CC BY
15
УДК 622.733:537.064.32
САФРОНОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, v. n. safronov@mail. ru
КУГАЕВСКАЯ СОФЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА, ст. преподаватель, samano@mail. ru
РУМЯНЦЕВА ЕКАТЕРИНА ВИКТОРОВНА, бакалавр,
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ЦИКЛОВАЯ МАГНИТНАЯ АКТИВАЦИЯ ЖИДКИХ СРЕД ЗАТВОРЕНИЯ С НАРУШЕННОЙ СТРУКТУРОЙ РАЗЛИЧНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
В работе рассмотрены аспекты влияния режимов цикловой магнитной активации объектов с нарушенной структурой различного химического состава на свойства сред затворения и прочность цементных систем. Установлены различия свойств цементных систем от температуры при цикловой магнитной активации жидких фаз системы «водопроводная вода - лед - талая вода».
Ключевые слова: активация; жидкая среда; цемент; свойства; химический состав; температура.
SAFRONOV, VLADIMIR NIKOLAYEVICH, Cand. of tech sc., assoc. prof., v. n. safronov@mail. ru
KUGAYEVSKAYA, SOFYA ALEKSANDROVNA, lecturer, samano@mail. ru
RUMYANTSEVA, EKATERINA VIKTOROVNA, bachelor,
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
CYCLE MAGNETIC ACTIVATION OF LIQUID MEDIA OF MIXING WITH THE DAMAGED STRUCTURE OF DIFFERENT CHEMICAL COMPOSITION
The article considers aspects of the influence of cycle magnetic activation modes of objects with damaged structure of different chemical composition on the properties of mixing media and the strength of cement systems. The differences of properties of cement systems depending on temperature at a cycle magnetic activation of liquid phases in “tap water - ice - melting water” system were defined.
Keywords: activation; fluid; cement; property; chemical composition; temperature.
В последнее время улучшение качества композиционных строительных материалов в большей степени связывается с развитием электрофизических технологий активации их компонентов. Среди широкого спектра подобного рода технологий практически важной является магнитная технология обработки воды затворения и ее разновидности при одновременном воздействии электрических и электромагнитных полей.
© В.Н. Сафронов, С. А. Кугаевская, Е.В. Румянцева, 2012
Эффективность обработки воды магнитным полем, начиная с первых аппаратов бельгийской фирмы БРиЯО марки Сер1, определяется в значительной степени напряженностью магнитного поля в зазоре, скоростью движения воды, углом между направлениями движения воды и магнитных силовых линий, а также числом пересечений и временем контакта воды с магнитным полем. При этом основной технологический процесс активации воды практически во всех широко известных аппаратах подобного назначения сводится только к обработке воды магнитным полем.
При течении физико-химических межфазных взаимодействий и процессов структурообразования в строительных композициях при магнитной активации их компонентов не следует не учитывать роли слабомагнитных веществ, входящих в состав объекта магнитной обработки. В табл. 1 приведены основные слабомагнитные вещества воды и их магнитная восприимчивость [1].
Таблица 1
Магнитная восприимчивость основных составляющих объекта обработки
Наименование Бе2+ Бе3+ Шз- СОз2- НСОз- 8О42- С1- Са2+ Мм2+ К+
Магнитная восприимчивость, х10-6 ед. СГСМ +13,0 +10,0 -20,0 -34,0 диа- маг- нитен -40,0 -26,0 -8,0 -3,0 -5,0 -13,0
Общеизвестным считается [2], что парамагнитные вещества (вещества с положительной магнитной восприимчивостью) при наложении внешнего магнитного поля усиливают последнее. В то время как диамагнитные вещества (вещества с отрицательной магнитной восприимчивостью), внесенные в магнитное поле, уменьшают его. Из данных табл. 1 видно, что все составляющие вещества, за исключением железа, имеют отрицательную магнитную восприимчивость, что приводит к снижению эффективности магнитной обработки при ее реализации в прикладных целях. Уменьшение подобного отрицательного воздействия диамагнитных веществ связывается с введением в воду до ее магнитной обработки парамагнитных веществ.
Разработана цикловая магнитная обработка воды затворения, в которой после каждого единичного цикла магнитной обработки вода подвергается воздействию воздушной среды. В ходе подобного технологического приема в воде увеличивается содержание кислорода, являющегося парамагнитным веществом с магнитной восприимчивостью +106,2-10-6 ед. СГСМ. Цикловая магнитная обработка воды затворения приводит к повышению эффективности магнитного воздействия и, как следствие, к улучшению качества строительных композитов.
Осуществлены исследования по применению данной технологии активации воды для получения матриц различных типов: силикатных на основе портландцемента [3, 4], керамических матриц [5], матриц на основе сульфатно-кальциевых отходов [6], органоминеральных матриц на основе торфа [7].
Установлено повышение качества композиционных материалов на основе указанных матриц.
Дальнейшее повышение эффективности технологии цикловой магнитной активации воды затворения достижимо направленным нарушением ее структуры и химического состава. Структурированная вода - это вода с определенной регулярной структурой, которую можно получить разными методами - омагничиванием, замораживанием-оттаиванием, обработкой низкочастотными электромагнитными волнами и др.
Проведены исследования по установлению влияния цикловой магнитной активации жидких сред, имеющих различный химический состав, разную общую минерализацию и жесткость, на прочность цементных композиций. Результаты исследований приведены на рис. 1.
Количество циклов магнитной активации воды затворения
Рис. 1. Зависимость прочности цементного камня от количества циклов магнитной активации воды:
1 - питьевая минеральная; 2 - природная минеральная негазированная; 3 - вода, обогащенная ионами серебра
Из данных рис. 1 видно, что при магнитной обработке принятых жидких сред затворения зависимости прочности активированных образцов цементного камня от количества циклов магнитной обработки носят полиэкстремаль-ный характер. Это свидетельствует о течении идентичных процессов, отвечающих за роль цикловой магнитной активации и последствия ее влияния на объект обработки. Введение в исследуемую жидкость ионов серебра, как известно [8], повышает эффективность магнитной обработки воды. Это подтверждает принятое нами положение о доминирующей роли парамагнитных веществ, в том числе несущих заряд, в эффектах последствия от разрабатываемой технологии цикловой магнитной обработки жидких сред. В развитии
последнего нами проведены экспериментальные исследования по цикловой магнитной обработке жидкой среды, содержащей добавку растворимого кислорода. Результаты исследований приведены на рис. 2.
Д28, МПа
74 71 68 65 62 59 56 53 50 47
0 5 10 15 20 25 30
Количество циклов магнитной активации воды затворения
Рис. 2. Зависимость прочности цементного камня от количества циклов магнитной активации воды с добавкой кислорода:
1 - В/Ц = 0,30; 2 - В/Ц = 0,35
Данные рис. 2 свидетельствуют о наличии дополнительно вовлекаемого воздуха, содержащего кислород, имеющий магнитную восприимчивость +106,2-10-6 ед. СГСМ и обеспечивающего, в конечном счете, рост прочности активированных образцов цементного камня.
Таким образом, проведенные исследования по изменению прочности цементного камня, приготовленного на обработанной магнитным полем жидкой среде различного химического состава, в зависимости от количества циклов обработки, подтверждают основные положения подобных изменений при омагничивании технической воды по разрабатываемой технологии.
Практически важными являются проведенные исследования по изменению некоторых свойств структурированной воды электрохимической активации и прочности цементного камня на ее основе в динамике различного времени обработки жидкости (водопроводной воды) в электролизере в диапазоне от 5 до 25 мин.
Следует отметить некоторые свойства двух типов жидких сред, полученных ранее в результате электрохимической активации [9, 10]:
- в результате катодной (католит) обработки вода приобретает щелочную реакцию (рН > 8 и окислительно-восстановительный потенциал ОВП в интервале от -200 до -800 мВ), уменьшается поверхностное натяжение, снижается количество растворенного кислорода и азота, возрастает концентрация водорода и свободных гидроксильных групп, уменьшается электро-
1
2
проводность, изменяется структура не только гидратных оболочек ионов, но и свободного объема воды;
— при анодной (анолит) электрохимической обработке кислотность воды увеличивается (рН < 6), ОВП возрастает (от +500 до +1100 мВ), несколько уменьшается поверхностное натяжение, увеличивается электропроводность, возрастает количество растворенного кислорода и хлора, уменьшается концентрация водорода и азота, изменяется структура воды. Анолит (по В.М. Бахи-ру) - коричневая, кисловатая жидкость, с характерным запахом и рН = 4-5 ед.
Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 2. Из данных таблицы следует, что увеличение времени обработки жидкости в электролизере приводит к изменению принятых показателей свойств воды и прочности цементного камня. С увеличением времени обработки жидкости в электролизере в принятом диапазоне времени уменьшается жесткость с 7,35 до 5,5 мг-экв./л для щелочной среды и от 4,69 до 2,01 мг-экв./л - для кислой среды. Подобная закономерность имеет место и при изменении электропроводности жидких сред, которая для щелочной среды уменьшается от 567 до 422 и для кислой среды уменьшается с 478 до 151 ц£. Изменения водородного показателя оказались ожидаемыми. При 25-минутной обработке жидких сред рН щелочной среды составил 9,2, а для кислой - 5,6. В целом изменения показателей качественно не противоречат данным, приведенным выше, за исключением характера изменения электропроводности кислой среды. Следует предположить, что именно с этим обстоятельством связывается превышение прочности цементного камня, затворенного на кислой жидкой среде, во всем диапазоне времени обработки исходных жидких сред.
Таблица 2
Свойства структурированной воды электрохимической активации
и прочность цементного камня на ее основе
Показатели Время обработки жидкости в электролизере, мин
5 10 15 20 25
Щелочная Кислая Щелочная Кислая Щелочная Кислая Щелочная Кислая Щелочная Кислая
Электропровод- ность, 567 478 579 407 552 361 523 294 422 151
Жесткость, мг-экв./л 7,35 4,69 7,59 5,29 7,25 4,65 6,87 3,83 5,55 2,01
Температура среды обработки, °С 18,7 19,0 20,6 21,3 21,2 22,8 23,4 26,0 25,8 29,7
рН 8,7 6,9 8,48 6,65 8,9 6,4 9,28 6,18 9,2 5,6
Прочность цементного камня, МПа 37,0 40,3 42,2 54,5 45,8 47,6 45,1 47,5 48,0 48,3
Обращает на себя внимание практическое равенство прочностей цементного камня на щелочной и кислой жидких средах при времени обработки
в электролизере, равном 25 мин. Дальнейшее увеличение времени обработки приведет к росту щелочности и кислотности жидких сред и, опираясь на результаты [11], можно предположить, что и прочности будут расти в обоих случаях, и расти идентично.
В общем случае свойства воды различного происхождения обязаны ее структуре. Это касается как обычной водопроводной, так и талой воды. Считается, что талая вода после таяния льда имеет определенно структурированную кластерную структуру.
По своей структуре вода представляет иерархию правильных объемных структур, в основе которых лежат кристаллоподобные образования, состоящие из 57 молекул и взаимодействующие друг с другом за счет свободных водородных связей. Это приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников, состоящих из 912 молекул воды. Свойства кластеров зависят от того, в каком соотношении выступают на поверхность кислород и водород. Конфигурация элементов воды реагирует на любое внешнее воздействие и примеси, что объясняет чрезвычайно лабильный характер их взаимодействия. В обычной воде совокупность отдельных молекул воды и случайных ассоциатов составляет 60 % (деструктурированная вода), а 40 % - это кластеры (структурированная вода) [12].
Когда вода замерзает, она приобретает особую, структурированную льдоподобную структуру, которая надолго сохраняется в талой воде. А потом в доли секунды разрушается и вновь воссоздается такой же. Сходные свойства и структурированность вода приобретает, проходя через мощные магнитные и электрические поля.
Талая вода отличается от обычной изобилием кластеров и центров кристаллизации, в которых в течение некоторого времени сохраняются рыхлые льдоподобные структуры. После таяния всего льда температура воды повышается и водородные связи внутри кластеров перестают противостоять возрастающим тепловым колебаниям атомов. Размеры кластеров изменяются, и поэтому начинают меняться свойства талой воды: диэлектрическая проницаемость приходит к своему равновесному состоянию через 15-20 мин., вязкость через 3-6 сут.
Представляют научный интерес и практическую значимость исследования по влиянию талой воды различного характерного типа при ее цикловой магнитной активации на прочность цементного камня при подобной водопод-готовке для затворения цемента.
Проведены экспериментальные исследования прочности цементного камня при использовании для затворения цемента М500 Д0 водопроводной воды различной структуры. Водопроводная вода для затворения готовилась двумя путями:
- в первом случае водопроводная вода охлаждалась в холодильнике, а затем применялась для затворения цемента при температурах 7-8, 16-18 и 60 °С;
- во втором - водопроводная вода претерпевала фазовый переход по схеме «вода - лед - талая вода». Последняя применялась для затворения при температурах, отмеченных выше.
В первом случае вода не претерпевала структурных изменений, в то время как во втором получили воду с нарушенной структурой.
Результаты экспериментальных исследований зависимости прочности цементного камня от количества циклов магнитной активации принятых типов воды затворения приведены на рис. 3 и 4.
Количество циклов магнитной активации воды затворения
Рис. 3. Зависимость прочности цементного камня от количества циклов магнитной активации водопроводной воды:
1 - Гшт = 60 °С; 2 - ^ = 16-18 °С; 3 - t = 7-8 °С
Количество циклов магнитной активации воды затворения Рис. 4. Зависимость прочности цементного камня от количества циклов магнитной активации водопроводной воды с нарушенной структурой при различных температурах:
1 - *тт = 7-8 °С; 2 - ^ = 16-18 °С; 3 - t = 60 °С
Из данных рис. 3 видно, что при использовании для затворения цемента водопроводной воды без изменения структуры, зависимости прочности цементного камня от количества циклов обработки не противоречат общим представлениям о структурообразовании цементного камня при различных температурах воды затворения. Действительно, ход кривой при t = 60 °С практически выше во всем диапазоне количества циклов обработки кривой зависимости прочности при t = 16-18 °С. Как и следовало ожидать, зависимость прочности цементного камня, затворенного при t = 7-8 °С, лежит ниже отмеченных двух во всем диапазоне количества циклов магнитной активации.
Совершенно иной результат, когда водоподготовка для затворения цемента осуществляется с фазовым переходом по системе «вода - лед - талая вода» (рис. 4). В этом случае зависимость прочности цементного камня от количества циклов магнитной активации воды с t = 7-8 °С лежит выше кривых, полученных при других температурах. Практически наименьшие значения имеют место при использовании для активации воды с нарушенной структурой при t= 16-18 °С.
Проведены углубленные исследования прочности цементного камня при использовании для затворения водопроводной воды с нарушенной структурой при температурах 1,8-3,2 °С, результаты которых приведены на рис. 5. Из данных этого рисунка видно, что уменьшение температуры воды с нарушенной структурой приводит к росту прочности цементного камня.
Температура воды затворения, °С
Рис. 5. Зависимость прочности цементного камня от температуры водопроводной воды затворения с измененной структурой
Полученные закономерности, наиболее вероятно, связаны со структурой воды и ее перестройкой в зависимости не только от внешних факторов.
При плавлении льда сетка водородных связей не должна разрушаться, при этом кристаллический порядок должен исчезнуть. Это означает, что каж-
дая молекула воды в жидком состоянии должна сохранить свои четыре водородных связи, но углы между ними будут отличаться от тетраэдрического угла ((¿-Г) [13]. Структура сетки водородных связей в жидкой воде отличается от структур сеток в формах льда отсутствием пространственной периодичности. В отличие от льда в водной сетке невозможно выделить участки в разных местах, которые были бы тождественны по структуре. Сетка в воде случайная: в ней углы между связями отклоняются от не по какому-то определенному закону, как в кристаллах. В кристалле вокруг каждой молекулы соседние частицы расположены одинаково, в жидкости же окружение каждой молекулы устроено особым (но случайным) образом.
Всякие изменения сетки при внешних воздействиях могут быть:
- без изменения структуры (например, изменение длин связей);
- с изменением структуры сетки (без изменения длин связей).
Удлинение всех связей при увеличении температуры относится к изменениям первого рода и является общим для всех веществ, включая воду.
Но в воде существенную роль играет второй фактор. При низких температурах структура более упорядочена, т. е. углы между водородными связями в сетке в меньшей степени отклоняются от тетраэдрического угла ¿т, поэтому она более ажурна (более рыхла, имеет меньшую плотность), ее труднее деформировать. При изменении температуры сетка перестраивается, меняет свою структуру. В жидкости структура сетки водородных связей перестраивается при изменении температуры непрерывно [13].
Оценка прочности цементного камня на водопроводной воде с нарушенной структурой в более поздние сроки твердения (рис. 6) свидетельствует о положительном влиянии цикловой магнитной активации на процессы струк-турообразования при достаточно низких температурах воды затворения (в данном случае температура составляла 3,2 °С).
80
МПа
70
60
50
40
30
20
10
- твердение в течение 28 сут
- твердение в течение 180 сут
0 5 10
Количество циклов магнитной активации воды затворения
Рис. 6. Прочность цементного камня при различных сроках твердения в технологии цикловой магнитной активации воды затворения с измененной структурой
Полученные закономерности изменения свойств цементных систем при использовании для их затворения активированных по цикловой технологии жидких сред с нарушенной структурой различной температуры расширяют представления о влиянии последействия на объекты исследования и позволяют более эффективно реализовать разрабатываемую технологию активации сред затворения минеральных вяжущих.
Библиографический список
1. Тебенихин, Е. Ф. Обработка воды магнитным полем в теплоэнергетике / Е.Ф. Тебенихин, Б.Т. Гусев. - М. : Энергия, 1970. - 144 с.
2. Справочник по электротехническим материалам. Магнитные, проводниковые, полупроводниковые и другие материалы / К.А. Андрианов, Н.П. Богородицкий, Ю.В. Кориц-кий [и др.]. - М; Л. : Госэнергоиздат, 1960. - 511 с.
3. Свойства твердеющих композиций на омагниченной воде / В.Н. Сафронов, Г.Г. Петров, С.А. Кугаевская [и др.] // Вестник ТГАСУ. - 2005. - № 1. - С. 134-142.
4. Цикловая магнитная активация газонаполненных жидких сред затворения цементных систем / В.Н. Сафронов, Ю.С. Саркисов, С.А. Кугаевская [и др.] // Вестник ТГАСУ. -2009. - № 4. - С. 89-99.
5. Safronov, V.N. Undersuchung des Einflusses einer magnetischen Behandlung auf die Eigenschaften keramischer Materialien / V.N. Safronov, S.N. Sokolova // Keramishe Zeitschrift. -2005. - № l. - S. 10-13.
6. Zur Egenschaftsbeeinflussung bei der Herstellung von Baumaterialien unter Verwendung von Fluoranhydrit / A.D. Kudiakov, L.A. Anikanova, V.N. Safronov [etc.] // Internationale Baustofftagung (Ibausil). Tagungsbericht. - 2006. - В. 1. - S. 749-758.
7. Формирование структур твердения в системе «низинный торф - активированная вода» / H.O. Копаница, М.А. Ковалева, В.Н. Сафронов [и др.] // Вестник ТГАСУ. - 2009. -№ 2. - С. 111-120.
8. Классен, В.И. О поведении растворенных газов при магнитной обработке водных систем / В.И. Классен, О.Т. Крылов // Коллоидный журнал. - 1980. - № 3. - С. 142-144.
9. Бахир, В.М. Электрохимическая активация. 2 ч. / В.М. Бахир. - М., 1992.
10. Электрохимически активированная вода в технологии цементных систем / В. Д. Семенов, Г. Д. Семенова, A.H. Павлова [и др.] ; под ред. Ю.С. Саркисова. - Томск, 2007. - 251 с.
11. Свойства цементных композиций на основе электрохимически активированной воды затворения / В.Н. Сафронов, Ю.С. Саркисов, Е.И. Цилимова [и др.] // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. трудов Международной научнотехнической конференции. - Пенза : ПДЗ, 2010. - С. 159-162.
12. Эйзенберг, Д. Структура и свойства воды / Д. Эйзенберг, В. Кауцман. - Л. : Гидрометео-издат, 1975. - 280 с.
13. Наберухин, Ю.И. Загадки воды / Ю.И. Наберухин // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 5. - С. 41-48.
