CC BY
29
6/2Q11 мвВЕСТНИК
ВЛИЯНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ЦЕМЕНТНОЙ СУСПЕНЗИИ НА СВОЙСТВА БЕТОНОВ С ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ
THE INFLUENCE OF A SAFE ELECTROMAGNETIC TREATMENT OF CEMENT SUSPENSIONS ON LIGHT-WEIGHT CONCRETE
PROPERTIES
X.C. Явруян, В.П. Сидоров, Н.И. Малявский, Ю.В. Устинова
H.S. Yavruyan, V.I. Sidorov, N.I. Maliavski, Yu.V. Ustinova
РГСУ, ФГБОУ ВПО «МГСУ»
В работе изложены результаты исследований по улучшению физико-механических и эксплуатационных свойств бетона в результате высокоэнергетических воздействий и добавки наномодификаторов.
The article covers the results of the researches aimed to improvephysico-mechanical and operational properties of the concrete as a result of high-energy treatments and thena-nomodifiersaddition.
В настоящее время особое внимание уделяется методам управления свойствами материалов на наноуровне. В частности, разрабатываются нанотехнологии, направленные на совершенствование и улучшение физико-механических свойств цементных бетонов, так какбетоны являются очень удобными материалами для применения нано-технологий. Частицы, которые имеют размер от 10 до 100 нанометров, представляют собой эффективные минеральные добавки в цемент, в результате их использования наблюдается повышение плотности и прочности бетона.
На кафедреТВВБиСК и в Центре инновационных технологий Ростовского государственного строительного университета проведены исследования по повышению эффективности пенобетона [1]. С этой целью были исследованы способы активации сырьевых компонентов и пенобетонных смесей, позволяющие повысить прочностные характеристики пенобетона.
Исследования показали, что наиболее эффективными активаторами по степени механического, электрохимического и электромагнитного воздействия на обрабатываемые материалы и по удельной энергоемкости, являются электромагнитные аппараты вихревого слоя. В них обеспечиваются повышение однородности смеси и многократное возрастание скоростей физико-химических процессов структурообразования. Оценка степени влияния параметров электромагнитных активаторов на свойства сырьевых компонентов и пенобетонной смеси - важная научно-техническая проблема, требующая решения.
На первом этапе работы проводились исследования по увеличению дисперсионных характеристик цементного теста, обработанного в активаторе, с целью повышения прочностных характеристик цементного камня.
В эксперименте варьировалось время обработки цементного теста, и при этом контролировались характеристики гранулометрического состава и удельной поверхности частиц цемента.
Анализ результатов испытаний показал, что увеличение времени обработки цементного теста в электромагнитных активаторах от 10 до 100 с. приводит к увеличению удельной поверхности частиц цемента на 30%. При этом изменяется и характер распределения частиц по фракциям. Содержание в цементе частиц диаметром до 20 мкм возрастает почти в два раза.
Такие изменения дисперсности цемента приводят к росту прочности цементного камня на 30-40%. Полученные результаты позволили предположить, что совместная активация цемента с песком и водой (пенобетонная смесь) окажет существенное влияние на качество пенобетона.
В процессе исследований предварительно приготовленный цементно-песчаный раствор пропускался через активатор в течение 10; 30; 70 и 100 секунд. Полученную таким образом смесь помещали в лабораторный турбулентный смеситель, куда дозировали пенообразователь «Пеностром». В течение 3 минут готовилась пенобетонная смесь и заливалась в формы-кубы размером 100х 100x100мм. Отформованные образцы выдерживались 2 часа, после чего подвергались пропарке по режиму: 2ч + 8ч/90°С + 3ч. После пропарки образцы распалубливались и подвергались испытаниям на прочность и плотность в соответствии с ГОСТ. Результаты испытаний приведены в табл. 1.
Таблица1
Влияние времени обработки пенобетонной смеси в активаторе на свойства пенобетона
СЗ
а ю о
о
я *
^ н <" ,2 И
л н о
0
1
*
га
ч о
с
о » с ^
ч
я & о ^ ш н
2 ¡3
в ё
и « '
3 °
в
ч
и
а
и
н ^ 2
3 ° в я
* а
и В
ш о а о и в
н ^
В С
В ,
5
а о
^ 2 в
Н I
я а
ш В я н
в « в ^
-е
т В
О о « *
сЗ
га м
В н
а а §2 в
0 10 30 70 100
26 25 23 21 19
0,786 0,768 0,754 0,749 0,731
0,618 0,611 0,603 0,586 0,578
2,24 2,65 2,80 3, 14 3,26
5, 87 7,10 7,70 9,14 9,76
Анализ результатов показал, что предложенный способ обработки растворной смеси позволяет значительно повысить прочность пенобетона (до 40%). При этом повышается качество макро- и микроструктуры пенобетона за счет повышения интенсивности гомогенизации компонентов и за счет дополнительного воздухововлечения при обработке в активаторе. Об этом свидетельствует снижение плотности пенобетона на 5-8% и увеличение коэффициента конструктивного качества пенобетона на 40-60%.
Разработанная установка применима для активации широкого круга сырьевых смесей, не только пенобетонных. Она позволяет обеспечить кардинальное усиление пластифицирующих и водоредуцирующих свойств добавок, когда суперпластификаторы превращаются в гиперпластификаторы. За счет легирующей присадки к пласти-
6/2011 мвВЕСТНИК
фицирующим добавкам возможно существенно усилить исходные свойства цементного вяжущего. В методике применения установки учтена закономерность действия присадок и зависимость эффективности их действия от величины собственных пластифицирующих и водоредуцирующих свойств модифицируемой добавки.
Активация суспензий в установке реализуется путем изменения физико-химических свойств воды и других жидкофазных систем методом безреагентного (нехимического) воздействия, в том числе с использованием:
• кавитационных процессов в вихревых потоках жидкости (трубки Ранке, вихревые гидрокавитационные преобразователи энергии и др.);
• мембранногоэлектроосмоса (электрохимически активированная вода);
• электромагнитных излучений - генераторов сложно поляризованных (продольных) электромагнитных волн и ряда других процессов.
Процесс активации воды осуществляется последовательно-параллельным воздействием электрического, магнитного и электромагнитного полей и/или полем продольных электромагнитных волн, кавитации воды, излучения монополярного генератора или каким-либо иным методом. Установка обеспечивает активизацию процессов перемешивания с одновременным измельчением материала и его электромагнитной обработкой с использованием энергии вращающегося электромагнитного поля высокой удельной концентрации в единице объема рабочего пространства установки.
В результате взаимодействия генерируется ряд эффектов, воздействия на вещество, включая магнитострикцию, механострикцию, кавитацию, электролиз, акустические волны. Такой подход, благодаря использованной методике, позволяет существенно повысить в установке удельную мощность реализации этих эффектов, и, как следствие обеспечить многократное (в сотни раз) возрастание скоростей физико-химических процессов.
Применительно к непористым бетонам, в РГСУ разработана установка для активизации процессов перемешивания (УАП) с одновременным измельчением материала и его электромагнитной обработкой [2].Установка относится к аппаратам вихревого типа, использующим принципиально новые методы воздействия энергии на вещество, а именно, воздействие энергии вращающегося электромагнитного поля высокой удельной концентрации в объеме рабочего пространства установки.
Внешне, аппарат представляет собой индуктор, помещенный в корпус. Через расточку индуктора проходит труба из немагнитного материала (рабочее пространство, в которое помещаются ферромагнитные элементы). При подаче электроэнергии в рабочем пространстве создается мощное электромагнитное поле, которое вращает ферромагнитные элементы, последние взаимодействуют с основным полем. В результате взаимодействия генерируется ряд эффектов, воздействующих на вещество, помещенное в рабочее пространство. Это магнитострикция, механострикция, кавитация, электролиз, акустические волны. Удельная мощность этих эффектов весьма велика, следствием чего является многократное возрастание скоростей физико-химических процессов, которые переходят из диффузионнойв кинетическуюобласть и, в результате образования химических радикалов, скорости реакций возрастают в сотни раз.
Обобщение результатов экспериментов по влиянию активированной воды на прочность бетонов свидетельствует о возможности повышения прочности при сжатии бетонов до 15-20%, по сравнению с образцами, затворенными обычной неактивированной водой (рис.1).
35,6
24,1
Рис.1. Влияние активирования воды на прочность образцов: состав 1 - без обработки воды в УАП; состав 2 - с обработкой воды в УАП
Рис. 2. Исследование влияния комбинированной технологии (нанотехнология и активирование компонентов смеси) на прочность цементно-песчаных образцов
Следует также отметить, что в экспериментах при использовании активированной (структурированной) воды наблюдалось сокращение сроков набора бетонами распалу-бочной прочности. Это открывает широкие перспективы для сокращения сроков, уменьшения энергозатрат и стоимости строительства, особенно при монолитном домостроении в зимних условиях.
40
35
зо
25
20
15
10
6/2Q11 мвВЕСТНИК
Особо следует выделить перспективы совместного использования нескольких на-нотехнологий, например, активированной воды, высокодисперсных исходных материалов и нанодисперсной арматуры (углеродные нанотрубки).Углеродныенанотрубки имеют каркасную структуру и являются большими молекулами, состоящими из атомов углерода. Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как полые внутри «оболочки» различной формы [3]. Простейшей из таких структур обладает молекула фуллерена C60.
Было показано, что совмещение двух нанотехнологий: мокрого домола цемента в УАП, обеспечивающего получение цемента с удельной поверхностью до 8000 см2/г, и активирования воды затворения путем изменения её структуры в производстве цемента может повысить его прочность (рис.2).
На рис.2 представлены составы: 1 - контрольный состав; 2 - состав с добавлением нанотрубок (перемешан вручную); 3 - цемент в мокром виде обработан в УАП (без нанотрубок); 4 - цемент в мокром виде обработан в УАП (с добавкой нанотрубок).
Таким образом, использование углеродных нанотрубок при изготовлении цементных бетонов позволяет повысить их физико-механические свойства или снизить расход цемента при сохранении проектной прочности бетона. Однако для внедрения рассматриваемых нанотехнологий требуется проведение дополнительных исследований направленных на оптимизацию режимов активации воды, повышение удельной поверхности исходных материалов, разработку технологий производства портландцемента с использованием наночастиц различной природы и структуры, изучение гидратации частиц цемента на наноуровне и понять его наноструктуру.
Литература
1. Шуйский А.И., Явруян Х.С., Мадатян С.М., Торлин P.A., Торлина Е.А., Жукова O.A., Фесенко Д.А. Наиотехиологии в производстве строительных материалов // Строительство -2009». Материалы межд. конф. - Ростов-на-Дону: РГСУ, 2009, 60-61с.
2. Шуйский А.И., Явруян Х.С., Жукова O.A. НОЦ «Нанотехнологии в строительстве» в РГСУ // Строительство - 2009». Материалы межд. конф. - Ростов-на-Дону: РГСУ, 2009, 59с.
3. Раков Э.Г. Нанотрубеи и фуллерены. М., Университетская книга, 2006. С.235.
Literature
1. Shuiskii A.I., Yavruyan H.S., Madatyan S.M., Torlin R.A., TorlinaYe.A., Zhukova O.A., Fe-senko D.A. Nanotehnologii v proizvodstvestroitel nyhmaterialov // Stroitelstvo - 2009». Materialy-mezhd. konf. - Rostov-na-Donu: RGSU, 2009, 60-61s.
2. Shuiskii A.I., Yavruyan H.S., Zhukova O.A. NOTS «Nanotehnologii v stroitelDstve» v RGSU // Stroitelstvo - 2009». Materialymezhd. konf. - Rostov-na-Donu: RGSU, 2009, 59s.
3. Rakov E.G. Nanotrubyei i fullereny. M., Universitet-skayakniga, 2006. S.235.
Ключевые слова: пенобетон, углеродныенанотрубки, нанотехнологии, электромагнитная обработка, цементная суспензия, добавки, модификаторы
Keywords: foam concrete, carbon nanotubes, nanotechnologies, electromagnetictreatment, cement suspension, additives, modifiers
129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, ФГБОУ ВПО МГСУ, кафедра общей химии
тел.: +7(499)183-32-92
e-mail: nikmalQ8@yandex.ru, SidorovVI@mgsu.ru, UstinovaUV@mgsu.ru
Рецензент: доц. Б.В.Покидъко, МИТХГ
