CC BY
57
УДК 691.32+628.16
КУДЯКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kudyakov@tsuab. ги
ПЕТРОВ АНДРЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ, ассистент, petrov-tomsk@list. ги
ПЕТРОВ ГЕННАДИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, petгovgg@list. ги
ИКОННИКОВА КСЕНИЯ ВЛАДИМИРОВНА, канд. хим. наук, доцент, ikonna@yandex. ги
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ ПУТЕМ МНОГОЧАСТОТНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АКТИВАЦИИ ВОДЫ ЗАТВОРЕНИЯ
В статье рассматриваются свойства воды, активированной многочастотными ультразвуковыми волнами, и цементного камня, приготовленного на ее основе. Выявлено оптимальное время активации воды затворения - 30 мин. Ультразвуковая обработка воды затворения позволяет уменьшить нормальную густоту цементного теста на 10-12 % и повысить прочность в 7-суточном возрасте до 45 %, а в 28-суточном до 20 %.
Ключевые слова: вода дистиллированная и водопроводная; ультразвуковая активация; свойства активированной воды; нормальная густота цементного теста и прочность на сжатие цементного камня на активированной воде.
KUDYAKOV, ALEKSANDER IVANOVICH, Dr. of tech. sc., prof., kudyakow@mail. tomsknet. ru PETROV, ANDREI GENNADJEVICH, Assistant, petrov-tomsk@list. ru
PETROV, GENNADIY GRIGORJEVICH, Cand. of tech. sc., petrovgg@list. ru
IKONNIKOVA, KSENIYA VLADIMIROVNA, Cand. of chem. sc., ikonna@yandex. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
IMPROVEMENT OF CEMENT BRICK QUALITY BY MULTI-FREQUENCY ULTRASONIC ACTIVATION OF MIXING WATER
The properties of water activated by multi-frequency ultrasonic waves, and cement brick prepared on its basis are considered in the article. The optimal time of activation of mixing water - 30 minutes was defined. Ultrasonic treatment of mixing water can reduce the normal density of cement grout by 10-12% and increase the strength at 7 days to 45 %, and at 28 days to 20 %.
© А.И. Кудяков, А.Г. Петров, Г.Г. Петров, К.В. Иконникова, 2012
Keywords: distilled and tap water; the ultrasonic activation; properties of activated water; the normal density of cement grout and compressive strength of the cement brick to the activated water.
В концепции долгосрочного развития Российской Федерации до 2020 г. большое внимание уделяется разработке и внедрению инновационных технологий в строительстве, обеспечивающих повышение конкурентной способности продукции и услуг, энергоэффективность строительных процессов и энергосбережение при эксплуатации зданий и сооружений. Создаются новые архитектурно-строительные системы, развивающие городскую среду и инфраструктуру, формируются новые требования к конструкциям и материалам. Например, при строительстве Северной широтной дороги на территории Томской области предлагается использовать в качестве конструкционного материала тяжелый дорожный цементобетон с повышенной морозо- и коррозионной стойкостью, с учетом сопротивляемости воздействию противогололедных реагентов [1, 2]. ООО «Стройтехинновации ТДСК» был разработан энергоэффективный каркасный жилой дом «Каскад» и детский сад, при строительстве которых применяются инновационные элементы зданий (ригели, сваи и блоки оконные), а нормативные документы подготовлены сотрудниками НИИСМ ТГАСУ [3, 4]. В соответствии с законом о техническом регулировании подтверждения соответствия на вышеуказанные строительные конструкции выполнены органом по сертификации «Томскстройсертификация» ТГАСУ (выдано 3 сертификата соответствия).
К разработанным конструкциям из цементного бетона предъявляются повышенные требования по уровню и стабильности качества бетона, а именно: прочности, морозостойкости, рациональному использованию потенциальных возможностей компонентов, прежде всего цемента, и экономичности. Цемент является наиболее дорогим и энергоемким компонентом бетона, а традиционно используемая технология приготовления изделий на основе бетонных смесей не позволяет в достаточной степени использовать имеющийся потенциал цемента, т. к. до 30-40 % клинкерных составляющих не участвуют в процессе гидратации [5]. Решение вопросов максимального использования потенциальных возможностей цемента и повышения интенсивности протекания процессов гидратации и структурообразования цементных композиций является актуальной задачей строительного материаловедения.
Качество бетона определяется прежде всего свойствами цементного теста (камня), которое скрепляет зерна заполнителя в монолит. Для повышения интенсивности протекания процессов гидратации цемента и твердения бетона разработаны различные способы воздействия на цемент, воду затворе-ния или цементную суспензию.
Одним из эффективных способов повышения качества бетона является активация воды затворения, содержание которой составляет 7-8 % от массы бетона. Под активацией понимают любое внешнее воздействие, которое приводит к изменению энергетического состояния композиции. Для активации воды не требуется больших энергетических затрат. Известные способы активации воды можно классифицировать на механические, химические и комбинированные (рис. 1) [6, 7, 8].
Способы активации воды
Воздействие концентрированными потоками энергии
Плазменная обработка
Вакуумная обработка
Ультразвуковая
обработка
Электрообработка
Механотермическая обработка__________
Плазмохимическая
Электрохимическая
Магнитная обработка
С деаэрацией
Без деаэрации
Механические Комбинированные (
Химические
Введение добавок ПАВ
Введение электролитов
Рис. 1. Способы активации воды затворения
Химическая активация предусматривает введение в воду затворения различных добавок, которые поставляют в водную систему ионы, взаимодействующие с активными центрами на поверхности гидратирующих цементных частиц.
При механической активации на воду (при осуществлении технологических процессов) воздействуют различными внешними полями (магнитными, электрическими, ультразвуковыми и др.). Данные методы активации воды характеризуются универсальностью, эффективностью и экономичностью.
Комбинированные способы (плазмохимическая, электрохимическая, механохимическая обработка воды) позволяют в широких пределах регулировать результативность достигаемых технических характеристик, обеспечивая энергоэффективность базовых процессов.
Наиболее экономичным и доступным способом активации воды затворения бетонных смесей является ультразвуковая активация. Формирование продуктов и структур твердения происходит путем протекания сложных химических реакций и процессов структурообразования: растворение и гидратация цементных материалов с образованием пересыщенных растворов, самопроизвольное диспергирование этих минералов до частиц коллоидных размеров, образование тиксотропных коагуляционных структур и, наконец, возникновение, рост и упрочнение кристаллизационных структур. Конечный состав и поверхностные свойства продуктов твердения зависят от свойств исходных компонентов системы «цемент - вода».
Исследованиями установлено, что при ультразвуковой активации воды изменяется водородный показатель (рН), поверхностное натяжение, электрическая проводимость, окислительно-восстановительный потенциал, показатель светопреломления и др. Считается, что первичное действие ультразвука направлено на изменение водородных связей, «расшатывание» структурного каркаса воды [8, 9]. Ультразвуковая обработка воды затворения оказывает существенное влияние на процесс твердения цемента и приводит к улучшению ряда свойств образующегося цементного камня. В известных
работах при проведении исследований использовался одночастотный ультразвуковой генератор.
Авторами статьи выдвинута гипотеза о возможности повышения эффекта активации воды затворения для цементных композиций путем ее обработки многочастотными ультразвуковыми волнами. Целью экспериментальных исследований являлось установление закономерностей влияния многочастотного ультразвукового воздействия на свойства воды и цементного камня. При проведении исследований в качестве многочастотного активатора использовалась ультразвуковая установка «Чистон» со следующими характеристиками: рабочие частоты - 1-100 Гц; 2-22 кГц ± 15 %; 3-4S кГц ± 20 %, сила ультразвука - 4,3 Вт/см2. Данная ультразвуковая установка работает по принципу пьезоэлектрического эффекта, который возникает в случае, когда грани кристалла, например кварца, турмалина, сегнетовой соли, подвергаются сжатию (сдавливанию), скручиванию или сгибанию, а на противоположных гранях возникает разность потенциалов. Величина разности потенциалов в кристалле пропорциональна степени деформации. Описанное явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект действует и в обратном направлении. Если же на пару граней кристалла подается переменное напряжение, то возникает механический эффект сжатия и растяжения, и кристалл начинает совершать колебания. Когда частота подаваемого переменного напряжения совпадает с частотой собственных колебаний кристалла, последний начинает резонировать и, следовательно, генерировать ультразвуковые волны [S]. Резонансная система пьезоизлучателя является многочастотной, что позволяет избежать явления «стоячей волны».
При воздействии на водный раствор интенсивным ультразвуковым излучением происходят сложные физико-механические явления, появляются зоны повышенного и пониженного давления. В зонах повышенного давления создаются кавитационные каверны (микропузырьки), невидимые невооруженным глазом, а в зонах пониженного давления происходит интенсивное схлопывание микрокаверн, что аналогично образованию миллионов микровзрывов. При кавитационных процессах в водных растворах происходит интенсивное образование атомарного озона и, как следствие, полная дегазация среды.
Для проведения исследований влияния ультразвуковой обработки воды затворения на свойства цементного камня с использованием активированной воды готовилось цементное тесто нормальной густоты, из которого формовались образцы-кубики 2x2x2 см. Через 24 ч образцы извлекались из формы и в дальнейшем до испытания они твердели в нормальных условиях. Значения предела прочности при сжатии образцов определялись в 7- и 28-суточном возрасте.
В качестве вяжущего применялся портландцемент М400 ООО «Топкин-ский цемент», удовлетворяющий ГОСТ 1077S-S5, а воды затворения - водопроводная вода по ГОСТ 2S74-S2, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732-79, и дистиллированная вода по ГОСТ 6709-72. Вид лабораторной ультразвуковой (УЗ) установки представлен на рис. 2.
По результатам анализа экспериментальных данных установлено, что при ультразвуковой активации воды цементное тесто становится более пла-
стичным, уменьшается нормальная густота. Так, при ультразвуковой обработке воды затворения в течение 30 мин снижение значения нормальной густоты цементного теста составило 10-12 %.
Рис. 2. Вид работающего лабораторного УЗ-активатора:
1 - генератор УЗ-волн; 2 - озвучиваемая жидкость; 3 - распространяющиеся в жидкости УЗ-волны
Данные по влиянию времени ультразвуковой обработки воды на прочность образцов из цементного теста нормальной густоты, твердевших в стандартных условиях, приведены на рис. 3. Наибольший прирост прочности на сжатие цементного камня (в 7-суточном - 45 % и 28-суточном - 20 %) получены при 30-минутной ультразвуковой обработке воды затворения. При воздействии ультразвуковых волн на воду молекулы воды перегруппировываются и создают новые соединения молекул и атомов кислорода и водорода, которые, вступая в химическую реакцию (процесс гидратации) с клинкерными минералами, образуют более прочную структуру, чем у контрольных образцов.
Рис. 3. Зависимость предела прочности при сжатии цементного камня от времени обработки воды затворения
Для установления влияния технологических и конструктивных параметров на эффективность ультразвуковой активации воды изменялись объемы обрабатываемой воды и расположение излучателя в активаторе.
При изменении объема обрабатываемой воды по схеме, представленной на рис. 4, были получены следующие прочностные характеристики цементного камня на активированной воде: Уш = 85,3 МПа, У250 = 85,5 МПа, У500 = 85,4 МПа, Уі000 = 85,8 МПа, У2ооо = 85,7 МПа. Установлено, что для ультразвукового активатора с одним излучателем изменение объема воды от 100 до 2000 мл на прочность цементного камня не влияет.
2 литра
2 7.85 п 2 7.85
1 литр
18.6
18,6
500 мл
11.5
250 мл
11.5
6,1
6,1
100 мл
3,1 1-і 3,1
Рис. 4. Параметры мерной посуды и расположения ультразвукового активатора
Были проведены исследования влияния высоты столба обрабатываемой воды под ультразвуковым излучателем на прочностные характеристики цементного камня (рис. 5). Наибольший эффект превышения прочности на сжатие цементного камня получен при высоте столба обрабатываемой воды под излучателем, равной 200 мм.
2 литра уз-,
■излучатель
Рис. 5. Предел прочности при сжатии цементного камня при активации в 2-литровом сосуде
Вопросы влияния низкоэнергетического ультразвукового поля на обводненную цементную систему и на отдельные ее компоненты являются малоизученными. Процесс структурообразования начинается с растворения и гидратации цемента с образованием пересыщенных щелочных растворов. В работе исследовалось изменение во времени значения рН, температуры воды, обработанной ультразвуком, и цементной суспензии на ее основе. Для приготовления бетонной смеси обычно используется водопроводная вода по ГОСТ 2874-82, которая содержит растворенные примеси. Для сравнения при проведении исследований, чтобы учесть фактор неоднородности содержания катионов и анионов в водопроводной воде, использовалась также дистиллированная вода по ГОСТ 6709-72.
Для проведения кинетических исследований изменения значений рН в потенциометрическую ячейку вместимостью 50 мл вливалось 40 мл воды и одновременно включался секундомер. При непрерывном перемешивании магнитной мешалкой проводились измерения значений рН. Первые замеры проводились через 5-10 с, а заканчивались исследования через 2 ч.
При исследовании цементных суспензий выбрано водоцементное отношение В/Ц = 50, что в 100 раз больше используемого на практике при приготовлении бетонной смеси, но оправданно с точки зрения чистоты эксперимента.
Вода обладает кислотно-основными буферными свойствами (постоянство значения рН при появлении в системе слабых кислот или оснований, основанное на способности ионов Н+ и ОН- самопроизвольно связываться в ма-лодиссоциируемую молекулу Н2О, - релаксация молекул воды). Для чистой дистиллированной воды рН = 7. Большее количество кислоты или щелочи приводит к потере буферной способности.
Для дистиллированной воды начальное значение рН0 = 5,8 (рис. 6), что связано с поглощением из воздуха СО2 и образованием слабой угольной кислоты.
pH
Вода УЗ
* * *
6 ■ Вода дист. ^1*
41 Время
Рис. 6. Изменение значения рН активированной ультразвуком воды в зависимости от времени
Для воды, обработанной ультразвуком, начальное значение водородного показателя рН0 = 9,3, что объясняется деструкцией молекул воды за счет явления кавитации [7]. Разрыв водородной и химической связей молекул воды приводит к образованию довольно устойчивых радикалов и ионов, а также к возбуждению молекул воды:
Н2О ^ ОН-, О-, Н2О, ОН, Н, Н2О2, Н2О* и т. д.
Метастабильное состояние воды, обработанной ультразвуком с большим содержанием ОН-групп, удерживается в течение 5 мин, затем начинается процесс восстановления водой своего кислотно-основного равновесия. Сначала процессы релаксации молекул воды идут медленно, а затем быстрее. Мета-стабильное состояние воды сохраняется в течение 30 мин.
При затворении цемента водой, обработанной и не обработанной ультразвуком, водородный показатель цементной суспензии повышается. При этом одинаковое значение рН = 11,3 в обеих суспензиях достигается уже через 5-15 с контакта с водой. Спустя 5-15 с скорость изменения рН в обеих суспензиях резко уменьшается, значения рН суспензий повышаются в течение 30 мин, а затем стабилизируются до значения рН = 12,1. Это значение водородного показателя не изменяется вплоть до 2 ч после контакта цементных частиц с водой и соответствует устойчивому значению щелочности насыщенного раствора гидрата окиси кальция (рН = 12,5), т. к. его содержание и растворимость превалируют над другими компонентами цемента в несколько десятков раз.
Рис. 7. Изменение значения рН цементной суспензии на активированной ультразвуком воде затворения в зависимости от времени
Экспериментальные данные показывают, что щелочность жидкой фазы цементной суспензии рН = 11,3 обусловлена наиболее активными поверхностными центрами портландцемента, которыми являются катионы Са2+, Mg2+ и А13+ (щелочность насыщенных растворов их гидроксидов характеризуется значениями: рН = 12,5; 10,5 и 10,8 соответственно).
Водонасыщенное состояние поверхности (спустя 5-15 мин контакта, вплоть до 2 ч) отражает процесс гидратации портландцемента, состоящий из серии сложных физико-химических процессов (смачивания, растворения, гидролиза). Скорость изменения щелочности и температуры в суспензии на основе активированной воды практически постоянна, вплоть до 2 ч контакта, что свидетельствует о равномерности протекания процесса гидратации.
В суспензиях на основе воды, обработанной ультразвуком, рН0 = 9,3, процессы гидратации идут равномерно с одинаковой скоростью, в первые 10 мин контакта - быстрее, чем в дистиллированной воде. Известно [5], что гидратация происходит тем легче, чем более сопоставимы между собой силы притяжения между частицами в веществе и в растворителе. Так как в активированной воде находится большое количество ОН-ионов, то разность полярностей между активированной жидкостью и основным характером поверхности портландцемента будет меньше, поэтому быстрее и полнее проходит смачивание, растворение, самопроизвольное диспергирование частиц цемента до коллоидных размеров (дробление идет по наиболее лиофильным участкам поверхности), интенсивнее проходят последующие процессы образования продуктов гидратации (видимо, процессы образования в растворе и на поверхности цементных зерен идут параллельно). При этом быстрое смешивание ионов способствует включению в состав продуктов гидратации маточного раствора, формируется осадок вида [Ме(ОН)„],„ОН-у. Этот осадок аморфный, высокопористый, неплотный и гидрофильный, т. к. ионы не успевают ориентироваться, располагаются хаотично и неплотно. Образуется аморфная пространственная сетка (или метастабильная гелеобразная масса с частицами аморфной структуры). Малая плотность прослоек благоприятствует проникновению через них к зернам цемента ОН--ионов и молекул воды, растворению более глубоких слоев цементных зерен, что приводит к увеличению объема гелеобразующей составляющей в межзеренном пространстве, уменьшению непрореагировавших зерен цемента, и в конечном итоге - к повышению прочности цементного камня.
Результаты экспериментальных исследований рекомендовано использовать при разработке технологии бетона с активированной ультразвуком водой затворения с повышенной прочностью и долговечностью.
Выводы. Ультразвуковая многочастотная обработка воды затворения способствует уменьшению нормальной густоты (водопотребности) цементного теста на 10-12 % и повышению предела прочности при сжатии затвердевших образцов в 7-суточном возрасте до 45 %, а в 28-суточном - до 20 %.
Библиографический список
1. Кудяков, А.И. Управление качеством цементного бетона для дорожного покрытия. Новые технологии в строительном материаловедении / А.И. Кудяков, А.С. Ушакова, С.Т. Тотай // Международный сборник научных статей. - Новосибирск : Изд-во НГАУ, 2012. - С. 97-103.
2. Кудяков, А.И. Повышение качества дорожного бетона / А.И. Кудяков, А.Г. Петров, Г.Г. Петров // Материалы Всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли». - Новосибирск : Изд-во НГАСУ, 2008. - С. 10.
3. ТУ 5825-078-00884306. Ригель железобетонный напряженный двухполочный для строительства полносборных каркасных зданий. - 2012. - 16 с.
4. ТУ 5817-067-00884306-2009. Сваи предварительно напряженные забивные. - 2009. - 16 с.
5. Баженов, ЮМ. Технология бетона / Ю.М. Баженов. - М. : Изд-во АСВ, 2003. - 499 с.
6. Струйная активация водопроводной воды / Г.Д. Слобожанин, Г.Г. Петров, Е.П. Лаш-кивский [и др.] // Вестник ТГАСУ. - 2006. - № 2. - С. 154.
7. Aktivation des Betonanmachwasser / A. Kudyakow, G. Semyonova, Y. Sarkisow [etc.] // 13 Ibausil. Tagungbericht, Band 2. - Weimar, Deutschland, 1997. - S. 20501-20507.
8. Зубрилов, С.П. Физико-химические аспекты ультразвуковой активации вяжущих материалов : автореф. дисс. ... докт. техн. наук. - М., 1975. - 40 с.
9. Балдев, Р. Применение ультразвука / Р. Балдев. - М. : Техносфера, 2006. - 575 с.
