДж/л Глубина погружения пестика И, мм Сроки схватывания, мин Продолжительность схватывания, мин
Начало Конец
Эталон 16,50 170,00 305,00 135,0
11 12,25 123,50 233,50 110,0
22 18,25 131,50 258,50 127,0
55 21,50 141,50 259,00 117,5
110 18,70 136,50 256,50 120,0
250 16,00 133,50 263,50 130,0
500 8,50 119,00 231,50 112,5
Как видно из представленных данных, в начальный момент активации Ж = 11 КДж/дм3, подвижность цементного теста становится ниже контрольной, что связано с флокуляцией частичек цемента, и большая часть воды оказывается связанной. При этом подвижность цементного теста уменьшается. Дальнейшее увеличение суммарной энергии увеличивает подвижность цементного теста, достигая максимума И = 21,5 мм примерно при Ж = 55 КДж/дм3, что существенно превышает контрольный уровень. Эта закономерность может быть связана с накоплением в суспензии небольшого избыточного положительного заряда [4]. При этом зёрна цемента в воде адсорбируют положительные ионы Са++, их поверхность приобретает положительный £ потенциал, и они отталки-
ваются друг от друга, что и приводит к существенному увеличению подвижности цементного теста.
При дальнейшем увеличении энергии активации суспензии подвижность цементного теста плавно уменьшается. При Ж = 500 кДж/дм3 подвижность достигает значения И ~ 9,5 мм, что существенно ниже эталона. Это можно объяснить тем, что при электрическом разряде образуются не только избыточные объёмные заряды одного знака, но и ионы противоположных знаков, количество которых возрастает с увеличением количества поданных импульсов, поэтому цементные частицы в смеси будут иметь противоположные заряды, что ведёт к увеличению флокуляции и соответственно к снижению подвижности.
В табл. 2 представлены зависимости сроков и продолжительности схватывания цементного теста, затворённого на активированной суспензии, от величины суммарной энергии, затраченной на дробление гравия. Как видно из представленных экспериментальных данных, начало и конец схватывания цементного теста, затворённого на активированной суспензии, начинается раньше по сравнению с цементным тестом, затворённым на водопроводной воде (эталонный образец). Продолжительность схватывания цементного теста всегда ниже контрольной. Такой характер изменения сроков и продолжительности схватывания цементного теста можно объяснить комплексным действием факторов, сопровождающих электрический разряд. По данным Ю.М. Баженова [10] и [2], в начальный период при смешивании цемента с водой на ранних стадиях гидратации портландцементного клинкера вода затво-рения переходит в состояние пересыщенного ионного раствора. В этом растворе находятся ионы сульфата, гидроксида и щелочей, а также небольшое количество кремнезёма, глинозёма и железа. В случае электроимпульсного дробления в воде дополнительно появляются тонкодисперсные частицы дробимого материала, образуются новые вещества: кремниевая кислота, нитраты, нитриты, накапливается дополнительный объёмный заряд [3, 4, 7], изменяется состояние поверхности мелкодисперсных частиц суспензии, а у некоторых и состояние кристаллической решётки [6, 8, 9]. Кроме того, воздействие ударной волны и другие факторы, сопровождающие электрический разряд, приводят к разрушению части конгломератов из ассоциированных молекул воды, в результате чего в растворе увеличивается количество валентноненасыщенных ионов, появляются свободные радикалы [6, 11], а сами конгломераты становятся меньше. Известно, что толщина двойного электрического слоя обратно пропорциональна концентрации ионного раствора. Следовательно, действие положительного ^-потенциала и сольватного слоя, препятствующих непосредственному контакту между соприкасающимися зёрнами, уменьшается. Вместе с тем тонкодисперсные частицы дробимого материала, несущие электрический заряд, выступают в качестве начальных центров гидратации, а свободные радикалы, имеющие разорванные связи, будут также оказывать влияние на сольватные оболочки. В связи с этим разрушение гелевых оболочек происходит в более ранние сроки, процесс гидратации ускоряется, схватывание цементного теста начинается раньше по сравнению с контрольными образцами.
Эффективность затворения цемента сбросовой суспензией оценивалась по изменению прочности на сжатие и плотности цементного камня в разные сроки твердения. В табл. 3 представлена кинетика изменений прочности цементного камня при разных сроках твердения в зависимости от величины затраченной энергии при отборе суспензии затворения. Как видно из представленных результатов, набор прочности, до 28-дневного срока включительно, проходит стандартным образом. Практически во всех случаях прочность экспериментальных образцов выше эталонных. Образцы полугодового срока выдержки также во всём диапазоне изменений энергии, затраченной на получение суспензии, набирают прочность выше эталонных.
Таблица 3
Затраченная Прочность на сжатие, Лсж МПа
энергия Ж, кДж/дм3 Сроки твердения, т с
1 3 7 28 180
Эталон 19,50 49,30 59,85 88,10 121,00
22 26,60 56,2 73,60 112,00 129,00
55 31,40 71,00 87,00 133,00 142,30
110 22,90 56,90 61,20 118,00 130,30
250 18,00 42,00 62,00 111,00 132,00
500 13,20 40,80 61,10 110,00 124,80
Следует отметить, что наблюдается оптимальное значение затраченной энергии на производство суспензии, при которой прочность цементных образцов максимальна ~ 55 кДж/дм3.
В табл. 4 представлена зависимость прироста прочности образцов, затворённых на полученной суспензии. Здесь также имеется явно выраженный максимум, соответствующий энергии активации суспензии при Ж« 55 кДж/дм3.
Таблица 4
Затраченная энергия Ж, кДж/дм3 Прирост прочности на сжатие ^сж28/ЯсжЭ, %
22 32,80
55 50,96
110 36,94
250 30,53
500 26,00
В табл. 5 представлены результаты относительной плотности цементных образцов 28-дневного срока твердения, затворённых на водопроводной воде и на активированной суспензии, при энергии активации 110 кДж/дм3.
Таблица 5
Наименование Относительная плотность, %
1 / 3 Р 28/Р 28 р1180/рэ28
Эталон 100 97,47
Суспензия 101,99 97,60
Как видно из представленных результатов для эталонных образцов и образцов, затворенных суспензией, относительная плотность цементного камня через полгода несколько снижается.
Выводы
1. Установлено, что жидкость, отобранная после электроимпульсного дробления гравия, отличается от технической воды ионным и химическим составом. Так, содержание кремниевой кислоты увеличивается в ~ 6 раз, увеличивается количество № , N02, NO3 и т. д. Отобранная жидкость представляет собой суспензию, содержащую твердую фазу со средним размером ~ 40 мкм, и ее содержание увеличивается прямо пропорционально количеству энергии, затраченной на обработку объема материала.
2. Подвижность цементного теста, затворенного на суспензии, отобранной после электроимпульсного дробления гравия, с увеличением затраченной энергии от 11 до 250 КДж/дм3 превышает в максимуме эталонное значение в ~ 1,26 раза.
3. Установлено, что использование активированной суспензии для за-творения цемента ускоряет начало и конец схватывания цементного теста. Причем время начала схватывания уменьшается в ~ 1,6 раза, а время конца схватывания - в ~ 1,2 раза.
4. Прочность на сжатие цементного камня, затворённого на активированной суспензии, во всем диапазоне изменения энергии превышает эталонный уровень для используемой марки цемента. Максимальный прирост прочности цементного камня наблюдается при отборе суспензии для затворения при удельной энергией 55 КДж/дм3 и составляет ~ 50 % в возрасте 28 суток.
5. Анализ полученных данных показал, что отбор суспензии при дроблении гравия электроимпульсным способом для затворения цемента целесообразно проводить при достижении удельной энергии, поданной на обрабатываемый объем, от 55 до 110 КДж/дм3 при положительной полярности импульсов и энергии единичного импульса Ж0 ~ 1 КДж.
Библиографический список
1. Гаврилов, Г.Н. Применение электрического разряда для улучшения физико-механических характеристик цементов и бетонов / Г.Н. Гаврилов // Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности. - Николаев, 1988. - Ч. 2. - С. 85-86.
2. Гаврилов, Г.Н. Исследование влияния воды затворения, обработанной высоковольтным электрическим разрядом на ранней стадии гидратации портландцементного клинкера / Г. Н. Гаврилов // Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности. - Николаев, 1988. - Ч. II. - С. 228.
3. Воробьев, А.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков / А.А. Воробьев, Г.А. Воробьев. - М. : Высшая школа, 1966. - 224 с.
4. Ушаков, В.Я. Импульсный пробой жидкостей / В.Я. Ушаков. - Томск : Изд-во ТГУ, 1975. - 256 с.
5. Семкин, Б.В. Основы электроимпульсного разрушения материалов / Б.В. Семкин, А.Ф. Усов, В.И. Курец. - Апатиты : Наука, 1995. - 276 с.
6. Курец, В.И. Электроимпульсная дезинтеграция материалов / В.И. Курец, А.Ф. Усов, В .А. Цукерман. - Апатиты, 2002. - 324 с.
7. Шабанов, Д.В. Исследование влияния полярности высоковольтных импульсов при обработке воды затворения на свойства мелкозернистых бетонов / Д.В. Шабанов // Радиационные термические эффекты и процессы в неорганических материалах. - Томск : Изд-во ТПУ, 2000. - С. 269-271.
8. Лобанова, Г. Л. Физико-химические процессы при обработке минералов электрическими импульсными разрядами / Г.Л. Лобанова, Т.В. Озерова // Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных телах. - Томск : Изд-во ТПИ, 1982. - С. 36-37.
9. Волокитин, Г.Г. Влияние электроимпульсного измельчения на фазовый состав бакоро-вого огнеупора / Г.Г. Волокитин // Физико-химические процессы в неорганических материалах. - Кемерово : Изд-во НИКАЛС, 1999. - Ч. I. - С. 239-241.
10. Баженов, Ю.Н. Технология бетона, 2-е изд. / Ю.Н. Баженов. - М. : Высшая школа, 1987. - 415 с.
11. Перевязкина, В.И. Природа обеззараживающего действия импульсного электрического разряда в воде / В.И. Перевязкина // Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных телах. - Томск : Изд-во ТПИ, 1982. - С. 98-99.
G.G. VOLOKITIN, V.I. KURETS, D.V. SHABANOV
PROPERTIES OF CEMENT STONE WITH ADDED SUSPENSION OBTAINENED AFTER ELECTRICAL PULSE CRUSHING OF ROCKS
The paper considers the problem of using the suspension obtained after electrical crushing of rocks in it instead of mixing water. In this case one can see the following things: stone fine disperse particles with electrical charge on their surfaces appear in the water; ion composition of water is changed; fluidity of slurry is increased and duration of grip is decreased; durability of cement samples is approximately increased by 50% at total energy input of 55 kJ /dm3.
